CN101828329B - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种开关电源装置，具有：变压器或电感器；开关元件，其与该变压器或电感器连接，对输入电源进行开关转换；和由数字电路构成的开关控制电路，其检测作为控制对象的电流·电压并且根据其值进行开关元件的接通关断控制；将采样的时刻设为除开关元件的接通时刻或关断时刻以外的接通期间中的n点(n为3以上的整数)以上，并根据电流值随时间变化的倾斜度是否超过规定值来检测变压器或电感器有无磁饱和，针对该磁饱和进行电路动作上的保护。由此，不会受到开关噪声的影响，能够高速且可靠地进行有无磁饱和的判断。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及利用数字控制电路进行开关控制的开关电源装置。
背景技术
以往，作为开关电源装置的保护电路之一，设计了如下的过电流保护电路，其检测流经主开关元件的电流，并在该电流值达到规定值时关断主开关元件(参照专利文献1)。
图1示出专利文献1的开关电源装置的例子。
图1所示的开关电源装置构成为：在直流电源1的两端连接有变压器2的初级绕线2a和半导体开关元件3的串联电路，在变压器2的次级绕线2b上连接有二极管4，将开关元件3接通期间蓄积在变压器2中的能量在开关元件3的关断期间经由二极管4提供给负载。并且，流经开关元件3的电流通过电阻6变换为电压信号，该电压信号在二极管10中被整流，在由电容器11及电阻12构成的充放电电路中保持该电压一定期间，并在比较器7及基准电压发生器8中检测出所保持的电压在规定值以上时，控制电路9使所述开关元件3关断。
由此，通过具备过电流保护电路，能够避免变压器的磁饱和，而且无需采取使变压器2的磁芯大型化来防止饱和或者使开关元件3大容量化等对策就能够防止启动时或输出短路时的过电流。
专利文献1：日本特开2005-312139号公报
但是，一般，在利用模拟控制电路进行开关控制的情况下，规定的电压信号在比较器中与基准电压进行比较，并根据与基准电压的大小关系来进行开关控制，但是在这种模拟控制的情况下，存在因叠加在电压、电流信号上的开关噪声的影响而比较器的输出瞬间较大地变动导致控制混乱的问题。另外，若为了抑制这种噪声的影响而添加低通滤波器等则会产生响应延迟的问题。
在如图1所示的专利文献1的开关电源装置那样利用模拟控制电路构成过电流保护电路的情况下，也会产生受到上述噪声影响的问题及由设置低通滤波器而引起的响应延迟的问题。
若利用数字控制电路进行开关控制，则能够消除上述问题。但是，若为了利用数字控制电路检测过电流，而采用将流经过电流保护对象的路径的电流变换为电压信号对其进行采样并计算其绝对值的方法，则由于直到求出与阈值比较的绝对值为止需要花费时间故存在对变压器或电感器有无磁饱和进行的判断延迟的另一问题。
发明内容
本发明的目的在于消除上述问题，提供一种在通过数字控制电路进行开关控制的开关电源装置中能快速且可靠地进行有无磁饱和的判断的开关电源装置。
为了解决上述课题，本发明的开关电源装置按如下方式构成。
(1)一种开关电源装置，具备：变压器或电感器；开关元件，其与所述变压器或所述电感器连接，对输入电源进行开关转换；和基于数字控制电路的开关控制电路，其对作为控制对象的电压值和/或电流值进行采样，并且根据该电压值和/或电流值来控制所述开关元件的接通或关断；该开关电源装置的特征在于，所述开关控制电路具备：将所述采样的时刻设为所述开关元件的接通期间中的n点以上，并根据所述电流值随时间变化的倾斜度是否超过规定值来检测所述变压器或所述电感器有无磁饱和的单元，其中n为3以上的整数；和针对该磁饱和进行电路动作上的保护的保护控制单元。
由此，对根据变压器或电感器的磁饱和而电流值随时间变化的倾斜度发生变化的信号进行采样，并根据该随时间变化的倾斜度来检测变压器或电感器有无磁饱和，因而虽然为数字控制但是变压器或电感器的磁饱和的判断不会延迟，能够准确地进行针对磁饱和的电路动作上的保护。
(2)所述采样的时刻被确定在除所述开关元件的接通时刻或关断时刻的附近以外的期间内。
由此，能够避免在开关元件的接通关断时刻进行采样时产生的、因采样时刻的偏差带来的采样值的大的变动。即，即使采样时刻偏差也不会在开关元件的接通时刻或关断时刻进行采样，因而不会受到开关噪声的不良影响，能够准确地求出电流值随时间变化的倾斜度。
(发明效果)
根据本发明，在通过数字控制电路进行开关控制的开关电源装置中，能够得到不会受到开关噪声影响、变压器或电感器的磁饱和的判断不会延迟且能够准确地进行针对磁饱和的电路动作上的保护的开关电源装置。
附图说明
图1是专利文献1所示的开关电源装置的电路图。
图2是本发明实施方式相关的开关电源装置的电路图。
图3是图2所示的电路图中的各部的波形图。
图4是表示图2所示的开关电源装置中的电流、电压波形与采样时刻之间关系的图。
图5是表示图2所示的开关控制装置中的主要部件的处理内容的流程图。
符号说明：30-数字控制电路，100-开关电源装置，CD-电流检测电路，CT-电流互感器，SR-整流平滑电路，SW-开关电路，T1-变压器，T2-脉冲变压器。
具体实施方式
图2是本发明实施方式的开关电源装置100的电路图。在图2中，变压器T1具备初级绕线N1及次级绕线N21、N22，在初级绕线N1上连接了开关电路SW，该开关电路SW由桥式连接的四个开关元件QA、QB、QC、QD构成。在输入电源21与开关电路SW之间，设有共模扼流圈CH、旁路电容器C1～C6所构成的滤波器电路及电流互感器(currenttransformer)CT。在电流互感器CT的次级侧连接电阻R3来构成电流检测电路CD，将流经初级侧的电流作为电压信号取出。
开关电路SW的四个开关元件QA～QD上连接有驱动电路31。
在变压器T1的次级绕线N21、N22上设有整流平滑电路SR，所述整流平滑电路SR由整流二极管D1、D2、电感器L2及电容器C7构成。从该整流平滑电路SR向输出端子T21、T22输出输出电压。在该输出端子T21-T22之间连接有负载电路22。另外，在输出端子T21-T22之间设有由电阻R1、R2构成的输出电压检测电路。
数字控制电路30由DSP(Digital Signal Processor)构成。该数字控制电路30的动作如下所述。
(输出控制脉冲信号)
向脉冲变压器T2输出针对开关电路SW的控制脉冲信号。由此，驱动电路31经由脉冲变压器T2输入上述控制脉冲信号，来驱动开关电路SW的各开关元件QA～QD。
驱动电路31基于脉冲变压器T2的上升时刻和下降时刻，对脉冲变压器T2进行相位控制，使得开关元件QA、QD的组和QB、QC的组交替地接通/关断。
(检测电压·电流)
对于来自由电阻R1、R2构成的输出电压检测电路的电压信号，在该电压处于峰值的时刻或即将处于峰值的时刻进行采样，求出其数字值。由此，检测输出电压Vo的峰值。
另外，对于来自电流检测电路CD的电压信号，在该电压处于峰值的时刻或即将处于峰值的时刻进行采样，求出其数字值。由此，检测经由开关电路SW流入变压器T1的初级绕线N1的电流的峰值。
进而，以规定周期的定时对来自电流检测电路CD的电压信号进行采样，依次求出其数字值。由此，检测瞬时电流在时间序列上的变化。
(恒定电压控制)
按照使所述输出电压Vo的峰值保持规定值的方式，控制开关电路SW的各开关元件QA～QD的占空比。
(过电流保护控制)
在流经所述初级绕线N1的电流的峰值将要超过上限时，控制开关电路SW的各开关元件QA～QD的占空比以降低输出电压来进行过电流保护。
(防止磁饱和控制)
根据流经变压器T1的初级绕线N1的瞬时电流随时间变化的倾斜度是否超过规定值来检测变压器T1有无磁饱和，在逐渐趋向磁饱和时停止开关动作以进行电路动作上的保护。
接着，对图2所示的开关电源装置100的控制和动作进行说明。
图3是图2所示的开关电源装置100的波形图。在图3中，Vgs为开关元件QA、QB、QC、QD的栅极·源极间电压，VN1为变压器T1的初级绕线N1的施加电压，IN1为流经变压器T1的初级绕线N1的电流。
在图3中，期间Ta为开关元件QA、QD导通且相对于变压器T1的初级绕线电流向第一方向流动的期间，期间Tb为开关元件QB、QC导通且相对于变压器T1的初级绕线电流向第二方向流动的期间。
通过使针对该变压器T1的初级绕线N1的通电期间Ta、Tb的时间均发生变化来改变占空比，由此控制次级侧的输出电压。
图4是表示图2所示的开关电源装置100的电压/电流检测的时刻的例子的图。在图4中，输出电压Vo是对由电阻R1、R2构成的输出电压检测电路的输出电压的电压轴进行放大表示的波形图。Vgs是各开关元件QA～QD的栅极-源极间电压的波形图。
并且，从开关元件(QA、QD)、(QB、QC)的接通时刻to开始每隔规定的采样周期Ts进行多次采样。在该例子中，在t1、t2、t3、t4、t5处进行采样。在开关元件(QA、QD)、(QB、QC)的接通时刻to附近及关断时刻ts附近不进行采样。由此，即使采样时刻稍有偏差，也不会在开关元件的接通时刻或关断时刻进行采样，因而不会受到开关噪声的不良影响。
由此，在开关元件的整个接通期间内在多个时刻对流经图2所示的变压器T1的初级绕线N1的电流IN1进行采样，并且求出随时间变化的倾斜度。
图5是表示该处理过程的流程图。首先，若处于开关元件QA、QD的导通时刻(图4所示的期间Ta的开始时刻)，则对初级绕线电流IN1进行采样，并读取其数字值(S21→S22)。接着，根据与该数字值与上一次采样值的差分计算随时间变化的倾斜度S(S23)。在该倾斜度S超过阈值Sth时，视为变压器T1达到磁饱和，停止开关动作(S24→S31)。
在随时间变化的倾斜度S未超过阈值Sth的状态下，反复进行上述循环直到成为开关元件QA、QD的截止时刻(图4所示的期间Ta的结束时刻)为止(S25→S22→S23→……)。此外，在该循环的初次处理中，由于采样数据只有一点，故步骤S23中的随时间变化的倾斜度S从第2次循环开始求取。
接着，若成为开关元件QB、QC的导通时刻(图4所示的期间Tb的开始时刻)，则对初级绕线电流IN1进行采样，并读取其数字值(S26→S27)。接着，根据该数字值与上一次采样值的差分计算随时间变化的倾斜度S(S28)。在该倾斜度S超过阈值Sth时，视为变压器T1达到磁饱和，停止开关动作(S29→S31)。
在随时间变化的倾斜度S未超过阈值Sth的状态下，反复进行上述循环直到成为开关元件QA、QD的截止时刻(图4所示的期间Tb的结束时刻)为止(S30→S27→S28→……)。此外，在该循环的初次处理中，由于采样数据只有一点，故步骤S28中的随时间变化的倾斜度S从第2次循环开始求取。
由此，在变压器T1趋向磁饱和时停止开关动作以进行电路动作上的保护。
此外，在以上所述的实施方式中虽然举出了全桥方式的DC-DC变换器，但是也同样适用于推挽方式、半桥方式、回描方式等各种DC-DC变换器或脉动变换器等斩波电路中，能起到同样的作用效果。

Claims (2)

1.一种开关电源装置，具备：变压器或电感器；开关元件，其与所述变压器或所述电感器连接，对输入电源进行开关转换；和基于数字控制电路的开关控制电路，其对作为控制对象的电压值和/或电流值进行采样，并且根据该电压值和/或电流值来控制所述开关元件的接通或关断；该开关电源装置的特征在于，
所述开关控制电路具备：
将所述采样的时刻设为所述开关元件的接通期间中的n点以上，并根据所述电流值随时间变化的倾斜度是否超过规定值来检测所述变压器或所述电感器有无磁饱和的单元，其中n为3以上的整数；和
针对该磁饱和进行电路动作上的保护的保护控制单元。
2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述采样的时刻被确定在除所述开关元件的接通时刻或关断时刻的附近以外的期间内。
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