CN102055341B - 一种开关电源的控制电路及开关电源 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种开关电源的控制电路及开关电源，包括：设置在变压器副边绕组的输出电压监测模块，用于监测系统的输出电压，当监测到所述输出电压小于或等于设定值时，产生开关脉冲信号；所述开关脉冲信号及由开关脉冲信号引起的振铃信号经过所述副边绕组和辅助绕组反馈至控制器的FB端；控制器，当监测到FB端有所述开关脉冲信号和/或所述振铃信号时，用于打开功率开关管，使开关电源输入端的能量传递至输出端。这样可以使系统由空载或轻载瞬间切换到重载时，避免系统的输出电压Vout将会出现较大的下冲尖峰电压，从而改善开关电源的输出动态性能。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种开关电源的控制电路及开关电源。
背景技术
开关电源具有体积小，效率高以及电流大的优点，因此被广泛应用于手机充电器和笔记本电脑适配器等场合。
下面介绍现有技术中开关电源的电路图。
参见图1，该图为现有技术中的开关电源的电路图。
输入的交流电压Vac通过整流桥102和输入滤波电容103得到输入电压Vin。系统启动时通过启动电阻104向控制器101的电源VCC供电。
变压器由原边绕组105、副边绕组106和辅助绕组107构成。功率开关管108的导通或关断控制变压器中的能量存储。
当功率开关管108导通时，原边绕组105导通，变压器磁芯存储能量。第一电阻109感应原边电感电流。
当功率开关管108关闭时，原边绕组105关断，变压器磁芯存储的能量向副边绕组106和辅助绕组107传送。辅助绕组107的电流通过第一整流二极管110整流，向控制器101的电源VCC供电。副边绕组106的电流通过第二整流二极管116整流和电容114滤波后向负载电阻115提供能量。辅助绕组107感应副边绕组106的电压。当功率开关管108关断时，辅助绕组107上的电压通过第一反馈分压电阻112和第二反馈分压电阻113向控制器101的FB端提供反馈电压。控制模块检测控制器反馈端FB端和CS端的电压，产生控制信号控制驱动模块。驱动模块驱动功率开关管108的开通或闭合。
控制器101、功率开关管108和变压器构成一个反馈环路，将输出电压Vout的平均值控制在需要的额定输出值。反馈环路通过控制系统的占空比来调节系统的动态性能。开关电源的动态性能具体指的是当输出电流发生突变(源于负载突变)时，输出电压的变化情况。
系统由空载或轻载瞬间切换到重载时，控制器101都需要至少数毫秒时间将脉冲频率调制(PFM，Pulse Frequency Modulation)系统的开关频率提高到高频或让PWM系统以最大导通占空比工作。在这种条件下，系统的输出电压Vout将会出现较大的下冲尖峰电压，如图2所示，开关电源的动态性能较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源的控制电路及开关电源，可以改善开关电源的负载响应特性。
本发明实施例提供一种开关电源的控制电路，包括：设置在变压器副边绕组的输出电压监测模块，用于监测系统的输出电压，当监测到所述输出电压小于或等于设定值时，产生开关脉冲信号；所述开关脉冲信号和/或由开关脉冲信号引起的振铃信号经过所述副边绕组和辅助绕组反馈至控制器的FB端；
控制器，当监测到FB端有所述开关脉冲信号和/或所述振铃信号时，用于打开功率开关管，使开关电源输入端的能量传递至输出端。
优选地，所述输出电压监测模块包括控制单元和开关管，所述控制单元监测到系统的输出电压小于或等于所述设定值时，打开所述开关管。
优选地，所述控制单元包括第一分压电阻、第二分压电阻、第一电压比较器、第一时钟和驱动电路；所述开关管为PMOS管；
所述第一分压电阻的一端接系统的输出电压，另一端接第二分压电阻和第一电压比较器的负输入端；
第二分压电阻的另一端接地；
所述第一分压比较器的正输入端接基准电压；所述第一分压比较器的输出接第一时钟和驱动电路；
所述第一时钟和驱动电路的输出接PMOS管的栅极；
所述PMOS管的源极和衬底均接系统的输出电压，所述PMOS管的漏极接副边绕组的异名端。
优选地，副边绕组的整流二极管的阳极连接副边绕组的异名端，阴极连接系统的输出电压。
优选地，所述控制单元包括第三分压电阻、第四分压电阻、第二电压比较器、第二时钟和驱动电路；所述开关管为NMOS管；
所述第三分压电阻的一端接系统的输出电压，另一端接第四分压电阻和第二电压比较器的负输入端；
第四分压电阻的另一端接地；
所述第二电压比较器的正输入端接基准电压；所述第二电压比较器的输出接第二时钟和驱动电路；
所述第二时钟和驱动电路的输出接NMOS管的栅极；
所述NMOS管的源极和衬底均接地，所述NMOS管的漏极接副边绕组的同名端。
优选地，副边绕组的整流二极管的阴极连接副边绕组的同名端，阳极接地。
优选地，所述控制器内包括驱动模块和动态监测模块；
所述动态监测模块监测控制器FB端的电压，当监测到控制器FB端有所述开关脉冲信号和/或所述振铃信号时，发送控制信号至驱动模块，驱动模块驱动功率开关管打开。
优选地，所述控制单元还包括或非门、第一二极管、第一电压源、第三电压比较器和第一驱动电路；
所述第一时钟和驱动电路的输出连接所述或非门的一个输入端，所述第一驱动电路的输出连接所述或非门的另一个输入端；所述或非门的输出连接PMOS管的栅极；
所述第三电压比较器的正输入端连接PMOS管的漏极，负输入端经过第一电压源连接PMOS管的源极，输出端连接所述第一驱动电路的输入端；
所述PMOS管的漏极和源极之间连接第一二极管。
优选地，所述控制单元还包括或门、第二二极管、第二电压源、第四电压比较器和第二驱动电路；
所述第二时钟和驱动电路的输出连接所述或门的一个输入端；所述第二驱动电路的输出连接所述或门的另一个输入端；所述或门的输出连接NMOS管的栅极；
所述第四电压比较器的正输入端连接NMOS管的源极，负输入端通过第二电压源连接NMOS管的漏极，输出端连接所述第二驱动电路的输入端；
所述NMOS管的源极和漏极之间连接第二二极管。
本发明实施例还提供一种开关电源，包括所述的开关电源的控制电路。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的开关电源的控制电路及开关电源，在变压器副边绕组设置输出电压监测模块，监测系统的输出电压。当监测到系统输出电压小于或等于设定值时，产生开关脉冲信号，并将产生的开关脉冲信号和开关脉冲信号引起的振铃信号经过副边绕组反馈给辅助绕组，进而反馈给控制器的FB端。控制器监测到所述FB有所述开关脉冲信号和/或振铃信号时，打开功率开关管，使开关电源输入端的能量传递至输出端，直到输出电压上升到设定值。这样可以使系统由轻载或空载转为重载时，系统的输出电压很快上升到工作值，从而改善系统的动态性能。
附图说明
图1是现有技术中的开关电源结构图；
图2是现有技术中系统的输出电压波形图；
图3是本发明第一实施例结构图；
图4是本发明图3对应的实施例的输出电压监测模块的电路图；
图5是本发明第二实施例结构图；
图6是本发明图5对应的实施例的输出电压监测模块的电路图；
图7是现有技术中开关电源中的电压和电流示意图；
图8是本发明开关电源中的电压和电流示意图；
图9是本发明提供的输出电压监测模块的实施例一示意图；
图10是本发明提供的输出电压监测模块的另一个实施例示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明实施例提供的开关电源的控制电路包括：设置在变压器副边绕组的输出电压监测模块，用于监测系统的输出电压，当监测到所述输出电压小于或等于设定值时，产生开关脉冲信号，所述开关脉冲信号会产生振铃信号。
需要说明的是，该输出电压监测模块包括三个端口：输入端连接系统的输出电压；一个端口接地；输出端连接副边绕组。
输出端可以连接在副边绕组的同名端，也可以连接在副边绕组的异名端。主要是为了通过副边绕组将开关脉冲信号及由其产生的振铃信号反馈给辅助绕组。该输出电压监测模块监测系统的输出电压，当系统的输出电压小于或等于设定值时，产生开关脉冲信号。该开关脉冲信号及由其产生的振铃信号经过副边绕组反馈给辅助绕组，辅助绕组反馈给控制器。控制器进而控制功率开关管的开通和关断。
控制器，当监测到FB有所述开关脉冲信号和/或振铃信号时，用于打开功率开关管，使开关电源输入端的能量传递至输出端。
本发明实施例提供的开关电源的控制电路，在变压器副边绕组设置输出电压监测模块，监测系统的输出电压。当监测到系统输出电压小于或等于设定值时，产生开关脉冲信号，所述开关脉冲信号会产生振铃信号。所述开关脉冲信号和振铃信号通过辅助绕组反馈给控制器。控制器监测到FB端有所述开关脉冲信号和/或振铃信号后打开功率开关管，使开关电源输入端的能量传递至输出端，直到输出电压上升到设定值。这样可以使系统由轻载或空载转为重载时，系统的输出电压很快上升到工作值，从而改善系统的动态性能。
参见图3，该图为本发明第一实施例结构图。
该实施例是输出电压监测模块的输出端Vo连接副边绕组的异名端；输入端连接系统的输出电压Vout；一个端口接地。
所述控制器内包括驱动模块和动态监测模块。
所述动态监测模块监测控制器FB端的电压，当监测到控制器FB端有由所述输出电压监测模块产生的所述开关脉冲信号和/或由所述开关脉冲信号引起的振铃信号时，发送控制信号至驱动模块，驱动模块驱动功率开关管打开。
参见图4，该图为图3对应的实施例的输出电压监测模块的电路图。
所述控制单元包括第一分压电阻401、第二分压电阻402、第一电压比较器403、第一时钟和驱动电路404；所述开关管406为PMOS管。
所述第一分压电阻401的一端接系统的输出电压Vout，另一端接第二分压电阻402和第一电压比较器403的负输入端；
第二分压电阻402的另一端接地；
所述第一电压比较器403的正输入端接基准电压；所述第一电压比较器403的输出接第一时钟和驱动电路404。
所述第一时钟和驱动电路404的输出接PMOS管的栅极；第一时钟和驱动电路404输出的脉冲405驱动PMOS管。
所述PMOS管的源极和衬底均接系统的输出电压Vout，所述PMOS管的漏极接副边绕组的异名端。
该实施例中副边绕组的整流二极管的阳极连接副边绕组的异名端，阴极连接系统的输出电压。
当开关电源系统的输出电压Vout由于负载由空载或轻载向重载动态切换降低至设定值时，第一电压比较器403翻转。第一电压比较器403的输出信号驱动第一时钟和驱动电路404。第一时钟和驱动电路404产生开关脉冲405周期性地打开PMOS管。
当PMOS管打开时，其漏极电压接近Vout。电流由开关电源系统的输出端经PMOS管流入副边绕组。
当PMOS管关闭时，经PMOS管流入副边绕组的电流减小到零，在副边绕组上引起振铃信号。表征PMOS管打开与关闭的开关脉冲信号以及所述振铃信号将会耦合至辅助绕组上。第一反馈分压电阻和第二反馈分压电阻向原边控制器的FB端提供反馈电压。所述动态监测模块监测控制器FB端的电压，当监测到控制器FB端有所述开关脉冲信号和/或所述振铃信号时，发送控制信号至驱动模块，驱动模块驱动功率开关管打开。使开关电源输入端的能量传递至输出端，直到输出电压上升到设定值。
需要说明是，控制器既可以通过监测FB端的开关脉冲信号来打开功率开关管，也可以通过监测FB端的振铃信号来打开功率开关管。当然，也可以通过监测到FB端的开关脉冲信号和振铃信号两者之后打开功率开关管。无论控制器FB端有开关脉冲信号，还是有振铃信号，均表示系统的输出电压已经低于设定值。
所述设定值可以根据开关电源的具体型号来设定。例如开关电源的输出电压为5V的系统中，此设定值可以设定为4.7V。
需要说明的是，本发明实施例中的控制器中也包括控制模块，该控制模块与现有技术控制器中的控制模块的功能相同，用于在正常工作时控制功率开关管的导通和关断。
参见图5，该图为本发明第二实施例结构图。
该实施例与第一实施例不同的是输出电压监测模块417的输出端Vo连接副边绕组的同名端；输入端连接系统的输出电压Vout；一个端口接地。
所述控制器内包括驱动模块和动态监测模块。
所述动态监测模块监测控制器FB端的电压，当监测到控制器FB端有由输出电压监测模块产生的所述开关脉冲信号和/或由所述开关脉冲信号引起的振铃信号时，发送控制信号至驱动模块，驱动模块驱动功率开关管打开。
参见图6，该图为图5对应的实施例的输出电压监测模块的电路图。
所述控制单元包括第三分压电阻601、第四分压电阻602、第二电压比较器603、第二时钟和驱动电路604；所述开关管606为NMOS管；
所述第三分压电阻601的一端接系统的输出电压Vout，另一端接第四分压电阻602和第二电压比较器603的负输入端；
第四分压电阻602的另一端接地；
所述第二电压比较器603的正输入端接基准电压；所述第二电压比较器603的输出接第二时钟和驱动电路604；
所述第二时钟和驱动电路604的输出接NMOS管的栅极；第二时钟和驱动电路604输出脉冲605驱动NMOS管。
所述NMOS管的源极和衬底均接地，所述NMOS管的漏极接副边绕组的同名端。
图6所示的电路图与图4所示的电路图的工作原理相同，不同的仅是一个驱动PMOS管，一个驱动NMOS管。在此不再赘述。
参见图7，该图为现有技术中开关电源中的电压和电流示意图。
OUT是原边控制芯片OUT端输出电压。在功率开关管导通时间Tonp内，原边电流Ip从0线性上升至最大值。
副边绕组两端电压Vs，Vout为系统的输出电压。
系统工作在不连续模式。当功率开关管关断后，副边绕组上的电流在时间Tons内从最大值下降至0，此过程中Vs电压为Vout电压与第二整流二极管的正向导通电压之和。当第二整流二极管停止导通后，副边绕组上将会因寄生电容和寄生电阻效应产生一个衰减的振铃电压。该Vout电压加上第二整流二极管的正向导通电压与衰减的振铃电压经过辅助绕组反馈至控制器的FB端。功率开关管将会在Tdis时间后重新导通，开始下一周期的工作。Tdis时间由控制器根据反馈环路调整。当系统负载为空载或轻载时，Tdis会持续数毫秒或数十毫秒。如果在这段长Tdis时间内系统负载发生动态切换，特别地，当负载动态切换发生在断续阶段刚开始如图7所示t1时刻，则系统输出电压将会在数毫秒内下降至一个很低的值，造成如图2所示很低的下冲电压。
参见图8，该图为本发明开关电源中的电压和电流示意图。
从图8中可以看出，本发明提供的开关电源中的系统输出电压Vout的下冲电压被极大减少。
Vo为图3中副边绕组的输出电压监测模块的输出端。
副边绕组的电流为Is，其中振铃电流未在图中标出。
当系统的输出电压Vout下降到设定值时，输出电压监测模块产生一个开关脉冲信号Vo。这个开关脉冲信号Vo加在副边绕组上。副边绕组和辅助绕组将会产生一个开关脉冲信号及由其产生的振铃信号801。这个开关脉冲信号和/或由其产生的振铃信号被控制器检测到。控制器打开功率开关管，进而使原边能量向副边传送。系统的输出电压Vout开始上升，Vout的最低电压被限制为大约4.5V(如图8所示)。
但是，如图2所示，相同情况下现有的开关电源系统的最低输出电压为1.4V。
下面结合附图说明本发明实施例提供的输出电压监测模块的另一个实施例。该实施例不但能改善开关电源的动态性能，而且可以实现副边绕组的有源整流。
参见图9，该图为本发明提供的输出电压监测模块的实施例一示意图。
图9所示的该实施例对应图4所示的输出电压监测模块进行的改进。
所述控制单元还包括或非门905、第一二极管909、第一电压源907、第三电压比较器908和第一驱动电路910。
第一时钟和驱动电路的输出连接所述或非门905的一个输入端，所述第一驱动电路910的输出连接所述或非门905的另一个输入端；所述或非门905的输出连接PMOS管的栅极；
所述第三电压比较器908的正输入端连接PMOS管的漏极，负输入端经过第一电压源907连接PMOS管的源极，输出端连接所述第一驱动电路910的输入端；
所述PMOS管的漏极和源极之间连接第一二极管909。
所述第一电压源907与第三电压比较器908的其中一个输入端相连，是为了确保第三电压比较器908在变压器不连续时间内产生关断信号。
当功率开关管关断后，副边绕组电流从峰值开始线性下降的过程中，第一二极管909的阳极电压将会高于其阴极电压。第三电压比较器908的输出变高，进而使PMOS导通。
如果PMOS管的尺寸足够大，则其导通电阻将会很小。
当副边绕组导通时，PMOS管的最大导通压降小于0.5V。这样，可以省去正向导通电压为0.5V的第二整流二极管。由于本发明包含的开关管功率损耗小于第二整流二极管(例如图1中的116)的功率损耗，所以采用本发明所包含的具有有源整流功能的副边输出电压监测模块芯片不仅可以改善开关电源的动态特性，而且可以提高开关电源系统的转换效率。
参见图10，该图为本发明提供的输出电压监测模块的另一个实施例示意图。
图10所示的该实施例对应图6所示的输出电压监测模块进行的改进。
所述控制单元还包括或门1005、第二二极管1009、第二电压源1007、第四电压比较器1008和第二驱动电路1010；
所述第二时钟和驱动电路的输出连接所述或门1005的一个输入端；所述第二驱动电路1010的输出连接所述或门1005的另一个输入端；所述或门1005的输出连接NMOS管的栅极；
所述第四电压比较器1008的正输入端连接NMOS管的源极，负输入端通过第二电压源1007连接NMOS管的漏极，输出端连接所述第二驱动电路1010的输入端；
所述NMOS管的源极和漏极之间连接第二二极管1009。
本发明实施例还提供一种开关电源，该开关电源包括上述实施例所述的开关电源控制电路。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种开关电源的控制电路，其特征在于，包括：设置在变压器副边绕组的输出电压监测模块，用于监测系统的输出电压，当监测到所述输出电压小于或等于设定值时，产生开关脉冲信号；所述开关脉冲信号和/或由开关脉冲信号引起的振铃信号经过所述副边绕组和辅助绕组反馈至控制器的反馈端；
控制器，当监测到反馈端有所述开关脉冲信号和/或所述振铃信号时，用于驱动功率开关管导通，使开关电源输入端的能量传递至输出端。
2.根据权利要求1所述的开关电源的控制电路，其特征在于，所述输出电压监测模块包括控制单元和开关管，所述控制单元监测到系统的输出电压小于或等于所述设定值时，控制输出电压监测模块中的所述开关管。
3.根据权利要求2所述的开关电源的控制电路，其特征在于，所述控制单元包括第一分压电阻、第二分压电阻、第一电压比较器、第一时钟和驱动电路；所述输出电压监测模块中的开关管为PMOS管；
所述第一分压电阻的一端接系统的输出电压，另一端接第二分压电阻和第一电压比较器的负输入端；
第二分压电阻的另一端接地；
所述第一电压比较器的正输入端接基准电压；所述第一电压比较器的输出接第一时钟和驱动电路；
所述第一时钟和驱动电路的输出接PMOS管的栅极；
所述PMOS管的源极和衬底均接系统的输出电压，所述PMOS管的漏极接副边绕组的异名端。
4.根据权利要求3所述的开关电源的控制电路，其特征在于，副边绕组的整流二极管的阳极连接副边绕组的异名端，阴极连接系统的输出电压。
5.根据权利要求2所述的开关电源的控制电路，其特征在于，所述控制单元包括第三分压电阻、第四分压电阻、第二电压比较器、第二时钟和驱动电路；所述输出电压监测模块中的开关管为NMOS管；
所述第三分压电阻的一端接系统的输出电压，另一端接第四分压电阻和第二电压比较器的负输入端；
第四分压电阻的另一端接地；
所述第二电压比较器的正输入端接基准电压；所述第二电压比较器的输出接第二时钟和驱动电路；
所述第二时钟和驱动电路的输出接NMOS管的栅极；
所述NMOS管的源极和衬底均接地，所述NMOS管的漏极接副边绕组的同名端。
6.根据权利要求5所述的开关电源的控制电路，其特征在于，副边绕组的整流二极管的阴极连接副边绕组的同名端，阳极接地。
7.根据权利要求1所述的开关电源的控制电路，其特征在于，所述控制器内包括驱动模块和动态监测模块；
所述动态监测模块监测控制器所述反馈端的电压，当监测到控制器所述反馈端有所述开关脉冲信号和/或所述振铃信号时，发送控制信号至驱动模块，驱动模块驱动功率开关管打开。
8.根据权利要求3所述的开关电源的控制电路，其特征在于，所述控制单元还包括或非门、第一二极管、第一电压源、第三电压比较器和第一驱动电路；
所述第一时钟和驱动电路的输出连接所述或非门的一个输入端，所述第一驱动电路的输出连接所述或非门的另一个输入端；所述或非门的输出连接PMOS管的栅极；
所述第三电压比较器的正输入端连接PMOS管的漏极，负输入端经过第一电压源连接PMOS管的源极，输出端连接所述第一驱动电路的输入端；
所述PMOS管的漏极和源极之间连接第一二极管。
9.根据权利要求5所述的开关电源的控制电路，其特征在于，所述控制单元还包括或门、第二二极管、第二电压源、第四电压比较器和第二驱动电路；
所述第二时钟和驱动电路的输出连接所述或门的一个输入端；所述第二驱动电路的输出连接所述或门的另一个输入端；所述或门的输出连接NMOS管的栅极；
所述第四电压比较器的正输入端连接NMOS管的源极，负输入端通过第二电压源连接NMOS管的漏极，输出端连接所述第二驱动电路的输入端；
所述NMOS管的源极和漏极之间连接第二二极管。
10.一种开关电源，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的开关电源的控制电路。
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