CN102163922B - 包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及开关电源，尤其涉及开关电源中的一种包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路。本发明提供了一种包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，包括：输出电压比较单元、磁隔离反馈单元、变压器去磁单元和脉冲宽度调制比较单元。本发明的有益效果是：电路简单，元器件用量少；反馈信号包括电压和电流信号，可以进行双环控制；适用范围广，可广泛应用于需要磁隔离反馈的应用中；抗辐照和干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源，尤其涉及开关电源中的一种包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路。
背景技术
目前开关电源的隔离反馈方式有两种：光耦隔离反馈和磁隔离反馈。光耦隔离反馈方式依靠光耦的线性工作区将输出电压误差信号隔离反馈到原边控制器，进行脉冲宽度调节，进而实现整体电源稳压控制。此种反馈方式的缺点是需要利用光耦的线性工作区进行隔离反馈，而光耦器件在线性工作区的传输比容易随温度和时间发生漂移，而且抗辐照能力差。这些都会影响到隔离反馈的精度和稳定性，从而影响到整个电源的闭环控制特性，不适合应用在航天航空以及地下等恶劣应用环境中。
磁隔离反馈比较通用的方法是采用UC1901集成芯片，其存在的不足包括：
1、 所用器件多、电路复杂，成本较高；
2、 补偿环节多，调试周期长；
3、 UC1901的抗辐照总剂量较低，不满足长寿命航天器的应用要求。
也有采用分立器件替代UC1901进行磁隔离反馈，但往往电路较复杂，器件较多，反馈信息也仅仅是输出电压，没有包括电流信息。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路。
本发明提供了一种包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，包括：
输出电压比较单元，包括采样比较电路和电压电流转换电路，所述采样比较电路用于对DC/DC变换器的输出电压Vout进行采样、比较和补偿，得到输出电压误差信号，所述电压电流转换电路用于将所述采样比较电路得到的输出电压误差信号转换为电流信号；
磁隔离反馈单元，包括电流加法电路、磁隔离反馈变压器T1和整流电路，所述电流加法电路用于将所述电压电流转换电路转换得到的电流信号与DC/DC变换器的原边或副边的电流采样信号相加，得到混合电流信号，所述电流加法电路的输出端连接采样电阻，通过所述电流加法电路输出端的采样电阻将混合电流信号转化为电压信号，所述磁隔离反馈变压器T1有两方面用途，一方面用于将DC/DC变换器的原边电流或副边电流进行电流采样，将DC/DC变换器的原边电流或副边电流反馈到所述电流加法电路，另一方面用途是将所述采样电阻上的电压信号反馈到原边，所述整流电路用于对所述磁隔离反馈变压器反馈到原边的电压信号进行半波整流，得到反馈电压Vfb；
变压器去磁单元，用于对所述磁隔离反馈变压器T1进行去磁复位；
脉冲宽度调制比较单元，用于对反馈电压Vfb与参考电压Vref2进行比较，决定输出占空比的大小，以输出对应的脉冲宽度调制信号，实现闭环控制。
作为本发明的进一步改进，所述采样比较电路包括运算放大器A1，电阻R1、R2，基准电压Vref1，其中，对DC/DC变换器的输出电压Vout通过电阻R1、R2分压采样，得到采样电压Vs；电阻R1的另一端连接副边的地；运算放大器A1的反相输入端连接采样电压Vs，运算放大器A1的同相输入端连接参考电压Vref1，运算放大器A1的输出端连接电压电流转换电路，对DC/DC变换器的输出电压Vout通过电阻R1、R2分压采样与参考电压Vref1做比较，所得到的电压误差信号由运算放大器A1输出到电压电流转换电路。
作为本发明的进一步改进，运算放大器A1的反相输入端和输出端之间或者电阻R2的两端之间并联有补偿网络K1。
作为本发明的进一步改进，所述电压电流转换电路包括电阻R4、R5和PNP三极管M1，其中，运算放大器A1的输出端连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接PNP三极管M1的基极，PNP三极管M1的射极通过电阻R5上拉到输出电压Vout，PNP三极管M1的集电极连接电流加法电路，PNP三极管M1将运算放大器A1输出的电压误差信号转化成电流信号Ierr输入到所述电流加法电路。
作为本发明的进一步改进，所述电流加法电路包括二极管D1、D2和电阻R6，所述磁隔离反馈变压器T1包括绕组N1、N2、N3，其中，PNP三极管M1的集电极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接二极管D2的阴极和电阻R6的一端，二极管D2的阳极连接磁隔离反馈变压器T1的绕组N2的同名端，电阻R6的另一端连接磁隔离反馈变压器T1的绕组N2的非同名端和副边的地；磁隔离反馈变压器T1的绕组N3的同名端连接整流电路，磁隔离反馈变压器T1的绕组N1的同名端连接DC/DC变换器的输入电压Vin，绕组N1的非同名端连接DC/DC变换器的主变压器T2，DC/DC变换器的主开关管Q1的漏极连接主变压器T2，主开关管Q1的源极连接原边地，主开关管Q1的门极连接所述脉冲宽度调制比较单元输出PWM信号。
作为本发明的进一步改进，所述磁隔离反馈变压器T1的绕组N1与主拓扑输出整流二极管D4串联，对输出电流进行采样，反馈电压Vfb既反映输出电压信号又反映输出电流信号。
作为本发明的进一步改进，所述整流电路包括二极管D3、电容C1和电阻R7，所述变压器去磁单元包括电阻R8、R9和PNP三极管M2，其中，磁隔离反馈变压器T1的绕组N3的同名端连接二极管D3的阳极和电阻R9的一端，二极管D3的阴极连接电阻R7、电容C1和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接PNP三极管M2的射极，PNP三极管M2的集电极接原边地，PNP三极管M2的基极接电阻R9的另一端。
作为本发明的进一步改进，所述脉冲宽度调制比较单元为原边控制芯片内部的运算放大器A2，运算放大器A2的反相输入端连接反馈电压Vfb，运算放大器A2的同相输入端连接参考电压Vref2，运算放大器A2将反馈电压Vfb和参考电压Vref2的电平作比较，控制输出对应的脉冲宽度调制信号。
作为本发明的进一步改进，所述采样比较电路包括三端稳压芯片TL431和电阻R1、R2，其中，输出电压Vout通过电阻R1、R2分压采样，得到采样电压Vs；电阻R1的另一端连接副边的地和三端稳压芯片TL431的阳极；三端稳压芯片TL431的参考极连接采样电压Vs，三端稳压芯片TL431的阴极连接所述电压电流转换电路，TL431的阴极还通过电阻R3上拉到输出电压Vout。
作为本发明的进一步改进，三端稳压芯片TL431的参考极和阴极之间或者电阻R2的两端之间并联有补偿网络K1。
本发明的有益效果是：电路简单，元器件用量少；反馈信号包括电压和电流信号，可以进行双环控制；适用范围广，可广泛应用于需要磁隔离反馈的应用中；抗辐照和干扰能力强。
附图说明
图1是本发明一种包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路的原理示意简图；
图2是本发明所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路的第一实施例的电路示意图；
图3是本发明所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路的第二实施例的电路示意图；
图4是本发明所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路的第三实施例的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
图1至图4中的附图标号为：输出电压比较单元1；磁隔离反馈单元2；变压器去磁单元3；脉冲宽度调制比较单元4。
如图1所示，一种包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，包括：
输出电压比较单元1，包括采样比较电路和电压电流转换电路，所述采样比较电路用于对DC/DC变换器的输出电压Vout进行采样、比较和补偿，得到输出电压误差信号，所述电压电流转换电路用于将所述采样比较电路得到的输出电压误差信号转换为电流信号；
磁隔离反馈单元，包括电流加法电路、磁隔离反馈变压器T1和整流电路，所述电流加法电路用于将所述电压电流转换电路转换得到的电流信号与DC/DC变换器的原边或副边的电流信号相加，得到混合电流信号，所述电流加法电路的输出端连接采样电阻，通过所述电流加法电路输出端的采样电阻将混合电流信号转化为电压信号，所述磁隔离反馈变压器T1有两方面用途，一方面用于将DC/DC变换器的原边电流或副边电流进行电流采样，将DC/DC变换器的原边电流或副边电流反馈到所述电流加法电路，另一方面用途是将所述采样电阻上的电压信号反馈到原边，所述整流电路用于对所述磁隔离反馈变压器反馈到原边的电压信号进行半波整流，得到反馈电压Vfb；
变压器去磁单元3，用于每个开关周期对所述磁隔离反馈变压器T1进行去磁复位，防止磁隔离反馈变压器T1出现磁饱和的现象；
脉冲宽度调制比较单元4，用于对反馈电压Vfb与参考电压Vref2进行比较，决定输出占空比的大小，以输出对应的脉冲宽度调制信号，实现闭环控制。
请参考图2中所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路的第二实施例的电路图，所述采样比较电路包括运算放大器A1，电阻R1、R2，基准电压Vref1，其中，电阻R1、R2为分压电阻，对DC/DC变换器的输出电压Vout通过电阻R1、R2分压采样，得到采样电压Vs；电阻R1的另一端连接副边的地；运算放大器A1的反相输入端连接采样电压Vs，运算放大器A1的同相输入端通过电阻R3连接参考电压Vref1，运算放大器A1的输出端连接电压电流转换电路，输出电压Vout通过电阻R1、R2分压采样与参考电压Vref1做比较，所得到的电压误差信号由运算放大器A1输出到电压电流转换电路。
如图2所示，可根据被控对象的情况可以选择不同类型的补偿网络，如运算放大器A1的反相输入端和输出端之间可以并联有补偿网络K1，电阻R2的两端之间也可以并联有补偿网络K1。
如图2所示，所述电压电流转换电路包括电阻R4、R5和PNP三极管M1，其中，所述采样比较电路的运算放大器A1的输出端连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接PNP三极管M1的基极，PNP三极管M1的射极通过电阻R5上拉到输出电压Vout，PNP三极管M1的集电极连接电流加法电路，PNP三极管M1将运算放大器A1输出的电压误差信号转化成电流信号Ierr输入到所述电流加法电路。
如图2所示，所述电流加法电路包括二极管D1、D2和电阻R6，所述磁隔离反馈变压器T1包括绕组N1、N2、N3，所述磁隔离反馈变压器T1与普通的电流变压器一样，绕组N1的匝数较少，绕组N2的匝数较多，绕组N1与绕组N2的匝比为1:n，根据实际需要n可以是50或100，其中，PNP三极管M1的集电极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接二极管D2的阴极和电阻R6的一端，二极管D2的阳极连接磁隔离反馈变压器T1的绕组N2的同名端，电阻R6的另一端连接磁隔离反馈变压器T1的绕组N2的非同名端和副边的地；磁隔离反馈变压器T1的绕组N3的同名端连接整流电路，磁隔离反馈变压器T1的绕组N1的同名端连接DC/DC变换器的输入电压Vin，绕组N1的非同名端连接DC/DC变换器的主变压器T2，DC/DC变换器的主开关管Q1的漏极连接主变压器T2，主开关管Q1的源极连接原边地，主开关管Q1的基极连接所述脉冲宽度调制比较单元，具体为主开关管Q1的基极连接原边控制芯片的输出脉冲宽度调制管脚，主开关管Q1为MOSFET管，即MOS管，也称为金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管。
如图2所示，所述整流电路包括二极管D3、电容C1和电阻R7，所述变压器去磁单元包括电阻R8、R9和PNP三极管M2，其中，磁隔离反馈变压器T1的绕组N3的同名端连接二极管D3的阳极和电阻R9的一端，二极管D3的阴极连接电阻R7、电容C1和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接PNP三极管M2的射极，PNP三极管M2的集电极接原边地，PNP三极管M2的基极接电阻R9的另一端。
如图2所示，所述变压器去磁单元3的作用是对磁隔离反馈变压器T1进行去磁，当DC/DC变换器的主开关管Q1关闭的时候，磁隔离反馈变压器T1的绕组N3的同名端感应出负电压，将PNP三极管M2的基极拉低，PNP三极管M2导通，依靠电容C1存储的电压对磁隔离反馈变压器T1去磁，防止磁隔离反馈变压器T1出现磁饱和的现象。
如图2所示，当DC/DC变换器的主开关管Q1导通时，绕组N1对DC/DC变换器的原边电流Ipri采样，绕组N2上感应出的电流为Ipri/n。通过电流加法电路在电阻R6上感应出的电压值为R6*(Ipri/n+Ierr)，因此在电阻R6上既能反映出输出电压的信息又能反映出输入电流的信息。此时绕组N2上的电压为R6*(Ipri/n+Ierr)+0.7V。绕组N3的匝数可设置成与绕组N2一致，即绕组N1、绕组N2、绕组N3的匝比为1:n:n，这样磁隔离反馈变压器T1又可看做是一个电压变压器，可以将绕组N2的电压信号反馈到绕组N3上，再经过整流电路的二极管D3、电容C1、电阻R7进行半波整流，最后可以在电阻R7和电容C1两端得到最终的反馈电压Vfb，它的幅值为R6*(Ipri/n+Ierr)。
如图2所示，所述脉冲宽度调制比较单元4为原边控制芯片内部的运算放大器A2，运算放大器A2的反相输入端连接反馈电压Vfb，运算放大器A2的同相输入端连接参考电压Vref2，反馈电压Vfb连接到原边控制芯片内部比较器的反相输入端，参考电压Vref2连接到原边控制芯片内部比较器的同相输入端，运算放大器A2将反馈电压Vfb和参考电压Vref2的电平作比较，决定输出占空比的大小，以控制输出对应的脉冲宽度调制信号，以驱动主开关管Q1。
请参考图3中所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路的第二实施例的电路图，可以将所述磁隔离反馈变压器T1的绕组N1与主拓扑输出整流二极管D4串联，对输出电流进行采样，反馈电压Vfb既反映输出电压信号又反映输出电流信号，反馈电压Vfb输出到DC/DC变换器。
请参考图4中的所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路的第三实施例的电路图，可以用三端稳压芯片TL431来替代运算放大器A1和基准电压Vref1，同时也不用考虑运算放大器辅助电源的问题，使得电路更加简单，使用更加方便。具体为，所述采样比较电路包括三端稳压芯片TL431和电阻R1、R2，其中，输出电压Vout通过电阻R1、R2分压采样，得到采样电压Vs；电阻R1的另一端连接副边的地和三端稳压芯片TL431的阳极；三端稳压芯片TL431的参考极连接采样电压Vs，三端稳压芯片TL431的阴极连接所述电压电流转换电路，具体为，三端稳压芯片TL431的阴极连接所述电压电流转换电路中的电阻R4，并且，三端稳压芯片TL431的阴极通过电阻R3上拉至输出电压Vout。
如图4所示，可根据被控对象的情况可以选择不同类型的补偿网络，三端稳压芯片TL431的参考极和阴极之间可以并联有补偿网络K1，电阻R2的两端之间也可以并联有补偿网络K1。
本发明提供的一种包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，可将DC/DC开关电源的输出电压信号和电流信号通过磁隔离反馈变压器T1传送到原边控制芯片，从而实现闭环控制，无需专门的磁隔离反馈控制芯片，电路简单，元器件用量少，抗干扰能力强，可应用于任何需要磁隔离反馈的DC/DC开关电源中。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于，包括：
输出电压比较单元，包括采样比较电路和电压电流转换电路，所述采样比较电路用于对DC/DC变换器的输出电压Vout进行采样、比较和补偿，得到输出电压误差信号，所述电压电流转换电路用于将所述采样比较电路得到的输出电压误差信号转换为电流信号；
磁隔离反馈单元，包括电流加法电路、磁隔离反馈变压器T1和整流电路，所述电流加法电路用于将所述电压电流转换电路转换得到的电流信号与DC/DC变换器的原边或副边的电流采样信号相加，得到混合电流信号，所述电流加法电路的输出端连接采样电阻，通过所述电流加法电路输出端的采样电阻将混合电流信号转化为电压信号，所述磁隔离反馈变压器T1有两方面用途，一方面用于将DC/DC变换器的原边电流或副边电流进行电流采样，将DC/DC变换器的原边电流或副边电流反馈到所述电流加法电路，另一方面用途是将所述采样电阻上的电压信号反馈到原边，所述整流电路用于对所述磁隔离反馈变压器反馈到原边的电压信号进行半波整流，得到反馈电压Vfb；
变压器去磁单元，用于对所述磁隔离反馈变压器T1进行去磁复位；
脉冲宽度调制比较单元，用于对反馈电压Vfb与参考电压Vref2进行比较，决定输出占空比的大小，以输出对应的脉冲宽度调制信号，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于：所述采样比较电路包括运算放大器A1，电阻R1、R2，基准电压Vref1，其中，DC/DC变换器的输出电压Vout通过电阻R1、R2分压采样，得到采样电压Vs；电阻R1的另一端连接副边的地；运算放大器A1的反相输入端连接采样电压Vs，运算放大器A1的同相输入端连接参考电压Vref1，运算放大器A1的输出端连接电压电流转换电路，输出电压Vout通过电阻R1、R2分压采样与参考电压Vref1做比较，所得到的电压误差信号由运算放大器A1输出到电压电流转换电路。
3.根据权利要求2所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于：运算放大器A1的反相输入端和输出端之间或者电阻R2的两端之间并联有补偿网络K1。
4.根据权利要求2所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于：所述电压电流转换电路包括电阻R4、R5和PNP三极管M1，其中，运算放大器A1的输出端连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接PNP三极管M1的基极，PNP三极管M1的射极通过电阻R5上拉到输出电压Vout，PNP三极管M1的集电极连接电流加法电路，PNP三极管M1将运算放大器A1输出的电压误差信号转化成电流信号Ierr输入到所述电流加法电路。
5.根据权利要求4所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于：所述电流加法电路包括二极管D1、D2和电阻R6，所述磁隔离反馈变压器T1包括绕组N1、N2、N3，其中，PNP三极管M1的集电极连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接二极管D2的阴极和电阻R6的一端，二极管D2的阳极连接磁隔离反馈变压器T1的绕组N2的同名端，电阻R6的另一端连接磁隔离反馈变压器T1的绕组N2的非同名端和副边的地；磁隔离反馈变压器T1的绕组N3的同名端连接整流电路，磁隔离反馈变压器T1的绕组N1的同名端连接DC/DC变换器的输入电压Vin，绕组N1的非同名端连接DC/DC变换器的主变压器T2，DC/DC变换器的主开关管Q1的漏极连接主变压器T2，主开关管Q1的源极连接原边地，主开关管Q1的门极连接所述脉冲宽度调制比较单元输出PWM信号。
6.根据权利要求5所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于：所述磁隔离反馈变压器T1的绕组N1与主拓扑输出整流二极管D4串联，对输出电流进行采样，反馈电压Vfb既反映输出电压信号又反映输出电流信号。
7.根据权利要求5所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于：所述整流电路包括二极管D3、电容C1和电阻R7，所述变压器去磁单元包括电阻R8、R9和PNP三极管M2，其中，磁隔离反馈变压器T1的绕组N3的同名端连接二极管D3的阳极和电阻R9的一端，二极管D3的阴极连接电阻R7、电容C1和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接PNP三极管M2的射极，PNP三极管M2的集电极接原边地，PNP三极管M2的基极接电阻R9的另一端。
8.根据权利要求7所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于：所述脉冲宽度调制比较单元为原边控制芯片内部的运算放大器A2，运算放大器A2的反相输入端连接反馈电压Vfb，运算放大器A2的同相输入端连接参考电压Vref2，运算放大器A2将反馈电压Vfb和参考电压Vref2的电平作比较，控制输出对应的脉冲宽度调制信号。
9.根据权利要求1所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于：所述采样比较电路包括三端稳压芯片TL431和电阻R1、R2，其中，输出电压Vout通过电阻R1、R2分压采样，得到采样电压Vs；电阻R1的另一端连接副边的地和三端稳压芯片TL431的阳极；三端稳压芯片TL431的参考极连接采样电压Vs，三端稳压芯片TL431的阴极连接所述电压电流转换电路，TL431的阴极通过电阻R3上拉到输出电压Vout。
10.根据权利要求9所述包含电压和电流信号的开关电源磁隔离反馈电路，其特征在于：三端稳压芯片TL431的参考极和阴极之间或者电阻R2的两端之间并联有补偿网络K1。
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2011
- 2011-05-13 CN CN 201110123716 patent/CN102163922B/zh active Active
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|---|---|
| CN102163922A (zh) | 2011-08-24 |
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