CN102195495A - 一种开关电源控制电路及开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关单元控制电路，以控制AC-DC电源转换电路输出电压，包括：振荡器，用以输出固定频率的输出波形；电压采集单元，根据反映AC-DC电源转换电路输出电压变化的第一电压产生检测电压；开启控制单元，根据AC-DC电源转换电路的初级电流产生开启控制信号；关闭时间控制单元，根据检测电压及输出线压降补偿单元产生的电压补偿信号产生关闭时间控制信号；输出线压降补偿单元，根据关闭时间控制信号和输出波形产生电压补偿信号；驱动单元，根据关闭时间控制信号控制AC-DC电源转换电路中的开关管关断；以及根据输出波形和开启控制信号控制开关管的开启；以及包含所述开关电源控制电路的开关电源；可精确地控制输出电压。

Description

一种开关电源控制电路及开关电源

技术领域

本发明涉及一种开关电源控制电路及开关电源。

背景技术

现有的便携式设备无一例外地采用了电池作为能量提供装置，当电池能量耗尽时，需要通过电源适配器为其充电以保证其正常工作。在目前的交流-直流转换装置中，开关电源适配器已经成为绝对的主流。为了给便携式设备提供一个精确的输出电压，通常会使用具有恒压功能的PWM芯片精确控制输出电压。

图1为现有的一种开关电源的电路图，如图1所示：交流市电电压通过全波整流器后转换为高压直流电压并存储于电容C1中，PWM控制芯片IC3通过控制开关管Q1的导通时间或工作频率用于控制输出电压在不同负载电流下保持恒定。电阻R4、R5组成的分压网络用于检测输出电压并通过误差放大器IC2放大与基准电压的误差信号后，通过光电耦合器IC1A、IC1B将该误差信号传输至初级，由PWM芯片IC3根据该误差信号做出相应控制。芯片IC3需要的能量由R3和C3提供。由图1可知，以上方法由于采集的是输出线前的电压值，因此，在负载电流不同时间，受输出线内阻R_Cable1、R_Cable2的影响，输出电压仍会有不小的变化。另外，由于上述方案需要用到误差放大器IC1(如：TL431等)及其相关电路以及光耦IC1A、IC1B(如：PC817等)，一定程度上增加了整体方案的成本，因此在小功率电源适配器中，目前较多的使用了如图2所示的初级控制方案：图2基本线路结构和图1基本一致，最大的不同在于：输出电压的检测方式改为由R6、R7的分压网络，利用变压器绕组B和绕组C的电压比例关系，在次级整流二极管D1导通期间，检测输出电压的变化并做采样保持，用以控制开关管Q1的导通时间或工作频率。同时，为降低成本，开关管Q1亦由MOSFET(金属场效应管)更换为功率三极管。图2所示线路中存在与图1所述同样的问题，由于输出线内阻R_Cable的影响，最终输出端V+与V-间的电压在不同负载条件下也会有一定的变化，不利于输出高精度的电压。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：现有开关电源控制电路无法避免输出导线对输出电压的影响，导致输出电压控制不精确的问题。

为解决上述技术为题本发明提供如下技术方案：

一种开关电源控制电路，用以控制AC-DC电源转换电路输出电压，其特征在于：所述开关电源控制电路包括：

振荡器，用以输出固定频率的输出波形；

电压采集单元，根据反映AC-DC电源转换电路输出电压变化的第一电压产生检测电压；

开启控制单元，根据AC-DC电源转换电路的初级电流产生开启控制信号；

关闭时间控制单元，根据检测电压及输出线压降补偿单元产生的电压补偿信号产生关闭时间控制信号；

输出线压降补偿单元，根据关闭时间控制信号和输出波形产生电压补偿信号；

驱动单元，根据关闭时间控制信号控制AC-DC电源转换电路中的开关管关断；以及根据输出波形和开启控制信号控制所述开关管的开启。

本发明还提供了一种开关电源，其特征在于，包括：AC-DC电源转换电路；开关电源控制电路，用以控制所述AC-DC电源转换电路输出电压；所述开关电源控制电路包括：

振荡器，用以输出固定频率的输出波形；

电压采集单元，根据反映AC-DC电源转换电路输出电压变化的第一电压产生检测电压；

开启控制单元，根据AC-DC电源转换电路的初级电流产生开启控制信号；

关闭时间控制单元，根据检测电压及输出线压降补偿单元产生的电压补偿信号产生关闭时间控制信号；

输出线压降补偿单元，根据关闭时间控制信号和输出波形产生电压补偿信号；

驱动单元，根据关闭时间控制信号控制AC-DC电源转换电路中的开关管关断；以及根据输出波形和开启控制信号控制所述开关管的开启。

与现有技术相比本发明具有如下有益效果：本发明提供的开关电源控制电路及开关电源通过输出线压降补偿单元根据关闭时间控制信号和振荡器的输出波形获取电压补偿信号，关闭时间控制单元根据电压补偿信号与第一基准电压的叠加信号，以及检测电压，控制开关管关闭一定时间，能够有效减少输出导线对输出电压的影响，更加精确地控制输出电压。

附图说明

图1是现有的第一种开关电源的电路图；

图2是现有的第二种开关电源的电路图；

图3是本发明实施例的原理图；

图4是本发明实施例输出线压降补偿单元的电路图；

图5是本发明实施例关闭时间控制单元的电路图；

图6是本发明实施例驱动单元的电路图；

图7是本发明实施例开关电源控制电路集成方式的内部结构图；

图8是本发明实施例开关电源的电路图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3是本发明实施例的原理图；如图3所示：一种开关电源控制电路，用以控制AC-DC电源转换电路输出电压，其特征在于：所述开关电源控制电路包括：电压采集单元，关闭时间控制单元，振荡器，开启控制单元，驱动单元，输出线压降补偿单元；

振荡器，用以输出固定频率的输出波形；电压采集单元，根据反映AC-DC电源转换电路输出电压变化的第一电压Vout1产生检测电压Vse；开启控制单元，根据AC-DC电源转换电路的初级电流Ise产生开启控制信号；关闭时间控制单元，根据检测电压及电压补偿信号V1产生关闭时间控制信号；输出线压降补偿单元，根据关闭时间控制信号和输出波形产生电压补偿信号V1；驱动单元，根据关闭时间控制信号控制AC-DC电源转换电路的开关管的关断；以及根据输出波形和开启控制信号控制所述开关管的开启。

图4为本发明实施例输出线压降补偿单元的电路图；如图4所示：所述输出线压降补偿单元包括：第一逻辑处理单元，输入端分别与关闭时间控制单元和振荡器的输出端相连，用以对关闭时间控制信号和所述输出波形进行逻辑处理，得到频率转换波形；频率电压转换单元，输入端与第一逻辑处理单元的输出端相连，用以将频率转换波形转换为电压补偿信号V1，所述电压补偿信号的大小与开关电源输出导线的内阻导致的压降大小成正比。

上述述第一逻辑处理单元包括：非门电路、与门电路；所述输出波形经非门电路连接与门电路的第一输入端；所述关闭时间控制信号连接与门电路的第二输入端。由于不同输入电压下，开关开启时间不同，因此必需将振荡器的输出波形和关闭时间控制信号经过逻辑处理后方能输入低通滤波单元进行处理。

上述频率电压转换单元包括：低通滤波单元，输入端与第一逻辑处理单元的输出端相连，用以将频率转换波形滤波处理为电压补偿信号。所述低通滤波单元包括：第五电阻R50、第六电阻R60、第一电容C10；第五电阻通过第六电阻与地连接；第一电容的一端连接于第五电阻和第六电阻之间，第一电容的另一端与地连接；第五电阻的自由端与第一逻辑处理单元的输出端相连，电压补偿信号V1自第五电阻和第六电阻之间输出；通过设置很大的RC时间常数(通常设置为开关周期时间的100倍以上)，可将开关信号滤波处理为平滑的电压信号V1，此时

$V1=\mathrm{VDD}\×\frac{R60}{R50+R60};$ 等式(1)

其中VDD为系统电源可由基准产生电路根据外部高压直流电产生，通常为5V。在某些实施例中，可以增加第七电阻R70，第七电阻的一端连接于第五电阻和第六电阻之间，第七电阻的另一端接地，此时

$V1=\mathrm{VDD}\×\frac{R60//R70}{R50+R60//R70};$ 等式(2)

由等式(2)可知，本发明实施例可通过增加不同阻值的第七电阻R70来设置电压补偿信号V1的大小，使得补偿更加灵活。

图5为本发明实施例关闭时间控制单元的电路图；如图5所示：所述关闭时间控制单元包括：第一误差放大器Ea1；信号叠加单元；信号叠加单元的输入端分别与第一基准电压Vref和电压补偿信号V1相连，用以输出叠加信号V2；信号叠加单元的输出端与第一误差放大器的负输入端相连；第一误差放大器的正输入端与检测电压相连Vse；第一误差放大器将叠加信号V2与检测电压进行误差放大并输出关闭时间控制信号。

在本发明实施例中所述信号叠加单元包括：第二误差放大器Ea2、第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第三电阻R30、第四电阻R40；第一误差放大器的正输入端与电压补偿信号V1相连；第一PMOS管的源极分别与其衬底及系统电源VDD相连，第二PMOS管的源极分别与其衬底及系统电源VDD相连，第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连；第三NMOS管的栅极与第二误差放大器的输出端相连；第三NMOS管的漏极分别连接第一PMOS管的漏极和栅极；第三NMOS管的衬底与其源极相连；第三NMOS管的源极经过第三电阻与地相连；第二误差放大器的负输入端连接于第三NMOS管的源极和第三电阻之间；第二PMOS管的漏极经过第四电阻与第一基准电压Vref相连；所述叠加信号V2自第二PMOS管的漏极和第四电阻之间输出。叠加信号

图6为本发明实施例驱动单元的电路图，如图5所示：所述驱动单元包括：或门电路、RS触发器、驱动电路；所述输出波形和开启控制信号分别连接或门电路的第一输入端和第二输入端，所述或门电路的输出端连接触发器的S端，所述关闭时间控制单元的输出端连接触发器的R端，所述触发器的Q端连接驱动电路的输入端；驱动电路连接开关管的控制端。

图7是本发明实施例开关电源控制电路集成方式的内部结构图；该开关电源控制电路包括：高压直流电压输入端VIN对应外部高压直流电压Vout1；地端GND；输出端OUT；电流检测端Ise，对应接受初级电流Ise；外设电阻连接端Cable端，对应连接第七电阻R70；如图7所示：本发明实施例所述的所述电压采集单元包括：依次串联的第一电阻R10、第二电阻R20；第一电阻的自由端与第一电压Vout1相连，第二电阻的自由端与地相连；检测电压Vse自第一电阻和第二电阻之间输出。所述开启控制单元包括：电流比较器，电流比较器的正输入端与初级电流检测单元的输出端相连，电流比较器的负输入端连接第一电流阈值Iref；除此之外，所述开关电源控制电路还包括：用以根据外部高压直流电压为整个系统提供基准电压及电流阈值的基准和偏置单元；上述第一基准电压、第一电流阈值、及系统电源均由其提供；所述开关电源控制电路还包括用以保证电路正常启动的迟滞启动单元。

图8是本发明实施例开关电源的电路图，下面结合图8对本发明实施例的工作原理及过程进行详细说明：如图8所示的开关电源包括；开关电源控制电路，AC-DC电源转换电路；其中所述的开关电源控制电路即为图中的IC，该IC包含图7所示的管脚；所述AC-DC电源转换电路包括：开关管Q1、变压器、输出电路；所述变压器包括初级线圈A1、次级线圈B1和辅助线圈E1；整流电路用以将外部高压交流电压整流为外部高压直流电压；初级电流检测单元；初级线圈连接开关管，用以根据开关管的通断承载外部高压直流电压；次级线圈连接输出电路；辅助线圈用以产生反映开关电源输出电压变化的第一电压Vout1；初级电流检测单元为检测电阻R80，连接于开关管与地之间，用以采集初级电流Ise；输出电路包括与负载连接的输出导线。

上述的外部高压直流电由外部整流电路提供，所述的整流电路包括二极管D1、D2、D3、D4；第十一电阻R101、第四电容C40；第十电阻R100的一端与整流电路相连，第十电阻R100的另一端接VIN；第二电容的一端接VIN，另一端接地；辅助线圈E1的一端连接于D3和D4的阳极之间，辅助线圈的另一端与二极管D6的阳极相连，二极管D6的阴极接VIN；初级线圈A1的一端连接于二极管D1和D2的阴极之间，初级线圈的另一端连接开关管的输入端；开关管的输出端经过检测电阻R80与地连接；开关管Q1的控制端接OUT端；Ise端连接于开关管和电阻R80之间；次级线圈B1的一端接二极管D5的阳极；电容C30连接于二极管D5的阴极与次级线圈的另一端之间；电阻R90连接于二极管D5的阴极与次级线圈的另一端之间。

本发明实施例开关电源的稳压原理如下：

在AC-DC输出端电压未建立前，开关电源控制电路供电及开关管Q1的驱动完全由外部供电电容电容C20提供，因此在开关电源控制电路启动电压阈值和关闭电压阈值间增加一定的迟滞电压，才能保证电路的正常启动，比如，启动电压阈值设置为12V，关闭电压阈值设置为6V，这样在电压小于12V时，开关电源控制电路并不直接被关闭，而是只有达到6V以下时才关闭，加入一定的迟滞电压后，就保证了电路能够正常启动。

图8所示的R_Cable1和R_Cable2用于表示输出导线的内阻。根据欧姆定律，我们可以得出在不同负载电流下，输出导线产生的压降为：

V_cable＝V_out1-V_out2＝I_out*(R_Cable1+R_Cable2)；等式(3)

如图8所示，辅助线圈产生的反映开关电源输出电压变化的第一电压Vout1，经过第一电阻R10和第二电阻R20构成电压采集单元，得到检测电压Vse；

$V_{\mathrm{se}}=[(V_{\mathrm{out}1}+V_{D3})\·\frac{N3}{N2}-V_{D6}]\·\frac{R20}{R10+R20};$ 等式(4)

其中N3为辅助线圈E1的匝数，N2为次级线圈的匝数；

由于能检测到的电压只是输出导线前的电压Vout1而并非是最终的输出电压Vout2，因此最终恒定的输出电压亦只是Vout1而非Vou2，若不加入补偿，则：

V_out2＝V_out1-I_out*(R_Cable1+R_Cable2)；等式(5)

由等式(5)可知，由输出导线内阻引入的压降与输出电流Iout线性相关，通过检测适配器的负载电流状态不同提供相应的补偿电压可维持输出电压Vout2亦处于恒定状态。由上述描述可知，本发明实施所提供的开关电源控制电路可通过控制不同大小的开关关闭时间用以保证不同负载电流状态下输出电压恒定。

如图7和图8所示：本发明实施例所提供的开关电源的稳压过程如下：系统开始正常工作后，驱动单元根据输出波形和检测电流信号控制开关管的开启；初级线圈A1根据开关管的控制将能量传递至次级线圈辅助线圈E1产生反映开关电源输出电压变化的第一电压Vout1，并输出至VIN端，电压采集单元根据第一电压输出检测电压Vse，通过关闭时间控制单元中的第一误差放大器对检测电压Vse和叠加信号V2进行比较，当Vse电压超过叠加信号V2时，芯片启动关闭时间控制模式。当负载减小导致输出电压上升时，检测电压Vse亦随之升高。通过检测Vse电压超过叠加信号V2的时间用作控制开关关闭时间长短的依据。一般来说，负载越轻时，检测电压Vse超过叠加信号V2的时间也就越长，同理，此时控制开关的关闭时间也就越长。当开关关闭时间增加时，又会导致适配器提供的输出能量下降，继而导致输出电压下降。由此形成闭环负反馈过程，从而得到最终稳定的输出电压。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种开关电源控制电路，用以控制AC-DC电源转换电路输出电压，其特征在于：所述开关电源控制电路包括：电压采集单元，关闭时间控制单元，振荡器，开启控制单元，驱动单元，输出线压降补偿单元；

振荡器，用以输出固定频率的输出波形；

电压采集单元，根据反映AC-DC电源转换电路输出电压变化的第一电压产生检测电压；

开启控制单元，根据AC-DC电源转换电路的初级电流产生开启控制信号；

关闭时间控制单元，根据检测电压及输出线压降补偿单元产生的电压补偿信号产生关闭时间控制信号；

输出线压降补偿单元，根据关闭时间控制信号和输出波形产生电压补偿信号；

驱动单元，根据关闭时间控制信号控制AC-DC电源转换电路中的开关管关断；以及根据输出波形和开启控制信号控制所述开关管的开启。

2.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述输出线压降补偿单元包括：

第一逻辑处理单元，输入端分别与关闭时间控制单元和振荡器的输出端相连，用以对关闭时间控制信号和所述输出波形进行逻辑处理，得到频率转换波形；

频率电压转换单元，输入端与第一逻辑处理单元的输出端相连，用以将频率转换波形转换为电压补偿信号，所述电压补偿信号的大小与开关电源输出导线的内阻导致的压降大小成正比。

3.根据权利要求2所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述频率电压转换单元包括：

低通滤波单元，输入端与第一逻辑处理单元的输出端相连，用以将频率转换波形滤波处理为电压补偿信号。

4.根据权利要求3所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述低通滤波单元包括：第五电阻、第六电阻、第一电容；第五电阻通过第六电阻与地连接；第一电容的一端连接于第五电阻和第六电阻之间，第一电容的另一端与地连接；第五电阻的自由端与第一逻辑处理单元的输出端相连，电压补偿信号自第五电阻和第六电阻之间输出。

5.根据权利要求2所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述第一逻辑处理单元包括：非门电路、与门电路；所述输出波形经非门电路连接与门电路的第一输入端；所述关闭时间控制信号连接与门电路的第二输入端。

6.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述电压采集单元包括依次串联的第一电阻、第二电阻；第一电阻的自由端与第一电压相连，第二电阻的自由端与地相连；检测电压自第一电阻和第二电阻之间输出。

7.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述关闭时间控制单元包括：第一误差放大器；信号叠加单元；信号叠加单元的输入端分别与第一基准电压和电压补偿信号相连，用以输出叠加信号；信号叠加单元的输出端与第一误差放大器的负输入端相连；第一误差放大器的正输入端与检测电压相连；第一误差放大器的输出端输出关闭时间控制信号。

8.根据权利要求7所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述信号叠加单元包括：第二误差放大器、第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第三电阻、第四电阻；第一误差放大器的正输入端与电压补偿信号相连；第一PMOS管的源极分别与其衬底及系统电源相连，第二PMOS管的源极分别与其衬底及系统电源相连，第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连；第三NMOS管的栅极与第二误差放大器的输出端相连；第三NMOS管的漏极分别连接第一PMOS管的漏极和栅极；第三NMOS管的衬底与其源极相连；第三NMOS管的源极经过第三电阻与地相连；第二误差放大器的负输入端连接于第三NMOS管的源极和第三电阻之间；第二PMOS管的漏极经过第四电阻与第一基准电压相连；所述叠加信号自第二PMOS管的漏极和第四电阻之间输出。

9.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述驱动单元包括：或门电路、RS触发器、驱动电路；所述输出波形和开启控制信号分别连接或门电路的第一输入端和第二输入端，所述或门电路的输出端连接触发器的S端，所述关闭时间控制单元的输出端连接触发器的R端，所述触发器的Q端连接驱动电路的输入端；驱动电路的输出端连接开关管的控制端。

10.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述开启控制单元包括：电流比较器，电流比较器的正输入端连接初级电流，电流比较器的负输入端连接第一电流阈值。

11.一种开关电源，其特征在于，包括：AC-DC电源转换电路；开关电源控制电路，用以控制所述AC-DC电源转换电路输出电压；所述开关电源控制电路包括：

振荡器，用以输出固定频率的输出波形；

电压采集单元，根据反映AC-DC电源转换电路输出电压变化的第一电压产生检测电压；

开启控制单元，根据AC-DC电源转换电路的初级电流产生开启控制信号；

关闭时间控制单元，根据检测电压及输出线压降补偿单元产生的电压补偿信号产生关闭时间控制信号；

输出线压降补偿单元，根据关闭时间控制信号和输出波形产生电压补偿信号；

驱动单元，根据关闭时间控制信号控制AC-DC电源转换电路中的开关管关断；以及根据输出波形和开启控制信号控制所述开关管的开启。

12.根据权利要求11所述的一种开关电源，其特征在于：AC-DC电源转换电路包括：

开关管，变压器，输出电路，初级电流检测单元；所述变压器包括初级线圈、次级线圈和辅助线圈；初级线圈连接开关管，用以根据开关管的通断承载外部高压直流电压；次级线圈连接输出电路；辅助线圈用以产生第一电压；初级电流检测单元连接于开关管与地之间，用以采集初级电流。

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