CN102377347A - 用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器及控制方法，反激变换器包括变压器、与变压器初级绕组相连接的主开关、对主开关控制的PWM控制电路、与变压器次级绕组相连的主输出整流滤波电路、辅助输出整流滤波电路以及与辅助输出整流滤波电路相连的辅助输出控制电路，辅助输出整流滤波电路包括辅助回路开关，辅助输出控制电路通过控制辅助回路开关来开启和关闭辅助输出整流滤波电路，本发明有效的提高了辅助输出电压的稳定性、降低了电路损耗，具有体积小、成本低、控制简单等优点。

Description

用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器及控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源变换器技术领域，特别涉及一种用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器及控制方法。

背景技术

传统的多路输出反激变换器，由于具有电路结构简单及制造成本低的优点，广泛应用于小功率的各种复杂电子系统供电电源中。一般的多路输出反激变换器，是通过在同一个变压器耦合多个绕组以得到多个不同的输出，主输出通过反馈回路，保持输出电压稳定，主路输出有着良好的电源调整率和负载调整率，而其他辅助输出通过交调能力来调整各自的输出，理想情况下，辅助输出电压与主输出电压满足变压器匝数比的关系，即只要主输出电压稳定，则辅助输出电压也能保持稳定。但实际上由于受变压器各个绕组间的漏感、绕组电阻、整流二极管通态压降、各输出回路寄生参数等影响，反激变换器的辅助输出电压将根据负载的改变而有较低的调整率。为提高交叉调整性能，常采用加线性电压调节稳定器、磁放大器等解决方案。

图1显示使用线性调节器来控制辅助输出电压的已知的反激功率变换器。通过线性调节器的辅助，辅助输出电压更为稳定。由于线性调节器损耗大，输出电流小，此类电路配置只适用于低功率范围的情况。

图2所示为采用磁放大器作为辅助输出电压控制的反激式功率变换器。加磁放大器的方案损耗小，调节性能较好，但存在电路结构复杂、体积较大、成本较高的缺陷，丧失反激变换器固有的配置简单、成本低的优势。

因此，提供一种体积小、成本低、电路结构简单且能输出多路稳压电源的反激变换器是该领域技术人员所需解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用三极管实现的辅助输出电源控制的反激变换器。

本发明的另一目的在于，提供一种用三极管实现的反激变换器辅助输出电压控制的控制方法。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

一种用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器，包括：

具有一个初级绕组和多个次级绕组的变压器；

与所述变压器初级绕组相连的主开关；

对所述主开关进行控制的PWM控制电路；

与所述变压器第一次级绕组相连的主输出整流滤波电路；

与所述变压器第二次级绕组相连的辅助输出整流滤波电路；

与所述辅助输出整流滤波电路相连的辅助输出控制电路；

所述辅助输出整流滤波电路还包括辅助回路开关，所述辅助输出控制电路通过控制辅助回路开关来开启和关闭辅助输出整流滤波电路。

优选的，所述辅助输出控制电路包括第二三极管、第三三极管、第三二极管、第一稳压二级管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第三电容、第四电容、第三次级绕组；

其中，所述第二三极管射极与第二电阻、第二电容一端相连并与第三二极管阴极相连接，基极与第二电阻、第二电容另一端相连并与第三三极管集电极相连；

所述第三二极管阳极与辅助回路开关三极管基极相连；

所述第一电阻一端与辅助回路开关三极管基极相连，另一端与第三次级绕组相连；

所述第三三极管射极与第三电阻、第四电容一端相连接并与变压器第二次级绕组另一端相连，基极与第三电阻、第四电容另一端相连并与第二三极管集电极、第一稳压二级管阳极相连；

所述第一稳压二级管阴极与辅助输出整流滤波电路第二二极管阴极相连。

优选的，所述辅助回路开关为NPN型三极管，其集电极与第二次级绕组一端相连，射极与第二二极管阳极相连。

优选的，所述辅助回路开关输出高电平、低电平或负电平三种输出状态中的一种。

优选的，所述主开关为MOS管。

优选的，所述主输出整流滤波电路包括第一二极管和第一滤波电容。

优选的，所述辅助输出整流滤波电路包括第二二极管和第二滤波电容。

优选的，VO1为主输出整流滤波电路输出电压，N1为第一次级绕组匝数；VO2为辅助输出整流滤波电路输出电压，N2为第二次级绕组匝数，满足：

VO1/N1＞VO2/N2

优选的，所述反激变换器为多路输出反激变换器。

为了达到上述另一目的，本发明采用以下技术方案：

本发明用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器的控制方法，包括下述步骤：

(1)闭合主开关，为变压器初级绕组储存能量；

(2)断开主开关，将变压器初级绕组的能量传送到变压器各次级绕组；

(3)将上述步骤(2)中的能量经主输出整流滤波电路和辅助输出整流滤波电路后转换为直流电压输出；

(4)PWM控制电路采集步骤(3)中主输出整流滤波电路的输出电压，并将其与电路内部的基准电压进行比较，得到主输出整流滤波电路的输出电压和内部基准电压的误差，并将该误差返回PMW控制电路，稳定主输出整流滤波电路电压；

(5)辅助输出控制电路在负载变化时调整辅助输出占空比，调整辅助输出整流滤波电路输出电压。

其中，步骤(5)具体为：

主开关开启，辅助输出控制电路输出负电平，辅助回路开关因承受返偏电压而关闭；

主开关关闭，辅助输出控制电路输出高电平，开启辅助回路开关；

辅助输出控制电路输出低电平，关闭辅助回路开关。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明的反激变换器体积小成本低，电路结构简单。

2、由于三极管辅助回路开关的引入，使得辅助输出回路的输出电压可独立调节，负载变化时，没有一般多输出电源产生的交互调整率问题，提高了辅助输出电压的稳定性。且在不超过输出总功率前提下，输出功率可在各路输出之间任意分配，增加了用户使用的灵活性。

3、三极管辅助回路开关工作在开关状态，通态损耗小，相对于采用线性调节，具有更低的电路损耗和更宽的负载调节范围。

4、辅助输出电压可逐周期限制，无需环路补偿。

附图说明

图1是现有的利用三端稳压器实现辅助输出电压控制的反激功率变换器电路图；

图2是现有的利用磁放大器实现辅助输出电压控制的反激功率变换器的电路图；

图3是本发明的利用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器的电路原理框图；

图4是本发明的利用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器的具体电路图；

图5是本发明的利用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器的电路波形图；

图6是本发明控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图3所示，是本发明用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器的原理图，包括：

具有一个初级绕组和多个次级绕组的变压器T1；

与所述变压器初级绕组相连的主开关Q1以及对所述主开关Q1进行控制的PWM控制电路；

与所述变压器第一次级绕组N1相连的主输出整流滤波电路，所述主输出整流滤波电路由第一二极管D1和第一滤波电容C1组成；

与所述变压器第二次级绕组N2相连的辅助输出整流滤波电路，所述辅助输出整流滤波电路由第二二极管D2、第二滤波电容C2组成；

与所述的辅助输出整流滤波电路相连的辅助输出控制电路；

所述辅助输出整流滤波电路还包括辅助回路开关，所述辅助输出控制电路通过控制辅助回路开关来开启和关闭辅助输出整流滤波电路。

进一步，所述的主开关Q1为MOS管。

进一步，辅助回路开关Q2为NPN型三极管，其集电极与第二次级绕组N2一端相连，射极与第二二极管D2阳极相连。

反激变换器的主要工作原理是：当主开关Q1开通时，变压器初级绕组(原边)储存能量；主开关Q1关断时，将储存在变压器初级绕组(原边)的能量传送到变压器各个次级绕组(副边)，经各路输出的整流滤波后得到所需的直流电压。PWM控制电路采集主输出整流滤波电路的电压VO1，与内部的基准电压相比较，将其误差反馈回PWM控制芯片，从而控制主开关Q1的工作占空比，以稳定主输出电压VO1，在理想情况下辅助输出整流滤波电路输出电压VO2与主输出整流滤波电路输出电压VO1应满足变压器匝数比的关系，即：

VO1/VO2＝N1/N2                (1)

式中，N1为与主输出整流滤波电路相连的第一次级绕组的匝数，N2为与辅助输出整流滤波电路相连的第二次级绕组的匝数。

由于受变压器各个绕组间的漏感、绕组电阻、整流二极管通态压降、各输出回路寄生参数等影响，反激变换器的辅助输出电压不严格满足式(1)所示的关系，使实际输出电压在负载变化时偏离标称输出电压，辅助输出控制电路就是为了在负载变化时调整辅助输出整流滤波电路占空比，从而稳定辅助输出整流滤波电路输出电压。

如图4所示，显示了本实施例的辅助输出控制电路的具体电路图，其辅助输出控制电路包括三极管Q3、三极管Q4、二极管D3、稳压二级管ZD1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C3、电容C4、次级绕组N3；

其中，三极管Q3射极与电阻R2、电容C3一端相连并与二极管D3阴极相连接，基极与电阻R2、电容C3另一端相连并与三极管Q4集电极相连；

二极管D3阳极与辅助回路开关三极管Q2基极相连；

电阻R1一端与辅助回路开关三极管Q2基极相连，另一端与次级绕组N3相连；

三极管Q4射极与电阻R3、电容C4一端相连接并与次级绕组N2另一端相连，基极与电阻C3、电容C4另一端相连并与三极管Q3集电极、稳压二级管ZD1阳极相连；

稳压二级管ZD1阴极与辅助输出整流滤波电路二极管D2阴极相连。

辅助输出控制电路通过如下过程来实现控制功能：

电阻R1二极管和D3的公共端为辅助输出控制电路的输出端，用于开启和关闭辅助回路开关Q2，该输出端有三种输出状态：高电平、低电平、负电平。

稳压二极管ZD1阴极为辅助输出控制电路的输入端，用于检测输出电压VO2。

三极管Q3、Q4，电阻R2、R3，以及电容C3、C4组成可控硅式的半控开关，三极管Q4的基极为半控开关的控制端，Q3集电极为半控开关的正向端，Q4射极为半控开关的反向端。

当主开关Q1关闭之后，由于滤波电容C2上的电压未达到额定电压，稳压二极管ZD1截止，半控开关截止，次级绕组N3通过二极管D3和电阻R1为辅助输出控制电路提供正向电流，辅助输出控制电路输出高电平，用于开启辅助回路开关Q2；次级绕组N2经二极管D2和三极管Q2对滤波电容C2充电，滤波电容C2的电压线性上升，当滤波电容C2上的电压达到额定电压时(即稳压二极管ZD1的稳压值与三极管Q4的基射极电压Vbe之和)，稳压二极管ZD1导通，半控开关的控制端(三极管Q4的基极)流过正向的偏置电流，半控开关导通，R1上的电流全部流经半控开关，辅助输出控制电路输出低电平，用于关闭辅助回路开关Q2；滤波电容C2电压开始下降，稳压管ZD1恢复为截止状态。

当主开关Q1导通时，次级绕组N3极性反转，半控开关因承受负电压而截止，辅助输出控制电路输出负电平，这时段辅助回路开关Q2因承受反偏电压而自然截止。

本实施例的辅助输出稳压调整的工作原理与磁放大器稳压调整的原理相似，都是通过能量转移时间分享原理来实现多路输出功率的分配。

下面结合如图5所示的波形图和图6所示的控制方法流程图对本发明的反激变换器的辅助输出电压的控制方法作详细说明：

为实现电能转移时间分享功能的目的，需要使主输出回路单位匝数电压比辅助输出回路高，即：

VO1/N1＞VO2/N2                    (2)

假设脉宽调制控制器的工作占空比为1-D，主开关Q1的开关周期为Ts；脉宽调制控制器用来控制主开关Q1的开启和关闭。当在(1-D)*Ts时段，主开关Q1开启，变压器初级绕组N0的电感由输入的电压累积电能。辅助输出控制电路输出负电平，辅助回路开关Q2因承受次级绕组N2的反向电压而截止。在D*Ts时段，主开关Q1关闭，变压器释放能量到各个次级绕组：在D1*Ts时段，变压器第二次级绕组N2为辅助回路开关三极管Q2的集射极间提供正向电压，辅助输出控制电路输出高电平，三极管Q2饱和导通，变压器释放能量到辅助输出整流滤波电路。由于条件VO2/N2低于VO1/N1，该负偏置电压差将主输出整流滤波电路的二极管D1关闭，因此，在D1*Ts时段之内，只有辅助输出整流滤波电路有电能输出。

在D1*Ts时段结束时，辅助输出整流滤波电路输出电压VO2达到额定电压(即稳压二极管ZD1的稳压值与三极管Q4的基射极电压Vbe之和)，辅助输出控制电路输出低电平，辅助回路开关三极管Q2截止，辅助输出整流滤波电路被关闭，主输出整流滤波电路开始导通，因此在D2*Ts时段之内，只有主输出整流滤波电路有电能输出。

这样就实现了两路电压的分别调整，并且通过控制辅助回路开关三极管Q2在一个开关周期的导通时间D1*Ts，辅助输出电压可被精确控制，根据以上工作过程，各输出电压与占空比的关系方程式为：

(Vi/N0)*D*Ts＝(VO2/N2)*D1*Ts+(VO1/N1)*D2*Ts      (5)

式中，D＝D1+D2。

本发明的辅助输出控制电路同样适于更多路输出的反激变换器。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器，包括：

具有一个初级绕组和多个次级绕组的变压器；

与所述变压器初级绕组相连的主开关；

对所述主开关进行控制的PWM控制电路；

与所述变压器第一次级绕组相连的主输出整流滤波电路；

与所述变压器第二次级绕组相连的辅助输出整流滤波电路；

与所述辅助输出整流滤波电路相连的辅助输出控制电路；

其特征在于：所述辅助输出整流滤波电路还包括辅助回路开关，所述辅助输出控制电路通过控制辅助回路开关来开启和关闭辅助输出整流滤波电路。

2.根据权利要求1所述的用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器，其特征在于：所述辅助输出控制电路包括第二三极管、第三三极管、第三二极管、第一稳压二级管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第三电容、第四电容、第三次级绕组；

其中，所述第二三极管射极与第二电阻、第二电容一端相连并与第三二极管阴极相连接，基极与第二电阻、第二电容另一端相连并与第三三极管集电极相连；

所述第三二极管阳极与辅助回路开关三极管基极相连；

所述第一电阻一端与辅助回路开关三极管基极相连，另一端与第三次级绕组相连；

所述第三三极管射极与第三电阻、第四电容一端相连接并与变压器第二次级绕组另一端相连，基极与第三电阻、第四电容另一端相连并与第二三极管集电极、第一稳压二级管阳极相连；

所述第一稳压二级管阴极与辅助输出整流滤波电路第二二极管阴极相连。

3.根据权利要求1所述的用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器，其特征在于：所述辅助回路开关为NPN型三极管，其集电极与第二次级绕组一端相连，射极与第二二极管阳极相连。

4.根据权利要求1所述的用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器，其特征在于：所述辅助输出控制电路输出高电平、低电平或负电平三种输出状态中的一种。 

5.根据权利要求1所述的用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器，其特征在于：所述主开关为MOS管。

6.根据权利要求1所述的用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器，其特征在于：所述主输出整流滤波电路包括第一二极管和第一滤波电容，所述辅助输出整流滤波电路包括第二二极管和第二滤波电容。

7.根据权利要求1所述的用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器，其特征在于：

VO1为主输出整流滤波电路输出电压，N1为第一次级绕组匝数；VO2为辅助输出整流滤波电路输出电压，N2为第二次级绕组匝数，满足：

VO1/N1＞VO2/N2。

8.根据权利要求1所述的用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器，其特征在于：所述反激变换器为多路输出反激变换器。

9.一种根据权利要求1所述的用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器的控制方法，其特征在于：包括下述步骤：

(1)闭合主开关，为变压器初级绕组储存能量；

(2)断开主开关，将变压器初级绕组的能量出送到变压器各次级绕组；

(3)将上述步骤(2)中的能量经主输出整流滤波电路和辅助输出整流滤波电路后转换为直流电压输出；

(4)PWM控制电路采集步骤(3)中主输出整流滤波电路的输出电压，并将其与电路内部的基准电压进行比较，得到主输出整流滤波电路的输出电压和内部基准电压的误差，并将该误差返回PMW控制电路，稳定主输出整流滤波电路电压；

(5)辅助输出控制电路在负载变化时调整辅助输出占空比，稳定辅助输出整流滤波电路输出电压。

10.根据权利要求9所述的用三极管实现辅助输出电压控制的反激变换器的控制方法，其特征在于：步骤(5)具体包括下述步骤：

主开关开启，辅助输出控制电路输出负电平，辅助回路开关因承受返偏电压而关闭；

主开关关闭，辅助输出控制电路输出高电平，开启辅助回路开关；

辅助输出控制电路输出低电平，关闭辅助回路开关。 

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