CN102437751A - 具有预偏置电压控制的电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种具有预偏置电压控制的电源装置。所述装置包括输入单元，用于输入外部电压，并将所述外部电压传输至输出整流和滤波单元；输出整流和滤波单元，用于将所述输入单元中的电压进行整流和滤波，生成输出电压；采样测量单元，用于采样输出整流和滤波单元中输出滤波电容上的预偏置电压(Vt0)，对所述预偏置电压进行处理，得到采样处理电压(V1)；信号处理单元，对所述采样处理电压进行线性运算处理，得到与所述预偏置电压成线性关系的处理电压(V2)；PWM控制单元，根据所述处理电压(V2)调节所述输入电压的占空比，所述调节占空比后的输入电压转换后的电压值与所述预偏置电压的电压值相等。
Description
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其涉及电源转换器中的具有预偏置电压控制的电源装置。
背景技术
目前，为了提高电能转换效率，在电源转换器中采用MOSFET(金属-氧化物-半导体)场效应晶体管代替二极管的方式完成同步整流功能，以此来提高电源转换器的转换效率。MOSFET场效应晶体管具有输入电阻高、导通压降低、功耗低、动态范围大、易于集成等优点，使电源转换器的效率显著提高。同时，采用MOSFET场效应晶体管完成同步整流功能也带来新的问题。由于MOSFET场效应晶体管为双向导通器件，因此，在做同步整流时，滤波电感上的电流可能为反向电流，若反向电流太大，续流管关断时，产生高电压，威胁MOSFET场效应晶体管的可靠性。特别是在上电软启动时，若输出电容上已经存在足够高的预偏置电压时，则会产生更大的反向电流，使电源转换器的安全性能不可靠，容易损坏。
现有技术中对预偏置电压的控制方法是在软启动开始时，关闭同步整流功能，等待占空比变得足够大时，再使能同步整流功能。如图1所示的预偏置电压控制方法波形时序图，脉冲宽度调制(PWM)占空比跟随软启动电压从0开始逐渐增大，当增大到足够大时，使能同步整流驱动。
现有技术中对预偏置电压的控制方法存在如下问题：容性负载必须足够大，且软启动电压上升时间不能太长，若软启动电压上升时间过长，轻载时进入非连续导电模式；PWM占空比和预偏置输出电压没有对应关系。图2为现有技术预偏置电压控制方法仿真波形图，如图2所示，电感反向电流很大，输出电压严重失真。
发明内容
本发明实施例提供了一种具有预偏置电压控制的电源装置，以实现简便、高效和准确的对电源电路中具有预偏置电压的控制。
在第一方面，本发明实施例提供了一种预偏置电压控制装置，所述预偏置电压控制装置包括：输入单元，用于输入外部电压，并将所述外部电压传输至输出整流和滤波单元；输出整流和滤波单元，用于将所述输入单元中的电压进行整流和滤波，生成输出电压；采样测量单元，用于采样输出端预偏置电压，对所述输出端预偏置电压进行处理，得到采样处理电压(V1)；信号处理单元，对所述采样处理电压进行线性运算处理，得到与所述输出端预偏置电压成线性关系的处理电压(V2)；PWM控制单元，根据所述处理电压(V2)调节所述输入电压的占空比，所述调节占空比后的处理电压转换后的电压值与所述输出端预偏置电压的电压值相等。
本发明实施例公开的预偏置电压控制装置，通过输出整流和滤波单元、采样测量单元、信号处理单元和PWM控制单元对预偏置电压进行处理，并调节占空比，使调节占空比后对应的电压与预偏置电压相等，输出的预偏置电压不会产生严重失真，且不会产生过大的反向电流，提高了电源的可靠性。
附图说明
图1为现有技术预偏置电压控制方法波形时序图；
图2为现有技术预偏置电压控制方法仿真波形图；
图3为本发明实施例公开的具有预偏置电压控制的电源装置原理图；
图4为本发明一实施例公开的具有预偏置电压控制的电源装置图；
图5为本发明另一实施例公开的具有预偏置电压控制的电源装置图。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例的原理是输出整流和滤波单元中输出滤波电容C1上已有预偏置电压Vt0，采样测量单元X1对输出滤波电容C1上的预偏置电压Vt0进行采样和测量，并获得一个和预偏置电压Vt0成正比的采样处理电压V2，采样处理电压V2再经过信号处理单元X2的线性运算处理得到处理电压V3，即在信号处理单元中的线性运算为处理电压V3＝K*V2+C，此时，第一N型晶体管Q1为导通状态，处理电压V3通过第一N型晶体管Q1向软启动电容Css充电，使软启动电容Css上的电压V4等于处理电压V3。PWM控制单元X3检测第一N型晶体管Q1栅极的电压V5，电压V5与处理电压V3相等，即软启动电容Css的电压V4与第一N型晶体管Q1栅极的电压V5都与处理电压V3相等，PWM控制单元X3改变处理电压对应的占空比，使新的占空比对应的转换后的电压刚好与预偏置电压Vt0相等，之后第一N型晶体管Q1关闭，信号处理单元X2进入软启动，占空比逐渐变大，直至软启动结束。
图3为本发明实施例公开的具有预偏置电压控制的电源装置电路原理图；
如图3所示，具有预偏置电压控制的电源装置电路上电时，如果输出整流和滤波单元中输出电容C1上有预偏置电压Vt0，则采样测量单元X1对输出电容C1上输出的预偏置电压Vt0进行采样，并对预偏置电压进行处理，获得一个和预偏置电压Vt0成正比的电压V2，电压V2再经过信号处理单元X2的线性运算处理得到电压V3，即在信号处理单元中的线性运算为电压V3＝K*V2+C，此时，第一N型晶体管Q1为导通状态，电压V3通过第一N型晶体管Q1向软启动电容Css充电，使软启动电容Css的电压V4等于电压V3。PWM控制单元X3检测到第一N型晶体管Q1的电压V5后，立即改变占空比或频率，使新的占空比对应的转换后的电压刚好等于输出电压Vt0，之后第一N型晶体管Q1截止，信号处理单元X2进入软启动，占空比逐渐变大。对于输入电压不恒定的场合，还可以加入前馈单元X4，来消除输入电压变动对输出电压带来的影响。也可以采用电流型控制，电流型控制自动具有前馈特性。前馈单元的工作特性为当输入电压变化时，占空比会实时跟踪输入电压的变化，使占空比和输入电压保持反比关系。
图4为本发明一实施例公开的具有预偏置电压控制的电源装置电路图；如图4所示具体电路，电源装置电路包括输入单元，用于输入外部电压，并将所述外部电压传输至输出整流和滤波单元；输出整流和滤波单元，用于将所述输入单元中的电压进行整流和滤波，生成输出电压；采样测量单元，用于采样输出端预偏置电压，对输出端预偏置电压进行处理，得到采样处理电压；信号处理单元，对采样处理电压进行线性运算处理，得到与预偏置电压成正比的处理电压；PWM控制单元，调节处理电压的占空比，调节占空比后的处理电压转换后的电压值与预偏置电压的电压值相等；和前馈单元，用于消除输入电压的变动对输出电压的影响。
输入单元包括变压器和第四N型晶体管Q4，如图4所示，变压器的原边线圈一端与输入端口连接，另一端与第四N型晶体管Q4的漏极连接；输出整流和滤波单元包括第二N型晶体管Q2、第三N型晶体管Q 3、输出电感TX2和输出滤波电容C1，变压器的副边线圈连接在第二N型晶体管Q2的漏极和第三N型晶体管Q3的漏极之间，输出电感连接在第三N型晶体管Q3的漏极与输出滤波电容C1之间，第二N型晶体管Q2、第三N型晶体管Q3的源极以及输出滤波电容连接在地端。
采样测量单元X1与输出滤波电容C1连接，为输出滤波电容C1上的预偏置电压进行采样测量，在本发明实施例中采样测量单元采用分压电阻耦合的方式获取输出端预偏置电压的采样测量值，如图4所示的，电阻R6和R7的并联分压连接方式，电阻R6一端与输出整流和滤波单元中的输出滤波电容连接，另一端与电阻R7以及信号处理单元连接，电阻R7一端与电阻R6以及信号处理单元连接，另一端连接在地端。
信号处理单元X2包括分压电阻R2、接地电阻R4、电阻R5、放大器OP1和二极管D1。如图4所示，放大器OP1的正输入端与分压电阻R2连接，放大器OP1的负输入端与接地电阻R4连接，放大器OP1的输出端与二极管D1的正极连接，电阻R5连接在放大器OP1的负输入端与二极管D1的负极之间，分压电阻R2一端与采样测量单元连接，另一端与放大器OP1的正输入端连接，接地电阻R4一端与放大器OP1的负输入端连接，另一端连接地端。
放大器OP1的正输入端还与第一N型晶体管Q1的漏极相连，其源极连接地端，栅极与PWM控制单元X3连接，二极管D1的负极通过电阻R9与软启动电容Css连接，软启动电容Css一端与电阻R9以及PWM控制单元X3连接，另一端连接地端，PWM控制单元的三个输出支路分别与第二N型晶体管Q2、第三N型晶体管Q3和第四N型晶体管Q4的栅极连接，第四N型晶体管Q4的源极连接在地端，PWM控制单元的第四输出支路与误差放大单元连接。
本发明实施例适合于软启动在副边时的情况，具有预偏置电压控制的电源装置工作时，输出整流和滤波单元中输出滤波电容C1上的预偏置电压为Voo，预偏置电压Voo对应的占空比为d0，d0所对应的软启动电容Css电压为V4o。具有预偏置电压控制的电源装置工作起始瞬间，预偏置电压Voo经采样测量单元X1采样并处理后获得采样处理电压为V2o，采样处理电压V2o与预偏置电压成正比关系，采样处理电压V2o经过信号处理单元X2的运算放大器线性运算处理后变成处理电压V3o，即在信号处理单元中经线性运算后，处理电压V3o＝K*V2o+C，处理电压V3o刚好等于由采样处理电压V2o通过信号处理单元后，再经过第一N型晶体管Q1的栅极电压V5o。此时，PWM控制单元检测到第一N型晶体管Q1的栅极电压为V5o，并控制第一N型晶体管Q1为关断状态，在固定时间内，处理电压V3o可通过电阻R9为软启动电容Css充电，该充电电流与预偏置电压Voo呈线性关系，软启动电容Css上的电压V4o被信号处理单元输出的处理电压V3o充电为电压V5o，软启动电容Css上的电压为V5o时，即处理电压V3o与软启动电容Css上的电压V4o以及第一N型晶体管Q1的栅极电压V5o相等。PWM控制单元将调节处理电压V3o所对应的占空比，将占空比调节为d0，调节占空比后的处理电压转换后的电压值与预偏置电压的电压值相等。随后，第一N型晶体管Q1转换为导通状态，运算放大器OP1正输入端电压被拉低，其输出端电压也被拉低，使二极管D1反向截止，处理电压V3o不再通过电阻R9对软启动电容Css充电，软启动电容Css改由通过电阻R5对其缓慢充电，直至软启动结束。
需要指出的是，除图4所示的获得预偏置电压量值的方法外，还可采用其他形式获得预偏置电压的具体数值。
图5为本发明另一实施例公开的具有预偏置电压控制的电源装置电路图；如图5所示具体电路，电路包括输入单元，输入单元，用于输入外部电压，并将所述外部电压传输至输出整流和滤波单元；输出整流和滤波单元，用于将所述输入单元中的电压进行整流和滤波，生成输出电压；采样测量单元，用于采样输出端预偏置电压，对输出端预偏置电压进行处理，得到采样处理电压；信号处理单元，对采样处理电压进行线性运算处理，得到与预偏置电压成正比的处理电压；PWM控制单元，调节处理电压的占空比，调节占空比后的处理电压转换后的电压值与预偏置电压的电压值相等；和前馈单元，用于消除输入电压的变动对输出电压的影响。
输入单元包括变压器和第五N型晶体管N5，如图5所示，变压器的原边线圈一端与输入端口连接，另一端与第五N型晶体管Q5的漏极连接；输出整流和滤波单元包括第二N型晶体管Q2、第三N型晶体管Q3、输出电感TX2和输出滤波电容C1，变压器的副边线圈连接在第二N型晶体管Q2的漏极和第三N型晶体管Q3的漏极之间，输出电感连接在第三N型晶体管Q2的漏极与输出滤波电容C1之间，第二N型晶体管Q2、第三N型晶体管Q3的源极以及输出滤波电容C1连接在地端。
不同于图4的是，在图5中，获得预偏置电压量值的方法为在输出整流和滤波单元中的输出电感TX2上增加辅助绕组P2，以电磁感应方式获得感应电压量值，该感应电压与输出滤波电容C1上的预偏置电压呈正比关系。
采样测量单元X1对辅助绕组P2上的感应电压进行采样测量，在本发明实施例中采样测量单元包括第四N型晶体管Q4、电阻R4和电容C3，第四N型晶体管Q4的栅极连接PWM控制单元，如图5所示的，电阻R4一端与第四晶体管Q4的漏极连接，另一端与信号处理单元以及电容C3连接，电容C3一端与电阻R4以及信号处理单元连接，另一端连接低端，第四晶体管Q4的源极与输出整流和滤波单元中输出电感TX2增加的辅助绕组P2连接。
信号处理单元X2包括分压电阻R2、接地电阻R3、放大器OP1和二极管D1。如图5所示，放大器OP1的正输入端连接分压电阻R2与接地电阻R3，放大器OP1的负输入端连接软启动电容Css，放大器OP1的输出端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与第一N型晶体管Q1漏极相连，分压电阻R2一端与采样测量单元连接，另一端与放大器OP1的正输入端以及接地电阻R3连接，接地电阻R3一端与放大器OP1的正输入端以及分压电阻R2连接，另一端连接地端。
二极管D1的负极与第一N型晶体管Q1的漏极相连，其栅极与PWM控制单元X3连接，软启动电容Css一端与放大器OP1的负输入端以及第一N型晶体管Q1的源极连接，另一端连接地端；PWM控制单元的三个输出支路分别与第二N型晶体管Q2、第三N型晶体管Q3和第五N型晶体管Q5的栅极连接，第五N型晶体管Q5的源极连接在地端，PWM控制单元的第四输出支路与误差放大单元连接。前馈单元连接在PWM控制电路与输入单元之间。
本发明实施例适合于软启动在原边时的情况，预偏置电压控制电路工作时，输出整流和滤波单元中输出滤波电容上的预偏置电压为Voo，而预偏置电压Voo对应的占空比为d0，d0所对应的软启动电容Css电压为V4o。在最初的一两个PWM波周期里，辅助绕组P2上产生感应电压V1o，当V1o为正电压时，其值与输出滤波电容C1上的预偏置电压Voo呈正比关系，感应电压V1o经采样测量单元X1采样并处理后，获得采样处理电压为V2o，采样处理电压V2o与预偏置电压Voo成正比关系。预偏置电压控制电路工作起始瞬间，感应电压V1o经采样测量单元X1采样并处理后获得采样处理电压为V2o，采样处理电压V2o经过信号处理单元X2的运算放大器线性运算处理后变成处理电压为V3o，即在信号处理单元中经线性运算后，处理电压V3o＝K*V2o+C，处理电压V3o刚好等于由采样处理电压V2o通过信号处理单元后，再经过第一N型晶体管Q1的栅极电压V5o。此时，PWM控制单元检测到第一N型晶体管Q1栅极电压为V5o，并控制第一N型晶体管Q1为导通状态，在固定时间内，处理电压V3o可通过第一N型晶体管Q1向软启动电容Css充电，该充电电流与预偏置输出电压呈线性关系，软启动电容Css上的电压V4o被信号处理单元输出的处理电压V3o充电为电压V5o，软启动电容Css上的电压为V5o时，即处理电压V3o与软启动电容Css上的电压V4o以及第一N型晶体管Q1的栅极电压V5o相等。PWM控制单元将调节处理电压V3o所对应的占空比，将占空比调节为d0，调节占空比后的处理电压转换后的电压值与预偏置电压的电压值相等。随后，第一N型晶体管Q1转换为关闭状态，电压V3o不再通过第一N型晶体管Q1向软启动电容Cs s充电，软启动电容Css改由通过放大器OP1的负输入端对其缓慢充电，直至软启动结束。
需要说明的是，本发明实施例中所述的预偏置电压为本电源装置在没有开始工作的时候，在输出整流和滤波单元中的输出滤波电容上已经存在的电压。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有预偏置电压控制的电源装置，其特征在于，所述装置包括：
输入单元，用于输入外部电压，并将所述外部电压传输至输出整流和滤波单元；
输出整流和滤波单元，用于将所述输入单元中的电压进行整流和滤波，生成输出电压；
采样测量单元，用于采样输出整流和滤波单元中输出滤波电容上的预偏置电压(Vi0)，对所述预偏置电压进行处理，得到采样处理电压(V1)；
信号处理单元，对所述采样处理电压进行线性运算处理，得到与所述预偏置电压成线性关系的处理电压(V2)；
PWM控制单元，根据所述处理电压(V2)调节所述输入电压的占空比，所述调节占空比后的输入电压转换后的电压值与所述预偏置电压的电压值相等。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括前馈单元，用于使所述占空比随所述输入电压反比变化，所述前馈单元与所述PWM控制单元连接，或所述前馈单元连接在所述PWM控制单元与所述输入单元之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一N型晶体管(Q1)和软启动电容(Css)；
所述第一N型晶体管(Q1)的漏极与所述信号处理单元中的放大器(OP1)负输入端连接，所述第一N型晶体管(Q1)的栅极与所述PWM控制单元连接，所述第一N型晶体管(Q1)的源极接地端；所述软启动电容一端与所述信号处理单元中的二极管(D1)负极以及所述PWM控制单元连接，另一端连接地端。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一N型晶体管(Q1)和软启动电容(Css)；
所述第一N型晶体管(Q1)的漏极与所述信号处理单元中二极管(D1) 负极连接，所述第一N型晶体管(Q1)的栅极与所述PWM控制电路连接，所述第一N型晶体管(Q1)的源极与软启动电容(Css)连接；所述软启动电容一端与所述信号处理单元中的放大器(OP1)负输入端连接，另一端连接地端。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出整流和滤波单元包括第二N型晶体管(Q2)、第三N型晶体管(Q3)、输出电感(TX2)和输出滤波电容(C1)；
所述第二N型晶体管(Q2)的漏极与所述输入单元中的副边线圈连接，第二N型晶体管(Q2)的栅极与所述PWM控制单元连接，所述第三N型晶体管(Q3)的漏极与所述输入电路中的副边线圈连接，所述第三N型晶体管(Q3)的栅极与所述PWM控制单元连接，所述输出电感(TX2)一端与所述第三N型晶体管(Q3)的漏极连接，另一端与所述采样测量单元以及所述输出滤波电容(C1)连接，所述第二N型晶体管(Q2)的源极与第三N型晶体管(Q3)的源极以及与所述输出滤波电容(C1)连接在地端。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采样测量单元包括电阻R6和R7；
所述采样控制单元中电阻(R6)一端与所述输出整流和滤波单元中的输出滤波电容连接，另一端与所述采样控制单元中电阻(R7)以及所述信号处理单元连接，所述采样控制单元中电阻(R7)一端与所述信号处理单元连接，另一端连接地端，所述采样测量单元采用分压电阻耦合的方式获取所述输出滤波电容上的输出预偏置电压值的采样测量值。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采样测量单元包括辅助绕组(P2)、第四N型晶体管(Q4)、电阻(R4)和电容(C3)；
所述第四N型晶体管(Q4)的漏极与所述电阻(R4)连接，所述第四N型晶体管的源极与所述辅助绕组连接，所述第四N型晶体管的栅极与所述PWM控制单元连接，所述电阻(R4)一端与所述第四N型晶体管(Q4)的漏极连接，另一端与所述信号处理单元以及所述电容(C3)连接，所述电容(C3) 一端与所述电阻(R4)连接，另一端连接地端。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元包括电阻(R5)、分压电阻(R2)、接地电阻(R4)、放大器(OP1)和二极管(D1)；
所述放大器(OP1)的正输入端与所述分压电阻(R2)以及所述第一N型晶体管(Q1)的漏极连接，所述放大器(OP1)的负输入端与所述接地电阻(R4)连接，所述放大器(OP1)的输出端与所述二极管(D1)的正极连接，所述分压电阻(R2)一端与所述采样测量单元连接，另一端与所述放大器(OP1)的正输入端连接，所述接地电阻(R4)一端与所述放大器(OP1)的负输入端连接，另一端连接地端，所述电阻(R5)连接在所述放大器(OP1)的负输入端与所述二极管(D1)的负极之间，所述二极管(D1)的负极与所述软启动电容(Css)连接。
9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元包括分压电阻(R2)、接地电阻(R3)、放大器(OP1)和二极管(D1)；
所述放大器(OP1)的正输入端连接所述分压电阻(R2)以及所述接地电阻(R3)，所述放大器(OP1)的负输入端连接所述第一N型晶体管(Q1)源极以及所述软启动电容(Css)，所述放大器(OP1)的输出端连接所述二极管(D1)的正极，所述二极管(D1)的负极与所述第一N型晶体管(Q1)的漏极相连，所述分压电阻(R2)一端与所述采样测量单元连接，另一端与所述放大器(OP1)的正输入端以及所述接地电阻(R3)连接，所述接地电阻(R3)一端与所述分压电阻(R2)连接，另一端与所述放大器(OP1)的正输入端连接。
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