CN102487246B - 开关电源的控制方法、开关电源及pwm控制芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种开关电源、开关电源的控制方法和PWM控制芯片。其中，该开关电源包括输入滤波整流模块；初级绕组；初级开关管；输出绕组；输出滤波整流模块；负载电流检测模块，用于根据负载状况检测输出侧的负载电流；初级电流检测模块，用于检测所述初级开关管的初级电流；合并模块，用于将所述负载电流和所述初级电流分别转换为电压信号，并合并为反馈信号；和控制器，用于根据所述反馈信号生成具有相应占空比的信号，并根据所述信号控制所述初级开关管以稳定所述输出直流电压。本发明实施例通过将初级电流和负载电流进行整合后生成相应的反馈信号，因此在保证高精度输出电压的同时，还可以极大地提高整个环路的稳定性。

Description

开关电源的控制方法、开关电源及PWM控制芯片

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种开关电源的控制方法、开关电源及PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制芯片。

背景技术

目前几乎所有的家用电器设备主供电或控制部分供电都需要用到低压直流电源，然而由于供电电网考虑电压传输的损耗问题，当前只能提供220V(部分国家为110V)交流电源。因此，高效率、高性价比的交流-直流(AC-DC)转换器成为不可或缺的一部分。传统的交流-直流装置通常采用线性变换器实现，但由于线性变换器巨大的体积、沉重的重量、低下的转换效率以及不再明显的成本优势导致其正被迅速淘汰，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。为了给用电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控制芯片精确控制输出电压。

如图1所示，为现有技术中一个电流型PWM控制开关电源适配器典型电路。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与电容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将该误差信号传输至PWM控制芯片(图中IC3)的FB端，由PWM控制芯片根据该反馈信号与PWM控制芯片Ise端的反馈信号送入PWM比较器后做出相应控制。芯片IC3需要的能量由R3和C3提供。

上述方案为当前最为常见的电流型PWM控制方式，由光耦反馈所得在电压信号与R1检测到的电流信号送入至PWM控制芯片内部做斩波处理后得到对应的信号用于控制开关Q1的占空比。该方案虽然可以实现较高精度的输出电压控制，但是由于采用了电压和电流反馈的双环路控制模式，整个系统的环路稳定性较差，特别是在输出占空比大于50％的情况下。因此如果没有良好的补偿的话，整个系统环路将很难稳定。另外，当前各国对开关电源待机功耗和全负载范围内的效率要求越来越高，单一的电流型PWM控制方式已经很难满足各国对于开关电源能效的要求。

发明内容

本发明的目的旨在解决上述技术缺陷，特别是解决环路稳定性差的问题。

为达到上述目的，本发明实施例一方面提出了一种开关电源，包括：输入滤波整流模块，用于对输入的交流电压进行滤波，并将所述交流电压整流为直流电压；初级绕组，用于在初级开关管的控制下将所述直流电压变化为电磁信号；所述初级开关管，用于对所述初级绕组进行控制；输出绕组，用于根据所述初级绕组产生的电磁信号产生相应的输出交流电压；输出滤波整流模块，所述输出滤波整流模块与所述输出绕组相连，用于对所述输出交流电压进行滤波，并将所述输出交流电压整流为输出直流电压；负载电流检测模块，用于根据负载状况检测输出侧的负载电流；初级电流检测模块，用于检测所述初级开关管的初级电流；合并模块，用于将所述负载电流和所述初级电流分别转换为电压信号，并合并为反馈信号；和控制器，用于根据所述反馈信号生成具有相应占空比的信号，并根据所述信号控制所述初级开关管以稳定所述输出直流电压。

本发明实施例另一方面还提出了一种开关电源的控制方法，包括以下步骤：对输入的交流电压进行滤波整流，并将所述交流电压整流为直流电压；通过初级开关管调整初级绕组的导通时间以使输出绕组产生相应的输出交流电压；对所述输出交流电压进行滤波，并将所述输出交流电压整流为输出直流电压；检测所述初级开关管的初级电流，及根据负载状况检测输出侧的负载电流；将所述负载电流和所述初级电流分别转换为电压信号，并合并为反馈信号；和根据所述反馈信号生成相应占空比的信号，并根据所述信号控制所述初级开关管以稳定所述输出直流电压。

本发明实施例再一方面还提出了一种PWM控制芯片，包括：采样保持模块，用于对反馈的反馈信号进行采样，其中，所述反馈信号通过将负载电流和初级电流转换为电压信号之后合并获得；PWM控制模块，用于进行脉冲宽度调制控制以生成PWM控制信号；突发控制模块，用于维持输出预设占空比的低频控制信号；模式选择模块，用于判断所述采样保持模块的采样结果是否高于第一阈值或是否低于第二阈值，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值，如果低于所述第二阈值则启动所述PWM控制模块，如果高于所述第一阈值则启动所述突发控制模块；振荡器，用于提供时钟信号；逻辑控制模块，用于根据所述振荡器的时钟信号以及所述PWM控制模块的PWM控制信号或突发控制模块的低频控制信号生成所述具有相应占空比的信号；和输出控制与驱动模块，用于对所述具有相应占空比的信号进行放大。

本发明实施例通过将初级电流和负载电流进行整合后生成相应的反馈信号，因此在保证高精度输出电压的同时，还可以极大地提高整个环路的稳定性。另外，在本发明中还可对PWM控制模式和突发控制模式相结合，通过在轻负载状态下增加突发模式，从而不仅可以极大地提高电源的轻负载效率，并且还降低了空载损耗。因此，通过本发明实施例实现了一个全负载范围内的高效率、高精度的电压输出。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术中一个电流型PWM控制开关电源适配器典型电路；

图2为本发明实施例的开关电源的结构图；

图3为本发明实施例的开关电源的控制方法流程图；

图4为本发明一个实施例的开关电源电路图；

图5为本发明实施例的PWM控制时序图；

图6为本发明实施例的上述控制芯片的结构图；

图7为本发明实施例的具体的采样时序图；

图8为本发明实施例的工作模式选择示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图2所示，为本发明实施例的开关电源的结构图。该开关电源包括输入滤波整流模块1100、初级绕组1200、初级开关管1300、输出绕组1400、负载电流检测模块1500、初级电流检测模块1600、合并模块1700、控制器1800和输出滤波整流模块2000。其中，输入滤波整流模块1100对输入的交流电压进行滤波，并将输入的交流电压整流为直流电压。初级绕组1200在初级开关管1300的控制下将直流电压变化为电磁信号。输出绕组1400根据初级绕组1200产生的电磁信号产生相应的输出交流电压。输出滤波整流模块2000与输出绕组1400相连，输出滤波整流模块2000对输出绕组1400输出的交流电压进行滤波，并将输出交流电压整流为输出直流电压并输出。负载电流检测模块1500根据当前的负载状况检测输出侧的负载电流。初级电流检测模块1500用于检测初级开关管1300的初级电流，该初级电流通常为电流斜坡信号。合并模块1700将负载电流和初级电流分别转换为电压信号，并合并为反馈信号。控制器1800根据反馈信号生成相应占空比的信号，并根据该相应占空比的信号控制初级开关管1300以稳定输出直流电压。本发明实施例通过合并模块1700将初级电流和负载电流进行整合，并反馈给控制器1800以生成相应的反馈信号，因此本发明实施例在保证高精度输出电压的同时，还可以极大地提高整个环路的稳定性。

在本发明的一个实施例中，该开关电源还包括连接在输入滤波整流模块1100和初始绕组1200之间的尖峰电压吸收模块1900，该尖峰电压吸收模块1900可以吸收漏感尖峰电压以防止由于漏感导致的尖峰电压，从而防止损伤初级开关管1300。

在本发明的一个实施例中，该开关电源还包括光耦发射部分2100和光耦接收部分2200。其中，光耦发射部分2100与负载电流检测模块1500相连，光耦接收部分2200与合并模块1700相连，通过光耦发射部分2100和光耦接收部分2200可以将负载电流检测模块1500检测的负载电流反馈至合并模块1700，由合并模块1700进行合并。当然本领域技术人员还可选择其他方式将负载电流反馈至合并模块1700，这些均应包含在本发明的保护范围之内。

在本发明的一个实施例中，合并模块1700包括相互并联的第一电阻和第二电阻，以及第三电阻。其中，第一电阻和第二电阻的第一端接地，第一电阻和第二电阻的第二端与初级开关管1300相连，第三电阻的第一端与第一电阻和第二电阻相连，第三电阻的第二端分别与光耦接收部分2200和控制器1800相连。

在本发明的一个实施例中，控制器1800还用于根据合并模块1700提供的反馈信号判断所述负载状态是否高于第一阈值或是否低于第二阈值，其中，第一阈值大于第二阈值，如果低于所述第二阈值则工作于脉冲宽度调制工作模式，如果高于所述第一阈值则工作于突发模式以降低所述控制器的工作频率。

如图3所示，为本发明实施例的开关电源的控制方法流程图。该方法包括以下步骤：

步骤S301，对输入的交流电压进行滤波整流，并将交流电压整流为直流电压。

步骤S302，通过初级开关管调整初级绕组的导通时间以使输出绕组产生相应的输出交流电压，对输出交流电压进行滤波，并将输出交流电压整流为输出直流电压。

步骤S303，检测初级开关管的初级电流，及根据负载状况检测输出侧的负载电流。

步骤S304，将负载电流和初级电流分别转换为电压信号，并合并为反馈信号。

步骤S305，根据反馈信号生成相应占空比的信号，并根据该信号控制初级开关管以稳定输出直流电压。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括判断反馈信号是否高于第一阈值或是否低于第二阈值，如果低于第二阈值则工作于脉冲宽度调制工作模式，如果高于第一阈值则工作于突发模式以降低所述控制器的工作频率和占空比。

为了能够更清楚的理解本发明，以下将以具体的实施例对本发明进行描述。但需要说明的是以下实施例仅为本发明的优选实施方式，但并不是说本发明仅能通过以下实施例实现，本领域技术人员可根据上述的发明思想对本发明做出等同的修改或替换，这些等同的修改或替换均应包含在本发明的保护范围之内。

如图4所示，为本发明一个实施例的开关电源电路图。其中，在本发明的一个实施例中，芯片IC1的引脚定义如下：

其中，初级侧主要包括初级绕组Np、控制该初级绕组Np的开关管Q1，以及控制该开关管Q1导通时间的控制芯片IC1。具体地，F1为保险丝，用于线路出现故障时切换交流输入以保护系统安全。二极管D1～D4组成的全波整流线路用于将输入交流电压整流为直流电压并存储在电容C2之中。由电容C1、共模电感L1A和L1B，以及电解电容C2组成的滤波网络用以滤除输入端的干扰信号。电阻R1、电阻R2和电容C5组成控制芯片IC1的启动线路，从而可以在系统上电时为控制芯片IC1提供必要的电能。当系统正常启动后，通过变压器线圈Na(其与初级绕组Np反相)和二极管D4为控制芯片IC1提供工作所需的能量。二极管D5、电阻R15、电阻R16和电容C9组成钳位电路用于漏感尖峰电压吸收，从而防止由于漏感导致的尖峰电压损伤开关管Q1。在本发明的一个实施例中，开关管Q1为初级主功率开关，控制芯片IC1通过控制开关管Q1的工作频率与占空比可以达到稳定不同负载状态下输出电压的目的。电阻R3、电阻R4用于检测开关管Q1的初级电流并将电流斜坡信号转化为电压信号。通过将该电压信号与从光耦IC3B反馈过来的电流信号在电阻R5上叠加后送入控制芯片IC1用以控制开关管Q1的频率及占空比。其中，输出侧主要包括输出绕组Ns(其与初级绕组Np反相)。其中，输出侧电阻R11、光耦IC3A及IC2(TL431)用于生成用于表征负载大小的负载信号，该负载信号由R12与R9组成的电压分压网络经过与IC2中电压基准比较后产生。电阻R10用以为IC2工作提供必要的偏置电流，电阻R13、电容C10为环路补偿元件，用以保证整个系统环路的稳定性。二极管D8、电容C3、电感L3和电容C4组成输出侧的整流和滤波网络，用以将变压器传输过来的交流信号转换为稳定的直流信号输出。

如图5所示，为本发明实施例的PWM控制时序图。如图所示，当系统工作于S1时，如上图所示的负载信号(由负载电流转换得到)与电阻R3和R4检测到的初级电压信号(由初级电流转换得到)叠加后得到上图中的Vsense信号，该信号与控制芯片IC1内部的基准信号作斩波处理后得到输出占空比信号D1(开关周期为T)。在S1时间内，由于输出负载状态未发生改变，因此开关一直维持恒定的占空比D1输出。但是从S1至S2时间段，输出负载显著增大，因此导致图中所示的负载信号下降，此时叠加产生Vsense信号需要更长的时间才能达到内部设定的基准信号值，因此输出占空比信号显著增大，如D2所示。接着，在S3阶段输出负载再次变大，图中负载信号相应继续下降，因此输出占空比信号增大至D3。反之如果输出负载信号减小则必然导致负载信号上升，控制芯片IC1会相应减小输出占空比以达到稳定输出电压的目的。

如图6所示，为本发明实施例的上述PWM控制芯片的结构图。该PWM控制芯片(PWM控制芯片)包括采样保持模块2100、PWM控制模块2200、突发控制模块2300、模式选择模块2400、逻辑控制模块2500、输出控制与驱动模块2600、电源模块2700和振荡器2800。其中，采样保持模块2100用于对反馈的反馈信号进行采样，其中，如上所述，该反馈信号通过将负载电流和初级电流转换为电压信号之后合并获得。PWM控制模块2200用于进行脉冲宽度调制控制。突发控制模块2300用于维持输出预设占空比的低频控制信号，其中，该预设占空比较低。振荡器2800用以提供控制芯片输出控制需要的时钟信号。模式选择模块2400用于判断采样保持模块2100的采样结果是否高于第一阈值或是否低于第二阈值，其中，第一阈值大于第二阈值，如果低于第二阈值则启动PWM控制模块2200，如果高于第一阈值则启动突发控制模块2300。逻辑控制模块2500用于根据振荡器2800的时钟信号以及PWM控制模块2200的PWM控制信号或突发控制模块2300的低频控制信号生成具有相应占空比的信号，具体地，逻辑控制模块2500根据振荡器2800的时钟信号的上升沿产生所述具有相应占空比的信号的上升沿，并根据所述PWM控制模块2200的PWM控制信号或突发控制模块2300的低频控制信号的下降沿产生具有相应占空比的信号的下降沿。输出控制与驱动模块2600用于对所述具有相应占空比的信号进行放大。电压模块2700用于提供基准电压及偏置电压等。从Vsense端输入的叠加信号经过信号采样保持模块2100后送入模式选择模块2400，在输出负载状态处于10％～100％区间时，控制芯片将工作于PWM控制模式；当输出负载下降至10％以下区间时，控制芯片则工作于突发模式并且维持输出预设占空比的低频控制信号，此时控制芯片的工作频率将大大降低以获得较高的转换效率。具体的采样时序图如图7所示。在每次主开关关闭后，将该信号延迟一段时间T1后开始对Vsense信号进行采样，采样时间T2的结束时间由下次开关打开信号决定。在T2时间内，采样信号在模式选择模块2400中判定芯片的工作模式。如图8所示，为本发明实施例的工作模式选择示意图，如前所述的控制逻辑(逻辑控制模块2500输出的控制逻辑)在开关关闭后延迟一段时间对Vsense信号进行采样，采样后的电压信号送入迟滞比较器进行判定，当采样到的电压值超过Vth1(第一阈值)时(Vth1＞Vth2)，迟滞比较器输出为高电平(状态为1)，此时选择模式为突发模式。在下一次开关信号开启前，直至电压采样信号低于Vth2(第二阈值)时，比较器输出为低电平(状态0)，控制芯片自动恢复为PWM控制模式。

在本发明的一个实施例中，该PWM控制芯片还包括分压电阻R1和R2，以及过压保护模块3000。其中，分压电阻R1、R2用于检测芯片的电源电压以控制芯片迟滞启动和过压保护功能。过压保护模块3000用于检测输入电压是否超过电压阈值，如果超过所述电压阈值则停止所述PWM控制芯片的工作。

在本发明的一个实施例中，该PWM控制芯片还包括迟滞启动模块2900。迟滞启动模块2900用于在PWM控制芯片的输入电压达到第一电压阈值之后，延迟第二时间控制PWM控制芯片启动，且在PWM控制芯片的输入电压低于第二电压阈值之后控制PWM控制芯片关闭，其中，第一电压阈值大于第二电压阈值。在本发明的一个实施例中，第一电压阈值为12V，第二电压阈值为6V。

本发明通过将初级电流和负载电流进行整合后生成相应的反馈信号，因此在保证高精度输出电压的同时，还可以极大地提高整个环路的稳定性。另外，在本发明中还可对PWM控制模式和突发控制模式相结合，通过在轻负载状态下增加突发模式，从而不仅可以极大地提高电源的轻负载效率，并且还降低了空载损耗。因此，通过本发明实施例实现了一个全负载范围内的高效率、高精度的电压输出。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种开关电源，其特征在于，包括： 

输入滤波整流模块，用于对输入的交流电压进行滤波，并将所述交流电压整流为直流电压； 

初级绕组，用于在初级开关管的控制下将所述直流电压变化为电磁信号； 

所述初级开关管，用于对所述初级绕组进行控制； 

输出绕组，用于根据所述初级绕组产生的电磁信号产生相应的输出交流电压； 

输出滤波整流模块，所述输出滤波整流模块与所述输出绕组相连，用于对所述输出交流电压进行滤波，并将所述输出交流电压整流为输出直流电压； 

负载电流检测模块，用于根据负载状况检测输出侧的负载电流； 

初级电流检测模块，用于检测所述初级开关管的初级电流； 

合并模块，用于将所述负载电流和所述初级电流分别转换为电压信号，并合并为反馈信号；和 

控制器，用于根据所述反馈信号生成具有相应占空比的信号，并根据所述具有相应占空比的信号控制所述初级开关管以稳定所述输出直流电压，其中，所述控制器包括： 

采样保持模块，用于对所述合并模块反馈的反馈信号进行采样； 

脉冲宽度调制PWM控制模块，用于进行脉冲宽度调制控制以生成PWM控制信号； 

突发控制模块，用于维持输出预设占空比的低频控制信号； 

模式选择模块，用于判断所述采样保持模块的采样结果是否高于第一阈值或是否低于第二阈值，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值，如果低于所述第二阈值则启动所述PWM控制模块，如果高于所述第一阈值则启动所述突发控制模块，其中，迟滞比较器，用于在延迟第一时间之后判断所述采样结果是否高于第一阈值或是否低于第二阈值，如果低于所述第二阈值则启动所述PWM控制模块，如果高于所述第一阈值则启动所述突发控制模块； 

迟滞启动模块，用于在所述控制器的输入电压达到第一电压阈值之后，延迟第二时间控制所述控制器启动，且在所述控制器的输入电压低于第二电压阈值之后控制所述控制器关闭，其中，所述第一电压阈值大于所述第二电压阈值； 

振荡器，用于提供时钟信号； 

逻辑控制模块，用于根据所述振荡器的时钟信号以及所述PWM控制模块的PWM控制信号或突发控制模块的低频控制信号生成所述具有相应占空比的信号； 

输出控制与驱动模块，用于对所述具有相应占空比的信号进行放大；和 

过压保护模块，用于检测输入电压是否超过电压阈值，如果超过所述电压阈值则停止所述控制器的工作。 

2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，还包括： 

尖峰电压吸收模块，所述尖峰电压吸收模块连接在所述输入滤波整流模块和所述初级绕组之间，用于吸收漏感尖峰电压。

3.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，还包括： 

光耦发射部分和光耦接收部分，所述光耦发射部分与所述负载电流检测模块相连，所述光耦接收部分与所述合并模块相连，通过所述光耦发射部分和光耦接收部分将所述负载电流反馈至所述合并模块。 

4.如权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述合并模块包括： 

相互并联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻的第一端接地，所述第一电阻和第二电阻的第二端与所述初级开关管相连；和 

第三电阻，所述第三电阻的第一端与所述第一电阻和第二电阻相连，所述第三电阻的第二端分别与所述光耦接收部分和控制器相连。 

5.一种PWM控制芯片，其特征在于，包括： 

采样保持模块，用于对反馈的反馈信号进行采样，其中，所述反馈信号通过将负载电流和初级电流转换为电压信号之后合并获得； 

PWM控制模块，用于进行脉冲宽度调制控制以生成PWM控制信号； 

突发控制模块，用于维持输出预设占空比的低频控制信号； 

模式选择模块，用于判断所述采样保持模块的采样结果是否高于第一阈值或是否低于第二阈值，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值，如果低于所述第二阈值则启动所述PWM控制模块，如果高于所述第一阈值则启动所述突发控制模块； 

振荡器，用于提供时钟信号； 

逻辑控制模块，用于根据所述振荡器的时钟信号以及所述PWM控制模块的PWM控制信号或突发控制模块的低频控制信号生成具有相应占空比的信号； 

输出控制与驱动模块，用于对所述具有相应占空比的信号进行放大； 

过压保护模块，用于检测所述PWM控制芯片的输入电压是否超过电压阈值，如果超过所述电压阈值则停止所述PWM控制芯片的工作； 

迟滞比较器，用于在延迟第一时间之后判断所述采样结果是否高于第一阈值或是否低于第二阈值，如果低于所述第二阈值则启动所述脉冲宽度调制控制模块，如果高于所述第一阈值则启动所述突发控制模块；和 

迟滞启动模块，用于在所述PWM控制芯片的输入电压达到第一电压阈值之后，延迟第二时间控制所述PWM控制芯片启动，且在所述PWM控制芯片的输入电压低于第二电压阈值之后控制所述PWM控制芯片关闭，其中，所述第一电压阈值大于所述第二电压阈值。