CN102545621B - 一种开关电源及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种开关电源及控制方法，所述方法包括：原边模型参考电路模拟副边输出功率级电路的输入/输出特性及副边负载的负载特性；原边控制电路根据检测原边逆变电路的输出得到的第一采样信号，控制电子负载的开关器件，使原边模型参考电路更好地模拟副边输出功率级电路的输入/输出特性；原边控制电路还根据检测参考电压得到的第二采样信号，控制原边逆变电路的功率开关管，稳定直流输出电压。采用本发明的方案，不需要隔离的辅助电源，也不需要用光耦反馈副边的输出信号，此外，由于参考电压与直流输出电压变化一致，更好地模拟了副边输出功率级电路的输入/输出特性，使得本发明具有良好的控制特性。

Description

一种开关电源及控制方法
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及通信电源。 
背景技术
随着大规模集成电路的广泛应用，通信设备内部集成电路芯片等所需用的直流输入电压多种多样，主要的输出电压范围为：1.2V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V、12V、28V等等，而通信用一次电源，只能将市电整流为48V输出的直流电，为了给通信设备内部集成电路芯片等提供所需用的直流输入电压，需要使用二次电源，如直流开关电源，将一次电源输出的48V直流电，经过直流-直流(DC/DC)高频开关功率变换，获得不同大小的直流输出电压。 
目前，直流开关电源在直流输入电压变化，或者内部参数变化，或者副边负载变化的情况下，为了减少直流输入电压及副边负载扰动，通常采用输出反馈控制，通过副边输出功率级电路的被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节原边逆变电路的功率开关管的导通脉冲宽度，使得电源的直流输出电压或电流等被控制信号稳定，但实际应用中，副边输出反馈控制的控制器需要与原边隔离的辅助电源来启动及工作，会使得反馈控制的过程相当复杂，而原边输出反馈控制使用光藕将副边输出信号反馈回原边，电源的应用会受光藕的寿命问题制约。 
发明内容
本发明实施例的主要目的在于，提供一种开关电源及控制方法，不需要像输出反馈控制一样使用隔离的辅助电源或光耦，并且具有良好的控制特性。 
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案： 
一种开关电源，包括：原边逆变电路，原边模型参考电路，原边控制电路，副边输出功率级电路及隔离变压器； 
所述原边逆变电路用于接收直流输入电压，并将所述直流输入电压逆变成第一交流电压； 
所述隔离变压器用于对所述第一交流电压进行降压，降压后在所述隔离变压器副边得到第二交流电压，以及在所述隔离变压器原边得到第三交流电压，所述第二交流电压被耦合到所述副边输出功率级电路中，所述第三交流电压被耦合到所述原边模型参考电路中； 
所述副边输出功率级电路用于对所述第二交流电压进行同步整流及滤波，得到直流输出电压，并将所述直流输出电压提供给副边负载，所述副边输出功率级电路包括副边同步整流电路和副边滤波器，所述副边同步整流电路用于对所述第二交流电压进行同步整流，所述副边滤波器用于对整流后的所述第二交流电压进行滤波； 
所述原边模型参考电路用于模拟所述副边输出功率级电路的输入/输出特性及所述副边负载的负载特性，还用于对所述第三交流电压进行同步整流及滤波，得到参考电压，并将所述参考电压提供给所述原边控制电路，所述原边模型参考电路包括同步整流电路，滤波器，及电子负载，所述同步整流电路用于对所述第三交流电压进行同步整流，所述滤波器用于对整流后的所述第三交流电压进行滤波，所述滤波器的传递函数与所述副边滤波器的传递函数相同，所述电子负载用于模拟所述副边负载的负载特性； 
所述原边控制电路用于根据检测所述原边逆变电路的输出得到的第一采样信号，控制所述电子负载的开关器件，以抑制所述电子负载的扰动，所述原边控制电路还用于根据检测所述参考电压得到的第二采样信号，控制所述原边逆变电路的功率开关管，以减少因所述直流输入电压或所述副边负载变化造成的扰动。 
一种开关电源的控制方法，包括： 
将直流输入电压逆变成第一交流电压； 
隔离变压器将所述第一交流电压降压，降压后在所述隔离变压器副边得到第二交流电压，以及在所述隔离变压器原边得到第三交流电压，并将所述第二交流电压耦合到副边输出功率级电路中，以及将所述第三交流电压耦合到原边模型参考电路中； 
所述副边功率级电路对所述第二交流电压进行同步整流及滤波，得到直流输出电压并提供给副边负载； 
所述原边模型参考电路模拟所述副边输出功率级电路的输入/输出特性及所述副边负载的负载特性，并对所述第三交流电压进行同步整流及滤波，其中，所述原边模型参考电路的滤波器模拟所述副边功率级电路的滤波器的传递函数，所述原边模型参考电路的电子负载模拟所述副边负载的负载特性； 
所述原边控制电路根据检测所述原边逆变电路的输出得到的第一采样信号，控制所述电子负载的开关器件，以抑制所述电子负载的扰动； 
所述原边控制电路还根据检测所述参考电压得到的第二采样信号，控制所述原边逆变电路的功率开关管，以减少因所述直流输入电压或所述副边负载变化造成的扰动。 
采用本发明的技术方案，由于利用原边模型参考电路给原边控制电路供电，不需要隔离的辅助电源，并且，采样原边的参考电压进行稳压控制，不需要用光耦反馈副边的输出信号，不会因光耦寿命问题而对电源应用造成限制，此外，由于参考电压与直流输出电压变化一致，更好地模拟了副边输出功率级电路的输入/输出特性，使得本发明具有良好的控制特性。 
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 
图1为本发明实施例一提供的一种开关电源的系统架构图； 
图2为本发明实施例一提供的一种开关电源的电路示意图； 
图3为本发明实施例一提供的开关电源的参考电压与实际输出电压的开机波形示意图； 
图4为本发明实施例二提供的一种开关电源的控制方法流程图。 
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 
实施例一 
如图1和图2所示，本发明的实施例一提供了一种开关电源，所述开关电源包括直接或者间接连接的原边逆变电路100，原边模型参考电路101，原边控制电路106，副边输出功率级电路200及隔离变压器300； 
所述原边逆变电路100用于接收直流输入电压Vin，并将直流输入电压Vin逆变成第一交流电压V1； 
所述隔离变压器300包括：原边主功率绕组301、副边功率绕组302，原边模型参考绕组303，原边主功率绕组301、副边功率绕组302以及原边模型参考绕组303通过磁芯相互耦合，所述隔离变压器300用于对原边主功率绕组301接收的第一交流电压V1进行降压，降压后在所述隔离变压器300副边的副边功率绕组302上得到第二交流电压V2，以及在所述隔离变压器300原边的原边模型参考绕组303上得到第三交流电压V3，第二交流电压V2通过副边功率绕组302被耦合到所述副边输出功率级电路200中，第三交流电压V3通过原边模型参考绕组303被耦合到所述原边模型参考电路101中； 
所述副边输出功率级电路200用于对第二交流电压V2进行同步整流及滤波，得到直流输出电压Vout，并将直流输出电压Vout提供给副边负载400，所述副边输出功率级电路200包括副边同步整流电路202和副边滤波器201，其中，副边同步整流电路202用于对第二交流电压V2进行同步整流，副边滤波器201用于对整流后的第二交流电压V2进行滤波； 
所述原边模型参考电路101用于模拟所述副边输出功率级电路200的输入/输出特性及所述副边负载400的负载特性，还用于对第三交流电压V3进行同步整流及滤波，得到参考电压V4，并将参考电压V4提供给所述原边控制电路106，所述原边模型参考电路101包括同步整流电路102，滤波器103，及电子负载104，其中，同步整流电路102用于对第三交流电压V3进行同步整流，滤波器103用于对整流后的第三交流电压V3进行滤波，滤波器103的传递函数与副边滤波器201的传递函数相同，即输出电压与输入电压的拉普拉斯变换之比相同，电子负载104用于模拟副边负载400不同的负载特性，以使所述原边模型参考电路101与所述副边输出功率级电路200的输入/输出特性相同； 
所述原边控制电路106用于根据检测所述原边逆变电路100的输出得到的第一采样信号，控制电子负载104的开关器件，以抑制电子负载104的扰动，使所述原边模型参考电路101更好地模拟所述副边输出功率级电路200的输入/输出特性，所述原边控制电路106还用于根据检测所述原边模型参考电路101的参考电压得到的第二采样信号，控制所述原边逆变电路100的功率开关管，以减少因直流输入电压，或副边负载变化造成的扰动，稳定所述开关电源的直流输出电压Vout。 
在本实施例的开关电源中，原边模型参考电路可以作为辅助电源给原边控制电路供电，并且，采样原边模型参考电路的参考电压进行进一步的稳压控制，相当于在原边直接采样副边的直流输出电压，从而不像副边反馈控制一样需要隔离的辅助电源来供电，也不像原边反馈控制一样使用光耦将副边输出信号反馈到原边，因光耦的寿命问题对开关电源的应用造成限制。 
进一步地，在本实施例的开关电源中，采用同步整流的副边输出功率级电路工作在电流连续模式(Continuous Conduction Mode，CCM)，本实施例通过采用包括同步整流电路，滤波器及电子负载的原边模型参考电路，使得原边模型参考电路作为辅助电源给原边控制电路供电时，在某个门限电压下，例如驱动原边控制电路中的芯片的门限电压，由于电子负载的存在，使得起机过程中，从零电压至门限电压这段时间内，原边模型参考电路也工作在CCM模式，从而很好的模拟了副边输出功率级电路的输入/输出特性，如图3所示的开机波形中，原边模型参考电路的参考电压V4与副边输出功率级电路的实际输出电压Vout的上升斜率接近一致，参考电压V4实现了单调线性上升，从而使得本实施例的开关电源具有很好的控制特性。 
需要说明的是，在上述开关电源实施例中，所述副边输出功率级电路200的输入/输出特性为第二交流电压V2转化为直流输出电压Vout的过程中的转化规律。 
所述副边负载400的负载特性为直流输出电压Vout随着所述副边负载400的电阻变化而变化的规律。 
第一采样信号可以为电流或者电压信号。 
第二采样信号可以为电流或者电压信号。 
需要进一步说明的是，对所述原边逆变电路100的功率开关管或者所述电子负载104的开关器件的控制，本领域技术人员应当知道，以脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)为例，其基本原理是通过误差放大器将输出电压的采样信号与参考信号相比较，并将比较结果与一个锯齿波信号加到PWM比较器的两个输入端，然后将该PWM比较器输出的脉宽调制信号以及一个由振荡器产生的时钟信号，通过触发器生成一个脉冲信号，将该脉冲信号加到被控制开关器件的基极(三极管)或栅极(场效应晶体管，MOSFET)，以调整被控制开关器件的导通或截止周期，抵消使输出电压变化的那些因素的影响，保持输出电压的稳定。 
在本实施例中，所述同步整流电路102可以为全波同步整流电路，或者为全桥同步整流电路，或者为倍流同步整流电路，为了降低整流器件的导通损耗，所述同步整流电路102的整流管可以为通态电阻极低的MOSFET。 
为了与所述副边滤波器的传递函数相同，所述滤波器103可以为无源滤波器，例如：一阶的L或C滤波器，或者二阶的LC滤波器，或者一阶和二阶滤波器级联等。 
所述电子负载的开关器件可以为MOSFET或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或三极管或线性晶体管。 
所述原边控制电路106可以为模拟控制器、或PWM控制器、或FPGA控制器、或DSP控制器、或CPLD控制器，但不限于以上列举的几种。 
进一步地，在本实施例中，所述原边控制电路106与所述原边逆变电路100之间还可以设置有原边电检测电路105，所述原边检测电路105可以采用不同的方式检测所述原边逆变电路100，例如： 
所述原边检测电路105可以通过电流互感器、电压互感器等器件，利用电磁感应原理对所述原边逆变电路100进行检测，或者还可以给所述原边逆变电路100串联电阻等器件，通过检测电阻的电压或者电流信号，得到所述第一采样信号。 
实施例二 
基于实施例一所述的开关电源，如图4所示，本发明实施例二还提供了一种开关电源的控制方法，包括： 
步骤401、将直流输入电压逆变成第一交流电压； 
步骤402、隔离变压器对第一交流电压降压，降压后在所述隔离变压器副边得到第二交流电压，以及在所述隔离变压器原边得到第三交流电压，并将第二交流电压耦合到副边输出功率级电路中，以及将第三交流电压耦合到原边模型参考电路中； 
步骤403、所述副边功率级电路对第二交流电压进行同步整流及滤波，得 到直流输出电压并提供给副边负载； 
步骤404、所述原边模型参考电路模拟所述副边输出功率级电路的输入/输出特性及所述副边负载的负载特性，并对第三交流电压进行同步整流及滤波，其中，所述原边模型参考电路的滤波器模拟所述副边功率级电路的滤波器的传递函数，所述原边模型参考电路的电子负载模拟所述副边负载的负载特性； 
步骤405、所述原边控制电路根据检测所述原边逆变电路的输出得到的第一采样信号，控制所述电子负载的开关器件，以抑制所述电子负载的扰动，使所述原边模型参考电路更好地模拟所述副边输出功率级电路的输入/输出特性； 
步骤406、所述原边控制电路还根据检测所述原边模型参考电路的所述参考电压得到的第二采样信号，控制所述原边逆变电路的功率开关管，以减少因所述直流输入电压或所述副边负载变化造成的扰动，稳定所述直流输出电压。 
本实施例通过用包括同步整流电路，滤波器及电子负载的原边模型参考电路在原边模拟副边输出功率级电路的输入/输出特性及副边负载的负载特性，进一步通过控制电子负载的开关器件，增强对电子负载的扰动的抑制，使得原边模型参考电路更好地模拟了副边输出功率级电路的输入/输出特性，从而使开关电源获得了很好的控制特性，并且，采样原边模型参考电路的参考电压进行进一步的稳压控制，相当于在原边直接采样副边的直流输出电压，从而不会像原边反馈控制一样会因光耦的寿命问题对开关电源的应用造成限制，也不像副边反馈控制一样需要隔离辅助电源。 
需要说明的是，在步骤405中，所述原边控制电路可以通过控制所述电子负载的开关器件的导通时间，或者占空比，或者开关频率，以实现对所述电子负载的扰动的抑制。 
在步骤406中，所述原边控制电路可以通过控制所述原边逆变电路的功率开关管的导通时间，或者占空比，或者开关频率，以实现减少所述直流输入电 压或所述副边负载变化造成的扰动，稳定所述直流输出电压。 
可以理解的是，上述实施例一及实施例二中的相关特征可以相互参考。 
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。 
应当理解，此处所描述的具体实施例仅为本发明的普通实施例而已，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、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，其特征在于，包括：原边逆变电路，原边模型参考电路,原边控制电路，副边输出功率级电路及隔离变压器；
所述原边逆变电路用于接收直流输入电压，并将所述直流输入电压逆变成第一交流电压;
所述隔离变压器用于对所述第一交流电压进行降压，降压后在所述隔离变压器副边得到第二交流电压，以及在所述隔离变压器原边得到第三交流电压，所述第二交流电压被耦合到所述副边输出功率级电路中，所述第三交流电压被耦合到所述原边模型参考电路中；
所述副边输出功率级电路用于对所述第二交流电压进行同步整流及滤波，得到直流输出电压，并将所述直流输出电压提供给副边负载，所述副边输出功率级电路包括副边同步整流电路和副边滤波器，所述副边同步整流电路用于对所述第二交流电压进行同步整流，所述副边滤波器用于对整流后的所述第二交流电压进行滤波；
所述原边模型参考电路用于模拟所述副边输出功率级电路的输入/输出特性及所述副边负载的负载特性，还用于对所述第三交流电压进行同步整流及滤波，得到参考电压，并将所述参考电压提供给所述原边控制电路，所述原边模型参考电路包括同步整流电路，滤波器，及电子负载，所述同步整流电路用于对所述第三交流电压进行同步整流，所述滤波器用于对整流后的所述第三交流电压进行滤波，所述滤波器的传递函数与所述副边滤波器的传递函数相同，所述电子负载用于模拟所述副边负载的负载特性；
所述原边控制电路用于根据检测所述原边逆变电路的输出得到的第一采样信号，控制所述电子负载的开关器件，以抑制所述电子负载的扰动，所述原边控制电路还用于根据检测所述参考电压得到的第二采样信号，控制所述原边逆变电路的功率开关管，以减少因所述直流输入电压或所述副边负载变化造成的扰动。
2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述输入/输出特性为所述第二交流电压转化为所述直流输出电压的过程中的转化规律。
3.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述负载特性为所述直流输出电压随着所述副边负载的电阻变化而变化的规律。
4.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第一采样信号为电流或者电压信号。
5.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第二采样信号为电流或者电压信号。
6.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述同步整流电路为全波同步整流电路，或者为全桥同步整流电路，或者为倍流同步整流电路。
7.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述滤波器为无源滤波器。
8.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述电子负载的开关器件为MOSFET或IGBT或三极管或线性晶体管。
9.如权利要求1至8任一所述的开关电源，其特征在于，所述原边控制电路为模拟控制器或PWM控制器或FPGA控制器或DSP控制器或CPLD控制器。
10.一种开关电源的控制方法，其特征在于，包括：
原边逆变电路接收直流输入电压，并将所述直流输入电压逆变成第一交流电压；
隔离变压器将所述第一交流电压降压，降压后在所述隔离变压器副边得到第二交流电压，以及在所述隔离变压器原边得到第三交流电压，并将所述第二交流电压耦合到副边输出功率级电路中，以及将所述第三交流电压耦合到原边模型参考电路中；
所述副边输出功率级电路对所述第二交流电压进行同步整流及滤波，得到直流输出电压并提供给副边负载；
所述原边模型参考电路模拟所述副边输出功率级电路的输入/输出特性及所述副边负载的负载特性，并对所述第三交流电压进行同步整流及滤波，得到参考电压，并将所述参考电压提供给原边控制电路，其中，所述原边模型参考电路的滤波器模拟所述副边输出功率级电路的副边滤波器的传递函数，所述原边模型参考电路的电子负载模拟所述副边负载的负载特性；
所述原边控制电路根据检测所述原边逆变电路的输出得到的第一采样信号，控制所述电子负载的开关器件，以抑制所述电子负载的扰动；
所述原边控制电路还根据检测所述参考电压得到的第二采样信号，控制所述原边逆变电路的功率开关管，以减少因所述直流输入电压或所述副边负载变化造成的扰动。
11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述原边控制电路根据检测所述原边逆变电路的输出得到的第一采样信号，控制所述电子负载的开关器件的步骤，包括：
所述原边控制电路控制所述电子负载的开关器件的导通时间，或者占空比，或者开关频率。
12.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述原边控制电路根据检测所述参考电压得到的第二采样信号，控制所述原边逆变电路的功率开关管的步骤，包括：
所述原边控制电路控制所述原边逆变电路的功率开关管的导通时间，或者占空比，或者开关频率。
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