CN102624260B - 一种ac/dc转换开关电源输入线电压的采样电路 - Google Patents

Abstract

一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，本发明只应用输出电压采样端Vfb和零电流检测端Vzcd来实现输入线电压的采样，除了可以节省两个分压电阻Ris1和Ris2外，控制芯片也可少一个输入端Vis，节约了电源PCB的面积，还减少了电阻Ris1和Ris2上的功耗即能量损失。

Description

一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路

技术领域

本发明涉及一种电压的采样电路，尤其是AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路。

背景技术

目前，AC/DC转换开关电源在人们的日常生活中得到广泛应用。对于中小功率的开关电源如手机充电器、LED照明和电脑电源等，AC/DC转换电源常应用初级端采样输出电压控制方法来实现对输出电压/电流的调节，电源采用的是反激(FLYBACK)电源拓扑机构，如图1所示。对于电源功率大于75瓦的情形，通常还需要前级功率因数调节电路来实现高功率因数，如图2所示。对于上述两种情形，控制电路芯片通常需要对输入线电压进行监视来实现对输入电压过压保护的目的。而对于功率因数调节电源，输入线电压的正弦波参考电压也是其控制电路芯片所必须的信息，以此达到对总谐波失真(THD)最佳化的目的。无论上述那种情况，输入电压的信息都是通过接在全桥整流后的线电压到地的两个分压电阻Ris1和Ris2来实现的，如图1和图2所示

图1中，输入电压Vin信息是通过两个分压电阻Ris1和Ris2经过Vis端直接得到，而输出电压Vout信息是通过变压器反馈、再通过电阻Rf1、Rf2和Vfb端得到。图2中，AC/DC转换前级功率因数调节电源的输入线电压采样和零电流检测示意图输入电压Vin信息是通过两个分压电阻Ris1和Ris2经过Vis端直接得到，而当Mn关断后电感电流开始下降，当电感电流下降到0时的信息是通过电感反馈，再经过电阻Rf1和Vzcd端得到。

这样，不仅控制电路芯片多需要一个输入管脚Vis、电源需要额外的两个外部电阻Ris1和Ris2，使电源PCB面积增加，还造成电阻Ris1和Ris2上的功耗即能量损失。

发明内容

本发明的目的是针对AC/DC转换应用中，功率因数调节输入线电压和输出电压的反馈采样问题，提出了一种能够同时对输入线电压和输出电压进行采样的电路实现方法。本发明只应用输出电压采样端Vfb和零电流检测端Vzcd来实现输入线电压的采样，除了可以节省两个分压电阻Ris1和Ris2外，控制芯片也可少一个输入端Vis。

本发明的技术方案是：

一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，它包括控制芯片及其外围电路，所述的控制芯片内部电路包括用于输出电压采样的开关S1、滤波电容C1、C2、开关S2、S3、电阻R3、过压保护比较器OVP comparator U1、误差放大器Error Amplifier U2、驱动器Gate Driver IC1、数字控制器DigitalControl IC2、参考电压发生器Voltage Reference Generator IC3和过流保护比较器OCP Comparator U3，所述的过压保护比较器U1的同相比例输入端通过开关S2接电阻R3和开关S1的一端，电阻R3的另一端通过开关S3接电源Vp，开关S1的另一端接通过滤波电容C1后接地，过压保护比较器U1的同相比例输入端通过滤波电容C2后接地，过压保护比较器U1的反相比例输入端接参考电压发生器IC3的一信号输入端，过压保护比较器U1的输出端接数字控制器IC2的一输入端，参考电压发生器IC3的另一信号输入端接误差放大器U2的反相比例信号输入端，误差放大器U2的同相比例信号输入端与开关S1和滤波电容C1的连接点相连，开关S1、S2以及电阻R3的连接点作为输入、输出电压的采集端与外围电路的分压电阻Rf1和Rf2的连接点相连，所述的参考电压发生器IC3的输出通过过流保护比较器U3后接数字控制器IC2的一信号输入端，数字控制器IC2的另一信号输入端接误差放大器U2的输出，数字控制器IC2的输出通过驱动器IC1输出驱动信号。

本发明的开关S2的控制信号和S1的反相，即开关S2和S3的控制信号与开关管Mn的驱动控制信号Vg同相。

本发明的输入电压和输出电压的反馈均从Vfb端获取。

一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，具体采样时：

当Mn导通，此时，S1关断、S2和S3导通，变压器初级线圈上的电压等于输入线电压Vin，辅助线圈上的电压Vaux＝Vin*Naux/Np，由于辅助线圈Np的正极接地，Vaux＝-Vin*Naux/Np(1)

其中，Vaux是辅助线圈负极电压，Naux是辅助线圈匝数，Np是变压器初级线圈的匝数；

此时，控制电路芯片内部电源Vp通过电阻R3向外部电阻Rf1和Rf2提供电流，形成分压电阻网络，电容C2较小，忽略流向C2的充电电流，

(Vp-Vfb)/R3＝Vfb/Rf2+(Vfb-Vaux)/Rf1  (2)

根据方程(1)和(2)可以得到，输入电压Vin满足如下公式：

Vin_sen＝Vfb＝(Vp*Rf1*Rf2-Vin*Rf2*R3*Naux/Np)/(Rf1*Rf2+Rf1*R3+Rf2*R3)(3)

当开关管Mn关断，开关S2和S3关断，S1导通，输出电压通过辅助线圈和次级线圈的耦合以及Rf1和Rf2的分压反馈到控制电路芯片，即输出电压Vout满足如下公式：

Vfb＝Rf1*Vout*Ns/[Naux*(Rf1+Rf2)]，其中，Ns是变压器次级匝数(4)。

一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，它包括控制芯片及其外围电路，所述的控制芯片内部电路包括控制芯片内部电路包括用于输出电压采样的开关S1、滤波电容C1、C2、开关S2、S3、电阻R3、乘法器MultiplierIC4、零电流检测比较器ZCD Comparator U4、驱动器Gate Driver IC5、数字控制器Digital Control IC6、参考电压发生器Voltage Reference Generator IC7和过流保护比较器OCP Comparator U5，所述的乘法器IC4的一输入端通过开关S2接电阻R3和开关S1的一端，电阻R3的另一端通过开关S3接电源Vp，开关S1、S2以及电阻R3的连接点作为输入、输出电压的采集端通过外围电路的电压采样电阻Rf1与变压器次级线圈相连，开关S1的另一端接通过滤波电容C1后接地，乘法器IC4与联动开关S2相连的一端通过滤波电容C2后接地，乘法器IC4的另一端接数字控制器IC6的一信号输入端，数字控制器IC6的另一信号输入端接零电流检测比较器U4的输出端，零电流检测比较器U4的同相比例信号输入端与开关S1、滤波电容C1的连接点相连，零电流检测比较器U4的反相比例信号输入端与参考电压发生器IC7的一信号输出端相连，所述的参考电压发生器IC7的另一输出端通过过流保护比较器U5后接数字控制器IC6的对应信号输入端，数字控制器IC6的输出通过闸极驱动芯片IC5输出驱动信号。

本发明的开关S2的控制信号和S1的反相，即开关S2和S3的控制信号与开关管Mn的驱动控制信号Vg同相。

本发明的输入电压和输出电压的反馈均从零电流采样端Vzcd获取。

一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，具体采样时：

当开关管Mn导通，此时，S1关断、S2和S3导通，耦合电感初级线圈上的电压等于输入线电压Vin，次级线圈上的电压Vs＝Vin*Ns/Np，由于次级线圈的正极接地，Vns＝-Vin*Ns/Np    (4)

其中，Vns是耦合电感次级线圈的负极电压；

此时，控制电路芯片内部电源Vp通过电阻R3向外部电阻Rf1提供电流，电容C2较小，忽略流向C2的充电电流，

(Vp-Vzcd)/R3＝(Vzcd-Vns)/Rf1 (5)

根据方程(1)和(2)可以得到，输入电压Vin满足如下公式：

Vin_sen＝Vzcd＝(Vp*Rf1-Vin*R3*Naux/Np)/(Rf1+R3)  (6)

当开关管Mn关断，开关S2和S3断开，S1导通，当耦合电感初级电流下降到0时，其次级线圈负极电压会突然下降，即这一电流过零信号通过电阻Rf1输送到零电流比较器，进行零电流检测，过流检测比较器输出状态翻转。

本发明的有益效果：

本发明是一种能够同时对输入线电压和输出电压进行采样的电路实现方法，本发明只应用输出电压采样端Vfb和零电流检测端Vzcd来实现输入线电压的采样，除了可以节省两个分压电阻Ris1和Ris2外，控制芯片也可少一个输入端Vis，节约了电源PCB的面积，还减少了电阻Ris1和Ris2上的功耗即能量损失。

本发明不需要使用图1和图2的两个分压电阻Ris1和Ris2，通过控制电路芯片的创新设计来实现。S1和S2通过MOS器件或双极器件来实现。

附图说明

图1是传统的AC/DC转换开关电源输入线电压采样的电路图之一。

图2是传统的AC/DC转换开关电源输入线电压采样的电路图之二。

图3是本发明的控制芯片的电路图之一。

图4是本发明的控制芯片的电路图之二。

图5是本发明的AC/DC转换开关电源输入线电压采样的电路图之一。

图6是本发明的AC/DC转换开关电源输入线电压采样的电路图之二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图5所示，一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，它包括控制芯片及其外围电路，其特征是所述的控制芯片内部电路包括用于输出电压采样的开关S1、滤波电容C1、C2、开关S2、S3、电阻R3、过压保护比较器OVP Comparator、误差放大器Error Amplifier、驱动器Gate Driver、数字控制器Digital Control、参考电压发生器Voltage Reference Genterator和过流保护比较器OCP Comparator，所述的过压保护比较器OVP Comparator的同相比例输入端通过开关S2接电阻R3和开关S1的一端，电阻R3的另一端通过开关S3接电源Vp，开关S1的另一端接通过滤波电容C1后接地，过压保护比较器OVP Comparator的同相比例输入端通过滤波电容C2后接地，过压保护比较器OVP Comparator的反相比例输入端接参考电压发生器VoltageReference Generator的一信号输入端，参考电压发生器Voltage ReferenceGenerator的另一信号输入端接误差放大器Error Amplifier的反相比例信号输入端，误差放大器Error Amplifier的同相比例信号输入端与开关S1和滤波电容C1的连接点相连，开关S1、S2以及电阻R3的连接点作为输入、输出电压的采集端与外围电路的分压电阻Rf1和Rf2的连接点相连，所述的参考电压发生器Voltage Reference Generator的输出通过过流保护比较器OCPComparator后接数字控制器Digital Control的一信号输入端，数字控制器Digital Control的另一信号输入端接误差放大器Error Amplifier的输出，数字控制器Digital Control的输出通过驱动器Gate Driver IC1输出驱动信号。

如图6所示，一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，它包括控制芯片及其外围电路，其特征是所述的控制芯片内部电路包括控制芯片内部电路包括用于输出电压采样的开关S1、滤波电容C1、C2、开关S2、S3、电阻R3、乘法器Multiplier、总谐波失真优化器THD Optimizer、零电流检测比较器ZCD Comparator、栅极驱动器Gate Driver、数字控制器DigitalControl、参考电压发生器Voltage Reference Generator和过流保护比较器OCP Comparator，所述的Multiplier乘法器的一输入端通过开关S2接电阻R3和开关S1的一端，电阻R3的另一端通过开关S3接电源Vp，开关S1、S2以及电阻R3的连接点作为输入、输出电压的采集端与外围电路的电压采样电阻Rf1的相连，开关S1的另一端接通过滤波电容C1后接地，Multiplier乘法器与联动开关S2相连的一端通过滤波电容C2后接地，Multiplier乘法器的另一端接数字控制器Digital Control的一信号输入端，数字控制器Digital Control的另一信号输入端接零电流检测比较器ZCD Comparator的输出端，零电流检测比较器ZCD Comparator的同相比例信号输入端与开关S1、滤波电容C1的连接点相连，零电流检测比较器ZCD Comparator的反相比例信号输入端与参考电压发生器Voltage Reference Generator的一信号输出端相连，所述的参考电压发生器Voltage Reference Generator的另一输出端通过过流保护比较器OCP Comparator后接数字控制器Digital Control的对应信号输入端，数字控制器Digital Control的输出通过驱动器Gate DriverIC1输出驱动信号。

本发明提出了通过输出电压采样端Vfb(图1的应用情形)和零电流检测端Vzcd(图2的应用情形)直接得到输入线电压的采样信息而不需要增加控制电路芯片的输入电压信息监测端Vis。

对于应用于图1的反激隔离电源情形，本发明控制芯片原理框图如图3所示。不同于常用的通过Vfb端只得到输出电压Vout的反馈信息，本发明通过Vfb端不仅获得输出电压的反馈，还能得到输入电压的信息。在控制电路芯片的设计时，除了通常用于输出电压采样的开关S1和滤波电容C1外，还增加了开关S2、滤波电容C2和电阻R3。开关S2的控制信号和S1的是反相的，即和图1中开关管Mn的驱动控制信号Vg是同相的。当Mn导通，变压器初级线圈上的电压等于输入线电压Vin，那么辅助线圈上的电压就是Vin*Naux/Np。由于辅助线圈的正极接地，因此有Vaux＝-Vin*Naux/Np  (1)

其中，Vaux是辅助线圈负极电压，Naux是辅助线圈匝数，Np是变压器初级匝数。

此时开关S2导通，S1关断，控制电路芯片内部电源Vp通过电阻R3向外部电阻Rf1和Rf2提供电流，形成分压电阻网络。由于电容C2较小，可忽略流向C2的充电电流。那么，

(Vp-Vfb)/R3＝Vfb/Rf2+(Vfb-Vaux)/Rf1  (2)

从方程(1)和(2)可以得到

Vin_sen＝Vfb＝(Vp*Rf1*Rf2-Vin*Rf2*R3*Naux/Np)/(Rf1*Rf2+Rf1*R3+Rf2*R3) (3)

从方程(3)可以看到，输入电压越大，输入采样电压越小。这样，输入电压的信息就通过Vfb端采集到。

当开关管Mn关断，开关S2也处于关断状态，S1导通，和通常的输出电压采样方法一致，输出电压通过辅助线圈和次级线圈的耦合以及Rf1和Rf2的分压反馈到控制电路芯片。即：

Vfb＝Rf1*Vout*Ns/[Naux*(Rf1+Rf2)]，其中，Ns是变压器次级匝数。

对于图2的功率因数调节电源情形，本发明控制芯片原理框图如图4所示。采用如上述同样的方法，利用零电流采样端Vzcd来同时获取输入电压和输出电压信息，且此时外部电阻只有Rf1(可认为Rf2为无穷大)。当开关管Mn导通，耦合电感初级线圈上的电压等于输入线电压Vin，次级线圈上的电压就是Vin*Ns/Np。由于次级线圈的正极接地，那么，Vns＝-Vin*Ns/Np    (4)

其中，Vns是耦合电感次级线圈的负极电压。此时S1关断，S2导通，那么，

(Vp-Vzcd)/R3＝(Vzcd-Vns)/Rf1  (5)

从(4)和(5)可以得到

Vin_sen＝Vzcd＝(Vp*Rf1-Vin*R3*Naux/Np)/(Rf1+R3)  (6)

因此，输入电压信息便从Vzcd端检测到。

当Mn关断，S2也断开，S1导通。当耦合电感初级电流下降到0时，其次级线圈负极电压会突然下降，即这一电流过零信号通过电阻Rf1输送到零电流比较器，进行零电流检测，过流检测比较器输出状态翻转。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，它包括控制芯片及其外围电路，其特征是所述的控制芯片内部电路包括用于输出电压采样的开关S1、滤波电容C1、C2、开关S2、S3、电阻R3、过压保护比较器(OVP comparator)U1、误差放大器(Error Amplifier)U2、驱动器(Gate Driver)IC1、数字控制器(Digital Controller)IC2、参考电压发生器(Voltage ReferenceGenerator)IC3和过流保护比较器(OCP Comparator)U3，所述的过压保护比较器U1的同相比例输入端通过开关S2接电阻R3和开关S1的一端，电阻R3的另一端通过开关S3接电源Vp，开关S1的另一端接通过滤波电容C1后接地，过压保护比较器U1的同相比例输入端通过滤波电容C2后接地，过压保护比较器U1的反相比例输入端接参考电压发生器IC3的一信号输入端，过压保护比较器U1的输出端接数字控制器IC2的一输入端，参考电压发生器IC3的另一信号输入端接误差放大器U2的反相比例信号输入端，误差放大器U2的同相比例信号输入端与开关S1和滤波电容C1的连接点相连，开关S1、S2以及电阻R3的连接点作为输入、输出电压的采集端与外围电路的分压反馈采样电阻Rf1和Rf2的连接点相连，所述的参考电压发生器IC3的输出接过流保护比较器U3的负输入端，过流保护比较器U3的正输入端接开关管Mn

和电阻Rcs的连接点，过流保护比较器U3的输出接数字控制器IC2的一信号输入端，数字控制器IC2的另一信号输入端接误差放大器U2的输出，数字控制器IC2的输出通过驱动器IC1输出驱动信号。

2.根据权利要求1所述的AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，其特征是所述的开关S2的控制信号和S1的控制信号反相，即开关S2和S3的控制信号与开关管Mn的驱动控制信号Vg同相，开关管Mn的栅极与驱动器IC1的输出端Vg连接，开关管Mn的源极与过流保护比较器U3的正输入端连接。

3.根据权利要求1所述的AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，其特征是所述的输入电压和输出电压的反馈均从电压反馈端Vfb获取，所述的电压反馈端Vfb是分压反馈采样电阻Rf1和Rf2的连接点。

4.根据权利要求1-3之一所述的AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，其特征是具体采样时：

当Mn导通，此时，S1关断、S2和S3导通，变压器初级线圈上的电压等于输入线电压Vin，辅助线圈上的电压Vaux＝Vin*Naux/Np，由于辅助线圈Naux的正极接地，Vaux＝-Vin*Naux/Np  (1)

其中，Vaux是辅助线圈负极电压，Naux是辅助线圈匝数，Np是变压器初级线圈的匝数；

此时，控制电路芯片内部电源Vp通过电阻R3向外围的分压反馈采样电阻Rf1和Rf2提供电流，形成分压电阻网络，电容C2较小，忽略流向电容C2的充电电流，

(Vp-Vfb)/R3＝Vfb/Rf2+(Vfb-Vaux)/Rf1  (2)

根据方程(1)和(2)可以得到，输入电压Vin满足如下公式：

Vin_sen＝Vfb＝(Vp*Rf1*Rf2-Vin*Rf2*R3*Naux/Np)/(Rf1*Rf2+Rf1*R3+Rf2*R3)

(3)

当开关管Mn关断，开关S2和S3关断，S1导通，输出电压通过辅助线圈和次级线圈的耦合以及Rf1和Rf2的分压反馈到控制电路芯片，即输出电压Vout满足如下公式：

Vfb＝Rf1*Vout*Ns/[Naux*(Rf1+Rf2)]，(4)

其中，Ns是变压器次级匝数。

5.一种AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，它包括控制芯片及其外围电路，其特征是所述的控制芯片内部电路包括控制芯片内部电路包括用于输出电压采样的开关S1、滤波电容C1、C2、开关S2、S3、电阻R3、乘法器Multiplier IC4、零电流检测比较器ZCD Comparator U4、驱动器Gate DriverIC5、数字控制器Digital Control IC6、参考电压发生器Voltage ReferenceGenerator IC7和过流保护比较器OCP Comparator U5，所述的乘法器IC4的一输入端通过开关S2接电阻R3和开关S1的一端，电阻R3的另一端通过开关S3接电源Vp，开关S1、S2以及电阻R3的连接点作为输入、输出电压的采集端通过外围电路的电压采样电阻Rf1与变压器次级线圈相连，开关S1的另一端接通过滤波电容C1后接地，乘法器IC4与开关S2相连的一端通过滤波电容C2后接地，乘法器IC4的另一端接数字控制器IC6的一信号输入端，数字控制器IC6的另一信号输入端接零电流检测比较器U4的输出端，零电流检测比较器U4的同相比例信号输入端与开关S1、滤波电容C1的连接点相连，零电流检测比较器U4的反相比例信号输入端与参考电压发生器IC7的一信号输出端相连，所述的参考电压发生器IC7的输出接过流保护比较器U5的负输入端，过流保护比较器U5的正输入端接开关管Mn和电阻Rcs的连接点，过流保护比较器U5的输出接数字控制器IC6的一信号输入端，数字控制器IC6的输出通过闸极驱动芯片IC5输出驱动信号。

6.根据权利要求5所述的AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，其特征是所述的开关S2的控制信号和S1的控制信号反相，即开关S2和S3的控制信号与开关管Mn的驱动控制信号Vg同相，开关管Mn的栅极与驱动器IC5的输出端Vg连接，开关管Mn的源极与过流保护比较器U5的正输入端连接。

7.根据权利要求5所述的AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，其特征是所述的输入电压和输出电压的反馈均从零电流采样端Vzcd获取，所述的零电流采样端Vzcd与限流电阻Rlim的一端连接。

8.根据权利要求5-7之一所述的AC/DC转换开关电源输入线电压的采样电路，其特征是具体采样时：

当开关管Mn导通，此时，S1关断、S2和S3导通，耦合电感初级线圈上的电压等于输入线电压Vin，次级线圈上的电压Vs＝Vin*Ns/Np,由于次级线圈的正极接地，Vns＝-Vin*Ns/Np   (5)

其中，Vns是耦合电感次级线圈的负极电压，Ns是变压器次级匝数，Np是变压器初级线圈的匝数；

此时，控制电路芯片内部电源Vp通过电阻R3向限流电阻Rlim提供电流，电容C2较小，忽略流向C2的充电电流，

(Vp-Vzcd)/R3＝(Vzcd-Vns)/Rf1  (6)

其中，Vzcd是零电流采样端电压；

根据方程(1)和(2)可以得到，输入电压Vin满足如下公式：Vin_sen＝Vzcd＝(Vp*Rf1-Vin*R3*Naux/Np)/(Rf1+R3)  (7)

当开关管Mn关断，开关S2和S3断开，S1导通，当耦合电感初级电流下降到0时，其次级线圈负极电压会突然下降，即这一电流过零信号通过电阻Rf1输送到零电流比较器，进行零电流检测，过流检测比较器输出状态翻转。