CN102761274B - 原边反馈ac-dc开关电源的阀值抖频控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原边反馈AC-DC开关电源的阀值抖频控制系统和方法，阀值抖频控制系统通过设置一与逐周期限流单元连接的限流阈值抖动单元，逐周期限流单元设置电阻和比较器，限流阈值抖动单元设置振荡器、分频器和若干组电流源和开关，限流阈值抖动单元会产生一个周期性的电流信号来调节恒流频率控制单元，使系统工作于恒流模式时，其工作频率在一定的范围内周期性抖动，以分散电磁干扰EMI能量，从而大幅降低EMI，并且，使阀值抖频控制系统的恒流特性不受频率抖动的影响；所述阀值抖频控制方法与所述阀值抖频控制系统相对应。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及的是一种原边反馈AC-DC开关电源的阀值抖频控制系统。
背景技术
原边反馈方式的AC—DC控制技术是最近10年间发展起来的新型AC—DC控制技术，与传统的副边反馈开关电源机构结构相比，其最大的优势在于省去了隔离芯片以及与隔离芯片配合工作的一组元器件，这样就节省了电路板上的空间，降低了成本并且提高了系统的可靠性。原边反馈直流电源在手机充电器等成本压力较大的应用领域，以及LED驱动电源等对体积要求很高的应用领域有较大的市场份额。
附图1给出了现有技术的一种原边反馈AC-DC电源控制芯片及其应用的结构框图，如附图1所示，所述原边反馈AC-DC驱动电源包括控制芯片、变压器、NMOS管，所述变压器包括原边绕组Np、辅助绕组Na以及次级绕组Ns，所述控制芯片包括副边导通时间检测单元、恒流频率控制单元、恒压控制单元、与门逻辑、RS触发器、PFM单元、驱动单元、逐周期限流单元以及内建电源模块。
在采用这种控制芯片构成的原边反馈AC-DC电源中，电阻R1和电阻R2构成取样电路，所述FB引脚为辅助绕组Na电压反馈引入脚，并从电阻R1和电阻R2构成取样电路中取得信号。在控制芯片内部，FB引脚连接到输出电压侦测单元和副边导通时间检测单元的输入端，所述导通时间检测单元的输出连接到恒流频率控制单元，所述输出电压侦测单元的输出端连接到恒压频率控制单元，所述CS引脚为原边绕组Np电流检测信号引入脚，从NMOS管源极电阻R3上取得信号。在控制芯片内部，CS引脚连接到逐周期限流单元的输入端，恒流频率控制单元和恒压频率控制单元的输出信号分别连接与门的两个输入端，与门逻辑的输出端(即开启信号)和逐周期限流单元的输出端(即关断信号)分别连接到RS触发器的S端和R端，所述RS触发器的输出端即Q端连接到PFM单元的输入端，PFM单元连接到驱动单元，所述驱动单元的输出端与控制芯片的OUT引脚连接，OUT引脚输出接至NMOS管的栅极，用于驱动外部的功率NMOS管。VCC引脚为控制芯片的电源引脚，用于为整个控制芯片接入外部电源；FB引脚同时作为恒流频率控制信号和恒压频率控制信号，其恒流频率控制用于侦测辅助绕组Na的导通时间，以便恒流频率控制单元按比例调节工作周期，使得次级绕组Ns输出电流稳定在设定的值，即实现LED驱动电源的恒流功能；其恒压频率控制用于侦测副边导通时辅助绕组的电压，间接反映输出绕组的电压，进而间接反映输出电压的大小，并根据所侦测到的电压大小来调节开关频率，使得输出电压稳定在设定值。CS为原边绕组Np电流侦测引脚，用于侦测原边绕组Np导通时的峰值电流，以实现各周期过程中的逐周期限流，进而使得每个周期传输的能量均相同；GND为芯片的接地引脚。当系统正常工作时，由于变压器原边绕组Np的极性相对辅助绕组Na和次级绕组Ns同名端相反，因此在原边绕组Np导通时，FB引脚为负电压；当处于次级绕组Ns导通阶段时，由于辅助绕组Na与次级绕组Ns同名端极性相同，因此FB电压为正电压，此时变压器副边绕组电压为Vs=Vo+Vz，辅助绕组电压Va=Vs×(NA/NS)=VFB×R2/(R1+R2) ,因此Vo=VFB×R2×NS/[(R1+R2)*NA]-Vz，也就是输出电压是反馈电压VFB的函数，芯片通过恒压频率控制单元来调节VFB到设定值，即可使得输出电压Vo稳定在设定值，此时系统工作在恒压模式；当系统工作在恒流模式时，副边导通时间检测单元可通过侦测FB引脚为正电压的时间来确定次级绕组Ns的导通时间Tons，并以此为依据来确定系统的工作周期T=K×Tons，其中K为比例系数。由于系统工作于断续模式，每个周期均要使原边绕组Np储存的能量全部在次级绕组Ns释放，这样次级绕组Ns的平均输出电流Iout=Ips×Tons/T=Ipp×(NS /NP) ×(1/K)， Ips为次级绕组Ns导通时的峰值电流，Ipp为原边绕组Np导通时的峰值电流，Ns为次级绕组Ns的圈数，Np为原边绕组Np的圈数。这样只要设定好Ipp和K及变压器参数，那么次级绕组Ns的输出电流就是一个恒定值。
当系统工作在恒流模式时，在输入电压和输出电压都固定时，对相同的系统参数，副边导通时间Tons=（Ips×Ls）/（Vout+Vz）= Ipp×(NS /NP) ×Ls /（Vout+Vz）=（Vcs/R3）×(NS /NP)×Ls/（Vout+Vz），由于Vcs为芯片内部的限流阈值，是个定值，其余参数也均为定值，因此副边导通时间Tons为定值，这样周期T=K×Tons为固定值，也就是当系统工作在恒流模式时，其工作频率是固定的，这样EMI的能量都集中在该工作频率及其N次谐波上，从而使得EMI很大，难以达到充电器和LED驱动系统对EMI的要求。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种电磁干扰较小的原边反馈AC-DC开关电源的阀值抖频控制系统。
本发明的技术方案如下：一种原边反馈AC-DC开关电源的阀值抖频控制系统，包括控制芯片、变压器、NMOS管，所述控制芯片包括副边导通时间侦测单元、恒流频率控制单元、输出电压侦测单元、恒压频率控制单元、内建电源单元、与门逻辑、RS触发器、PFM单元、驱动单元和逐周期限流单元，所述控制芯片还包括一限流阈值抖动单元，所述限流阈值抖动单元与所述逐周期限流单元连接；所述限流阈值抖动单元设置振荡器、分频器和若干组电流源和开关，用于产生一个周期性波动的电流信号，并输出至所述逐周期限流单元；所述逐周期限流单元设置电阻和比较器；所述电阻的一端与所述变压器的原边绕组电流侦测引脚连接，另一端连接所述比较器的同相输入端，并同时与所述连接限流阈值抖动单元的输出端连接；所述比较器的反相输入端连接内部基准电压，并且，所述比较器的输出端与所述RS触发器连接。
应用于上述技术方案，一种原边反馈AC-DC开关电源的阀值抖频控制方法，包括如下步骤；A：设置一与逐周期限流单元连接的限流阈值抖动单元；B：通过所述限流阈值抖动单元产生一个周期性变化的电流信号；C：所述电流信号经过所述逐周期限流单元设置的电阻，产生一周期性变化的电压信号；D：将所述周期性变化的电压信号叠加于原边绕组电流侦测引脚的电流侦测信号上，形成的周期性变化工作频率。
采用上述方案，本发明中阀值抖频控制系统通过置一限流阈值抖动单元，该单元会产生一个周期性的电流信号，用于调节恒流频率控制单元，从而使系统工作于恒流模式时，其工作频率在一定的范围内周期性抖动，以分散电磁干扰EMI能量，从而大幅降低EMI。此外，由于频率的抖动是周期性的，在平均频率上下较窄的一段范围内抖动，因此系统的平均工作频率仍然是固定的，从而保证系统的平均输出电流不变，即阀值抖频控制系统的恒流特性不受频率抖动的影响；并且，所述阀值抖频控制方法与阀值抖频控制系统相对应。
附图说明
图1为现有技术中原边反馈AC-DC电源控制系统结构示意图。
图2为本发明中阀值抖频控制系统的应用电路示意图。
图3为本发明中逐周期限流单元的内部电路示意图。
图4为本发明中限流阈值抖动单元的内部电路示意图。
图5为本发明中阀值抖频控制系统工作于恒流模式的抖频原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
如图2所示，本实施例提供了一种原边反馈AC-DC开关电源的阀值抖频控制系统，阀值抖频控制系统通过设置一限流阈值抖动单元，该单元会产生一个周期性的电流信号，用于调节恒流频率控制单元，从而使系统工作于恒流模式时，其工作频率在一定的范围内周期性抖动，以分散电磁干扰EMI能量，从而大幅降低EMI。此外，由于频率的抖动是周期性的，在平均频率上下较窄的一段范围内抖动，因此系统的平均工作频率仍然是固定的，从而保证系统的平均输出电流不变，即阀值抖频控制系统的恒流特性不受频率抖动的影响。
其中，抖频控制系统包括控制芯片1、变压器3、NMOS管2，所述控制芯片1包括副边导通时间侦测单元101、恒流频率控制单元102、输出电压侦测单元103、恒压频率控制单元105、内建电源单元104、与门逻辑106、RS触发器107、PFM单元108、驱动单元109、逐周期限流单元110、以及一限流阈值抖动单元111。
其中，所述限流阈值抖动单元111与所述逐周期限流单元连接；如图3所示，图3是逐周期限流单元110的内部电路示意图。它由电阻1101和比较器1102组成。其中，电阻1101的一端连接控制芯片CS引入脚，用于输入外部原边峰值电流侦测信号CS，即与所述变压器的原边绕组电流侦测输出端连接，电阻1101输入外部原边峰值电流侦测信号，另一端连接比较器1102的同相输入端，同时连接限流阈值抖动单元111的输出端，并输入限流阈值抖动单元111的输出信号Ij，比较器1102的反相输入端连接内部基准电压Vref，比较器1102的输出端与所述RS触发器连接，其输出端out用于控制每个导通周期的关断，当原边峰值电流达到内部参考阈值的基准电压Vref时，比较器1102的输出端out发生反转，驱动输出关闭。
如图4所示，图4是限流阈值抖动单元111的内部电路，它由振荡器、分频器和若干组(n组)电流源和开关组成。设振荡器周期为t，则在一个大周期T0=2n×t内，Ij的电流将在-2n I0到2n×I0之间变化，变化的步长为I0，每一步持续时间为t，这样在整个大周期T0内Ij的平均电流等于零。如果n足够大，I0足够小，则Ij会接近一个连续的弦波；如此，所述限流阈值抖动单元产生一个周期性变化的电流信号Ij。
并且，如图5所示，图5是阀值抖频控制系统工作于恒流模式时，抖频原理示意图。由于限流阈值抖动单元111的输出信号Ij是一个周期性波动的电流信号，其波形接近正弦波。这样，周期性波动的电流信号Ij通过电阻Rj产生一个周期性变化的电压信号Vj，并叠加在变压器的原边峰值电流侦测信号CS上，CS1=CS+Ij*Rj=Vref，则CS=Vref- Ij*Rj，即原边峰值电流侦测信号CS的幅值也会周期性变化，进而使得副边导通时间Tons周期性变化，由于T=K*Tons，因此阀值抖频控制系统的工作频率也发生周期性变化，即实现抖频功能。由于频率的抖动是周期性的，在平均频率Favg上下较窄的一段范围ΔF内抖动，平均工作频率Favg不会随频率抖动而发生变化，原边峰值电流侦测信号CS的平均值也不会因抖频而发生变化，因此平均输出电流Io=0.5×Ips×Tons/T= Ipp×(NS /NP) ×(1/K)是一个定值，因此即实现了抖频功能，又保证了输出电流的恒定。
实施例2
本实施例提供了一种原边反馈AC-DC开关电源的阀值抖频控制方法，该方法与实施例1中阀值抖频控制相对应，其中，该方法可以通过以下步骤实现：
首先，第一步，设置一与逐周期限流单元连接的限流阈值抖动单元，例如，在开关电源的阀值抖频控制系统中，在控制芯片内部设置与逐周期限流单元连接的限流阈值抖动单元，如图2所示。
其中，逐周期限流单元设置一电阻和一比较器，例如，如图3所示，逐周期限流单元由电阻1101和比较器1102组成。其中，电阻1101的一端连接外部原边峰值电流侦测信号CS，即与外部变压器的原边绕组电流侦测引脚连接，电阻1101输入外部原边峰值电流侦测信号CS，电阻1101另一端连接比较器1102的同相输入端，同时连接限流阈值抖动单元的输出端，并输入限流阈值抖动单元的输出信号Ij，比较器1102的反相输入端连接内部基准电压Vref，比较器1102的输出端与所述RS触发器连接，其输出端out用于控制每个导通周期的关断，当原边峰值电流达到内部参考阈值的基准电压Vref时，比较器1102的输出端out发生反转，驱动输出关闭。
然后，第二步，通过设置的所述限流阈值抖动单元产生一个周期性变化的电流信号，例如，如图4所示，限流阈值抖动单元它由振荡器、分频器和若干组(n组)电流源和开关组成。设振荡器周期为t，则在一个大周期T0=2n×t内，Ij的电流将在-2n I0到2n×I0之间变化，变化的步长为I0，每一步持续时间为t，这样在整个大周期T0内Ij的平均电流等于零。如果n足够大，I0足够小，则Ij会接近一个连续的弦波；如此，所述限流阈值抖动单元产生一个周期性变化的电流信号Ij。
形成周期性变化电流信号Ij后，执行第三步，所述电流信号Ij经过所述逐周期限流单元设置的电阻，产生一周期性变化的电压信号；例如，如图5所示，由于限流阈值抖动单元的输出信号Ij是一个周期性波动的电流信号，其波形接近正弦波。这样，周期性波动的电流信号Ij通过电阻Rj产生一个周期性变化的电压信号Vj。
最后，第四步，将所述周期性变化的电压信号叠加于原边绕组电流侦测引脚的电流侦测信号上；例如，如图5所示，将周期性变化的电压信号Vj所述并叠加在变压器的原边峰值电流侦测信号CS上，CS1=CS+Ij*Rj=Vref，则CS=Vref- Ij*Rj，即原边峰值电流侦测信号CS的幅值也会周期性变化，进而使得副边导通时间Tons周期性变化，由于T=K*Tons，因此系统的工作频率也发生周期性变化，即实现抖频功能。由于频率的抖动是周期性的，在平均频率Favg上下较窄的一段范围ΔF内抖动，平均工作频率Favg不会随频率抖动而发生变化，原边峰值电流侦测信号CS的平均值也不会因抖频而发生变化，因此平均输出电流Io=0.5×Ips×Tons/T= Ipp×(NS /NP) ×(1/K)是一个定值，因此即实现了抖频功能，又保证了输出电流的恒定。
如此，当处于恒流模式时，其工作频率在一定的范围内周期性抖动，以分散电磁干扰EMI能量，从而大幅降低EMI。此外，由于频率的抖动是周期性的，在平均频率上下较窄的一段范围内抖动，因此系统的平均工作频率仍然是固定的，从而保证系统的平均输出电流不变，即阀值抖频控制系统的恒流特性不受频率抖动的影响。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种原边反馈AC-DC开关电源的阀值抖频控制系统，包括控制芯片、变压器、NMOS管，所述控制芯片包括副边导通时间侦测单元、恒流频率控制单元、输出电压侦测单元、恒压频率控制单元、内建电源单元、与门逻辑、RS触发器、PFM单元、驱动单元和逐周期限流单元，其特征在于：
所述控制芯片还包括一限流阈值抖动单元，所述限流阈值抖动单元与所述逐周期限流单元连接；
所述限流阈值抖动单元设置振荡器、分频器和若干组电流源和开关，用于产生一个周期性波动的电流信号Ij，并输出至所述逐周期限流单元；
所述逐周期限流单元设置电阻Rj和比较器；所述电阻Rj的一端与所述变压器的原边绕组电流侦测引脚连接，另一端连接所述比较器的同相输入端，并同时与所述限流阈值抖动单元的输出端连接；
所述比较器的反相输入端连接内部基准电压Vref，并且，所述比较器的输出端与所述RS触发器连接；
在一个大周期T0=2n×t内，t为振荡器周期，n为电流源和开关的组数，电流信号Ij在-2n×I0到2n×I0之间变化，I0为变化的步长，在整个大周期T0内Ij的平均电流等于零，当n足够大，I0足够小时，所述限流阈值抖动单元产生一个周期性波动的电流信号Ij；周期性波动的电流信号Ij通过电阻Rj产生一个周期性变化的电压信号Vj，并叠加在变压器的原边峰值电流侦测信号CS上，CS=Vref-Ij×Rj，原边峰值电流侦测信号CS的幅值也周期性波动，使得副边导通时间Tons周期性变化，因此阀值抖频控制系统的工作频率也发生周期性变化，由于频率的抖动是周期性的，在平均工作频率Favg上下较窄的一段频率范围ΔF内抖动，因此平均工作频率Favg不会随频率抖动而发生变化，原边峰值电流侦测信号CS的平均值也不会因抖频而发生变化，从而平均输出电流恒定。
2.一种原边反馈AC-DC开关电源的阀值抖频控制方法，其特征在于，包括如下步骤；
A：设置一与逐周期限流单元连接的限流阈值抖动单元；
B：通过所述限流阈值抖动单元产生一个周期性变化的电流信号Ij，在一个大周期T0=2n×t内，t为振荡器周期，n为电流源和开关的组数，电流信号Ij在-2n×I0到2n×I0之间变化，I0为变化的步长，在整个大周期T0内Ij的平均电流等于零，当n足够大，I0足够小时，所述限流阈值抖动单元产生一个周期性波动的电流信号Ij；
C：所述周期性波动的电流信号Ij经过所述逐周期限流单元设置的电阻Rj，产生一周期性变化的电压信号Vj；
D：将所述周期性变化的电压信号Vj叠加在变压器的原边峰值电流侦测信号CS上，CS=Vref-Ij×Rj，原边峰值电流侦测信号CS的幅值也周期性波动，使得副边导通时间Tons周期性变化，因此阀值抖频控制系统的工作频率也发生周期性变化，由于频率的抖动是周期性的，在平均工作频率Favg上下较窄的一段频率范围ΔF内抖动，因此平均工作频率Favg不会随频率抖动而发生变化，原边峰值电流侦测信号CS的平均值也不会因抖频而发生变化，从而平均输出电流恒定。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |