CN102801322A - 开关电源转换器及其原边控制电路 - Google Patents

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唐波
朱樟明
许刚颖
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Abstract

本发明提供了一种开关电源转换器及其原边控制电路。所述应用于开关电源转换器的原边控制电路包括：原边采样保持电路，用于在PWM控制功率管关断期间采样保持原边反馈电压信号；采样电压放大电路，用于对原边采样电路的输出电压进行放大；PWM关断时间控制电路，用于根据所述采样电压放大电路的输出电压产生PWM控制功率管的关断时间。所述开关电源转换器及其原边控制电路，集成了全新工作模式和降频工作模式，可以使系统的开关频率能随着负载的减轻而变低，最大限度的减小待机功耗。

Description

开关电源转换器及其原边控制电路
技术领域
本发明涉及一种原边控制电路，尤其涉及一种开关电源转换器及其原边控制电路。
背景技术
在全球环保意识越来越强的趋势下，更加高效地利用能源已成为全球的共识，同时电子产品的另一项重要的参数“待机功耗”也越来越受到关注，根据统计，电子产品的待机功耗在全球的电力比重为3%-13%，因此在待机时的功耗也制订出明确的规范，低待机功耗特性或将成为未来电源供应器的所必备的基本要求，于是近年来电子产品设计者开始采用一系列的新技术用以满足上述要求。
采用原边控制技术的开关电源可以大量节约外围器件数量，具有其他拓扑结构无法比拟的成本优势以及较为优越的拓扑特性，正越来越受到设计者以及客户的青睐。然而，由于开关电源在工作过程中存在不可避免的损耗能量，包括开关损耗、传导损耗及控制电路损耗，并且这些损耗都与系统的工作频率成正比关系，尤其当轻载或空载时，如何有效的降低电子产品的工作频率成为了降低芯片待机功耗的最大障碍。并且随着产品小型化趋势所导致的开关电源工作频率的上升，损耗的能量也不断增加，这已成为开关电源系统在轻载和待机状态下能量损耗的最主要部分。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种开关电源转换器及其原边控制电路，集成了全新工作模式和降频工作模式，可以使系统的开关频率能随着负载的减轻而变低，最大限度的减小待机功耗。
为了达到上述目的，本发明提供了一种应用于开关电源转换器的原边控制电路，包括：
原边采样保持电路，用于在PWM控制功率管关断期间采样保持原边反馈电压信号；
采样电压放大电路，用于对原边采样电路的输出电压进行放大；
PWM关断时间控制电路，用于根据所述采样电压放大电路的输出电压产生PWM控制功率管的关断时间。
实施时，本发明所述的应用于开关电源转换器的原边控制电路还包括：
PWM导通时间控制电路，用于在PWM控制导通功率管期间设置流过变压器初级绕组的最大电流值，并当流过变压器初级绕组的电流值到达该最大电流值时PWM控制关断功率管。
实施时，本发明所述的应用于开关电源转换器的原边控制电路还包括：
RS触发器，置位端与所述PWM导通时间控制电路的输出端相连，复位端端与所述PWM关断时间控制电路的输出端相连，正相输出端与开关电源转换器主控电路的PWM引脚连接。
实施时，本发明所述的应用于开关电源转换器的原边控制电路还包括缓冲驱动电路；
所述RS触发器的正相输出端通过所述缓冲驱动电路与所述开关电源转换器主控电路的PWM引脚连接。
本发明还提供了一种开关电源转换器，包括上述的原边控制电路。
与现有技术相比，本发明所述的应用于开关电源转换器的原边控制电路，在PWM（脉冲宽度调制）控制NPN功率管关断期间，变压器辅助绕组通过与之相连的分压采样电阻对变压器辅助绕组电压进行采样，并连接到电源转换器主控电路的FB端，然后由原边采样保持电路对FB端电压进行采样保持，再由采样放大电路对采样保持电路的输出电压FB_D进行放大，并输出电压VEA，最后由PWM关断控制电路根据VEA电压值产生对应的PWM关断时间大小，进而使电源转换器根据输出负载状态产生与VEA电压信号相对应的工作频率。
附图说明
图1是本发明所述的开关电源转换器的一实施例的电路图；
图2是本发明所述的应用于开关电源转换器的原边控制电路的一实施例的结构框图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再做进一步详细的说明。
本发明的具体实施的方式不仅限于下面的描述，现结合附图加以进一步的说明。
本发明通过采样保持原边反馈电压信号FB并生成FB_D信号，然后FB_D信号经过采样电压放大电路放大后生成电压信号VEA，PWM关断时间控制电路根据VEA电压的大小产生与输出负载对应的工作频率，VEA电压的大小反应了负载的大小，负载越低VEA电压越大，PWM控制功率管关断的时间越长，以实现不同负载下系统工作频率的自适应，可以使系统的工作频率随负载的减小而降低，最大限度地减小待机功耗。
为方便解释，以下讨论参考原边反馈反激拓扑AC/DC（交流/直流）开关电源，但所属技术领域的技术人员将了解到，本发明还可应用于其它类型的PWM模式AC/DC开关电源系统。同时为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施方式对本发明的实施例作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明所述的开关电源转换器包括：电源转换器主控电路101、NPN功率管102、初级绕组峰值电流限制电阻103、辅助绕组分压上端电阻104、辅助绕组分压下端电阻105、变压器106、输出整流二极管107和VDD整流二极管108，其中，
在所述电源转换器主控电路101发出的PWM信号控制NPN功率管102导通期间，变压器106的初级绕组电感和交流输入电压整流后的直流电源电压Vdc一起控制流过变压器106的初级绕组的电流的上升斜率，该电流流过初级绕组峰值电流限制电阻103，并在CS端产生一个固定斜率上升的电压信号，当CS端电压被所述电源转换器主控电路101内部的PWM导通时间控制检测到设定的电压值以后，所述电源转换器主控电路101发出的PWM信号控制关断NPN功率管102；在PWM信号控制NPN功率管102关断期间，变压器106的次级绕组和与之相连的输出整流二极管107一起对输出电压提供能量，同时变压器106的辅助绕组和与之相连的VDD整流二极管108一起对VDD引脚提供能量，同时变压器106的辅助绕组和与之相连的辅助绕组分压上端电阻104和辅助绕组分压下端电阻105一起对电源转换器主控电路101的FB引脚提供采样电压。
如图1所示，电源转换器主控电路101包括VDD引脚、GND引脚、PWM引脚（功率管驱动输出引脚）、CS引脚（变压器初级峰值电流检测引脚）、FB引脚(原边反馈电压检测引脚)和COMP引脚（环路补偿引脚）六个控制引脚，用于控制电源转换器的系统工作；
NPN功率管102的导通和关断由电源转换器主控电路101的PWM引脚所控制；
变压器106包括与整流直流电源和NPN功率管102相连的初级绕组、与负载输出相连的次级绕组以及与辅助绕组分压上端电阻104和辅助绕组分压下端电阻105相连的辅助绕组；
所述辅助绕组分压上端电阻104和所述辅助绕组分压下端电阻105为原边采样分压电路。
在PWM控制NPN功率管102导通期间，通过CS与GND之间的电阻来设置流过变压器106的初级绕组的最大电流值，当CS引脚的电压达到电源转换器主控电路101内部所设定的直流电压点时，电源转换器主控电路101通过控制PWM引脚输出信号关断NPN功率管。
在PWM控制NPN功率管102关断期间，变压器106的次级绕组通过与之相连的输出整流二极管107对输出提供能量。
在PWM控制NPN功率管102关断期间，变压器106的辅助绕组通过与之相连的VDD整流二极管108对VDD引脚的电容供电。
在PWM控制NPN功率管102关断期间，变压器106的辅助绕组通过与之相连的原边采样分压电阻对输出电压进行采样，并连接到电源转换器主控电路101的FB引脚。
如图2所示，本发明所述的应用于开关电源转换器的原边控制电路包括：
原边采样保持电路21，其输入端与所述电源转换器主控电路的FB引脚相连，用于在PWM控制功率管关断期间对FB引脚的电压进行采样并保持；
采样电压放大电路22，其输入端与所述原边采样保持电路的输出端FB_D相连，用于对原边采样电路的输出电压FB_D进行放大；
PWM关断时间控制电路23，其输入端与所述采样电压放大电路22的输出端VEA相连，用于PWM关断时间控制功率管NPN的关断时间大小；
PWM导通时间控制电路24，其输入端与所述电源转换器主控电路的CS端相连，用于在PWM控制功率管导通期间设置流过变压器初级绕组的最大电流值；
RS触发器25的R端（复位端）与所述PWM关断时间控制电路23的输出端相连，用于控制PWM关断时间的长短并在PWM关断时间结束的时刻触发PWM导通；所述RS触发器25的S端（置位端）与所述PWM导通时间控制电路24的输出端相连，用于控制PWM导通时间的长短并在PWM导通时间结束的时刻触发PWM关断；
缓冲驱动电路26，输入端与所述RS触发器25的正相输出端Q相连，输出端与所述电源转换器主控电路101的PWM引脚相连（图2中未示），用于调节NPN功率管102的驱动电流能力大小。
在PWM控制NPN功率管102关断期间，变压器106的辅助绕组通过与之相连的分压采样电阻对输出电压进行采样，并连接到电源转换器主控电路的FB端，然后由原边采样保持电路对FB端电压进行采样保持，再由采样放大电路对采样保持电路的输出电压FB_D进行放大，并输出电压VEA，最后由PWM关断控制电路产生与VEA的电压大小对应的PWM关断时间大小。电源转换器的工作周期由PWM关断时间和PWM导通时间两部分构成，而PWM导通时间由下面公式决定：
TON＝(LP×IPEAK)/Vdc
其中：TON表示PWM导通时间大小；LP表示变压器初级绕组电感量大小；IPEAK表示PWM导通期间流过变压器初级绕组的最大电流；Vdc表示交流输入端经过桥式整流以后的直流输入电压。通过PWM导通时间公式可以看出在相同的LP、Vdc和IPEAK条件下，PWM导通时间基本上是一个很固定的值，所以电源转换器的工作周期变化由PWM关断时间变化所控制，即可以通过PWM关断时间变化来对应不同负载条件下的电源转换器工作频率。通过调节设定电源转换器输出空载状态下所对应的最小工作频率值，可以很方便地将待机功耗调节到极小。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种应用于开关电源转换器的原边控制电路，其特征在于，包括：
原边采样保持电路，用于在PWM控制功率管关断期间采样保持原边反馈电压信号；
采样电压放大电路，用于对原边采样电路的输出电压进行放大；
PWM关断时间控制电路，用于根据所述采样电压放大电路的输出电压产生PWM控制功率管的关断时间。
2.如权利要求1所述的应用于开关电源转换器的原边控制电路，其特征在于，还包括：
PWM导通时间控制电路，用于在PWM控制导通功率管期间设置流过变压器初级绕组的最大电流值，并当流过变压器初级绕组的电流值到达该最大电流值时PWM控制关断功率管。
3.如权利要求2所述的应用于开关电源转换器的原边控制电路，其特征在于，还包括：
RS触发器，置位端与所述PWM导通时间控制电路的输出端相连，复位端端与所述PWM关断时间控制电路的输出端相连，正相输出端与开关电源转换器主控电路的PWM引脚连接。
4.如权利要求3所述的应用于开关电源转换器的原边控制电路，其特征在于，还包括缓冲驱动电路；
所述RS触发器的正相输出端通过所述缓冲驱动电路与所述开关电源转换器主控电路的PWM引脚连接。
5.一种开关电源转换器，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一权利要求所述的原边控制电路。
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