CN102843050B - 改善开关电源系统输出特性的方法和电路 - Google Patents

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Abstract

一种开关电源，包括变压器，具有用于耦合一个输入功率源的原边绕组、用于提供开关电源输出电压的副边绕组、和一个辅助绕组；功率开关，与所述原边绕组耦合；原边控制电路，与所述辅助绕组及功率开关耦合，所述原边控制电路通过控制所述功率开关响应一个代表开关电源输出的反馈电压信号，来调节开关电源的输出；副边控制电路，与所述副边绕组耦合，当开关电源的输出电压高于第一参考电压时，引起开关电源的输出电压放电。

Description

改善开关电源系统输出特性的方法和电路
技术领域
本发明涉及开关电源系统(SMPS).特别是本发明涉及改善开关电源系统输出特性的方法和电路。仅仅通过举例的方式，本发明已经应用于减少脉冲宽度调节的输出电压过冲(PMW)或开关电源系统的脉冲频率调节(PFW).本发明更广泛的适用性将被认识。
背景技术
开关电源具有体积小，效率高以及电流大的优点，广泛应用于手机充电器和电脑适配器以及其他领域中。近些年，绿色电源被重视，需要高换能效率尤其是低备用功率消耗量。然而，在一定运行条件下，举个例子，当开关电源从重负载到低负载或者从低负载到无载变化，输出量能够过冲。这可能导致输出不稳定和能量损失。
鉴于以上所述，我们需要的是一个有效的技术来减少输出电压过冲或者在负载瞬变过程中或开关电源的动态负荷变化中的过压。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源的相关技术，以减少输出电压过冲，或者在开关电源的动态负载或负载瞬变时的过压。
本发明提供一种开关电源，包括变压器，具有用于耦合一个输入功率源的原边绕组、用于提供开关电源输出电压的副边绕组、和一个辅助绕组；功率开关，与所述原边绕组耦合；原边控制电路，与所述辅助绕组及功率开关耦合，所述原边控制电路通过控制所述功率开关响应一个代表开关电源输出的反馈电压信号，来调节开关电源的输出；副边控制电路，与所述副边绕组耦合，当开关电源的输出电压高于第一参考电压时，引起开关电源的输出电压放电。
在具体实施例中，所述副边控制电路包括一放电控制电路，所述放电控制电路具有与所述开关电源的输出电压耦合的电源端，所述放电控制电路产生一放电信号。
在一实施例中，在副边发生放电时，所述放点控制电路能够提供一个信号引起原边控制电路临时停止调节开关电源的输出。
在一实施例中，所述放电控制电路包括一比较器，该比较器具有与第二参考电压连接的反向输入端，与第三参考电压连接的正向输入端，以及与所述开关电源输出连接的电源端，其中所述第三参考电压低于第二参考电压。
在一实施例中，所述放电控制电路还包括连接于所述放电控制电路的电源端与地之间的第一晶体管，所述第一晶体管还具有与所述比较器输出连接的控制端。
在一实施例中，所述放电控制电路还包括连接于所述放电控制电路的电源端与所述比较器输出之间的第二晶体管。
在一实施例中，所述第二晶体管受控于第一和第二触发器，所述第一触发器接入一指示所述开关电源输出电压高于所述第一参考电压的信号，所述第二触发器接入一延迟信号。
在一实施例中，所述放电控制电路防止输出电压放电至所述第二参考电压。
在一实施例中，所述原边控制电路是一PWM控制器。
在一实施例中，所述原边控制电路是一PFM控制器。
本发明还提供一种控制开关电源的三端子装置，包括：
第一端子，与所述开关电源的输出耦合；
第二端子，与所述开关电源副边的地耦合；
第三端子，与所述开关电源的副边绕组耦合；
放电控制电路，与所述第一端子耦合，当所述第一端子上的电压高于第一参考电压，所述放电控制电路产生一放电信号使得第一端子上的电压向第二端子放电。
在具体实施例中，所述放电控制电路包括一比较器，该比较器具有与第二参考电压连接的反向输入端，与第三参考电压连接的正向输入端，以及与所述开关电源输出连接的电源端，其中所述第三参考电压低于第二参考电压。
在一实施例中，所述放电控制电路还包括连接于所述第一端子与第二端子的第一晶体管，所述第一晶体管还具有与所述比较器输出连接的控制端。
在一实施例中，所述放电控制电路还包括连接于所述第一端子与所述比较器输出的第二晶体管。
在一实施例中，所述第二晶体管受控于第一和第二触发器，所述第一触发器接入一指示所述开关电源输出电压高于所述第一参考电压的信号，所述第二触发器接入一延迟信号。
本发明还提供一种控制开关电源输出的方法，所述开关电源包括变压器，所述变压器具有：与一功率开关连接的原边绕组、提供输出的副边绕组、以及辅助绕组，该方法包括：
在所述变压器的原边，通过控制所述功率开关响应一个代表开关电源输出的反馈电压信号，来调节开关电源的输出；
在所述变压器的副边，当开关电源的输出电压高于第一参考电压时，引起开关电源的输出电压放电。
在具体实施例中，该方法还包括产生一放电信号进行放电。
在一实施例中，产生所述放电信号包括：当开关电源的输出电压高于第一参考电压进行检测，并且将检测结果与一延迟信号及一时钟信号结合。
在一实施例中，该方法还包括提供一放电控制电路，所述放点控制电路包括一比较器，该比较器具有与第二参考电压连接的反向输入端，与第三参考电压连接的正向输入端，以及与所述开关电源输出连接的电源端，其中所述第三参考电压低于第二参考电压。
在一实施例中，所述放电控制电路还包括连接于所述放电控制电路的电源端与地之间的第一晶体管，所述第一晶体管还具有与所述比较器输出连接的控制端。
在一实施例中，该方法还包括在副边发生放电时，在原边临时停止调节开关电源的输出。
在各种实施方案中，本发明涉及了检测开关电源输出的过冲或者过压条件，以及在副边对输出电压的放电。在一些实施例中，当系统输出电压高于预定值，一个放电信号引起输出电压放电。在开关电源的动态负载或负载瞬变条件下，输出过冲或者过压因此可以减少。
附图说明
图1是应用本发明的典型反激式开关电源系统基本原理框架图；
图2是一具体实施例的本发明副边控制电路框架原理图；
图3是本发明一实施例提供的过压放电电路的电路示意图；
图4是本发明一实施例提供的放电控制信号DISCHARGE运行的电路示意图；
图5是本发明一实施例产生OVP信号的电路简单示意图；
图6是图2中副边控制电路的各个信号的波形图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
依照本发明实例，图1为典型的反激式开关电源系统100的简单示意图。根据图1所示，开关电源系统100包括一个带有电源终端VCC、一个反馈终端FB，一个输出终端OUT和一个电流感应终端CS的原边控制器10。具体取决于本申请，控制器10能够是PWM控制器或者PFM控制器。开关电源系统100还包括变压器20，其拥有一原边绕组21，一副绕组23，和一个辅助绕组22。开关电源100还包括整流二极管11和电容器12，整流AC电源电压源Vac产生了整流DC输入电压Vin。在启动时，当电源终端VCC通过电阻器13和旁路电容器14时，整流DC输入电压Vin提供电源给控制器10。在正常运行模式中，辅助绕组22通过整流二极管15给控制器10提供电源。电流感应终端CS与双极晶体管30的终端相耦合，去感应原电流Ip通过原绕组21和功率晶体管30流入。电阻器16和17形成分压器去降低在辅助绕组中的感应电压。下降电压在输入终端FB中反馈给控制器10，为了进一步处理副边的状态。
图1中，控制器10在输出终端OUT传送了控制脉冲信号用来打开和关闭功率开关30，图1所体现的是一双极晶体管，但是在其他的实施例中，也能成为MOS晶体管。当晶体管30处于关闭状态时，电压在辅助绕组和副绕组中产生。电流存在于副绕组23中，通过包含二极管24和电容器25的整流电路，产生电源Vout的输出值。原边控制器10去调节输出电压Vout用来保持期望输出值。
根据图1所示，开关电源系统100包括副边控制器26，其有三个终端Vs，GND，和VDD.终端Vs与副绕组23相耦合。终端GND与副绕组23的接地端子相耦合。终端VDD与开关电源系统输出Vout相耦合。在本发明的实施例中，副边控制电路26控制输出电压的上限和下限。如果输出电压低于下限电压，副边控制电路26将会发出电信号通知原边控制电路10响应，向副边传递能量，确保输出电压不会低于下限电压。如果输出电压高于上限电压，副边控制电路26控制放电电路，使输出电压不至于过高。
在传统的电源中，在一定条件下，当系统开关突然从一个重载条件到空载条件，重载突然切换到空载时输出电压不能很快地从过冲下降到空载额定电压。因此，电源保持在过冲条件下。
本发明的实施例提供了抑制系统输出电压过冲和稳定输出电压的方法和电路。待机功耗也能够被降低。
依照本发明实例，图2为副边控制电路40的简单示意图。副边控制电路40是一个举例。它能够被用来做图1中的副边控制电路26.根据图2所示，副边控制电路40包括三个终端：Vs用于耦合副边绕组，Vout用于耦合开关电源系统输出量和与之相应的图1中的VDD。GND用于耦合副绕组的接地端子。控制电路40还包括图2所示的方框中的内容。欠压检测电路46与Vout相耦合，用于检测低电压条件，同时也与电流脉冲输出电路43相耦合，去耦合Vs。功率开关管开关检测电路41与顶部Vs和功率开关管关断时间电路42相耦合。放电钳位电路44与Vout和功率开关管关断时间电路42相耦合。过压放电电路45与功率开关管关断时间电路42和Vout相耦合，抑制了过冲和过压条件。
根据本发明的实施例，图3是一个简单的阐明了过压放电电路300的电路示意图，是图2中的过压放电电路45的一个例子。具体的内部电路实现如图3所示。过压放电电路300的功能如下所述，参照图2中的方框图和图6中的波形图。图3中所示，过压放电电路300包括了电压比较器51，两个输入端收到两个输入参考电压信号，分别为Vref1和Vref2。图3所示的实施例中，Vref1与电压比较器51的正极输入终端耦合，Vref2与电压比较器51的负极输入终端耦合。设定Vref小于Vref2，故比较器51的输出为低。
图3中，PMOS晶体管57是放电晶体管，通过VDD进行放电。当放电控制信号DISCHARGE为高时，PMOS管56断开。电压比较器51的低输出导通晶体管57，VDD通过晶体管57放电。图3展示了电压比较器51的使能电路，包括电源I偏离率和晶体管52，53，54和55.当放电控制信号DISCHARGE为高时，NMOS晶体管52和53，55导通.在这种情况下，电压比较器51输出有效。当放电控制信号DISCHARGE为低时，电压比较器51输出无效，PMOS晶体管导通，则放电晶体管57断开，阻止VDD放电。放电控制信号DISCHARGE的运行参考以下图4中具体描述。
图4是是一个简单的阐明了放电控制信号DISCHARGE运行的电路示意图。DISCHARGE信号发生器400包括两个RS触发器61和62，NAND门63和65，变换器64和67，NOR门66。DISCHARGE信号发生器400的功能解释参考图6中的波形图。一些输入信号包含于放电控制信号DISCHARGE中。OSC信号是副边控制器内部振荡器产生的周期信号。触发器61通过OSC。SWITCH信号是清零信号，当SWITCH信号为高时，允许放电。在实施例中，SWITCH信号通过功率开关管开关检测电路41产生。据图6所示，在SWITCH信号中，原边控制信号脉冲产生负极脉冲。UVLO是通过欠压检测电路46严生的欠压信号。
图6所示，Vout被视为过压参考信号Vovp1.当系统过压Vout高于预设过压参考电压Vovp1时，OVP1信号置为高电平“1“。在这点上，RS触发器61输出置为低电平“0”。逆变器64改变这个信号为高电平“1”，经过NAND门65后，输出为低电平“0”。NAND门收到触发器62的输出和DISCHARGE_EN信号。DISCHARGE_EN信号是在触发器62中伴随着输入信号SWITCH，UVLO和DELAY产生的。据图6中所示，预设延迟时间“DELAY”受控于延迟信号。经过NAND门66输出DISCHARGE放电信号，接收OSC时钟信号作为输入。因此，如图6所示，放电控制信号DISCHARGE是周期性的脉冲信号。在实施例中，放电信号能够成为具有一些时钟信号持续时间的单一信号。
在一些实施例中，放电电路被配置，当VDD降到Vref2，放电停止，VD D保证不至于放电到过地点。
图5所示是阐述了电路500产生OVP信号的简单示意图。据图所示，接收为输入信号DISCHARGE_B，此信号为输入信号，与上升延迟电路71相耦合，逆变器72产生输出信号OVP73。在实施例中，OVP信号73用来阻止原边控制电路10在副边放电时产生控制脉冲来激活开关。在过冲或者过压的过程中，副边控制器的Vs终端阻止发送麦种信号，原边不转移能量到副边。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (18)

1.一种开关电源，其特征在于，包括：
变压器，具有用于耦合一个输入功率源的原边绕组、用于提供开关电源输出电压的副边绕组、和一个辅助绕组；
功率开关，与所述原边绕组耦合；
原边控制电路，与所述辅助绕组及功率开关耦合，所述原边控制电路通过控制所述功率开关响应一个代表开关电源输出的反馈电压信号，来调节开关电源的输出；
副边控制电路，与所述副边绕组耦合，当开关电源的输出电压高于过压参考电压时，产生一检测信号并与一延迟信号及一时钟信号结合，产生一放电信号，引起开关电源的输出电压放电；
其中，所述副边控制电路包括一过压放电电路，所述过压放电电路具有与所述开关电源的输出电压耦合的电源端。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，在副边发生放电时，所述过压放电电路能够提供一个信号引起原边控制电路临时停止调节开关电源的输出。
3.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述过压放电电路包括一比较器，该比较器具有与第二参考电压连接的反向输入端，与第三参考电压连接的正向输入端，以及与所述开关电源输出连接的电源端，其中所述第三参考电压低于第二参考电压。
4.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述过压放电电路还包括连接于所述过压放电电路的电源端与地之间的第一晶体管，所述第一晶体管还具有与所述比较器输出连接的控制端。
5.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述过压放电电路还包括连接于所述过压放电电路的电源端与所述比较器输出之间的第二晶体管。
6.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述第二晶体管受控于第一和第二触发器，所述第一触发器接入一指示所述开关电源输出电压高于所述过压参考电压的检测信号，所述第二触发器接入一延迟信号。
7.根据权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述过压放电电路防止输出电压放电至所述第二参考电压。
8.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述原边控制电路是一PWM控制器。
9.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述原边控制电路是一PFM控制器。
10.一种控制开关电源的三端子装置，其特征在于，包括：
第一端子，与所述开关电源的输出耦合；
第二端子，与所述开关电源副边的地耦合；
第三端子，与所述开关电源的副边绕组耦合；
过压放电电路，与所述第一端子耦合，当所述第一端子上的电压高于过压参考电压产生一检测信号并与一延迟信号及一时钟信号结合，产生一放电信号使得第一端子上的电压向第二端子放电。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述过压放电电路包括一比较器，该比较器具有与第二参考电压连接的反向输入端，与第三参考电压连接的正向输入端，以及与所述开关电源输出连接的电源端，其中所述第三参考电压低于第二参考电压。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述过压放电电路还包括连接于所述第一端子与第二端子的第一晶体管，所述第一晶体管还具有与所述比较器输出连接的控制端。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述过压放电电路还包括连接于所述第一端子与所述比较器输出的第二晶体管。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第二晶体管受控于第一和第二触发器，所述第一触发器接入一指示所述开关电源输出电压高于所述过压参考电压的检测信号，所述第二触发器接入一延迟信号。
15.一种控制开关电源输出的方法，所述开关电源包括变压器，所述变压器具有：与一功率开关连接的原边绕组、提供输出的副边绕组、以及辅助绕组，其特征在于，该方法包括：
在所述变压器的原边，通过控制所述功率开关响应一个代表开关电源输出的反馈电压信号，来调节开关电源的输出；
在所述变压器的副边，当开关电源的输出电压高于过压参考电压时，产生检测信号并与一延迟信号及一时钟信号结合，产生一放电信号，引起开关电源的输出电压放电；
提供一过压放电电路，所述过压放电电路具有与所述开关电源的输出电压耦合的电源端。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述过压放电电路包括一比较器，该比较器具有与第二参考电压连接的反向输入端，与第三参考电压连接的正向输入端，以及与所述开关电源输出连接的电源端，其中所述第三参考电压低于第二参考电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述过压放电电路还包括连接于所述过压放电电路的电源端与地之间的第一晶体管，所述第一晶体管还具有与所述比较器输出连接的控制端。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在副边发生放电时，在原边临时停止调节开关电源的输出。
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