CN103296890A - 一种原边控制电源及其电压采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原边控制电源及其电压采样方法，该原边控制电源包括比较器、去磁采样模块、开关控制模块、第一减法器和第二减法器，通过采样去磁过程中的两点的电压，然后再通过几何运算，模拟去磁结束时刻的电压，从而在原边控制电源采样到的电压位于变压器谐振区间时，输出电压偏差较小。
Description
技术领域
本发明涉及模拟集成电路领域和电源变换器领域，具体而言，涉及一种原边控制电源及其电压采样方法。
背景技术
随着消费类电子产品的不断普及和发展，作为电子产品供电的电源需求不断增大，在追求性能和节能的同时，体积更小，应用更简单的电源结构备受青睐，随之带来的成本压力也越来越大。作为消费类电子产品电源一个重要组成部分的小功率电源首当其冲。
小功率的电源多采用的是开关电源拓扑，作为和市电直接接触的AC/DC电源多采用反激式的结构。在小功率反激式的开关电源中，作为反馈结构的运算放大器XX431以及光耦不可或缺，而这些元件的成本在小功率的电源中的比重不容忽视。与此相比，对于小功率的电源供应商来讲，在保证输出电压精度的前提下，他们更青睐于采用原边控制的电源，因为原边控制的电源不需要XX431和光耦，并且电路结构简单。
原边控制的电源是通过变压器的辅助绕组采样耦合到的输出电压。变压器也只有在去磁结束时刻辅助绕组上的电压才能真正地映射输出电压VO，也即是只有采样时刻越接近去磁结束时刻，采样才越准确。然而在原边反馈的电源应用中，要想精确定位去磁结束点是一件很困难的事情。
原边控制电源的工作原理。如图1所示，其中开关晶体管11的驱动电压的波形GATE如图2所示，当开关晶体管GATE11打开后，变压器将能量存储在变压器的磁芯中，此时初级电感12的电流ip13如图2所示线性增加；当开关晶体管11关断后变压器开始去磁，即变压器通过次级绕组14给输出级传递能量，此时流经输出整流二极管DZ15的电流is16波形如图2所示线性减少，在去磁时间段，输出电压VO和辅助绕组分压VS的关系如下：
其中R1和R2为变压器辅助绕组的两个分压电阻，NAUX为变压器辅助绕组的匝数，NS为变压器次级绕组的匝数，VDZ为输出整流二极管的压降。由于VDZ的大小随流经电流的大小近似成线性变化，当流经所述整流二极管DZ的电流减小到接近零的时刻，输出电压VO就由以下公式给出：
采样保持电路18将此时变压器辅助绕组的分压VS采样保持，而后送入误差放大器EA17的输入端同参考电压进行运算即可得出需要的输出电压VO，即
显然，此时只需要通过改变R1和R2的比值就能够实现输出电压的设置。
基于原边控制的基本原理可以看出，只有采样时刻越接近于整流二极管DZ电流减小到接近零的时刻，即去磁结束时刻输出电压VO对应的采样辅助绕组分压VS(VO映射点)，才能真正的映射去磁结束时刻输出电压VO。实际采样点可能分为以下两种情况，当去磁未结束时采样辅助绕组分压VS，显然此时采样到的电压偏高，实际输出电压将会比预设值偏低；当去磁结束以后采样辅助绕组分压电压VS，由于系统已经进入谐振状态，此时采样到的电压又偏低，实际输出电压将会比预设值偏高。
在实际的原边控制电源系统中，通过电路实现去磁时段的提取很困难，准确采样去磁结束时刻辅助绕组分压VS也非常困难。因此采样保持电路18通过将如图2所示辅助绕组分压VS与一参考电压Vref1进行比较，将比较结果Vsr再通过滤波和逻辑转换，得出如图2所示去磁时段波形VDEM成为一种相对简单易行的方式。此种方式中产生的去磁时段VDEM比如图2所示的实际的去磁时段VDEM′要长一些。显然当采样时刻靠近VDEM的下降沿，采样到的电压很可能位于变压器谐振区间，导致采样到的电压偏低，使输出电压偏高。
由此可见现有技术中存在：因为原边控制电源采样到的电压可能位于变压器谐振区间，导致输出电压偏高的问题。
发明内容
为了解决因为原边控制电源采样到的电压可能位于变压器谐振区间，导致输出电压偏高的问题，本发明实施例的目的是提供一种原边控制电源，包括：
比较器，其第一输入端连接原边控制电源的采样变压器辅助绕组的分压信号，第二输入端连接参考电压信号，将分压信号和参考电压信号进行比较，输出方波信号；
去磁采样模块，其输入端连接比较器输出端，将比较器输出的方波信号进行滤波和逻辑转换，输出去磁方波信号；
开关控制模块，其输入端连接分压信号，控制端口连接去磁方波信号，根据去磁方波信号确定两个采样时间点，根据两个采样时间点对分压信号进行采样，并在第一输出端输出第一采样电压信号，同时在第二输出端输出第二采样电压信号；
第一减法器，其两个输入端分别连接第一采样电压信号和第二采样电压信号，将第一采样电压信号和第二采样电压信号相减得到差值电压信号，将整数倍的差值电压信号绝对值输出；
第二减法器，其两个输入端分别连接第二采样电压信号和整数倍的差值电压信号，将第二采样电压信号与整数倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
进一步，第一采样电压信号大于第二采样电压信号，第一减法器输出单倍的差值电压信号绝对值。
进一步，开关控制模块确定的第一个采样时间点为0.4T，第二个采样时间点为0.6T，T表示在一个周期内去磁方波信号波形为高电平的时段。
进一步，第一采样电压信号小于第二采样电压信号，第一减法器输出多倍的差值电压信号绝对值。
进一步，开关控制模块确定的第一个采样时间点为0.6T，第二个采样时间点为0.4T，T表示在一个周期内去磁方波信号波形为高电平的时段，第一减法器输出两倍的差值电压信号绝对值。
本发明实施例还提供一种原边控制电源电压采样方法，包括：
将输入的分压信号和输入的参考电压信号进行比较得到方波信号；
将比较得到的方波信号进行滤波和逻辑转换得到去磁方波信号；
根据去磁方波信号确定两个采样时间点，根据两个采样时间点对分压信号进行采样，得到第一采样电压信号和第二采样电压信号；
将第一采样电压信号和第二采样电压信号相减得到差值电压信号；
将第二采样电压信号与整数倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
进一步，第一采样电压信号大于第二采样电压信号，将第二采样电压信号与单倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
进一步，第一个采样时间点为0.4T，第二个采样时间点为0.6T，T表示在一个周期内去磁方波信号波形为高电平的时段。
进一步，第一采样电压信号小于第二采样电压信号，将第二采样电压信号与多倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
进一步，第二个采样时间点为0.4T，第一个采样时间点为0.6T，T表示在一个周期内去磁方波信号波形为高电平的时段，将第二采样电压信号与两倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
由于通过采样去磁过程中的两点的电压，然后再通过几何运算，模拟去磁结束时刻的电压，从而在原边控制电源采样到的电压位于变压器谐振区间时，输出电压偏差较小。
附图说明
图1表示现有技术中原边控制电源系统结构图；
图2表示现有技术中的原边控制电源系统各点的工作电压波形图；
图3表示本发明实施例提供的原边控制电源的采样保持电路结构图；
图4表示本发明实施例提供的原边控制电源系统各点的工作电压波形图；
图5、6表示本发明实施例提供的辅助绕组分压VS的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进行详细的说明。
本发明实施例中的原边控制电源的采样保持电路18如图3所示，包括：比较器21，其第一输入端连接原边控制电源的采样变压器辅助绕组的分压信号，第二输入端连接参考电压信号，将分压信号和参考电压信号进行比较，输出方波信号；
去磁采样模块22，其输入端连接比较器输出端，将比较器输出的方波信号进行滤波和逻辑转换，输出去磁方波信号；
开关控制模块23，其输入端连接分压信号，控制端口连接去磁方波信号，根据去磁方波信号确定两个采样时间点，根据两个采样时间点对分压信号进行采样，并在第一输出端输出第一采样电压信号，同时在第二输出端输出第二采样电压信号；
第一减法器24，其两个输入端分别连接第一采样电压信号和第二采样电压信号，将第一采样电压信号和第二采样电压信号相减得到差值电压信号，将整数倍的差值电压信号输出；
第二减法器25，其两个输入端分别连接第二采样电压信号和整数倍的差值电压信号，将第二采样电压信号与整数倍的差值电压信号相减，生成采样电压的输出信号。
基于上述的方案，本发明实施例提供的原边控制电源，基于在变压器去磁时段输出整流二极管DZ的压降VDZ随流经电流的大小近似呈线性变化，通过几何运算原理，尽量使采样到的电压逼近去磁结束时刻辅助绕组分压VS，使原边控制电源采样到的电压即使位于变压器谐振区间，输出电压也不会太高，即通过提高系统的采样精度，进而达到提高系统输出电压精度的目的。
本实施例原边控制电源系统各点的工作电压波形图如图4所示，采样保持电路18选取第一采样点和第二采样点作为采样点集合，通过选取采样点集合在T时段的时间集合的不同，T即在一个周期内去磁方波信号VDEM波形为高电平的区间，最终得到的电压可能是实际的辅助绕组分压VS，也可能不是实际辅助绕组分压VS。即使采样到的电压不是实际辅助绕组分压VS，本发明所述的采样思想依然避免了采样到的电压位于谐振区间，使输出电压偏高太多。
图5所示为当去磁未结束时采样辅助绕组分压VS的情况。方案一是第一采样电压大于第二采样电压，第一减法器24输出单倍的差值电压ΔV，具体实施时可以是开关控制模块23将第一采样点置于0.4T处，将第二采样点置于0.6T处，计算出它们的差值电压ΔV，然后利用0.6T处的电压减去ΔV的结果，作为当去磁未结束时采样辅助绕组分压VS，即0.8T处的电压。
类似的也可以采用方案二，第一采样电压信号小于第二采样电压信号，第一减法器24输出多倍的差值电压信号。具体实施时开关控制模块23将第二采样点置于0.4T处，将第一采样点置于0.6T处，利用0.4T处的电压减去2倍ΔV的结果，作为当去磁未结束时采样辅助绕组分压VS，即0.8T处的电压。
本实施例将0.8T处的电压作为当去磁未结束时采样辅助绕组分压VS，当去磁未结束时，该VS(0.8T处的电压)大于去磁结束时刻输出电压VO的映射点，该VO映射点就是，去磁结束时刻输出电压VO对应的采样辅助绕组分压VS。
图6所示为当去磁结束以后采样辅助绕组分压电压VS，此时已经进入谐振状态，即采样到的电压位于变压器谐振区间。将第一采样点置于0.4T处，将第二采样点置于0.6T处，计算出它们的差值电压ΔV，然后利用0.6T处的电压减去ΔV的结果VS’，作为当去磁未结束时采样辅助绕组分压VS。显然，因为存在斜率的变化，此时0.8T处的VS实际值小于VS’。通过本发明采样到的电压VS’比起0.8T处的VS实际值(0.8T时刻系统已经进入了谐振状态)要更加接近于去磁结束时刻的输出电压VO的映射点，这样避免了采样到的电压位于谐振区间，使输出电压VO偏高太多。
从以上的分析可以看出，只要第一采样点和第二采样点选取的合适，就可以很好地模拟去磁结束时刻的辅助绕组分压VS，而不用担心像图6中采样时刻位于谐振区间导致输出电压偏高很多的情况发生。
综合上述，本发明实际上是通过几何关系预测出实际去磁结束时刻的实际辅助绕组分压VS。本发明所述的采样技术使采样到的输出电压能够很好地反映电源系统的输出电压，提高了系统的采样精度，从而提高系统输出电压的精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种原边控制电源，其特征在于，包括：
比较器，其第一输入端连接原边控制电源的采样变压器辅助绕组的分压信号，第二输入端连接参考电压信号，将分压信号和参考电压信号进行比较，输出方波信号；
去磁采样模块，其输入端连接比较器输出端，将比较器输出的方波信号进行滤波和逻辑转换，输出去磁方波信号；
开关控制模块，其输入端连接分压信号，控制端口连接去磁方波信号，根据去磁方波信号确定两个采样时间点，根据两个采样时间点对分压信号进行采样，并在第一输出端输出第一采样电压信号，同时在第二输出端输出第二采样电压信号；
第一减法器，其两个输入端分别连接第一采样电压信号和第二采样电压信号，将第一采样电压信号和第二采样电压信号相减得到差值电压信号，将整数倍的差值电压信号绝对值输出；
第二减法器，其两个输入端分别连接第二采样电压信号和整数倍的差值电压信号，将第二采样电压信号与整数倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
2.根据权利要求1所述的原边控制电源，其特征在于，第一采样电压信号大于第二采样电压信号，第一减法器输出单倍的差值电压信号绝对值。
3.根据权利要求2所述的原边控制电源，其特征在于，开关控制模块确定的第一个采样时间点为0.4T，第二个采样时间点为0.6T，T表示在一个周期内去磁方波信号波形为高电平的时段。
4.根据权利要求1所述的原边控制电源，其特征在于，第一采样电压信号小于第二采样电压信号，第一减法器输出多倍的差值电压信号绝对值。
5.根据权利要求4所述的原边控制电源，其特征在于，开关控制模块确定的第二个采样时间点为0.4T，第一个采样时间点为0.6T，T表示在一个周期内去磁方波信号波形为高电平的时段，第一减法器输出两倍的差值电压信号绝对值。
6.一种原边控制电源电压采样方法，其特征在于，包括：
将输入的分压信号和输入的参考电压信号进行比较得到方波信号；
将比较得到的方波信号进行滤波和逻辑转换得到去磁方波信号；
根据去磁方波信号确定两个采样时间点，根据两个采样时间点对分压信号进行采样，得到第一采样电压信号和第二采样电压信号；
将第一采样电压信号和第二采样电压信号相减得到差值电压信号；
将第二采样电压信号与整数倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第一采样电压信号大于第二采样电压信号，将第二采样电压信号与单倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第一个采样时间点为0.4T，第二个采样时间点为0.6T，T表示在一个周期内去磁方波信号波形为高电平的时段。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第一采样电压信号小于第二采样电压信号，将第二采样电压信号与多倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，第二个采样时间点为0.4T，第一个采样时间点为0.6T，T表示在一个周期内去磁方波信号波形为高电平的时段，将第二采样电压信号与两倍的差值电压信号绝对值相减，生成采样电压的输出信号。
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