CN103326579B - 一种磁隔离反馈电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁隔离反馈电路，其包括依次串接于直流电压采样电路的输出端和反馈输入端之间的误差处理电路、隔离调制电路、采样保持电路和PWM比较器；隔离调制电路包括原、副边同名端相错的耦合变压器和接于原边的调制开关，采样保持电路依次接于耦合变压器副边的采样开关和保持电路，采样开关和调制开关分别受同步的采样时钟信号和调制信号控制。本发明中提出的磁耦合隔离反馈方式与已有各厂家的成品芯片相比，成本较低；同时由于采用分立元件电路进行磁隔离反馈，高等级器件易获取，无老化，参数随时间漂移等问题。

Description

一种磁隔离反馈电路
技术领域
本发明涉及磁隔离反馈电路。
背景技术
在计算机和专业级别的电源中，一般都需要原副边的电气隔离。功率链路上主要采用功率变压器进行电气隔离，而在反馈链路上，也需要电气隔离。
目前，从耦合反馈方式来看，反馈链路上的电气隔离可以分为磁耦合反馈隔离方法、光电耦合隔离方法，而应用最广泛的是光耦隔离反馈。光电耦合器是通过光信号的传送实现耦合的，输入和输出之间没有直接的电气联系，具有很强的隔离作用。光耦合的隔离反馈易于应用、重量轻、电路形式简单、占用空间较少，因而成本相对较低。但是由于光耦具有非线性电流传输、抗辐噪能力弱、易老化、温漂较严重等缺点，无法应用于高等级、长寿命等场合。
磁隔离反馈则无光耦合反馈的上述问题，适用于高等级、长寿命场合。目前TI有一款磁隔离反馈集成芯片UC1901，其主要问题为成本高，而且需要额外的电源供电。现有磁隔离反馈电路空载时不能进行电压调节，必须添加假负载，空载效率低。
发明内容
为了解决现有磁隔离反馈电路反馈动态响应慢、空载下无法输出电压调节、需要添加假负载的技术问题，本发明提供一种磁隔离反馈电路，其包括依次串接于直流电压采样电路的输出端和反馈输入端之间的误差处理电路、隔离调制电路、采样保持电路和PWM比较器；隔离调制电路包括原、副边同名端相错的耦合变压器和接于原边的调制开关，采样保持电路包括接于耦合变压器副边的采样开关和保持电路，采样开关受采样时钟信号控制，调制开关受与采样时钟信号同步的调制信号控制。
进一步的，所述的磁隔离反馈电路还包括用于发出采样时钟信号和调制信号的调制励磁电流源。
进一步的，调制励磁电流源包括电流镜电路、N-MOS管、电阻R31、电阻R33、非门、电阻R32、二极管D31和电容C31；电流镜电路包括电阻R35、共基极的PNP型三极管Q31和PNP型三极管Q32；PNP型三极管Q31和PNP型三极管Q32发射极接相同的工作电源，PNP型三极管Q32分别与隔离调制电路和采样保持电路连接，PNP型三极管Q31的集电极与基极短接，其集电极还经过电阻R35与N-MOS管的漏极相接；N-MOS管的源极接地，其栅极与源极之间接有电阻R31，其栅极还经过电阻R33与非门的输出端连接；非门的输入端经过电容C31接地，电阻R32与串接的电阻R31、二极管D31并联后接入非门的输入端和输出端之间。
进一步的，误差处理电路包括PID控制器、电阻Rs1和电阻Rs2，PID控制器的同相输入端输入参考给定电压信号Vref，PID控制器的反相输入端通过电阻Rs1接直流电压采样电路的输出端、通过电阻Rs2接地。
进一步的，调制开关为反激磁反馈二极管D11。
进一步的，保持电路为电容C21，采样开关为采样保持二极管D21。
更进一步的，采样保持电路与PWM比较器之间接有反相放大电路。
再进一步的，反相放大电路包括放大器、电阻R21、电阻R22、电阻R23和电容C22；放大器的同相输入端输入电压信号VP2，其反相输入端分别接电阻R21和电阻R22，电阻R21处输入电压信号VP1，电阻R22接于电容C21和采样保持二极管D21之间导线中一点，相并接的电阻R23和电容C22接于放大器的反相输入端与输出端之间；放大器的输出端与PWM比较器的反相输入端相连。
进一步的，误差处理电路与隔离调制电路之间接有缓冲电路。
更进一步的，缓冲电路包括PNP型三极管Q12、电阻R11、电阻R12和电容C11；PNP型三极管Q12的基极接误差处理电路的输出端，集电极与调制隔离电路中耦合变压器的原边的一端共地，其发射极通过调制开关与耦合变压器原边的另一端相接，其发射极还经过电阻R11与直流电压采样电路的输出端连接，并联的电阻R12和电容C11接于PNP型三极管Q12的发射极与集电极之间。
本发明具的有益效果是：本发明中提出的磁耦合隔离反馈方式与已有各厂家的成品芯片相比，成本较低；同时由于采用分立元件电路进行磁隔离反馈，高等级器件易获取，无老化，参数随时间漂移等问题。本发明磁隔离反馈电路体积小，结构简单，可靠性高，成本低；采用频率可调激励电流源结构，动态响应显著提高；采用分立元件，高等级器件易获取，无老化，参数随时间漂移等问题，适用于航空、航天等高等级场合；采用该磁反馈方式，在空载情况下也能对输出进行调节，无需增加假负载，提高空载效率。
附图说明
图1为本发明实施例磁隔离反馈电路的结构示意图；
图2为本发明实施例磁隔离反馈电路的电路结构图；
图3为本发明实施例中的反向放大电路的电路结构图；
图4为本发明实施例中的调制励磁电流源的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。在本发明的附图中，同一实施例的相关的多幅附图中同一个元件将用同一个符号表示。
本发明实施例的磁隔离反馈电路，是一种反激式磁隔离反馈电路，其接于直流电压采样电路的输出端与反馈输入端之间，如图1所示，其包括依次串接于直流电压采样电路的输出端和反馈输入端之间的误差处理电路1、隔离调制电路2、采样保持电路3和PWM比较器4；隔离调制电路2包括原、副边同名端相错的耦合变压器TC和接于原边的调制开关，采样保持电路3包括接于耦合变压器TC副边的采样开关和保持电路，采样开关受采样时钟信号控制，调制开关受与采样时钟信号同步的调制信号控制。
误差处理电路1对直流电压采样电路的输出信号进行处理后产生误差放大电压信号VEA，输出至调制隔离电路2，在隔离调制电路2中，由耦合变压器TC完成调制，耦合变压器TC由调制信号iC励磁，采样保持电路3中的采样开关受采样时钟信号控制，调制信号与采样时钟信号同步，当调制信号iC开通时，位于耦合变压器TC原边的调制开关关闭，同时，位于耦合变压器TC副边的采样开关也关闭；一旦调制信号iC关断，调制开关导通，误差放大电压信号VEA耦合到耦合变压器TC原边，采样时钟与调制信号同步，在变压器解调阶段，采样开关也导通，电容CH保持误差放大电压信号VEA。一般地，耦合变压器TC的原副边匝数相同，若为了得到不同的VEA值与后级电路匹配，可以通过耦合变压器TC变比实现电压的升降。
如图2所示，本发明实施例的磁隔离反馈电路还包括调制励磁电流源5，采样时钟信号和调制信号均由调制励磁电流源5产生，实际上，两个信号可为同一电信号，以保证两者的同步。
如图2所示，误差处理电路1包括PID控制器、电阻Rs1和电阻Rs2，PID控制器可采用运算放大器芯片或者具有运放功能的集成芯片TL431，PID控制器的同相输入端输入参考给定电压信号Vref，PID控制器的反相输入端通过电阻Rs1接直流电压采样电路的输出端、通过电阻Rs2接地。调制开关为反激磁反馈二极管D11。保持电路为电容C21，采样开关为采样保持二极管D21。
优选的，如图2、3所示，采样保持电路3与PWM比较器4之间接有反相放大电路7。反相放大电路7包括放大器、电阻R21、电阻R22、电阻R23和电容C22；放大器的同相输入端输入电压信号VP2，其反相输入端分别接电阻R21和电阻R22，电阻R21处输入电压信号VP1，电阻R22接于电容C21和采样保持二极管D21之间导线中一点，相并接的电阻R23和电容C22接于放大器的反相输入端与输出端之间；放大器的输出端与PWM比较器4的反相输入端相连。电容C22主要作用是滤除高频信号，当只考虑直流时，可忽略其影响。在图3中，反相放大电路7的输出Vo＝-VP1*R23/R21-Verr*R23/R21+VP2*(1+*R23/(R21//R22))，其中，Verr为采样保持电路3的输出电压，“//”的意思为并联，相当于是R21与R22并联；从此式可以看出，通过设置电压VP1、VP2及相关电阻值，可以设置反相放大电路7的输出电压Vo处于后级PWM比较器4的输入电压范围内，达到控制占空比的目的。
优选的，如图2所示，误差处理电路1与隔离调制电路2之间接有缓冲电路6，其使误差反馈信号有一个较低的阻抗。缓冲电路6包括PNP型三极管Q12、电阻R11、电阻R12和电容C11；PNP型三极管Q12的基极接误差处理电路1的输出端，集电极与调制隔离电路2中耦合变压器TC的原边的一端共地，其发射极通过调制开关与耦合变压器TC原边的另一端相接，其发射极还经过电阻R11与直流电压采样电路的输出端连接，并联的电阻R12和电容C11接于发射极与集电极之间。
本发明实施例的磁隔离反馈电路，误差处理电路1中的PID控制器主要由运放器U1、电阻Rc、电容Cc构成，输出误差放大信号至三极管Q12的基极。三极管Q12、电容C11和电阻R12组成了误差信号缓冲级，使误差反馈信号有一个较低的阻抗。在隔离调制电路2中，由耦合变压器TC完成调制，耦合变压器TC由调制励磁电流源的调制信号iC励磁，iC同时也为采样保持电路3中的采样开关的采样时钟信号，当iC开通时，采样保持二极管D21、反激磁反馈二极管D11反向偏置；一旦iC关断，反激磁反馈二极管D11正向导通，PID控制器的误差放大电压信号耦合到耦合变压器TC原边，同时采样保持二极管D21导通，电容C21保持PID误差放大电压信号；此时，采样保持电容C11的电压为负，需将其反向及加偏置处理，如图2所示，采用反向放大器7实现误差信号的反向及加偏置；最终，反向放大器7的输出信号输入至PWM比较器4，与三角波比较，产生PWM，控制变换器占空比，实现闭环控制。
如图4所示，调制励磁电流源5包括电流镜电路、N-MOS管M31、电阻R31、电阻R33、非门、电阻R32、二极管D31和电容C31；电流镜电路包括电阻R35、共基极的PNP型三极管Q31和PNP型三极管Q32；PNP型三极管Q31和PNP型三极管Q32发射极接相同的工作电源，PNP型三极管Q32分别与隔离调制电路2和采样保持电路3连接，PNP型三极管Q31的集电极与基极短接，其集电极还经过电阻R35与N-MOS管M31的漏极相接；N-MOS管M31的源极接地，其栅极与源极之间接有电阻R31，其栅极还经过电阻R33与非门的输出端连接；非门的输入端经过电容C31接地，电阻R32与串接的电阻R31、二极管D31并联后接入非门的输入端和输出端之间。电阻R35、三极管Q31和三极管Q32组成的电流镜电路提供稳定的电流，调制信号由非门、电阻R32、电阻R31、二极管D31和电容C31组成的电路提供，最终调制信号通过控制N-MOS管M31的通断实现对电流镜电流源的通断控制。
如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种磁隔离反馈电路，其特征在于：包括依次串接于直流电压采样电路的输出端和反馈输入端之间的误差处理电路(1)、隔离调制电路(2)、采样保持电路(3)和PWM比较器(4)；隔离调制电路(2)包括原、副边同名端相错的耦合变压器(TC)和接于原边的调制开关，采样保持电路(3)包括接于耦合变压器(TC)副边的采样开关和保持电路，采样开关受采样时钟信号控制，调制开关受与采样时钟信号同步的调制信号控制；所述磁隔离反馈电路还包括用于发出采样时钟信号和调制信号的调制励磁电流源(5)，所述调制励磁电流源(5)包括电流镜电路、N-MOS管M31、电阻R31、电阻R34、电阻R33、非门、电阻R32、二极管D31和电容C31；电流镜电路包括电阻R35、共基极的PNP型三极管Q31和PNP型三极管Q32；PNP型三极管Q31和PNP型三极管Q32发射极接相同的工作电源，PNP型三极管Q32分别与隔离调制电路(2)和采样保持电路(3)连接，PNP型三极管Q31的集电极与基极短接，其集电极还经过电阻R35与N-MOS管M31的漏极相接；N-MOS管M31的源极接地，其栅极与源级之间接有电阻R34，其栅极还经过电阻R33与非门的输出端连接；非门的输入端经过电容C31接地，电阻R32与串接的电阻R31、二极管D31并联后接入非门的输入端和输出端之间。
2.根据权利要求1所述的磁隔离反馈电路，其特征在于：误差处理电路(1)包括PID控制器、电阻Rs1和电阻Rs2，PID控制器的同相输入端输入参考给定电压信号Vref，PID控制器的反相输入端通过电阻Rs1接直流电压采样电路的输出端、通过电阻Rs2接地。
3.根据权利要求1所述的磁隔离反馈电路，其特征在于：调制开关为反激磁反馈二极管D11。
4.根据权利要求1所述的磁隔离反馈电路，其特征在于：保持电路为电容C21，采样开关为采样保持二极管D21。
5.根据权利要求4所述的磁隔离反馈电路，其特征在于：采样保持电路(3)与PWM比较器(4)之间接有反相放大电路(7)。
6.根据权利要求5所述的磁隔离反馈电路，其特征在于：反相放大电路(7)包括放大器、电阻R21、电阻R22、电阻R23和电容C22；放大器的同相输入端输入电压信号VP2，其反相输入端分别接电阻R21和电阻R22，电阻R21处输入电压信号VP1，电阻R22接于电容C21和采样保持二极管D21之间导线中一点，相并接的电阻R23和电容C22接于放大器的反相输入端与输出端之间；放大器的输出端与PWM比较器(4)的反相输入端相连。
7.根据权利要求1所述的磁隔离反馈电路，其特征在于：误差处理电路(1)与隔离调制电路(2)之间接有缓冲电路(6)。
8.根据权利要求7所述的磁隔离反馈电路，其特征在于：缓冲电路(6)包括PNP型三极管Q12、电阻R11、电阻R12和电容C11；PNP型三极管Q12的基极接误差处理电路(1)的输出端，集电极与调制隔离电路(2)中耦合变压器(TC)的原边的一端共地，其发射极通过调制开关与耦合变压器(TC)原边的另一端相接，其发射极还经过电阻R11与直流电压采样电路的输出端连接，并联的电阻R12和电容C11接于PNP型三极管Q12的发射极与集电极之间。
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