CN103427655B - 一种控制方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高开关电源变换器动态响应速度的控制方法，检测所述的开关电源变换器输出端的实时输出大小，并采样输出一个与输出电压幅度相关联的反馈电压信号；将所述的反馈信号与参考电压信号进行比较，判断在负载动态跳变的过程中输出电压是否已超出设定值，如果是，则输出一逻辑控制电平；所述的逻辑控制电平触发输出一个具有固定脉宽的脉冲信号，并将所述的具有固定脉宽的脉冲信号从副边隔离传输至原边；所述传输至原边的脉冲信号触发输出一个快速复位信号，使处于关断时间调制模式的主控制IC实现工作模式切换，使IC内部振荡器实现快速复位，让电路迅速进入下一个开关周期。

Description

一种控制方法及控制器

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种对输出动态性能要求较高的原边反馈开关电源变换器提高其动态响应速度的控制方法；本发明还涉及实现上述控制方法的控制器。

背景技术

原边反馈反激式开关电源控制技术于1981年11月24日在美国专利US4302803中被提出，因其电路简单、成本低廉、反馈回路无需光耦和431的特点，在成本和体积要求较高的微功率输出的场合中（如手机充电器、LED驱动器）中得到了广泛的使用。

原边反馈反激电路也是基于反激变换器工作原理来实现的，原边反馈反激电路大多工作在断续模式（DCM）下，在变压器去磁阶段（也就是副边绕组向负载和输出电容传输能量的阶段），主控制IC通过检测变压器辅助绕组两端的电压大小来实施恒压控制。反激变换器在电子工业出版社的《开关电源设计》第二版第四章第71页至第96页有比较详细的描述，原边反馈反激变换器的工作原理简化示意图如图1所示，断续模式下的工作波形如图2所示。

为了能够实时准确的采样输出电压的幅度，原边反馈反激变压器需要无时无刻的一直在工作，确保主控制IC能在每个开关周期内都可以通过辅助绕组检测变压器在去磁阶段的输出电压大小。

全球能源日趋紧张，因此人们对开关电源的性能要求也越来越严格，美国环保署提出了能源之星的认证规范，对开关电源的转换效率及空载待机功耗都有明确的要求。而为了实现更低的待机功耗，开关电源控制器采取了各种各样的控制算法来降低开关电源电路中的损耗，目前成本较低、效果较好并且得到广泛应用的控制技术有突发模式（burst mode）、关断时间调制（off-time modulation）等。但是在原边反馈反激电路的控制方式上，由于变压器需要无时无刻的保持工作状态，因此采用间歇工作方式的突发模式（burst mode）控制方法并不适用。关断时间调制（off-time modulation）的控制方式是目前在原边反馈控制技术中采用的比较多的一种方法，此方法主要通过检测输出的带载情况来调节开关管的关断时间。如果负载较轻，则把开关管的关断时间加长，从而改变电路的开关频率，减小单位时间里电路各功率器件的损耗；如果负载较重，则根据负载情况适当减小开关管的关断时间，使单位时间内原边能向副边传输更多的能量。这种控制方法在2008年6月25日公开的欧洲专利(公开号：EP1935083A1)中有详细的说明。

在待机的条件下，开关电源的待机损耗主要由开关管的开关损耗、变压器磁芯损耗、电阻损耗（包括电压、电流采样电阻、启动电路电阻和输出假负载）以及主控制IC的内部功耗构成。其中大部分的损耗与开关频率成正比。关断时间调制方式根据输出负载的大小来调制控制信号的关断时间，在输出轻载或者空载的条件下，将关断时间延长，使开关频率降低，因此可以有效的降低电路的空载功耗。目前有很多主流的原边反馈控制IC在待机的条件下将频率降至1KHz甚至更低，因此大多数的电路待机功耗能做到30mW以下。

虽然关断时间调制的控制方式能够有效的降低电路的待机功耗，但是也会给电路的动态性能带来了不利的影响，比如电路在待机的条件下突然增加负载至满载输出，由于空载条件下电路的开关频率非常低，原边反馈控制IC需要在下一个周期主功率开关管关断以后才能够进行输出电压检测，意味着电路需要经过接近一个开关周期的时间才能进行输出电压调整，如果此时开关频率下降至1KHz，那么电路将需要大约1mS延迟时间才能进行输出电压采样，在延迟时间以内，输出的能量将由输出电容来提供，如果输出电容的容量较小，那么输出电压的欠冲幅度将比较大，为了减小输出电压欠冲幅度，输出电容量则需要增大。关断时间调制控制方式的原边反馈电路动态响应电压波形如图3所示。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于在关断时间调制技术中能够提高开关电源变换器动态响应速度的控制方法。在不增加空载待机损耗的前提下，能够提高电路的动态响应速度，减小电路在空载或轻载到满载跳变的过程中产生的过大幅度的输出电压欠冲，有效的减小输出电容的大小。

本发明的另一个目的在于提供实现上述控制方法的控制器。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种控制方法，该方法包含有：

检测所述的开关电源变换器输出端的实时输出大小，并采样输出一个与输出电压幅度相关联的反馈电压信号；

将所述的反馈信号与参考电压信号进行比较，判断在负载动态跳变的过程中输出电压是否已超出设定值，如果是，则输出一逻辑控制电平；

所述的逻辑控制电平触发输出一个具有固定脉宽的脉冲信号，并将所述的具有固定脉宽的脉冲信号从副边隔离传输至原边；

所述传输至原边的脉冲信号触发输出一个快速复位信号，使处于关断时间调制模式的主控制IC实现工作模式切换，使IC内部振荡器实现快速复位，让电路迅速进入下一个开关周期。

本发明还提供一种提高开关电源变换器动态响应速度的控制器，该控制器包括：

一电压采样模块，其用于检测开关电源变换器输出端的实时输出电压大小，且经过输出电压采样后输出一个与输出电压幅度相关联的反馈电压信号；

一电压比较模块，其用于接收电压采样模块输出的反馈电压信号，然后与模块内部的参考电压信号进行比较，此模块的作用是判断在负载动态跳变的过程中输出电压是否已超出设定值，如果是，则输出一逻辑控制电平；

一脉冲信号产生模块，其用于接收电压比较模块输出的逻辑控制电平，然后输出一个具有固定脉宽的脉冲信号；

一隔离传输模块，其用于将脉冲信号产生模块输出的脉冲信号从副边传送至原边，并实现电气隔离的功能；

一脉冲信号接收模块，其具有接收脉冲信号的端口，用于接收从副边传送至原边的脉冲信号，脉冲信号接收模块接收到脉冲信号后输出一个快速复位信号，此信号能使处于关断时间调制模式的主控制IC实现工作模式切换，使IC内部振荡器实现快速复位，让电路迅速进入下一个开关周期。

优选地，所述的电压采样模块由分压电阻串联组成。

优选地，所述的电压比较模块通过一个电压比较器和一个基准电压来实现。

优选地，所述的脉冲信号产生模块主要由一个积分型单稳态触发器构成。

优选地，所述的离传输模块通过变压器或电容、或光耦实现。

优选地，所述的脉冲信号接收模块主要由一个电压比较器、基准电压以及触发器构成。

优选地，所述的电压比较模块、所述的脉冲信号产生模块作为一个整体组成的具有相同功能的集成电路实现。

优选地，所述的脉冲信号接收模块通过包含相同功能的集成电路实现。

本发明的实现原理是：在副边通过电压采样模块、电压比较模块实时监测输出电压状态，如果负载跳变导致输出电压跌落幅度已超出设定值，那么脉冲信号产生模块输出脉冲信号，通过隔离传输模块传送至脉冲信号接收模块的接收端口，当脉冲信号接收模块接收到脉冲信号以后，输出一个快速复位信号，此信号能够使主控制IC改变工作模式，取消关断时间调制的控制方式，让IC内部振荡器快速复位，使电路迅速进入下一个周期，让主控制IC能够及时的通过辅助绕组进行输出电压采样，实现快速响应。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明能够在关断时间调制模式下，实时监控输出电压的大小，并在负载动态跳变的过程中，输出电压跌落至设定值的情况下输出控制信号，通过此信号使主控制IC能够快速切换工作状态，提高动态响应速度。

（2）本发明能够在负载动态跳变的过程中减小动态恢复时间，进而能够减小输出电容的容量，能够降低电路的成本和减小产品体积。

（3）本发明所使用的电压比较模块、脉冲信号产生模块、脉冲信号接收模块均能通过集成电路来实现，信号传输模块可用隔离变压器、隔离电容或光电耦合器来实现，电路的结构简单，且易于控制，有利于实现高频化，从而可以更加有效的减小产品体积，降低电路成本。

附图说明

图1是原边反馈反激电路工作原理简化示意图；

图2是断续模式下反激变换器的各点工作电压、电流波形；

图3是在关断时间调制的控制模式下，原边反馈反激电路输出动态负载跳变的输出电压波形和驱动信号电压波形；

图4是本发明提出的一种提高开关电源变换器动态响应速度的隔离传输控制系统实施框图；

图5是本发明第一实施例原理图；

图6是本发明第二实施例原理图；

图7是本发明第三实施例原理图；

图8是本发明第四实施例脉冲信号产生模块原理框图；

图9是本发明第五实施例脉冲信号接收模块原理框图。

具体实施方式

本发明提供一种提高开关电源变换器动态响应速度的隔离传输控制方法和控制器，本发明已应用于原边反馈反激式变换器，但是应意识到，本发明具有更广的应用范围。

在断续模式下工作的反激变换器，由能量守恒可以得出其输出功率的表达式：

$P_o=\frac{1}{2}{L}_p{I_{\mathrm{pk}}}^2{f}_s\mathrm{\η}$

其中Po为电路的输出功率，Lp为反激变压器的原边电感量，Ipk为原边峰值电流，fs为原边反馈控制IC的开关频率，η为电路的转换效率。

如果上式原边电感量Lp、原边峰值电流Ipk以及转换效率η都是已知的常数，那么输出功率只与开关频率有关。假如电路的满载输出电压为5V，输出电流为1A，在空载条件下的输出电压为5V，输出假负载的大小为5mA，且在满载条件下电路的开关频率为100KHz，那么电路在空载条件下的开关频率应为500Hz。

在空载的条件下，如果主控制IC需要通过辅助绕组对输出电压进行采样，那么必须要等到变压器下一个周期的退磁过程才可以实现。也就是说在空载条件下IC每次对输出电压采样都必须要经过2mS的时间间隔。如果电路的输出电容Co的大小为680uF，电路从空载跳变至满载，那么电路对输出电压的调整也必须经过2mS的延迟时间，此时输出的能量将由输出电容来提供，输出电压的下降幅度为：

$\mathrm{\Δ}{V}_o=\frac{I_o\×t}{C_o}=\frac{1A\×2\mathrm{mS}}{680\mathrm{\μF}}\≈2.94V$

显然，原边反馈反激变换器在关断时间调制的控制方式下，开关频率的降低能够有效的减小输出假负载所带来的固定损耗（空负载条件下输出电压为5V，假负载大小为5mA，假负载损耗为25mW），但是这也会给电路的动态响应带来了不利的影响，输出电压的跌落幅度过大很可能会使与输出端相连接的一些集成电路或者其它负载出现重启或者损坏。因此有必要通过其它的方法来改善关断时间调制的控制方式下电路的动态响应速度。

图4是本发明提出的一种提高开关电源变换器动态响应速度的隔离传输系统实现框图，该控制器包括一个电压采样模块、电压比较模块、脉冲信号产生模块、隔离传输模块、脉冲信号接收模块，该控制器的各个模块功能以及信号传输关系已在发明内容中有详细的说明，在此不再赘述。

实施例一

图5是根据本发明的第一实施例一种提高开关电源变换器动态响应速度的隔离传输控制器简化框图，包括电压采样模块101、电压比较模块102、脉冲信号产生模块103、隔离传输模块104、脉冲信号接收模块105。

其中电压比较模块102、脉冲信号产生模块103可以集成在芯片100中，芯片100至少包括端口106、107、108、109。脉冲信号接收模块105位于芯片200上，芯片200至少包括端口110、111、112、113、114、115。

如图5所示，电压采样模块101检测输出电压的大小，并向电压比较模块102输出电压反馈信号116，电压采样模块101主要由分压电阻串联组成，通过调节分压电阻的比例能够调节动态过程中输出欠压门限电压大小。

电压比较模块102主要通过一个电压比较器U1来实现，其内部具有基准电压Vref1，输出电压反馈信号116通过与基准电压Vref1进行比较来判断输出电压是否已经达到欠压门限，当输出电压跌落幅度超出设定的输出欠压门限时，电压比较模块102向脉冲信号产生模块103输出一个输出逻辑控制电平117。

脉冲信号产生模块103主要由一个积分型单稳态触发器构成，其用于接收电压比较模块102送出的输出逻辑控制电平117，并产生一脉冲信号118送至隔离传输模块。脉冲信号产生模块103输出的脉冲信号持续时间可通过调节单稳态触发器内部的RC常数来实现。

隔离传输模块104主要由隔直电容C1和C2、隔离变压器T1以及齐纳二极管Z1构成，电容C1、C2主要用于隔离电路中存在的直流信号，隔离变压器T1主要用于实现电气隔离以及传输脉冲信号119，齐纳二极管Z1的主要作用是限制电路在芯片200的输入端口110处产生的电压幅度的大小，如果脉冲信号119的电压幅度超出设定值，则齐纳二极管Z1将会反向击穿，使脉冲信号119的电压幅度钳位在允许的范围内。隔离传输模块104的作用是接收脉冲信号发生器输出的脉冲信号118，同时向脉冲信号接收模块105传输脉冲信号119。

脉冲信号接收模块105主要由一个电压比较器U2、基准电压Vref2以及RS触发器构成。电压比较器U2的反相输入端主要用来接收隔离传输模块输出的脉冲信号119，此信号与电压比较器U2的同相输入端相连接的基准电压Vref2比较后，电压比较器U2输出与脉冲信号119持续时间基本相同的逻辑脉冲信号120并送至RS触发器的置位端口，同时RS触发器的复位端口接收来自驱动器输出的驱动信号121，当RS触发器的置位端口检测到逻辑脉冲信号120的下降沿时，RS触发器的输出端Q输出快速复位信号122，此信号送至芯片200内部的振荡器输入端，使振荡器快速复位并进入下一个周期，驱动器输出驱动信号121使外部主功率开关管导通，反激变换器快速进入下一个工作周期。当RS触发器的复位端口检测到驱动信号121的下降沿时，RS触发器的输出端Q复位，脉冲信号接收模块105停止工作，等待接收隔离传输模块输出的下一个脉冲信号119。

本发明提出的一种提高开关电源变换器动态响应速度的隔离传输控制器，其中电压比较模块102、脉冲信号产生模块103、脉冲信号接收模块105均能够通过集成电路来实现，不但能够减小电路体积、降低电路成本，而且能够大大缩短系统的响应时间，隔离传输系统传输的是一种持续时间较短的脉冲信号（理论上在1uS左右），因此第一实施例中的隔离传输模块能够采用圈数较少的隔离变压器来实现，因此实现电路的体积可以进一步减小。

当电路输出端从空载跳变至满载输出，在输出电压跌落幅度达到设定值后，经输出电压采样模块、电压比较模块、脉冲信号产生模块、隔离传输模块、脉冲信号接收模块后输出快速复位信号控制电路快速进入下一个开关周期，理论上整个系统的延迟时间可控制在2uS以内，假设输出电压欠压门限设定为4.85V，输出电容Co的大小为680uF，那么输出电压的下降幅度为：

$\mathrm{\Δ}{V}_o=(5V-4.85V)+\frac{I_o\×t}{C_o}=0.15V+\frac{1A\×2\mathrm{uS}}{680\mathrm{uF}}\≈0.153V$

由此可以看出，本发明提出的一种提高开关电源变换器动态响应速度的隔离传输控制器，能够有效的提高动态响应的速度，减小因输出负载从空载到满载跳变而导致的输出电压跌落幅度，因此能够有效的减小输出电容的要求，能够降低电路的总体成本且减小产品体积。

实施例二

图6是本发明第二实施例的原理框图，包括电压采样模块201、电压比较模块202、脉冲信号产生模块203、隔离传输模块204、脉冲信号接收模块205。其中电压比较模块202、脉冲信号产生模块203可以集成在芯片300中，芯片300至少包括端口206、207、208、209。脉冲信号接收模块205可以集成于芯片400中，芯片400至少包括端口210、211、212、213、214、215。

第二实施例的工作原理与第一实施例工作原理相同，唯一差别在于隔离传输模块采用了电容隔离的形式来实现，连接关系和实现原理在此不赘述。

隔离传输模块204主要通过隔离电容C3、C4来实现，为了实现更高的耐压要求，隔离传输模块204可由多个隔离电容串联实现。隔离传输模块204的作用是接收脉冲信号发生器输出的脉冲信号218，同时向脉冲信号接收模块205传输脉冲信号219。

实施例三

图7是本发明第三实施例的原理框图，包括电压采样模块301、电压比较模块302、脉冲信号产生模块303、隔离传输模块304、脉冲信号接收模块305。其中电压比较模块302、脉冲信号产生模块303位于芯片500上，芯片500至少包括端口306、307、308、309。脉冲信号接收模块305位于芯片600上，芯片600至少包括端口310、311、312、313、314、315。

第三实施例的工作原理与第一实施例工作原理相同，唯一差别在于隔离传输模块采用了光电耦合器隔离的形式来实现，连接关系和实现原理在此不赘述。

隔离传输模块304主要通过光电耦合器来实现，光电耦合器的输入端阳极与脉冲信号产生模块的输出端308相连，其用于接收脉冲信号产生模块303输出的脉冲信号318，光电耦合器的输入端阴极与限流电阻R1串联到输出公共端0V处，限流电阻R1的作用是使光电耦合器工作在安全工作区域，同时保证光电耦合器在接收到脉冲信号318的时候能够使输出端饱和导通。光电耦合器的输出端集电极与芯片600的Vdd端口相连，通过辅助绕组电压Vdd给光电耦合器供电，输出端发射级与电阻R2串联到原边的公共地处，光电耦合器输出端发射极与电阻R2的连接节点作为信号的输出端口将脉冲信号319送至脉冲信号接收模块的输入端口310。隔离传输模块304的作用是接收脉冲信号发生器输出的脉冲信号318，同时向脉冲信号接收模块305传输脉冲信号319。

实施例4

图8是本发明第4实施例脉冲信号产生模块原理框图，其它模块相同，脉冲信号产生模块输入端口401接收来自电压比较模块输出的逻辑控制电平，当输出电压处于正常范围时，电压比较模块输出的是一个低电平信号，当输出电压跌落超出设定范围时，电压比较模块输出高电平信号，本发明第4实施例的脉冲信号产生模块使用的是另一种方式的积分型单稳态触发器，处于稳态时，脉冲信号产生模块输出端口405输出的是一低电平信号，当脉冲信号产生模块输入端401接收电压比较模块输出的欠压逻辑高电平信号后，单稳态触发器进入暂态响应，脉冲信号产生模块输出一高电平脉冲信号404，此脉冲信号的持续时间由模块内部恒流源402的大小和电容403的充电时间决定。

实施例5

图9是本发明第5实施例脉冲信号接收模块原理框图，其它模块相同，脉冲信号接收模块主要由上拉电阻502、NPN型晶体管503以及RS触发器504构成。晶体管503的基极接收由隔离传输模块输出的脉冲信号，当基极电压为低电平时，晶体管503集电极-发射极截止，此时RS触发器置位端口为高电平，RS触发器输出维持低电平不变，当基极电压为高电平时，晶体管503集电极-发射极饱和导通，此时RS触发器置位端口由高电平转换为低电平，此时RS触发器置位端检测到下降沿信号使输出端从低电平信号转换为高电平信号，此信号503输出至原边反馈控制芯片内部振荡器复位端口，使振荡器快速复位。RS触发器的复位端口接收来自原边反馈控制芯片驱动器的驱动信号504，当RS触发器复位端口检测到驱动信号504出现下降沿时，脉冲信号接收模块实现复位，等待接收由隔离传输模块输出的下一个脉冲信号。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，如将实施例中的晶体管改为MOS管、上拉电阻（如图9中的502）使用恒流源替代等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种原边反馈开关电源变换器提高其动态响应速度的控制方法，其特征在于包含有：

检测所述的开关电源变换器输出端的实时输出大小，并采样输出一个与输出电压幅度相关联的反馈电压信号；

将所述的反馈信号与参考电压信号进行比较，判断在负载动态跳变的过程中输出电压是否已超出设定值，如果是，则输出一逻辑控制电平；

所述的逻辑控制电平触发输出一个具有固定脉宽的脉冲信号，并将所述的具有固定脉宽的脉冲信号从副边隔离传输至原边；所述的脉冲信号由一个积分型单稳态触发器产生；

所述传输至原边的脉冲信号触发输出一个快速复位信号，使处于关断时间调制模式的开关电源变换器主控制IC实现工作模式切换，使主控制IC内部振荡器实现快速复位，让电路迅速进入下一个开关周期。

2.一种实现权利要求1所述控制方法的控制器，其特征在于该控制器包括：

一电压采样模块，其用于检测开关电源变换器输出端的实时输出电压大小，且经过输出电压采样后输出一个与输出电压幅度相关联的反馈电压信号；

一电压比较模块，其用于接收电压采样模块输出的反馈电压信号，然后与模块内部的参考电压信号进行比较，此模块的作用是判断在负载动态跳变的过程中输出电压是否已超出设定值，如果是，则输出一逻辑控制电平；

一脉冲信号产生模块，其用于接收电压比较模块输出的逻辑控制电平，然后输出一个具有固定脉宽的脉冲信号；所述的脉冲信号产生模块主要由一个积分型单稳态触发器构成；

一隔离传输模块，其用于将脉冲信号产生模块输出的脉冲信号从副边传送至原边，并实现电气隔离的功能；

一脉冲信号接收模块，其具有接收脉冲信号的端口，用于接收从副边传送至原边的脉冲信号，脉冲信号接收模块接收到脉冲信号后输出一个快速复位信号，此信号能使处于关断时间调制模式的主控制IC实现工作模式切换，使主控制IC内部振荡器实现快速复位，让电路迅速进入下一个开关周期。

3.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于所述的电压采样模块由分压电阻串联组成。

4.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于所述的电压比较模块通过一个电压比较器和一个基准电压来实现。

5.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于所述的隔离传输模块通过变压器或电容或光耦实现。

6.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于所述的脉冲信号接收模块主要由一个电压比较器、基准电压以及触发器构成。

7.根据权利要求2所述的控制器，其特征在于所述的电压比较模块、所述的脉冲信号产生模块作为一个整体组成的具有相同功能的集成电路实现。

8.根据权利要求2或7所述的控制器，其特征在于所述的脉冲信号接收模块通过包含有相同功能的集成电路实现。