CN103633848B - 一种隔离型ac-dc电源的输出电压控制方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法及其电路，其中：电路可使用双绕组变压器(T2)，电路中PWM控制芯片(U2)包括从输入到输出依次电连接的输出电压评估单元和电流比较与逻辑控制单元，还包括所述输出电压评估单元与PWM控制芯片(U2)输出端之间的用于检测所述变压器的导通时间t1和去磁时间t2的去磁时间检测单元；方法包括利用所述变压器的输出电压V_O与V_AC、t1、t2和变压器匝比n之间的关系：使得V_O达到设定值。这种方法及其电路降低了系统成本，简化了系统布局布线。

Description

一种隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法及其电路

技术领域

本发明涉及电子电路和信号处理技术，具体涉及一种隔离型交流转直流（AC-DC）电源的输出电压控制方法及其电路。

背景技术

随着AC/DC开关电源系统的应用越来越广泛，隔离型电源由于其输出与输入线电压的隔离，具有很高的安全性能，从而受到广大客户的青睐。AC/DC开关电源按照系统反馈的类型可以分为原边反馈（PSR）型和副边反馈型。其中原边反馈型由于省去了副边反馈型所需的光耦和TL431等外围元件，从而节约了系统成本，简化了系统设计。

传统的原边反馈型反激式控制系统，电路方框图如图1所示，其工作原理是：通过在变压器T1的去磁时间内，采样控制辅助绕组的电压来控制系统输出电压。

从图1和2中可以看出，变压器有一个辅助绕组，通过对辅助绕组输出电压的电阻分压输入到芯片U1的FB端，通过芯片内部的取样检测，即可得出输出电压的反馈，然后通过芯片内部的误差放大器来控制系统的输出稳定。稳定情况下，

$V_O=V_{\mathrm{REF}}*\frac{R_1+R_2}{R_2}*\frac{N_S}{N_A}---\left(1\right)$

其中V_REF为芯片U1内部误差放大器的基准参考电压，而N_S和N_A分别为变压副边和辅助绕组的匝数。

传统技术的技术特征在于：输出电压的反馈是通过辅助绕组的分压来控制，这就需要主边有开关动作，同时必须在变压器去磁时间内取样输出电压。

传统技术的缺点在于：系统的变压器必须有辅助绕组，且必须通过功率开关管的开关动作，使得在变压器去磁时间内取样输出电压。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法及其电路，可以实现在无辅助绕组的情况下，通过取值输入线电压输入到芯片内部以达到控制输出电压的目的；从而降低了系统成本，提高了系统输入信号的利用率。

本发明的上述第一个技术问题这样解决，构建一种隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法，其特征在于，使用变压器的主边和副边以及PWM控制芯片U2或U3，包括以下步骤：

检测所述变压器的导通时间t1和去磁时间t2；

在t1时间内，检测与所述变压器的输入线电压V_AC；

利用所述变压器的输出电压V_O与V_AC、t1、t2和变压器匝比n之间的关系：使得V_O达到设定值。

按照本发明提供的隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法，还包括利用电容在充电电荷与放电电荷相等时，输出电压稳定的特性，将t1设置为放电时间、t2设置为充电时间，消除t1和t2因子，控制V_O。

按照本发明提供的隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法，包括以下两种具体形式：

㈠电压控制：

所述PWM控制芯片是第一PWM控制芯片U2，该控制方法还包括采用第一电阻R1和第二电阻R2获取输入线电压V_AC的分压反馈其中V_FB1为第二PWM控制芯片U2的对应引脚VFB1的电压；

㈡电流控制：

所述PWM控制芯片是第二PWM控制芯片U3，该控制方法还包括通过第五电阻R5获取反馈电流I_FB2：I_FB2=V_AC/R5，其中I_FB2为第三PWM控制芯片U3的对应引脚IFB2的电流。

本发明的上述另一个技术问题这样解决，构建一种隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，包括变压器T2及位于其输入端的整流单元和带PWM控制芯片U2的控制开关S1，其特征在于，所述变压器T2的绕组只需主边和副边；所述PWM控制芯片U2包括从输入到输出依次电连接的输出电压评估单元和电流比较与逻辑控制单元，还包括所述输出电压评估单元与PWM控制芯片U2输出端之间的用于检测所述变压器的导通时间t1和去磁时间t2的去磁时间检测单元；所述输出电压评估单元包括第一集成运放A1、第二集成运放A2、第一晶体管M1、第二晶体管M2、第一受控电流源I_FB1、第二受控电流源I_REF1以及t1时间闭合且t2时间断开的第一开关K1和t1时间断开且t2时间闭合的第二开关K2；第一集成运放A1和第二集成运放A2的负输入端分别经第三电阻R3和第四电阻R4接地，第一集成运放A1的正输入端接变压器的输入线电压V_AC分压V_FB1，第二集成运放A2的正输入端接内部基准参考电压V_REF1，第一集成运放A1的输出端连接第一晶体管M1的控制端，第二集成运放A2的输出端连接第二晶体管M2的控制端；第一受控电流源I_FB1的受控端依次电连接第一晶体管M1、第三电阻R3和地，第一受控电流源I_FB1的输出端电连接第一开关K1的第一端；第二受控电流源I_REF1的受控端依次电连接第二晶体管M2、第四电阻R4和地，第二受控电流源I_REF1的输出端电连接第二开关K2的第一端；第一开关K1的第二端和第二开关K2的第二端都电连接电容C1的同一端，电容C1的另一端接地。

按照本发明提供的隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法及其电路，所述变压器T2的绕组只有主边和副边。

按照本发明提供的隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法及其电路，第三电阻R3的阻值和第四电阻R4的阻值大小相同,等于R。

按照本发明提供的隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，第一晶体管M1和第二晶体管M2中任一个是N沟或P沟场效应管。

本发明的上述另一个技术问题还可以这样解决，构建一种隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，包括变压器T2及位于其输入端的整流单元和带PWM控制芯片U3的控制开关S1，其特征在于，所述变压器T2的绕组只有主边和副边；所述PWM控制芯片U2包括从输入到输出依次电连接的输出电压评估单元和电流比较与逻辑控制单元，还包括所述输出电压评估单元与PWM控制芯片输出端之间的用于检测所述变压器的导通时间t1和去磁时间t2的去磁时间检测单元；所述输出电压评估单元包括第一集成运放A1、第二集成运放A2、第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三受控电流源I_FB2、第四受控电流源I_REF2以及t1时间闭合且t2时间断开的第一开关K1和t1时间断开且t2时间闭合的第二开关K2；第一集成运放A1和第二集成运放A2的正输入端分别接工作地和芯片U3内部基准参考电压V_REF2；第一集成运放A1的负输入端依次电连接第五电阻R5和地，第二集成运放A2的负输入端依次电连接第六电阻R6和工作地；第一集成运放A1的输出端连接第一晶体管M1的控制端，第二集成运放A2的输出端连接第二晶体管M2的控制端；第三受控电流源I_FB2的受控端依次电连接第一晶体管M1、第五电阻R5和地，第三受控电流源I_FB2的输出端电连接第一开关K1的第一端；第四受控电流源I_REF2的受控端依次电连接第二晶体管M2、第六电阻R6和工作地，第四受控电流源I_REF2的输出端电连接第二开关K2的第一端；第一开关K1的第二端和第二开关K2的第二端都电连接电容C1的同一端，电容C1的另一端接工作地。

按照本发明提供的隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法及其电路，所述变压器T2的绕组只有主边和副边。

按照本发明提供的隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，第一晶体管M1和第二晶体管M2中任一个是N沟或P沟场效应管。

本发明提供的隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法及其电路，与现有技术相比，具有以下优势：

1、无需辅助绕组电压反馈的情况下，对隔离型AC/DC电源系统的输出电压控制；

2、简化了系统布局布线，提高了系统信号利用率；

3、节约了变压器和系统成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明。

图1是传统的原边反馈型反激式控制系统的电路方框图；

图2是图1中控制芯片U1的内部电路方框图；

图3是隔离变压器主边及副边电流关系示意图；

图4是本发明第一实施例的电路方框图；

图5是图4中控制芯片U2的内部电路方框图；

图6是图4中输出电压评估单元的一种实施例的电路图；

图7是本发明第二实施例的电路方框图；

图8是图7中输出电压评估单元的一种实施例的电路图；

具体实施方式

首先，首先说明无辅助的隔离电源系统的工作原理：

第一步，使得隔离系统的工作模式处于变压器非连续模式（DCM），假设变压器主边电感量为L，在理想情况下，变压器主边及副边电流如图3所示。

由图3可以看出，在隔离变压器T2导通t1时间内，

i_PK=V_AC*t1/L（2）

其中V_AC为输入线电压。在隔离变压器T2去磁t2时间内，

n*i_PK=n²*V_O*t2/L（3）

其折射至主边可以得出

i_PK=n*V_O*t2/L（4）

于是由公式（2）和（4）可以得出电感的伏秒平衡公式为

V_AC*t1=n*V_O*t2（5）

$V_O=\frac{V_{\mathrm{AC}}}{n}*\frac{t1}{t2}---\left(6\right)$

第二，结合具体实施例和电路进行详细说明：

第一实施例

如图4-5，如果在芯片U2正常工作时，可以准确的检测出变压器的导通时间t1和去磁时间t2，同时调整COMP1引脚电压，使得芯片

$V_{\mathrm{FB}1}*\frac{t1}{t2}=V_{\mathrm{REF}1}---\left(7\right)$

其中V_FB1为芯片VFB1引脚电压，即输入线电压的电阻分压。

则由公式（6）可以得出

$V_O=\frac{V_{\mathrm{AC}}}{n}*\frac{t1}{t2}=\frac{V_{\mathrm{FB}1}}{n}*\frac{R1+R2}{R2}*\frac{t1}{t2}---\left(8\right)$

其中R1和R2分别为线电压分压电阻的高端电阻和低端电阻。

将公式（7）代入公式（8）

$V_O=\frac{V_{\mathrm{REF}1}}{n}*\frac{R1+R2}{R2}---\left(9\right)$

通过公式（9）我们可以看出输出电压仅与芯片内部基准参考电压V_REF1，变压器匝比n，以及电阻R1和R2的阻值有关，在系统稳定时，其为稳定的电压值。

本发明中的输出电压评估单元的一种实现方法为图6中电路，其中R3=R4=R。芯片U2稳定时，输出COMP1上电压稳定，则其电容C1上充电电荷与放电电荷相等

I_REF1*t2=I_FB1*t1（10）

于是通过图6可以得出

$\frac{V_{\mathrm{REF}1}}{R}*t2=\frac{V_{\mathrm{FB}1}}{R}*t1---\left(11\right)$

因此，由公式（11）便可以得出公式（7），从而使得系统输出电压达到稳定。

第二实施例

本发明的另一具体实施例如图7所示，其中的输出电压评估单元的一种具体实现方法为图8中电路。

从图6和图7中可以看出，在开关S1导通时，即t1时间段内，电阻R5上的电流

I_R5=V_AC/R5=I_FB2（12）

在t2时间段内，电阻R6上的电流

I_R6=V_REF2/R6=I_REF2（13）

同样在芯片U3稳定时，输出COMP2上电压稳定，则其电容C1上充电电荷与放电电荷相等

I_REF2*t2=I_FB2*t1（14）

由公式（12）代入公式（6）可以得出

$V_O=\frac{V_{\mathrm{AC}}}{n}*\frac{t1}{t2}=\frac{I_{\mathrm{FB}2}*R5}{n}*\frac{t1}{t2}---\left(15\right)$

将公式（14）代入公式（15）中可以得出

$V_O=\frac{I_{\mathrm{REF}2}*R5}{n}=\frac{I_{\mathrm{REF}2}*R6}{n}*\frac{R5}{R6}---\left(16\right)$

将公式（13）代入公式（16）中可以得出

$V_O=\frac{V_{\mathrm{REF}2}}{n}*\frac{R5}{R6}---\left(17\right)$

于是可以得出当COMP2电压稳定时，系统输出电压便可稳定。

不难发现，图4中的实施例与图7中的实施例，均是通过对输入线电压V_AC的检测以及对开关管导通时间t1和去磁时间t2的准确检测做为基础，其相关技术细节不尽相同，此处不再赘述。

本发明的优点在于：实现了无需辅助绕组电压反馈的情况下，对隔离型AC/DC电源系统的输出电压控制。节约了系统成本，简化了系统布局布线，提高了系统信号利用率。

由上述可知：本发明的隔离型AC-DC电源系统的输出电压控制方法，解决了在无辅助绕组反馈的情况下准确检测输出电压，并使得系统达到稳定的问题，克服了传统技术的缺点，提高了系统信号利用率，节约了系统成本，简化了系统布局布线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种隔离型AC-DC电源的输出电压控制方法，其特征在于，使用变压器的主边和副边以及PWM控制芯片(U2、U3)，包括以下步骤：

检测所述变压器的导通时间t1和去磁时间t2；

在t1时间内，检测所述变压器的输入线电压V_AC；

利用所述变压器的输出电压V_O与V_AC、t1、t2和变压器匝比n之间的关系：使得V_O达到设定值。

2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，还包括利用电容在充电电荷与放电电荷相等时，输出电压稳定的特性，将t1设置为放电时间、t2设置为充电时间，消除t1和t2因子，控制V_O。

3.根据权利要求1或2所述控制方法，其特征在于，所述PWM控制芯片是第一PWM控制芯片(U2)，该控制方法还包括采用第一电阻(R1)和第二电阻(R2)获取输入线电压V_AC的分压反馈V_FB1：其中V_FB1为第一PWM控制芯片(U2)的对应引脚(VFB1)的电压。

4.根据权利要求1或2所述控制方法，其特征在于，所述PWM控制芯片是第二PWM控制芯片(U3)，该控制方法还包括通过第五电阻(R5)获取反馈电流I_FB2：I_FB2＝V_AC/R5，其中I_FB2为第二PWM控制芯片(U3)的对应引脚(IFB2)的电流。

5.一种隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，包括变压器(T2)及位于其输入端的整流单元和带PWM控制芯片(U2)的控制开关(S1)，其特征在于，所述PWM控制芯片(U2)的外围引脚均与变压器原边电路连接，包括从输入到输出依次电连接的输出电压评估单元和电流比较与逻辑控制单元，还包括所述输出电压评估单元与PWM控制芯片(U2)输出端之间的用于检测所述变压器的导通时间t1和去磁时间t2的去磁时间检测单元；所述输出电压评估单元包括第一集成运放(A1)、第二集成运放(A2)、第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第一受控电流源(I_FB1)、第二受控电流源(I_REF1)以及t1时间闭合且t2时间断开的第一开关(K1)和t1时间断开且t2时间闭合的第二开关(K2)；第一集成运放(A1)的负输入端依次电连接第三电阻(R3)和地，第二集成运放(A2)的负输入端依次电连接第四电阻(R4)和地，第一集成运放(A1)的正输入端接变压器的输入线电压V_AC分压V_FB1，第二集成运放(A2)的正输入端接内部基准参考电压V_REF1，第一集成运放(A1)的输出端连接第一晶体管(M1)的控制端，第二集成运放(A2)的输出端连接第二晶体管(M2)的控制端；第一受控电流源(I_FB1)的受控端依次电连接第一晶体管(M1)、第三电阻(R3)和地，第一受控电流源(I_FB1)的输出端电连接第一开关(K1)的第一端；第二受控电流源(I_REF1)的受控端依次电连接第二晶体管(M2)、第四电阻(R4)和地，第二受控电流源(I_REF1)的输出端电连接第二开关(K2)的第一端；第一开关(K1)的第二端和第二开关(K2)的第二端都电连接电容(C1)的同一端，电容(C1)的另一端接地。

6.根据权利要求5所述隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，其特征在于，第三电阻(R3)的阻值和第四电阻(R4)的阻值大小相同。

7.根据权利要求5或6所述隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，其特征在于，第一晶体管(M1)和第二晶体管(M2)中任一个是N沟道或P沟道场效应管。

8.根据权利要求5或6所述隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，其特征在于，所述变压器(T2)的绕组只有主边和副边。

9.一种隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，包括变压器(T2)及位于其输入端的整流单元和带PWM控制芯片(U3)的控制开关(S1)，其特征在于，所述PWM控制芯片(U2)的外围引脚均与变压器原边电路连接，包括从输入到输出依次电连接的输出电压评估单元和电流比较与逻辑控制单元，还包括所述输出电压评估单元与PWM控制芯片(U2)输出端之间的用于检测所述变压器的导通时间t1和去磁时间t2的去磁时间检测单元；所述输出电压评估单元包括第一集成运放(A1)、第二集成运放(A2)、第一晶体管(M1)、第二晶体管(M2)、第三受控电流源(I_FB2)、第四受控电流源(I_REF2)以及t1时间闭合且t2时间断开的第一开关(K1)和t1时间断开且t2时间闭合的第二开关(K2)；第一集成运放(A1)的正输入端接工作地，第二集成运放(A2)的正输入端接基准参考电压V_REF2；第一集成运放(A1)的负输入端依次电连接第五电阻(R5)和地，第二集成运放(A2)的负输入端依次电连接第五电阻(R6)和工作地；第一集成运放(A1)的输出端连接第一晶体管(M1)的控制端，第二集成运放(A2)的输出端连接第二晶体管(M2)的控制端；第三受控电流源(I_FB2)的受控端依次电连接第一晶体管(M1)、第五电阻(R5)和地，第三受控电流源(I_FB2)的输出端电连接第一开关(K1)的第一端；第四受控电流源(I_REF2)的受控端依次电连接第二晶体管(M2)、第六电阻(R6)和工作地，第四受控电流源(I_REF2)的输出端电连接第二开关(K2)的第一端；第一开关(K1)的第二端和第二开关(K2)的第二端都电连接电容(C1)的同一端，电容(C1)的另一端接工作地。

10.根据权利要求9所述隔离型AC-DC电源的输出电压控制电路，其特征在于，所述变压器(T2)的绕组只有主边和副边。