CN103746566A - 原边控制的开关电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原边控制的开关电源及其控制方法，对电流断续模式下的负载突增响应速度快。该开关电源包括与副边整流二极管并联的副边开关管，根据副边开关管两端电压的电压波形，对副边开关管进行控制。当开关电源在断续时间段内发生负载突增时，副边开关管两端的电压小于第一阈值电压，副边开关管被导通，原边侧通过检测副边开关管的导通状态来判断出副边侧断续时间段内的负载突增情况，并及时将原边开关管导通，减小输出电压的电压下冲，提高了开关电源的动态负载响应性能。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种电子电路，尤其涉及工作于电流断续模式下的原边控制的开关电源及其控制方法。
背景技术
原边控制的开关电源因其独特的优点，广泛应用于手机充电器，手持设备适配器以及辅助电源中。原边控制的基本原理是通过精确采样辅助绕组的电压水平来反映负载的变化信息。然而，传统的采用原边控制的开关电源，只有在副边整流二极管导通时才能检测出副边侧的输出电压和负载情况，这一特性使得工作于电流断续模式下原边控制开关电源的动态负载响应较差，尤其是在开关电源以较低的开关频率工作时，动态负载响应性能会更差。
图1是传统的工作于电流断续模式下的原边控制的开关电源的工作波形图。其中IP表示流过原边开关管的电流，IS表示流过副边整流二极管的电流，VO表示提供至负载的输出电压，IO表示负载电流，Vaux表示辅助绕组两端的电压。如图1所示，该开关电源具有如下工作阶段：
(1)D1时间段：原边开关管导通，流过原边开关管的电流IP从零线性增长到电流限值Ilim。在D1时间段，能量从输入端传递到变压器的原边绕组。
(2)D2时间段：原边开关管关断，存储在变压器原边绕组上的能量将副边二级管导通，输出电压与副边整流二极管两端的电压一起被反射到辅助绕组。在D2时间段结束时，存储在原边绕组的全部能量传递到输出端。
(3)D3时间段：流过副边整流二极管的电流IS为零，变压器上的能量也为零。
为了说明方便，定义“D1时间段”、“D2时间段”以及“D3时间段”分别为“原边导通时间段”、“副边导通时间段”以及“断续时间段”。当负载电流IO在断续时间段内突然增加时，输出电压VO开始下降。然而，断续时间段内的辅助绕组两端的电压Vaux不能反映副边侧的负载变化，直到下一工作周期的D2时间段，辅助绕组才能检测到负载的变化。这样，当开关电源工作在轻载或者空载情况下时，断续时间段持续时间长，导致输出电压VO下冲过大，开关电源的效率降低。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本发明的目的是提供一种原边控制的开关电源及其控制方法，实时检测出断续时间段内的副边侧的负载突增情况，不仅减小输出电压的电压下冲，而且提高开关电源的动态负载响应性能。
在本发明的一个方面，提出一种原边控制的开关电源，包括：变压器，具有原边绕组、副边绕组和辅助绕组，其中，原边绕组耦接以接收输入电压，副边绕组耦接至负载以提供输出电压；原边开关管，耦接至变压器的原边绕组；副边整流二极管，耦接至变压器的副边绕组；副边开关管，与副边整流二极管并联；反馈单元，耦接至变压器的辅助绕组，产生代表开关电源输出电压的反馈信号；电流检测单元，产生代表流过原边开关管电流的电流检测信号；副边控制单元，根据副边开关管两端电压的电压波形，产生副边控制信号以控制副边开关管；原边控制单元，分别耦接至电流检测单元和反馈单元以接收原边电流检测信号和反馈信号，产生原边控制信号以控制原边开关管，其中原边控制单元在检测到副边开关管导通时，将原边开关管导通；其中副边控制单元包括：阈值产生电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收副边开关管两端的电压，阈值产生电路对副边开关管两端的电压进行稳压变换，在输出端产生多个副边阈值；迟滞比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收副边开关管两端的电压，第二输入端接收第一副边阈值和第二副边阈值，迟滞比较电路将副边开关管两端的电压与第一副边阈值和第二副边阈值进行迟滞比较，在输出端产生迟滞比较信号；副边计时电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收迟滞比较信号，基于迟滞比较信号，副边计时电路在计时时长达到第一预设时长时，在输出端产生副边使能信号；第一副边比较器，具有使能端、第一输入端、第二输入端和输出端，其中使能端接收副边使能信号，第一输入端接收副边开关管两端的电压，第二输入端接收第三副边阈值，第一副边比较器在副边使能信号有效时将副边开关管两端的电压与第三副边阈值进行比较，在输出端产生第一副边比较信号；第二副边比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第四副边阈值，第二输入端接收副边开关管两端的电压，第二副边比较器将副边开关管两端的电压与第四副边阈值进行比较，在输出端产生第二副边比较信号；以及副边逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一副边比较器的输出端以接收第一副边比较信号，第二输入端耦接至第二副边比较器的输出端以接收第二副边比较信号，第三输入端耦接至副边计时电路的输出端以接收副边使能信号，副边逻辑电路基于第一副边比较信号、第二副边比较信号和副边使能信号，在输出端产生副边控制信号。
在本发明的另一个方面，提出一种如上所述的开关电源，其中副边开关管为同步整流管，副边整流二极管为同步整流管的体二极管。
在本发明的又一个方面，还提出一种用于原边控制的开关电源的控制方法，该开关电源包括具有原边绕组、副边绕组和辅助绕组的变压器、耦接至原边绕组的原边开关管、耦接至副边绕组的副边整流二极管以及与副边整流二极管并联的副边开关管，所述原边绕组耦接以接收输入电压，副边绕组耦接至负载以提供输出电压，所述控制方法包括：在副边侧，产生控制副边开关管的副边控制信号，执行以下步骤：将副边开关管两端的电压与第一副边阈值和第二副边阈值进行迟滞比较，产生迟滞比较信号；当迟滞比较信号有效时，进行计时；当迟滞比较信号无效时，停止计时；如计时时长达到第一预设时长，产生副边使能信号；当副边使能信号有效时，将副边开关管两端的电压与第一副边阈值相比较；如果副边开关管两端的电压小于第三副边阈值，则导通副边开关管；以及将副边开关管两端的电压与第四副边阈值相比较；如果副边开关管两端的电压大于第四副边阈值，则关断副边开关管。在原边侧，产生控制原边开关管的原边控制信号，执行以下步骤：从与辅助绕组耦接的反馈单元获取一代表输出电压的反馈信号；对流过原边开关管的电流进行检测，产生原边电流检测信号；检测副边开关管的导通状态，产生第一原边控制信号；基于原边电流检测信号、反馈信号和第一原边控制信号，产生原边控制信号。
根据本发明实施例中的原边控制的开关电源及其控制方法，基于副边开关管两端电压的电压波形，对副边开关管进行控制。当开关电源在断续时间段内发生负载突增时，副边开关管导通，原边侧通过检测副边开关管的导通状态来获得副边侧断续时间段内的负载突增情况，并在副边开关管导通后及时将原边开关管导通，从而减小断续时间段内负载突增对输出电压的影响。另外，本发明的实施例使得开关电源的效率提高。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述。在此提供的附图都是为了说明的目的，并且不一定是按比例绘制的。
图1是传统的工作于电流断续模式下的原边控制的开关电源的工作波形图；
图2是根据本发明一实施例的原边控制的开关电源100的电路原理图；
图3对比了现有技术中原边控制开关电源的工作波形和根据本发明一实施例的图2中开关电源100的工作波形；
图4和图5是根据本发明实施例的图2中副边控制单元10的电路原理图；
图6是根据本发明一实施例的图5中副边控制单元10的工作波形图；
图7是根据本发明另一实施例的图2中副边控制单元10的电路原理图；
图8是根据本发明一实施例的图2中原边控制单元20的框图；
图9是根据本发明一实施例的原边控制单元20的电路原理图；
图10是根据本发明另一实施例的图2中原边控制单元20的框图；
图11是根据本发明另一实施例的原边控制单元20的电路原理图；
图12是根据本发明一实施例的第一原边控制电路201的电路原理图；
图13a和图13b是根据本发明实施例的第一原边控制电路201的电路原理图；
图14是根据本发明另一实施例的原边控制的开关电源200的电路原理图；
图15是根据本发明一实施例的用于原边控制的开关电源的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节也可以实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、结构或方法。
在整个说明书中，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图2是根据本发明一实施例的原边控制的开关电源100的电路原理图。在图2所示的实施例中，开关电源100包括变压器T、原边开关管MP、副边整流二极管D0、副边开关管MS、副边控制单元10、原边控制单元20、电流检测单元30以及反馈单元40。变压器T具有原边绕组Np、副边绕组Ns和辅助绕组Na，其中原边绕组Np耦接以接收输入电压VIN，副边绕组Ns耦接至负载以提供输出电压VO。原边开关管MP耦接至变压器的原边绕组Np，副边整流二极管D0耦接至变压器的副边绕组Ns，副边开关管MS与副边整流二极管D0并联。
反馈单元40耦接至变压器的辅助绕组Na，产生一代表开关电源输出电压的反馈信号FB。在一个实施例中，反馈单元40包括电阻分压电路。电阻分压电路耦接至变压器的辅助绕组Na的两端，对辅助绕组Na两端的电压进行分压，在输出端提供一与副边侧输出电压有关的反馈信号FB。电流检测单元30对流过原边开关管MP的电流进行检测，产生一代表流过原边开关管电流的原边电流检测信号CS。原边控制单元20分别耦接至电流检测单元30和反馈单元40，以接收原边电流检测信号CS和反馈信号FB，产生原边控制信号P_DRV以控制原边开关管MP。副边控制单元10根据副边开关管MS两端电压VDS(即副边整流二极管D0两端的电压VDS)的电压波形，产生副边控制信号S_DRV以控制副边开关管MS。
副边控制单元10根据副边开关管MS两端的电压VDS来判断开关电源100在断续时间段内是否发生负载突增，若判断结果为“是”，副边控制单元10导通副边开关管MS。当开关电源100处于断续时间段内，副边控制单元10将副边开关管MS两端的电压VDS与第三副边阈值VTHS3相比较，以判断是否发生负载突增。原边控制单元10通过反馈信号FB、原边电流检测信号CS、原边开关管两端的电压VDSP等原边电参数中的一个或多个来检测副边开关管MS的导通状态，以及时获取副边侧断续时间段内的负载突增情况。原边控制单元10检测到副边开关管MS导通后，将原边开关管MP导通。
根据本发明的实施例，当开关电源在断续时间段内发生负载突增时，原边侧的原边控制单元可以及时获取副边侧的负载突增情况，并将原边开关管导通。与现有技术相比，本发明的实施例可减小断续时间段内负载突增对输出电压的影响，提高开关电源的效率和负载动态响应能力。
图3对比了现有技术中原边控制开关电源的工作波形和根据本发明一实施例的图2中开关电源100的工作波形，其中P0_DRV为现有技术中的原边控制信号，P_DRV为根据本发明一实施例的原边控制信号。如图3所示，在t1时刻前，开关电源100工作于轻载模式，原边控制信号(P_DRV与P0_DRV)的工作周期较长。在t1时刻，负载电流IO突然增加，输出电压VO开始下降。
在现有技术中，直到在t3时刻输出电压VO从初始电压降低到V1时，原边侧才能检测到副边侧因负载突增引起的输出电压下冲情况。t3时刻的输出电压下冲很大，之后回复到初始电压所需的时间也很长。然而，根据本发明的实施例，在t2时刻输出电压VO从初始电压降低到V2时，副边控制单元10检测到副边开关管MS两端的电压VDS小于第三副边阈值，产生副边控制信号S_DRV将副边开关管MS导通，原边侧的原边控制单元10检测到副边侧的负载突增情况，立即导通原边开关管MP，提前结束开关电源的断续时间段。之后，开关电源100工作于重载模式，输出电压Vo可在在较短时间内回复到初始电压。可见，与现有技术相比，本发明实施例的开关电源可以减小输出电压的下冲，对断续时间段发生的负载突增响应速度快，改善了开关电源的的负载动态响应性能。
图4和5是根据本发明实施例的图2中副边控制单元10的电路原理图。副边控制单元10根据副边开关管MS两端电压VDS的电压波形，来控制副边开关管MS的导通与关断。
在图4所示的实施例中，副边控制单元10包括阈值产生电路101、迟滞比较电路102、副边计时电路103、第一副边比较器CMS1、第二副边比较器CMS2和副边逻辑电路104。如图4所示，阈值产生电路101具有输入端和输出端，其中输入端接收副边开关管MS两端的电压VDS，阈值产生电路101对副边开关管MS两端的电压VDS进行稳压变换，在输出端产生多个副边阈值。迟滞比较电路102具有输入端和输出端，其中输入端接收副边开关管MS两端的电压VDS，迟滞比较电路102将副边开关管MS两端的电压VDS同第一副边阈值VTHS1和第二副边阈值VTHS2进行迟滞比较，在输出端产生迟滞比较信号。副边开关管MS两端的电压VDS增大至大于或大于等于第一副边阈值VTHS1时，迟滞比较电路102输出有效的迟滞比较信号(例如高电平“1”)，使能副边计时电路103。当副边开关管MS两端的电压VDS减小至小于或小于等于第二副边阈值电压VTHS2时，迟滞比较电路102输出无效的迟滞比较信号(例如低电平“0”)，禁用副边计时电路103。副边计时电路103具有输入端和输出端，其中输入端接收迟滞比较信号，基于迟滞比较信号，副边计时电路103在计时时长达到第一预设时长时，在输出端输出高电平的副边使能信号ENS。当迟滞比较信号为高电平，副边计时电路103工作，进行计时。当迟滞比较信号为低电平时，副边计时电路103不工作，停止计时并清零副边计时电路。
第一副边比较器CMS1具有使能端、同相输入端、反相输入端和输出端，其中使能端接收副边使能信号ENS、同相输入端耦接至阈值产生电路101接收第三副边阈值VTHS3，反相输入端接收副边开关管MS两端的电压VDS，第一副边比较器CMS1在副边使能信号ENS有效时将副边开关管MS两端的电压VDS与第三副边阈值VTHS3进行比较，在输出端产生第一副边比较信号COS1。第二副边比较器CMS2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收第四副边阈值VTHS4，反相输入端接收副边开关管MS两端的电压VDS，第二副边比较器CMS2将副边开关管MS两端的电压VDS与第四副边阈值VTHS4进行比较，在输出端产生第二副边比较信号COS2。副边逻辑电路104具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一副边比较器CMS1的输出端以接收第一副边比较信号COS1，第二输入端耦接至第二副边比较器CMS2的输出端以接收第二副边比较信号COS2，第三输入端耦接至副边计时电路103的输出端以接收副边使能信号ENS，副边逻辑电路104基于第一副边比较信号COS1、第二副边比较信号COS2和副边使能信号ENS，在输出端产生副边控制信号S_DRV，以控制副边开关管MS。在图4所示的实施例中，副边逻辑电路104包括与门。在其它实施例中，副边逻辑电路104可具有其他电路结构。
在图5所示的实施例中，副边控制单元10中的迟滞比较电路102包括迟滞比较器。迟滞比较器具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收副边开关管MS两端的电压VDS，反相输入端分别接收第一副边阈值VTHS1和第二副边阈值VTHS2，迟滞比较器将副边开关管MS两端的电压VDS同第一副边阈值VTHS1和第二副边阈值VTHS2进行迟滞比较，在输出端产生迟滞比较信号。当在其它实施例中，迟滞比较电路102可包括多个比较器和逻辑元件。
图6是根据本发明一实施例的图5中副边控制单元10的工作波形图。当副边开关管MS两端的电压VDS增大至大于或大于等于第一副边阈值VTHS1，且随后的计时时长大于第一预设时长td1时，副边使能信号ENS为高电平，否则副边使能信号ENS为低电平。在副边使能信号ENS为高电平时，如果副边开关管MS两端的电压VDS小于第三副边阈值VTHS3，第一副边比较信号COS1变为高电平，副边开关管MS被导通。副边开关管MS的导通使得副边开关管MS两端的电压VDS小于第二副边阈值VTHS2，第一副边比较信号COS2又迅速被拉低，因此第一副边比较信号COS1为脉冲信号。如果副边开关管MS两端的电压VDS大于第四副边阈值VTHS4，第二比较信号COS2为低电平，副边开关管MS被关断。
图7是根据本发明另一实施例的图2中副边控制单元10的电路原理图。在图7所示的实施例中，副边控制单元10进一步包括脉冲发生器105，脉冲发生器105耦接在第一副边比较器CMS1的输出端和副边逻辑电路104的第一输入端之间。在一个实施例中，脉冲发生器105产生单脉冲信号。在另一个实施例中，脉冲发生器105产生具有固定导通时长和导通周期的多个脉冲信号。
图8是根据本发明一实施例的图2中原边控制单元20的框图。原边控制单元20包括第一原边控制电路201、第二原边控制电路202和原边逻辑电路203。
第一原边控制电路201通过原边电流检测信号CS、反馈信号FB和原边开关管两端的电压VDSP中的一个或多个电参数来检测副边开关管MS的导通状态，产生第一原边控制信号P1_DRV。
第二原边控制电路202具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收原边电流检测信号CS，第二输入端接收反馈信号FB，第三输入端接收原边控制信号P_DRV，基于原边电流检测信号CS、反馈信号FB以及原边控制信号P_DRV，第二原边控制电路202在输出端产生第一原边比较信号COP1和第二原边比较信号COP2。
原边逻辑电路203具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收第一原边比较信号COP1，第二输入端接收第二原边比较信号COP2，第三输入端接收第一原边控制信号P1_DRV，原边逻辑电路203基于第一原边比较信号COP1、第二原边比较信号COP2和第一原边控制信号P1_DRV，在输出端产生原边控制信号P_DRV。在一个实施例中，原边逻辑电路203包括或门OR1与触发器FFP1，其连接方式如图8所示。
如果第一原边控制电路201检测到副边开关管MS导通，即开关电源100在断续时间段内负载突然增加时，第一原边控制电路201产生高电平的第一原边控制信号P1_DRV，以置位触发器FFP1将原边开关管MP导通。否则，产生低电平的第一原边控制信号P1_DRV。
图9是根据本发明一实施例的原边控制单元20的电路原理图。在图9所示的实施例中，第二原边控制电路202包括第一原边比较器CMP1、采样保持电路2021、误差放大器EA、锯齿波发生器2022和第二原边比较器CMP2。
第一原边比较器CMP1具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相端接收原边电流检测信号CS，反相输入端接收第一原边阈值VTHP1，第一原边比较器CMP1将原边电流检测信号CS与第一原边阈值VTHP1进行比较，在输出端产生第一原边比较信号COP1。采样保持电路2021具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至反馈单元40以接收反馈信号FB，第二输入端接收原边控制信号P_DRV，采样保持电路2021基于原边控制信号P_DRV对反馈信号FB进行采样保持，在输出端产生采样保持信号SH。
误差放大器EA具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至采样保持电路2021的输出端以接收采样保持信号SH，第二输入端接收第二原边阈值VTHP2，误差放大器EA基于采样保持信号SH和第二原边阈值VTHP2，在输出端产生补偿信号COMP。锯齿波发生器2022用于产生锯齿波信号VC。
第二原边比较器CMP2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中反相输入端接收补偿信号COMP，同相输入端接收锯齿波信号VC，第二原边比较器CMP2将补偿信号COMP与锯齿波信号VC进行比较，在输出端产生第二原边比较信号COP2。
开关电源100工作于轻载或重载模式时，误差放大器EA将采样保持信号SH与第二原边阈值VTHP2的差值进行放大得到补偿信号COMP。当反馈信号FB增大时，补偿信号COMP也随之增大；当反馈信号FB减小时，补偿信号COMP也随之减小。锯齿波信号VC在每个开关周期内从零开始增大，当其增大至补偿信号COMP时，第二原边比较器CMP2产生高电平的第二原边比较信号COP2。之后，锯齿波信号VC重新从零开始增大，第二原边比较器CMP2的高电平结束。第二原边比较器CMP2的两次高电平脉冲间的时长即为原边开关管MP的开关周期。第二原边比较器CMP2的上述高电平置位触发器FFP1，将原边开关管MP导通。在原边开关管MP导通后，原边电流和原边电流检测信号CS逐渐增大。当原边电流检测信号CS增大至第一原边阈值VTHP1时，第一原边比较器CMP1输出高电平的第一原边比较信号COP1。第一原边比较器CMP1的上述高电平复位触发器FFP1，将原边开关管MP关断。在本发明的实施例中，第一原边阈值VTHP1可以为恒定值，也可以是随原边电流的峰值变化而变化的可变值。
根据前面的讨论，开关电源100在断续时间段内负载突然增加时，第一原边控制电路201产生高电平的第一原边控制信号P1_DRV，置位触发器FFP1，将原边开关管MP导通。
图10是根据本发明另一实施例的图2中原边控制单元20的框图。在图10所示的实施例中，原边控制单元20包括第一原边控制电路201、第二原边控制电路202和原边逻辑电路203。
第一原边控制电路201通过检测副边开关管MS的导通状态，产生第一原边控制信号P1_DRV。第二原边控制电路202具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和输出端，其中第一输入端接收原边电流检测信号CS，第二输入端接收反馈信号FB，第三输入端接收原边控制信号P_DRV，第四输入端接收第一原边控制信号P1_DRV，第二原边控制电路202基于原边电流检测信号CS、反馈信号FB、原边控制信号P_DRV以及第一原边控制信号P1_DRV，在输出端产生第一原边比较信号COP1和第二原边比较信号COP2。原边逻辑电路203具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第一原边比较信号COP1，第二输入端接收第二原边比较信号COP2，原边逻辑电路203基于第一原边比较信号COP1和第二原边比较信号COP2，在输出端产生原边控制信号P_DRV。在图10所示的实施例中，原边逻辑电路203包括触发器FFP2。
图11是根据本发明另一实施例的原边控制单元20的电路原理图。在图11所示的实施例中，第二原边控制电路202包括第一原边比较器CMP1、采样保持电路2021、误差放大器EA、选择电路2023和第二原边比较器CMP2。如图11所示，误差放大器EA在其输出端产生第一补偿信号COMP1。选择电路2023具有第一输入端、第二输入端、控制端以及输出端，其中第一输入端耦接至误差放大器EA的输出端以接收第一补偿信号COMP1，第二输入端接收预设补偿信号COMP2，控制端接收第一原边控制信号P1_DRV，选择电路2023基于第一原边控制信号P1_DRV，选择将第一补偿信号COMP1与预设补偿信号COMP2中的一个作为补偿信号COMP提供至输出端。在一个实施例中，开关电源100工作于轻载或重载模式时，第一原边控制信号P1_DRV为低电平，选择电路2023选择将第一补偿信号COMP1作为补偿信号COMP提供至其输出端。开关电源100在断续时间段内负载突然增加时，第一原边控制信号P1_DRV为高电平，选择电路2023选择将预设补偿信号COMP2作为补偿信号COMP提供至其输出端。在一个实施例中，预设补偿信号COMP2的预设值为零。在其它实施例中，预设补偿信号COMP2是其它接近0的值。采用图11所示的原边控制单元20，可以加快开关电源原边侧对副边侧负载突增的响应速度，最大限度地减小断续时间段内负载突增对输出电压的影响，从而提高开关电源100的效率。
图9和图11所示的第二原边控制电路202均采用关断时间控制，与原边逻辑电路203一起配合，基于原边电流检测信号CS、反馈信号FB和第一原边控制信号P1_DRV，产生原边控制信号P_DRV。然而，本领域技术人员可以理解，在其他实施例中，第二原边控制电路也可以采用任何其他合适的控制方式，例如准谐振控制。
图12是根据本发明一实施例的图8中第一原边控制电路201的电路原理图。如图12所示，第一原边控制电路201包括第三原边比较器CMP3、原边计时电路2011和第四原边比较器CMP4。第三原边比较器CMP3具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中反相输入端接收反馈信号FB，同相输入端接收第三原边阈值VTHP3，第三原边比较器CMP3将反馈信号FB与第三原边阈值VTHP3进行比较，在输出端产生第三原边比较信号COP3，以使能或禁用原边计时电路2011。原边计时电路2011具有输入端和输出端，其中输入端接收第三原边比较信号COP3，基于第三比较信号COP3，原边计时电路2011的计时时长满第二预设时长后，在输出端产生原边使能信号ENP。当第三原边比较信号COP3为高电平时，原边计时电路2011工作，进行计时；当第三原边比较信号COP3为低电平时，原边计时电路2011不工作，停止计时并清零。第四原边比较器CMP4具有使能端、同相输入端、反相输入端和输出端，其中使能端接收原边使能信号ENP，同相输入端接收反馈信号FB，反相输入端接收第四原边阈值VTHP4，基于原边使能信号ENP，第四原边比较器CMP4将反馈信号FB与第四原边阈值VTHP4进行比较，在输出端产生第一原边控制信号P1_DRV。
图13a和13b是根据本发明实施例的图8中第一原边控制电路201的电路原理图。在图13a所示的实施例中，第一原边控制电路201包括第五原边比较器CMP5。第五原边比较器CMP5具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收原边电流检测信号CS，反相输入端接收第五原边阈值VTHP5，第五原边比较器CMP5将代表负向原边电流的原边电流检测信号CS与第五原边阈值VTHP5进行比较，在输出端产生第一原边控制信号P1_DRV。
在开关电源的断续时间段内，副边开关管MS被导通以产生负的副边电流，该负的副边电流在原边绕组Na上耦合出负的原边电流。当代表负的原边电流的原边电流检测信号CS增大至第五原边阈值VTHP5时，第五原边比较器CMP5在输出端产生高电平的第一原边控制信号P1_DRV，用以控制原边开关管MP导通。
图13b所示的第一原边控制电路201通过检测原边开关管MP两端的电压VDSP来实现原边开关管MP的零电压导通。第一原边控制电路201包括第六原边比较器CMP6。第六原边比较器CMP6具有使能端、同相输入端、反相输入端和输出端，其中使能端接收原边使能信号ENP，同相输入端接收第六原边阈值VTHP6，反相输入端接收原边开关管MP两端的电压VDSP，基于原边使能信号ENP，第六原边比较器CMP6将原边开关管MP两端的电压VDSP与第六原边阈值VTHP6进行比较，在输出端产生第一原边控制信号P1_DRV。
在开关电源的断续时间段内副边开关管MS被导通时，在原边绕组上耦合出负的原边电流使得位于原边开关管MP两端的缓冲电容器(图2中未示出)放电，原边开关管MP两端的电压VDSP逐渐减小。在原边开关管两端的电压VDSP减小至第六原边阈值VTHP6(例如0V)时，第六原边比较器CMP6在输出端产生高电平的第一原边控制信号P1_DRV，用以控制原边开关管MP导通。
在图2所示的实施例中，副边开关管MS为MOSFET。在一个实施例中，当副边开关管MS导通时，副边开关管MS工作在饱和状态，流过副边开关管MS的最大电流IDS_Sat被限制在一个较低的值，与副边开关管MS两端的电压VDS无关，仅受其栅源电压VGS的控制。这样的电流限制方式不仅可以保护副边开关管免受损害，而且可以将对输出电压Vo的影响降低到最小。在其它实施例中，副边开关管MS可采用其他类型合适的晶体管。
在一个实施例中，副边开关管MS为分立元件。在另一个实施例中，副边开关管MS与副边控制单元10集成在一个二端子的副边控制芯片中。该副边控制芯片的两个端子分别连接至副边整流二极管D0的阴极和阳极。副边控制芯片不需要任何其他额外的元器件或连接端子，与前面实施例所述的原边控制单元一起，构成一种结构简单、低成本的原边控制解决方案，用以减小开关电源的空载损耗、改善开关电源的动态负载响应性能。
图14是根据本发明另一实施例的原边控制的开关电源200的电路原理图。上述实施例的原边控制的开关电源均涉及副边整流二极管和与其并联的副边开关管。本领域的普通技术人员应当理解，图14所示的开关电源200也同样适用于本发明。与图2相比，图14中的开关电源200采用同步整流管MS1及其体二极管来分别替换图2中的副边开关管MS和副边整流二极管D0。前述的副边控制单元10以及原边控制单元20的各个实施例均可应用于采用同步整流管MS1作为副边整流的开关电源200，同步整流管MS1同样满足本发明的精神和保护范围。
图15是根据本发明一实施例的用于原边控制的开关电源的控制方法的流程图。该开关电源包括具有原边绕组、副边绕组和辅助绕组的变压器、耦接至原边绕组的原边开关管、耦接至副边绕组的副边整流二极管以及与副边整流二极管并联的副边开关管，该原边绕组耦接以接收输入电压，副边绕组耦接至负载以提供输出电压。该控制方法如下：
首先在副边侧，产生控制副边开关管的副边控制信号，包括以下步骤：
在步骤301和302中，将副边开关管两端的电压与第一副边阈值和第二副边阈值进行迟滞比较，产生迟滞比较信号。
当迟滞比较信号有效时，即副边开关管两端的电压大于或大于等于第一副边阈值时，执行步骤303，进行计时。当迟滞比较信号无效时，即副边开关管两端的电压小于或小于等于第二副边阈值时，执行步骤304，停止计时。
在步骤305，将计时时长与第一预设时长相比较。若计时时长大于第一预设时长，则产生有效的副边使能信号，进入步骤306。否则，进入步骤307，计时清零，并返回开始阶段。
在步骤306，将副边开关管两端的电压与第三副边阈值相比较。若副边开关管两端的电压大于第三副边阈值，进入步骤308，以导通副边开关管。否则返回步骤305。
此外，副边侧产生副边开关管的副边控制信号的步骤还包括：
在步骤309，将副边开关管两端的电压与第四副边阈值进行比较。若副边开关管两端的电压大于第四副边阈值，则进入步骤310，关断副边开关管。
另一方面，在原边侧，产生控制原边开关管的原边控制信号，包括以下步骤：
在步骤311，从与辅助绕组耦接的反馈单元获取一代表输出电压的反馈信号。
在步骤312，对流过原边开关管的电流进行检测，产生原边电流检测信号。
在步骤313，检测副边开关管的导通状态，产生第一原边控制信号。
在步骤314，基于原边电流检测信号、反馈信号和第一原边控制信号，产生原边控制信号。
在一个实施例中，步骤314包括：将原边电流检测信号与第一原边阈值相比较，产生第一原边比较信号；基于原边控制信号，对反馈信号进行采样保持，产生采样保持信号；对采样保持信号和第二原边阈值的差值进行误差放大，产生补偿信号；将补偿信号和锯齿波信号进行比较，产生第二比较信号；基于第一比较信号、第二比较信号以及第一原边控制信号，产生原边控制信号。
在另一个实施例中，步骤314包括：将原边电流检测信号与第一原边阈值相比较，产生第一原边比较信号；基于原边控制信号，对反馈信号进行采样保持，产生采样保持信号；对采样保持信号和第二原边阈值的差值进行误差放大，产生第一补偿信号；基于第一原边控制信号，选择将第一补偿信号和预设补偿信号中的一个作为补偿信号；将补偿信号和锯齿波信号进行比较，产生第二比较信号；基于第一比较信号和第二比较信号，产生原边控制信号。
在一个实施例中，步骤313包括：将反馈信号与第三原边阈值进行比较，产生第三原边比较信号；当第三比较信号为高电平时，进行计时，当第三比较信号为低电平时，停止计时；计时时长满第二预设时长后，产生原边使能信号；以及基于原边使能信号，将反馈信号与第四原边阈值进行比较，产生第一原边控制信号。
在又一个实施例中，步骤313包括：将代表负向原边电流的原边电流检测信号与第五原边阈值相比较，产生第一原边控制信号。
在另一个实施例中，步骤313包括：将原边开关管两端的电压与第六原边阈值进行比较，产生第一原边控制信号。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种原边控制的开关电源，包括：
变压器，具有原边绕组、副边绕组和辅助绕组，其中，原边绕组耦接以接收输入电压，副边绕组耦接至负载以提供输出电压；
原边开关管，耦接至变压器的原边绕组；
副边整流二极管，耦接至变压器的副边绕组；
副边开关管，与副边整流二极管并联；
反馈单元，耦接至变压器的辅助绕组，产生代表开关电源输出电压的反馈信号；
电流检测单元，产生代表流过原边开关管电流的电流检测信号；
副边控制单元，根据副边开关管两端电压的电压波形，产生副边控制信号以控制副边开关管；
原边控制单元，分别耦接至电流检测单元和反馈单元以接收原边电流检测信号和反馈信号，产生原边控制信号以控制原边开关管，其中原边控制单元在检测到副边开关管导通时，将原边开关管导通；
其中副边控制单元包括：
阈值产生电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收副边开关管两端的电压，阈值产生电路对副边开关管两端的电压进行稳压变换，在输出端产生多个副边阈值；
迟滞比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收副边开关管两端的电压，第二输入端接收第一副边阈值和第二副边阈值，迟滞比较电路将副边开关管两端的电压与第一副边阈值和第二副边阈值进行迟滞比较，在输出端产生迟滞比较信号；
副边计时电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收迟滞比较信号，基于迟滞比较信号，副边计时电路在计时时长达到第一预设时长时，在输出端产生副边使能信号；
第一副边比较器，具有使能端、第一输入端、第二输入端和输出端，其中使能端接收副边使能信号，第一输入端接收副边开关管两端的电压，第二输入端接收第三副边阈值，第一副边比较器在副边使能信号有效时将副边开关管两端的电压与第三副边阈值进行比较，在输出端产生第一副边比较信号；
第二副边比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第四副边阈值，第二输入端接收副边开关管两端的电压，第二副边比较器将副边开关管两端的电压与第四副边阈值进行比较，在输出端产生第二副边比较信号；以及
副边逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端耦接至第一副边比较器的输出端以接收第一副边比较信号，第二输入端耦接至第二副边比较器的输出端以接收第二副边比较信号，第三输入端耦接至副边计时电路的输出端以接收副边使能信号，副边逻辑电路基于第一副边比较信号、第二副边比较信号和副边使能信号，在输出端产生副边控制信号。
2.如权利要求1所述的开关电源，其中副边控制单元还包括脉冲发生器，该脉冲发生器耦接在第一副边比较器的输出端和副边逻辑电路的第一输入端之间。
3.如权利要求1所述的开关电源，其中原边控制单元包括：
第一原边控制电路，通过检测副边开关管的导通状态，产生第一原边控制信号；
第二原边控制电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收原边电流检测信号，第二输入端接收反馈信号，第三输入端接收原边控制信号，第二原边控制电路基于原边电流检测信号、反馈信号和原边控制信号，在输出端产生第一原边比较信号和第二原边比较信号；以及
原边逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收第一原边比较信号，第二输入端接收第二原边比较信号，第三输入端接收第一原边控制信号，原边逻辑电路基于第一原边比较信号、第二原边比较信号和第一原边控制信号，在输出端产生原边控制信号。
4.如权利要求3所述的开关电源，其中第二原边控制电路包括：
第一原边比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收原边电流检测信号，第二输入端接收第一原边阈值，第一原边比较器将原边电流检测信号与第一原边阈值进行比较，在输出端产生第一原边比较信号；
采样保持电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至反馈单元以接收反馈信号，第二输入端接收原边控制信号，采样保持电路基于原边控制信号对反馈信号进行采样保持，在输出端产生采样保持信号；
误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至采样保持电路的输出端以接收采样保持信号，第二输入端接收第二原边阈值，误差放大器基于采样保持信号和第二原边阈值，在输出端产生补偿信号；
第二原边比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收补偿信号，第二输入端接收锯齿波信号，第二原边比较器将补偿信号与锯齿波信号进行比较，在输出端产生第二原边比较信号。
5.如权利要求1所述的开关电源，其中原边控制单元包括：
第一原边控制电路，通过检测副边开关管的导通状态，产生第一原边控制信号；
第二原边控制电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和输出端，其中第一输入端接收原边电流检测信号，第二输入端接收反馈信号，第三输入端接收原边控制信号，第四输入端接收第一原边控制信号，第二原边控制电路基于原边电流检测信号、反馈信号、原边控制信号以及第一原边控制信号，在输出端产生第一原边比较信号和第二原边比较信号；以及
原边逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第一原边比较信号，第二输入端接收第二原边比较信号，原边逻辑电路基于第一原边比较信号和第二原边比较信号，在输出端产生原边控制信号。
6.如权利要求5所述的开关电源，其中第二原边控制电路包括：
第一原边比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收原边电流检测信号，第二输入端接收第一原边阈值，第一原边比较器将原边电流检测信号与第一原边阈值进行比较，在输出端产生第一原边比较信号；
采样保持电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至反馈单元以接收反馈信号，第二输入端接收原边控制信号，采样保持电路基于原边控制信号对反馈信号进行采样保持，在输出端产生采样保持信号；
误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至采样保持电路的输出端以接收采样保持信号，第二输入端接收第二原边阈值，误差放大器基于采样保持信号和第二原边阈值，在输出端产生第一补偿信号；
选择电路，具有第一输入端、第二输入端、控制端以及输出端，其中第一输入端耦接至误差放大器的输出端以接收第一补偿信号，第二输入端接收预设补偿信号，控制端接收第一原边控制信号，选择电路基于第一原边控制信号，选择将第一补偿信号与预设补偿信号中的一个作为补偿信号提供至输出端；以及
第二原边比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至选择电路的输出端接收补偿信号，第二输入端接收锯齿波信号，第二原边比较器将补偿信号与锯齿波信号进行比较，在输出端产生第二原边比较信号。
7.如权利要求3或5所述的开关电源，其中第一原边控制电路包括：
第三原边比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收反馈信号，第二输入端接收第三原边阈值，第三原边比较器将反馈信号与第三原边阈值进行比较，在输出端产生第三原边比较信号；
原边计时电路，具有输入端和输出端，其中输入端接收第三原边比较信号，基于第三原边比较信号，原边计时电路的计时时长满第二预设时长后，在输出端产生原边使能信号；以及
第四原边比较器，具有使能端、第一输入端、第二输入端和输出端，其中使能端接收原边使能信号，第一输入端接收反馈信号，第二输入端接收第四原边阈值，基于原边使能信号，第四原边比较器将反馈信号与第四原边阈值进行比较，在输出端产生第一原边控制信号。
8.如权利要求3或5所述的开关电源，其中第一原边控制电路包括
第五原边比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收原边电流检测信号，第二输入端接收第五原边阈值，第五原边比较器将代表负向原边电流的原边电流检测信号与第五原边阈值进行比较，在输出端产生第一原边控制信号。
9.如权利要求3或5所述的开关电源，其中第一原边控制电路包括
第六原边比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第六原边阈值，第二输入端接收原边开关管两端的电压，第六原边比较器将原边开关管两端的电压与第六原边阈值进行比较，在输出端产生第一原边控制信号。
10.一种如权利要求1～6任一项所述的开关电源，其中副边开关管为同步整流管，副边整流二极管为同步整流管的体二极管。
11.一种用于原边控制的开关电源的控制方法，该开关电源包括具有原边绕组、副边绕组和辅助绕组的变压器、耦接至原边绕组的原边开关管、耦接至副边绕组的副边整流二极管以及与副边整流二极管并联的副边开关管，所述原边绕组耦接以接收输入电压，副边绕组耦接至负载以提供输出电压，所述控制方法包括：
在副边侧，产生控制副边开关管的副边控制信号，执行以下步骤：
将副边开关管两端的电压与第一副边阈值和第二副边阈值进行迟滞比较，产生迟滞比较信号；
当迟滞比较信号有效时，进行计时；当迟滞比较信号无效时，停止计时；
如计时时长达到第一预设时长，产生副边使能信号；
基于副边使能信号，将副边开关管两端的电压与第一副边阈值相比较；
如果副边开关管两端的电压小于第三副边阈值，则导通副边开关管；以及
将副边开关管两端的电压与第四副边阈值相比较；
如果副边开关管两端的电压大于第四副边阈值，则关断副边开关管；
在原边侧，产生控制原边开关管的原边控制信号，执行以下步骤：
从与辅助绕组耦接的反馈单元获取一代表输出电压的反馈信号；
对流过原边开关管的电流进行检测，产生原边电流检测信号；
检测副边开关管的导通状态，产生第一原边控制信号；
基于原边电流检测信号、反馈信号和第一原边控制信号，产生原边控制信号。
12.如权利要求11所述的控制方法，产生原边控制信号的方法包括：
将原边电流检测信号与第一原边阈值相比较，产生第一原边比较信号；
基于原边控制信号，对反馈信号进行采样保持，产生采样保持信号；
对采样保持信号和第二原边阈值的差值进行误差放大，产生补偿信号；
将补偿信号和锯齿波信号进行比较，产生第二比较信号；以及
基于第一比较信号、第二比较信号以及第一原边控制信号，产生原边控制信号。
13.如权利要求11所述的控制方法，产生原边控制信号的方法包括：
将原边电流检测信号与第一原边阈值相比较，产生第一原边比较信号；
基于原边控制信号，对反馈信号进行采样保持，产生采样保持信号；
对采样保持信号和第二原边阈值的差值进行误差放大，产生第一补偿信号；
基于第一原边控制信号，选择将第一补偿信号和预设补偿信号中的一个作为补偿信号；
将补偿信号和锯齿波信号进行比较，产生第二比较信号；以及
基于第一比较信号和第二比较信号，产生原边控制信号。
14.如权利要求11所述的控制方法，其中产生第一原边控制信号的方法包括：
将反馈信号与第三原边阈值进行比较，产生第三原边比较信号；
当第三比较信号为高电平时，进行计时，当第三比较信号为低电平时，停止计时；
计时时长满第二预设时长后，产生原边使能信号；以及
基于原边使能信号，将反馈信号与第四原边阈值进行比较，产生第一原边控制信号。
15.如权利要求11所述的控制方法，其中产生第一原边控制信号的方法包括将代表负向原边电流的原边电流检测信号与第五原边阈值相比较，产生第一原边控制信号。
16.如权利要求11所述的控制方法，其中产生第一原边控制信号的方法包括将原边开关管两端的电压与第六原边阈值进行比较，产生第一原边控制信号。
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