CN104170230B - 开关电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的开关电源装置包括开关电源装置主体、以及频率控制电路，该频率控制电路根据与该开关电源装置主体的输出电压相对应的反馈信号来控制开关元件的开关频率。特别是，所述频率控制电路分成所述反馈信号的反馈量大于规定的边界值的频率控制区域、以及反馈量小于规定的边界值的频率控制区域，在所述反馈量较小的频率控制区域中执行频率线性控制，即根据所述反馈信号使所述开关元件的开关频率呈线性变化，而在所述反馈量较大的频率控制区域中执行周期线性控制，即根据所述反馈信号使所述开关元件的开关周期呈线性变化。

Description

开关电源装置
技术领域
本发明涉及防止反馈控制循环中的振荡以力图使开关动作稳定的电流谐振型的开关电源装置。
背景技术
图5是以LLC方式的转换器装置为代表的电流谐振型的开关电源装置的简要结构图。这种电流谐振型的开关电源装置包括串联连接以形成半桥电路、且对输入电压Vin交替地进行开关的第一和第二开关元件Q1、Q2。所述第一开关元件Q1串联地经由电容器Cr和电感器Lr与绝缘变压器T的一次绕组P串联连接。另外，所述第二开关元件Q2经由所述电容器Cr和所述电感器Lr与所述绝缘变压器T的一次绕组P并联连接。而且，由二极管D1、D2和输出电容器Cout构成的输出电路与所述绝缘变压器T的二次绕组S1、S2相连接。
所述开关电源装置使所述第一开关元件Q1导通以在所述一次绕组P中流过电流之后，使所述第二开关元件Q2导通以在由所述电容器Cr、电感器Lr、和所述绝缘变压器T的漏感Lm构成的谐振电路中产生电流谐振。所述开关电源装置通过重复上述动作从而在所述绝缘变压器T的一次绕组P中流过交变电流。另外，所述输出电路经由所述二极管D1、D2对所述绝缘变压器T的二次绕组S1、S2中产生的交变电压进行整流，并利用所述输出电容器Cout进行平滑，从而得到规定的输出电压Vout。
此外，图5中CONT是对所述第一和第二开关元件Q1、Q2交替地进行导通驱动的控制电路。该控制电路由生成开关频率fs的驱动信号的振荡器构成。另外，VS是检测所述输出电压Vout以生成与该输出电压Vout相对应的反馈信号FB的输出电压检测电路。所述控制电路CONT根据由所述输出电压检测电路VS提供的所述反馈信号FB来控制所述第一和第二开关元件Q1、Q2的开关频率fs，由此使所述输出电压Vout恒定。
图6示意性地示出所述开关电源装置的反馈控制循环的概念。所述控制电路CONT以开关频率fs交替地对开关电源装置主体SW中的所述第一和第二开关元件Q1、Q2进行导通驱动。另外，所述输出电压检测电路VS检测所述开关电源装置主体SW的输出电压Vout，根据检测出的输出电压Vout来生成所述反馈信号FB。该反馈信号FB由反馈电压VFB或反馈电流IFB构成。所述控制电路CONT通过对这种反馈信号FB进行频率转换，从而控制所述开关频率fs[＝f(Vout)]。例如在专利文献1中详细介绍的那样，通过控制所述开关频率fs，从而使所述开关电源装置主体SW中的输入输出电压比(电压转换比)发生变化，使所述输出电压Vout恒定。
此外，所述开关电源装置中的输入输出电压比取决于所述开关频率fs而发生变化，并且根据负载电阻Ro的大小如图7所示那样发生变化。具体而言，所述输入输出电压比如图7所示，随着开关频率fs变高而变高，在某一频率fr达到最大之后，逐渐降低。而且，在所述开关频率fs达到所述电流谐振电路的谐振频率fo时，所述输入输出电压比成为[1]。
因此，所述开关电源装置通常构成为使得成为所述输入输出电压比始终在[1]以上的升压模式。具体而言，所述开关电源装置构成为以使得在所述输入输出电压比成为最大值的频率fr与所述谐振频率fo之间，根据所述反馈信号FB对所述开关频率fs进行调制控制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2009－171837号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
上述的开关频率fs的控制、即频率调制控制通过根据作为所述反馈信号FB提供的反馈电压VFB或反馈电流IFB对所述开关频率fs进行线性可变控制，或者对开关周期Ts进行线性可变控制来实现。此外，所述开关周期Ts相对于所述开关频率fs具有[fs＝1/Ts]的关系。因而，在对开关周期Ts进行线性控制的情况下，如图8中实线所示，成为所述反馈电压VFB越低、所述开关频率fs的变化越大的非线性控制特性。
在所述开关电源装置的输入电压Vin或输出电压Vout发生变化的情况下，若执行上述的开关频率fs的线性控制，则如图9中虚线所示，随着反馈电压VFB变大，所述谐振电路的增益上升得较大。而且，若所述反馈电压VFB变大，则上述的反馈控制循环的增益变大。于是，可能会导致所述反馈控制循环自身发生振荡，或动作不稳定。
对于这一点，若执行上述的开关周期Ts的线性控制，则如图9中实线所示，与所述开关频率fs的线性控制相比，能够抑制所述谐振电路的增益的上升。然而，相反地若所述反馈电压VFB变小，则与所述开关频率fs的线性控制相比，所述开关频率fs变高，并且所述反馈控制循环的增益也变高。于是，例如在开关电源装置启动时，会发生容易产生冲击电流等的问题。
本发明是考虑上述情况而完成的，其目的在于，消除上述的开关频率的线性控制、以及开关周期的线性控制分别包含的缺点，提供一种可防止反馈控制循环中的振荡、启动时的冲击电流的产生等以使开关动作稳定的电流谐振型的开关电源装置。
解决技术问题的技术方案
为了达到上述目的，本发明所涉及的开关电源装置具备：开关电源装置主体，该开关电源装置主体利用开关元件对输入电压进行开关并将其施加至电流谐振电路，从该电流谐振电路获得规定的输出电压；以及频率控制电路，该频率控制电路根据与该开关电源装置主体的输出电压相对应的反馈信号来控制所述开关元件的开关频率。
特别是，本发明所涉及的开关电源装置在所述频率控制电路中，将所述开关频率的控制区域分类成所述反馈信号的反馈量大于规定的边界值的频率控制区域、以及所述反馈信号的反馈量小于规定的边界值的频率控制区域。而且，所述频率控制电路在所述反馈量较小的频率控制区域中执行频率线性控制，即根据所述反馈信号使所述开关元件的开关频率呈线性变化。另外，所述频率控制电路在所述反馈量较大的频率控制区域中执行周期线性控制，即根据所述反馈信号使所述开关元件的开关周期呈线性变化。
优选为，所述频率控制电路具备：比较器，该比较器对由电流源进行充电的电容器的充电电压、与从电压源提供的电压进行比较，并使输出反转；以及振荡器，该振荡器由触发器构成，该触发器根据该比较器的输出进行置位、复位，从而生成对于所述开关元件的经过脉宽调制的驱动信号，并利用该驱动信号使所述电容器放电，从而对所述充电电压进行初始化。
通过使所述电流源的输出电流恒定，并根据所述反馈信号来使所述电压源的输出电压进行变化，从而执行所述频率线性控制，通过根据所述反馈信号来使所述电流源的输出电流进行变化，并使所述电压源的输出电压恒定，从而执行所述周期线性控制。
此外，所述频率控制电路将执行所述频率线性控制时的反馈控制循环的增益、与执行所述周期线性控制时的所述反馈控制循环的增益之间的大小关系互换时的所述反馈信号的大小作为所述边界值，选择性地执行所述频率线性控制和所述周期线性控制。具体而言，所述频率控制电路在所述反馈信号小于所述边界值时执行所述频率线性控制，在所述反馈信号大于所述边界值时执行所述周期线性控制。
发明效果
根据上述结构的开关电源装置，在基于与该开关电源装置主体的输出电压相对应的反馈信号对开关电源装置主体的开关频率进行频率调制以控制该输出电压时，根据所述反馈信号的大小来切换频率线性控制和周期线性控制。特别是，所述开关电源装置在反馈信号小于边界值时执行频率线性控制，在所述反馈信号大于边界值时执行周期线性控制。因而，根据本发明，能够抑制反馈控制循环的增益的计划外的上升，能够简单且有效地防止该反馈控制循环的振荡、启动时的冲击电流的产生等，可使开关动作稳定。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的开关电源装置的频率控制电路的结构例的图。
图2是表示本发明所涉及的开关电源装置中的频率调制控制的概念的图。
图3是表示图2所示的频率调制控制中的开关频率fs相对于反馈电压VFB的变化特性的图。
图4是表示图2所示的频率调制控制中的增益(△振荡频率/△反馈电压)相对于开关频率fs的特性的图。
图5是电流谐振型的开关电源装置的主要部分简要结构图。
图6是示意性地示出开关电源装置中的反馈控制循环的概念的图。
图7是表示输入输出电压比相对于开关频率fs的变化特性的图。
图8是表示开关频率fs相对于反馈电压VFB的变化特性的图。
图9是表示反馈控制循环的增益相对于反馈电压VFB的变化特性的图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的一个实施方式所涉及的开关电源装置。
该开关电源装置基本上与图5所示的现有装置相同，例如包括LLC方式的谐振电路而构成。因而，省略对开关电源装置的整体结构的说明。图1示出本实施方式所涉及的开关电源装置的所述控制电路CONT的主要部分简要结构。特别是，图1示出频率控制电路的结构，该频率控制电路设置于所述控制电路CONT，根据从所述输出电压检测电路VS反馈的反馈信号(反馈电压VFB)对给予开关电源装置主体SW的开关频率fs进行频率调制。
这里，所述频率控制电路中的振荡器VCO如图1所示，包括利用电流源1经由电流镜像电路2进行充电的电容器3、以及对该电容器3的充电电压Vc和从电压源4提供的电压Vps进行比较以使输出反转的比较器5。该比较器5在所述充电电压Vc大于所述电压Vps时使其输出成为高电平(H)，在所述充电电压Vc小于所述电压Vps时使其输出成为低电平(L)，进行反转动作。
所述比较器5的输出被输入至RS型的触发器6的置位端子，并且经由延迟·单触发电路7被输入至所述触发器6的复位端子。因而，所述触发器6在所述比较器5的输出成为H时被置位，之后接收所述延迟·单触发电路7的输出在预定时间之后被复位。这样，被置位·复位的所述触发器6的输出作为对所述开关电源装置主体SW中的所述第一开关元件Q1的导通宽度进行规定的驱动信号被提供。此外，在所述第一开关元件Q1断开之后，实施了规定的定时调整之后，所述第二开关元件Q2导通，在所述电流谐振电路中产生电流谐振。
另外，作为所述触发器6的输出的驱动信号被施加到与所述电容器3并联连接的例如由MOS-FET构成的开关元件8的栅极。该开关元件8根据所述触发器6的输出进行导通驱动，形成使充电到所述电容器3中的电荷放电的放电电路。因而，所述电容器3以由所述电容器3的电容C及其充电电流I、以及所述电压Vps确定的周期Tc[＝(C·Vps)/k·I]重复进行充放电。其中，上述k为常数。
构成所述半桥电路的一个开关元件Q1根据作为所述触发器6的输出的所述驱动信号进行开关驱动。因而，如图5所示由第一和第二开关元件Q1、Q2构成半桥电路的所述开关电源装置主体SW的开关频率fs作为所述电容器3的充放电周期Tc的相当于两个周期量的倒数[2k·I/(C·Vps)]被提供。
这里，本发明所涉及的开关电源装置的特征在于，构成为根据所述反馈电压VFB的大小分类成反馈量大的频率控制区域和反馈量小的频率控制区域，根据这些频率控制区域来改变所述电流源1和所述电压源4的功能。即，所述电流源1在所述反馈电压VFB的大小比预先设定的边界值Vx要大时(VFB>Vx)，使其输出电流I恒定。另外，所述电流源1在所述反馈电压VFB的大小比所述边界值Vx要小时(VFB<Vx)，根据所述反馈电压VFB使其输出电流I变化为[Io-kd·VFB]。此外，所述Io为所述电流源1的基准输出电流，所述kd为系数，而且所述[kd·VFB]表示与所述反馈电压VFB相对应的电流。
所述电压源4在所述反馈电压VFB的大小比预先设定的边界值Vx要大时(VFB>Vx)，根据所述反馈电压VFB使其输出电压Vps变化为[Vo-kc·VFB]。另外，所述电压源4在所述反馈电压VFB的大小比所述边界值Vx要小时(VFB<Vx)，使其输出电压Vps恒定。此外，所述Vo为所述电压源4的基准输出电压，所述kc为系数，而且所述[kc·VFB]表示与所述反馈电压VFB相对应的电压。
因而，根据上述那样构成的开关电源装置中的所述振荡器VCO，在所述反馈电压VFB比所述边界值Vx要大时(VFB>Vx)，所述电流源1的输出电流恒定，所述电压源4的输出电压Vps根据所述反馈电压VFB呈线性变化为[Vo-kc·VFB]。其结果是，所述电容器3的充放电周期Tc成为
Tc＝C(Vo―kc·VFB)/(k·I)。
因而，所述振荡器VCO的振荡周期被控制成与所述反馈电压VFB呈线性。即，执行周期线性控制。
另外，在所述反馈电压VFB比所述边界值Vx要小时(VFB<Vx)，所述电流源1的输出电流根据所述反馈电压VFB呈线性变化为[Io-kd·VFB]，所述电压源4的输出电压Vps恒定。其结果是，所述电容器3的充放电周期Tc成为
Tc＝C·Vps/{k·(Io―kd·VFB)}。
而且，作为所述电容器3的充放电周期Tc的相当于两个周期量的倒数提供的所述开关电源装置主体SW的开关频率fs成为
fs＝2k·(Io―kd·VFB)/(C·Vps)。
因而，所述振荡器VCO的振荡频率被控制成与所述反馈电压VFB呈线性。即，执行频率线性控制。
这样如上所述，振荡器VCO构成为根据所述反馈电压VFB对所述电流源1和所述电压源4的功能进行切换，根据该振荡器VCO，能够根据所述反馈电压VFB的大小将所述反馈控制循环中的频率调制控制切换成频率线性控制和周期线性控制。特别是如图2中示出频率调制控制的概念那样，在所述反馈电压VFB比所述边界值Vx要小(VFB<Vx)时执行频率线性控制。相反地，在所述反馈电压VFB比所述边界值Vx要大(VFB>Vx)时，执行周期线性控制。
其结果是，如图2所示，能够通过所述周期线性控制来抑制所述反馈电压VFB较大时的所述反馈控制循环的增益的计划外的上升，能够防止该反馈控制循环的振荡。另外，在所述反馈电压VFB较小时，能够通过所述频率线性控制来抑制所述反馈控制循环的增益的上升。因而，能够有效地防止开关电源装置启动时的冲击电流的产生等。
此外，图3中用实线示出开关电源装置中的反馈电压VFB与开关频率fc之间的关系。另外，图3中用一点划线示出现有的单独执行频率线性控制时的特性，用两点划线示出单独执行周期线性控制时的特性。
另外，图4中用实线示出本开关电源装置中的开关频率fc与反馈控制循环的增益(＝△振荡频率/△反馈电压)之间的关系。而且，图4中用一点划线示出现有的单独执行频率线性控制时的特性，用两点划线示出单独执行周期线性控制时的特性。
如这些图3和图4中分别对比所示，根据本发明的频率调制控制，由于选择性地执行所述频率线性控制和所述周期线性控制，因此在与所述开关频率fc的反馈信号、即所述反馈电压VFB相对应的所有可变控制范围(fr～fo)中能够将反馈控制循环的增益抑制得较低。因而，能够防止所述反馈控制循环的计划外的振荡等不佳情况。而且，仅仅根据所述反馈电压VFB对频率线性控制和周期线性控制进行切换就能简单地使反馈控制循环稳定，其实用上的优点非常大。
此外，关于对所述频率线性控制和周期线性控制进行切换时的对于所述反馈电压VFB的边界值Vx，只要基于例如上述的图2所示的反馈电压VFB与反馈控制循环的增益之间的关系来决定即可。即，只要将根据所述频率线性控制得到的增益特性和根据所述周期线性控制得到的增益特性之间的交点、即其增益相等时的反馈电压VFB确定为控制切换用的边界值Vx即可。另外，关于所述边界值Vx，也可通过基于反馈控制循环的电路常数的运算来决定，也可根据基于实验的实测数据来决定。而且，若决定了上述边界值Vx，则只要基于该边界值Vx来分别决定所述电流源1和电压源4中的上述各系数即可。
另外，本发明并不局限于上述的实施方式。这里，以构成图5所示的半桥电路的转换器装置为例进行了说明，但当然也可同样地应用于以往公知的各种方式的电流谐振型开关电源装置中的频率调制控制中。另外，即使在根据反馈电流IFB来执行频率调制控制的情况下，也当然可应用本发明。关键是，本发明可以在不脱离其要点的范围内进行各种变形来实施。
标号说明
SW 开关电源装置主体
Q1、Q2 开关元件
Cr 电容器
Lr 电感
T 绝缘变压器
D1、D2 二极管
Cout 输出电容器
CONT 控制电路
VS 输出电压检测电路
VCO 振荡器
1 电流源
2 电流镜像电路
3 电容器
4 电压源
5 比较器
6 触发器
7 延迟·单触发电路
8 开关元件(MOS-FET)

Claims (4)

1.一种开关电源装置，其特征在于，
具备：开关电源装置主体，该开关电源装置主体利用开关元件对输入电压进行开关并将其施加至电流谐振电路，从该电流谐振电路获得规定的输出电压；以及频率控制电路，该频率控制电路根据与该开关电源装置主体的输出电压相对应的反馈信号来控制所述开关元件的开关频率，
所述频率控制电路将所述开关频率的频率区域分类成所述反馈信号的反馈量大于规定的边界值的频率控制区域、以及所述反馈信号的反馈量小于规定的边界值的频率控制区域，在所述反馈量较小的频率控制区域中执行频率线性控制，即、根据所述反馈信号使所述开关元件的开关频率呈线性变化，而在所述反馈量较大的频率控制区域中执行周期线性控制，即、根据所述反馈信号使所述开关元件的开关周期呈线性变化。
2.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述频率控制电路具备：比较器；该比较器对由电流源进行充电的电容器的充电电压、与从电压源提供的电压进行比较，并反转输出；以及振荡器，该振荡器由触发器构成，该触发器根据该比较器的输出进行置位、复位，从而生成对于所述开关元件的经过脉宽调制的驱动控制信号，并利用该驱动控制信号使所述电容器放电，从而对所述充电电压进行初始化，
通过使所述电流源的输出电流恒定，并根据所述反馈信号来使所述电压源的输出电压进行变化，从而执行所述频率线性控制，通过根据所述反馈信号来使所述电流源的输出电流进行变化，并使所述电压源的输出电压恒定，从而执行所述周期线性控制。
3.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述频率控制电路将执行所述频率线性控制时的反馈控制循环的增益、与执行所述周期线性控制时的所述反馈控制循环的增益之间的大小关系互换时的所述反馈信号的大小作为所述边界值，在所述反馈信号小于所述边界值时执行所述频率线性控制，在所述反馈信号大于所述边界值时执行所述周期线性控制。
4.如权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，
所述电流谐振电路由LLC方式的谐振电路构成。
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