CN104682727A - 带有电流补偿电路的原边恒压反馈ac/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器,主要解决输出线缆因长而细产生的压降导致AC/DC转换器输出端电压不稳定的问题。本发明在原边恒压反馈AC/DC转换器电路中增设了电流补偿电路，该电流补偿电路接在误差放大器输出端和采样模块输出端之间，电流补偿电路通过在误差放大器的负向端引一路电流反馈到采样模块的输出端，构成负反馈控制环路，其电压控制了PWM占空比的大小，保证系统输出电压的稳定。电流补偿模块包括有放大单元与电流镜，放大单元与电流镜可以采用MOS管构成，也可以采用三极管构成。本发明解决恒压输出不稳定问题。使得原边恒压反馈AC/DC转换器的输出电压保持稳定。

Description

带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及电流补偿电路，具体是一种带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器，可用于原边反馈控制的AC/DC转换器中的芯片。
背景技术
随着开关电源的普及和应用，开关电源逐渐朝着高效率化的方向发展，高效率化包括好的负载调整率，原边反馈控制的AC/DC开关电源与传统的副边反馈的光耦加TL431稳压源的结构相比,最大的优点是省去了这两个芯片以及与之配合工作的一组元器件,节省了系统板上的空间,降低了成本并且提高了系统可靠性,其缺点之一是负载调整率差。因此，如何改善原边反馈控制的AC/DC转换器的负载调整率给开关电源带来了新的挑战和课题。
图1给出了传统的原边反馈控制的AC/DC转换器的工作原理，系统外部的交流信号AC输入到整流滤波模块，输出直流电压信号到RCD缓冲模块的输入端，RCD缓冲模块连接到反激式转换模块的输入端用来抑制电磁干扰，采样模块对反激式转换模块的输出电压进行采样，并将输出的采样电压与误差放大器EA的反相端相连，且与输入误差放大器EA同相端的带隙基准电压VREF比较、放大，输出差分控制电压信号COMP到PWM控制模块的输入端，PWM控制模块输出PWM控制信号到反激式转换模块，从而控制反激式转换模块稳定输出电压。此传统的原边反馈控制的AC/DC开关电源的工作原理广泛应用于原边反馈AC/DC芯片中，从而得到稳定的输出电压。当输出线缆较长或线径较细时，线缆上会产生较大的内阻，例如，AC/DC转换器作为充电器时。在负载电流变化较大的情况下，输出线的末端电压也会有较大的变化，导致AC/DC转换器的输出电压不稳定，因此原边反馈AC/DC转换器还应提供对输出线缆压降补偿的功能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有原边反馈控制AC/DC转换器进入恒压模式以后，原边反馈控制AC/DC转换器在输出端会存在线缆压降，影响系统电压输出不稳定的问题，提出了一种带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器，使得转换器中的芯片进入恒压模式后输出电压维持恒定。
实现本发明的技术思路：将AC/DC转换器输出电压反馈到AC/DC转换器中的芯片内部，通过增设电流补偿电路在采样模块的输出端引一路电流来实现补偿。且可以通过预估补偿值来调节连接在反馈引脚上的分压电阻的总阻值(分压比不变)从而补偿不同负载线型和负载大小带来的线缆压降，以维持CV(恒压)曲线的水平性。
根据上述思路，本发明带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器的整流滤波模块将输入的交流电压信号AC进行整流、滤波，并输出直流电压信号到RCD缓冲模块的输入端；RCD缓冲模块的输出端连接到反激式转换模块的输入端，用于抑制反激式转换模块中的电磁干扰，且RCD缓冲模块的输入端并与LDMOS的漏极相连；反激式转换模块的输入端接收PWM控制模块输出的PWM控制信号，并输出电压信号到采样模块的输入端；采样模块用于采样反激式转换模块的输出电压，并输出电压信号INV到误差放大器的输入端；误差放大器用于将采样模块输出的电压信号INV与外部输入的基准电压VREF进行比较，并输出差分电压信号COMP到PWM控制模块的输入端；PWM控制模块用于将误差放大器输出的差分电压信号COMP转换成PWM控制信号，并将PWM控制信号输出至反激式转换模块的输入端，PWM控制模块的输出端并与LDMOS的栅极相连；LDMOS的源极与电阻R6的一端相连；电阻R6的另一端与地相连；其特征在于：该原边恒压反馈AC/DC转换器还包括有电流补偿模块，电流补偿模块的输出连接在采样模块的输出端，电流补偿模块的输入接在误差放大器的输出端，用于将误差放大器输入的差分电压信号COMP转换成电流信号，并将此电流信号连接到误差放大器的输入端的负向端，从而构成负反馈控制环路，对系统输出电压进行精确控制，保证系统输出电压的稳定。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.由于原边反馈控制AC/DC转换器在进入恒压模式后，其输出端会存在线缆压降的问题，影响系统输出电压不稳定，本发明通过添加的电流补偿电路，在误差放大器的负向端引一路电流反馈到采样模块的输出端，抬高采样模块的输出电压，其电压控制了PWM占空比的大小，从而来解决恒压输出不稳定问题。
2.本发明带有的电流补偿电路的原边反馈控制AC/DC转换器，可以通过采用调节补偿电流的方法，即，通过预估线缆电阻的大小，来调节连接在采样模块的分压电阻的总阻值(分压比不变)，补偿不同负载线型和负载大小带来的线缆压降，从而解决了系统面对不同的线缆压降时的稳压问题。
3.本发明带有的电流补偿电路的原边反馈控制AC/DC转换器，由于使用的器件数目较少，可以完全的集成到AC/DC转换器中的芯片中。
附图说明
图1是传统的原边反馈控制的AC/DC转换器的工作原理图；
图2是本发明带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC的原理图；
图3是本发明实施例1的工作原理图；
图4是本发明实施例2的工作原理图；
图5是本发明实施例1与传统AC/DC转换器的仿真对比图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
常用传统的原边反馈控制的AC/DC转换器，参见图1包括：整流滤波模块1、RCD缓冲模块2、反激式转换模块3、采样模块4、误差放大器5、PWM控制模块6，其具体电路结构如下：
其中整流滤波模块1，其由电流桥、电容C5构成；电流桥的输入端与系统外部的交流电压信号AC相连，其输出端与电容C5并联连接，从而输出直流电压信号到RCD缓冲模块。
RCD缓冲模块2，其由电阻R4、电容C2、肖特基二极管D1构成；电阻与电容C2并联连接，其一端引出与反激式转换模块相连，另一端引出与肖特基二极管D1的负极相连，肖特基二极管D1的正极与电容C5相连，从而抑制反激式转换模块的电磁干扰。
反激式转换模块3，其由初级绕组NP、次级绕组NS、辅助绕组NA、开关管LDMOS、肖特基二极管D2、电容C4、输出电阻R0、电阻R5构成；其接收PWM转换模块输出的PWM控制信号，并将输出端的输出电压用于采样电路的采样。
采样模块4，其由辅助绕组NA、电阻R2、电阻R3、电容C1构成；该辅助绕组NA，一端与电阻R2相连，另一端与电阻R3相连。该电阻R2,一端与电阻R3的一端相连，另一端与地相连。该电阻R3,一端与电阻R2的一端相连，另一端与变压器的同名端相连。电阻R2与电阻R3串连对辅助绕组两端的电压进行分压。该电容C1,一端与电阻R2的一端相连，另一端与地相连。对采样电压有滤波的作用，从而输出采样电压INV。
误差放大器(EA)5，设有两个输入端A、B，一个输出端C；其中同相输入端A带隙基准电压VREF，反相输入端B为采样电压INV，输出端C与PWM控制模块的输入端相连，从而输出差分电压信号COMP。
PWM控制模块6，设有一个输入端D，一个输出端E；其中输入端D与误差放大器的输出端相连，输出端E输出PWM控制信号至反激式转换模块。
AC/DC转换器在使用过程中，在输出线缆较长或线径较细时，线缆上会产生较大的内阻，例如，AC/DC转换器用在充电器时，当连接的输出线缆较长或线径较细时，线缆上会产生较大的内阻，导致AC/DC转换器的输出电压不稳定，导致充电器的充电时间过长，影响充电器高效率的使用，因此原边反馈AC/DC转换器提供对输出线缆压降补偿的功能。为了解决该电路输出电压不稳定的问题，本发明经过实验与创新，在该电路中附加了电流补偿模块7，参见图2，形成了带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器。电流补偿模块7的输入接在上述AC/DC转换器的误差放大器5的输出端，电流补偿模块7的输出连接在上述AC/DC转换器的采样模块4的输出端，用于将误差放大器5输入的差分电压信号COMP转换成电流信号，并将此电流信号连接到误差放大器5的输入端的负向端，从而构成负反馈控制环路，对系统输出电压进行精确控制，保证系统输出电压的稳定。
电流补偿模块7包括有放大单元与电流镜，放大单元的输入端接收误差放大器5输出的差分电压信号COMP，放大单元的输出电压到电流镜的输入端；电流镜输出补偿电流到采样模块4的输出端。
当AC/DC转换器中的芯片处于软启动阶段时，系统刚启动，采样模块4的采样电压INV很低，与基准电压VREF的差值很大，导致误差放大器5工作在比较器状态。即，误差放大器5在软启动阶段其输出信号COMP为高电平。参见图2，此时COMP信号作用于放大单元的输入端，其输出较低的电压，此电压作用于电流镜的输入端，电流镜就会产生较小的电流，从而使得压降补偿电流很小，因此，在软启动阶段线缆压降补偿非常小。当此芯片软启动结束，进入恒流模式时，此芯片一般采用PFM控制模式，此时的PWM脉冲宽度被OCP信号钳位，导致INV引脚控制的COMP始终为高电平，使得线缆压降补偿很小。当此芯片进入恒压模式以后，系统的输出电压固定，负载电流逐渐减少，此时，INV接近于VREF。在负载电流减少的过程中，COMP引脚电压会逐渐变小，导致放大单元的输出电压逐渐变大，从而使得电流镜的电流逐渐增大，进而使得补偿电流逐渐增大，此补偿电流经过电阻R2、R3，从而抬高电流补偿电路中的INV端的电压，INV脚电压控制了PWM占空比的大小，此时此芯片会根据所需的能量大小控制占空比的大小，从而稳定了输出电压。
实施例2
带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器的构成和原理实施例1，其中电流补偿模块7的放大单元由电流源I 1、MOS管N1和电阻R1串联组成，电流源I 1一端与电源VDD相连，另一端与MOS管N1的漏端相连，为MOS管N1提供偏置电流；MOS管N1的栅极接收由误差放大器5输出的差分电压信号COMP，其漏极与电阻R1的一端相连；电阻R1的另一端与地相连；所述电流补偿模块7的电流镜由MOS管N2和MOS管N3共栅极组成，MOS管N2的漏端、栅端同时与放大单元的输出端相连，MOS管N2的源端与地相连；MOS管N3的漏端与电源VDD相连，其源端输出补偿电流到采样模块4的输出端。
本发明带有的电流补偿电路的原边反馈控制AC/DC转换器，由于使用的器件数目较少，可以完全的集成到AC/DC转换器中的芯片中。
本实施例的工作原理是：
当AC/DC转换器中的芯片进入恒压模式后，由于系统的负载电流逐渐减少，参见图3，误差放大器5的COMP引脚电压会逐渐变小，导致流过放大单元的NMOS管N1的电流也逐渐减少，从而使得流过电流镜的NMOS管N2的电流逐渐增大，由于电流镜的镜像作用，流过电流镜的NMOS管N3的电流与流过电流镜的NMOS管N2的电流是一致的，此电流经过电阻R2、R3，从而抬高电流补偿电路中的INV端的电压，此电压控制了PWM占空比的大小，使输出电压保持恒定。
实施例3
带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器的构成和原理实施例1-2，其中电流补偿模块7的放大单元由电流源I1、三极管Q1和电阻R1串联组成，电流源I1一端与电源VDD相连，另一端与三极管Q1的集电极相连，为三极管Q1提供偏置电流；三极管Q1的基极接收由误差放大器输出的差分电压信号COMP，其发射极的一端与R1相连；电阻R1的另一端与地相连；所述电流补偿模块7的电流镜由电阻R7和三极管Q2、三极管Q3共基极组成，三极管Q2的基极、集电极同时与放大单元的输出端相连，其发射极与电阻R7的一端相连；电阻R7的另一端与地相连；三极管Q3的集电极与电源VDD相连，其发射极输出补偿电流到采样模块4的输出端。
本实施例的工作原理是：
当AC/DC转换器中的芯片进入恒压模式后，系统的输出电压固定，负载电流逐渐减少。在负载电流减少的过程中，参见图4，误差放大器5的COMP引脚电流会逐渐变小，导致流过放大单元的三极管Q1的发射极电流也逐渐减少，从而使得流过电流镜的三极管Q2的发射极电流逐渐增大，由于电流镜的镜像作用，流过电流镜的三极管Q3的电流与流过电流镜的三极管Q2的电流是一致的，此电流经过电阻R2、R3，从而抬高电流补偿电路中的INV端的电压，保证了系统输出电压的稳定性。
实施例4
参照图5，当AC/DC转换器中的芯片进入恒压模式后，随着负载电流的增加，输出电压也越来越低，这就是由于系统从负载电流从大到小变化过程中，线缆上存在的压降造成的，当使用本发明，即增加了线缆压降补偿功能以后，输出电压随着负载的变化较小，电压在11.9V和12V之间波动，波动幅度为0.1V，而传统的原边恒压反馈AC/DC转换器的输出电压随着负载变化而变化，电压在11.5V和12V之间波动，波动幅度为0.5V，本发明的电压波动幅度为传统电压波动幅度的1/4，有效的解决了输出电压不稳定的问题。使用本发明可以达到精准的恒压精度。仿真结果表明此电路可以补偿因为输出电流变化引起的系统线缆压降。本发明的最大线缆补偿电流设计在37.5uA，满足了设计要求。
表1线缆补偿电流与输出电压的数据表
线缆补偿电流 输出电压Vout
5uA 11.01
10uA 11.23
16uA 11.36
21uA 11.49
26uA 11.68
31uA 11.82
37uA 12.04
从上表可以看出，当AC/DC转换器中的芯片进入恒压模式以后，随着补偿电流的增加，输出电压也越来越接近设定值12V。说明本发明可以补偿因为输出电流引起的系统线缆压降。此处将最大线缆补偿电流设计在37.5uA，满足了设计要求。
简而言之，本发明的带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器,主要解决输出线缆因长而细产生的压降导致AC/DC转换器输出端电压不稳定的问题。本发明在原边恒压反馈AC/DC转换器电路中增设了电流补偿电路，该电流补偿电路7的输入端连接在误差放大器5输出端，电流补偿模块7输出端连接在采样模块4输出端，电流补偿电路7用于将误差放大器5输入的差分电压信号COMP转换成电流信号，构成负反馈控制环路，保证系统输出电压的稳定。电流补偿模块7包括有放大单元与电流镜，放大单元与电流镜可以采用MOS管构成，也可以采用三极管构成。电流补偿电路，通过在误差放大器的负向端引一路电流反馈到采样模块的输出端，抬高采样模块的输出电压，其电压控制了PWM占空比的大小，从而来解决恒压输出不稳定问题。
以上描述仅是本发明的个别具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正与改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍然在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器,AC/DC转换器的整流滤波模块(1)将输入的交流电压信号AC进行整流、滤波，并输出直流电压信号到RCD缓冲模块(2)的输入端；RCD缓冲模块(2)的输出端连接到反激式转换模块(3)的输入端，用于抑制反激式转换模块中的电磁干扰，且RCD缓冲模块(2)的输入端并与LDMOS的漏极相连；反激式转换模块(3)输出电压信号到采样模块(4)的输入端；采样模块(4)采样反激式转换模块(3)的输出电压，并输出电压信号INV到误差放大器(5)输入端；误差放大器(5)输出差分电压信号COMP到PWM控制模块(6)的输入端；PWM控制模块(6)输出PWM控制信号到反激式转换器(3)的输入端，且PWM控制模块(6)的输出端并与LDMOS的栅极相连；LDMOS的源极通过电阻R6与地相连；其特征在于：该AC/DC转换器包括有电流补偿模块(7)，电流补偿模块(7)的输入端连接在误差放大器(5)的输出端，电流补偿模块(7)的输出端连接在采样模块(4)的输出端，用于将误差放大器(5)输入的差分电压信号COMP转换成电流信号，构成负反馈控制环路，从而保证系统输出电压的稳定。
2.根据权利要求书1所述的带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器，其特征在于：电流补偿模块(7)包括有放大单元与电流镜，放大单元的输入端接收误差放大器(5)输出的差分电压信号COMP，放大单元的输出电压接电流镜的输入端；电流镜输出补偿电流到采样电路(4)的输出端。
3.根据权利要求书2所述的带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器，所述电流补偿模块(7)的放大单元由电流源I1、MOS管N1和电阻R1串联组成，电流源I1一端与电源VDD相连，另一端与MOS管N1的漏端相连；MOS管N1的栅极接收由误差放大器输出的差分电压信号COMP，其漏极通过电阻R1与地相连；所述电流补偿模块(7)的电流镜由MOS管N2和MOS管N3共栅极组成，MOS管N2的漏端、栅端同时与放大单元的输出端相连，MOS管N2源端与地相连；MOS管N3的漏端与电源VDD相连，其源端输出补偿电流到采样电路(4)的输出端。
4.根据权利要求书2所述的带有电流补偿电路的原边恒压反馈AC/DC转换器，所述电流补偿模块(7)的放大单元由电流源I1、三极管Q1和电阻R1串联组成，电流源I1一端与电源VDD相连，另一端与三极管Q1的集电极相连，为三极管Q1提供偏置电流；三极管Q1的基极接收由误差放大器输出的差分电压信号COMP，其发射极与通过电阻R1与地相连；所述电流补偿模块(7)的电流镜由电阻R7和三极管Q2、三极管Q3共基极组成，三极管Q2的基极、发射极同时与放大单元的输出端相连，其发射极通过电阻R7与地相连；三极管Q3的集电极与电源VDD相连，其发射极输出补偿电流到采样电路(4)的输出端。
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