CN105071662B - 一种准谐振模式的开关电源控制电路及控制方法 - Google Patents

一种准谐振模式的开关电源控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种准谐振模式的开关电源控制电路及控制方法，通过输出电流采样电路来获得表征输出电流信息的输出电流反馈信号，然后通过将当前采样的输出电流反馈信号与多个谷底切换阈值电压进行比较，当所述输出电流反馈信号达到某一谷底的阈值电压时，则控制电路将当前锁定的谷底切换至另一合适的谷底。同时，本发明还通过设置迟滞区间以防止输出电流的输出电流反馈信号接近谷底的切换阈值时发生跳谷底的现象。本发明的开关电源控制电路及控制方法，对准谐振模式中的谷底的锁定具有很好的稳定性，不受输入直流电压波动的影响。

Description

一种准谐振模式的开关电源控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源领域，更具体的说，涉及一种准谐振模式的开关电源控制电路及控制方法。
背景技术
反激式开关电源广泛应用于小功率的直流/直流电源变换领域，当反激式开关电源工作于准谐振模式时，由于功率开关管在漏极电压到达谷底位置时开通，所以具有较高的转换效率和较低的EMI干扰，因此该控制模式得到了广泛的应用。但是准谐振模式有一个明显的问题就是在特定的负载下容易出现跳谷底现象，也就是功率开关管在两个相邻的谷底轮流导通，当这个谷底交替导通的频率处于听觉频率范围之内时，就会产生明显的音频噪声。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种准谐振模式的开关电源控制电路及控制方法，通过采样表征输出电流信息的输出电流反馈信号来进行准谐振模式的谷底锁定，并通过设置迟滞区间以防止输出电流反馈信号接近谷底切换阈值电压时发生跳谷底的现象。
依据本发明的一种准谐振模式的开关电源控制电路，所述开关电源包括整流桥、由原边绕组Np和副边绕组Ns构成的变压器、功率开关管和续流管，所述控制电路包括输出电流采样电路和谷底锁定电路，
所述输出电流采样电路采样流过所述功率开关管的电流信号，以获得表征所述开关电源的输出电流信息的输出电流反馈信号；
所述谷底锁定电路接收所述输出电流反馈信号和多个谷底切换阈值电压，当所述输出电流反馈信号增大或减小至多个谷底切换阈值电压的其中一个阈值电压时，则所述谷底锁定电路将当前锁定的谷底切换至对应的另一谷底。
优选的，相邻的两个谷底向不同方向切换时的切换阈值电压不相同，并且两个切换阈值电压之间设置迟滞区间。
进一步的，所述输出电流采样电路包括峰值采样及保持电路、斩波电路和滤波电路，
所述峰值采样及保持电路采样所述功率开关管的电流信号，以获得峰值采样电压信号；
所述斩波电路包括第一开关管和第二开关管，所述斩波电路接收所述峰值采样电压信号，经斩波处理后获得斩波信号，其中，所述第一开关管由一计时信号控制其开关状态，所述第二开关管由一与所述计时信号逻辑相反的信号控制其开关状态；
所述滤波电路接收所述斩波信号，经滤波处理以获得所述输出电流反馈信号。
进一步的，在所述反激式变换器的副边绕组的放电时间内，所述计时信号保持高电平有效状态，在所述反激式变换器的副边绕组放电结束后所述计时信号保持低电平无效状态。
进一步的，所述谷底锁定电路包括多个迟滞比较器和逻辑电路，
所述多个迟滞比较器的第一输入端分别接入多个参考电压信号，第二输入端均接收所述输出电流反馈信号，输出端输出比较信号，多个迟滞比较器输出多个比较信号；
所述逻辑电路接收所述多个比较信号，并根据所述比较信号的高低电平状态以选择合适的谷底。
优选的，所述多个谷底切换阈值电压通过多个参考电压信号和所述迟滞比较器的迟滞电压获得。
依据本发明的一种准谐振模式的开关电源控制方法，所述开关电源包括整流桥、由原边绕组和副边绕组构成的变压器、功率开关管和续流管，包括以下步骤：
采样流过所述功率开关管的电流信号，以获得表征所述开关电源的输出电流信息的输出电流反馈信号；
接收所述输出电流反馈信号和多个谷底切换阈值电压，当所述输出电流反馈信号增大或减小至多个谷底切换阈值电压的其中一个阈值电压时，则将当前锁定的谷底切换至对应的另一谷底。
优选的，相邻的两个谷底向不同方向切换时的切换阈值电压不相同，并且两个切换阈值电压之间设置迟滞区间。
进一步的，分别将多个参考电压信号与所述输出电流反馈信号进行比较，以输出多个比较信号；
接收所述多个比较信号，并根据所述多个比较信号的高低电平状态以确定合适的谷底。
优选的，所述多个谷底切换阈值电压通过所述多个参考电压信号和所述迟滞比较器的迟滞电压获得。
通过上述的准谐振模式的开关电源控制电路及控制方法，通过输出电流采样电路来获得表征输出电流信息的输出电流反馈信号，然后通过将所述输出电流反馈信号与谷底切换的阈值电压进行比较，当所述输出电流反馈信号达到某一谷底的阈值电压时，则控制电路将当前的谷底切换至另一合适的谷底。同时，本发明还通过设置迟滞区间以防止输出电流反馈信号接近谷底的切换阈值电压时发生跳谷底的现象。本发明的开关电源控制电路及控制方法，对准谐振模式中的谷底的锁定具有很好的稳定性，不受输入直流电压波动的影响。当负载恒定或者负载在小范围波动时，都能稳定的锁住某个谷底。本发明能够保证反激式开关电源在最优的谷底导通，系统效率高，同时也解决了在特定的负载时跳谷底而导致的噪音问题。
附图说明
图1所示为依据本发明的准谐振模式的开关电源控制电路的原理图；
图2所示为依据本发明的准谐振模式的工作波形图；
图3所示为依据本发明的谷底锁定电路的一种实现方式；
图4所示为谷底锁定电路的工作原理图；
图5所示为准谐振模式的开关电源的谷底示意图；
图6所示为依据本发明的谷底切换的工作波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图1所示为依据本发明的准谐振模式的开关电源控制电路的原理图，所述开关电源以反激式开关电源为例，所述反激式开关电源包括整流桥、由原边绕组Np和副边绕组Ns构成的变压器、续流管和功率开关管Q1，所述整流桥接收外部输入电压信号整流后获得一直流输入电压，本领域技术人员可知，所述反激式开关电源还包括控制功率开关管Q1的控制电路(未示出)，所述控制电路根据输出电压的反馈信号控制功率开关管的开关动作以使得开关电源输出稳定的输出信号。
根据反激式开关电源的电路图和工作原理，当系统工作在准谐振模式(QR)时，其工作波形图如图2所示，其中，IP为原边绕组电流、ID为副边的整流管电流、Vdrain电压表征功率开关管Q1的漏极电压，Tdis为变压器中储存能量的释放时间。对于反激式开关电源来说，当副边放电结束后，由于功率开关管的寄生电容与电路中的电阻发生谐振，功率开关管的源极电压发生震荡，波形如图2所示，因此，当功率开关管再次导通时，选择在谐振波的谷底导通会大大降低开关损耗，如图2中功率开关管在源极电压的第二个谷底导通。但由于负载会存在变化，例如负载从重载变为轻载时，需要调节导通时的谷底，以调整功率开关管的工作频率，从而有效的提高效率。
现有技术中，技术人员通过输出电压的反馈信号来锁定导通时的谷底，即是工作于那个谷底，取决于输出电压的反馈信号，一般而言，负载越重，反馈信号的电压会越高，反之负载越轻，则反馈信号的电压越低。将反馈信号的电压分成若干个区间，当反馈信号的电压处于其中一个区间时，功率开关管在一个固定的谷底开通。这种输出电压的反馈信号控制的缺点是，当开关电源中不带功率因数校正或是输出电压信号存在较大的纹波时，则相应的输出电压的反馈信号也会存在较大的纹波，如果反馈信号的电压波动足够大，则上述的锁谷底方法也不能完全保证可靠的锁住谷底，有可能会发生错误锁定的情况。
基于上述的问题，本申请的发明人提出了一种通过输出电流的反馈信号来锁定谷底的方式。在本发明中，所述反激式开关电源还包括输出电流采样电路11和谷底锁定电路12，所述输出电流采样电路11进一步包括峰值采样及保持电路101、由开关管K1和开关管K2构成的斩波电路以及滤波电路102，所述开关管K1由计时信号Tdis控制其开关状态，开关管K2由计时信号的非信号控制其开关状态，滤波电路102包括滤波电阻Rt和滤波电容Ct。峰值采样及保持电路101采样所述功率开关管Q1的电流信号，以获得峰值采样电压信号VP_PK，其中，所述峰值采样及保持电路101通过采样电阻Rsen采样所述功率开关管Q1的电流信号；所述峰值采样电压信号经开关管K1和开关管K2斩波后形成一斩波信号VZ，之后，所述斩波信号VZ经滤波电路滤波处理后获得可以表征开关电源输出电流的输出电流反馈信号VIO_FB。需要说明的是，所述计时信号Tdis是根据副边绕组的放电时间进行计算的，在一个开关周期内，在所述反激式变换器的副边绕组的放电时间内，计时信号Tdis保持高电平有效状态，在所述反激式变换器的副边绕组放电结束后保持低电平无效状态。
如图1所示，所述峰值采样保持电路101通过采样电阻Rsen来采样所述功率开关管的电流信息，因此所述峰值采样电压信号为VP_PK＝IP_PK×Rsen，其中，所述IP_PK为原边绕组(或功率开关管)的电流峰值，Rsen为采样电阻的阻值。
根据上述的输出电流采样电路的结构和工作原理可得出，所述输出电流反馈信号VIO_FB的计算公式为：
公式(1)中Tdis为副边续流管的导通时间，也即是副边绕组的放电时间，TW为开关电源的一个工作周期。
而对于反激式开关电源来说，输出电流Io与原边绕组的峰值电流IP_PK的关系为：
根据式(1)和式(2)可计算出，输出电流Io与输出电流反馈信号VIO_FB的关系为：
从式(3)可以看出，由于变压器原副边的匝数比NP/NS为固定值，采样电阻的阻值Rsen也为固定值，所以输出电流反馈信号VIO_FB与输出电流Io成正比关系，也就是说，输出电流反馈信号VIO_FB可以表征输出电流Io的信息。
谷底锁定电路12接收所述输出电流反馈信号VIO_FB和多个谷底切换阈值电压，当所述输出电流反馈信号达到多个谷底切换阈值电压的其中一个时，则锁定相对应的谷底，锁定的谷底信号传输给控制电路中的逻辑电路，以实现对功率开关管的谷底导通控制。
如图3所示为依据本发明的谷底锁定电路的一种实现方式，所述谷底锁定电路包括多个迟滞比较器12-1和逻辑电路12-2，如图3中以三个迟滞比较器为例，每个迟滞比较器的第一输入端(如负端)接收参考电压信号，第二输入端(如正端)接收所述输出电流反馈信号VIO_FB，输出端输出比较信号，如图3中的比较信号Vo1、Vo2和Vo3。图4所示为谷底锁定电路的工作原理图，记参考电压信号为VREF，迟滞比较器的迟滞电压为VHYS，当输出电流反馈信号VIO_FB上升至所述参考电压信号VREF时，则迟滞比较器输出的比较信号为高电平有效状态，当输出电流反馈信号VIO_FB下降至所述参考电压信号与迟滞电压的差值VREF-VHYS时，则迟滞比较器输出的比较信号为低电平无效状态。
之后，所述逻辑电路12-2接收所述多个比较信号，并根据所述比较信号的高低电平状态以确定合适的谷底。
图5所示的准谐振模式的开关电源的谷底示意图，图6所示为依据本发明的谷底切换的工作波形图，下面根据图5和图6所示波形图介绍谷底切换阈值电压与输出电流的区间对应关系：反激式开关电源在工作过程中，一般会对输出电流进行限流，当输出电流超过限流的阈值时，则电路进入恒流工作模式，即无论负载怎样变化，输出电流维持为恒定的值。限流阈值一般设置为额定输出电流的1倍以上，例如为1.2倍，根据式(3)的输出电流反馈信号与输出电流的关系式，则控制电路中的谷底切换阈值电压会根据输出电流的最大允许值进行设定。如图6所示，VIO_MAX为最大限值的输出电流所对应的阈值电压，之后，从最大的限流点开始，将输出电流分为若干个区间，根据式(3)，每个输出电流相应的对应一个输出电流反馈信号，则根据输出电流的划分区间获得对应的电压划分区间，本实施例中以三个区间为例，如此可以获得需要的多个不同的切换阈值电压，如VREF1、VREF1-HYS、VREF2、VREF2-HYS、VREF3、和VREF3-HYS。
在工作过程中，当负载变轻，输出电流Io逐渐降低时，则采样的输出电流反馈信号VIO_FB也随之成比例的降低，当输出电流反馈信号VIO_FB降到阈值电压VREF1-HYS时，则控制电路将当前锁定的第一谷底切换至第二谷底；当输出电流反馈信号VIO_FB降到阈值电压VREF2-HYS时，则控制电路将当前锁定的第二谷底切换至第三谷底；当输出电流反馈信号VIO_FB降到最低阈值电压VREF3-HYS时，则控制电路从当前锁定的第三谷底切换至降频模式，切换至降频模式是为了更近一步延长周期，以降低轻载或空载损耗。
反之，当负载变重，输出电流Io逐渐增加时，则采样的输出电流反馈信号VIO_FB也随之成比例的增大，当输出电流反馈信号VIO_FB增大到最低阈值电压VREF3时，则控制电路从当前的降频模式切换至第三谷底；当输出电流反馈信号VIO_FB增大至阈值电压VREF2时，则控制电路将当前锁定的第三谷底切换至第二谷底；当输出电流反馈信号VIO_FB降到阈值电压VREF1时，则控制电路将当前锁定的第二谷底切换至第一谷底。
如此，根据输出电流反馈信号和谷底切换阈值电压的关系，即完成了谷底的切换。
根据上述的工作原理，在本发明实施例中，通过所述多个参考电压信号和迟滞电压来获得所需要的多个谷底切换阈值电压的电压值，如设置第二谷底向第一谷底切换阈值电压为VREF1，则第一谷底向第二谷底切换阈值电压为VREF1-HYS，依次类推，第三谷底向第二谷底切换阈值电压为VREF2，第二谷底向第三谷底切换阈值电压为VREF2-HYS，降频模式向第三谷底切换阈值电压为VREF3，第三谷底向降频模式切换阈值电压为VREF3-HYS。迟滞比较器的输出信号表征输出电流反馈信号与切换阈值电压的大小关系，之后，逻辑电路12-2根据比较信号Vo1、Vo2和Vo3的高低电平状态实现上述的谷底切换过程，其控制逻辑如下表所示，
VO1 VO2 VO3
高 高 高 第一谷底
低 高 高 第二谷底
低 低 高 第三谷底
低 低 低 降频模式
因此，通过本发明的实施例的谷底锁定电路完成了不同输出电流时谷底的锁定。从上述可以看出，相邻的两个谷底向不同方向切换时切换阈值电压是不相同的，例如，从第一谷底切换至第二谷底的阈值VREF1-HYS和从第二谷底切换至第一谷底的阈值VREF1并不是同一个值，其中间设置了迟滞区间，以防止输出电流反馈信号接近谷底切换阈值电压时发生跳谷底的问题。当输出电流逐渐降低触发了谷底切换以后，比如从第一谷底切换到第二谷底，之后，当输出电流重新增加，并且增加幅度多出电压VHYS后，，才会触发谷底切换逻辑，重新从第二谷底切换到第一谷底，这样可以很好的解决相邻谷底跳动的问题，对谷底进行了可靠的锁定。
本领域技术人员可知，上述的谷底锁定电路示出了谷底锁定的一种实现方式，但实际实现方式可不限于此，当根据输出电流确定不同谷底所对应的切换阈值电压后，也可通过直接设置多个谷底切换阈值电压，然后通过将输出电流反馈信号与切换阈值电压进行比较以获得相应的谷底信号。
最后，本发明还公开了一种准谐振模式的开关电源控制方法，所述开关电源包括整流桥、由原边绕组Np和副边绕组Ns构成的变压器、功率开关管和续流管，包括以下步骤：
采样流过所述功率开关管的电流信号，以获得表征所述开关电源的输出电流信息的输出电流反馈信号；
接收所述输出电流反馈信号和多个谷底切换阈值电压，当所述输出电流反馈信号增大或减小至多个谷底切换阈值电压的其中一个阈值电压时，则将当前锁定的谷底切换至对应的另一谷底。
优选的，相邻的两个谷底向不同方向切换时的切换阈值电压不相同，并且两个切换阈值电压之间设置迟滞区间。
谷底切换的过程具体包括：分别将多个参考电压信号与所述输出电流反馈信号进行比较，以输出多个比较信号；接收所述多个比较信号，并根据所述多个比较信号的高低电平状态以确定合适的谷底。其中，所述多个谷底切换阈值电压通过所述多个参考电压信号和所述迟滞比较器的迟滞电压获得。
从上述可以过程看出，本发明中的准谐振模式的开关电源控制电路及控制方法，通过输出电流采样电路来获得表征输出电流信息的输出电流反馈信号，然后通过将所述输出电流反馈信号与谷底切换的阈值电压进行比较，当所述输出电流反馈信号达到某一谷底的阈值电压时，则控制电路将当前的谷底切换至相对应的谷底。同时，本发明还通过设置迟滞区间以防止输出电流反馈信号接近谷底的切换电压阈值时发生跳谷底的现象。
本发明的开关电源控制电路及控制方法，对准谐振模式中的谷底的锁定具有很好的稳定性，不受输入直流电压波动的影响。当负载恒定或者负载在小范围波动时，都能稳定的锁住某个谷底。本发明能够保证反激式开关电源在最优的谷底导通，系统效率高，同时也解决了在特定的负载时跳谷底而导致的噪音问题。
以上对依据本发明的优选实施例的准谐振模式的开关电源控制电路及控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种准谐振模式的开关电源控制电路，所述开关电源包括整流桥、由原边绕组和副边绕组构成的变压器、功率开关管和续流管，其特征在于，所述控制电路包括输出电流采样电路和谷底锁定电路，
所述输出电流采样电路采样流过所述功率开关管的电流信号，以获得表征所述开关电源的输出电流信息的输出电流反馈信号；
所述谷底锁定电路接收所述输出电流反馈信号和多个谷底切换阈值电压，当所述输出电流反馈信号增大或减小至多个谷底切换阈值电压的其中一个切换阈值电压时，则所述谷底锁定电路将当前锁定的谷底切换至对应的另一谷底。
2.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于，相邻的两个谷底向不同方向切换时的切换阈值电压不相同，并且两个切换阈值电压之间设置迟滞区间。
3.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述输出电流采样电路包括峰值采样及保持电路、斩波电路和滤波电路，
所述峰值采样及保持电路采样所述功率开关管的电流信号，以获得峰值采样电压信号；
所述斩波电路包括第一开关管和第二开关管，所述斩波电路接收所述峰值采样电压信号，经斩波处理后获得斩波信号，其中，所述第一开关管由一计时信号控制其开关状态，所述第二开关管由一与所述计时信号逻辑相反的信号控制其开关状态；
所述滤波电路接收所述斩波信号，经滤波处理以获得所述输出电流反馈信号。
4.根据权利要求3所述的开关电源控制电路，其特征在于，在反激式变换器的副边绕组的放电时间内，所述计时信号保持高电平有效状态，在所述反激式变换器的副边绕组放电结束后所述计时信号保持低电平无效状态。
5.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述谷底锁定电路包括多个迟滞比较器和逻辑电路，
所述多个迟滞比较器的第一输入端分别接入多个参考电压信号，第二输入端均接收所述输出电流反馈信号，输出端输出比较信号，多个迟滞比较器输出多个比较信号；
所述逻辑电路接收所述多个比较信号，并根据所述比较信号的高低电平状态以选择合适的谷底。
6.根据权利要求5所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述多个谷底切换阈值电压通过多个参考电压信号和所述迟滞比较器的迟滞电压获得。
7.一种准谐振模式的开关电源控制方法，所述开关电源包括整流桥、由原边绕组和副边绕组构成的变压器、功率开关管和续流管，其特征在于，包括以下步骤：
采样流过所述功率开关管的电流信号，以获得表征所述开关电源的输出电流信息的输出电流反馈信号；
接收所述输出电流反馈信号和多个谷底切换阈值电压，当所述输出电流反馈信号增大或减小至多个谷底切换阈值电压的其中一个阈值电压时，则将当前锁定的谷底切换至对应的另一谷底。
8.根据权利要求7所述的开关电源控制方法，其特征在于，相邻的两个谷底向不同方向切换时的切换阈值电压不相同，并且两个切换阈值电压之间设置迟滞区间。
9.根据权利要求7所述的开关电源控制方法，其特征在于，分别将多个参考电压信号与所述输出电流反馈信号进行比较，以输出多个比较信号；
接收所述多个比较信号，并根据所述多个比较信号的高低电平状态以确定合适的谷底。
10.根据权利要求9所述的开关电源控制方法，其特征在于，所述多个谷底切换阈值电压通过所述多个参考电压信号和迟滞比较器的迟滞电压获得。
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