CN105099203B - 一种电压采样控制电路、电压采样控制方法及隔离式变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压采样控制电路、电压采样控制方法及隔离式变换器，通过采样原边的功率开关管的开关电流信息，以获得表征副边整流管压降信息的第一电压信号，然后根据所述第一电压信号获得补偿信号，所述补偿信号对输出电压反馈信号进行补偿，以抵消在输出电压采样时整流管自身的压降对输出电压反馈信号的影响，从而获得准确的输出电压反馈信号，实现无论在哪种工作模式下都能准确对输出电压的控制，提高了输出电压调整率。
Description
技术领域
本发明涉及电源领域，更具体的说，涉及一种电压采样控制电路、电压采样控制方法及隔离式变换器。
背景技术
采用原边反馈的控制方案因为电路结构简单、安全性好等优点，在中小功率的隔离型开关电源中应用非常广泛。原边反馈的控制电路通常工作于电流断续模式(DCM)或准谐振模式(QR)，对开关电源的输出电压的反馈检测一般是在副边的整流二极管续流结束时，通过与变压器绕组耦合的辅助绕组在原边进行采样控制，这样就可以忽略续流二极管正向压降VF对采样精度的影响，因而可以获得良好的输出电压调整率。典型的原边反馈的控制电路电压、电流检测原理图如图1所示。通过辅助绕组Na与副边绕组Ns耦合以获得输出电压信息，分压电阻R2和R3采样辅助绕组Na的电压信号以获得表征输出电压信息的采样信号Vsen。
当系统工作于准谐振模式(QR)时，则原边反馈的采样信号的波形如图2所示，原边控制器接收到的采样信号的电压值为：(Vout+VF)*(Na/Ns)*(R3/(R2+R3))。在采样时刻Tsample，续流二极管D1的电流下降至零，这时二极管的正向压降VF可以忽略，原边获得采样信号电压值可近似为：Vout*(Na/Ns)*(R3/(R2+R3))，由此可得出，在准谐振模式下通过原边反馈可获得良好的输出电压调整率。
在功率较大的应用场合，为了减小原、副边的电流应力，通常需要电路工作于电流连续模式(CCM)。在CCM模式下原边反馈的采样信号的波形如图3所示，若原边反馈的控制电路工作于CCM模式，由于在采样时刻副边续流二极管D1不为零，如在采样时刻Tsample，二极管的正向压降VF随流过二极管的电流变化而变化，这时会对原边反馈控制的输出电压精度产生很大的影响。
因此，现有技术中的原边反馈控制电路中采用传统的电压采样无法满足工作于电流连续模式(CCM)、电流断续模式(DCM)和准谐振模式(QR)等不同电流模式时均能获得良好的输出电压调整率。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种电压采样控制电路、电压采样控制方法及隔离式变换器，通过采样原边的功率开关管的开关电流信息，以获得表征副边整流管压降信息的补偿信号，所述补偿信号补偿整流管的压降对输出电压反馈信号带来的影响，以获得良好的输出电压调整率。
依据本发明的一种电压采样控制电路，应用于隔离式变换器中，所述隔离式变换器包括有由原边绕组和副边绕组构成的变压器、与原边绕组连接的功率开关管以及与副边绕组连接的整流管，所述电压采样控制电路包括有电流采样保持电路、补偿信号产生电路和电压采样保持电路；
所述电流采样保持电路采样所述功率开关管的开关电流，以获得表征所述开关电流信息的第一电压采样信号，所述第一电压采样信号与所述整流管的正向压降成比例；
所述补偿信号产生电路根据所述第一电压采样信号获得相对应的第一电流信号，然后根据所述第一电流信号生成一补偿信号，所述补偿信号对所述隔离式变换器的输出电压反馈信号进行补偿处理，以获得第一电压反馈信号；
所述电压采样保持电路采样保持所述第一电压反馈信号，以获取当前的第一电压反馈信号，当前的第一电压反馈信号用以调节所述隔离式变换器的输出电压大小，以使得所述隔离式变换器的输出电压维持稳定。
优选的，在所述功率开关管的开通时刻，所述电流采样保持电路对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号；
在所述整流管续流结束时刻或者在所述功率开关管的开关周期结束时刻，所述电压采样保持电路对第一电压反馈信号进行采样保持，以获取当前的第一电压反馈信号。
优选的，所述电压采样控制电路进一步包括延时电路，
在所述功率开关管的关断时刻，所述电流采样保持电路对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号；
所述延时电路根据所述第一电压采样信号的大小获得一延迟时间，在所述功率开关管关断并经过所述延迟时间之后，所述电压采样保持电路对第一电压反馈信号进行采样保持，以获取当前的输出电压反馈信号。
进一步的，所述补偿信号产生电路包括第一电阻和流控电流源，
所述第一电阻连接在所述电流采样保持电路和所述流控电流源之间，所述第一电压采样信号在所述第一电阻上产生所述第一电流信号；
所述流控电流源接收所述第一电流信号，以获得与所述第一电流信号成比例关系的第二电流信号；
所述流控电流源的输出端与输出电压反馈电路的输出端连接，以产生所述补偿信号，所述输出电压反馈电路用以产生所述输出电压反馈信号。
优选的，通过调节所述第一电阻的阻值大小或者调节所述流控电流源的比例系数或者调节所述输出电压反馈电路中分压电阻的大小以调节所述补偿信号的大小。
依据本发明的一种电压采样控制方法，应用于隔离式变换器中，所述隔离式变换器包括有由原边绕组和副边绕组构成的变压器、与原边绕组连接的功率开关管以及与副边绕组连接的整流管，所述电压采样控制方法包括以下步骤：
采样所述功率开关管的开关电流，以获得表征所述开关电流信息的第一电压采样信号，所述第一电压采样信号与所述整流管的压降成比例；
根据所述第一电压采样信号获得相对应的第一电流信号，然后根据所述第一电流信号生成一补偿信号，所述补偿信号对所述输出电压反馈信号进行补偿处理，以获得第一电压反馈信号；
采样保持所述第一电压反馈信号以获取当前的第一电压反馈信号，当前的第一电压反馈信号用以调节所述隔离式变换器的输出电压大小，以使得所述隔离式变换器的输出电压维持稳定。
优选的，在所述功率开关管的开通时刻，对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号；
在所述整流管续流结束时刻或者在所述功率开关管的开关周期结束时刻，对所述第一电压反馈信号进行采样保持，以获取当前的第一电压反馈信号。
优选的，在所述功率开关管的关断时刻，对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号；
根据所述第一电压采样信号的大小获得一延迟时间，在所述功率开关管关断并经过所述延迟时间之后，采样保持所述第一电压反馈信号，以获得当前的第一电压反馈信号。
进一步的，所述补偿信号的产生步骤进一步包括：
所述第一电压采样信号在第一电阻上产生所述第一电流信号；
根据所述第一电流信号获得与之成比例关系的第二电流信号；
利用输出电压反馈电路获得所述隔离式变换器的输出电压信息，以获得所述输出电压反馈信号；
所述第二电流信号在所述输出电压反馈电路中的分压电阻网络上产生一压降以生成所述补偿信号。
优选的，调节所述第一电阻的阻值大小或者调节第二电流信号和第一电流信号的比例系数或者调节所述输出电压反馈电路中分压电阻的大小以调节所述补偿信号的大小。
依据本发明的一种隔离式变换器，包括一控制电路和功率级电路，还包括上述的电压采样控制电路。
依据上述的一种电压采样控制电路、电压采样控制方法及隔离式变换器，通过采样原边的功率开关管的开关电流信息，以获得表征副边整流管压降信息的第一电压信号，然后根据所述第一电压信号获得补偿信号，所述补偿信号对输出电压反馈信号进行补偿，以抵消整流管在输出电压采样时自身的压降对输出电压反馈信号的影响，从而获得准确的第一电压反馈信号，实现无论在哪种工作模式下都能准确对输出电压的控制。
附图说明
图1所示为现有技术中典型的原边反馈的控制电路电压、电流检测原理图；
图2所示为图1所示的电路工作在准谐振工作模式下的输出电压采样波形图；
图3所示为图1所示的电路工作在连续工作模式下的输出电压采样波形图；
图4所示为依据本发明的电压采样控制电路的第一实施例的电路图；
图5所示为依据本发明的电压采样控制电路的第一实施例的工作波形图；
图6所示为依据本发明的电压采样控制电路的第二实施例的电路图；
图7所示为依据本发明的电压采样控制电路的第二实施例的工作波形图。
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4所示为依据本发明的电压采样控制电路的电路图，本发明实施例的一种电压采样控制电路应用于隔离式变换器中，这里，所述隔离式变换器以反激式为例，所述反激式开关电源的结构与图1中相同，具体的，所述反激式变换器接收输入电压信号Vin，以为负载提供稳定的输出电压信号Vout。具体的，所述反激式变换器包括有由原边绕组Np和副边绕组Ns构成的变压器、与原边绕组连接的功率开关管S1以及与副边绕组连接的整流管，本实施例中，所述整流管以二极管D1为例，所述二极管阳极连接所述副边绕组，阴极连接输出端的负载，在图4中只示出了功率开关管S1部分，其余部分与图1中均相同，在下文中直接引用，图4中的反激式开关电源还包括由辅助绕组Na以及分压电阻网络R2和R3构成的输出电压反馈电路，所述输出电压反馈电路用以产生输出电压反馈信号Vsen。
进一步的，在本实施方式中，所述反激式开关电源还包括电压采样控制电路，如图4所示，所述电压采样控制电路包括有电流采样保持电路41、补偿信号产生电路和电压采样保持电路42，这里所述补偿信号产生电路包括第一电阻R1和流控电流源CCCS，所述第一电阻R1连接在所述电流采样保持电路41和所述流控电流源CCCS之间，本领域技术人员可知，所述第一电阻和流控电流源的连接位置还可以互换。
所述电流采样保持电路41采样所述功率开关管S1的开关电流，以获得表征所述开关电流信息的第一电压采样信号VIS，所述第一电压采样信号VIS在所述第一电阻R1上产生所述第一电流信号I1，所述流控电流源CCCS接收所述第一电流信号I1，以获得与所述第一电流信号I1成比例关系的第二电流信号I2，所述流控电流源的输出端与所述输出电压反馈电路的输出端连接，以产生所述补偿信号，具体的，所述流控电流源的输出端连接至分压电阻R2和R3的公共连接端，所述第二电流信号I2在电阻R2和R3上产生压降，以获得所述补偿信号。
通过图4所示的电路，容易理解，所述补偿信号对输出电压反馈信号的补偿过程即是第二电流信号对分压电阻产生的压降叠加在所述输出电压反馈信号的过程，输出电压反馈信号经过补偿后获得第一电压反馈信号。
所述电压采样保持电路42采样保持所述第一电压反馈信号，以获取当前的第一电压反馈信号，所述当前的第一电压反馈信号用以调节所述隔离式变换器的输出电压大小，以使得所述隔离式变换器的输出电压维持稳定。
根据背景技术中的阐述，如果副边二极管D1的电流不为零，则二极管自身会存在压降，而根据电压采样计算公式，未补偿前的输出电压反馈信号为：VFB＝(Vout+VF)*(Na/Ns)*(R3/(R2+R3))，其中由于二极管正向压降VF的存在，使得输出电压反馈信号不能精确表征输出电压Vout的信息，因此，本发明中上述的电路通过采样原边的开关电流信息可以获得副边二极管的压降，这是因为原边的开关电流与副边的二极管电流是成比例关系的，而二极管的正向压降与其电流近似成比例关系，因此，所述第一电压采样信号可以表征二极管的压降，之后，根据所述第一电压采样信号获得补偿信号，所述补偿信号用来抵消二极管的正向压降对输出电压反馈信号的影响，以获得能精确表征输出电压信息的第一电压反馈信号。
在本实施例中，对于副边不同的二极管会产生不同的正向压降，本发明的技术方案可以通过调节所述第一电阻的阻值大小或者调节所述流控电流源的比例系数或者调节所述输出电压反馈电路中的分压电阻的大小以调节所述补偿信号的大小，以实现在不同情况下，所述补偿信号均能够抵消二极管的压降。
根据上述的电路结构，并结合图5所示为依据本发明的电压采样控制电路的第一实施例的工作波形图，在图5中，一个开关周期为ts，原边的功率开关管开通时刻为t1，功率开关管关断时刻为t2，同时，副边的二极管开始续流，直至t3时刻，一个开关周期结束，图5中所示的工作模式为CCM模式。在本实施方式中，在所述功率开关管的开通时刻，如t1时刻，所述电流采样保持电路41对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号VIS，有VIS＝IP1×R4，IP1为功率开关管的电流；在所述二极管D1续流结束时刻(对于DCM或QR工作模式)或者在所述功率开关管的开关周期结束时刻(对于CCM工作模式)，如t3时刻，所述电压采样保持电路42对所述第一电压反馈信号进行采样保持，以获取当前的第一电压反馈信号VFB。
从图5中可以看出，由于电流采样时刻对应的原边电流IP1等于输出反馈电压采样时刻对应的副边二极管的峰值电流IS1除以变压器原、副边绕组的匝数比，即是IP1＝IS1/N，(N＝Np/Ns)，因此在原边根据第一采样电压信号VIS的信息可以获取在第一电压反馈信号采样时刻副边二极管的电流信息，也即是第一采样电压信号VIS可以表征副边二极管正向压降VF的信息。因此，在工作过程中通过第一采样电压信号VIS产生相对应的补偿信号，之后，补偿信号去抵消在输出电压采样时刻二极管的压降对输出电压反馈信号的影响，即可获得不包含二极管压降的第一电压反馈信号，然后根据采样的所述第一电压反馈信号调节所述隔离式变换器的输出电压大小，可精确控制输出电压的大小，调整率好。
参考图6所示为依据本发明的电压采样控制电路的第二实施例的电路图，本实施例中的电压采样控制电路中的电流采样保持电路、补偿电路和电压采样保持电路的结构和连接方式均与上一实施例相同，在此不再赘述，所不同的是，本实施例中，所述电压采样控制电路还包括延时电路61，所述延时电路根据所述第一电压采样信号VIS的大小获得一延迟时间Tdelay，所述电压采样保持电路42根据所述延迟时间对输出电压反馈信号进行采样保持。
下面结合图7所示为依据本发明的电压采样控制电路的第二实施例的工作波形图，在图7中，一个开关周期为ts，原边的功率开关管开通时刻为t1，功率开关管关断时刻为t2，同时，副边的二极管开始续流，直至t4时刻，一个开关周期结束。在本实施例中，在所述功率开关管的关断时刻，如t2时刻，所述电流采样保持电路41对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号VIS，则有VIS＝IP1×R4，IP1为功率开关管的峰值电流；延时电路61根据所述第一电压采样信号VIS的大小获得一延迟时间Tdelay，所述延迟时间Tdelay与第一电压采样信号VIS成比例关系，在所述功率开关管关断并经过所述延迟时间Tdelay之后，所述电压采样保持电路42对所述第一电压反馈信号进行采样保持，以获取当前的第一电压反馈信号VFB。
从图7中可以，由于电流采样时刻对应的峰值电流IP1等于副边二极管D1的峰值电流IS1除以变压器原、副边绕组的匝比N，IP1＝IS1/N，(N＝Np/Ns)，且延迟时间Tdelay与第一电压采样信号VIS成正比例，具体为当第一电压采样信号VIS小时，延迟时间短；当第一电压采样信号VIS大时，延迟时间长。因此，如图7中经过延迟时间Tdelay后，在t3时刻，对第一电压反馈信号进行采样，这时副边二极管的电流IS2与第一电压采样信号VIS成正比例，即在原边根据第一电压采样信号VIS可以获取在输出电压采样时刻副边二极管的电流信息，也根据第一电压采样信号VIS可以获取二极管正向压降VF的信息。根据上述电路结构的阐述，例如可以通过调节电流电流源的比例系数来获得在输出电压采样时刻与二极管的正向压降一致的第二电流信号，以获得与当前二极管压降一致的补偿信号。在本实施方式中，根据第一电压采样信号VIS可以表征二极管正向压降VF的信息来确定第一电压反馈信号采样的时刻，这样，补偿信号可以抵消在输出电压采样时刻二极管的压降对输出电压反馈信号的影响，可以使得第一电压反馈信号能够更加准确，输出电压调整率好。
本发明还公开了一种电压采样控制方法，应用于隔离式变换器中，所述隔离式变换器包括有由原边绕组和副边绕组构成的变压器、与原边绕组连接的功率开关管以及与副边绕组连接的整流管，所述电压采样控制方法包括以下步骤：
采样所述功率开关管的开关电流，以获得表征所述开关电流信息的第一电压采样信号，所述第一电压采样信号与所述整流管的压降成比例；
根据所述第一电压采样信号获得相对应的第一电流信号，然后根据所述第一电流信号生成一补偿信号，所述补偿信号对所述输出电压反馈信号进行补偿处理，以获得第一电压反馈信号，采样保持所述第一电压反馈信号以获取当前的第一电压反馈信号，当前的第一电压反馈信号用以调节所述隔离式变换器的输出电压大小，以使得所述述隔离式变换器的输出电压维持稳定。
进一步的，在所述功率开关管的开通时刻，对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号；
在所述整流管续流结束时刻或者在所述功率开关管的开关周期结束时刻，对所述第一电压反馈信号进行采样保持，以获取当前的第一电压反馈信号。
进一步的，在所述功率开关管的关断时刻，对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号；
根据所述第一电压采样信号的大小获得一延迟时间，在所述功率开关管关断并经过所述延迟时间之后，采样保持所述第一电压反馈信号，以获取当前的第一电压反馈信号。
所述补偿信号的产出步骤进一步包括：
所述第一电压采样信号在第一电阻上产生所述第一电流信号；
根据所述第一电流信号获得与之成比例关系的第二电流信号；
利用输出电压反馈电路获得所述隔离式变换器的输出电压信息，以获得所述输出电压反馈信号；
所述第二电流信号在所述输出电压反馈电路中的分压电阻网络上产生一压降以生成所述补偿信号。
最后，本发明还公开了一种隔离式变换器，包括一控制电路和功率级电路，还包括上述的电压采样控制电路。同理，本发明的隔离式变换器同样具有在不同工作模式下，输出电压反馈好，控制精度高的有益效果。
以上对依据本发明的优选实施例的一种电压采样控制电路、电压采样控制方法及隔离式变换器进行了详尽描述，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 (11)
1.一种电压采样控制电路，应用于隔离式变换器中，所述隔离式变换器包括有由原边绕组和副边绕组构成的变压器、与原边绕组连接的功率开关管以及与副边绕组连接的整流管，其特征在于，所述电压采样控制电路包括有电流采样保持电路、补偿信号产生电路和电压采样保持电路；
所述电流采样保持电路采样所述功率开关管的开关电流，以获得表征所述开关电流信息的第一电压采样信号，所述第一电压采样信号与所述整流管的正向压降成比例；
所述补偿信号产生电路根据所述第一电压采样信号生成一补偿信号，所述补偿信号对所述隔离式变换器的输出电压反馈信号进行补偿处理，以补偿所述整流管在输出电压采样时自身的压降对所述输出电压反馈信号的影响，从而获得第一电压反馈信号；
在所述功率开关管关断并经过一延迟时间之后，所述电压采样保持电路采样保持所述第一电压反馈信号，以调节所述隔离式变换器的输出电压大小，以使得所述隔离式变换器的输出电压维持稳定。
2.根据权利要求1所述的电压采样控制电路，其特征在于，在所述功率开关管的开通或者关断时刻，所述电流采样保持电路对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号。
3.根据权利要求1所述的电压采样控制电路，其特征在于，所述电压采样控制电路进一步包括延时电路，
所述延时电路根据所述第一电压采样信号的大小获得所述延迟时间，在所述功率开关管关断并经过所述延迟时间之后，所述电压采样保持电路对第一电压反馈信号进行采样保持，以获取当前的输出电压反馈信号。
4.根据权利要求1所述的电压采样控制电路，其特征在于，所述补偿信号产生电路包括第一电阻和流控电流源，
所述第一电阻连接在所述电流采样保持电路和所述流控电流源之间，所述第一电压采样信号在所述第一电阻上产生第一电流信号；
所述流控电流源接收所述第一电流信号，以获得与所述第一电流信号成比例关系的第二电流信号；
所述流控电流源的输出端与输出电压反馈电路的输出端连接，以产生所述补偿信号，所述输出电压反馈电路用以产生所述输出电压反馈信号。
5.根据权利要求4所述的电压采样控制电路，其特征在于，通过调节所述第一电阻的阻值大小或者调节所述流控电流源的比例系数或者调节所述输出电压反馈电路中分压电阻的大小以调节所述补偿信号的大小。
6.一种电压采样控制方法，应用于隔离式变换器中，所述隔离式变换器包括有由原边绕组和副边绕组构成的变压器、与原边绕组连接的功率开关管以及与副边绕组连接的整流管，其特征在于，所述电压采样控制方法包括以下步骤：
采样所述功率开关管的开关电流，以获得表征所述开关电流信息的第一电压采样信号，所述第一电压采样信号与所述整流管的压降成比例；
根据所述第一电压采样信号获得一补偿信号，所述补偿信号对输出电压反馈信号进行补偿处理，以补偿所述整流管在输出电压采样时自身的压降对所述输出电压反馈信号的影响，从而获得第一电压反馈信号；
在所述功率开关管关断并经过一延迟时间之后，采样保持所述第一电压反馈信号以获取当前的第一电压反馈信号，以调节所述隔离式变换器的输出电压大小，以使得所述隔离式变换器的输出电压维持稳定。
7.根据权利要求6所述的电压采样控制方法，其特征在于，在所述功率开关管的开通或者关断时刻，对所述功率开关管的开关电流进行采样以获得所述第一电压采样信号。
8.根据权利要求6所述的电压采样控制方法，其特征在于，根据所述第一电压采样信号的大小获得所述延迟时间，在所述功率开关管关断并经过所述延迟时间之后，采样保持所述第一电压反馈信号，以获得当前的第一电压反馈信号。
9.根据权利要求6所述的电压采样控制方法，其特征在于，所述补偿信号的产生步骤进一步包括：
所述第一电压采样信号在第一电阻上产生第一电流信号；
根据所述第一电流信号获得与之成比例关系的第二电流信号；
利用输出电压反馈电路获得所述隔离式变换器的输出电压信息，以获得所述输出电压反馈信号；
所述第二电流信号在所述输出电压反馈电路中的分压电阻网络上产生一压降以生成所述补偿信号。
10.根据权利要求9所述的电压采样控制方法，其特征在于，调节所述第一电阻的阻值大小或者调节第二电流信号和第一电流信号的比例系数或者调节所述输出电压反馈电路中分压电阻的大小以调节所述补偿信号的大小。
11.一种隔离式变换器，包括一控制电路和功率级电路，其特征在于，还包括权利要求1-5中任意一项所述的电压采样控制电路。
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