CN105577005A - 一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，采用一个电阻分压电路后加一个高通滤波器把主开关管漏源电压上的谐振频率分量提取出来，从而获得实际关断时间的信息，对输出电流实时地进行测算；利用系统中经整流输入的电压信号与主开关管的漏源电压信号进入差分放大器和比较器得到输出电压幅值和电流的时序信息。从而实现无需变压器额外绕组及直接传感元器件条件下，对输出电流的精确控制。

Description

一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路

技术领域

本发明公开了一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，涉及电力电子技术领域。

背景技术

离线式开关电源把工频交流电的输入转换成稳定的直流输出，实现在不同负载条件下的恒压或恒流。为了这个目标，传感获取输出电流或电压或者用间接的方法测量成为重要的任务。离线式开关电源，无论是隔离或非隔离型的，主电路都含有至少一个磁元件(电感或变压器)，为了控制负载侧的电压和电流值，常规的做法是在磁元件上增加一个绕组，利用二次侧在辅助绕组上感应的电压或电流信号完成传感检测功能。

图1是一个典型的反激式开关变换器的电路原理图，输入是直流电压源V_in，经过变压器的原边和一个主开关管(通常为MOSFET)形成原边侧电路，与开关管串联的电阻R_i是电流采样电阻，两端电压代表原边电流值。变压器的副边输出经过二极管D的整流与负载侧电容相连。为了有效地控制输出电流I_o，必须要对它实时检测。

图2显示了交流输入电压全波整流之后的半周期波形图，T_half代表工频半周期时长。作为示意，变压器原边电流和副边电流在一个开关周期内的形状也已给出。I_pp和I_sp分别代表原边电流和副边电流的峰值点，原边电流在主开关接通时开始从0线性上升，到达顶点时，主开关管关断，副边电流从顶点开始线性下降。

图3描述了变压器原边、副边电流和主开关管的漏极电压波形和对应时序。主开关管漏极电压包括几个部分：当原边导通且电流上升时，由于主开关管导通，所以V_ds＝0；当开关管关断时，V_ds等于输入V_in与输出反射电压V_RO的和，直至副边电流下降到零，V_ds开始发生准谐振，以V_in为中轴来回震荡，其振幅输出反射电压。根据变压器原理，I_sp＝N·I_pp，N是副边对原边的匝比。

图4在图2和图3的基础上重现了原边和副边电流在一个工频交流输入半周期中每一次开关周期内的数量关系，包括电流的平均值和峰值。其中，I_pavg：原边电流在一个开关周期内平均值；I_avg：负载电流在交流半周期上的平均值；I_savg：副边电流在一个开关周期内平均值；I_pp：原边峰值电流；I_sp：副边峰值电流；R：负载电阻；V_ref：原边电流参考值；T_off：副边电流从峰值到0的时间；I_{pavg_half}：原边电流在整个工频半周期内的平均值。根据图形反应，负载R上流过的平均电流表达式如下：

$\begin{array}{c}{I}_{avg}=\frac{\underset{t=0}{\overset{T_{half}}{\Σ}}\frac{I_{sp}}{2}\×T_{off}}{T_{half}}=\frac{\underset{t=0}{\overset{T_{half}}{\Σ}}{I}_{savg}\×T_{off}}{T_{half}}\\ =\frac{N\×\underset{t=0}{\overset{T_{half}}{\Σ}}{I}_{pavg}\×T_{off}}{T_{half}}=N\×I_{pavg\_half}\end{array}$

$\stackrel{\mathrm{..}}{.}{I}_{pavg\_half}=\frac{V_{ref}}{R}$

$R=\frac{V_{ref}\×N}{I_{avg}}$

相应的，平均值电流计算可以用一个采样电阻参与表达，这个采样电阻是原边电流采样电阻的物理阻值乘以匝比N。

目前市场上流行的电流检测电路是根据上述理论分析，在变压器或电感上增加一个辅助绕组来实现I_avg的检测计算。如图5所示，是一个典型的反激电源和传统电流检测电路：除了图1的主电路部分，此处含交流整流输入，LED负载，驱动芯片和辅助绕组电路。辅助绕组是变压器原边和副边之外的一个独立绕组，其输出经电阻分压得到PSVR信号，它在计算输出平均电流时起到关键作用。

图6把主开关管的漏源电压与PSVR上采样电压做了一个对比，发现在开关管关断以后，PSVR可以等比例的把原边侧开关管的漏源电压中剔除输入直流成份以外的交流电压复现出来，而且在时序上也能完全对应。从上述公式可知，通过电流采样电阻可以获得I_pavg，另外从PSVR的波形得到每个开关周期的T_off值，即可算出负载电流。这种电路，虽然通用，但是有严重缺点；变压器每增加一个绕组会加大生产成本，而且增加元器件体积和减小可靠性。特别是有的开关电源只含电感，不需要变压器的情况下，更为突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，采用一个电阻分压电路后加一个高通滤波器把主开关管漏源电压上的谐振频率分量提取出来，从而获得实际关断时间的信息，对输出电流实时地进行测算；利用系统中经整流输入的电压信号与主开关管的漏源电压信号进入差分放大器和比较器得到输出电压幅值和电流的时序信息。从而实现无需变压器额外绕组及直接传感元器件条件下，对输出电流的精确控制。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，在离线式开关电源的主开关漏极设置高通滤波电路，所述高通滤波电路对电压信号处理得到漏极电压的高频交流分量，进一步得出副边电流从峰值到0的时间和输出电流值。

作为本发明的进一步优选方案，所述高通滤波电路包括第一至第四电阻，第一电容和第一二极管，离线式开关电源的主开关漏极与第一电阻的一端相连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端、第一电容的一端相连接，第二电阻的另一端接地，第一电容的另一端与第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端分别与第四电阻的一端、第一二极管的负极相连接，第四电阻的另一端接地，第一二极管的正极接地。

作为本发明的进一步优选方案，所述高通滤波电路对波形分检出高频分量；所述高通滤波器的输出检测负载电流值。

作为本发明的进一步优选方案，高通滤波器的截止频率大于设定的阈值。

作为本发明的进一步优选方案，在离线式开关电源电路中还设置有负载控制和过压保护系统，所述系统包括两个分压电阻器，比较器，时序检测电路，电流检测电路，控制器，电压检测电路，增益模块和差分放大器，第五和第六电阻组成第一分压电阻器，第一分压电阻器设置于负载控制和过压保护系统的输入处，第七电阻和第八电阻组成第二分压电阻器，第二分压电阻器设置于主开关管的漏极，生成PSVR信号；

所述差分放大器输出输入电压与高频交流电压的差值；比较器输出漏极电压和输入电压的差值，计算得出输出电流值，负载控制和过压保护系统在获得输出电流值的基础上即以调节PWM占空比的方式控制电流。

作为本发明的进一步优选方案，两个电阻分压器采用相同的分压比例。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、避免在电源磁元件增加辅助绕组；

2、革除使用变压器；

3、所有电路可以归并放入电源控制芯片内，接近成本；

4、可以实现负载电流控制；

5、可以实现输出电压的过压和欠压保护功能；

6、适用于开关电源各种拓扑结构。

附图说明

图1是现有技术中，常见的反激电路拓扑图。

图2是现有技术中，变压器原边副边电流和输入电压形状示意图。

图3是现有技术中，原副边电流及主开关管漏极电压示意图。

图4是现有技术中，电流控制示意图。

图5是现有技术中，传统电路获得T_off的方法示意图。

图6是现有技术中，PSVR电压反映T_off发生时间点示意图。

图7是本发明中，用高通滤波器实现电流控制的示意图，

其中：R71、R72、R74、R75分别为第一至第四电阻，C57为第一电容，D165为第一二极管。

图8是本发明中，高通滤波器实现的升降压电路-电流控制示意图。

图9是本发明中，用差分电路实现升降压变换器的电流控制示意图，

其中：R1至R4分别为第五至第八电阻，R1和R2组成第一电阻分压器，R3和R4组成第二电阻分压器。

图10是本发明中，提取T_off信号的详细波形图。

图11是本发明中，用高通滤波器实现电流控制的波形示意图。

图12是本发明中，用差分放大器实现电流控制的波形示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图7所示，本发明在图5的基础上单独拿出变压器原边部分，在主开关管的漏极增加一个电阻分压(第一电阻R71和第二电阻R72)及第一电容C57，第三电阻R74，第四电阻R75和第一二极管D165的高通滤波电路。在这个新电路中，不需要额外增加任何变压器的绕组，直接从漏极的电压引出电阻电容等无源元件组成的电路，对信号处理得到V_ds(漏极电压)的高频交流分量，从而得到T_off和输出电流值。

因为在实用中，有些电源主电路中只需要一个电感，在这种情况下，使用本发明的电路可以更加有效地消减成本。因此在具体实例演示时，本申请使用升降压拓扑离线式开关电源电路。

图8所示为本发明的一个具体情况电路，交流输入经二极管桥式整流滤波后接到一个升降变换器。Q1，Z1，C5和Q2形成一个源极开关电路，可以视为一个从Q2栅极为门极Q1漏极为漏极的MOSFET开关管。

L4作为主电路唯一的磁元件是没有副边或其它的绕组的，可以使用标准型无源元件。从Q1漏极得到V_ds先由R10和R11分压，然后送到C7和R12，R13组成的高通滤波器，在实际设计中，由于开关频率是在几十千赫到几百千赫的范围，而要滤除的成份在一百赫兹左右，因此这个高通滤波器的截止频率保障在几千赫兹以上即可。

图8虚线框内部分代表了控制器，其中的脉宽调制控制器通过PWM输出控制开关Q2来恒定负载电流。PWM的占空比正是基于高通滤波器的输出信息实时产生的。

除了使用高通滤波器来提取输出电流信息，本申请还探索出另一种有效的实现电路来获得计算输出电流所需的信息。图9显示的负载控制和过压保护系统能够获得负载控制所需的数据，还能提供过压保护所需的信息。此系统包括一个升降压变换器，全波整流输入电压和一个详细的控制器。功率主电路部分和图8相似，主要的不同点在于引入了两个电阻分压器，R1和R2的分压装置接在升降压电路的输入处，生成节点电压VAC，另一个分压器R3和R4置于主开关管的漏极，生成PSVR信号。由于"R1"/"R2"＝R3/R4，即两个电阻分压器采用相同的分压比例，VDRAIN-VAC的值就能方便地表示开关管漏极电压波形中的高频交流部分。正是基于这个特点，所有前述需要的电流信息和电压信息，如T_off，V_Ro都可以得到准确的重现。控制器内部包含了PWM控制器，电流控制电路，计时检测电路，电压探测电路，增益环节等基本单元。此处只需增加一个差分放大器(或称减法器)和一个比较器。

差分放大器的输出PSVR-VAC代表输入电压与高频交流电压的差(振幅为Vo),通过适当的增益环节，过电压检测电路即可判断此时输出电压是否正常。比较器输出的是漏极电压和输入电压的比较，称为波谷，含有关键的时序信息，可以算出T_off,从而计算输出电流值。

图10所示为图9电路中的波形，V_drain代表漏极电压，V_in是输入电压(慢变信号)在局部可以当作直流信号处理，V_RING是经差分放大器的输出，其幅值代表输出电压，此处升降压电路中试一个电感，因此匝比N＝1。波谷(VALLEY)信号是V_drain和V_in比较的输出，从图上所见，第一个脉冲宽度为T_o，其中包含了T_OFF和1/4T1，T1是振荡周期从第一个脉冲结束到第2个脉冲结束(下降沿)的时间为T1，因此T_off＝T_o-1/4T1，从而得到输出平均电流值。电流控制电路在获得输出电流值的基础上即以调节PWM占空比的方式控制电流。

图11和图12以实验结果形式，分别反映了系统使用高通滤波器及差分放大器实现电流控制的波形，其中PSVR代表了漏极电压中的高频成份。可以看出两种电路实现方案都可以产生类似于图6中V_vs的波形，从而提供计算负载电流和电压的信息。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，其特征在于：在离线式开关电源的主开关漏极设置高通滤波电路，所述高通滤波电路对电压信号处理得到漏极电压的高频交流分量，进一步得出副边电流从峰值到0的时间和输出电流值。

2.如权利要求1所述的一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，其特征在于：所述高通滤波电路包括第一至第四电阻，第一电容和第一二极管，离线式开关电源的主开关漏极与第一电阻的一端相连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻的一端、第一电容的一端相连接，第二电阻的另一端接地，第一电容的另一端与第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端分别与第四电阻的一端、第一二极管的负极相连接，第四电阻的另一端接地，第一二极管的正极接地。

3.如权利要求1或2所述的一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，其特征在于：所述高通滤波电路对波形分检出高频分量；所述高通滤波器的输出检测负载电流值。

4.如权利要求1或2所述的一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，其特征在于：高通滤波器的截止频率大于设定的阈值。

5.如权利要求1所述的一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，其特征在于：在离线式开关电源电路中还设置有负载控制和过压保护系统，所述系统包括两个分压电阻器，比较器，时序检测电路，电流检测电路，控制器，电压检测电路，增益模块和差分放大器，第五和第六电阻组成第一分压电阻器，第一分压电阻器设置于负载控制和过压保护系统的输入处，第七电阻和第八电阻组成第二分压电阻器，第二分压电阻器设置于主开关管的漏极，生成PSVR信号；

所述差分放大器输出输入电压与高频交流电压的差值；比较器输出漏极电压和输入电压的差值，计算得出输出电流值，负载控制和过压保护系统在获得输出电流值的基础上即以调节PWM占空比的方式控制电流。

6.如权利要求5所述的一种离线式开关电源的新型电流检测和控制电路，其特征在于：两个电阻分压器采用相同的分压比例。