CN106301019A - 原边反馈反激式开关电源及其线缆补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原边反馈反激式开关电源及其线缆补偿方法，包括原边部分和副边部分，设置在原边部分的控制器；所述控制器用于计算原边电流采样电阻上的理想电压值，根据输出线缆的阻值确定线缆补偿系数的取值，将表征输出电流大小的原边电流采样电阻上的理想电压值的平方乘以与线缆补偿系数，并将得到的结果加入开关电源的基准电压中，形成新的输出电压的给定基准值。本发明的种原边反馈反激式开关电源及其线缆补偿方法，能够满足不同的线缆补偿的需求，使得最终线端的输出电压值保持基本不变，并具有很好的负载调整率。

Description

原边反馈反激式开关电源及其线缆补偿方法

技术领域

本发明涉及一种开关电源的技术领域，特别是涉及一种原边反馈反激式开关电源及其线缆补偿方法。

背景技术

AC-DC充电器在手机、平板等领域有着广泛的应用，一般均采用反激式拓扑实现，大体上分为带光耦隔离的副边反馈的反激(flyback)结构和通过变压器原边反馈隔离的flyback结构。目前的充电器从节约成本考虑，一般均采用原边反馈的方式，副边没有任何检测端。

图1所示即为AC-DC的反激式开关电源的一种示例电路图。其中，反激式开关电源包括原边部分(即绕组L1所在部分)及副边部分(即绕组L2所在部分)，而在原边部分设有反馈(flyback)的控制器，原边部分还可包含有辅边部分(即绕组L3所在部分)。需要说明的是，图1仅为示例性展示的一种开关电源电路图，并非用以限制本发明的开关电源，本发明的开关电源还可例如为DC-DC转换等皆可。

传统的充电器在恒压段板端恒定输出5V电压。当输出电流较大时，线缆末端的电压往往低于5V。随着手机、平板电池越来越大，进入恒压段的充电电流也越来越大，以1.2m电缆线(等效电阻0.2欧)为例，如果充电电流为2A，则将在线缆上损耗0.4V电压，导致线端实际输出电压只有4.6V。在一些手机、平板的内部充电器(5V转4.2V对锂电池充电的单元)设计中可能会触发输入电压欠压而断开充电开关，从而导致充电失败的情况。所以目前做的比较好的AC-DC充电器芯片均采用了线缆补偿技术，使得线端输出电压基本保持不变。原边反馈反激式开关电源的无线缆和有线缆补偿的板端电压和线端电压的示意图分别如图2和图3所示。其中横轴表示输出电流，纵轴表示输出电压，Vboard表示电源的板端输出电压，经过充电线后装置上得到的电压为Vcable，称为线端电压。

因此，进行线缆补偿成为保证开关电源输出恒定的一个重要手段。现有技术通过检测输出电流大小，根据不同的输出电缆长度，选择不同的补偿系数，补偿输出电压，从而使得不同输出电流下，最终线端输出电压值保持基本不变。因此，从原边信号中检测出副边电流大小就成了进行正确线缆补偿计算的关键。

现有技术中的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿原理如图4所示。其中，V_pkref为原边电流的峰值电压给定值，V_cs为原边电流的峰值电压采样值，控制使得V_cs＝V_pkref，两者为同一概念。t_dis为变压器副边释放能量时间，T为开关周期。A为与输出线缆阻值相关的固定系数，可以按照不同的线缆设定不同的取值；V_ref为开关电源的基准电压，其值乘上一个采样反馈系数k，就是输出电压值V_out。V_{ref_comp}为叠加了线缆补偿系数CRC(Cable ResistanceCompensation)的新的输出电压的给定基准值。输出电流计算公式如下：

$I_o=\frac{1}{2}\·n\·\frac{V_{\mathrm{cs}}}{R_{\mathrm{cs}}}\·\frac{t_{\mathrm{dis}}}{T}$

其中，n为变压器原副边变比，R_cs为原边电流采样电阻，这两个值系统设计确定后均不变，所以输出电流I_o与成比例。将表征输出电流的乘以一个与输出线缆阻值相关的系数A，将得到的结果加入V_ref中，形成新的输出电压的给定基准值V_{ref_comp}。那么在新的抬高的基准电压下，输出板端电压将会升高，升高的电压正好和线缆上损耗的电压相抵消，从而保证在不同的负载条件下相同的线端电压的输出。

然而，上述做法的缺陷在于需要采样t_dis和T的大小，再进行一次除法运算，检测精度不高，且系统运算较为复杂。同时，当电缆长度改变时，需要根据不同型号的芯片来选择不同的线缆补偿系数，限制了系统应用的灵活性；或者需要在芯片上附加一个线缆补偿引脚，通过改变该引脚对地电阻值的大小来改变线缆补偿的大小(改变系数A大小)，这又增加了开关电源芯片的封装成本。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种原边反馈反激式开关电源及其线缆补偿方法，仅通过简单计算就能够得出输出电流的大小，结合系统可选的电缆补偿电阻，从而满足不同的线缆补偿的需求，使得最终线端的输出电压值保持基本不变，并具有很好的负载调整率。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种原边反馈反激式开关电源，包括原边部分和副边部分，设置在原边部分的控制器；所述控制器用于计算原边电流采样电阻上的理想电压值，根据输出线缆的阻值确定线缆补偿系数的取值，将表征输出电流大小的原边电流采样电阻上的理想电压值的平方乘以与线缆补偿系数，并将得到的结果加入开关电源的基准电压中，形成新的输出电压的给定基准值。

根据上述的原边反馈反激式开关电源，其中：所述线缆补偿系数与输出线缆阻值之间存在一个比例关系；当输出线缆阻值分别是0.1欧、0.2欧和0.3欧，相对应的线缆补充系数的取值分别为0.06、0.12和0.18。

根据上述的原边反馈反激式开关电源，其中：在所述控制器芯片的电流检测引脚与原边电流采样电阻之间串接一个可调节线缆电阻，所述可调节线缆电阻的阻值远大于原边采样电阻以至于能够忽略原边采样电阻的影响；通过可调节线缆电阻在所述电流检测引脚上产生的电压值来确定输出线缆的阻值，进而选取所对应的不同的线缆补偿系数。

进一步地，根据上述的原边反馈反激式开关电源，其中：所述原边采样电阻的取值为欧姆级，所述可调节线缆电阻的取值为千欧姆级。

根据上述的原边反馈反激式开关电源，其中：所述控制器采用PID控制器。

根据上述的原边反馈反激式开关电源，其中：所述控制器每隔100-1000个开关周期计算一次新的输出电压的给定基准值。

同时，本发明还提供一种原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，包括以下步骤：

计算的原边电流采样电阻上的理想电压值；

根据输出线缆的阻值确定线缆补偿系数的取值；

将表征输出电流大小的原边电流采样电阻上的理想电压值的平方乘以与线缆补偿系数，并将得到的结果加入开关电源的基准电压中，形成新的输出电压的给定基准值。

根据上述的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，其中：所述线缆补偿系数与输出线缆阻值之间存在一个比例关系；当输出线缆阻值分别是0.1欧、0.2欧和0.3欧，相对应的线缆补充系数的取值分别为0.06、0.12和0.18。

根据上述的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，其中：根据输出线缆的阻值确定线缆补偿系数的取值时，在所述控制器芯片的电流检测引脚与原边电流采样电阻之间串接一个可调节线缆电阻，所述可调节线缆电阻的阻值远大于原边采样电阻以至于能够忽略原边采样电阻的影响；通过可调节线缆电阻在所述电流检测引脚上产生的电压值来确定输出线缆的阻值，进而选取所对应的不同的线缆补偿系数。

进一步地，根据上述的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，其中：所述原边采样电阻的取值为欧姆级，所述可调节线缆电阻的取值为千欧姆级。

根据上述的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，其中：每隔100-1000个开关周期计算一次新的输出电压的给定基准值。

如上所述，本发明的原边反馈反激式开关电源及其线缆补偿方法，具有以下有益效果：

(1)无需检测输出电流，通过简单计算就能够得出等效的输出电流；

(2)通过降低线缆补偿带宽来防止可能出现的正反馈振荡；

(3)通过用户可选的CS引脚外接线缆补偿电阻的方法，在不增加芯片管脚的前提下，能够灵活选择需要的线缆补偿大小。

附图说明

图1显示为现有技术中的原边反馈反激式开关电源的一实施例的电路结构示意图；

图2显示为现有技术中的原边反馈反激式开关电源的无线缆补偿的板端电压和线端电压的示意图；

图3显示为现有技术中的原边反馈反激式开关电源的有线缆补偿的板端电压和线端电压的示意图；

图4显示为现有技术中的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿原理的示意图；

图5显示为本发明中的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿原理的示意图；

图6显示为本发明中的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿电路的一实施例的结构示意图；

图7显示为本发明中的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

以图1所示的原边反馈反激式开关电源为例，由于整个拓扑采用的是基于原边反馈DCM(Discontinuous Conduction Mode，不连续导电模式)的控制技术，通过能量守恒原理，得到：

$P_o=V_o{I}_o=\frac{1}{2}{L}_p{I}_p^2\mathrm{f\η}$

其中，P_o为开关电源的输出功率，V_o为开关电源的输出电压，I_o为开关电源的输出电流，L_p为开关电源的原边电感量，I_p为开关电源的原边电流峰值，f为开关频率，η为电源转换效率。

由于 $I_p=\frac{V_{\mathrm{cs}}}{R_{\mathrm{cs}}},$

以及V_cs＝V_pkref，

可得 $I_o=\frac{L_p\mathrm{f\η}}{2R_{\mathrm{cs}}^2{V}_o}\·V_{\mathrm{pkref}}^2$

其中，R_cs为原边电流采样电阻，V_pkref为原边电流的峰值电压给定值，V_cs为原边电流的峰值电压采样值，控制使得V_cs＝V_pkref，从而稳定开关电源的输出电压。

对于原边反馈反激式开关电源，在充电恒压段，原边电感、开关频率、电源转换效率、采样电阻、输出电压等量都是近似不变的，因此，输出电流与V_pkref的平方成正比。

而V_pkref的取值为由开关电源的控制器计算的原边电流采样电阻上的理想电压值V_{pkref_idea}，其无需进行检测，从而避免了检测的误差，同时将现有技术中的复杂的除法运算变为了简单的平方运算，有效地节省了系统开销。

需要说明的是，上述仅为理解方便参考图1的电路结构进行描述，但并非以此为限制。任意原边反馈反激式开关电源的电路均满足上述公式，均在本发明的保护范围之内。

鉴于上述理论分析，参照图5和图6本发明的原边反馈反激式开关电源包括原边部分、副边部分和设置在原边部分的控制器。该控制器用于计算原边电流采样电阻上的理想电压值V_{pkref_idea}，根据输出线缆的阻值确定线缆补偿系数B的取值，将表征输出电流大小的乘以与线缆补偿系数B，并将得到的结果加入开关电源的基准电压V_ref中，形成新的输出电压的给定基准值V_{ref_comp}。

其中，线缆补偿系数B根据不同的输出线缆阻值而选择不同的取值。具体地，线缆补偿系数B的取值涉及到整个开关电源系统一级一级的定标关系。简单而言，线缆补偿系数B与输出线缆阻值之间存在一个比例关系。通常设计时所采用的补偿线缆的长度包括有：0.6m、1.2m和1.8m，对应的输出线缆阻值分别是0.1欧、0.2欧和0.3欧，相对应的线缆补偿系数B的取值分别为0.06、0.12和0.18。也就是说，线缆补偿系数B的取值与补偿线缆的长度，也就是补偿线缆的阻值为一一对应关系。在实际使用中，根据补偿线缆的长度/阻值来选取对应的线缆补偿系数B的取值。

在本发明的一个优选实施例中，针对不同长度的线缆补偿的需求，本发明的原边反馈反激式开关电源通过在控制器芯片的CS引脚(Current Sense，电流检测引脚)与原边电流采样电阻R_cs之间串接一个电阻R_crc。R_crc的阻值要比R_cs的阻值大很多，从而可以忽略R_cs的影响。通常地，R_cs取值为欧姆级，所以R_crc可以取千欧姆级。

当控制器的电源引脚V_cc上电后，原边部分的开关管打开前，控制器先用一个恒流源给CS引脚上输入恒定电流，不同的R_crc电阻值在CS引脚上得到不同的电压值，控制器检测到CS引脚上的电压大小后，便可得到R_crc的阻值。因此，控制器可直接地根据不同的CS引脚上的电压值决定选取所对应的不同的线缆补偿系数B。其中，线缆补偿系数B与电阻R_crc的取值关系如表1所示。

表1、线缆补偿系数与电阻R_crc的取值

B	0.18	0.12	0.06	0
					Rcrc	7k(>4.3k)	3k(2.2k-4.3k)	1k(0.6k-2.2k)	0.2k(0k-0.6k)

其中，针对每一栏的R_crc值，括号里的取值范围表示R_crc的可选范围，括号外的取值表示R_crc的优选值。另外，在有些应用中，为了节省元器件而不接入R_crc，在可以接受的情况下，要么不进行线缆补偿，要么就直接将补偿值在芯片内部做死。

具体地，当输出线缆的阻值确定之后，输出板端电压在线缆上的电压降可以通过输出电流I_o乘以输出线缆电阻得到。这个电压降就是需要系统补偿的线缆上所消耗的电压值。而开关电源的基准电压V_ref是与输出板端电压成正比的给定量，所以将表征输出电流大小的乘以一个与输出线缆阻值相关的线缆补偿系数B，再将得到的结果加入V_ref中，即可形成新的输出电压的给定基准值V_{ref_comp}。在新的抬高的基准电压下，输出板端电压将会升高，升高的电压正好与线缆上损耗的电压相抵消，从而保证在不同的负载条件下都能够获得相同的线端电压的输出。

同时，由于线缆补偿是一个正反馈的系统，当输出电流变大时，通过输出电压的给定基准值的变大来抵消线损，在瞬间看来会使得输出电流变的更大，从而造成正反馈振荡。因此，在本发明的原边反馈反激式开关电源中，为了避免正反馈振荡，需要将线缆补偿的带宽做的很低，一般取线缆补偿带宽为系统控制带宽的1/10-1/100。这是因为线缆补偿带宽太高了容易发生正反馈，太低了又可能影响线缆补偿的实时性。具体地，对输出电流进行低频采样，如当系统控制带宽为开关频率的1/10时，取100-1000个开关周期检测一次，输出电压的给定基准值每100-1000个开关周期才变化一次，从而避免输出电压发生振荡。

优选地，控制器可以采用PID控制器，通过预设的PID(proportion、integration、differentiation，比例积分微分)算法来计算原边电流采样电阻上的理想电压值V_{pkref_idea}。

本发明还可以提供一种原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，应用于上述原边反馈反激式开关电源，以满足不同的线缆补偿的需求，使得开关电源的线端的输出电压值保持基本不变。如图7所示，本发明的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法包括以下步骤：

步骤S1、计算的原边电流采样电阻上的理想电压值V_{pkref_idea}。

其中，V_pkref为原边电流的峰值电压给定值，V_{pkref_idea}为由开关电源的控制器计算的原边电流采样电阻上的理想电压值，并设定V_{pkref_idea}＝V_pkref。

优选地，所采用的PID控制器可通过预设的PID算法来计算原边电流采样电阻上的理想电压值V_{pkref_idea}。

步骤S2、确定输出线缆的阻值，根据输出线缆的阻值确定线缆补偿系数B的取值。

具体地，线缆补偿系数B的取值涉及到整个开关电源系统一级一级的定标关系。简单而言，线缆补偿系数B与输出线缆阻值之间存在一个比例关系。通常设计时所采用的补偿线缆的长度包括有：0.6m、1.2m和1.8m，对应的输出线缆阻值分别是0.1欧、0.2欧和0.3欧，相对应的线缆补偿系数B的取值分别为0.06、0.12和0.18。也就是说，线缆补偿系数B的取值与补偿线缆的长度，也就是补偿线缆的阻值为一一对应关系。在实际使用中，根据补偿线缆的长度/阻值来选取对应的线缆补偿系数B的取值。

在本发明的一个优选实施例中，针对不同长度的线缆补偿的需求，本发明的原边反馈反激式开关电源通过在控制器芯片的CS引脚(Current Sense，电流检测引脚)与原边电流采样电阻R_cs之间串接一个电阻R_crc。R_crc的阻值要比R_cs的阻值大很多，从而可以忽略R_cs的影响。通常地，R_cs取值为欧姆级，所以R_crc可以取千欧姆级。

当控制器的电源引脚V_cc上电后，原边部分的开关管打开前，控制器先用一个恒流源给CS引脚上输入恒定电流，不同的R_crc电阻值在CS引脚上得到不同的电压值，控制器检测到CS引脚上的电压大小后，便可得到R_crc的阻值。因此，控制器可直接地根据不同的CS引脚上的电压值决定选取所对应的不同的线缆补偿系数B。其中，线缆补偿系数B与电阻R_crc的取值存在一一对应的关系。

步骤S3、将表征输出电流大小的乘以与线缆补偿系数B，并将得到的结果加入开关电源的基准电压V_ref中，形成新的输出电压的给定基准值V_{ref_comp}。

具体地，在本发明的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法中，当输出线缆的阻值确定之后，输出板端电压在线缆上的电压降可以通过输出电流I_o乘以输出线缆电阻得到。这个电压降就是需要系统补偿的线缆上所消耗的电压值。而开关电源的基准电压V_ref是与输出板端电压成正比的给定量，所以将表征输出电流大小的乘以与输出线缆阻值相关的系数B，再将得到的结果加入V_ref中，即可形成新的输出电压的给定基准值V_{ref_comp}。在新的抬高的基准电压下，输出板端电压将会升高，升高的电压正好与线缆上损耗的电压相抵消，从而保证在不同的负载条件下都能够获得相同的线端电压的输出。

综上所述，本发明的原边反馈反激式开关电源及其线缆补偿方法无需检测输出电流，通过简单计算就能够得出等效的输出电流；通过降低线缆补偿带宽来防止可能出现的正反馈振荡；通过用户可选的CS引脚外接线缆补偿电阻的方法，在不增加芯片管脚的前提下，能够灵活选择需要的线缆补偿大小。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种原边反馈反激式开关电源，包括原边部分和副边部分，其特征在于：还包括设置在原边部分的控制器；

所述控制器用于计算原边电流采样电阻上的理想电压值，根据输出线缆的阻值确定线缆补偿系数的取值，将表征输出电流大小的原边电流采样电阻上的理想电压值的平方乘以与线缆补偿系数，并将得到的结果加入开关电源的基准电压中，形成新的输出电压的给定基准值。

2.根据权利要求1所述的原边反馈反激式开关电源，其特征在于：所述线缆补偿系数与输出线缆阻值之间存在一个比例关系；当输出线缆阻值分别是0.1欧、0.2欧和0.3欧，相对应的线缆补充系数的取值分别为0.06、0.12和0.18。

3.根据权利要求1所述的原边反馈反激式开关电源，其特征在于：在所述控制器芯片的电流检测引脚与原边电流采样电阻之间串接一个可调节线缆电阻，所述可调节线缆电阻的阻值远大于原边采样电阻以至于能够忽略原边采样电阻的影响；通过可调节线缆电阻在所述电流检测引脚上产生的电压值来确定输出线缆的阻值，进而选取所对应的不同的线缆补偿系数。

4.根据权利要求3所述的原边反馈反激式开关电源，其特征在于：所述原边采样电阻的取值为欧姆级，所述可调节线缆电阻的取值为千欧姆级。

5.根据权利要求1所述的原边反馈反激式开关电源，其特征在于：所述控制器采用PID控制器。

6.根据权利要求1所述的原边反馈反激式开关电源，其特征在于：所述控制器每隔100-1000个开关周期计算一次新的输出电压的给定基准值。

7.一种原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

计算的原边电流采样电阻上的理想电压值；

根据输出线缆的阻值确定线缆补偿系数的取值；

将表征输出电流大小的原边电流采样电阻上的理想电压值的平方乘以与线缆补偿系数，并将得到的结果加入开关电源的基准电压中，形成新的输出电压的给定基准值。

8.根据权利要求7所述的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，其特征在于：所述线缆补偿系数与输出线缆阻值之间存在一个比例关系；当输出线缆阻值分别是0.1欧、0.2欧和0.3欧，相对应的线缆补充系数的取值分别为0.06、0.12和0.18。

9.根据权利要求7所述的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，其特征在于：根据输出线缆的阻值确定线缆补偿系数的取值时，在所述控制器芯片的电流检测引脚与原边电流采样电阻之间串接一个可调节线缆电阻，所述可调节线缆电阻的阻值远大于原边采样电阻以至于能够忽略原边采样电阻的影响；通过可调节线缆电阻在所述电流检测引脚上产生的电压值来确定输出线缆的阻值，进而选取所对应的不同的线缆补偿系数。

10.根据权利要求9所述的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，其特征在于：所述原边采样电阻的取值为欧姆级，所述可调节线缆电阻的取值为千欧姆级。

11.根据权利要求7所述的原边反馈反激式开关电源的线缆补偿方法，其特征在于：每隔100-1000个开关周期计算一次新的输出电压的给定基准值。