CN106787651A - 补偿电路及补偿控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升电源性能的补偿控制电路，包括补偿支路，补偿支路包括第一电阻和第一电容，第一电阻和第一电容形成极点，且第一电阻为负温度系数的热敏电阻，第一电阻和第一电容的极点随温度的变化与滤波电路中电解电容的零点随温度的变化基本一致。本发明补偿控制电路通过对温度的适应，在低温条件下补偿电解电容ESR的变化，使得电路拥有较好的环路性能，使得电路在微小的改动下有效的改善了开关电源的性能。

Description

补偿电路及补偿控制电路

技术领域

本发明涉及开关电源领域，具体的说，涉及在低温-40℃以下具有稳压补偿的补偿电路及补偿控制电路。

背景技术

工业与民用领域经常需要把电网的交流电压变成直流，甚至是隔离的直流电，而完成这种转换的工作通常由开关电源来实现，开关电源具有体积小、重量轻等众多优点而被这些领域大量应用，大多时候需要用到稳定的直流输出电压，而这种具有稳定电压输出的开关电源所用到的稳压方法通常采用负反馈控制电路，图1就是一种常用的反激式电路，电路通常由电压变换电路、输出滤波电路、采样电路、控制补偿电路和PWM脉宽调制电路组成，控制补偿电路中所用到的参考源通常是带隙基准电路，其稳压精度高、参数飘移小、成本低，由于其拥有良好的性能，在现代开关电源中被大量应用。结合图一简要说明其主要的工作原理。

当PWM脉宽调制电路输出一个高电平后，功率开关管导通，电压变换电路向输入电源汲取能量；反之，当功率开关管断开，电压变换电路停止向输入电源汲取能量。电压转换电路输出的电压经过输出滤波电路滤波后由采样电路传递给控制电路，控制电路根据采样电路传递的信号经过补偿电路补偿传递给PWM脉宽控制电路，PWM脉宽控制电路调节开关管导通和关断，如输出电压有增加的趋势，PWM信号关断开关管，减少能量的汲取；如输出电压有减少的趋势，PWM信号导通开关管，开关变换器增加能量的汲取。开关变换器汲取能量根据补偿电路的需求不断进行调整，因而始终保持输出电压的稳定。

开关电源工作的稳定情况主要由补偿电路决定，输出稳态、动态、启动过程中输出电压响应的好坏大多取决于补偿电路参数设计的好坏。自动控制原理中对于反馈补偿电路有着精确的描述和设计要求。

对于开关电源中的小信号分析已经有众多的学者进行过深入的研究分析，如状态空间法、等效电源法等，每种方法都由自己的特点，不过，其最终的小信号结论是一致的。各种开关变换器的小信号建模与分析的原理可以参见中国电力出版社的《开关变换器的建模与控制》，该书ISBN号7-5083-3648-8。

从开关电源小信号分析的结论中可以得知，在输出电容为电解电容的场合，小信号分析中有一个电容ESR零点，此ESR零点在补偿设计中起到了不可忽视的作用，由于电解电容的ESR零点在某种程度上带来了负反馈电路相位和增益的改变，因而环路设计过程中需要将ESR零点的影响考虑进去，否则，开管电源补偿电路的参数将不能得到有效的参数，甚至于导致电源的环路失控。众所周知，电解电容的容值和ESR在高低温下的情况有着明显的不同，尤其在低温下，其容值会减少，ESR会成倍的增加，温度越低这种表现越明显。因而这种变化势必导致电容零点的变化，进而影响到电源的环路性能，甚至影响电源的工作。在多数场合，开关电源为后级设备提供电压能量，电源工作的好坏直接影响后级设备能否正常工作，如果低温下电源不能正常工作，必然导致后级设备的不稳定，甚至出现误动作。因此，如何解决低温下稳定性和产品的性能也越来越受到重视。表1为国内常见品牌的四款低压电解电容的测试数据，其中物料01、02代表样品的编号。

表1国内常见品牌的四款低压电解电容的测试数据

从上表数据中看，目前电解电容在低温-40℃下容值变化在5％-20％之间，而ESR为常温下4-35倍，而电容零点就是容值和ESR的乘积，因而电容在低温下的零点也是常温下零点的数十倍左右，而这种变化不得不在开关电源环路设计中去考虑。但目前多数开关电源的由于成本和体积的考虑，其环路参数多为无源元器件组成，在高低温变化时元器件参数不能进行动态的调整，因而环路设计上带来了较大的麻烦。此时多数的解决办法就是降低产品的环路要求，设计低的环路带宽，避免ESR零点变化太大导致控制环路出现问题。这也是一种方法的折中，此种解决方法带来的后果就是电源性能在整个温度范围内的下降，如电源的动态响应、工频抑制能力等，而在要求高的场合又需要增加一些电容的容值来解决这些问题，容值的增加又导致了成本和体积增加，这似乎是一个矛盾，陷入死循环之中。

综上所述，现有的补偿控制电路在低温条件下工作有较大的不足，为满足宽温度范围内产品的稳定性，低环路带宽的设计在性能表现上面也明显表现不足，在成本要求和性能要求日益提升的今天已经越来越不能满足要求。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决开关电源在低温-40℃以下电解电容零点变化太大导致的环路带宽低的补偿电路，以提升产品带宽，提升产品的性能。

与此相应，本发明还要解决开关电源在低温-40℃以下电解电容零点变化太大导致的环路带宽低的补偿控制电路，以提升产品带宽，提升产品的性能。

本发明是这样实现的，一种补偿电路，连接在滤波电路与光耦反馈控制电路之间，其特征在于：包括补偿支路，补偿支路包括第一电阻和第一电容，第一电阻和第一电容形成极点，且第一电阻为负温度系数的热敏电阻，第一电阻和第一电容的极点随温度的变化与滤波电路中电解电容的零点随温度的变化基本一致。

优选的，所述补偿支路的第一电阻和第一电容串联连接形成串联支路，其连接关系是，第一电阻的一端作为补偿支路的输入端，用于分别与滤波电路及光耦反馈控制电路的第一输入端连接；第一电阻的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端作为补偿支路的输出端，用于与光耦反馈控制电路的第二输入端连接。

优选的，所述补偿支路，还包括第三电阻，第三电阻串入第一电阻与第一电容之间。

优选的，所述补偿支路，还包括第三电阻，第三电阻并联在第一电阻两端。

优选的，所述的补偿控制电路，还包括第二电阻，第二电阻并联在补偿支路的两端。

本发明还提供一种补偿控制电路，包括上述的补偿电路和光耦反馈控制电路，光耦反馈控制电路，包括光耦U2、稳压器U1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C2，其连接关系是，光耦U2光敏二极管的阳极作为光耦反馈控制电路的第二输入端，光敏二极管的阴极分别与电容C2的一端及稳压器U1的阴极连接，电容C2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端分别与电阻R5的一端及电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端作为光耦反馈控制电路的第一输入端；电阻R6的另一端接地；稳压器U1的阳极接地；稳压器U1的控制端与电阻R6的一端连接。

本发明再提供一种控制环路补偿电路，用于连接输出和光耦电路之间，包括

第一电阻，所述第一电阻的一端连接输出电路的正极，同时连接所述第三电阻的一端，所述第一电阻的另一端接第二电阻的一端；

第二电阻，所述第二电阻的一端的连接第一电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接第一电容的一端；

第一电容，所述第一电容的一端的连接第二电阻的一端，所述第一电容的另一端所述第三电阻的另一端。

优选地，第二电阻可以取消，所述第一电阻的一端连接输出电路的正极，第一电阻的另一端第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接第三电阻的一端。

附图说明

图1为现有开关电源主要控制电路的原理框图；

图2为本发明第一实施例的补偿控制电路的电路原理图；

图3为本发明第二实施例的补偿控制电路的电路原理图；

图4为本发明第三实施例的补偿控制电路的电路原理图；

图5-1为现有补偿电路的动态小信号的测试波形图；

图5-2为本发明第一实施例补偿电路的动态小信号的测试波形图；

图6-1为现有补偿电路的大动态的信号跳变的测试波形图，选择常用的负载25％-75％动态变化区间；

图6-2为本发明第一实施例的补偿电路的大动态的信号跳变的测试波形图，选择常用的负载25％-75％动态变化区间；

图7-1为现有补偿电路的低压输入时输出的工频纹波图；

图7-2为本发明第一实施例补偿电路的低压输入时输出的工频纹波图；

图8-1为本发明第一实施例补偿电路进行低温-40°测试的启动波形图；

图8-2为本发明第一实施例补偿电路进行低温-40°测试的动态波形图；

图8-3为本发明第一实施例补偿电路进行低温-40°测试的展开波形图。

具体实施方式

实施例一

图2示出了第一实施例的补偿控制电路原理图，一种提升电源在低温下性能的补偿电路102，连接于输出滤波电路101和反馈控制电路103之间。

补偿电路102包括补偿支路和第二电阻，补偿支路包括第一电阻和第一电容，第一电阻和第一电容形成极点，且第一电阻为负温度系数的热敏电阻，第一电阻和第一电容的极点随温度的变化与滤波电路中电解电容的零点随温度的变化基本一致。补偿电路102的连接关系是，第一电阻的一端作为补偿电路的输入端，分别连接滤波电路101的输出正极及反馈控制电路103的电阻R5(即反馈控制电路103的第一输入端)；第一电阻的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端作为补偿电路的输出端，连接反馈控制电路103中光耦的阳极(即反馈控制电路的第二输入端)；第二电阻，第二电阻的一端连接滤波电路101的输出正极，第二电阻的另一端连接第一电容的另一端；也即第二电阻与第一电阻和第一电容串联支路形成并联关系，连接在滤波电路101的输出正极和反馈控制电路103中光耦的阳极。

为了方便，以下第一电阻R1简称为电阻R1，其它相同，如第二电阻R2简称为电阻R2。

反馈控制电路103，包括光耦U2、稳压器U1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C2，其连接关系是，光耦U2光敏二极管的阳极作为光耦反馈控制电路103的第二输入端，用于与补偿电路102的输出端连接；光敏二极管的阴极分别与电容C2的一端及稳压器U1的阴极连接，电容C2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端分别与电阻R5的一端及电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端作为光耦反馈控制电路103的第一输入端；电阻R6的另一端接地；稳压器U1的阳极接地；稳压器U1的控制端与电阻R6的一端连接。

补偿控制电路在低温下补偿电解电容零点的补偿电路102的工作原理如下：

根据控制环路小信号的分析结论，输出电路中的电解电容在功率级传递函数中产生一个固定的零点，但是根据之前的描述，在低温下电解电容的容值和ESR变化很大，其乘积形成的零点也随着温度的变化而产生非常大的变化，如此，如果环路的设计不合理，虽然电源的性能有提升，但低温下因零点的变化容易导致输出电压出现异常，甚至产生振荡。本补偿电路102中的电阻R1和电容C1与反馈控制电路103电路形成一个极点，此极点通过合理的设计可以抵消滤波电路101中电解电容产生的零点。但是电解电容产生的零点随温度的变化而变化，固定参数的电阻R1和电容C1不能满足此种变化，否则就需要降低环路的带宽，为抵消零点的变化，电阻R1和电容C1形成的极点也需要随着温度的变化而变化，而且要与电解电容的变化保持一致，由于电容C1多为陶瓷电容，其温度变化系数不大，故此改变电阻R1阻值，而负温度系数热敏电阻可以满足此方面的需求，通过选择合适参数的热敏电阻，可以使电阻R1和电容C1的乘积随着温度的变化而有较大的波动，此种波动在一定程度上可以抵消甚至完全消除电解电容低温下的变化，因而其环路的设计参数可以保持和常温下的一致，因此通过较低的改动，使得电源的性能得以较大的提升。

现以公司一台10W12V输出的AC-DC反激电路的产品为例，通过对补偿电路102改进前、后方案的测试相关的数据，来说明其改进效果：

从对比的数据中可以看出：

1、如图5-1所示为现有补偿电路的动态小信号的测试波形图，图5-2所示为本发明第一实施例补偿电路的动态小信号的测试波形图，由此可知，本发明补偿电路的动态小信号的测试结果有明显提升，产品的带宽从219Hz提升到933Hz，同时仍然保持足够的相位余量。

2、如图6-1所示为现有补偿电路的大动态的信号跳变的测试波形图，图6-2所示为本发明第一实施例的补偿电路的大动态的信号跳变的测试波形图，由此可知，从大动态的信号跳变的测试上也能反映出本发明补偿电路所带来的产品性能的提升。选择常用的负载25％-75％动态变化区间，可以看出电源输出的动态变化时波形的上下幅度大致减少各15mV，也就是说相对于现有补偿电路的输出波形减少了大约25％的波动幅度，更好的情况是补偿后波形产生的振铃现象小了，从侧面说明其更不易产生震荡。

3、图7-1所示为现有补偿电路的低压输入时输出的工频纹波图，图7-2所示为本发明第一实施例补偿电路的低压输入时输出的工频纹波图，由此可知，从低压输入时输出的工频纹波图形可以看出，本发明补偿电路的输出纹波幅值小了10mV左右，比之现有补偿电路的减少了30％。

从以上的测试结果可以看出，本发明补偿电路使环路带宽提升后电源产品的整体性能有很大的提升，从另一方面也反应出电源产品可以用更小的电容来降低成本和产品体积，从而提升电源产品的性价比。

然而，本领域技术人员的通常理解是带宽提升后很容易导致产品的振荡，对于开关电源这种负反馈电路来说也是如此。那么根据本发明补偿电路对10W的电源进行零点补偿，并对10W的电源进行低温-40°的测试，测试波形如图8-1至8-3所示，从这些测试波形图中可以看出，应用本发明补偿电路的电源产品在低温下输出启动和动态都能够非常好的工作，并没有出现振荡的情况。为更全面地观察电源在稳态下是否可能出现不稳定，使得低温下产品再工作30分钟，同时用示波器监视输出波形，波形表现良好，一直比较稳定，说明补偿电路工作良好，从侧面也说明本发明补偿电路所带来的打破本领域偏见的预想不到的显著有益效果。同时通过此补偿电路的应用，可以对现有的设计平台进行总结，指导产品设计，减少低温下产品的性能调试，快速有效的提升工作效率和产品性能。

第二实施例

图3示出了第二实施例的补偿控制电路原理图，一种补偿电路202，连接于滤波电路201和反馈控制电路203之间，与第一实施例的不同之处在于，增设电阻R3，电阻R3串入电阻R1与电容C1之间。与电阻R1和电容C1串联的电阻R3用以改善产品在很宽的温度范围内工作时热敏电阻变化很大，从而导致过补偿的问题，如在高温下电解电容的ESR零点变化并不是很大，但是热敏电阻变化大，通过引入电阻R3进行调节，进一步改善高温下的补偿性能。

第三实施例

图4示出了第三实施例的补偿控制电路原理图，一种补偿电路302，连接于滤波电路301和反馈控制电路303之间，与第一实施例的不同之处在于，增设电阻R3，电阻R3并联在电阻R1两端。电阻R3用以改善所形成的极点，通过调节电阻R3，可以改变并联的阻值，使得所形成的极点不必过于依赖热敏电阻的阻值，容易选取热敏电阻器件。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种补偿电路，连接在滤波电路与光耦反馈控制电路之间，其特征在于：包括补偿支路，补偿支路包括第一电阻和第一电容，第一电阻和第一电容形成极点，且第一电阻为负温度系数的热敏电阻，第一电阻和第一电容的极点随温度的变化与滤波电路中电解电容的零点随温度的变化基本一致。

2.根据权利要求1所述的补偿电路，其特征在于：所述补偿支路的第一电阻和第一电容串联连接形成串联支路，其连接关系是，第一电阻的一端作为补偿支路的输入端，用于分别与滤波电路及光耦反馈控制电路的第一输入端连接；第一电阻的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端作为补偿支路的输出端，用于与光耦反馈控制电路的第二输入端连接。

3.根据权利要求2所述的补偿电路，其特征在于：所述补偿支路，还包括第三电阻，第三电阻串入第一电阻与第一电容之间。

4.根据权利要求2所述的补偿电路，其特征在于：所述补偿支路，还包括第三电阻，第三电阻并联在第一电阻两端。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的补偿电路，其特征在于：还包括第二电阻，第二电阻并联在补偿支路的两端。

6.一种补偿控制电路，包括权利要求1-5中任一项所述的补偿电路和光耦反馈控制电路，其特征在于：所述光耦反馈控制电路，包括光耦U2、稳压器U1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C2，其连接关系是，

光耦U2光敏二极管的阳极作为光耦反馈控制电路的第二输入端，光敏二极管的阴极分别与电容C2的一端及稳压器U1的阴极连接，电容C2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端分别与电阻R5的一端及电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端作为光耦反馈控制电路的第一输入端；电阻R6的另一端接地；稳压器U1的阳极接地；稳压器U1的控制端与电阻R6的一端连接。