CN107370399A - 一种环路补偿电路、开关电源电路及开关电源充电器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及手机充电器领域，特别涉及一种环路补偿电路、开关电源电路及开关电源充电器。所述环路补偿电路包括，主功率电路及具有电压外环反馈、电流内环反馈的反馈控制电路；所述主功率电路对输入直流电进行降压及电压波纹滤除；所述反馈控制电路对主功率电路输出电压进行调节后反馈输入主功率电路输入端。本发明提供的一种环路补偿电路采用电压外环反馈、电流内环反馈的反馈控制电路，对输出电压进行反馈控制，提高了环路补偿电路的输出稳定性、瞬态响应的能力及负载的线性调节率，从而提高了开关电源充电器的充电效率。

Description

一种环路补偿电路、开关电源电路及开关电源充电器
技术领域
本发明涉及手机充电器领域，特别地涉及一种环路补偿电路、开关电源电路及开关电源充电器。
背景技术
传统的RCC充电器(自激式反激转换器)优点在于：控制方式简单，价格低；自激式震荡不需要外部时钟的控制，不需要设计辅助电源；缺点在于：效率低下，噪声很大，现在手机领域的充电器基本不再使用该技术。
现有的手机充电器在稳定的电网电压条件下，其输入电压范围、输出电压和输出功率上的控制都有较合理的方案。采用AC-DC的转换与反馈控制，输出功率上相比传统的RCC电路得到了很大的提升。
现在的充电技术方案在电网电压的波动或负载变化的条件下，转换器系统在稳定输出、瞬态响应的能力及负载的线性调节率方面改善不大。尤其在系统稳定性方面，瞬态响应的时间调节较长，反馈系统也只是简单的调节，没有对输出反馈环路作深入分析，并且输出端的线路上的使用二极管作导通路径，使得导通损坏很大，充电效率得不到提升。现阶段多端口充电器的流行，使用该控制方法同时多端口充电，其充电效率将会下降很多，充电电流变小，充电时间将会变长，更有甚者是有的端口在充电过程中是充不进电的，不同端口的电流调节得不到合理的配置。在手机长时间玩游戏时进行充电，则电流的需求变化较大，充电器输出电流不稳定，对电池充电过程将产生较大的冲击，造成电池的使用寿命缩短，进而可能引发烧坏手机的风险。所以，要设计良好、稳定、输出效率高的充电器，其充电控制回路与反馈环路补偿控制将至关重要。
发明内容
本发明在于提供一种环路补偿电路、开关电源电路及开关电源充电器，用于解决现有充电电路在电网电压的波动或负载变化的条件下，转换器系统在稳定输出、瞬态响应的能力及负载的线性调节率方面改善不大的技术问题，以提升充电电路的输出稳定性、瞬态响应的能力及负载的线性调节率。
根据本发明的一个方面，提供了一种环路补偿电路，包括，主功率电路及具有电压外环反馈、电流内环反馈的反馈控制电路；
所述主功率电路对输入直流电进行降压及电压波纹滤除；所述反馈控制电路对主功率电路输出电压进行调节后反馈输入主功率电路输入端。
进一步的，所述主功率电路包括：单端反激转换电路、整流电路；
所述单端反激转换电路对输入的直流电进行降压，所述整流电路对降压后的直流电进行电压波纹滤除后输出。
进一步的，所述整流电路为整流二极管及滤波电路或同步整流驱动电路。
进一步的，所述反馈控制电路包括：检测反馈电路、误差放大电路、隔离电路、电流检测电路、PWM控制及驱动电路；
所述检测反馈电路、误差放大电路、隔离电路顺次连接，主功率电路输出电压经检测反馈电路输入给误差放大电路，误差放大电路的输出电压信号输入隔离电路，实现电压外环反馈调节；隔离电路中输出的电流信号输入到电流检测电路中与单端反激转换电路中变压器一次侧的电流比较，产生驱动信号输入到PWM控制及驱动电路中，控制所述单端反激转换电路中变压器一次侧线路上的开关管的开通与关断以实现电流内环调节。
进一步的，所述隔离电路为光隔离器或隔离变压器。
进一步的，所述检测反馈电路包括：第十电阻R10、第十一电阻R11、电容Ce2；
所述第十电阻R10与第十一电阻R11串联对输出电压进行分压后输出给误差放大器；所述电容Ce2与第十电阻R10并联构成超前补偿反馈电路。
根据本发明的另一方面，还提供了一种开关电源电路，包括共模滤波及整流电路、高精度电流调节开关、单路或多路输出电路、及上述任一项所述的环路补偿电路；
所述共模滤波及整流电路连接于输入电压及环路补偿电路输入端，高精度电流调节开关连接于环路补偿电路的输出端及单路或多路输出电路之间。
进一步的，所述电路还包括：USB端口适配电路，所述USB端口适配电路连接环路补偿电路输出端与单路或多路输出电路之间。
进一步的，所述电路还包括输入保护电路，所述输入保护电路位于交流输入与所述共模滤波及整流电路之间。
进一步的，所述输入保护电路包括：保险丝FUSE、负温度系数热敏电阻RNTC，压敏电阻RCB，所述保险丝FUSE和负温度系数热敏电阻RNTC串联于交流输入端，压敏电阻RCB并联于交流输入端。
进一步的，所述电路还包括由第一电压瞬变抑制二极管D2、第二电压瞬变抑制二极管D3、第三电阻R3构成串联的箝位电路；所述箝位电路连接于单端反激转换电路中变压器的输入端。
进一步的，所述电路还包括ESD保护器件，所述每路输出电路对应设置一个ESD保护器件。
根据本发明的再一方面，还提供了一种开关电源充电器，包括上述任一项所述的开关电源电路。
本发明提供的一种环路补偿电路采用电压外环反馈、电流内环反馈的反馈控制电路，对输出电压进行反馈控制，提高了环路补偿电路的输出稳定性、瞬态响应的能力及负载的线性调节率，从而提高了开关电源充电器的充电效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明提供的开关电源环路补偿网络的滞后补偿示意图；
图2是本发明提供的开关电源环路补偿网络的超前补偿示意图；
图3是本发明提供的开关电源环路补偿网络的超前-滞后补偿示意图；
图4是本发明提供的开关电源系统的小信号模型示意图；
图5是本发明实施例一提供的环路补偿电路示意图；
图6是本发明实施例二提供的环路补偿电路示意图；
图7是本发明提供的开关电源电路模块示意图；
图8是本发明提供的开关电源电路电路图；
图9是本发明提供的开关电源电路幅相图；
图10是本发明提供的开关电源电路输出瞬态响应示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
开关电源依靠反馈控制环路保证在不同的负载条件下，得到所需的电压和电流。稳定的反馈环路对开关电源来说至关重要，反馈环路的设计影响到许多因素，包括系统的动态响应，负载电压的调整能力与稳定性。
当反馈控制环路在某个频率的环路增益为单位增益或更高增益时且总的相位延迟为360°时，反馈控制环路将会产生震荡，导致系统输出不稳定。如果要获得稳定且不震荡的效果，其回路增益传递函数的频率响应在增益穿越频率fc处的增益为0dB，此时曲线的斜率为-20dB/dec，且相移不可低于-180°或-360°，即相位裕量大于零，一般开关电源系统的增益裕量都能够满足，依据设计经验最好在10db以上；同样在相位穿越频率处，即相位在-180°或-360°时，增益裕量必须大于零。根据奈奎斯特稳定判据，相位裕量超过45度时，反馈环路能为系统提供最好的动态响应，能阻尼震荡并缩短瞬态调节时间。在闭环控制系统中，传递函数中分母为零的特征方程F(s)的根或闭环传递函数的分子、分母产生的零极点直接影响系统的稳定性与相位裕量的大小。下面通过分析开关电源转换器系统的零极点特性，进而建立整个系统的小信号动态模型，为环路补偿设计提供指导。
图1中表示的是开关电源转换器超前补偿控制方案，其中反馈分压网络101对转换器系统的输出电压进行分压检测，分压后输入到误差放大器中与其基准电压进行比较运算。反馈网络中如果采用纯电阻R1、R2分压，其反馈分压网络的传递函数H(s)仍为常数，不会随着频率而改变，通过电阻R1并联电容C2的方法，可以使系统达到超前补偿的效果。误差放大器与环路补偿网络102中通过VC(s)与V1(s)的比较计算，得出误差放大器与环路补偿网络传递函数G1(s)的零点位置比极点位置更接近于原点，而且其波特图中输出信号的相位超前于输入信号的相位，则该环路补偿控制系统为超前补偿。超前补偿可以增加系统的频带宽度，提升系统的瞬态响应时间，并且增加系统低频增益的穿越频率，不足之处在于容易受到外界噪声干扰，低频处的增益补偿能力有限。
图2中表示的是开关电源转换器滞后补偿控制方案。反馈分压网络201中电阻R2上并联电容C2，可以使系统达到滞后补偿的效果。误差放大器与环路补偿网络202中，通过VC(s)与V1(s)的比较计算，得出传递函数G1(s)的极点位置比零点位置更接近于原点，而且其波特图中输出信号的相位滞后于输入信号的相位，所以该环路补偿控制系统为滞后补偿。滞后补偿可以提高系统抑制高频噪声的效果，不足之处在于会降低系统的瞬态响应时间。
图3中表示的是开关电源转换器滞后-超前补偿控制方案。反馈分压网络301中电阻R1与R2上分别并联电容C4与C5，以达到对系统的滞后-超前补偿，针对系统的幅相特性，采用不同的电容值，使得计算出的零极点来对系统的环路进行补偿。误差放大器与环路补偿网络302中通过VC(s)与V1(s)的比较计算，得出传递函数G1(s)的两个零点被包含在两个极点之间，而且在其波特图中的不同频率范围内，输出信号的相位有超前有滞后于输入信号的相位，所以该环路补偿控制系统为滞后-超前补偿。
通过对系统开关周期每一状态中的连续模式与不连续模式分别建立状态方程与对其状态方程引入小信号交流扰动值，并对以上三种补偿控制策略的传递函数进行拉普拉斯反变换，来推导出整个开关电源转换器系统的小信号动态模型，如图4所示。
图4小信号动态模型中，误差放大器与补偿网络401中的误差放大器EA采用反馈输入的信号VOS与基准电压进行比较，实现电压信号的输出。在隔离式反馈补偿系统中，可采用光耦或隔离变压器实现信号的传输，如光耦的电流传输比CTR，即可实现信号隔离传输；在没有隔离式反馈补偿系统中，光耦或隔离变压器则直接省略。输出的信号直接输入到PWM调制器402中的PWM驱动模式IC中，PWM驱动模式IC采集变压器一次侧流过开关管源极上的信号，进而调节单端反激转换电路403中变压器一次侧中的峰值电流，电感Lm、Lp实现的是变压器一次、二次侧能量的存储与传输。反馈分压网络404表示的是滤波后输出的电压经过Rs1、Rs2分压反馈补偿，再输入到误差放大器中，实现整个转换器系统的环路补偿控制。
针对手机充电器输出功率不高，功率开关模式转换器中反激式开关电源比较简单、价格便宜，而且反激式开关电源中的变压器用于能量的存储，输出端不需要另外使用电感器，同时也比正激转换器少了一个输出二极管。因此，反激式开关电源特别适合小型充电设备。为了系统输出稳定，降低干扰，环路补偿对开关电源来说必不可少。
根据前述对开关电源转换器系统的小信号动态模型的分析，从而设计出本发明提供的环路补偿电路，本发明实施例一提供的环路补偿电路如图5所示。
环路补偿电路包括，主功率电路501及具有电压外环反馈、电流内环反馈的反馈控制电路502；
所述主功率电路501对输入直流电进行降压及电压波纹滤除；所述反馈控制电路502对主功率电路501输出电压进行调节后反馈输入主功率电路输入端。
本发明提供的一种环路补偿电路采用电压外环反馈、电流内环反馈的反馈控制电路，对输出电压进行反馈控制，提高了环路补偿电路的输出稳定性、瞬态响应的能力及负载的线性调节率，从而提高了开关电源充电器的充电效率。
作为本发明环路补偿电路实施例二，如图6所示。所述主功率电路包括：单端反激转换电路601、整流电路602；
所述单端反激转换电路601对输入的直流电进行降压，所述整流电路602对降压后的直流电进行电压波纹滤除后输出。
所述整流电路为整流二极管及滤波电路或同步整流驱动电路。只要能实现整流及电压波纹滤除的功能即可。但一般采用同步整流驱动电路。原因在于整流二极管属于被动控制，且自身压降大，所以功耗大；同步整流驱动电路属于主动监测控制变压器副边输出电压，且开关管属于电压型控制芯片，驱动电流远小于二极管，所以其功耗很小，几乎忽略不计。
同步整流驱动电路根据检测变压器二次侧(副边)输出电路上的电压，自动控制开关管Q2，实现低损耗开关控制，提高了充电效率。
所述反馈控制电路包括：检测反馈电路603、误差放大电路604、隔离电路605、电流检测电路606、PWM控制及驱动电路607；
所述检测反馈电路603、误差放大电路604、隔离电路605顺次连接，主功率电路输出电压经检测反馈电路603输入给误差放大电路604，误差放大电路604的输出电压信号输入隔离电路605，实现电压外环反馈调节；隔离电路605中输出的电流信号输入到电流检测电路606中与单端反激转换电路601中变压器一次侧的电流比较，产生驱动信号输入到PWM控制及驱动电路607中，控制所述单端反激转换电路601中变压器一次侧线路上的开关管的开通与关断以实现电流内环调节。
上述隔离电路为光隔离器或隔离变压器。
如图8所示，检测反馈电路为超前补偿反馈电路。包括：第十电阻R10、第十一电阻R11、电容Ce2；所述第十电阻R10与第十一电阻R11串联对输出电压进行分压后输出给误差放大器；所述电容Ce2与第十电阻R10并联构成超前补偿反馈电路。
本发明还提供了一种开关电源电路，如图7和图8所示。开关电源电路包括:共模滤波及整流电路708、高精度电流调节开关709、单路或多路输出电路710、及如前述实施例描述的环路补偿电路。
所述共模滤波及整流电路708连接于输入电压及环路补偿电路输入端，达到滤除来自电网线路和开关电源上的共模干扰噪声，并将交流电转化为直流电供给后面的环路补偿电路。高精度电流调节开关709连接于环路补偿电路的输出端及单路或多路输出电路710之间，为单路或多路输出电路提供合理的电流值。
为了降低交流电压产生的EMI干扰对整个控制环路产生影响，交流线路上采用共模电感L1来滤除干扰杂波，当共模电流流过线圈时，在线圈上将会产生同向的磁场以增大线圈的感抗，以此来衰减共模电流，抑制高速信号产生的电磁波向外发射，从而达到滤波的效果。滤除后的交流电压经过整流器Z1实现直流输出，供后续使用。
为了实现USB充电，开关电源电路还包括：USB端口适配电路711；所述USB端口适配电路711连接环路补偿电路输出端与单路或多路输出电路711之间。该USB适配器主要用来对外接USB设备进行识别，自动监控USB数据线上电压，并在数据线上提供正确的电气特性。
本发明提供的开关电源电路适用于全球宽范围(85V～265V)交流电的输入，如图8所示，在交流输入端设置有输入保护电路。所述输入保护电路包括：保险丝FUSE、负温度系数热敏电阻RNTC，压敏电阻RCB，所述保险丝FUSE和负温度系数热敏电阻RNTC串联于交流输入端，压敏电阻RCB并联于交流输入端。选择延迟型的保险丝，则会尽可能的减小熔丝的额定电流；在线路上利用电阻值随温度升高而降低特性的负温度系数热敏电阻来增加线路阻抗，可以有效的抑制开机时产生的浪涌电压形成的浪涌电流；并入的压敏电阻用来抑制输入产生的过电压，实现对后级电路的保护。
由于开关电源中变压器漏感的存在，会产生很大的感生电动势，导致开关管的耐压值也很大，对导通损耗是不利的，而且开关管中的电流会因漏感的存在，下降趋于缓慢，关断损耗也会变大。因此，需要增加箝位电路对开关管的电压进行箝位，以限制开关管的实际工作电压峰值。所述电路还包括由第一电压瞬变抑制二极管D2、第二电压瞬变抑制二极管D3、第三电阻R3构成串联的箝位电路801；所述箝位电路连接于单端反激转换电路中变压器的输入端。
经过功率部分变压器T1电压的转换，输出的电压直接输入到限流调节开关U3和充电适配器U4中，该双通道限流调节开关为外设提供250mA～2.8A的可调充电电流和5V的充电电压，充电适配器自动检测USB端口线路上的D+、D-信号电压，并且自动的在数据线路上提供正确的电气特性。
所述电路还包括ESD保护器件，所述每路输出电路对应设置一个ESD保护器件ESD器件接在USB端口V+、D+、D-信号线上，起到防静电的作用。U5和U6作为USB充电输出端口的ESD保护器件，采用一般保护器件即可。
在环路瞬态响应与稳定性的调节中，先根据系统的波特图分析其稳定性，再对其反馈网路进行补偿设计。变压器T1二次侧输出的电压通过反馈分压网络802中电阻R10和R11进行分压检测，再输入到误差放大器与补偿网络803中的基准芯片上，与基准芯片自身的参考电压相比较产生控制信号，通过光耦OC1实现电流反馈传输。光耦输出的电流信号输入到峰值电流控制芯片U1中，产生驱动信号控制功率管Q1，实现对变压器T1一次侧能量存储与释放的调节，即对输出电压进行调节。变压器二次侧电压输出线路上采用同步整流驱动器U2取代了传统的二极管，同步整流驱动器自动检测变压器二次侧上的电压，实现自动控制功率管Q2导通与关断，降低了开关电源输出端的整流损耗和电源本身的发热，提高了转换效率。
作为本发明再一个方面，本发明还提供了一种开关电源充电器，包括上述的的开关电源电路。
图9表示的开关电源充电器环路补偿系统的幅相图，从图中可以看出经过环路补偿后的转换器系统的幅值裕量为20dB，相位裕量为65.9°，满足了系统稳定性设计要求。
图10表示的是开关电源充电器输出瞬态响应图，随着输入电压从220V降到210V，经过环路补偿后系统降低后又快速达到稳定的5V输出，其响应时间控制在30us之内，比传统的开关电源充电器的瞬态响应时间提高了很多。
表1表示的是开关电源充电器输出功率表，从数据表中可以看出经过环路补偿后系统的输出功率达到86％左右，满足了高效率的输出。
双端口 输入电压 输入电流 输入功率 输出功率 效率％
Port1 110VAC 0.142 7.21 6.21 86.1％
Port2 110VAC 0.218 13.76 11.93 86.7％
Port1 220VAC 0.183 18.23 15.64 85.8％
Port2 220VAC 0.256 26.31 22.76 86.5％
表1
本发明的开关电源充电器环路补偿的优选实例的具体参数如下：
在开关电源电路中，输入为85～265V交流输入；输出电压为5V；双路输出电流都为2.5A；R10为10K；R11为10K；Ce1为2uF；Ce2为0.1uF；Ce3为22nF；Ce4为100nF；Re1为30K；Re2为6Ω；Re3为390Ω；U2采用UCC24610芯片，功率管Q2采用低内阻的CSD16556Q芯片，基准电压芯片采用ATL431BQ，光耦采用VOS617芯片。
本发明提供的一种环路补偿电路采用电压外环反馈、电流内环反馈的反馈控制电路，对输出电压进行反馈控制，提高了环路补偿电路的输出稳定性、瞬态响应的能力及负载的线性调节率，从而提高了开关电源充电器的充电效率。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种环路补偿电路，其特征在于，包括，主功率电路及具有电压外环反馈、电流内环反馈的反馈控制电路；
所述主功率电路对输入直流电进行降压及电压波纹滤除；所述反馈控制电路对主功率电路输出电压进行调节后反馈输入主功率电路输入端。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述主功率电路包括：单端反激转换电路、整流电路；
所述单端反激转换电路对输入的直流电进行降压，所述整流电路对降压后的直流电进行电压波纹滤除后输出。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述整流电路为整流二极管及滤波电路或同步整流驱动电路。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述反馈控制电路包括：检测反馈电路、误差放大电路、隔离电路、电流检测电路、PWM控制及驱动电路；
所述检测反馈电路、误差放大电路、隔离电路顺次连接，主功率电路输出电压经检测反馈电路输入给误差放大电路，误差放大电路的输出电压信号输入隔离电路，实现电压外环反馈调节；隔离电路中输出的电流信号输入到电流检测电路中与单端反激转换电路中变压器一次侧的电流比较，产生驱动信号输入到PWM控制及驱动电路中，控制所述单端反激转换电路中变压器一次侧线路上的开关管的开通与关断以实现电流内环调节。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述隔离电路为光隔离器或隔离变压器。
6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述检测反馈电路包括：第十电阻R10、第十一电阻R11、电容Ce2；
所述第十电阻R10与第十一电阻R11串联对输出电压进行分压后输出给误差放大器；所述电容Ce2与第十电阻R10并联构成超前补偿反馈电路。
7.一种开关电源电路，其特征在于，包括共模滤波及整流电路、高精度电流调节开关、单路或多路输出电路、及如权利要求1至6任一项所述的环路补偿电路；
所述共模滤波及整流电路连接于输入电压及环路补偿电路输入端，高精度电流调节开关连接于环路补偿电路的输出端及单路或多路输出电路之间。
8.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：USB端口适配电路，所述USB端口适配电路连接环路补偿电路输出端与单路或多路输出电路之间。
9.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述电路还包括输入保护电路，所述输入保护电路位于交流输入与所述共模滤波及整流电路之间。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述输入保护电路包括：保险丝FUSE、负温度系数热敏电阻RNTC，压敏电阻RCB，所述保险丝FUSE和负温度系数热敏电阻RNTC串联于交流输入端，压敏电阻RCB并联于交流输入端。
11.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述电路还包括由第一电压瞬变抑制二极管D2、第二电压瞬变抑制二极管D3、第三电阻R3构成串联的箝位电路；所述箝位电路连接于单端反激转换电路中变压器的输入端。
12.根据权利要求7所述的电路，其特征在于，所述电路还包括ESD保护器件，所述每路输出电路对应设置一个ESD保护器件。
13.一种开关电源充电器，其特征在于，包括如权利要求7至12任一项所述的开关电源电路。
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