CN107947586A - 一种开关电源快速响应控制电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本公开揭示了一种开关电源快速响应控制电路及控制方法，所述控制电路包括：响应电路，用于输出响应信号；峰值电流控制电路，输出峰值电流控制信号；控制逻辑电路，输出控制逻辑信号给驱动电路和响应电路；驱动电路，输出驱动信号。所述方法包括：S100、利用辅助线圈在变压器退磁时的采样电压与采样电压平均值Vfb0的比较结果，判断负载是否突然增大；S200、当负载突然增大后，在R个周期内强制增大原边线圈电流最大值至Ipkmax′。本公开通过检测辅助线圈退磁时的电压，判定负载是否突然增大，当确定负载突然增大后，强制增大原边线圈的电流，从而增大开关电源输出电流，缩短恢复时间，实现快速响应。
Description
技术领域
本公开属于开关电源技术领域，特别涉及一种开关电源快速响应控制电路及控制方法。
背景技术
目前开关电源的应用日益广泛，开关电源电路如图1所示，包括电源控制芯片IC、原边线圈LP、副边线圈LS、辅助线圈Laux、电源充电电路和开关控制电路，原边线圈LP、副边线圈LS、辅助线圈Laux组成变压器，电源充电电路包括串联的电阻R1和电容C2，辅助线圈的同相端通过二极管D2连接到电阻R1和电容C2的连接端，开关控制电路包括开关管Q1和采样电阻R4。
在反激式原边反馈开关电源方案中，通常为满足低待机功耗要求，电源控制芯片IC最低工作频率一般低于1KHz，有的会在300Hz，对于这样的IC，在系统从空载切换到重载甚至满载时，输出电压会低于设定值并持续几十毫秒。
如图2所示：对于空载时工作频率在300Hz～1KHz的芯片，t1最大为3.3mS，而t2往往有十几毫秒。例如，空载频率f1＝300Hz，满载电流Iloadmax＝1A，输出电压Uoutmax＝5V，过载保护点电流IoLp＝1.2A，输出电容C5为1mF的方案，负载从空载切换至满载的情况下，t1时间内Vout下降幅度deltaV1＝1A*3.3mS/1mF＝3.3V；则Vout重新恢复到5V所需时间t2＝3.3V*1mF/(1.2A-1A)＝16.5mS。t2＝5*t1，因此t2是导致响应时间慢的主要因素。
发明内容
基于此，本公开揭示了一种开关电源快速响应控制电路，所述控制电路包括：响应电路，用于周期性的获取开关电源辅助线圈同相端的第一周期采样电压，并将第一周期的采样电压与历史周期采样电压平均值进行比较，根据两者之间的比较关系输出响应信号；
峰值电流控制电路，用于根据响应信号的有效状态或无效状态，选择不同的峰值阈值，将流过开关电源原边线圈的电流与峰值阈值进行比较，根据比较结果输出峰值电流控制信号；
控制逻辑电路，用于根据峰值电流控制信号，输出控制逻辑信号给驱动电路；
驱动电路，用于根据控制逻辑信号输出驱动信号。
本公开还公开了一种开关电源快速响应控制方法，所述方法包括以下步骤：
所述方法包括以下步骤：
S100、通过检测辅助线圈在变压器退磁时的第一周期采样电压，并将第一周期的采样电压与历史周期采样电压平均值进行比较，当第一周期的采样电压比历史周期采样电压平均值小且两者的差值超过第一设定值时，则判定为负载突然增大；
其中，第一设定值可调；
S200、当负载突然增大后，在R个周期内强制增大原边线圈电流最大值至第二峰值阈值Ipkmax′，从而增大副边线圈的输出电流Iout；R个周期之后，控制原边线圈电流最大值恢复到第一峰值阈值；
峰值阈值指原边线圈上的最大电流，第一峰值阈值指正常工作时原边线圈上的最大电流，第二峰值阈值指快速相响应时原边线圈上的最大电流，且第二峰值阈值大于第一峰值阈值；
第一峰值阈值与第二峰值阈值可调。
本公开具有以下技术效果：
本公开通过检测辅助线圈退磁时的电压，判定负载是否突然增大，当确定负载突然增大后，强制增大原边线圈的电流，从而增大开关电源输出电流，缩短恢复时间，实现快速响应。
附图说明
图1为本公开背景技术中的开关电源电路；
图2为本公开背景技术中的示例图；
图3为本公开一个实施例中开关电源快速响应控制电路结构图；
图4为本公开一个实施例中响应电路结构图；
图5为本公开一个实施例中响应电路结构图；
图6为本公开一个实施例中电压采样电路图；
其中：mn1为第一开关管、R1为第一电阻、C1为第一电容；
图7为本公开一个实施例中开关电容电路图；
其中：mn2、mn3为第二开关管和第三开关管，C2、C3为第二和第三电容；
图8为本公开一个实施例中开关电容控制电路图；
其中：I1、I2、I3为第一、第二、第三与门，I6表示反相器；
图9为本公开一个实施例中响应周期设定电路图；
其中：I8、I9、I10表示D触发器，I4表示反相器；
图10为本公开一个实施例中的触发电路图；
其中I7表示D触发器；
图11为本公开一个实施例中响应电路图；
图12为本公开一个实施例中的工作波形图；
图13为图11所示的响应电路应用到图1所示的开关电源电路中，得到的波形图。
具体实施方法
下面结合附图1-13和具体的实施例对本发明进行进一步的说明：
在一个实施例中，本公开揭示了一种开关电源快速响应控制电路，所述控制电路包括：
响应电路，用于周期性的获取开关电源辅助线圈同相端的第一周期采样电压，并将第一周期的采样电压与历史周期采样电压平均值进行比较，根据两者之间的比较结果输出响应信号；
峰值电流控制电路，用于根据响应信号的有效状态或无效状态，选择不同的峰值阈值，将流过开关电源原边线圈的电流与峰值阈值进行比较，根据比较结果输出峰值电流控制信号；
控制逻辑电路，用于根据峰值电流控制信号，输出控制逻辑信号给驱动电路；
驱动电路，用于根据控制逻辑信号输出驱动信号。
进一步的，所述响应电路，还用于接收所述控制逻辑信号，并且所述控制逻辑信号用于当响应信号为有效状态时，控制所述响应信号有效状态的维持时间。
更优的，所述开关电源快速响应控制电路还包括取样控制电路；
所述取样控制电路用于向响应电路提供取样信号sample，所述响应电路根据取样信号sample周期性的获取辅助线圈同相端的电压。
在本实施例中，如图3所示：所述开关电源快速响应控制电路10包括取样控制电路20、响应电路30、峰值电流控制电路40、控制逻辑电路50、驱动电路60。
响应电路30在取样信号产生时，获取开关电源辅助线圈同相端第一周期采样电压Vfb，将第一周期采样电压Vfb进行存储，并将第一周期采样电压Vfb与历史周期采样电压平均值Vfb0比较，若Vfb比Vfb0小且两者的差值超过第一设定值，则判定为负载突然增大，此时响应信号dynamic处于有效状态，同时保持采样电压平均值Vfb0不变；在响应信号dynamic有效时间大于等于第二设定值时，使响应信号dynamic处于无效状态；
第一周期的采样电压Vfb是通过第一检测端口(FB端)获取的；
流过原边线圈的电流是通过第二检测端口(CS端)获取的；
历史周期采样电压平均值Vfb0包括第一周期之前若干历史周期的采样电压平均值或者第一周期的采样电压Vfb与之前若干历史周期的采样电压平均值。
第一周期之前若干历史周期的采样电压平均值的计算包括：
或
其中，an表示第n个历史周期的采样电压，n表示历史周期的个数；
第一周期的采样电压Vfb与之前若干历史周期的采样电压平均值的计算包括：
或
其中，第一设定值和第二设定值为经验值，能够根据经验被调整和更新。
峰值电流控制电路40根据响应信号dynamic，选择不同的峰值阈值，并将第二检测端的电流与峰值阈值进行比较，根据比较结果输出峰值电流控制逻辑信号A；所述峰值阈值包括第一峰值阈值和第二峰值阈值；
在响应信号dynamic处于有效状态时，峰值电流控制电路40将第二峰值阈值Ipkmax′与原边线圈的电流进行比较；在响应信号dynamic处于无效状态时，峰值电流控制电路40将第一峰值阈值Ipkmax与原边线圈的的电流进行比较；其中第二峰值阈值Ipkmax′大于第一峰值阈值Ipkmax。
控制逻辑电路50根据峰值电流控制信号A，输出控制逻辑信号gdk给驱动电路60和响应电路30，驱动电路60根据控制逻辑信号gdk输出驱动信号driver，同时控制逻辑信号gdk反馈到响应电路30控制响应信号dynamic。如图1、图3、图13所示：控制逻辑电路50控制gdk的上升沿时刻，当开关管Q1导通，Ipk电流开始增大，Vcs开始上升，当Vcs上升到一定值时，与峰值阈值进行比较后得到一个脉冲信号K，而这个脉冲信号K决定了gdk的下降沿时刻，因为电路确定后Vcs的上升斜率确定，峰值阈值的大小决定了gdk信号的脉宽。
在一个实施例中，所述响应电路包括：电压采样电路，用于根据取样信号周期性地采样辅助线圈同相端的电压，并输出第一周期采样电压给比较电路和响应控制电路；
响应控制电路，用于根据取样信号对多个历史周期的采样电压进行平均，并将历史周期采样电压平均值输出给比较电路；
比较电路，用于根据第一周期采样电压与历史周期采样电压平均值的比较结果输出比较信号；
响应控制电路，还用于根据取样信号、比较信号和控制逻辑信号输出响应信号。
如图4所示，所述响应电路包括：电压采样电路31、比较电路33和响应控制电路310；电压采样电路31周期性地采样辅助线圈同相端的电压，采样时间点由取样信号sample控制，并将第一周期采样电压输出给比较电路33和响应控制电路310，响应控制电路310根据取样信号sample对多个历史周期的采样电压进行平均，并将历史周期采样电压平均值c输出给比较电路33，比较电路33根据第一周期采样电压a与历史周期采样电压平均值c的比较结果输出比较信号b，响应控制电路310根据取样信号sample、比较信号b和控制逻辑信号gdk信号输出响应信号dynamic。
在一个实施例中，所述响应电路包括：
电压采样电路，用于根据取样信号周期性的采样辅助线圈同相端的电压，并输出第一周期采样电压；
开关电容控制电路，用于根据取样信号输出第一开关电容控制信号和第二开关电容控制信号；
开关电容电路，用于根据所述第一开关电容控制信号和第二开关电容控制信号对历史周期采样电压平均后进行存储和/或输出；
比较电路，用于根据第一周期采样电压与历史周期采样电压平均值的比较结果输出比较信号；
开关电容控制电路还用于发送触发信号给触发电路；
响应周期设定电路，用于设定响应时间，根据控制逻辑信号和响应信号输出恢复信号给触发电路；
触发电路，用于根据比较信号、触发信号和恢复信号输出响应信号和锁定信号；
开关电容控制电路还用于根据锁定信号控制开关电容电路停止存储第一周期的采样电压，锁定历史周期采样电压平均值不变。
在本实施例中，响应电路30的结构图如图5所示，包括电压采样电路31、开关电容电路32、比较电路33、触发电路34、开关电容控制电路35、响应周期设定电路36；
电压采样电路31连接第一检测端FB、取样信号sample输出端、开关电容电路32和比较电路33；开关电容控制电路35连接取样信号sample输出端、开关电容电路32和触发电路34；响应周期设定电路36连接控制逻辑信号gdk输出端和触发电路34，触发电路34连接比较电路33、开关电容控制电路35和响应周期设定电路36。
电压采样电路31根据取样信号sample采样第一检测端FB的电压，并输出第一周期采样电压a；
开关电容电路32根据开关电容控制电路35输出的第一和第二开关电容控制信号，控制开关电容对采样电压是否进行平均、存储，并输出历史周期采样电压平均值c；
比较电路33根据采样电压a和历史周期采样电压平均值c的比较结果输出比较信号b；
开关电容控制电路35根据取样信号sample、锁定信号e输出第一、第二开关电容控制信号g、h，控制开关电容电路32对第一周期的采样电压进行存储并得到历史周期采样电压平均值c；根据触发电路34的锁定信号e控制开关电容电路32停止存储本周期的采样电压，锁定采样电压平均值不变；输出触发信号d给触发电路34；
响应周期设定电路36用于设定响应时间，根据控制逻辑信号gdk和响应信号dynamic输出恢复信号f给触发电路34；
触发电路34用于根据比较信号b、触发信号d和恢复信号f输出锁定信号e和响应信号dynamic。
在一个实施例中，所述电压采样电路包括第一开关管、第一电阻和第一电容；
所述第一开关管与第一检测端相连接，且所述第一开关管的导通或截止受所述取样信号sample控制；
所述第一电阻，用于将第一周期的采样电压施加于第一电容的一端上，以实现对所述第一周期的采样电压进行存储。
在本实施例中，电压采样电路31如图6所示，包括第一开关管mn1、第一电阻R1和第一电容C1，取样sample控制第一开关管mn1的导通或截止，当取样信号sample有效时，第一开关管mnl导通，第一检测端FB的电压通过第一电阻R1存储在第一电容C1上，第一电容C1上的电压信号为第一周期采样电压a。当取样信号sample无效时，第一开关管mn1截止。
更优的，在本实施例中，第一电容C1的另一端接地。
在一个实施例中，所述开关电容电路包括：第二开关管、第三开关管、第二电容和第三电容；
所述第二开关管一端用于接收第一周期采样电压，另一端与第二电容的一端和第三开关管的一端相连接，第二电容的另一端接地，第三电容的一端与第三开关管的另一端相连接用于存储历史周期采样电压平均值，第三电容的另一端接地；
第二开关管、第三开关管分别由不同的控制逻辑信号控制。
在本实施例中，开关电容电路32如图7所示，包括第二开关管mn2、第三开关管mn3和第二电容C2、第三电容C3，其中第三电容C3值大于第二电容C2值十倍以上；控制逻辑信号g控制第二开关管mn2导通，将第一周期采样电压a存入第二电容C2，因此得到第一周期第二电容C2内部电量Q2，第二开关管mn2截止，第三开关管mn3导通，将第二电容C2上电量Q2与第一周期以前第三电容C3上的电量Q3平均得到第一周期第三电容C3上的电量Q3′，因此每个历史周期电量Q3会发生微小变化，即历史周期采样电压平均值c发生微小变化。
更优的，所述开关电容控制电路包括：第一与门、第二与门、第三与门和反相器；
所述取样信号延时后得到第二取样信号；
所述第一与门、第二与门、第三与门受控于第二取样信号和锁定信号，并输出第一开关电容控制信号、第二开关电容控制信号和触发信号；
所述反相器一端与第二取样信号相连接，另一端与第二与门相连接。
在本实施例中，开关电容控制电路35如图8所示，包括第一与门I1、第二与门I2、第三与门I3和一个反相器I6，第二取样信号sample1和锁定信号e同时控制三个与门分别输出控制第一、第二开关电容控制信号g、h和触发信号d。
优选地，开关电容控制电路35中的第二取样信号sample1是取样信号sample延时一段时间后的信号。
在一个实施例中，所述响应周期设定电路包括M个级联的D触发器和一个反相器。
在本实施例中，响应周期设定电路36如图9所示，包括三个级联的D触发器I8、I9、I10和一个反相器I4，三个级联的D触发器可实现8个周期的周期数设定。根据不同的D触发器数目可设定不同的周期数。
更优的，如图10所示：所述触发电路为一个D触发器。
在一个实施例中，一种开关电源快速响应控制方法；
所述方法包括以下步骤：
S100、通过检测辅助线圈在变压器退磁时的第一周期采样电压，并将第一周期的采样电压与历史周期采样电压平均值进行比较，当第一周期的采样电压比历史周期采样电压平均值小且两者的差值超过第一设定值时，则判定为负载突然增大；
其中，第一设定值可调；
S200、当负载突然增大后，在R个周期内强制增大原边线圈电流最大值至第二峰值阈值，从而增大副边线圈的输出电流Iout；R个周期之后，控制原边线圈电流最大值恢复到第一峰值阈值；
峰值阈值指原边线圈上的最大电流，第一峰值阈值指未调整时原边线圈上的最大电流，第一峰值阈值指调整时原边线圈上的最大电流，且第二峰值阈值大于第一峰值阈值；
第一峰值阈值与第二峰值阈值可调。
更优的，步骤S200中第二峰值阈值大于第一峰值阈值；在原边线圈电流最大值为第二峰值阈值的R个周期内，历史周期采样电压平均值保持不变。
更优的，所述R大于等于2。
所述第一峰值阈值和第二峰值阈值可以通过经验参数、统计、测试和拟合得到。
在一个实施例中，响应电路30的具体结构如图11所示，其工作原理为：取样信号sample触发开关管mn1导通，将FB端在变压器退磁时刻的电压存入电容C1中，a代表本周期FB脚的采样电压值；开关管mn2、mn3和电容C2、C3组成开关电容，其中电容C3电容值远大于电容C2电容值，在每个周期FB端电压采样结束后，开关管mn2导通而开关管mn3截止，将第一周期采样电压Va存入电容C2，因此得到第一周期电容C2内部电量Q2，开关管mn2截止而开关管mn3导通，再将电量Q2与电容C3内部上一周期的电量Q3平均得到本周期电容C3的电量Q3′，因此每个周期电量Q3会发生变化，电容C3上的电压即可表示为n个周期内FB脚采样的电压平均值Vc。将Vc与Va比较即可得出本周期FB端采样电压变化量Vdelta，该值可表现负载变化大小。
令Vdelta＝Vc-Va，当deltaV大于比较电路33所设计的设定电压差时，b点电位为高，并在采样结束后触发D触发器I7，使得dynamic变高。
比较电路33的两个输入端间具有设定电压差，当两个输入端的电压差大于设定电压差时，输出端反转。
其工作波形如图12所示，当dynamic变高后，电容C2、C3上的电压保持不变，经过响应周期设定电路36设定的R个周期后dynamic恢复为低电平，同时电容C2、C3再次进行采样。
将图10所示的响应电路30应用到图1所示的开关电源电路中，得到图13所示的波形图。
响应电路30在检测到本周期的采样电压a小于本周期之前n个周期的采样电压平均值c，且两者的差值大于第一设定值时，输出响应信号dynamic有效，峰值电流控制电路40将功率管Q1上流过的电流值与第二阈值Ipkmax′进行比较，使CS脚电压变高，增大功率管Q1上流过的电流值为Ipkmax′，此时副边电感上感应到的电流也增大到Iskmax′，由于Pin＝0.5*Ipk*Ipk*Lp*F＝Vout*Iout/η或所以功率管Q1上流过的电流增大，副边线圈上的输出电流Iout会增大，输出电容充电变快，t2时间缩短，实现快速响应；在达到响应电路30设定的第二设定值后，开关电源恢复正常状态，功率管Q1上流过的电流值为Ipkmax，副边电感上感应到的电流为Iskmax，响应电路30重复上述过程。
以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种开关电源快速响应控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：
响应电路，用于周期性的获取开关电源辅助线圈同相端的第一周期采样电压，并将第一周期的采样电压与历史周期采样电压平均值进行比较，根据两者之间的比较关系输出响应信号；
峰值电流控制电路，用于根据响应信号的有效状态或无效状态，选择不同的峰值阈值，将流过开关电源原边线圈的电流与峰值阈值进行比较，根据比较结果输出峰值电流控制信号；
控制逻辑电路，用于根据峰值电流控制信号，输出控制逻辑信号给驱动电路；
驱动电路，用于根据控制逻辑信号输出驱动信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：优选的，所述响应电路，还用于接收所述控制逻辑信号，并且所述控制逻辑信号用于当响应信号为有效状态时，控制所述响应信号有效状态的维持时间。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：所述开关电源快速响应控制电路还包括取样控制电路；
所述取样控制电路用于向响应电路提供取样信号，所述响应电路根据取样信号周期性的获取开关电源辅助线圈同相端的电压。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于：所述响应电路包括：
电压采样电路，用于根据取样信号周期性地采样辅助线圈同相端的电压，并输出第一周期采样电压给比较电路和响应控制电路；
响应控制电路，用于根据取样信号对多个历史周期的采样电压进行平均，并将历史周期采样电压平均值输出给比较电路；
比较电路，用于根据第一周期采样电压与历史周期采样电压平均值的比较结果输出比较信号；
响应控制电路，还用于根据取样信号、比较信号和控制逻辑信号输出响应信号。
5.根据权利要求3所述的电路，其特征在于：所述响应电路包括：
电压采样电路，用于根据取样信号周期性的采样辅助线圈同相端的电压，并输出第一周期采样电压；
开关电容控制电路，用于根据取样信号输出第一开关电容控制信号和第二开关电容控制信号；
开关电容电路，用于根据所述第一开关电容控制信号和第二开关电容控制信号对历史周期采样电压进行平均后进行存储和/或输出；
比较电路，用于根据第一周期采样电压与历史周期采样电压平均值的比较结果输出比较信号；
开关电容控制电路还用于发送触发信号给触发电路；
响应周期设定电路，用于设定响应时间，根据控制逻辑信号和响应信号输出恢复信号给触发电路；
触发电路，用于根据比较信号、触发信号和恢复信号输出响应信号和锁定信号；
开关电容控制电路还用于根据锁定信号控制开关电容电路停止存储第一周期的采样电压，锁定历史周期采样电压平均值不变。
6.根据权利要求4或5所述的电路，其特征在于，所述电压采样电路包括第一开关管、第一电阻和第一电容；
所述第一开关管与第一检测端相连接，且所述第一开关管的导通或截止受所述取样信号控制；
所述第一电阻，用于将第一周期采样电压施加于第一电容的一端上，以实现对所述第一周期采样电压进行存储。
7.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述开关电容电路包括：第二开关管、第三开关管、第二电容和第三电容；
所述第二开关管一端用于接收第一周期采样电压，另一端与第二电容的一端和第三开关管的一端相连接，第二电容的另一端接地，第三电容的一端与第三开关管的另一端相连接用于存储历史周期采样电压平均值，第三电容的另一端接地；
第二开关管、第三开关管分别由不同的控制逻辑信号控制；
所述开关电容控制电路包括：第一与门、第二与门、第三与门和反相器；
所述取样信号延时后得到第二取样信号；
所述第一与门、第二与门、第三与门受控于第二取样信号和锁定信号，并输出第一开关电容控制信号、第二开关电容控制信号和触发信号；所述反相器一端与第二取样信号相连接，另一端与第二与门相连接。
8.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述响应周期设定电路包括M个级联的D触发器；
所述触发电路包括D触发器。
9.一种基于权利要求1-8的开关电源快速控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100、通过检测辅助线圈在变压器退磁时的第一周期采样电压，并将第一周期的采样电压与历史周期采样电压平均值进行比较，当第一周期的采样电压比历史周期采样电压平均值小且两者的差值超过第一设定值时，则判定为负载突然增大；
其中，第一设定值可调；
S200、当负载突然增大后，在R个周期内强制增大原边线圈电流最大值至第二峰值阈值，从而增大副边线圈的输出电流Iout；R个周期之后，控制原边线圈电流最大值恢复到第一峰值阈值；
第二峰值阈值大于第一峰值阈值；
第一峰值阈值与第二峰值阈值可调。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：在原边线圈电流最大值为第二峰值阈值的R个周期内，锁定历史周期采样电压平均值保持不变；
所述R大于等于2。
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