CN108418432A - 改善负载动态响应的控制电路、控制方法和开关电源 - Google Patents

改善负载动态响应的控制电路、控制方法和开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明属于开关电源技术领域，提供了一种改善负载动态响应的控制电路，应用于开关电源中，开关电源包括具有副边绕组和原边绕组的变压器、与原边绕组连接的原边整流开关和与副边绕组连接的副边整流开关，控制电路包括：第一采样保持模块、第一比较模块、第二采样保持模块、第二比较模块、第二比较模块和原边控制模块，通过检测副边绕组的输出电压来监测系统输出电压在负载动态时的掉落，并且闭环控制其发出的使副边阻抗改变的脉冲的开通关断，在原边辅助绕组上产生足够大的使原边控制模块响应的电平变化来改善动态响应。相对现有的方案，有更强的通用性，并且由于其在副边整流管两端始终有较大阻抗，也不会产生原副边电流直通的问题，可靠性更高。

Description

改善负载动态响应的控制电路、控制方法和开关电源
技术领域
本发明属于开关电源技术领域，尤其涉及一种改善负载动态响应的控制电路、控制方法和开关电源。
背景技术
目前，传统的初级侧调整(Priamry-Side-Regulation，PSR)方案由于其可以免于使用光耦而仍然可以获得较好的输出电压调整率的优点而在小功率AC/DC电源适配器上广泛使用。但由于其没有使用光耦做闭环反馈，而通过采样原边辅助绕组上的电压来调整输出电压，其带来的一个缺点是较差的动态特性，尤其是在负载从空载向满载快速跳变时，输出电压跌落通常很大。现有的针对PSR改善动态响应的方案，通常是在副边电路中放置一枚单独的唤醒芯片或者是在同步整流芯片上添加唤醒功能。当检测到输出电压低于某一设定值则对副边的同步整流场效应管/整流二极管或者副边绕组进行短路或者改变阻抗，以在原边辅助绕组上产生一个震荡的电压以促使原边PSR控制器快速做出响应以改善动态性能。
但现有方案在唤醒芯片检测到输出电压掉落时只是以固定周期，固定导通时间发出短路整流管或者使整流管两端阻抗改变的脉冲。因此其通用性也收到限制，当使用改变阻抗的方式时，很大可能性不能在原边辅助绕组上产生足够高的使原边芯片动作的电压信号。而当采用短路副边的同步整流场效应管/整流二极管或者副边绕组的方法，则有可能和原边的主控MOS的开通信号发生交叠，产生很大的直通电流，影响电源工作可靠性
因此，传统的技术方案中存在有通用性较差、影响开关电源工作的可靠性问题。
发明内容
本发明提供一种改善负载动态响应的控制电路、控制方法和开关电源，旨在解决传统的技术方案中存在的通用性较差、影响开关电源工作的可靠性的问题。
一种改善负载动态响应的控制电路，应用于开关电源中，所述开关电源包括具有副边绕组和原边绕组的变压器，与所述原边绕组连接的原边整流开关，与所述副边绕组连接的副边整流开关，所述控制电路包括：
第一采样保持模块，所述第一采样保持模块用于在每一个副边整流开关的开关周期开始后对所述开关电源的输出电压进行采样保持，并输出第一参考电压；
第一比较模块，所述第一比较模块用于比较所述输出电压和所述第一参考电压，并输出启动信号；
第二采样保持模块，所述第二采样保持模块在接收所述启动信号后，对所述输出电压进行采样保持，并输出第二参考电压；
第二比较模块，所述第二比较模块用于比较所述第二参考电压与所述副边整流开关的漏源极电压，并输出唤醒信号；
原边控制模块，所述原边控制模块接收所述唤醒信号，用于控制所述原边整流开关的导通与关断，以使所述输出电压稳定在预设的电压值范围内。
此外，还提供了一种开关电源，包括具有副边绕组和原边绕组的变压器，与所述原边绕组连接的原边整流开关，与所述副边绕组连接的副边整流开关，还包括：上述的改善负载动态响应的控制电路。
此外，还提供了一种改善负载动态响应的控制方法，应用于开关电源中，所述开关电源包括具有副边绕组和原边绕组的变压器，与所述原边绕组连接的原边整流开关，与所述副边绕组连接的副边整流开关，所述控制方法包括以下步骤：
在每一个副边整流开关的开关周期的开始后的某一时间，对所述开关电源的输出电压进行采样保持，获取第一参考电压；
将所述输出电压与所述第一参考电压进行比较，当所述输出电压小于所述第一参考电压时，输出启动信号；
在所述启动信号开始后，对所述开关电源的输出电压进行采样保持，以获取第二参考电压；
将所述副边整流开关的漏源极电压与所述第二参考电压进行比较，当所述副边整流开关的漏源极电压小于所述第二参考电压时，输出唤醒信号；
接收所述唤醒信号，根据所述唤醒信号控制所述原边整流开关的导通与关断，以使所述输出电压稳定在预设的电压值范围内。
上述的改善负载动态响应的控制电路，通过检测副边绕组的输出电压监测输出电压在负载动态时的掉落，并且闭环控制其发出的使副边阻抗改变的脉冲的开通关断，以在原边的辅助绕组上产生足够高的使原边控制模块响应的电平变化来改善动态响应。这种方法相对现有方案，有更强的通用性，并且由于其在副边整流开关的两端始终有较大阻抗，也不会产生原、副边电流直通的问题，可靠性更高。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的改善负载动态响应的控制电路的结构示意图；
图2为发明一实施例提供的开关电源的结构示意图；
图3所示为图1所示的电路图的工作波形图；
图4为图3所示的工作波形图的部分放大图；
图5为本发明一实施例提供的改善负载动态响应的控制方法的具体流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
图1示出了本发明较佳实施例提供的一种改善负载动态响应的控制电路的结构示意图。
如图2所示，控制电路应用于开关电源中，其中，开关电源以同步整流器为例，但不限于此，该开关电源接入输入电压Vin，并向负载提供稳定的输出电压Vout。具体的，开关电源包括具有原边绕组Np和副边绕组Ns的变压器T、与原边绕组Np连接的原边整流开关Q1、以及与副边绕组Ns连接的副边整流开关Q2，在本实施例中，原边整流开关Q1和副边整流开关Q2为场效应晶体管，原边整流开关Q1的漏极连接原边绕组Np，原边整流开关Q1的源极连接接地端，原边整流开关Q1的栅极连接原边控制电路，其中，原边控制电路可以为本领域技术人员习知的控制电路，原边控制电路用于控制原边整流开关Q1的导通与关断，副边整流开关Q2的漏极连接副边绕组Ns，副边整流开关Q2的源极连接接地端，在其他实例中，副边整流开关Q2还可以为二极管，二极管的阴极接副边绕组Ns，二极管的阳极接接地端。
如图1和图2所示控制电路包括：第一采样保持模块10、第一比较模块20、第二采样保持模块30、第二比较模块40和原边控制模块50。
第一采样保持模块10用于在每一个副边整流开关周期的整流结束后对副边整流开关Q2的漏源极电压Vds进行采样保持，此时开关电源的输出电压Vout等于副边整流开关Q2的漏源极电压Vds，第一采样保持模块10输出第一参考电压Vout_ref，其中第一参考电压Vout_ref与采样的输出电压Vout成比例关系，在本实施例中，第一参考电压Vout_ref大致为输出电压Vout的95％-97％，即输出电压Vout降低至第一参考电压Vout_ref时，需要对负载变化做出动态响应。第一采样保持模块10可以选取副边整流结束后的任意时刻的输出电压Vout进行采样保持，具体的，闲置模块60与第一采样保持模块10的使能端以及第一比较模块20的使能端连接，第一采样保持模块10通过闲置模块60输出的闲置信号WAKEUP_M启动，以对输出电压Vout进行采样保持，闲置模块60在每一个副边整流开关的整流结束后的预定时间内使闲置信号WAKEUP_M为低电平，在此期间，第一采样保持模块10不工作，在预定时间结束时，闲置信号WAKEUP_M为高电平，启动第一采样保持模块10，第一采样保持模块10通过采样副边整流开关Q2的漏源极电压Vds对输出电压Vout进行采样保持。其中，该预定时间根据实际情况做相应改变，以使第一采样保持模块10对相对稳定的输出电压Vout进行采样保持，从而获取更加准确的第一参考电压Vout_ref。第一启动单元还用于启动第一比较模块20，其工作过程与上述启动第一采样保持模块10相同，在此不再赘述。
在下一个开关周期到来前，通过第一比较模块20比较输出电压Vout和第一参考电压Vout_ref，并输出启动信号WAKEUP_ON_T。具体的，第一比较模块20包括第一比较器，第一比较器的同相输入端通过分压电路与第一采样保持模块10连接，第一比较器的反相输入端接入实时的输出电压Vout，以比较第一参考电压Vout_ref和当前的输出电压Vout，并在第一比较器的输出端输出启动信号WAKEUP_ON_T，当输出电压Vout高于第一参考电压Vout_ref时，启动信号WAKEUP_ON_T为低电平，认为负载无变化，当输出电压Vout低于第一参考电压Vout_ref时，启动信号WAKEUP_ON_T为高电平，认为负载增大，启动信号WAKEUP_ON_T启动第二采样保持模块30和第二比较模块40，使第二采样保持模块30和第二比较模块40工作。
第二采样保持模块30与第一比较模块20的输出端连接，接收启动信号WAKEUP_ON_T，根据启动信号WAKEUP_ON_T对输出电压Vout进行采样保持，并输出第二参考电压Vds_ini。具体来说，当启动信号WAKEUP_ON_T从低电平变化为高电平时，且在下一个启动信号WAKEUP_ON_T的高电平到来之前，第二采样保持模块30开始对输出电压Vout进行采样保持，此时输出电压Vout等于副边整流开关Q2的漏源极电压Vds，在实际采样中，对副边整流开关Q2的漏源极电压Vds进行采样，并输出第二参考电压Vds_ini，其中，第二参考电压Vds_ini为与输出电压Vout成比例关系的电压值，在本实施例中，第二参考电压Vds_ini为启动信号WAKEUP_ON_T从低电平变化为高电平时的输出电压Vout的采样值。
第二比较模块40与第一比较模块20的输出端以及第二采样保持模块30的输出端连接，具体来说，第二比较模块40包括第二比较器，第二比较器的同相输入端连接所述第二采样保持模块30的输出端连接，第二比较器的反相输入端接入输出电压Vout，第二比较器的使能端连接第一比较器的输出端，接入启动信号WAKEUP_ON_T。第二比较模块40用于比较第二参考电压Vds_ini与副边整流开关Q2的漏源极电压Vds，并输出唤醒信号WAKEUP_ON。唤醒信号WAKEUP_ON为一个或一组脉冲信号，当副边整流开关Q2的漏源极电压Vds小于第二参考电压Vds_ini时，唤醒信号WAKEUP_ON为高电平，当副边整流开关Q2的漏源极电压Vds大于第二参考电压Vds_ini时，唤醒信号WAKEUP_ON为低电平。
在本实施例中，控制电路还包括开关管和电阻R3，开关管与电阻R3串联后再与副边整流开关Q2并联。开关管为场效应晶体管，开关管的漏极接副边绕组Ns，开关管的源极接接地端，开关管的栅极连接第二比较模块40的输出端，接入唤醒信号WAKEUP_ON。
在本实施例中，控制电路还包括输出模块80，输出模块80连接于第二比较模块40的输出端和开关管的栅极之间，用于对唤醒信号WAKEUP_ON进行进一步的处理，在本实施例中，该输出模块80为常用的放大电路或输出控制电路等。
原边控制模块50通过检测电路检测原边整流开关的漏极的电压或辅助绕组Naux两端的电压变化，从而接收唤醒信号WAKEUP_ON，通过唤醒信号WAKEUP_ON获取输出电压Vout的变化信息，当确定输出电压Vout低于预设值时，则产生控制信号控制原边整流开关Q1的导通与关断以增加原边绕组Np传递到副边绕组Ns的电能，使所述输出电压Vout稳定在期望的电压值。
进一步，控制电路还包括关断单元70，关断单元70用于关断第一比较模块20，进而关断整个控制电路，减少电路损耗。具体来说，关断单元70包括计数模块701、第三比较模块702和第四比较模块703和或门704；计数模块701用于对唤醒信号WAKEUP_ON的高电平进行计数，并输出第一关断信号，计数模块701的输出端连接或门704的第一输入端，第三比较模块702的同相输入端接入副边整流开关Q2的漏源极电压Vds，第三比较模块702的反相输入端输入第一阀值电压VstopH，第三比较模块702的输出端连接或门704的第二输入端，第三比较模块702用于比较副边整流开关Q2的漏源极电压Vds与第一阀值电压VstopH，并输出第二关断信号，第四比较模块703的同相输入端接入第二阀值电压VstopL，第四比较模块703的反相输入端输入副边整流开关Q2的漏源极电压Vds，第四比较模块703的输出端连接或门704的第三输入端，第四比较模块703用于比较副边整流开关Q2的漏源极电压Vds与第二阀值电压VstopL，并输出第三关断信号，与门的输出端连接第一比较模块20的截止端。其中，当唤醒信号WAKEUP_ON的计数值超过预设数值时，计数模块701输出的第一关断信号为高电平。第一阀值电压VstopH大于第二阀值电压VstopL，当副边整流开关Q2的漏源极电压Vds大于第一阀值电压VstopH时，第三比较模块702输出的第二关断信号为高电平，当副边整流开关Q2的漏源极电压Vds小于第二阀值电压VstopL时，第四比较模块703输出的第三关断信号为高电平，而当第一关断信号、第二关断信号和第三关断信号中任意一个为高电平时，与门704的输出则为高电平，此时，第一比较模块20关断，认为副边整流开关Q2的漏源极电压Vds的变化超过了本发明所提供的控制电路的调控范围或调控时间，控制电路停止工作，减少不必要的电能损耗。
图3所示为图1所示的电路图的工作波形图，图4为图3所示的工作波形图的部分放大图，结合图2所示的电路和图3以及图4所示的波形对本发明实施例的工作过程作详细阐述：
在开关周期开始后，原边整流开关Q1关断，副边整流开关Q2导通，副边绕组Ns输出稳定的电压，其中，在此期间闲置模块60输出高电平，控制电路不工作，闲置模块60经过预设时间T_blank后输出低电平，WAKEUP_M为高，第一采样保持模块10和第一比较模块20开始工作，第一采样保持模块10对副边整流开关Q2的漏源极电压Vds进行采样保持，并输出第一参考电压Vout_ref，第一比较模块20比较输出电压Vout和第一参考电压Vout_ref，当输出电压Vout小于第一参考电压Vout_ref时，第一比较模块20输出的启动信号为高电平，第二采样保持模块30和第二比较模块40开始工作，第二采样保持模块30对输出电压Vout进行采样保持，并输出第二参考电压Vds_ini，当副边整流开关Q2的漏源极电压Vds小于第二参考电压Vds_ini时，第二比较模块40输出唤醒信号，原边控制模块50通过检测电路检测副边绕组Ns或辅助绕组Naux的输出电压Vout，从而接收唤醒信号WAKEUP_ON，通过唤醒信号WAKEUP_ON获取输出电压Vout的变化信息，当确定输出电压Vout低于预设值时，则产生控制信号控制原边整流开关Q1的导通与关断以增加原边绕组Np传递到副边绕组Ns的电能，使所述输出电压Vout稳定在期望的电压值。总体来说是根据输出电压在负载动态时的掉落来输出唤醒信号，闭环控制其发出的改变副边阻抗的脉冲的开通关断，以在原边的辅助绕组Naux上产生足够高的使原边控制模块50响应的电平来改善动态响应，具有较强的通用性。
如图5所示，本发明实施例还提供了一种改善负载动态响应的控制方法，应用于开关电源中，开关电源包括具有副边绕组Ns和原边绕组Np的变压器T，与原边绕组Np连接的原边整流开关Q1，与副边绕组Ns连接的副边整流开关Q2，其特征在于，包括以下步骤：
S100，在每一个副边整流开关的开关周期的开始后的某一时间，对开关电源的输出电压Vout进行采样保持，获取第一参考电压Vout_ref。
S200，将输出电压Vout与第一参考电压Vout_ref进行比较，当输出电压Vout小于第一参考电压Vout_ref时，输出启动信号WAKEUP_ON_T。
S300，在启动信号WAKEUP_ON_T开始后，对开关电源的输出电压Vout进行采样保持，以获取第二参考电压Vds_ini。
S400，将副边整流开关Q2的漏源极电压Vds与第二参考电压Vds_ini进行比较，当副边整流开关Q2的漏源极电压Vds小于第二参考电压Vds_ini时，输出唤醒信号WAKEUP_ON。
S500，接收所述唤醒信号WAKEUP_ON，根据所述唤醒信号WAKEUP_ON控制所述原边整流开关Q1的导通与关断，以使所述输出电压Vout稳定在预设的电压值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改善负载动态响应的控制电路，应用于开关电源中，所述开关电源包括具有副边绕组和原边绕组的变压器，与所述原边绕组连接的原边整流开关，与所述副边绕组连接的副边整流开关，其特征在于，所述控制电路包括：
第一采样保持模块，所述第一采样保持模块用于在每一个副边整流开关的开关周期开始后对所述开关电源的输出电压进行采样保持，并输出第一参考电压；
第一比较模块，所述第一比较模块用于比较所述输出电压和所述第一参考电压，并输出启动信号；
第二采样保持模块，所述第二采样保持模块在接收所述启动信号后，对所述输出电压进行采样保持，并输出第二参考电压；
第二比较模块，所述第二比较模块用于比较所述第二参考电压与所述副边整流开关的漏源极电压，并输出唤醒信号；
原边控制模块，所述原边控制模块接收所述唤醒信号，用于控制所述原边整流开关的导通与关断，以使所述输出电压稳定在预设的电压值范围内。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括闲置模块，所述闲置模块用于定时启动所述第一采样保持模块和所述第一比较模块。
3.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，还包括关断单元，所述关断单元用于关断所述第一比较模块。
4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述关断单元包括计数模块、第三比较模块、第四比较模块和或门；所述计数模块用于对所述唤醒信号进行计数，所述第三比较模块用于比较所述副边整流开关的漏源极电压与第一阀值电压，所述第四比较模块用于比较所述副边整流开关的漏源极电压和第二阀值电压，所述计数模块的输出端、所述第三比较模块的输出端和所述第四比较模块的输出端分别与所述或门的第一输入端、第二输入端和第三输入端连接，所述或门与所述第一比较模块连接。
5.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一参考电压与所述输出电压成比例关系。
6.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述唤醒信号为一个或一组脉冲信号。
7.一种开关电源，包括具有副边绕组和原边绕组的变压器，与所述原边绕组连接的原边整流开关，与所述副边绕组连接的副边整流开关，其特征在于，还包括：如权利要求1至6中任一项所述的改善负载动态响应的控制电路。
8.一种改善负载动态响应的控制方法，应用于开关电源中，所述开关电源包括具有副边绕组和原边绕组的变压器，与所述原边绕组连接的原边整流开关，与所述副边绕组连接的副边整流开关，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
在每一个副边整流开关的开关周期的开始后的某一时间，对所述开关电源的输出电压进行采样保持，获取第一参考电压；
将所述输出电压与所述第一参考电压进行比较，当所述输出电压小于所述第一参考电压时，输出启动信号；
在所述启动信号开始后，对所述输出电压进行采样保持，以获取第二参考电压；
将所述副边整流开关的漏源极电压与所述第二参考电压进行比较，当所述副边整流开关的漏源极电压小于所述第二参考电压时，输出唤醒信号；
接收所述唤醒信号，根据所述唤醒信号控制所述原边整流开关的导通与关断，以使所述输出电压稳定在预设的电压值。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述获取第一参考电压的步骤进一步包括：
对所述输出电压分压处理，以得到与所述输出电压成比例关系的所述第一参考电压。
10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
对所述唤醒信号进行计数，比较所述副边整流开关的漏源极电压与第一阀值电压，比较所述副边整流开关的漏源极电压和所述第二阀值电压，当满足所述唤醒信号的计数值大于预设数值、所述副边整流开关的漏源极电压大于所述第一阀值电压以及所述副边整流开关的漏源极电压小于所述第二阀值电压中任一项时，关断所述第一比较模块。
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