CN109120139A - 一种开关电源控制电路和方法及开关电源 - Google Patents

一种开关电源控制电路和方法及开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关电源控制电路和方法及开关电源，开关电源控制电路根据主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间，得到第一比例，所述第一比例为检测主开关管的开通时间比主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间之和；根据第一比例和相应参考值，调节开关电源的输出电流，从而控制开关电源输出电压为预设电压。本发明在控制开关电源输出电压恒定的同时，电路简单、外围器件较少、不需要采样输出电压且输出电压设置灵活，在隔离式开关电源中不需要光耦等外围电路，即可实现隔离式开关电源原副边的信息传输。

Description

一种开关电源控制电路和方法及开关电源
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术领域，特别涉及一种开关电源控制电路和方法及开关电源。
背景技术
开关电源输出恒压控制的应用特别广泛。例如在智能调光领域，开关电源的输出负载中除了LED外，经常含有如无线模块/蓝牙模块等其他通信模块。如图1所示，开关电源输出端Vout连接有LED，同时通过线性稳压器，连接后级通信模块(图1中用R1表示)。在LED工作时，后级通讯模块的供电是容易实现的；在LED待机时，考虑到功耗问题，需要开关电源输出一个远小于灯压降的恒压，来实现通信模块正常供电。
现有技术通过采集开关电源的输出电压，利用采集到的输出电压和参考电压的差值闭环调节输出电压，使得输出电压维持在参考电压的大小，从而实现电压闭环控制，使得开关电源的输出电压恒定。
但对于隔离式的开关电源，原副边电压隔离开来，输出电压的采集需要利用辅助绕组或光耦进行采集，输出电压设置不灵活，需要较多的外围器件，电路较为复杂；对于非隔离式的开关电源，在集成电路中，会设置有一个FB引脚，通过FB引脚来采样开关电源的输出电压，FB引脚会发生短路、接触不良等问题，使得恒压控制达不到效果，且若不需要采集输出电压，即可以节省FB引脚，从而减少成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种外围器件较少且输出电压设置灵活的开关电源控制电路和方法及开关电源，解决现有技术存在的输出电压的设置不灵活、需要较多的外围器件、电路较为复杂且需要采样输出电压的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种开关电源控制电路，根据主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间，得到第一比例，所述第一比例为检测主开关管的开通时间比主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间之和；
根据第一比例和相应参考值，调节开关电源的输出电流，从而控制开关电源输出电压为预设电压。
可选的，检测所述开关电源的输入电压，根据输入电压和所述预设电压设定所述参考值，所述参考值随着输入电压的增大而减小。
可选的，在电流断续模式下，通过调节电感电流峰值或主开关管的开通时间或/和第一时间调节所述开关电源的输出电流，所述第一时间为主开关管和辅开关管均关断的时间。
可选的，在电流连续模式下，通过调节电感电流峰值或主开关管的开通时间或/和电感电流谷值调节所述开关电源的输出电流。
可选的，当第一比例大于参考值时，减小电感电流峰值或缩短主开关管的开通时间或/和延长第一时间，从而使得输出电压下降；
当第一比例小于参考值时，增大电感电流峰值或延长主开关管的开通时间或/和缩短第一时间，从而使得输出电压上升。
可选的，当第一比例大于参考值时，减小电感电流峰值或缩短主开关管的开通时间或/和减小电感电流的谷值，从而使得输出电压下降；
当第一比例小于参考值时，增大电感电流峰值或延长主开关管的开通时间或/和增大电感电流的谷值，从而使得输出电压上升。
可选的，所述开关电源控制电路包括误差放大器和延迟电路，所述误差放大器的第一输入端接收表征第一比例的电压信号，所述误差放大器的第二输入端接收表征参考值的电压信号，所述误差放大器的输出端连接延迟电路的输入端，所述延迟电路的输出端通过逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述延迟电路调节第一时间。
可选的，所述开关电源控制电路还包括峰值调节电路或开通时间调节电路，所述峰值调节电路或开通时间调节电路的输入端连接误差放大器的输出端，所述峰值调节电路或开通时间调节电路的输出端通过逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述峰值调节电路调节电感电流峰值，所述开通时间调节电路调节主开关管的开通时间。
可选的，所述开关电源控制电路包括误差放大器和峰值调节电路或开通时间调节电路，所述误差放大器的第一输入端接收表征第一比例的电压信号，所述误差放大器的第二输入端接收表征参考值的电压信号，所述误差放大器输出端连接所述峰值调节电路或开通时间调节电路的输入端，所述峰值调节电路或开通时间调节电路的输出端通过逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述峰值调节电路调节电感电流峰值，所述开通时间调节电路调节主开关管的开通时间。
可选的，所述开关电源控制电路还包括谷值调节电路，所述谷值调节电路的输入端连接误差放大器的输出端，所述谷值调节电路的输出端通过逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述谷值调节电路调节电感电流谷值。
可选的，所述开关电源控制电路包括误差放大器和谷值调节电路，所述误差放大器的第一输入端接收表征第一比例的电压信号，所述误差放大器的第二输入端接收表征参考值的电压信号，所述误差放大器的输出端连接谷值调节电路的输入端，所述谷值调节电路的输出端通过逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述谷值调节电路调节电感电流谷值。
本发明还提供了一种开关电源控制方法，包括以下步骤：
根据主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间，得到第一比例，所述第一比例为检测主开关管的开通时间比主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间之和；
根据第一比例和相应参考值，调节开关电源的输出电流，从而控制开关电源输出电压为预设电压。
可选的，检测所述开关电源的输入电压，根据输入电压和所述预设电压设定所述参考值，所述参考值随着输入电压的增大而减小。
可选的，在电流断续模式下，通过调节电感电流峰值或主开关管的开通时间或/和第一时间调节所述开关电源的输出电流，所述第一时间为主开关管和辅开关管均关断的时间。
可选的，在电流连续模式下，通过调节电感电流峰值或主开关管的开通时间或/和电感电流谷值调节所述开关电源的输出电流。
可选的，当第一比例大于参考值时，减小电感电流峰值或缩短主开关管的开通时间或/和延长第一时间，从而使得输出电压下降；
当第一比例小于参考值时，增大电感电流峰值或延长主开关管的开通时间或/和缩短第一时间，从而使得输出电压上升。
可选的，当第一比例大于参考值时，减小电感电流峰值或缩短主开关管的开通时间或/和减小电感电流的谷值，从而使得输出电压下降；
当第一比例小于参考值时，增大电感电流峰值或延长主开关管的开通时间或/和增大电感电流的谷值，从而使得输出电压上升。
本发明还提供一种开关电源，包括以上任意一种开关电源控制电路和功率电路。
与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：本发明根据第一比例和相应参考值，调节开关电源的输出电流，进而调节了开关电源输出电压，从而控制开关电源输出电压为预设电压。本发明的开关电源控制方法在控制开关电源输出电压恒定的同时，电路简单、外围器件较少、不需要采样输出电压且输出电压设置灵活。本发明适用于隔离式和非隔离式开关电源，尤其在隔离式开关电源中有较大的优势，不需要光耦等外围电路，即可实现隔离式开关电源原副边的信息传输。
附图说明
图1为现有技术开关电源控制电路的电路示意图；
图2为本发明开关电源控制电路在断续模式下的工作原理图；
图3为本发明开关电源控制电路在连续模式下的工作原理图；
图4为本发明开关电源控制电路实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供了一种开关电源控制电路，根据主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间，得到第一比例K，所述第一比例K为检测主开关管的开通时间比主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间之和；
根据第一比例K和相应参考值Kref，调节开关电源的输出电流，从而控制开关电源输出电压为预设电压V1。
检测所述开关电源的输入电压Vin，根据输入电压Vin和所述预设电压V1设定所述参考值Kref，所述参考值Kref随着输入电压的增大而减小。
所述参考值Kref为输出电压为预设电压V1时对应的第一比例K，检测所述开关电源的输入电压Vin，在不同的开关电源或不同的拓扑中，所述参考值不同，对于buck电路，Kref＝V1/Vin，对于boost电路1/(1-Kref)＝V1/Vin，对于buck-boost电路中Kref/(1-Kref)＝V1/Vin，故所述参考值Kref与输入电压Vin相关，随着输入电压Vin的增大而减小。
Vout为开关电源输出电压，Vin为开关电源的输入电压，对于buck电路，Vout＝K*Vin，在boost电路中Vout＝(1/(1-K))*Vin，在buck-boost电路中Vout＝(K/(1-K))*Vin，故在输入电压Vin不变时，K增大，Vout增大，故可以通过调节电感电流峰值Ipeak或主开关管的开通时间T3或/和调节第一时间T1，调节K的值，从而使得开关电源输出电压为预设电压V1。
如图2所示，提供了本发明开关电源控制电路在断续模式下的工作原理图，在开关电源中电感电流达到预设峰值Ipeak后，主开关管关断，辅开关管开始续流；电感电流低于第一阈值开始，延迟第一时间T1后，导通开关电源主开关管。所述第一阈值理论上可以为低于预设峰值Ipeak的任意值，在本发明的实施例中，第一阈值为零。其中iL为开关电源的电感电流，T3为主开关管的开通时间，T2为辅开关管的续流时间，T1为主开关管和辅开关管均关断的时间。
根据主开关管的开通时间T3和辅开关管的续流时间T2，得到第一比例K，所述第一比例K为检测主开关管的开通时间T3比主开关管的开通时间T3和辅开关管的续流时间T2之和，即K＝T3/(T2+T3))。
在断续模式(DCM)下，通过调节电感电流峰值Ipeak或主开关管的开通时间T3或/和第一时间T1调节所述开关电源的输出电流，所述第一时间T1为主开关管和辅开关管均关断的时间。
输出电压Vout高于预设电压V1时，第一比例K大于参考值Kref，减小电感电流峰值Ipeak或缩短主开关管的开通时间T3或/和延长第一时间T1，从而使得输出电压Vout下降；
输出电压Vout低于预设电压V1时，第一比例K小于参考值Kref，增大电感电流峰值Ipeak或延长主开关管的开通时间T3或/和缩短第一时间T1，从而使得输出电压Vout上升。
上述的开关电源控制电路可以只通过调节第一时间或只调节电感电流峰值或只调节主开关管的开通时间来稳定输出电压，也可以通过同时调节第一时间和电感电流峰值或第一时间和主开关管的开通时间来稳定输出电压，也可以在不同的时间段或不同状态下分别选择上述所述的调节方式之一来达到稳压目的。如在一种较优的实施例中，输出功率过大时，第一时间低于第二阈值，则通过调节电感电流峰值或主开关管的开通时间，使得输出电压维持在预设电压；输出功率过小时，电感电流峰值或主开关管的开通时间低于相应第三阈值，则通过调节第一时间，使得输出电压维持在预设电压。
上述的第二阈值和第三阈值可以根据实际中进行设置，本发明对其具体值不进行限制。
如图2所示，提供了本发明开关电源控制电路在断续模式下的工作原理图，其中iL为开关电源的电感电流，T3为主开关管的开通时间，T2为辅开关管的续流时间。
根据主开关管的开通时间T3和辅开关管的续流时间T2，得到第一比例K，所述第一比例K为检测主开关管的开通时间T3比主开关管的开通时间T3和辅开关管的续流时间T2之和，即K＝T3/(T2+T3))。
在电流连续模式(CCM)下，通过调节电感电流峰值Ipeak或主开关管的开通时间T3或/和电感电流谷值Ivalley调节所述开关电源的输出电流。
输出电压Vout高于预设电压V1时，第一比例大于参考值，减小电感电流峰值Ipeak或缩短主开关管的开通时间T3或/和减小电感电流的谷值Ivalley，从而使得输出电压下降；
输出电压Vout低于预设电压V1时，第一比例小于参考值，增大电感电流峰值Ipeak或延长主开关管的开通时间T3或/和增大电感电流的谷值Ivalley，从而使得输出电压上升。
上述的开关电源控制电路可以只通过调节只调节电感电流的谷值或只调节电感电流峰值或只调节主开关管的开通时间来稳定输出电压，也可以通过同时调节电感电流的谷值和电感电流峰值或电感电流的谷值和主开关管的开通时间来稳定输出电压，也可以在不同的时间段或不同状态下分别选择上述所述的调节方式之一来达到稳压目的。
如图4所示，示意了开关电源控制电路的一种实施例的具体结构。包括误差放大器U1、延迟电路和峰值调节电路，所述误差放大器U1的第一输入端接收表征第一比例K的电压信号VK，所述误差放大器U1的第二输入端接收表征参考值Kref的电压信号Vref，所述误差放大器U1输出补偿信号到延迟电路和峰值调节电路，所述延迟电路和所述峰值调节电路的输出端经逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述误差放大器的输出端连接电容C1的一端，电容C1的另一端接地，电容C1上的电压为Vcom。
根据表征第一比例K的电压信号VK和表征参考值Kref的电压信号Vref，调节电感电流峰值Vpeak或/和调节第一时间T1，从而控制开关电源输出电压为预设电压V1。
具体调节过程如下：
1)当开关电源输出电压Vout高于预设电压V1时，第一比例K大于参考值Kref，则表征第一比例K的电压信号VK大于表征参考值Kref的电压信号Vref，即VK大于Vref，则误差放大器U1的输出电压变大，即Vcom变大，减小电感电流峰值Ipeak或/和延长第一时间T1，从而使得输出电压Vout下降；
2)当开关电源输出电压Vout低于设定电压V1时，第一比例K小于参考值Kref，则表征第一比例K的电压信号VK小于表征参考值Kref的电压信号Vref，即VK小于Vref，则误差放大器U1的输出电压变小，即Vcom变小，增大电感电流峰值Ipeak或/和缩短第一时间T1，从而使得输出电压Vout上升；
3)重复上述1)和/或2)过程，直至开关电源的输出电压为预设电压V1。
上述调节过程1)和2)中可以只通过延迟电路调节第一时间稳定输出电压，可以只通过峰值调节电路调节电感电流峰值稳定输出电压，也可以同时通过延迟电路和峰值调节电路同时调节第一时间和电感电流峰值稳定输出电压，也可以在不同的时间段或者不同的输出状态下分别选择上述三种调节方式。如在一种较优的实施例中，当输出功率过大时，第一时间低于第二阈值，通过调节电感电流峰值，使得输出电压维持在预设电压；当输出功率过小时，电感电流峰值低于第三阈值，通过调节第一时间，使得输出电压维持在预设电压。
本发明仅仅给出了一个实施例，在其他的实施例中，可以只有延迟电路，也可以只有峰值调节电路。
上述仅仅给出了DCM模式的一个实施例，在其他的实施例中，DCM模式下，可以只有峰值调节电路或只有延迟电路或只有开通时间调节电路，或有峰值调节电路和延迟电路或有开通时间调节电路和延迟电路。CCM模式下，可以只有峰值调节电路或只有开通时间调节电路或只有谷值调节电路，或有峰值调节电路和谷值调节电路或有开通时间调节电路和谷值调节电路。其连接与上述实施例类似，本发明在此不进行赘述。
所述峰值调节电路包括比较器，所述比较器的一端接收第一参考电压Vref1，所述比较器的另一端通过采样电阻采集开关电源的电感电流，所述比较器的输出端连接逻辑电路。当需要调高电感电流峰值时，调高第一参考电压Vref1，当需要调低电感电流峰值时，调低第一参考电压Vref1。
此外，在图2所示的实施例中，将第一比例T2和参考值Kref转化成电压信号进行比较，在其他的实施例中，也可以是直接进行时间比较等其他方式的比较，均在本发明的保护范围内。
本发明适用于隔离式和非隔离式开关的输出恒压控制，且在隔离式开关电源中，不需要辅助绕组或光耦进行等复杂的外围电路，可以直接进行原副边的信息传递，优势更加明显。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关电源控制电路，其特征在于：根据主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间，得到第一比例，所述第一比例为检测主开关管的开通时间比主开关管的开通时间和辅开关管的续流时间之和；
根据第一比例和相应参考值，调节开关电源的输出电流，从而控制开关电源输出电压为预设电压。
2.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于：检测所述开关电源的输入电压，根据输入电压和所述预设电压设定所述参考值，所述参考值随着输入电压的增大而减小。
3.根据权利要求2所述的开关电源控制电路，其特征在于：在电流断续模式下，通过调节电感电流峰值或主开关管的开通时间或/和第一时间调节所述开关电源的输出电流，所述第一时间为主开关管和辅开关管均关断的时间。
4.根据权利要求2所述的开关电源控制电路，其特征在于：在电流连续模式下，通过调节电感电流峰值或主开关管的开通时间或/和电感电流谷值调节所述开关电源的输出电流。
5.根据权利要求3所述的开关电源控制电路，其特征在于：
当第一比例大于参考值时，减小电感电流峰值或缩短主开关管的开通时间或/和延长第一时间，从而使得输出电压下降；
当第一比例小于参考值时，增大电感电流峰值或延长主开关管的开通时间或/和缩短第一时间，从而使得输出电压上升。
6.根据权利要求4所述的开关电源控制电路，其特征在于：
当第一比例大于参考值时，减小电感电流峰值或缩短主开关管的开通时间或/和减小电感电流的谷值，从而使得输出电压下降；
当第一比例小于参考值时，增大电感电流峰值或延长主开关管的开通时间或/和增大电感电流的谷值，从而使得输出电压上升。
7.根据权利要求5所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述开关电源控制电路包括误差放大器和延迟电路，所述误差放大器的第一输入端接收表征第一比例的电压信号，所述误差放大器的第二输入端接收表征参考值的电压信号，所述误差放大器的输出端连接延迟电路的输入端，所述延迟电路的输出端通过逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述延迟电路调节第一时间。
8.根据权利要求7所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述开关电源控制电路还包括峰值调节电路或开通时间调节电路，所述峰值调节电路或开通时间调节电路的输入端连接误差放大器的输出端，所述峰值调节电路或开通时间调节电路的输出端通过逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述峰值调节电路调节电感电流峰值，所述开通时间调节电路调节主开关管的开通时间。
9.根据权利要求5或6所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述开关电源控制电路包括误差放大器和峰值调节电路或开通时间调节电路，所述误差放大器的第一输入端接收表征第一比例的电压信号，所述误差放大器的第二输入端接收表征参考值的电压信号，所述误差放大器输出端连接所述峰值调节电路或开通时间调节电路的输入端，所述峰值调节电路或开通时间调节电路的输出端通过逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述峰值调节电路调节电感电流峰值，所述开通时间调节电路调节主开关管的开通时间。
10.根据权利要求9所述的开关电源控制电路，其特征在于：所述开关电源控制电路还包括谷值调节电路，所述谷值调节电路的输入端连接误差放大器的输出端，所述谷值调节电路的输出端通过逻辑电路连接开关电源主开关管的控制端，所述谷值调节电路调节电感电流谷值。
CN201811146176.2A 2018-09-28 一种开关电源控制电路和方法及开关电源 Active CN109120139B (zh)

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