CN109950946A - 离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，包括外部反馈电压分压电路、参考电压电路、电压比较器、锁存器、跳频控制器及驱动电路，外部反馈电压分压电路的输入端连接外部反馈电压，输出端与参考电压电路的输出端连接至电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接锁存器的信号输入端，锁存器的输出端连接跳频控制器的使能端，跳频控制器的输入端接延时信号，跳频控制器的输出端接驱动电路的输入端，驱动电路用于驱动外部开关管。本发明采用部分线性降频加跳频的变频方式，工作频率跳过大部分人耳的听觉范围，将噪声污染降至最低；在保证满足轻载的要求的条件下将最低频率提高一个量级，基本消除由轻载到满载的系统输出掉电压情况。
Description
技术领域
本发明涉及电池充电器系统，尤其涉及一种离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路。
背景技术
随着各种便携式设备的广泛使用以及环境保护要求的越来越高，锂电池等可反复充电的便携式能源在人们的日常生活中也显得越来越重要，与之对应的充电设备也显得越来越重要。电池充电器系统在SMPS(Switching Mode Power supply) 系统中，属于AC-DC系统中很重要的一类。
对于电池充电器系统来说，系统的电压输出控制能力是一个极其重要的指标。
离线式单边稳压控制系统是专门针对电池充电系统而开发的电池充电器控制电路，它的主要特点是：需要的外围器件少，尤其是系统需要的电感少，控制回路简单。因此离线式单边稳压控制充电器系统相比较于其它充电器系统具有体积小，便于携带的特点。图1是现有的典型的离线式单边稳压控制充电器系统，只有两个反馈端口：1，FB是电压反馈端口；2，CS是初级电感的最大电流控制电路的电流取样电压反馈端口。
图1的离线式单边稳压控制充电器系统的基本控制原理：
1、首先是启动阶段，当系统开始启动后，控制芯片电源VCC电压从零开始增大，只有VCC电压超过预设的启动阈值电压VCCon控制芯片才开始工作，输出信号OUT由低电平转为高电平驱动外部驱动管Q1。
2、随着外部驱动管Q1导通，初级电感L1的电流由零开始增大，通过CS 端口，当电流增大到预设的电流值IL1max，输出信号OUT由高电平转为低电平关断外部驱动管Q1。而ILlmax由控制芯片的内建参考电压Vref与外部取样电阻 Rsense共同决定：
IL1max＝Vref/Rsense (1)
3、随着外部驱动管Q1关断，次级电感L2开始放电，将储存的能量释放到输出部分。这时次级电感L2两端的电压VL2＝VOUT+Vsch，VOUT为输出电压， Vsch为肖特基二极管导通压降。同时通过辅助电感L3与次级电感L2的互感，由FB端口采样得到输出电压VOUT的大小：如果输出电压VOUT小于额定输出电压值，那么控制芯片内的恒压控制电路在次级电感L2放电结束后不增加延迟，系统工作在最大工作频率下；如果输出电压VOUT略大于额定输出电压值，那么控制芯片内的恒压控制电路根据输出电压VOUT超出额定输出电压值的比例，在次级电感L2放电结束增加相应的延迟，将系统的工作频率f降下来，使得输出电压VOUT不再上升，从而达到恒压控制，这就是通常所说的脉冲频率调制(PFM)控制。
一般离线式单边稳压控制系统采取的脉冲频率调制(PFM)控制是最常见的线性降频，即在输出电压VOUT大于额定输出电压值某个小范围(一般1～2％) 内系统的工作频率f随输出电压VOUT的增大而减小。
进入恒压控制后，系统的输出功率P＝(1/2)×L1×IL1max2×f，即系统的输出功率与工作频率f成正比，这意味着当系统处于轻载状况时系统的工作频率可能很低。对于离线式单边稳压控制充电系统，一种比较典型的应用是当系统处于满载工作状况下系统的工作频率约为66KHz，满载电流约700mA；如果设计的最低轻载电流为3mA，那么对应的最低系统工作频率fmin约为286Hz，这是一个非常低的频率。
图2是系统处于轻载状况时CS端口电压VCS与输出电压VOUT的仿真波形图，横坐标为时间，单位为ms(毫秒)，纵坐标单位VCS为mV(毫伏)、VOUT 为V(伏)，系统工作频率约为286Hz，周期约为3.5ms，输出电流约为3mA。
在系统的工作过程当中如果系统出现一个由轻载到满载的转变，由于轻载系统工作频率约为286Hz，这意味着系统可能要延迟3.5ms才能做出反应，而经过这3.5ms，系统的输出电压VOUT将降至一个我们无法接受的低电压(如果输出电压为5V，输出电容为660uF，满载电流为700mA，那么输出电压经过3.5ms 将降低3.71V到1.29V)。因此由轻载到满载的系统反应是线性降频脉冲频率调制(PFM)控制的一个固有缺陷。图3是系统由轻载到满载的转变的仿真波形图，横坐标为时间，单位为ms(毫秒)，纵坐标单位VCS为mV(毫伏)、VOUT为 V(伏)。
另一方面，我们看到，为了满足轻载的要求，系统的工作频率很宽，从高约 66kHz到低至不到300Hz，基本涵盖了人耳的听觉范围(20kHz～20Hz)，这样当系统工作时会发出人耳可听见的噪声，引起噪声污染。
发明内容
发明目的：为了解决现有的离线式单边稳压控制系统存在的噪声污染大的问题，本发明提供一种离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路。
技术方案：一种离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，包括外部反馈电压分压电路、参考电压电路、电压比较器、锁存器、跳频控制器及驱动电路，外部反馈电压分压电路的输入端连接外部反馈电压，外部反馈电压分压电路的输出端与参考电压电路的输出端连接至电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接锁存器的信号输入端，锁存器的输出端连接跳频控制器的使能端，跳频控制器的输入端接入延时信号，跳频控制器的输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路用于驱动外部开关管。
进一步的，外部反馈电压分压电路包括分压电阻、传输门及取样控制电路，传输门与分压电阻并联，跳频控制器的输出端连接取样控制电路的输入端，取样控制电路用于根据跳频控制器的输出信号控制传输门的开关。
进一步的，还包括误差放大器，误差放大器的两个输入端分别连接外部反馈电压分压电路的输出端及参考电压电路的第一输出端。
进一步的，所述电压比较器及锁存器均有两个，分别为第一电压比较器、第二电压比较器、第一锁存器、第二锁存器，所述第一电压比较器的两个输入端分别连接误差放大器的输出端及参考电压电路的第二输出端；所述第二电压比较器的两个输入端分别连接误差放大器的输出端及参考电压电路的第三输出端；第一电压比较器的输出端连接第一锁存器的信号输入端；第二电压比较器的输出端连接第二锁存器的信号输入端；第一锁存器的输出端与第二锁存器的输出端连接至跳频控制器的两个使能端；跳频控制器包括两个输入端，跳频控制器的两个输入端连接两种延时信号。
进一步的，驱动电路包括第一控制信号产生单元、第二控制信号产生单元、与非门及驱动器；第一控制信号产生单元包括延迟产生电路、恒压控制延迟模块，所述误差放大器的输出端连接延迟产生电路的输入端，恒压控制延迟模块的两个输入端分别连接延迟产生电路的输出端及跳频控制器的输出端；第二控制信号产生单元包括电平切换控制器、放大器、恒流控制模块，电平切换控制器的两个信号输入端分别输入两个参考电压，跳频控制器的输出端连接电平切换控制器的使能端；放大器的两个输入端分别连接电平切换控制器的输出端及外部初级电感的最大电流控制电路的电流取样电压反馈端口，放大器的输出端连接恒流控制模块的输入端；恒压控制延迟模块的输出端输出第一控制信号，恒流控制模块的输出端输出第二控制信号，第一控制信号与第二控制信号通过与非门输入到驱动器，驱动器的输出端连接外部开关管。
进一步的，还包括复位控制器，所述与非门的输出端连接复位控制器的输入端，复位控制器的输出端连接至锁存器的另一信号输入端。
进一步的，所述参考电压电路包括第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端及第五输出端，第一输出端连接误差放大器的输入，第二输出端连接第一锁存器的另一信号输入端，第三输出端连接第二锁存器的另一信号输入端，第四输出端和第五输出端分别连接电平切换控制器的两个输入端。
进一步的，所述参考电压电路的第一输出端输出系统设定阈值电压；参考电压电路的第二输出端输出的电压高于系统设定阈值电压，且低于第三输出端输出的电压。
进一步的，跳频控制器的两个输入端分别连接120us、500us的延迟信号。
本发明提供一种离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，相比较现有技术主要有以下优点：1、电路采用部分线性降频加跳频的变频方式，使得系统工作频率跳过大部分人耳的听觉范围，尤其是300Hz～3400Hz的语音频率范围，将噪声污染降至最低；2、在保证满足轻载的要求的条件下将最低频率fmin提高一个量级，基本消除由轻载到满载的系统输出掉电压情况。
附图说明
图1为现有的离线式单边稳压控制充电器系统的电路图；
图2为现有的离线式单边稳压控制充电器系统处于轻载状况时CS端口电压与输出电压的仿真波形图；
图3为现有的离线式单边稳压控制充电器系统由轻载到满载转变的仿真波形图；
图4为本发明离线式单边稳压控制充电器系统的跳频控制电路的原理图；
图5为本发明系统处于轻载状态时CS端口电压与输出电压的仿真波形图；
图6为本发明系统由轻载到满载的转变时的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图4所示，离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，包括外部反馈电压分压电路、参考电压电路VREF、误差放大器Error Amp、电压比较器OpAmp、锁存器RS Latch、跳频控制器JUMP_G及驱动电路，外部反馈电压分压电路的输入端连接外部反馈电压VFBin，外部反馈电压分压电路的输出端VFB_D与参考电压电路VREF的第一输出端VR1连接至误差放大器的两个输入端。误差放大器Error Amp将电压VFB_D与VR1的差值做有限倍数(一般取值范围在10～50 倍之间)的放大，输出误差信号Verror。
所述电压比较器OpAmp及锁存器RS Latch均有两个，分别为第一电压比较器OpAmp1、第二电压比较器OpAmp2、第一锁存器RS Latch1、第二锁存器RS Latch2，所述第一电压比较器OpAmp1的两个输入端分别连接误差放大器Error Amp的输出端及参考电压电路的第二输出端VR2；所述第二电压比较器OpAmp2 的两个输入端分别连接误差放大器ErrorAmp的输出端及参考电压电路的第三输出端VR3；第一电压比较器OpAmp1的输出端连接第一锁存器RS Latch1的信号输入端；第二电压比较器OpAmp2的输出端连接第二锁存器RSLatch2的信号输入端；第一锁存器RS Latch1的输出端与第二锁存器RS Latch2的输出端连接至跳频控制器JUMP_G的两个使能端；两个锁存器RS Latch1与RS Latch2用来锁存比较器OpAmp1与OpAmp2的信号，以确定外部反馈电压VFBin与系统设定阈值VR1的差值范围。跳频控制器还包括两个输入端，跳频控制器的两个输入端连接两种延时信号Delay1和DelaV2。跳频控制器JUMP_G的输出端JUMP 连接驱动电路的输入端，驱动电路用于驱动外部开关管。
外部反馈电压分压电路包括分压电阻R1、R2、R3、R4，传输门TG1及取样控制电路CTRL1，传输门TG1与分压电阻R2并联，跳频控制器的输出端JUMP 连接取样控制电路CTRL1的输入端，取样控制电路CTRL1用于根据跳频控制器JUMP_G的输出信号控制传输门TG1的开关。外部反馈电压分压电路的作用是将外部进入的反馈电压VFBin经电阻网络(由R1、R2、R3、R4、传输门TG1) 分压得到电压VFB_D，电压VFB_D再与内建参考电压VR1进行比较。
驱动电路包括第一控制信号产生单元、第二控制信号产生单元、与非门及驱动器；第一控制信号产生单元包括延迟产生电路Delay Generator、恒压控制延迟模块CV_Delay，所述误差放大器Error Amp的输出端连接延迟产生电路的输入端，恒压控制延迟模块CV_Delay的两个输入端分别连接延迟产生电路的输出端及跳频控制器JUMP_G的输出端；第二控制信号产生单元包括电平切换控制器 CTRL3、放大器OpAmp、恒流控制模块CC_ctrl，电平切换控制器CTRL3的两个信号输入端分别输入两个参考电压(即参考电压电路的第四输出端VR4和第五输出端VR5)，跳频控制器JUMP_G的输出端连接电平切换控制器CTRL3的使能端；放大器OpAmp的两个输入端分别连接电平切换控制器CTRL3的输出端及外部初级电感的最大电流控制电路的电流取样电压反馈端口，放大器的输出端连接恒流控制模块CC_ctrl的输入端；恒压控制延迟模块CV_Delay的输出端输出第一控制信号CV_ctrl，恒流控制模块CC_ctrl的输出端输出第二控制信号 CCctrl，第一控制信号CV_ctrl与第二控制信号CCctrl通过与非门得到前级驱动信号P_Drive，得到的前级驱动信号P_Drive输入到驱动器Driver，驱动器的输出端连接外部开关管Q1(见图1)。
还包括复位控制器CTRL2，所述与非门的输出端P_Drive连接复位控制器 CTRL2的输入端，复位控制器CTRL2的输出端连接至第一锁存器RS Latch1和第二锁存器RS_Latch2的另一信号输入端。当前级驱动信号P_Drive为“H”时，复位控制器CTRL2产生一个控制信号将锁存器RS Latch1与RS Latch2复位
延迟产生电路Delay Generator根据误差信号Verror的大小产生一个正比于误差信号的延迟：当电压VFB_D小于内建参考电压VR1时，该延迟为零；当电压VFB_D小大于内建参考电压VR1时，该延迟与它们的差值成正比。在设计中，这部分电路负责的是电压VFB_D大于内建参考电压范围在1％内的延迟，当电压VFB_D大于内建参考电压超过1％后，进入跳频范围。即在外部反馈电压 VFBin大于系统设定阈值范围在1％内时，依旧是采用线性变频方式，典型的线性变频频率范围为约66KHz～约10KHz。
所述参考电压电路VREF的第一输出端输出系统设定阈值电压VR1；参考电压电路的第二输出端输出的电压高于系统设定阈值电压，且低于第三输出端输出的电压。电压比较器OpAmp1与OpAmp2用于检测误差信号Verror与参考电压VR2、VR3的大小，以确定外部反馈电压VFBin超过系统设定阈值的百分比，在本实施例中，我们的设定范围为：当误差信号Verror大于VR2时，外部反馈电压VFBin大于系统设定阈值，超出的范围约为1％；当误差信号Verror大于 VR3时，外部反馈电压VFBin大于系统设定阈值，超出的范围约为1.6％；当误差信号Verror大于VR2并且小于VR3时，外部反馈电压VFBin大于系统设定阈值，超出的范围为1～1.6％。
跳频控制器的两个输入端分别连接120us、500us的延迟信号。当外部反馈电压VFB大于内建参考电压超过1％后，系统进入跳频控制方式：
跳频控制信号JUMP通过电平切换控制器CTRL3将与初级电感的最大电流对应的预设的阈值电压Vr由原先的VR4降低至VR5，这样使得在预设的阈值电压VR5作用下从初级电感转移过来的能量降低为原来的(VR5/VR4)2倍。
由于初级电感电流的降低，对应次级电感电流降低，而肖特基二极管导通压降Vsch大小与通过电流的对数成正比，这样在同样的输出电压VOUT下，次级电感L2两端的电压VL2＝VOUT+Vsch减小，对应外部反馈电压VFBin同步减小，相应的，为补偿肖特基二极管导通压降Vsch降低，跳频控制信号JUMP通过电路CTRL1将分压比由无跳频控制的(R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)增大到 (R3+R4)/(R1+R3+R4)。
当外部反馈电压VFB大于系统设定阈值超出的范围在1～1.6％内时，锁存器 RSLatch1输出确认信号“H”，锁存器RS Latch2保持“L”，这样跳频控制器 JUMP_G确定固定延迟120us。
当外部反馈电压VFB大于系统设定阈值超出的范围大于1.6％时，锁存器 RSLatch1与RS Latch2都输出确认信号“H”，这样跳频控制器JUMP_G确定固定延迟500us。120us延迟对应系统工作频率约为8KHz，500us延迟对应频率约为2KHz。
综上所述，离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路采用部分线性降频加跳频的变频方式：
1、主要工作频率设计范围为：约66KHz～约10KHz加两个约8KHz与2KHz 的定频，使得系统工作频率跳过大部分人耳的听觉范围，尤其是在300Hz～3400Hz 的语音频率范围中只有一个频率工作点，可以将噪声污染降至最低。
2、在保证满足轻载的要求的条件下通过将系统初级电感的最大电流对应的控制芯片内的预设的阈值电压降低，将最低频率fmin提高一个量级。
图5是系统处于轻载状况时CS端口电压VCS与输出电压VOUT的仿真波形图，横坐标为时间，单位为ms(毫秒)，纵坐标单位VCS为mV(毫伏)、VOUT 为V(伏)，系统工作频率约为2KHz，周期约为0.5ms，输出电流约为3mA。 VCS取样电压由原来的500mV降低到约190mV，因此对应系统工作频率由原来 286Hz提高到286×(500/190)2≈2KHz，系统可以维持同样的轻载工作状态。
3、基本消除由轻载到满载的系统输出掉电压情况：500us延迟在输出电容为660uF，满载电流为700mA条件下输出电压将降低0.53V，对于5V的输出电压有10.6％的降低，系统基本可以接受。
图6是系统由轻载到满载的转变的仿真波形图，横坐标为时间，单位为ms (毫秒)，纵坐标单位VCS为mV(毫伏)、VOUT为V(伏)。
本实施例设定的1％与1.6％的跳频阈值可以根据实际精度需要进行修改。
Claims (9)
1.一种离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，其特征在于，包括外部反馈电压分压电路、参考电压电路、电压比较器、锁存器、跳频控制器及驱动电路，外部反馈电压分压电路的输入端连接外部反馈电压，外部反馈电压分压电路的输出端与参考电压电路的输出端连接至电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接锁存器的信号输入端，锁存器的输出端连接跳频控制器的使能端，跳频控制器的输入端接入延时信号，跳频控制器的输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路用于驱动外部开关管。
2.根据权利要求1所述的离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，其特征在于，外部反馈电压分压电路包括分压电阻、传输门及取样控制电路，传输门与分压电阻并联，跳频控制器的输出端连接取样控制电路的输入端，取样控制电路用于根据跳频控制器的输出信号控制传输门的开关。
3.根据权利要求1所述的离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，其特征在于，还包括误差放大器，误差放大器的两个输入端分别连接外部反馈电压分压电路的输出端及参考电压电路的第一输出端。
4.根据权利要求3所述的离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，其特征在于，所述电压比较器及锁存器均有两个，分别为第一电压比较器、第二电压比较器、第一锁存器、第二锁存器，所述第一电压比较器的两个输入端分别连接误差放大器的输出端及参考电压电路的第二输出端；所述第二电压比较器的两个输入端分别连接误差放大器的输出端及参考电压电路的第三输出端；第一电压比较器的输出端连接第一锁存器的信号输入端；第二电压比较器的输出端连接第二锁存器的信号输入端；第一锁存器的输出端与第二锁存器的输出端连接至跳频控制器的两个使能端；跳频控制器包括两个输入端，跳频控制器的两个输入端连接两种延时信号。
5.根据权利要求4所述的离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，其特征在于，驱动电路包括第一控制信号产生单元、第二控制信号产生单元、与非门及驱动器；第一控制信号产生单元包括延迟产生电路、恒压控制延迟模块，所述误差放大器的输出端连接延迟产生电路的输入端，恒压控制延迟模块的两个输入端分别连接延迟产生电路的输出端及跳频控制器的输出端；第二控制信号产生单元包括电平切换控制器、放大器、恒流控制模块，电平切换控制器的两个信号输入端分别输入两个参考电压，跳频控制器的输出端连接电平切换控制器的使能端；放大器的两个输入端分别连接电平切换控制器的输出端及外部初级电感的最大电流控制电路的电流取样电压反馈端口，放大器的输出端连接恒流控制模块的输入端；恒压控制延迟模块的输出端输出第一控制信号，恒流控制模块的输出端输出第二控制信号，第一控制信号与第二控制信号通过与非门输入到驱动器，驱动器的输出端连接外部开关管。
6.根据权利要求5所述的离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，其特征在于，还包括复位控制器，所述与非门的输出端连接复位控制器的输入端，复位控制器的输出端连接至锁存器的另一信号输入端。
7.根据权利要求5所述的离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，其特征在于，所述参考电压电路包括第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端及第五输出端，第一输出端连接误差放大器的输入，第二输出端连接第一锁存器的另一信号输入端，第三输出端连接第二锁存器的另一信号输入端，第四输出端和第五输出端分别连接电平切换控制器的两个输入端。
8.根据权利要求7所述的离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，其特征在于，所述参考电压电路的第一输出端输出系统设定阈值电压；参考电压电路的第二输出端输出的电压高于系统设定阈值电压，且低于第三输出端输出的电压。
9.根据权利要求4所述的离线式单边稳压控制系统的跳频控制电路，其特征在于，跳频控制器的两个输入端分别连接120us、500us的延迟信号。
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