CN110336466A - 一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，属于开关电源技术领域。其技术方案为：一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，包括输入交流电的整流电路、连接于所述整流电路输出端的驱动电路，以及连接在驱动电路输出端的输出滤波电路。本发明的有益效果为：本发明的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路的开关电源额定负载限流点和峰值功率模式限流点均可以根据实际应用环境自行设计，该峰值功率模式具有连续的输出功率范围，在短时间内，该电源可以在峰值处工作以提供达到最大峰值功率水平的输出功率。

Description

一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路。
背景技术
反激式开关电源是一种常用的电源设备，在很多场合都会用到反激式开关电源。在一些如网络设备、音响、马达等应用中均有瞬时峰值功率要求。这些应用要求在短时间内比正常连续恒压(CV)模式工作更高的峰值功率。传统的做法是提高开关电源设计限流点，以满足瞬时峰值负载的要求。这种做法存在的明显不足在于：限流点的提高无法为正常额定负载提供过流保护，当系统负载过大时会造成开关电源温升过高而损坏，如果开关电源热设计按照限流点设计则需要增加较多的系统成本。对于初级侧反馈反激式开关电源，过高的限流点会造成系统效率降低及设计困难。
如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。
发明内容
为了解决上述发明问题，本发明提供了一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，且额定负载限流点和峰值功率模式限流点均可以根据实际应用环境自行设计，该峰值功率模式具有连续的输出功率范围，在短时间内，该电源可以在峰值处工作以提供达到最大峰值功率水平的输出功率，允许电源在尺寸上可以更紧凑，而不会为了热考虑而过度设计组件和PCB板尺寸。
本发明提出了一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其中，包括输入交流电的整流电路、连接于所述整流电路输出端的驱动电路，以及连接在所述驱动电路输出端的输出滤波电路；
所述整流电路为输入交流电的整流桥，其包括用于将输入交流电源整流为直流电的整流桥BR1，连接在所述整流桥BR1的其中一桥臂输出端的输入电容C1；
所述驱动电路包括变压器T1、功率开关管M1、控制电路、启动电阻R1、电阻R2、上分压电阻R3、下分压电阻R4、二极管D1、供电二极管D2、输入电容C1、电容C2和供电电容C3；
所述变压器T1包括变压器初级侧绕组、变压器次级侧绕组和变压器辅助绕组；
所述输出滤波电路包括整流二极管D3、出电容C4和假负载R6，所述整流二极管D3连接在所述变压器T1的次级侧绕组和所述输出电容C4之间，所述输出电容C4和所述假负载R6并联。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述控制电路包括数字逻辑电路、电压采样及消磁时间采样电路、VPK电压比较器、VIPK电压比较器、峰值功率定时器、VIPK电压产生电路、功率开关管驱动电路以及启动电路；所述功率管驱动电路以及启动电路，VIPK为VIPK电压产生电路产生的电压信号，作为ISENSE管脚采样电压比较阈值，以实现初级侧峰值电流检测，数字逻辑电路，产生两个VIPK电压阈值：VIPK1和VIPK2，且VIPK1＜VIPK2，VIPK1和VIPK2分别对应输出电流限流点OCP1和OCP2，且OCP1＜OCP2。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述功率开关管M1的漏极端连接所述变压器T1的初级侧绕组一端，所述变压器T1的初级侧绕组另一端连接输入电容C1；所述功率开关管M1的源极端连接于所述电阻R5，用于采样功率开关管M1中的电流。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述启动电阻R1连接于所述输入电容C1正端和所述供电电容C3之间，所述供电电容C3用于为所述控制电路供电。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述供电二极管D2的正极连接所述变压器T1的辅助绕组一端，所述变压器T1的辅助绕组的另一端连接电流参考地，所述供电二极管D2的负极连接所述供电电容C3，所述变压器T1辅助绕组的两端分别连接所述上分压电阻R3和下分压电阻R4。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述二极管D1、电阻R2、电容C2构成RCD吸收回路；所述二极管D1的正极连接所述变压器T1的初级侧绕组一端，所述电阻R2和电容C2的一端连接所述变压器T1的初级侧绕组的另一端，所述电阻R2和电容C2并联，所述电阻R2和电容C2的另一端连接所述二极管D1的负极。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述变压器的初级侧绕组一端连接所述电容C2的正极，其另一端连接所述功率开关管M1。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述变压器的次级侧绕组一端连接输出二极管D3的一端，所述输出二极管的另一端连接输出电容C4的一端，所述变压器的次级侧绕组的另一端连接所述输出电容的另一端。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述变压器的辅助绕组一端连接供电二极管D2的阳极及所述上分压电阻R3一端，所述供电二极管的阴极连接所述供电电容C3，所述上分压电阻R3、下分压电阻R4之间的中点连接于所述控制电路，所述变压器T1的辅助绕组另一端通过所述下分压电阻R4的一端接地。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述供电电阻R1连接在所述母线电容和所述供电电容C3之间，所述供电电容C3与所述二极管D2连接，所述供电电容C3还与所述控制电路的电源输入端连接。
作为本发明的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路进一步的优化方案，所述功率开关管驱动电路用于将所述数字逻辑电路的输出端信号转换成驱动所述功率开关管M1的驱动信号，控制所述功率开关管M1的导通和关闭；所述功率开关管M1为场效应晶体管或双极型晶体管。
本发明的有益效果是：本发明的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路的开关电源额定负载限流点和峰值功率模式限流点均可以根据实际应用环境自行设计，该峰值功率模式具有连续的输出功率范围，在短时间内，该电源可以在峰值处工作以提供达到最大峰值功率水平的输出功率，本发明可以在现有反激式开关电源上不增加任何外围电路，实现瞬时输出大于常规输出电流的能力，并且在异常负载时限制输出电流到OCP2等级，在计时结束时关机，节约系统成本的前提下，提供峰值功率模式输出及安全可靠的输出过流保护功能；传统的初级侧反馈反激式开关电源只能提供一个输出电流限流点，而本发明增加了在正常工作下输出小于第一限流点OCP1的持续电流外，可以在短时间内输出大于第一限流点OCP1、小于第二限流点OCP2的电流。
附图说明
图1是本发明实施实例一提供的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路系统结构示意图；
图2是本发明实施实例一提供的一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路结构示意图；
图3是本发明实施实例一中的VIPK电压产生电路图；
图4是本发明实施实例一中的启动电路图。
其中，附图标记为，1、整流电路；2、驱动电路；3、输出滤波电路；4、控制电路；401、数字逻辑电路；402、电压采样及消磁时间采样电路；403、VPK电压比较器；404、VIPK电压比较器；405、峰值功率定时器；406、VIPK电压产生电路；407、功率开关管驱动电路；408、启动电路。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
实施例1
参见图1至图2，本发明提供一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其中，包括输入交流电的整流电路1、连接于所述整流电路1输出端的驱动电路2，以及连接在所述驱动电路2输出端的输出滤波电路3；
所述整流电路1为输入交流电的整流桥，其包括用于将输入交流电源整流为直流电的整流桥BR1，连接在所述整流桥BR1的其中一桥臂输出端的输入电容C1；用于滤除上述整流后的直流电压上的交流纹波；一般地，在输入整流电路1中还包含一些满足电磁干扰指标所需要的滤波器件。
所述驱动电路2包括变压器T1、功率开关管M1、控制电路4、启动电阻R1、电阻R2、上分压电阻R3、下分压电阻R4、二极管D1、供电二极管D2、输入电容C1、电容C2和供电电容C3；所述二极管D1、电阻R2、电容C2构成RCD吸收回路，所述RCD吸收回路用于吸收功率开关管M1关断时变压器漏感引起的尖峰电压，降低功率开关管M1的电压应力，一般地，在RCD吸收回路中可能还包含一些满足电磁干扰指标所需要的滤波器件。
所述变压器T1包括变压器初级侧绕组、变压器次级侧绕组和变压器辅助绕组；
所述输出滤波电路3包括整流二极管D3、出电容C4和假负载R6，所述整流二极管D3连接在所述变压器T1的次级侧绕组和所述输出电容C4之间，所述输出电容C4和所述假负载R6并联。
其中，所述控制电路4包括数字逻辑电路401、电压采样及消磁时间采样电路402、VPK电压比较器403、VIPK电压比较器404、峰值功率定时器405、VIPK电压产生电路406、功率开关管驱动电路407以及启动电路408；所述功率管驱动电路407以及启动电路408，VIPK为VIPK电压产生电路406产生的电压信号，作为ISENSE管脚采样电压比较阈值，以实现初级侧峰值电流检测，数字逻辑电路，401产生两个VIPK电压阈值：VIPK1和VIPK2，且VIPK1＜VIPK2，VIPK1和VIPK2分别对应输出电流限流点OCP1和OCP2，且OCP1＜OCP2。
其中，所述功率开关管M1的漏极端连接所述变压器T1的初级侧绕组一端，所述变压器T1的初级侧绕组另一端连接输入电容C1；所述功率开关管M1的源极端连接于所述电阻R5，用于采样功率开关管M1中的电流。
其中，所述启动电阻R1连接于所述输入电容C1正端和所述供电电容C3之间，所述供电电容C3用于为所述控制电路4供电；在控制电路4启动前，启动电阻R1中的电流将供电电容C3充电至启动阈值。
其中，所述供电二极管D2的正极连接所述变压器T1的辅助绕组一端，所述变压器T1的辅助绕组的另一端连接电流参考地，所述供电二极管D2的负极连接所述供电电容C3，所述变压器T1辅助绕组的两端分别连接所述上分压电阻R3和下分压电阻R4。
其中，所述二极管D1的正极连接所述变压器T1的初级侧绕组一端，所述电阻R2和电容C2的一端连接所述变压器T1的初级侧绕组的另一端，所述电阻R2和电容C2并联，所述电阻R2和电容C2的另一端连接所述二极管D1的负极。
其中，所述变压器3的初级侧绕组一端连接所述电容C2的正极，其另一端连接所述功率开关管M1。
其中，所述变压器3的次级侧绕组一端连接输出二极管D3的一端，所述输出二极管的另一端连接输出电容C4的一端，所述变压器的次级侧绕组的另一端连接所述输出电容的另一端。
其中，所述变压器3的辅助绕组一端连接供电二极管D2的阳极及所述上分压电阻R3一端，所述供电二极管的阴极连接所述供电电容C3，所述上分压电阻R3、下分压电阻R4之间的中点连接于所述控制电路4，所述变压器T1的辅助绕组另一端通过所述下分压电阻R4的一端接地；所述变压器T1的辅助绕组主要功能为控制电路4供电以及用于检测开关电源电路输出电压和变压器T1消磁时间。
其中，所述供电电阻R1连接在所述母线电容和所述供电电容C3之间，所述供电电容C3与所述二极管D2连接，所述供电电容C3还与所述控制电路4的电源输入端连接。
其中，
所述功率开关管驱动电路407用于将所述数字逻辑电路401的输出端信号转换成驱动所述功率开关管M1的驱动信号，控制所述功率开关管M1的导通和关闭；所述功率开关管M1为场效应晶体管或双极型晶体管。
其中，传统的初级侧反馈反激式开关电源只能提供一个输出电流限流点，而本发明增加了在正常工作下输出小于第一限流点OCP1的持续电流外，可以在短时间内输出大于第一限流点OCP1、小于第二限流点OCP2的电流。
其中，所述VIPK电压产生电路实现数字与模拟转换，输入信号为数字逻辑电路产生的一组8位数字信号213，主电路为8位-256位译码器，实现多路输入单路输出的多路选择器功能，由Roffset、R1、R2、R3、…、R254、R255串联构成分压器，将VIREF_FIX电压分为256等分，256个分压节点连接8-256译码器的0-255输入通道；例如，输入8位数字信号213为00000000，则选择将电阻Roffset和R1之间的节点电压传输到VIPK输出端，输入8位数字信号213为00000001，则选择将电阻R1和R2之间的节点电压传输到VIPK输出端，依次类推，输入8位数字信号213为11111111，则选择将电阻R255和VIREF_FIX之间的节点电压传输到VIPK输出端。
其中，启动电路中MP1、MP2、MP3、MP4、MN1、MN2、MN3构成启动初始化电路，MP5、MP6、MP8、MP9、NPN1、NPN2、R1、R2构成传统的带隙基准电路，Vbg为带隙基准电压，当VCC开始从0电位上升时，MN1为截止状态，MP1的栅极501电位被拉高，MN3导通，导致MP5、MP6的栅极502被拉低，带隙基准电路摆脱简并点开始工作，建立带隙基准电压Vbg，由于MP4的栅极502被拉低，MP4导通，VCC-MP4-MN2-GND电流通道建立，经电流镜像MN1导通，节点501电位拉低，MN3管截止，启动初始化电路关闭，带隙基准电压建立的同时，电流源Iref建立，比较器AMP1将分压电阻R4、R5、R6分压点503电压与Vbg比较；由于VCC初次上升时，503电压小于Vbg，比较器输出端St为低电平，MN4截止，MN5的栅极为高电平，MN5导通，电阻R3和R4为并联关系；当503电平大于Vbg即VCC电压大于时，比较器AMP1输出端St为高电平，控制电路10启动；同时，MN4导通，MN5栅极拉低，MN5截止；当VCC电压降低时，降低到小于时，比较器AMP1输出端St翻转为低电平，控制电路关闭。
本发明实际使用时具体内容如下：
本发明所述控制电路4中的电压采样和消磁时间采样402，其通过Vsense检测对应输出电压的反馈电压，将反馈电压与内部预设基准电压通过数字误差放大器比较产生数字误差信号，上述数字误差信号送到数字逻辑电路401产生控制功率开关管M1导通和关断的脉冲信号，上述脉冲信号送到功率管驱动电路407产生控制功率开关管M1导通和关断的时序信号，从而调节初级-次级传递能量的大小，使得输出电压稳定在设计输出电压。
工作在恒压(CV)输出模式下，可以持续向负载输出小于OCP1的电流，其通过Isense(初级侧电流采样)比较器实时检测原边峰值电流大小(反映输出电流变化)，当检测到输出电流超过OCP1时，开始启动峰值功率定时器405，这时该电源可以在由峰值功率定时器设定时间内(一般几十毫秒，根据具体实施实例来决定)以峰值功率模式工作，这时输出电流大于OCP1，小于OCP2，电源可以稳定工作在恒压输出(CV)模式，如果这种输出峰值电流持续时间长于峰值功率模式定时器设定时间，则该电源判定检测到故障并关闭，此外，该电源系统内部设置OCP2在不同条件下对最大输出电流提供了严格的限制，在异常重负载、输出低阻抗或输出短路的情况下，负载电流增加且大于OCP2时，该电源将输出电流限制到OCP2等级，然后在峰值功率模式定时器到期时关闭电源。
本发明所述开关电源电路工作在非连续导通模式(DCM)，对于工作在非连续导通模式(DCM)的反激式开关电源，最大输出功率由如下公式给出：
LP：变压器原边绕组电感量，FSW：系统工作开关频率，IP：原边峰值电流；
由如上(1)看出，对于给定的LP、FSW，增加原边峰值电流IP，可以增加输出功率能力，即最大输出功率与原边峰值电流的平方成正比。
根据变压器“安*匝”值守恒IPK*NP＝IPKS*NS可得：
其中，IPKS：次级边峰值电流；
IPK：原边峰值电流；
VIPK：原边电流采样电阻电压；
RCS：原边电流采样电阻阻值；
NP：原边绕组匝数；
NS：次级绕组匝数；
N：变压器原边匝比NP：NS；
77：变压器原边-次级边转换效率；
工作在非连续导通模式(DCM)的反激式开关电源，根据平均电流计算方法，容易得出输出电流IOUT与次级峰值电流关系为：
其中，TDEM：变压器消磁时间；
TSW：变压器开关周期；
将公式(1)代入公式(2)，可以得出：
由公式(4)可以看出，N为变压器初级侧和次级侧匝比，RCS为初级侧电流采样电阻，
将固定为常数，即可实现恒定输出电流(CC)功能，即最大输出电流OCP为：
IC内部设定常数代入(5)式，可得：
本实施例中，常规恒压输出模式时内部设定KCC为常数1/3，则CV模式最大输出电流为：
峰值功率模式时内部设定KCC为常数1/2，则峰值功率模式最大输出电流为：
这时VIPK＜1，所以避免系统进入连续导通模式(CCM)，保证峰值负载电流输出时系统工作在DCM模式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，包括输入交流电的整流电路(1)、连接于所述整流电路(1)输出端的驱动电路(2)，以及连接在所述驱动电路(2)输出端的输出滤波电路(3)；
所述整流电路(1)为输入交流电的整流桥，其包括用于将输入交流电源整流为直流电的整流桥BR1，连接在所述整流桥BR1的其中一桥臂输出端的输入电容C1；
所述驱动电路(2)包括变压器T1、功率开关管M1、控制电路(4)、启动电阻R1、电阻R2、上分压电阻R3、下分压电阻R4、二极管D1、供电二极管D2、输入电容C1、电容C2和供电电容C3；
所述变压器T1包括变压器初级侧绕组、变压器次级侧绕组和变压器辅助绕组；
所述输出滤波电路(3)包括整流二极管D3、出电容C4和假负载R6，所述整流二极管D3连接在所述变压器T1的次级侧绕组和所述输出电容C4之间，所述输出电容C4和所述假负载R6并联。
2.根据权利要求1所述的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，所述控制电路(4)包括数字逻辑电路(401)、电压采样及消磁时间采样电路(402)、VPK电压比较器(403)、VIPK电压比较器(404)、峰值功率定时器(405)、VIPK电压产生电路(406)、功率开关管驱动电路(407)以及启动电路(408)；所述数字逻辑电路(401)的两个VIPK电压阈值VIPK1小于VIPK2，所述VIPK1和VIPK2分别对应输出电流限流点OCP1和OCP2，所述OCP1小于OCP2。
3.根据权利要求1或2所述的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，所述功率开关管M1的漏极端连接所述变压器T1的初级侧绕组一端，所述变压器T1的初级侧绕组另一端连接输入电容C1；所述功率开关管M1的源极端连接于所述电阻R5，用于采样功率开关管M1中的电流。
4.根据权利要求1所述的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，所述启动电阻R1连接于所述输入电容C1正端和所述供电电容C3之间，所述供电电容C3用于为所述控制电路(4)供电。
5.根据权利要求1所述的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，所述供电二极管D2的正极连接所述变压器T1的辅助绕组一端，所述变压器T1的辅助绕组的另一端连接电流参考地，所述供电二极管D2的负极连接所述供电电容C3，所述变压器T1辅助绕组的两端分别连接所述上分压电阻R3和下分压电阻R4。
6.根据权利要求1所述的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，所述二极管D1、电阻R2、电容C2构成RCD吸收回路；所述二极管D1的正极连接所述变压器T1的初级侧绕组一端，所述电阻R2和电容C2的一端连接所述变压器T1的初级侧绕组的另一端，所述电阻R2和电容C2并联，所述电阻R2和电容C2的另一端连接所述二极管D1的负极。
7.根据权利要求1所述的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，所述变压器(3)的初级侧绕组一端连接所述电容C2的正极，其另一端连接所述功率开关管M1。
8.根据权利要求1-7任一项所述的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，所述变压器(3)的次级侧绕组一端连接输出二极管D3的一端，所述输出二极管的另一端连接输出电容C4的一端，所述变压器的次级侧绕组的另一端连接所述输出电容的另一端。
9.根据权利要求1-7任一项所述的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，所述变压器(3)的辅助绕组一端连接供电二极管D2的阳极及所述上分压电阻R3一端，所述供电二极管的阴极连接所述供电电容C3，所述上分压电阻R3、下分压电阻R4之间的中点连接于所述控制电路(4)，所述变压器T1的辅助绕组另一端通过所述下分压电阻R4的一端接地。
10.根据权利要求1-7任一项所述的具有初级反馈和峰值功率的反激式数字开关电源电路，其特征在于，所述功率开关管驱动电路(407)用于将所述数字逻辑电路(401)的输出端信号转换成驱动所述功率开关管M1的驱动信号，控制所述功率开关管M1的导通和关闭；所述功率开关管M1为场效应晶体管或双极型晶体管。
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