CN111130318A - 一种开关电源控制电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源控制电路，包括电源输入端、充电模块、放电模块、比较模块及控制模块。充电模块用于在电源输入端提供的直流电压的供电下充电，并产生随充电时间而线性变化的输出电压，且输出电压的波形斜率随直流电压变化而线性变化。放电模块用于根据控制信号周期性地对输出电压进行放电，以将输出电压的波形处理为锯齿波形。比较模块用于将放电模块处理后的输出电压与基准电压进行比较，以输出对应占空比的矩形波信号至控制模块，使得控制模块输出开关电源所需占空比的驱动信号。本发明还公开了一种开关电源控制方法，如此，有效地简化了电路设计，提高电源效率，降低开发成本。

Description

一种开关电源控制电路及其方法

技术领域

本发明涉及开关电源控制技术领域，尤其涉及一种IGBT驱动器的开关电源控制电路及方法。

背景技术

在高压逆变系统中，IGBT驱动器的开关电源有着不同于低压系统的要求，例如原副边绝缘性能，一般要求均在4kVac以上，又如原副边之间的耦合电容，一般要求在20pF以下，为了实现开关电源副边稳压输出，现有技术中通常是将隔离开关电源设计为无任何反馈，且以最大占空比开通，在需要满足宽范围输入要求时，通过在隔离电源前级或后级增加BUCK或BOOST电源来实现。如图1所示，通过前级增加BUCK电源降压稳压，再由推挽电源隔离输出，间接实现宽范围输入功能。

然而，这种设计因为增加的BUCK或BOOST电源，导致使用的电子器件增多，不仅降低了电源效率，增加了开发成本，也不利于小型化设计。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种开关电源控制电路及方法，无需增加额外的开关电源，即可在实现开关电源的宽范围输入及稳压输出的同时，简化电路设计，提高电源效率，降低开发成本。

本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：

一种开关电源控制电路，包括电源输入端及控制模块，所述控制模块用于发出第一控制信号，以将所述电源输入端提供的直流电压变换为对应占空比的驱动信号，所述开关电源控制电路还包括：

一充电模块，所述充电模块与所述电源输入端电连接，用于在所述直流电压的供电下充电，并产生随充电时间而线性变化的输出电压，且所述输出电压的波形斜率随所述直流电压变化而线性变化；

一放电模块，所述放电模块电连接于所述充电模块及所述控制模块之间，用于接收所述第一控制信号，并根据所述第一控制信号周期性地对所述输出电压进行放电，以将所述充电模块的输出端所产生的输出电压的波形处理为锯齿波形；

一比较模块，所述比较模块电连接于所述充电模块及所述控制模块之间，用于将所述放电模块处理后的输出电压与一基准电压进行比较，以输出对应占空比的矩形波信号至所述控制模块，所述控制模块根据所述第一控制信号及所述矩形波信号输出对应占空比的驱动信号。

进一步地，所述充电模块包括压控电流源及电容，所述压控电流源的一端与所述电源输入端电连接，所述压控电流源的另一端与所述电容的一端电连接，所述电容的另一端接地，所述压控电流源用于给所述电容充电。

进一步地，所述放电模块包括电子开关，所述电子开关的第一端与所述控制模块电连接，所述电子开关的第二端接地，所述电子开关的第三端电连接于所述压控电流源与所述电容之间。

进一步地，所述电子开关为N沟道增强型场效应管，所述电子开关的第一端、第二端及第三端分别对应于N沟道增强型场效应管的栅极、源极及漏极。

进一步地，所述比较模块包括比较器，所述比较器的反相输入端电连接于所述压控电流源与所述电容之间，所述比较器的同相输入端电连接一基准电压；

当所述放电模块处理后的输出电压小于所述基准电压时，所述比较模块输出的矩形波信号为高电平；

当所述放电模块处理后的输出电压大于所述基准电压时，所述比较模块输出的矩形波信号为低电平。

进一步地，所述控制模块包括脉宽调制单元及逻辑处理单元，所述逻辑处理单元的一端与所述脉宽调制单元电连接，所述逻辑处理单元的另一端与放电模块及比较模块电连接，所述脉宽调制单元用于发出第二控制信号至所述逻辑处理单元，所述逻辑处理单元用于对所述第二控制信号进行处理后输出所述第一控制信号至所述放电模块，还用于接收所述比较模块输出的所述矩形波信号，所述逻辑处理单元对所述矩形波信号及所述第一控制信号进行逻辑处理，以输出对应占空比的电压信号至所述脉宽调制单元，所述脉宽调制单元用于根据所述电压信号对应输出开关电源所需占空比的驱动信号。

进一步地，所述逻辑处理单元包括第一与门及非门，所述第一与门的第一输入端与所述比较器的输出端电连接，所述第一与门的第二输入端与所述非门的输入端电连接，所述第一与门的输出端与所述脉宽调制单元电连接，所述非门的输入端与所述脉宽调制单元电连接，所述非门的输出端与所述电子开关的第一端电连接。

进一步地，所述逻辑处理单元包括第二与门、第三与门及或非门，所述第二与门的第一输入端与所述第三与门的第一输入端均电连接至所述比较器的输出端，所述第二与门的第二输入端及所述第三与门的第二输入端分别与所述或非门的第一输入端及所述或非门的第二输入端一一对应连接，所述或非门的输出端反相后与所述电子开关的第一端电连接。

进一步地，所述控制模块包括主控芯片，所述主控芯片为复杂可编程逻辑器件。

一种开关电源控制方法，包括以下步骤：

提供一直流电压；

产生随充电时间而线性变化的输出电压，且所述输出电压的波形斜率随所述直流电压变化而线性变化；

发出第一控制信号，并根据所述第一控制信号周期性地对所述输出电压进行放电，以将所述输出电压的波形处理为锯齿波形；

将处理后的输出电压与一基准电压进行比较，以输出对应占空比的矩形波信号；

根据所述第一控制信号及所述矩形波信号输出开关电源所需占空比的驱动信号。

上述驱动保护电路及其保护方法通过充电模块产生随充电时间线性变化的输出电压，且所述输出电压的波形斜率随电源输入端提供的直流电压变化而线性变化，又通过放电模块周期性地对所述输出电压进行放电，以将所述输出电压的波形处理为锯齿波形，再通过比较模块将锯齿波形的输出电压与一基准电压值进行比较，以输出对应的占空比的矩形波信号至控制模块，从而输出开关电源所需占空比的驱动信号。如此，在实现开关电源的宽范围输入及开关电源稳压输出的同时，极大地简化电路设计，降低开发成本，也利于集成电路的小型化设计。

附图说明

图1是现有技术开关电源控制电路的一示例连接图。

图2是本发明的开关电源控制电路的一较佳实施方式的方框图。

图3是本发明的开关电源控制电路的一较佳实施方式的电路连接图。

图4是本发明的开关电源控制电路的另一实施方式的方框图。

图5是图4中的开关电源控制电路的一较佳实施方式的的电路连接图。

图6是图4中的开关电源控制电路的一较佳实施方式的的另一电路连接图。

图7是本发明的开关电源控制方法的一较佳实施方式的的流程图。

图8是图3中开关电源控制电路工作时的信号电平示意图。

图9是图3中开关电源控制电路工作时的信号电平的另一示意图。

图10是图5中开关电源控制电路工作时的信号电平示意图。

图11是图6中开关电源控制电路工作时的信号电平示意图。

主要元件符号说明

开关电源控制电路 100

电源输入端 10

充电模块 20

放电模块 30

比较模块 40

控制模块 50

逻辑处理单元 52

脉宽调制单元 54

电源 Vin、Vcc

压控电流源 VCCS

电容 C

电子开关 Q1

比较器 COMP

与门 AND1、AND2、AND3

非门 U1

或非门 NOR

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

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，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

请参考图2，本发明提供一种开关电源控制电路100，用于输出开关电源所需占空比的驱动信号。所述开关电源控制电路100包括电源输入端10、充电模块20、放电模块30、比较模块40及控制模块50。在本实施方式中，所述开关电源控制电路100应用于IGBT驱动器。

所述电源输入端10电连接所述充电模块20。所述放电模块30电连接于所述充电模块20及所述控制模块50之间。所述比较模块40电连接于所述充电模块20及所述控制模块50之间。

所述电源输入端10用于为所述充电模块20提供直流电压。所述充电模块 20用于在所述直流电压的供电下充电，并在充电过程中(充电未饱和前)，所述充电模块20的输出端产生随充电时间而线性变化的输出电压，且所述输出电压的波形斜率随所述直流电压变化而线性变化。在本实施方式中，在充电过程中 (充电未饱和前)，所述输出电压随充电时间的增大而线性增大，所述输出电压的波形斜率随所述直流电压增大而线性增大。

所述放电模块30用于接收所述控制模块50发出的第一控制信号，并根据所述第一控制信号周期性地对所述输出电压进行放电，以将所述充电模块20的输出端所产生的输出电压的波形处理为锯齿波形。在本实施方式中，所述第一控制信号为电平信号。

所述比较模块40用于接收经过所述放电模块30处理后的输出电压，并将所述放电模块30处理后的输出电压与一基准电压进行比较，以输出一定占空比的矩形波信号至所述控制模块50。具体地，当所述放电模块30处理后的输出电压小于所述基准电压时，所述比较模块40输出的矩形波信号为高电平；当所述放电模块30处理后的输出电压大于所述基准电压时，所述比较模块40输出的矩形波信号为低电平。

所述控制模块50用于发出第一控制信号至所述放电模块30，还用于接收所述比较模块40输出的矩形波信号，并根据所述第一控制信号及所述矩形波信号输出开关电源所需占空比的驱动信号，从而实现对开关电源的稳压输出。在本实施方式中，所述控制模块50包括主控芯片(图未示)，此时可通过检测所述第一控制信号与所述矩形波信号的下降沿，来确定驱动信号的占空比。所述主控芯片可为复杂可编程逻辑器件(Complex ProgrammableLogic Device，CPLD)。

如此一来，只需在所述电源输入端10输入不同的直流电压，所述比较电路 40将接收到不同斜率的锯齿波形的输出电压，并对应产生不同占空比的矩形波信号，从而使得所述控制模块50确定驱动信号的占空比。因此在无需增加额外电源的情况下，即可实现开关电源的宽范围输入及稳压输出，极大地简化电路设计，提高了电源效率，降低开发成本，利于小型化设计。

请同时参考图3，图3为本发明的一较佳实施方式的电路连接图。本实施方式中，所述电源输入端10包括一电源Vin。所述充电模块20包括压控电流源 VCCS及电容C。所述压控电流源VCCS的一端与所述电源Vin电连接，所述压控电流源VCCS的另一端与所述电容C的一端电连接，所述电容C的另一端接地。所述压控电流源VCCS与所述电容C之间有节点P，所述节点P为所述充电模块20的输出端，输出电压为Vc。

所述放电模块30包括电子开关Q1，所述电子开关Q1的第一端与所述控制模块50电连接，所述电子开关Q1的第二端接地，所述电子开关Q1的第三端电连接于所述节点P。本实施方式中，所述电子开关Q1可为N沟道增强型场效应管，所述电子开关Q1的第一端、第二端及第三端分别对应于N沟道增强型场效应管的栅极、源极及漏极。

所述比较模块40包括比较器COMP，所述比较器COMP的反相输入端电连接于所述节点P，所述比较器COMP的同相输入端电连接一基准电压Vref，所述比较器COMP的电源端连接于电源Vcc，所述比较器COMP的接地端接地。本实施方式中，所述电源Vcc由逻辑电源供电，其具体幅值与所述控制模块50 相关。

工作时，当所述第一控制信号K1为低电平时，所述电子开关Q1断开，所述压控电流源VCCS将给所述电容C充电，充电电流为Ic，所述充电电流Ic与所述电源Vin提供的直流电压Vi的关系为：Ic＝g*Vi，其中g是跨导。所述节点 P处的电压Vc，即所述充电模块20的输出电压，将随时间线性上升(请参考图 8)，超过所述基准电压Vref的时间为Trvc，其与充电电流Ic的关系为： Trvc＝C*Vref/Ic。在所述节点P处的电压Vc超过所述基准电压Vref时，所述比较器COMP输出的矩形波信号FB由高电平变为低电平。

当所述第一控制信号K1为高电平时，所述电子开关Q1导通，所述电容C 将对地放电，所述压控电流源VCCS输出的电流Ic由所述电子开关Q1流过，所述节点P处的电压Vc将迅速下降至零，此时所述比较器COMP输出的矩形波信号FB为高电平。如此在所述第一控制信号进行周期性变换时，所述开关电源控制电路100重复如上动作。

当所述电源Vin提供的直流电压Vi增加时(请参考图9)，所述电容C的充电电流Ic将对应地线性增大，此时所述节点P处的电压Vc上升超过所述基准电压Vref的时间将对应地减小，即时间提前。当所述电源Vin提供的直流电压 Vi减少时，所述电容C的充电电流Ic将对应地线性减小，此时所述节点P处的电压Vc上升超过所述基准电压Vref的时间将对应地增大，即时间延后。由此，所述比较器COMP输出至所述控制模块50的矩形波信号FB的占空比将随所述电源Vin提供的直流电压Vi的变化而线性变化。

本实施方式中，所述电容C可设置在100pF～1000pF之间，过小易受干扰，过大会增加所述电子开关Q1的电流应力。具体地，所述电容C的取值可根据驱动开关频率fsw、所述压控电流源VCCS的电流能力Ic及所述电子开关Q1的最大开通时间确定。

进一步地，在分立器件组成的设计中，所述控制模块50可包括逻辑处理单元52及脉宽调制单元54(请参考图4)。所述逻辑处理单元52的一端与所述脉宽调制单元54电连接，所述逻辑处理单元52的另一端与放电模块30及比较模块40电连接。所述脉宽调制单元54用于发出第二控制信号至所述逻辑处理单元52。所述逻辑处理单元52用于对所述第二控制信号进行处理后输出所述第一控制信号至所述放电模块30，还用于接收所述比较模块40输出的矩形波信号，所述逻辑处理单元52对所述矩形波信号及所述第一控制信号进行逻辑处理，以输出开关电源所需占空比的电压信号至所述脉宽调制单元54，所述脉宽调制单元54根据所述电压信号对应输出驱动信号，从而实现对开关电源稳压输出。

在单向励磁的电源中，所述逻辑处理单元52可包括与门AND1及非门U1 (请参考图10)。所述与门AND1的第一输入端与所述比较器COMP的输出端电连接，所述与门AND1的第二输入端与所述非门U1的输入端电连接。所述与门AND1的输出端与所述脉宽调制单元54电连接。所述非门U1的输入端与所述脉宽调制单元54电连接，所述非门U1的输出端与所述电子开关Q1的第一端电连接。如此，通过将所述矩形波信号FB及所述第二控制信号K2进行逻辑与变换，以输出开关电源所需占空比的电压信号GD1至所述脉宽调制单元54，从而确定驱动信号的占空比。本实施方式中，所述第二控制信号K2的占空比可设为50％，其频率与开关电源所需驱动信号的频率相同，与驱动信号的电平逻辑相同。

在双向励磁的电源中，所述逻辑处理单元52可包括与门AND2、与门AND3 及或非门NOR(请参考图11)。所述与门AND2的第一输入端与所述与门AND3 的第一输入端均电连接至所述比较器COMP的输出端，所述与门AND2的第二输入端及所述与门AND3的第二输入端分别与所述或非门NOR的第一输入端及所述或非门NOR的第二输入端一一对应连接。所述或非门NOR的输出端与所述电子开关Q1的第一端电连接。如此，通过将所述脉宽调制单元54输出的第三控制信号K3及第四控制信号K4进行或非逻辑变换，以产生所述第一控制信号K1。又通过将所述矩形波信号FB分别与所述第三控制信号K3及第四控制信号K4进行逻辑与变换，对应产生开关电源所需占空比的电压信号GD2及电压信号GD3，从而使得所述脉宽调制单元54输出对应占空比的驱动信号。本实施方式中，所述第二控制信号K1的高电平时间可设为电源最小死区时间，其频率是电源开关频率的两倍，是最大占空比时两个驱动信号的或非逻辑关系。

请参考图7，本发明还提出了上述开关电源控制电路100的控制方法，包括如下步骤：

S100、所述电源输入端10提供一直流电压。

S102、所述充电模块20在所述直流电压的供电下充电，并在充电过程中(充电未饱和前)，所述充电模块20的输出端产生随充电时间而线性变化的输出电压，且所述输出电压的波形斜率随所述直流电压变化而线性变化。

在本实施方式中，在充电过程中，所述输出电压随充电时间线性增大，所述输出电压的波形斜率随所述直流电压增大而增大。

S104、所述放电模块30接收所述控制模块50发出的第一控制信号，并根据所述第一控制信号周期性地对所述输出电压进行放电，以将所述充电模块20 的输出端所产生输出电压的波形处理为锯齿波形。在本实施方式中，所述第一控制信号为电平信号。

S106、所述比较模块40接收经过所述放电模块30处理后的输出电压，并将所述放电模块30处理后的输出电压与一基准电压进行比较，以输出一定占空比的矩形波信号至所述控制模块50。

具体地，当所述放电模块30处理后的输出电压大于所述基准电压时，所述比较模块40输出的矩形波信号为低电平；当所述放电模块30处理后的输出电压小于所述基准电压时，所述比较模块40输出的矩形波信号为高电平。

S108，所述控制模块50接收所述比较模块40输出的矩形波信号，并根据所述第一控制信号及所述矩形波信号输出开关电源所需占空比的驱动信号，实现对开关电源的控制。

在本实施方式中，所述控制模块50包括主控芯片(图未示)，此时可通过检测所述第一控制信号与所述矩形波信号的下降沿，来确定驱动信号的占空比。所述主控芯片可为复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device， CPLD)。

上述开关电源控制电路及方法通过充电模块20产生随充电时间线性变化的输出电压，且所述输出电压的波形斜率随电源输入端10提供的直流电压变化而线性变化，又通过放电模块30周期性地对所述输出电压进行放电，以将所述输出电压的波形处理为锯齿波形，再通过比较模块40将该锯齿波形的电压与一基准电压值进行比较，以输出对应的占空比的矩形波信号至所述控制模块50，从而可输出开关电源所需占空比的驱动信号。如此，在实现开关电源的宽范围输入及稳压输出的同时，极大地简化电路设计，提高电源效率，降低开发成本，也利于小型化设计。

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)

1.一种开关电源控制电路，包括电源输入端及控制模块，所述控制模块用于发出第一控制信号，以将所述电源输入端提供的直流电压变换为对应占空比的驱动信号，其特征在于，所述开关电源控制电路还包括：

一充电模块，所述充电模块与所述电源输入端电连接，用于在所述直流电压的供电下充电，并产生随充电时间而线性变化的输出电压，且所述输出电压的波形斜率随所述直流电压变化而线性变化；

一放电模块，所述放电模块电连接于所述充电模块及所述控制模块之间，用于接收所述第一控制信号，并根据所述第一控制信号周期性地对所述输出电压进行放电，以将所述充电模块的输出端所产生的输出电压的波形处理为锯齿波形；

一比较模块，所述比较模块电连接于所述充电模块及所述控制模块之间，用于将所述放电模块处理后的输出电压与一基准电压进行比较，以输出对应占空比的矩形波信号至所述控制模块，所述控制模块根据所述第一控制信号及所述矩形波信号输出对应占空比的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述充电模块包括压控电流源及电容，所述压控电流源的一端与所述电源输入端电连接，所述压控电流源的另一端与所述电容的一端电连接，所述电容的另一端接地，所述压控电流源用于给所述电容充电。

3.根据权利要求2所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述放电模块包括电子开关，所述电子开关的第一端与所述控制模块电连接，所述电子开关的第二端接地，所述电子开关的第三端电连接于所述压控电流源与所述电容之间。

4.根据权利要求3所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述电子开关为N沟道增强型场效应管，所述电子开关的第一端、第二端及第三端分别对应于N沟道增强型场效应管的栅极、源极及漏极。

5.根据权利要求3所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述比较模块包括比较器，所述比较器的反相输入端电连接于所述压控电流源与所述电容之间，所述比较器的同相输入端电连接一基准电压；

当所述放电模块处理后的输出电压小于所述基准电压时，所述比较模块输出的矩形波信号为高电平；

当所述放电模块处理后的输出电压大于所述基准电压时，所述比较模块输出的矩形波信号为低电平。

6.根据权利要求5所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述控制模块包括脉宽调制单元及逻辑处理单元，所述逻辑处理单元的一端与所述脉宽调制单元电连接，所述逻辑处理单元的另一端与放电模块及比较模块电连接，所述脉宽调制单元用于发出第二控制信号至所述逻辑处理单元，所述逻辑处理单元用于对所述第二控制信号进行处理后输出所述第一控制信号至所述放电模块，还用于接收所述比较模块输出的所述矩形波信号，所述逻辑处理单元对所述矩形波信号及所述第一控制信号进行逻辑处理，以输出对应占空比的电压信号至所述脉宽调制单元，所述脉宽调制单元用于根据所述电压信号对应输出开关电源所需占空比的驱动信号。

7.根据权利要求6所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述逻辑处理单元包括第一与门及非门，所述第一与门的第一输入端与所述比较器的输出端电连接，所述第一与门的第二输入端与所述非门的输入端电连接，所述第一与门的输出端与所述脉宽调制单元电连接，所述非门的输入端与所述脉宽调制单元电连接，所述非门的输出端与所述电子开关的第一端电连接。

8.根据权利要求6所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述逻辑处理单元包括第二与门、第三与门及或非门，所述第二与门的第一输入端与所述第三与门的第一输入端均电连接至所述比较器的输出端，所述第二与门的第二输入端及所述第三与门的第二输入端分别与所述或非门的第一输入端及所述或非门的第二输入端一一对应连接，所述或非门的输出端反相后与所述电子开关的第一端电连接。

9.根据权利要求1所述的开关电源控制电路，其特征在于，所述控制模块包括主控芯片，所述主控芯片为复杂可编程逻辑器件。

10.一种开关电源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一直流电压；

产生随充电时间而线性变化的输出电压，且所述输出电压的波形斜率随所述直流电压变化而线性变化；

发出第一控制信号，并根据所述第一控制信号周期性地对所述输出电压进行放电，以将所述输出电压的波形处理为锯齿波形；

将处理后的输出电压与一基准电压进行比较，以输出对应占空比的矩形波信号；

根据所述第一控制信号及所述矩形波信号输出开关电源所需占空比的驱动信号。

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