CN111525806A - 一种ac-dc电源转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AC‑DC电源转换装置，包括有源箝位反激变换器的功率级以及主控芯片，主控芯片集成了主功率管ML、箝位管MH、副边控制单元、启动隔离驱动单元以及原副边供电单元。本发明采用了有源箝位结构，相比传统的RCD结构能够减少开关损耗，提高工作频率，并减小整块芯片的体积；同时采用副边采样实现了原边两个开关管的ZVS，避免了原边的高压采样，减小了器件的电压应力，增加了可靠性；此外本发明隔离驱动模块可采用电容隔离、电感隔离或者微型变压器隔离等多种方式，相比于传统的光耦隔离，本发明具有传输速率快，低功耗，寿命长等特点。

Description

一种AC-DC电源转换装置
技术领域
本发明属于开关电源控制技术领域，具体涉及一种AC-DC电源转换装置。
背景技术
随着手机、笔记本电脑和平板电脑等各种移动智能设备技术的发展，人们对适配器的功率、体积、效率等便携性要求越来越高，然而传统的大功率适配器设计通常需要大的体积和重量，不能够很好满足便携性的要求。随着科技发展和社会需求的出现，适配器趋向于往便携化、低价格化发展，所以控制器IC也必须开发满足这些需求的产品，具体地说就是高频化、高效化、高密度化。
反激变换器具有拓扑简单，控制方便，成本低廉，电磁干扰小等特点，被广泛应用中小功率的开关电源当中，例如手机和平板的适配器、显示器的电源；其中最常见的反激变换器是准谐振谷底导通模式下的fly-back结构，又称为RCD反激变换器结构。要想实现小体积、高能量密度，提高工作频率是一个非常有效的办法，因为更高的工作频率能够使得反激变换器中的无源器件的体积做的更小，但传统的RCD反激变换器的工作频率提高会存在以下问题：其一，RCD反激变换器每个周期内会将漏感内储存的一部分能量通过电阻热能耗散的形式释放掉，开关频率的升高同样会导致单位时间这部分损失能量增加，同时还会导致电磁干扰(EMI)问题；其二，RCD反激变换器通常采用谷底导通的模式，在开关管开启或关闭的时候通常有一定的电压或电流(通常情况下很大)，如此每次开关也会有较大损失，而开关频率的升高会导致单位时间损失的能量更多。
总体而言，对传统的RCD反激变换器，虽然开关频率的提高可以使变压器和电容等无源器件的体积变小，使得电源体积减小、重量减轻，但却使得开关损耗增大，电源效率降低；另外，开关频率的提高也使得电源的电磁干扰问题变得突出起来，RCD反激变换器主要局限于其高频化所带来的损耗和电磁干扰的问题。
有源箝位反激变换器的出现，能够从以下方面解决传统的RCD反激变换器出现的问题：其一，相较于RCD结构通过电阻热能耗散掉漏感能量，ACF结构能通过把漏感上多余的能量储存下来，并且在下个周期将能量还给电感，传输到输出端，实现能量的再利用，提高系统的工作效率；其二，相较于RCD结构的谷底导通，ACF结构通过箝位电容给励磁电感和漏感反向充电，利用反向励磁电感电流实现开关管的零电压导通(ZVSon)，从而把开关损耗降下去，在频率提高的同时，把电磁干扰也降下去。有源箝位反激变换器解决了提高工作频率带来的问题，从而满足系统整体的能量密度变高、体积变小的便携性需求，同时进一步提高了效率。
市场上现在的有源箝位反激变换器虽然具有高效率，但是系统工作时需要的辅助芯片多，需要从原边高压结点采样用作实现ZVS，高电压应力导致器件寿命缩短和可靠性等问题，若从副边采样，采样电压相对原边高压结点低很多，解决了高电压应力和可靠性问题。
传统转换器大多采用的是光耦隔离，使用光耦隔离还需要采用光耦的偏置电路与补偿电路，结构复杂；除此之外，光耦传输具有非线性且传输速率低，而且因为光耦本身存在光衰减的问题，导致整块芯片的寿命不够长。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种AC-DC电源转换装置，采用有源箝位结构，能够减少开关损耗，提高工作频率，减小芯片体积，具有传输速率快，低功耗，寿命长等特点，装置采用电容或电感隔离方案，具有线性度高、传输速率快、寿命长等优点。
一种AC-DC电源转换装置，包括有源箝位反激变换器的功率级、副边控制单元以及启动隔离驱动单元，其中：
所述有源箝位反激变换器的功率级包括整流滤波电路、变压器T1、主功率管ML、箝位管MH、箝位电容Cr、同步整流管MSR、输出电容Co、输出电压采样电阻RV1和RV2以及输出电流采样电阻Rio；其中，变压器T1原边绕组的同名端与箝位电容Cr一端以及整流滤波电路的输出端相连，变压器T1原边绕组的异名端与箝位管MH的源极以及主功率管ML的漏极相连，箝位管MH的漏极与箝位电容Cr的另一端相连，主功率管ML的源极接原边地，变压器T1副边绕组的同名端与同步整流管MSR的漏极相连，变压器T1副边绕组的异名端与输出电容Co的一端、输出电压采样电阻RV1的一端以及外部负载电阻RL的一端相连，输出电压采样电阻RV1的另一端与输出电压采样电阻RV2的一端相连，输出电容Co的另一端与同步整流管MSR的源极、输出电压采样电阻RV2的另一端以及输出电流采样电阻Rio的一端相连并接副边地，电流采样电阻Rio的另一端与外部负载电阻RL的另一端相连，主功率管ML和箝位管MH的栅极接受来自启动隔离驱动单元提供的开关信号；
所述副边控制单元包括：
同步整流控制模块，用于检测变压器T1副边绕组同名端的节点电压，根据该节点电压大小生成同步整流管MSR栅极的开关信号以控制其通断；
副边恒压恒流控制模块，用于检测负载电压和电流信号并根据这些信号采用输出恒压控制模式或输出恒流控制模式对变换器进行控制以输出主功率管ML的控制信号LIN，仅当负载电流低于阈值时采用输出恒压控制模式；
有源箝位时序产生模块，用于检测变压器T1副边绕组同名端的节点电压，进而根据该节点电压以及控制信号LIN生成箝位管MH的控制信号HIN，同时自动调整模块内部的时钟延时设置，使其匹配启动隔离驱动单元所产生的延时；
所述启动隔离驱动单元包括：
第一启动隔离驱动模块，用于对开关信号LIN隔离驱动后生成开关信号PWML以控制主功率管ML的通断；
第二启动隔离驱动模块，用于对开关信号HIN隔离驱动后生成开关信号PWMH以控制箝位管MH的通断。
进一步地，所述副边恒压恒流控制模块在负载电流高于电流阈值Ilimit1时采用定频的PWM(脉冲宽度调制)模式对变换器进行控制，当负载电流减小到电流阈值Ilimit1且PWM模式下的占空比达到下限时则转为采用PSM(脉冲阶梯调制)模式对变换器进行控制并随负载电流进一步减小而减少脉冲个数，当负载电流低于电流阈值Ilimit2且PSM模式下的脉冲个数减小到下限(优选为2～3个)时则转为采用PFM(脉冲频率调制)模式对变换器进行控制并随负载电流进一步减小而降低工作频率，Ilimit1＞Ilimit2。
进一步地，所述有源箝位时序产生模块包括时钟产生模块、采样保持电路、两个比较器B1～B2、箝位管关断控制模块、箝位管开通控制模块以及箝位管控制信号产生模块，其中：
所述时钟产生模块根据控制信号LIN和HIN生成四组时钟信号clk1～clk4，其中：clk1为控制信号LIN的上升沿延迟t1后所产生的短脉冲，clk2为clk1延迟一定时长所产生的短脉冲，clk3为控制信号HIN的上升沿延迟t2后所产生的短脉冲，clk4为clk3延迟一定时长所产生的短脉冲；t1和t2为延迟量，当比较器B1的输出信号为0时，下一周期的t1为当前周期的t1加上一个单位时长；当比较器B1的输出信号为1时，下一周期的t1为当前周期的t1减去一个单位时长；当比较器B2的输出信号为0时，下一周期的t2为当前周期的t2减去一个单位时长；当比较器B2的输出信号为1时，下一周期的t2为当前周期的t2加上一个单位时长；
所述采样保持电路包括四个电阻R1～R4、两个开关K1～K2和两个电容C1～C2，其中：电阻R1的一端接变压器T1副边绕组同名端的节点电压，电阻R1的另一端与电阻R2的一端以及开关K1的一端相连，开关K1的另一端与电容C1的一端以及比较器B1的反相输入端相连，电阻R2的另一端与电阻R3的一端、比较器B1的同相输入端以及比较器B2的同相输入端相连，电阻R3的另一端与电阻R4的一端以及开关K2的一端相连，开关K2的另一端与电容C2的一端以及比较器B2的反相输入端相连，电阻R4的另一端与电容C1的另一端以及电容C2的另一端相连并接副边地，开关K1的控制端接时钟信号clk2，开关K2的控制端接时钟信号clk4，比较器B1的时钟端接时钟信号clk1，比较器B2的时钟端接时钟信号clk3，电阻R1～R4的阻值比为77:1:1:1；
所述箝位管关断控制模块的输入端接比较器B1的输出信号，时钟端接clk3，当clk3的上升沿到来时输出TDM，TDM为死区时间Tdt,m2c加上箝位管MH的导通时长，当比较器B1的输出信号为0时，使当前周期输出的TDM减去一个单位时长作为下一周期输出的TDM；当比较器B1的输出信号为1时，使当前周期输出的TDM加上一个单位时长作为下一周期输出的TDM；
所述箝位管开通控制模块的输入端接比较器B2的输出信号，时钟端接clk1，当clk1的上升沿到来时输出Tdt,m2c，当比较器B2的输出信号为0时，使当前周期输出的Tdt,m2c减去一个单位时长作为下一周期输出的Tdt,m2c；当比较器B2的输出信号为1时，使当前周期输出的Tdt,m2c加上一个单位时长作为下一周期输出的Tdt,m2c；
所述箝位管控制信号产生模块对控制信号LIN分别延迟TDM和Tdt,m2c后得到控制信号LIN1和LIN2，当检测到LIN1的下降沿即产生一个脉冲输入至RS触发器的R端，检测到LIN2的下降沿即产生一个脉冲输入至RS触发器的S端，则RS触发器的Q端输出即为控制信号HIN。
进一步地，所述AC-DC电源转换装置还包括原副边供电单元，其由两个原边供电模块和一个副边供电模块组成，其中一个原边供电模块用于采集整流滤波电路的输出电压并生成第二启动隔离驱动模块的工作电压为其供电，另一个原边供电模块用于采集主功率管ML的漏端电压并生成第一启动隔离驱动模块的工作电压为其供电，所述副边供电模块用于采集负载电压和变压器T1副边绕组同名端的节点电压并生成副边控制单元的工作电压为其供电。
进一步地，所述主功率管ML、箝位管MH、副边控制单元、启动隔离驱动单元以及原副边供电单元全部集成在同一块芯片上。
进一步地，所述AC-DC电源转换装置还包括输出接口以及MCU，所述输出接口除了对外供电以外，还能实现与外部MCU的通讯，所述MCU通过控制快充协议对内部进行控制。
进一步地，所述启动隔离驱动单元中的两个启动隔离驱动模块均包含启动和隔离驱动两部分功能，其中隔离驱动功能则采用电容隔离、电感隔离或微型变压器隔离方案实现，启动功能则是在上电后通过若干次原副边的握手，并在电路供电和握手成功之后实现电路的启动，即将主动权交给副边由副边产生的控制信号控制原边开关管的通断，同时考虑副边失联后的处理即原边取回控制权，接着重复原来的握手及移交控制权的过程。
本发明采用了有源箝位结构，相比传统的RCD结构能够减少开关损耗，提高工作频率，并减小整块芯片的体积；同时采用副边采样实现了原边两个开关管的ZVS，避免了原边的高压采样，减小了器件的电压应力，增加了可靠性；此外本发明将传统反激变换器的原边功率管、原副边供电单元、启动和隔离驱动单元和副边控制芯片全部集成在一起。
附图说明
图1为本发明AC-DC电源转换装置的总体结构示意图(包括有源箝位反激变换器及其控制芯片)。
图2为有源箝位反激变换器的控制时序示意图。
图3为有源箝位时序产生模块结构示意图。
图4(a)为时钟产生模块的结构示意图。
图4(b)为箝位管控制信号产生模块的结构示意图。
图5为启动电路的工作流程示意图。
图6为本发明装置的一种实施结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明AC-DC电源转换装置包括有源箝位反激变换器的功率级以及主控芯片，其中有源箝位反激变换器的功率级包括整流桥、EMI滤波器、变压器T1、主功率管ML、箝位管MH、箝位电容Cr、同步整流管MSR、输出电压采样串联电阻对RV1和RV2、输出电流采样电阻Rio、输出电容Co和控制集成芯片组成。其中，变压器T1原边绕组的同名端与箝位电容Cr一端相连，变压器T1原边绕组的异名端与箝位管MH的源极以及主功率管ML的漏极相连，箝位管MH的漏极与箝位电容Cr的另一端相连，主功率管ML的源极接原边地，变压器T1副边绕组的同名端与同步整流管MSR的漏极相连，变压器T1副边绕组的异名端与输出电容Co的一端、外部负载电阻RL的一端以及输出电压采样串联电阻对RV1和RV2的一端相连，输出电容Co的另一端与同步整流管MSR的源极、输出电压采样串联电阻对RV1和RV2的另一端以及输出电流采样电阻Rio的一端相连并接副边地，输出电流采样电阻Rio的另一端与外部负载电阻RL的另一端相连。主功率管ML的栅极由PWML信号控制，箝位管MH的栅极由PWMH信号控制，以及同步整流管MSR的栅极由sr信号控制。主控芯片主要由副边控制单元、原副边供电单元以及启动和隔离驱动单元组成。
有源箝位反激变换器电路的控制时序如图2所示，当一个周期T开始的时候，开启主功率管ML并按照PWML信号维持一段导通时间且该导通时间由本次工作周期产生的携带占空比信息的PWML信号决定，电源给电感进行励磁，此时励磁电流Im和漏感电流Ir大小相等，方向相同。PWML转变为低电平后，主功率管ML关断，并在本次工作周期的死区时间Tdt,m2c内，由漏感电流和励磁电感电流给主功率管ML漏极结电容充电使得主功率管ML漏极结点电压VSW迅速上升至Vin+NVout附近，同时FWD电压迅速下降至零附近，通过自动调整死区时间Tdt,m2c实现箝位管的零电压开通(ZVSon)。在本次工作死区时间Tdt,m2c结束后，PWMH变为高电平，开启箝位管MH，此时原边的漏感电流Ir会有一个急剧下降的过程，之后原边开始谐振，副边开始同步整流，由于输出电容Co很大，输出电压基本不变；励磁变压器两端的电压被固定在了NVout，因此只有漏感跟箝位电容产生谐振，此时励磁电感电流和漏感电流产生差值Ik＝Im-Ir，此电流通过变压器传输到副边，给副边电路供电。经过本工作周期的TDM之后，将箝位管关闭，在这段时间TDM当中，箝位管打开经过一段时间tr(tr<TDM)后，励磁电流和漏感电流相等并一起变化，此时不再给副边传递能量，副边的同步整流管进行零电流关断(ZCSoff)。在本工作周期的TDM内励磁电流下降到负，如此在TDM结束(即箝位管关闭)后的死区时间Tdt,c2m内，反向的漏感电流和励磁电流会抽取SW点所有电容的电荷，主功率管ML漏极结点电压VSW下降，直到主功率管源漏两端电压下降到0为止，将主功率管再次打开，此时FWD电压迅速上升至Vline/N+Vout附近，通过自动调整死区时间Tdt,c2m实现主功率管的零电压开通(ZVSon)如此往复。
如图3所示，有源箝位时序产生模块包括时钟产生模块、采样保持电路、比较器、箝位管关断控制模块、箝位管开通控制模块以及箝位管控制信号产生模块。其中时钟产生模块用于检测主功率管控制信号LIN、箝位管控制信号HIN，并根据dead_C2M_adj和dead_M2C_adj自动修正本模块内部产生的两个延时HIN_dly1和LIN_dly1，使其匹配两个启动和隔离驱动模块所产生的PWMH与HIN间的延时HIN_dly和PWML与LIN间的延时LIN_dly，并由此产生四个时序合理的时钟信号clk1～clk4，用于控制采样保持电路、比较器、箝位管关断控制模块和箝位管开通控制模块。
采样保持电路用于检测clk2和clk4的上升沿并将本工作周期中FWD电压增大或减小至稳定后的稳定值采样并保持，采样得到的Vref2_h和Vref2_l用作下一工作周期比较器的参考电压值。
两个比较器其一用于检测clk1的上升沿并将此时的FWD电压值和Vref2_h参考电压进行比较，比较结果信号dead_C2M_adj输出到箝位管关断控制模块；其二用于检测clk3的上升沿并将此时的FWD电压值和Vref2_l参考电压进行比较，比较结果信号dead_M2C_adj输出到箝位管开通控制模块。
箝位管关断控制模块用于检测clk3的上升沿，并在此时根据dead_C2M_adj控制TDM(TDM包括Tdt,m2c和箝位管导通时间)在本次工作周期基础上进行增加或减少，用作下一工作周期的TDM。
箝位管开通控制模块用于检测clk1的上升沿，并在此时根据dead_M2C_adj控制死区时间Tdt,m2c在本次工作周期基础上进行增加或减少，用作下一工作周期的Tdt,m2c。
箝位管控制信号产生模块根据输入的LIN和TDM和Tdt,m2c信号产生箝位管控制信号HIN。
对于时钟产生模块，如图4(a)所示，上升沿检测脉冲产生模块用于检测LIN和HIN的上升沿并产生脉冲；其内部HIN_dly模块和LIN_dly模块产生的两个延时设置HIN_dly1和LIN_dly1是基于系统的延时特征平均值进行预设之后再在启动阶段调节的，HIN_dly模块和LIN_dly模块用于输出对应LIN和HIN上升沿的脉冲的延时信号；固定延时模块用于产生一段足够长的固定延时，其中clk1是检测到LIN上升沿时并根据LIN_dly1信号延迟一段时间而产生的短脉冲，clk2是相当于将clk1延迟一段足够长的固定时间而产生的短脉冲(之所以延迟一段足够长的固定时间是为了保证能够在调整延时的时候能采样到FWD的稳定电压用作参考的峰值电压)。对于箝位管控制信号产生模块，如图4(b)所示，延时模块用于将LIN信号根据输入的TDM和Tdt,m2c产生相应延时，并输入到两个下降沿检测脉冲产生模块，下降沿检测脉冲产生模块产生的脉冲输入SR触发器中并产生箝位管控制信号HIN。
如图5所示，系统掉电时处于复位状态，系统上电后刚开始工作时副边输出没有电即副边没有供电，原边上电完成则系统由复位状态变为原边控制状态，此时控制权在原边，若原边出现欠压则系统由原边控制状态变为复位状态；在副边供电及成功收到副边控制信号之后将主动权交给副边，系统由原边控制状态变为副边控制状态。考虑副边失联后的处理，原边取回控制权，系统由副边控制状态变为原边控制状态，接着重复原来的握手及移交控制权的过程。
复位状态是系统掉电时的状态，在此状态下原边芯片和副边芯片均不工作，电路输出为零，副边芯片无电；原边控制状态是系统上电后的第一个状态，在此状态下原边启动和隔离驱动模块依靠自己的控制逻辑控制原边功率管导通，且原边电路会限定开关周期和占空比(进而限定原边峰值电流)以保证副边软启动，此时副边芯片会逐渐上电，直至副边芯片供电电压达到所需要的正常工作电压，在此过程中原边芯片将持续检测副边控制信号；当原边控制芯片多次收到副边控制信号时开始握手，原副边需要依次完成握手时序，若握手成功则系统将转移到副边控制状态，电路进入正常工作，若未收到副边控制信号则系统保持原边控制状态，继续尝试握手；副边控制状态是系统正常工作时所处的状态，在此状态下副边芯片将持续监测原边芯片的开关动作，当副边芯片发送控制脉冲后原边芯片需要作出相应的开关动作，若副边芯片发出控制脉冲过后原边无动作，则意味着副边失联，系统将进入原边控制状态。
握手时序：原边芯片持续进行开关动作，并检测副边控制信号，副边芯片供电电压持续上升并最终达到正常工作值，副边上电完成；副边上电完成后开始检测电路的开关动作。当副边检测到系统开关动作时，向原边发送一个控制脉冲，此时原边将检测到此控制脉冲；为防止误触发，此脉冲必须相对于前一次开关动作有一定的延迟，且延迟时间必须在允许范围内。原边芯片接收到一次有效的控制信号后，认为开始进行握手，接收到第一次控制信号后，原边芯片将继续按照原有控制方法再进行一次开关控制，此时副边芯片将检测到第二次开关动作。副边检测到系统开关动作后，经过延迟，向原边发送第二个控制脉冲，随后原边检测到此控制脉冲；同样，此脉冲必须相对于前一次开关动作有一定的延迟，且延迟时间必须在允许范围内，原边芯片认为接收到第二次控制信号；随后，原边芯片停止原边控制功率管开关，等待副边控制信号。副边芯片发送第二次控制信号后，停止发送控制信号，副边芯片停止发送控制信号后，等待2个时钟周期，此时若通讯正常，原边应当停止开关动作。副边芯片持续检测电路开关动作，在此2个时钟周期内电路无开关动作，则认为原边芯片已经切换到副边控制状态，副边开始依据反馈电压向原边发送跳脉冲调制的控制信号。原边接收到副边控制模式下的第一个控制信号后，将依照此信号进行第一次开关动作，副边芯片在发送控制信号后将检测电路的开关状态，确认原边芯片按照副边的控制信号进行了开关动作；此后，电路进入副边控制模式，原边依照副边控制信号进行开关动作。
图6为本发明的一个实施例，典型应用在快充系统。本发明基于有源箝位反激变换器的功率拓扑，与普通的有源箝位反激变换器系统相比，将功率管、副边控制芯片和MCU整合在了一起，该芯片采用了恒压和恒流控制模式，也可以只采用恒压控制模式，此时Rio短路，相应的端口和比较器及参考电压均移除；也可以只采用恒流控制模式，此时Rv1和Rv2开路，相应的端口和比较器及参考电压均移除。
本实施例的结构包括整流桥、EMI滤波器、变压器T1、主功率管ML、箝位管MH、箝位电容Cr、同步整流管MSR、输出电压采样串联电阻对RV1和RV2、输出电流采样电阻Rio、输出电容Co和控制集成芯片。其中，变压器T1原边绕组的同名端与箝位电容Cr一端相连，变压器T1原边绕组的异名端与箝位管MH的源极以及主功率管ML的漏极相连，箝位管MH的漏极与箝位电容Cr的另一端相连，主功率管ML的源极接原边地，变压器T1副边绕组的同名端与同步整流管MSR的漏极相连，变压器T1副边绕组的异名端与输出电容Co的一端、外部负载电阻RL的一端以及输出电压采样串联电阻对RV1和RV2的一端相连，输出电容Co的另一端与同步整流管MSR的源极、输出电压采样串联电阻对RV1和RV2的另一端以及输出电流采样电阻Rio的一端相连并接副边地，输出电流采样电阻Rio的另一端与外部负载电阻RL的另一端相连。主功率管ML的栅极由PWML信号控制，箝位管MH的栅极由PWMH信号控制，以及同步整流管MSR的栅极由sr信号控制。
主控芯片主要由副边控制单元、原副边供电单元以及启动和隔离驱动单元组成，其中所述副边控制单元包括同步整流控制模块、副边恒压/恒流控制模块以及有源箝位时序产生模块，其内部各模块特征如下：
同步整流控制模块用于检测变压器T1副边绕组的同名端结点电压FWD，产生同步整流管MSR的控制信号sr。
副边恒压/恒流控制模块用于检测反激变换器副边的输出电压采样信号Vvo_s或者输出电流采样信号Vio_s，产生主功率管控制信号LIN并发送给有源箝位时序产生模块和控制主功率管ML的启动和隔离驱动模块。
有源箝位时序产生模块用于检测变压器T1副边绕组的同名端结点电压FWD，并根据主功率管控制信号LIN，产生箝位管控制信号HIN并发送给控制箝位管MH的启动和隔离驱动模块，该模块会自动调整模块内部时钟产生模块的延时HIN_dly1和LIN_dly1设置，使其匹配启动和隔离驱动单元产生的两个延时HIN_dly和LIN_dly。
原副边供电单元包括两个原边供电模块PVDD_gen以及一个副边供电模块SVDD_gen。
两个原边供电模块，PVDD_gen1用于检测母线电压Vline，产生对应于控制箝位管的启动和隔离驱动模块的供电信号PVDD1，且其接地端接主功率管的漏端；PVDD_gen2用于检测主功率管的漏端电压VSW，产生对应于控制主功率管的启动和隔离驱动模块的供电信号PVDD2，且其接地端接原边地。
副边供电模块SVDD_gen，用于检测反激变换器副边的输出电压Vo和变压器T1副边绕组的同名端结点电压FWD，产生副边控制单元的供电信号SVDD，且其接地端接副边地。
启动和隔离驱动单元包括两个启动和隔离驱动模块，其一用于检测主功率管控制信号LIN，产生实际控制主功率管ML的开关信号PWML；其二用于检测箝位管控制信号HIN，产生实际控制箝位管MH的开关信号PWMH；这两个模块同时实现系统启动。
本实施例仅讲述恒压控制模式，恒流模式类似。MCU和负载端进行握手通讯，根据负载来决定充电器的输出电压和电流，具体实现为MCU控制副边恒压/恒流控制模块检测的信号为反激变换器副边外部负载电阻RL的电压或电流或两者，根据负载需求选择工作模式为输出恒压控制模式或输出恒流控制模式，即负载工作需要检测电流时若外部负载电阻RL的电流低于阈值就采用恒压控制，否则采用恒流控制，恒流工作模式优先级高于恒压工作模式。如在输出恒压控制模式下可检测负载电流大小进行自适应的多模式变频控制：在负载电流足够大时采用定频的PWM控制模式；在负载电流减小到一定程度时PWM模式下占空比达到下限而转为采用PSM模式，随负载减小减少脉冲个数；在负载电流进一步减小到足够小时PSM模式下脉冲个数减小到下限(优选2-3个)而转为采用PFM模式，随负载减小降低工作频率。
本实施例的工作原理可分为两个阶段描述，分别是启动阶段和启动后系统进入稳态的阶段。启动阶段原理为：按照系统工作流程，系统上电即接入Vac交流电后刚开始时副边输出没有电即副边没有供电，原边上电完成则系统由复位状态变为原边控制状态，此时控制权在原边，原边启动和隔离驱动模块依靠自己的控制逻辑控制原边功率管导通，且原边电路会限定开关周期和占空比(进而限定原边峰值电流)以保证副边软启动，此时副边芯片会逐渐上电，直至副边供电电压SVDD达到所需要的正常工作电压，在此过程中原边芯片将持续检测副边控制信号；当原边控制芯片多次收到副边控制信号时开始握手，原副边需要依次完成握手时序，在握手成功原边收到副边控制信号之后将主动权交给副边，系统由原边控制状态变为副边控制状态。
接着预先调节死区时间远小于正常死区时间使得FWD上升或下降十分陡峭，然后调节有源箝位时序产生模块内时钟产生模块的延时大小使得采样时钟边沿和FWD的上升曲线的陡峭变化点接近重合，此时的延时LIN_dly1能匹配系统启动和隔离驱动模块的延时LIN_dly。以主功率管的启动和隔离驱动模块的延时LIN_dly为例，若clk1采样FWD所得电压值为远低于峰值的较低电压(即比较器输出dead_C2M_adj为低电平)则说明延时LIN_dly1偏小需调大，若采样FWD所得为峰值点，其中峰值点为clk2采样所得的FWD电压值，则说明延时LIN_dly1偏大需调小，直到采样FWD所得为峰值电压和较低电压的中间值或者采样结果开始来回跳动则说明此时时钟产生模块的LIN_dly1已能匹配LIN_dly；延时自动调整好后，系统启动阶段结束。
启动之后有源箝位反激变换器电路在输出恒压工作模式的PWM控制模式下进入稳态的工作原理如下，其他控制方式类似：当一个周期开始的时候，开启主功率管ML并按照PWML信号(由副边传统的副边恒压/恒流控制模块产生的LIN经由原边启动和隔离驱动模块输出PWML信号)维持一段导通时间且该导通时间由本次工作周期产生的携带占空比信息的PWML信号决定，电源给电感进行励磁，此时励磁电流Im和漏感电流Ir大小相等，方向相同。PWML转变为低电平后，主功率管ML关断，并在本次工作周期的死区时间Tdt,m2c内，由漏感电流和励磁电感电流给主功率管ML漏极结电容充电使得主功率管ML漏极结点电压VSW迅速上升至Vin+NVout附近，同时FWD电压迅速下降至零附近。系统通过在死区时间Tdt,m2c结束时检测FWD结点电压，和上一周期采样获得的参考电压Vref2_l进行比较，判定本次工作死区时间Tdt,m2c是否适宜，若此时FWD结点电压较Vref2_l小则应在本次工作周期的死区时间Tdt,m2c基础上减小，获得下一工作周期的Tdt,m2c，反之则增大，由此不断调整死区时间Tdt,m2c实现箝位管的零电压开通(ZVSon)。在本次工作死区时间Tdt,m2c结束时，PWMH变为高电平，开启箝位管MH。此时原边的漏感电流Ir会有一个急剧下降的过程，之后原边开始谐振，副边开始同步整流，由于输出电容Co很大，输出电压基本不变；励磁变压器两端的电压被固定在了NVout，因此只有漏感跟箝位电容产生谐振。此时励磁电感电流和漏感电流产生差值Ik＝Im-Ir，此电流通过变压器传输到副边，给副边电路供电。经过本工作周期的TDM之后，将箝位管关闭，在这段时间TDM当中，箝位管打开经过一段时间tr(tr<TDM)后，励磁电流和漏感电流相等并一起变化，此时不再给副边传递能量，副边的同步整流管进行零电流关断(ZCSoff)。在本工作周期的TDM内励磁电流下降到负，如此在TDM结束即箝位管关闭后的死区时间Tdt,c2m内，反向的漏感电流和励磁电流会抽取SW点所有电容的电荷，主功率管ML漏极结点电压VSW下降，直到主功率管源漏两端电压下降到0为止，将主功率管再次打开。此时FWD电压迅速上升至Vline/N+Vout附近，系统通过在Tdt,c2m结束即主功率管开启时检测FWD结点电压，和上一周期采样获得的参考电压Vref2_h进行比较，判定本次工作死区时间Tdt,c2m是否适宜，若FWD结点电压较Vref2_h小则本次死区时间Tdt,c2m偏小，应在本次TDM基础上减小(周期T一定)，获得下一工作周期的TDM，反之则增大，由此不断调整TDM实现死区时间Tdt,c2m的调整，实现主功率管的零电压开通(ZVSon)，如此往复。箝位管控制信号产生模块根据输入的LIN和TDM和Tdt,m2c信号产生箝位管控制信号HIN。HIN和副边恒压/恒流控制模块产生的LIN经由原边启动和隔离驱动模块输出PWMH和PWML信号。
本实施例原边供电原理为：为了提高集成度，原边采用片内供电电路从原边高压引脚(Vline和VSW结点)取电，片内供电电路即两个原边供电模块。PVDD_gen1用于检测母线电压Vline，输出PVDD1给控制箝位管的启动和隔离驱动模块供电，且其接地端接主功率管的漏端；PVDD_gen2用于检测主功率管的漏端电压VSW，输出PVDD2给控制主功率管的启动和隔离驱动模块供电，且其接地端接原边地。原边刚开始上电的时候，系统内部模块的供电电压均为0，以PVDD_gen2为例，SW点此时给PVDD_gen2的输出片外电容(未画出)供电，原边系统供电电压PVDD2不断上升，直到上升到目标值的时候，断开与SW点连接，片外电容给芯片供电；当PVDD2电压下降到一定值的时候，开启与SW点连接，此时PVDD2回升，上升到设定值之后再次断开，如此往复。
本实施例副边供电原理为：副边供电模块SVDD_gen检测反激变换器副边的输出电压Vo和变压器T1副边绕组的同名端结点电压FWD，产生副边控制单元的供电电压SVDD，且其接地端接副边地。系统上电时副边芯片尚未工作，原边芯片先启动成功开始正常工作后，由于存在大负载电容的原因，副边输出电压上升比较缓慢。为使副边供电电路尽快得以启动，副边供电电路采用双路供电方式，使副边供电电路能够从节点FWD或输出电压Vout直接采电。在副边启动初期，输出电压尚小，但FWD电压在此时的高电平很高，可以同原边高压供电的方式，将此高压节点给片外电容充电，副边系统供电电压SVDD不断上升使基准偏置电路先进入正常工作状态，用与SVDD比较的基准电压确立，比较结果决定是否继续给片外电容充电，从而精确控制原边芯片供电电压。当SVDD到达目标值时发出电源使能信号，副边芯片开始正常工作，但此种供电方式因为采样电压是开关信号，不仅引入开关损耗，供电电压较高静态损耗也较大，会影响轻载效率，另外供电还受到占空比的限制，因此在输出电压高于SVDD目标值时用输出电压代替FWD点电压给副边供电电路供电。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种AC-DC电源转换装置，包括有源箝位反激变换器的功率级、副边控制单元以及启动隔离驱动单元，所述有源箝位反激变换器的功率级包括整流滤波电路、变压器T1、主功率管ML、箝位管MH、箝位电容Cr、同步整流管MSR、输出电容Co、输出电压采样电阻RV1和RV2以及输出电流采样电阻Rio；其中，变压器T1原边绕组的同名端与箝位电容Cr一端以及整流滤波电路的输出端相连，变压器T1原边绕组的异名端与箝位管MH的源极以及主功率管ML的漏极相连，箝位管MH的漏极与箝位电容Cr的另一端相连，主功率管ML的源极接原边地，变压器T1副边绕组的同名端与同步整流管MSR的漏极相连，变压器T1副边绕组的异名端与输出电容Co的一端、输出电压采样电阻RV1的一端以及外部负载电阻RL的一端相连，输出电压采样电阻RV1的另一端与输出电压采样电阻RV2的一端相连，输出电容Co的另一端与同步整流管MSR的源极、输出电压采样电阻RV2的另一端以及输出电流采样电阻Rio的一端相连并接副边地，电流采样电阻Rio的另一端与外部负载电阻RL的另一端相连，主功率管ML和箝位管MH的栅极接受来自启动隔离驱动单元提供的开关信号；
其特征在于，所述副边控制单元包括：
同步整流控制模块，用于检测变压器T1副边绕组同名端的节点电压，根据该节点电压大小生成同步整流管MSR栅极的开关信号以控制其通断；
副边恒压恒流控制模块，用于检测负载电压和电流信号并根据这些信号采用输出恒压控制模式或输出恒流控制模式对变换器进行控制以输出主功率管ML的控制信号LIN，仅当负载电流低于阈值时采用输出恒压控制模式；
有源箝位时序产生模块，用于检测变压器T1副边绕组同名端的节点电压，进而根据该节点电压以及控制信号LIN生成箝位管MH的控制信号HIN，同时自动调整模块内部的时钟延时设置，使其匹配启动隔离驱动单元所产生的延时；
所述启动隔离驱动单元包括：
第一启动隔离驱动模块，用于对开关信号LIN隔离驱动后生成开关信号PWML以控制主功率管ML的通断；
第二启动隔离驱动模块，用于对开关信号HIN隔离驱动后生成开关信号PWMH以控制箝位管MH的通断。
2.根据权利要求1所述的AC-DC电源转换装置，其特征在于：所述副边恒压恒流控制模块在负载电流高于电流阈值Ilimit1时采用定频的PWM模式对变换器进行控制，当负载电流减小到电流阈值Ilimit1且PWM模式下的占空比达到下限时则转为采用PSM模式对变换器进行控制并随负载电流进一步减小而减少脉冲个数，当负载电流低于电流阈值Ilimit2且PSM模式下的脉冲个数减小到下限时则转为采用PFM模式对变换器进行控制并随负载电流进一步减小而降低工作频率，Ilimit1＞Ilimit2。
3.根据权利要求1所述的AC-DC电源转换装置，其特征在于：所述有源箝位时序产生模块包括时钟产生模块、采样保持电路、两个比较器B1～B2、箝位管关断控制模块、箝位管开通控制模块以及箝位管控制信号产生模块，其中：
所述时钟产生模块根据控制信号LIN和HIN生成四组时钟信号clk1～clk4，其中：clk1为控制信号LIN的上升沿延迟t1后所产生的短脉冲，clk2为clk1延迟一定时长所产生的短脉冲，clk3为控制信号HIN的上升沿延迟t2后所产生的短脉冲，clk4为clk3延迟一定时长所产生的短脉冲；t1和t2为延迟量，当比较器B1的输出信号为0时，下一周期的t1为当前周期的t1加上一个单位时长；当比较器B1的输出信号为1时，下一周期的t1为当前周期的t1减去一个单位时长；当比较器B2的输出信号为0时，下一周期的t2为当前周期的t2减去一个单位时长；当比较器B2的输出信号为1时，下一周期的t2为当前周期的t2加上一个单位时长；
所述采样保持电路包括四个电阻R1～R4、两个开关K1～K2和两个电容C1～C2，其中：电阻R1的一端接变压器T1副边绕组同名端的节点电压，电阻R1的另一端与电阻R2的一端以及开关K1的一端相连，开关K1的另一端与电容C1的一端以及比较器B1的反相输入端相连，电阻R2的另一端与电阻R3的一端、比较器B1的同相输入端以及比较器B2的同相输入端相连，电阻R3的另一端与电阻R4的一端以及开关K2的一端相连，开关K2的另一端与电容C2的一端以及比较器B2的反相输入端相连，电阻R4的另一端与电容C1的另一端以及电容C2的另一端相连并接副边地，开关K1的控制端接时钟信号clk2，开关K2的控制端接时钟信号clk4，比较器B1的时钟端接时钟信号clk1，比较器B2的时钟端接时钟信号clk3，电阻R1～R4的阻值比为77:1:1:1；
所述箝位管关断控制模块的输入端接比较器B1的输出信号，时钟端接clk3，当clk3的上升沿到来时输出TDM，TDM为死区时间Tdt,m2c加上箝位管MH的导通时长，当比较器B1的输出信号为0时，使当前周期输出的TDM减去一个单位时长作为下一周期输出的TDM；当比较器B1的输出信号为1时，使当前周期输出的TDM加上一个单位时长作为下一周期输出的TDM；
所述箝位管开通控制模块的输入端接比较器B2的输出信号，时钟端接clk1，当clk1的上升沿到来时输出Tdt,m2c，当比较器B2的输出信号为0时，使当前周期输出的Tdt,m2c减去一个单位时长作为下一周期输出的Tdt,m2c；当比较器B2的输出信号为1时，使当前周期输出的Tdt,m2c加上一个单位时长作为下一周期输出的Tdt,m2c；
所述箝位管控制信号产生模块对控制信号LIN分别延迟TDM和Tdt,m2c后得到控制信号LIN1和LIN2，当检测到LIN1的下降沿即产生一个脉冲输入至RS触发器的R端，检测到LIN2的下降沿即产生一个脉冲输入至RS触发器的S端，则RS触发器的Q端输出即为控制信号HIN。
4.根据权利要求1所述的AC-DC电源转换装置，其特征在于：所述AC-DC电源转换装置还包括原副边供电单元，其由两个原边供电模块和一个副边供电模块组成，其中一个原边供电模块用于采集整流滤波电路的输出电压并生成第二启动隔离驱动模块的工作电压为其供电，另一个原边供电模块用于采集主功率管ML的漏端电压并生成第一启动隔离驱动模块的工作电压为其供电，所述副边供电模块用于采集负载电压和变压器T1副边绕组同名端的节点电压并生成副边控制单元的工作电压为其供电。
5.根据权利要求4所述的AC-DC电源转换装置，其特征在于：所述主功率管ML、箝位管MH、副边控制单元、启动隔离驱动单元以及原副边供电单元全部集成在同一块芯片上。
6.根据权利要求1所述的AC-DC电源转换装置，其特征在于：所述AC-DC电源转换装置还包括输出接口以及MCU，所述输出接口除了对外供电以外，还能实现与外部MCU的通讯，所述MCU通过控制快充协议对内部进行控制。
7.根据权利要求1所述的AC-DC电源转换装置，其特征在于：所述启动隔离驱动单元中的两个启动隔离驱动模块均包含启动和隔离驱动两部分功能，其中隔离驱动功能则采用电容隔离、电感隔离或微型变压器隔离方案实现，启动功能则是在上电后通过若干次原副边的握手，并在电路供电和握手成功之后实现电路的启动，即将主动权交给副边由副边产生的控制信号控制原边开关管的通断，同时考虑副边失联后的处理即原边取回控制权，接着重复原来的握手及移交控制权的过程。
8.根据权利要求1所述的AC-DC电源转换装置，其特征在于：该装置采用了有源箝位结构，相比传统的RCD结构能够减少开关损耗，提高工作频率，并减小整块芯片的体积；同时采用副边采样实现了原边两个开关管的ZVS，避免了原边的高压采样，减小了器件的电压应力，增加了可靠性；此外本发明将传统反激变换器的原边功率管、原副边供电单元、启动和隔离驱动单元和副边控制芯片全部集成在一起。
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