CN111884494B - 一种带补偿功能的准谐振谷底导通电路 - Google Patents

一种带补偿功能的准谐振谷底导通电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种带补偿功能的准谐振谷底导通电路，应用于原边反馈开关电源，包括：采样保持电路、退磁和谷底监测电路、误差比较器、电流转换电路、补偿时间产生电路、关机时间待机电路、关断时间产生电路和PWM逻辑电路；在误差比较器的基础上反馈电压和基准电压比较，得到和输出电压有关的带补偿性质的时间信号。将带补偿功能的时间信号集成到关断时间产生电路，可以平息输出电压波动造成的关断时间扰动，让系统在保持准谐振谷底输出的同时并避免在不同谷底导通引起频率抖动造成的异音。

Description

一种带补偿功能的准谐振谷底导通电路
技术领域
本发明涉及开关电源领域，涉及原边反馈开关电源，特别是一种带补偿功能的准谐振谷底导通电路。
背景技术
随着新能效标准的普遍使用，市场领域对开关电源的效率要求越来越高。采用准谐振谷底导通的应用场景越来越普及，使用准谐振谷底导通可以有效提高开关电源的效率，降低开关电源温升，提供开关电源功率密度。
总所周知，开关电源的损耗主要来自于功率MOSFET的导通和关断过程中。对应反激开关电源，功率MOSFET时在初级绕组电流最大时关断的，这就是MOSFET的关断损耗。当功率MOSFET关断以后，存储在互感上的能量对次级转移，次级二极管导通，次级绕组电流通过二极管给输出的负载和输出的电容充电。当互感上的能量传递结束后，次级二极管截止，仍然有一部分能量会在耦合电感和功率MOSFET的寄生电容之间以交流桥式整流之后的电压为基准，产生衰减的阻尼振荡，一直到等到功率MOSFET下次开启。通常的，当MOSFET再次开启时，MOSFET的漏极电压可能在较低的水平，也可能漏极电压在高的的水平，这就是功率MOSFET的导通损耗。
传统的开关电源在功率MOSFET的导通和关断过程中，存在重叠区间，因而会产生损耗。随着功率频率的升高，这种损耗的增加，一方面限制最高工作频率；另一方面，由于在转换过程中电压和电流短时间急剧变化，也会产生很大的开关噪声，形成大的电磁干扰。为了解决上面的缺点，逐渐采用准谐振模式。通过谐振技术，让功率MOSFET在最小电压，也就是谷底电压时导通，同时又能保持方波开关电源的高能量传输模式，这样来减少开关损耗，提供开关电源的效率。
而准谐振谷底导通模式，让功率MOSFET每次在谷底电压才导通，也就是让漏极电压维持在较低的水平，来降低导通损耗。这样会产生另外一个固有隐患。在这种情况下，负载的大小，初级绕组电感量的值，变压器匝比，和输入的交流电压综合决定了在开关电源到底是第几个谷底导通。外界环境的偶然干扰，会导致稳定的负载条件下，开关电源可能在不同的谷底切换，这样必然导致工作频率变化，整个电源系统出现异音。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种带补偿功能的准谐振谷底导通电路，应用于原边反馈开关电源，能够避免开关电源在不同谷底导通产生的异音问题。
本发明采用的技术方案如下：一种带补偿功能的准谐振谷底导通电路，应用于原边反馈开关电源中，包括：采样保持电路、退磁和谷底监测电路、误差比较器、电流转换电路、补偿时间产生电路、关机时间待机电路、关断时间产生电路和PWM逻辑电路；所述采样保持电路、误差比较器、电流转换电路、补偿时间电路、关断时间待机电路、关断时间产生电路、PWM逻辑电路依次连接，由PWM逻辑电路输出PWM信号控制原边反馈开关电源中的功率MOSFET导通和关断；所述退磁时间和谷底监测电路输出端连接关断时间待机电路输入端提供退磁时间信号TD及连接PWM逻辑输入端提供谷底监测高电平脉冲信号QR，由关机时间待机电路为关断时间电路提供带补偿功能的时间信号；所述误差比较器输出端还连接至关断时间产生电路输入端提供EA信号；所述采样保持电路输入端为辅助绕组上通过电阻比例分压得出的FB电压；所述退磁和谷底监测电路输入端为辅助绕组上通过电阻比例分压得出的FB电压。在所述误差比较器的基础上，将辅助绕组上的反馈电压和基准电压比较，得到一个和输出电压有关的带补偿性质的时间信号。将此带补偿功能的时间信号集成到关断时间产生电路，可以平息输出电压波动造成的关断时间扰动。让系统在保持准谐振谷底输出的同时并避免在不同谷底导通引起频率抖动造成的异音。
进一步的，所述退磁和谷底监测电路将FB电压与设置的固定电压V1(根据需求设置)比较，得到FB退磁结束的退磁时间信号TD，退磁时间信号TD在退磁阶段内保持为逻辑高电平，退磁结束后退磁时间信号TD保持为逻辑低电平；退磁结束后，FB电压阻尼振荡阶段，FB电压跌到谷底电压时，通过与固定电压V1比较得到谷底监测高电平脉冲信号QR。
进一步的，所述误差比较器输入端分别接采样保持电路输出端、内部固定基准电压VREF，经误差比较器进行放大输出电压信号EA；FB电压越低，电压信号EA越大。
进一步的，所述电流转换电路，用于将电压信号转换为电流信号，即将误差比较器输出的电压信号EA转换为电流信号IEA；电压信号EA越大，电流信号IEA越小。
进一步的，所述时间补偿产生电路，输入电流信号IEA，经时间补偿产生电路输出补偿时间信号TCOMP；输入电流信号越小，输出的时间信号TCOMP越大。
进一步的，所述关断时间待机电路的各输入端接收退磁和谷底检测电路输出的退磁时间信号TD和补偿时间产生电路的输出补偿时间信号TCOMP，退磁时间信号TD和补偿时间信号TCOMP相叠加输出带补偿时间功能的时间信号TCHECK；电压信号EA越大，时间信号TCHECK越大。
进一步的，关断时间产生电路的各输入端分别接入带补偿功能的时间信号TCHECK、误差比较器的输出电压EA、固定的基准电流IREF、固定的偏置电压V2以及固定的偏置电压V3；经关断时间产生电路，输出逻辑信号TOFF；所述偏置电压V2高于偏置电压V3；在退磁时间TD内，关断时间产生电路内部的VRAMP电压保持为电压V2，在退磁时间TD结束后，在内部基准电流IREF的作用下，VRAMP电压下降到电压V3并保持；关断时间产生电路对VEA电压和VRAMP电压进行比较，当VRAMP电压下降到比VEA电压低的时候，输出逻辑信号TOFF为高电平信号，V2、V3均可根据需求设定。
进一步的，所述PWM逻辑电路的输入端分别接入逻辑信号TOFF、谷底监测高电平脉冲信号QR，输出PWM信号，通过PWM信号控制功率MOSFET导通和关断，当TOFF信号为高电平且QR为高电平时，PWM逻辑电路输出PWM信号为高电平，控制功率MOS管导通。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：既能有效利用准谐振谷底导通模式来提高效率，又避免开关电源在不同谷底导通产生的异音问题
附图说明
图1为反激原边反馈AC/DC电路拓扑结构图；
图2为本发明带补偿功能的准谐振谷底导通电路的结构图；
图3为传统的准谐振谷底导通开关信号示意图；
图4为带补偿功能的准谐振谷底导通信号示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的发明目的在于提供一种带补偿功能的准谐振谷底导通技术，该电路结构具体应用于原边反馈开关电源的控制中。具体如下:一种带补偿功能的准谐振谷底导通电路，应用于原边反馈开关电源中，包括：采样保持电路、退磁和谷底监测电路、误差比较器、电流转换电路、补偿时间产生电路、关机时间待机电路、关断时间产生电路和PWM逻辑电路；所述采样保持电路、误差比较器、电流转换电路、补偿时间电路、关断时间待机电路、关断时间产生电路、PWM逻辑电路依次连接，由PWM逻辑电路输出PWM信号控制原边反馈开关电源中的功率MOSFET导通和关断；所述退磁时间和谷底监测电路输出端连接关断时间待机电路输入端提供退磁时间信号TD及连接PWM逻辑输入端提供谷底监测高电平脉冲信号QR，由关机时间待机电路为关断时间电路提供带补偿功能的时间信号；所述误差比较器输出端还连接至关断时间产生电路输入端提供EA信号；所述采样保持电路输入端为辅助绕组上通过电阻比例分压得出的FB电压；所述退磁和谷底监测电路输入端为辅助绕组上通过电阻比例分压得出的FB电压。
所述采样保持电路将辅助绕组上通过电阻比例分压得出的FB电压，采样并保持为稳定的输出电压FB_DET；
传统的原边反馈AC/DC开关电源拓扑结构如附图1所示。辅助绕组一方面给VDD供电，让VDD给整个控制IC供电。另一方面，辅助绕组通过电阻RFB1(负载绕组上分压电阻)和RFB2(负载绕组下分压电阻)分压。FB端接分压电阻上。当负载变化时，输出电压VOUT电压会变化，VOUT电压变化，次级绕组同名端电压变化，通过匝比，把输出电压的变化会体现在辅助绕组上。VOUT电压变化，辅助绕组电压变化，FB电压变化。然后得到的采样保持电压FB_DET电压变化，通过误差比较器，会放大输出电压的变化量。系统通过EA电压大小来控制关断时间长短。当负载增加，输出电压必然降低，FB电压降低，采样保持电压FB_DET电压降低，EA电压会升高。在关断时间产生电路中，EA电压和斜坡电压VRAMP电压比较。EA电压升高，那么关断时间信号TOFF会减少，当TOFF信号和QR信号都为高时，PWM信号为逻辑高电平，让功率MOSFET导通。这样负载增加时，关断时间信号TOFF减少，PWM信号的频率增加，给系统提供更多能量，让输出负载稳定。反之，负载降低，PWM信号的频率降低，减少给系统提供的能量，让输出负载稳定。
如上所述，负载大小变化，输出电压变化，EA电压强烈变化，直接影响PWM的开关频率。
如附图2、3所示，常规的关断时间产生电路中，TD是不带补偿功能的，当系统负载出现轻微扰动时，输出电压可能变化幅度并不明显，但是误差放大器会放大输出电压的变化，误差放大器的输出EA电压变化明显，比如EA电压抖动，EA_A增加或者减少为EA_B和EA_C。因为斜坡电压VRAMP不会动作。那么必然的关断时刻TOFF必然变成TOFF_B或者TOFF_C。由于准谐振谷底导通都强制在谷底电压导通，就是必须在QR信号为高时导通。关断时刻从TOFF_A变成TOFF_B或者TOFF_C时，必然的会在不同谷底个数之间来回切换。必然的PWM信号的频率在相邻周期之间变化大，造成系统环路严重不稳，且产生异音问题。
经过优化的电路中，在误差放大器之后，增加了电流转换电路，补偿时间产生电路，和关断时间待机电路。
当负载轻微扰动，EA电压大幅变化，通过电流转换电路，将EA电压转换成电流IEA。电流IEA和EA电压正相关。通过补偿时间产生电路，把IEA电流信号转换成小的时间信号。这样EA电压增加时，补偿时间TCOMP增加。反之则减少。
如图4所示，将补偿时间输出信号TCOMP信号输入到关断时间待机电路。产生带补偿功能的时间信号TCHECK。当EA电压增加时，TCHECK增加。反之则减少。
当负载轻微扰动，EA电压变化，EA电压加或者减少为EA_B和EA_C时。补偿之后的TCHECK时间信号会随着EA电压进行补偿。EA电压增加成EA_B时，TCHECK时间信号增加TCHECK_B。当EA电压降低成EA_C时，TCHECK时间信号降低为TCHECK_C。随之而产生的VRAMP斜坡电压变成VRAMP_B和VRAMP_C。这样会让EA_B与VRAMP_B的交点还是保持在TOFF_A时刻；EA_C与VRAMP_C的交点时间还是在TOFF_A时刻；关断时间TOFF时间不会变化，PWM时间不会变化，功率管的频率保持稳定。从而避免在不同谷底切换时，PWM信号频率在相邻周期之间变化大，系统环路不稳，且异音严重的这一系列问题。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (3)

1.一种带补偿功能的准谐振谷底导通电路，其特征在于，应用于原边反馈开关电源，包括：采样保持电路、退磁时间和谷底监测电路、误差比较器、电流转换电路、补偿时间产生电路、关机时间待机电路、关断时间产生电路和PWM逻辑电路；所述采样保持电路、误差比较器、电流转换电路、补偿时间产生电路、关断时间待机电路、关断时间产生电路、PWM逻辑电路依次连接，由PWM逻辑电路输出PWM信号控制原边反馈开关电源中的功率MOSFET导通和关断；所述退磁时间和谷底监测电路输出端连接关断时间待机电路输入端提供退磁时间信号TD及连接PWM逻辑电路输入端提供谷底监测高电平脉冲信号QR，由关机时间待机电路为关断时间产生电路提供带补偿功能的时间信号；所述误差比较器输出端还连接至关断时间产生电路输入端提供VEA信号；所述采样保持电路输入端为辅助绕组上通过电阻比例分压得出的FB电压；所述退磁时间和谷底监测电路输入端为辅助绕组上通过电阻比例分压得出的FB电压；
所述电流转换电路，用于将电压信号转换为电流信号，即将误差比较器输出的电压信号VEA转换为电流信号IEA；电压信号VEA越大，电流信号IEA越小；
所述补偿时间产生电路，输入电流信号IEA，经补偿时间产生电路输出补偿时间信号TCOMP；输入电流信号越小，输出的时间信号TCOMP越大；
所述关断时间待机电路的各输入端接收退磁时间和谷底监测电路输出的退磁时间信号TD和补偿时间产生电路输出的补偿时间信号TCOMP，退磁时间信号TD和补偿时间信号TCOMP相叠加输出带补偿功能的时间信号TCHECK；电压信号VEA越大，时间信号TCHECK越大；
所述关断时间产生电路的各输入端分别接入带补偿功能的时间信号TCHECK、误差比较器的输出电压信号VEA、固定的基准电流IREF、固定的偏置电压V2以及固定的偏置电压V3；经关断时间产生电路，输出逻辑信号TOFF；所述偏置电压V2高于偏置电压V3；在带补偿功能的时间信号TCHECK内，关断时间产生电路内部的VRAMP电压保持为电压V2，在带补偿功能的时间信号TCHECK结束后，在内部基准电流IREF的作用下，VRAMP电压线性下降到电压V3并保持；关断时间产生电路对VEA电压和VRAMP电压进行比较，当VRAMP电压下降到比VEA电压低的时候，输出逻辑信号TOFF为高电平信号。
2.根据权利要求1所述的带补偿功能的准谐振谷底导通电路，其特征在于，所述误差比较器输入端分别接采样保持电路输出端、内部固定基准电压VREF，经误差比较器进行放大得到输出电压信号VEA；FB电压越低，电压信号VEA越大。
3.根据权利要求1所述的带补偿功能的准谐振谷底导通电路，其特征在于，所述PWM逻辑电路的输入端分别接入逻辑信号TOFF、谷底监测高电平脉冲信号QR，输出PWM信号，通过PWM信号控制功率MOSFET导通和关断，当TOFF信号为高电平且QR为高电平时，PWM逻辑电路输出PWM信号为高电平，控制功率MOS管导通。
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