CN112468006A - 反激式开关电源谐振emi优化电路及方法 - Google Patents

反激式开关电源谐振emi优化电路及方法 Download PDF

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CN112468006A CN202011192623.5A CN202011192623A CN112468006A CN 112468006 A CN112468006 A CN 112468006A CN 202011192623 A CN202011192623 A CN 202011192623A CN 112468006 A CN112468006 A CN 112468006A
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Abstract

本申请涉及一种反激式开关电源谐振EMI优化电路及方法，集成于反激式开关电源电路的电源芯片中，包括：信号反相模块，用以产生与第一功率管的开关信号SW反相的反相信号SWB；采样计时模块，用以采样副边线圈的输出反馈电压信号VS，以判断副边线圈是否关断，并采集副边线圈的关断时长；过零检测模块，用以检测输出反馈电压信号VS是否过零；逻辑与门，接收信号反相模块、采样计时模块及过零检测模块的信号并输出与判断信号；触发模块，接收与判断信号，且与第二功率管连接以驱动第二功率管开启或关断；当逻辑与门输出高电平信号时，触发模块在高电平信号的作用下驱动第二功率管开启，以释放谐振能量。其能够降低谐振干扰，减小电源损耗以提高效率。

Description

反激式开关电源谐振EMI优化电路及方法
技术领域
本发明涉及一种反激式开关电源谐振EMI优化电路及方法，属于反激式开关电源技术领域。
背景技术
随着科技的发展，电力电子技术也在不断的发展与创新，基于电力电子技术的开关电源已广泛应用于各种电子设备和电气设备中，如通讯设备、军工设备、工业设备、家用电器和数码产品等。然而，作为与电网连接最近紧密的部分，其EMC(电磁兼容)特性又变得十分重要。开关电源一方面需要能对外部电磁干扰具有良好的适应能力，一方面又要能够减少对电网、周围电子设备的干扰。
电子产品工作时对周边电子设备产生干扰的现象为EMI(电磁干扰)，电磁干扰具有许多危害，首先会影响电子设备的性能；电磁干扰一旦进入电网，又会引起严重的谐波污染，对电网上的其他电子设备产生干扰；严重的电磁干扰会造成电子设备的高压击穿或烧毁。
反激式开关电源系统中存在大量寄生电容，当电源工作在DCM模式(非连续模式)下时，由寄生电容和线圈构成的LC振荡电路就会在死区时间内出现谐振。由于谐振频率
Figure RE-GDA0002891395980000011
因此很容易产生百kHz频率的谐振，而百kHz频率的谐振很容易给电源带来传导干扰，使开关电源的EMC特性变差，损耗大，效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反激式开关电源谐振EMI优化电路及方法，其能够降低谐振干扰，减小电源损耗以提高效率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种反激式开关电源谐振EMI 优化电路，集成于反激式开关电源电路的电源芯片中，所述反激式开关电源电路包括辅助线圈、与所述辅助线圈连接的第一功率管及第二功率管，所述反激式开关电源谐振EMI优化电路包括：
信号反相模块，用以产生与所述第一功率管的开关信号SW反相的反相信号 SWB；
采样计时模块，用以采样所述反激式开关电源的辅助线圈所感应的副边线圈的输出反馈电压信号VS，以判断所述副边线圈是否关断，并采集所述副边线圈的关断时长；
过零检测模块，用以检测所述输出反馈电压信号VS是否过零；
逻辑与门，接收所述信号反相模块、采样计时模块及过零检测模块的信号并输出与判断信号；
触发模块，接收所述与判断信号，且与所述第二功率管连接以驱动所述第二功率管开启或关断；
当逻辑与门输出高电平信号时，所述触发模块在所述高电平信号的作用下驱动所述第二功率管开启，以释放谐振能量。
进一步地，所述反相模块包括反相器，所述反相器将所述第一功率管的开关信号SW反相后输出反向信号SWB。
进一步地，所述采样计时模块包括采样电路及计时电路，所述采样电路在检测到所述副边线圈是开启或关断时输出检测信号Ssec，所述计时电路开始计时，且计时时长达到所述计时电路内预置时长时，所述计时电路输出信号为高电平。
进一步地，所述反相信号SWB还可使得所述计时电路复位。
进一步地，所述过零检测模块包括过零检测电路，所述过零检测电路检测到所述输出反馈电压信号VS过零时，输出电压过零检测信号ZERO。
进一步地，所述触发模块包括RS触发器及与所述RS触发器、第二功率管连接的驱动电路，所述RS触发器的S端与所述逻辑与门的输出端连接，所述RS 触发器的R端与所述第一功率管的开关信号SW连接，所述RS触发器的Q端与所述驱动电路连接。
进一步地，所述反激式开关电源电路还包括防倒流二极管，所述防倒流二极管的第一端与所述辅助线圈的一端连接，所述防倒流二极管的第二端与所述第二功率管的漏极连接。
进一步地，所述防倒流二极管及第二功率管可集成设置在所述电源芯片内，或所述防倒流二极管及第二功率管外接设置。
本发明还提供了一种反激式开关电源谐振EMI优化方法，用于反激式开关电源电路中，所述反激式开关电源电路包括辅助线圈、与所述辅助线圈连接的第一功率管及第二功率管，采用如上所述的反激式开关电源谐振EMI优化电路，所述方法包括如下步骤：
获取所述第一功率管的开关信号SW、及所述反激式开关电源的辅助线圈所感应的副边线圈的输出反馈电压信号VS；
信号反相模块将所述开关信号SW反相，以获得反相信号SWB；
采样计时模块对所述反激式开关电源的副边线圈进行采样，若所述副边线圈关断，则输出低电平的导通检测信号Ssec，同时所述采样计时模块开始计时，当计时时长达到预置时长时，则采样计时模块输出信号为高电平；
过零检测模块检测所述输出反馈电压信号VS是否过零，若所述反馈电压信号VS过零，则输出高电平过零检测信号ZERO；
当所述采样计时模块输出信号、反相信号SWB及过零检测信号ZERO皆为高电平时，逻辑与门输出高电平继而控制所述第二功率管开启，以释放谐振能量。
本发明的有益效果在于：其通过在第一功率管关断、原边线圈关断且副边线圈未开启时，利用死区时间的计时决定第二功率管的开关，继而对死区时间内的谐振能量进行泄放，从而达到中断谐振的效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为现有技术中的反激式开关电源电路的电路原理图。
图2为现有反激式开关电源电路的谐振波形图。
图3为本发明反激式开关电源谐振EMI优化电路在反激式开关电源中应用原理图。
图4为本发明的反激式开关电源谐振EMI优化电路的模块框图。
图5为本发明的反激式开关电源谐振EMI优化电路的示意图。
图6为本发明的反激式开关电源谐振EMI优化电路的电路波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参见图1，其为现有技术中的反激式开关电源，包括用以将交流变直流的整流电路、与所述整流电路连接的第一电容C1、第二电容C2及原边线圈NP，与所述原边线圈NP互感的副边线圈NS及辅助线圈NA、及与所述辅助线圈NA 连接的电源芯片POWER IC。
所述反激式开关电源还包括与原边线圈NP两端连接的第一电阻R1及与第一电阻R1并联的第三电容C3、接入第三电容C3与原边线圈NP回路的第四二极管D5、与副边线圈NS两端连接的第五电容C5、接入第五电容C5和副边线圈 NS回路的第七二极管D7。其中，反激式开关电源还包括与原边线圈NP的两端连接的第一寄生电容Cpara1及与副边线圈NS的两端连接的第二寄生电容 Cpara2。
所述反激式开关电源还包括与辅助线圈NA连接的第三寄生电容Cpara3、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第六二极管D6、第四电容C4、及功率管Q1，第三寄生电容Cpara3的两端与辅助线圈NA连接，第二电阻R2的第一端与辅助线圈NA的一端、、第三寄生电容Cpara3的第一端连接，第二电阻R2 的第二端与第三电阻R3的第一端连接，第三电阻R3的第二端与辅助线圈NA的另一端、、第三寄生电容Cpara3的第二端连接，第六二极管D6的第一端与第二电阻R2的第一端连接，第六二极管D6的第二端与第四电容C4的第一端、电源芯片的VCC引脚连接，第四电容C4的另一端与第三电阻R3的第二端连接，第四电阻R4的第一端与电源芯片的CS引脚连接，第三电阻R3、第四电容C4及第四电阻R4的第二端并连后接地，电源芯片的GND引脚也接地，功率管Q1的漏极与电源芯片的DRAIN引脚、原边线圈NP连接，功率管Q1的栅极与电源芯片的GATE引脚连接，功率管Q1的源极与电源芯片的CS引脚、第四电阻R4的第一端连接，电源芯片的VS引脚与第二电阻R2的第二端、第三电阻R3的第一端连接。
请参见图2，Vdc为电容C2上的直流电压，Vfb为副边线圈上的电压经变压器互感到原边线圈上的电压，那么：
Figure RE-GDA0002891395980000051
由于第一寄生电容Cpara1、第二寄生电容Cpara2、第三寄生电容Cpara3的存在，其在死区时间内分别与原边线圈NP、副边线圈NS、辅助线圈NA构成的 LC振荡电路就会出现谐振，随着开关频率的减小，死区时间的增加，谐振时间就越长，越容易导致EMC特性变差，效率变低。
请参见图3，为了解决上述技术问题，本发明的反激式开关电源电路还包括集成于电源芯片内的反激式开关电源谐振EMI优化电路，同时，所述反激式开关电源电路还包括第二功率管Q2及用以防止电流倒流的防倒流二极管D8，所述防倒流二极管及第二功率管可集成设置在所述电源芯片内，或所述防倒流二极管及第二功率管外接设置。在本实施例中，防倒流二极管D8与第二功率管 Q2外接设置。所述防倒流二极管D8的第一端与所述辅助线圈NA的一端连接，所述防倒流二极管D8的第二端与所述第二功率管Q2的漏极连接，所述第二功率管Q2的栅极与反激式开关电源谐振EMI优化电路的控制端GATE2连接，所述第二功率管Q2的源极与第三电阻R3的第二端连接并接地。
请结合图4及图5，所述反激式开关电源谐振EMI优化电路包括信号反相模块1、采样计时模块2、过零检测模块3、逻辑与门4及触发模块5，其中，信号反相模块1用以将所述第一功率管Q1的开关信号反向，采样计时模块2用以采样所述反激式开关电源电路的辅助线圈所感应的副边线圈的输出反馈电压信号VS，以判断副边线圈是否关断且采集副边线圈的关断时长，过零检测模块3 用以检测所述输出反馈电压信号VS是否过零，逻辑与门4与所述信号反相模块1、采样计时模块2及过零检测模块3连接，触发模块5与所述第二功率管Q2 连接且用以驱动所述第二功率管Q2开启或关断。当逻辑与门4输出高电平信号时，所述触发模块5在所述高电平信号的作用下驱动所述第二功率管Q2开启，以释放谐振能量。
具体的，所述反相模块1包括反相器，所述反相器将所述第一功率管Q1的开关信号反相后输出反相信号SWB，同时，当原边线圈NP导通时，所述反向信号SWB还可使得所述计时电路复位。
所述采样计时模块2包括与所述反激式开关电源的辅助线圈连接的采样电路、及用以连接所述采样电路和逻辑与门4的计时电路，所述采样电路在检测到所述副边线圈关断时以输出低电平导通检测信号Ssec，同时，所述计时电路开始计时，当计时时长达到预置在所述计时电路内的预置时长时，所述采样计时模块输出信号为高电平。
所述过零检测模块3包括过零检测电路，所述过零检测电路检测到反馈电压检测信号VS过零时，输出电压过零检测信号ZERO。
所述触发模块5包括RS触发器及与所述RS触发器、第二功率管连接的驱动电路，所述RS触发器的S端与所述逻辑与门4的输出端连接，所述RS触发器的R端与所述第一功率管Q1的开关信号SW连接，所述RS触发器的Q端与所述驱动电路连接。
本发明的反激式开关电源谐振EMI优化电路的实施过程为：在DCM模式(非连续模式)下时，当副边线圈NS关断后，原边线圈NP还未导通时，即死区时间内会出现谐振。此时，第一功率管Q1的开关信号SW＝0，则反相信号SWB＝1；采样电路检测到副边线圈NS关断，即Ssec＝0，计时电路开始计时，并设置最大计时时长tdmax，当计时时长达到最大计时时长tdmax时，采样计时模块输出信号为高电平。过零检测电路开始检测输出反馈电压信号VS是否过零，当输出反馈电压检测信号VS过零时，即Vd谐振下半周期，电压过零检测信号ZERO＝1。反相信号SWB、电压过零检测信号ZERO及采样计时模块的输出信号皆为高电平时，经逻辑与门4输出信号SW1＝1，随后经RS触发器输出SW2＝1，随后再由驱动电路输出驱动信号GATE2＝1到第二功率管Q2，将第二功率管Q2开启。Q2开启后，辅助线圈NA通过第八二极管D8及第二功率管Q2进行释放线圈上的能量，使反激式开关电源通过辅助线圈NA来释放谐振能量，从而达到中断谐振的效果。
当原边线圈NP导通，即SW＝1时，反相信号SWB＝0，此时，开关信号SW 使RS触发器复位，即SW2＝0，驱动第二功率管Q2关断；同时，反相信号SWB 作为计时电路的复位信号，当原边线圈导通时，将计时电路复位，待下次进入死区时再重新计时。
请结合图6，其中GATE1为第一功率管Q1的开关控制信号，Vd为开关管 Q1的漏极电压波形，Ssec为副边线圈导通检测信号，VS为辅助线圈所感应的副边线圈的输出反馈电压信号，ZERO为VS电压在死区小于零的检测信号，即谐振能量负半周的信号，GATE2为第二功率管Q2的开关控制信号。当输出负载减小时，电源芯片控制开关频率减小，死区时间随之增大。在进入死区后，由寄生电容和线圈构成的LC振荡电路开始工作，在第一功率管Q1的漏端产生谐波振荡，与此同时，谐振能量释放电路中的计时电路开始计时。在T1与T2周期中，由于死区时间较短，未能产生SW2＝1的信号来控制第二功率管Q2的开启；在T3与T4周期，由于死区时间较长，因此Vd谐振电压处于下半周期且原边线圈NP导通之前产生了SW2＝1的信号，第二功率管Q2开启，谐振能量通过辅助线圈被释放，Vd电压不再谐振，且与Vdc电压相等。当SW＝1，原边线圈导通， SW2＝0，功率管Q2被关断。
本发明还提供了一种谐振能量释放控制方法，所述方法包括如下步骤：
获取所述第一功率管的开关信号SW、及所述反激式开关电源的辅助线圈所感应的副边线圈的输出反馈电压信号VS；
信号反相模块将所述开关信号SW反相，以获得反相信号SWB；
采样计时模块对所述反激式开关电源的副边线圈进行采样，若所述副边线圈关断，则输出低电平的导通检测信号Ssec，同时所述采样计时模块开始计时，当计时时长达到预置时长时，则输出信号为高电平；
过零检测模块检测所述输出反馈电压信号VS是否过零，若所述反馈电压信号VS过零，则输出高电平过零检测信号ZERO；
当所述输出信号、反相信号SWB及过零检测信号ZERO皆为高电平时，即在谐振能量的负半周，逻辑与门输出高电平，所述触发器驱动所述第二功率管开启，辅助线圈通过第八二极管D8及第二功率管Q2进行释放线圈上的能量，使反激式开关电源通过辅助线圈NA来释放谐振能量；
当所述反激式开关电源原边线圈NP导通时，所述第一功率管Q1的开关信号SW为高电平，触发所述触发器复位，以将所述第二功率管Q2关断，同时，所述第一功率管Q1的开关信号SW经反相器输出低电平信号，使计时电路复位，等待下周期的重新计时。
综上所述：其通过在第一功率管Q1关断、原边线圈NP关断且副边线圈NS 未开启时，利用死区时间的计时决定第二功率管Q2的开关，继而对死区时间内的谐振能量进行泄放，从而达到中断谐振的效果。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种反激式开关电源谐振EMI优化电路，集成于反激式开关电源电路的电源芯片中，其特征在于，所述反激式开关电源电路包括辅助线圈、与所述辅助线圈连接的第一功率管及第二功率管，所述反激式开关电源谐振EMI优化电路包括：
信号反相模块，用以产生与所述第一功率管的开关信号SW反相的反相信号SWB；
采样计时模块，用以采样所述反激式开关电源的辅助线圈所感应的副边线圈的输出反馈电压信号VS，以判断所述副边线圈是否关断，并采集所述副边线圈的关断时长；
过零检测模块，用以检测所述输出反馈电压信号VS是否过零；
逻辑与门，接收所述信号反相模块、采样计时模块及过零检测模块的信号并输出与判断信号；
触发模块，接收所述与判断信号，且与所述第二功率管连接以驱动所述第二功率管开启或关断；
当逻辑与门输出高电平信号时，所述触发模块在所述高电平信号的作用下驱动所述第二功率管开启，以释放谐振能量。
2.如权利要求1所述的反激式开关电源谐振EMI优化电路，其特征在于，所述反相模块包括反相器，所述反相器将所述第一功率管的开关信号SW反相后输出反向信号SWB。
3.如权利要求2所述的反激式开关电源谐振EMI优化电路，其特征在于，所述采样计时模块包括采样电路及计时电路，所述采样电路在检测到所述副边线圈是开启或关断时输出检测信号Ssec，所述计时电路开始计时，且计时时长达到所述计时电路内预置时长时，所述计时电路输出信号为高电平。
4.如权利要求3所述的反激式开关电源谐振EMI优化电路，其特征在于，所述反相信号SWB还可使得所述计时电路复位。
5.如权利要求1所述的反激式开关电源谐振EMI优化电路，其特征在于，所述过零检测模块包括过零检测电路，所述过零检测电路检测到所述输出反馈电压信号VS过零时，输出电压过零检测信号ZERO。
6.如权利要求1所述的反激式开关电源谐振EMI优化电路，其特征在于，所述触发模块包括RS触发器及与所述RS触发器、第二功率管连接的驱动电路，所述RS触发器的S端与所述逻辑与门的输出端连接，所述RS触发器的R端与所述第一功率管的开关信号SW连接，所述RS触发器的Q端与所述驱动电路连接。
7.如权利要求1所述的反激式开关电源谐振EMI优化电路，其特征在于，所述反激式开关电源电路还包括防倒流二极管，所述防倒流二极管的第一端与所述辅助线圈的一端连接，所述防倒流二极管的第二端与所述第二功率管的漏极连接。
8.如权利要求7所述的反激式开关电源谐振EMI优化电路，其特征在于，所述防倒流二极管及第二功率管可集成设置在所述电源芯片内，或所述防倒流二极管及第二功率管外接设置。
9.一种反激式开关电源谐振EMI优化方法，用于反激式开关电源电路中，所述反激式开关电源电路包括辅助线圈、与所述辅助线圈连接的第一功率管及第二功率管，其特征在于，采用如权利要求1至8中任一项所述的反激式开关电源谐振EMI优化电路，所述方法包括如下步骤：
获取所述第一功率管的开关信号SW、及所述反激式开关电源的辅助线圈所感应的副边线圈的输出反馈电压信号VS；
信号反相模块将所述开关信号SW反相，以获得反相信号SWB；
采样计时模块对所述反激式开关电源的副边线圈进行采样，若所述副边线圈关断，则输出低电平的导通检测信号Ssec，同时所述采样计时模块开始计时，当计时时长达到预置时长时，则所述采样计时模块输出信号为高电平；
过零检测模块检测所述输出反馈电压信号VS是否过零，若所述反馈电压信号VS过零，则输出高电平过零检测信号ZERO；
当所述采样计时模块输出信号、反相信号SWB及过零检测信号ZERO皆为高电平时，逻辑与门输出高电平继而控制所述第二功率管开启，以释放谐振能量。
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