CN112910227B - 反激式电源系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种反激式电源系统和控制方法，涉及半导体集成电路技术领域，所述电源系统包括：变压器、所述变压器的原边功率管、所述变压器的次边同步整流功率管以及电容；所述变压器的原边一端连接电源，另一端通过所述原边功率管接地；所述变压器的次边一端与所述电容相连后接地，另一端通过所述次边同步整流功率管后接地。

Description

反激式电源系统和控制方法
技术领域
本发明涉及一种反激式电源系统和控制方法，属于半导体集成电路技术领域。
背景技术
应用于中小功率段的反激式电源，转换效率是最重要的技术指标之一，也是市场准入标准之一。提高转换效率，减小电源整机的体积，提高功率密度是中小功率段电源技术发展的着眼点。
新颖的功率器件如氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)不断应用于市场，而随着新颖功率器件的应用，逐步提高隔离型开关电源的开关频率成为一种技术发展的现实。
现有的次边同步整流技术，检测次边同步整流管两端的电压反转时刻作为同步整流管的关断时刻，可能会造成变压器两侧的功率器件处于同时导通的时刻进而导致电源整机失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反激式电源系统和控制方法，用于解决现有技术中存在的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
根据第一方面，本发明实施例提供了一种反激式电源系统，所述电源系统包括：变压器、所述变压器的原边功率管、所述变压器的次边同步整流功率管以及电容；
所述变压器的原边一端连接电源，另一端通过所述原边功率管接地；
所述变压器的次边一端与所述电容相连后接地，另一端通过所述次边同步整流功率管后接地。
可选的，在所述原边功率管导通时，获取电感的工作模式；
若获取到的所述工作模式为电感电流断续工作模式DCM，则获取所述原边功率管的开关周期；
根据所述开关周期控制所述次边同步整流功率管所述原边功率管的在下一个导通信号来临前关断。
可选的，若获取到的所述工作模式为电感电流连续工作模式CCM，则控制所述次边同步整流功率管在预设时刻关断，所述预设时刻与所述原边功率管的下一个导通信号的导通时刻之间的时间差小于预设阈值。
可选的，在所述原边功率管关断时，根据预设策略控制所述次边同步整流功率管导通。
第二方面，提供了一种反激式电源系统的控制方法，所述方法用于第一方面所述的反激式电源系统，所述方法包括：
在所述原边功率管导通时，获取电感的工作模式；
若获取到的所述工作模式为电感电流断续工作模式DCM，则获取所述原边功率管的开关周期；
根据所述开关周期控制所述次边同步整流功率管所述原边功率管的在下一个导通信号来临前关断。
可选的，所述方法还包括：
若获取到的所述工作模式为电感电流连续工作模式CCM，则控制所述次边同步整流功率管在预设时刻关断，所述预设时刻与所述原边功率管的下一个导通信号的导通时刻之间的时间差小于预设阈值。
可选的，所述方法还包括：
在所述原边功率管关断时，根据预设策略控制所述次边同步整流功率管导通。
通过提供一种反激式电源系统，所述电源系统包括：变压器、所述变压器的原边功率管、所述变压器的次边同步整流功率管以及电容；所述变压器的原边一端连接电源，另一端通过所述原边功率管接地；所述变压器的次边一端与所述电容相连后接地，另一端通过所述次边同步整流功率管后接地。解决了现有方案中同步整流控制不准确会导致电源系统整机失效的问题，达到了可以准确进行同步整流进而提高电源系统的系统稳定性的效果。
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为本发明一个实施例提供的反激式电源系统的结构示意图；
图2为本发明一个实施例提供的反激式电源系统的主要波形的波形图；
图3为本发明一个实施例提供的反激式电源系统的结构示意图；
图4为本发明一个实施例提供的次级绕组极间电压波形示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参考图1，其示出了本申请一个实施例提供的反激式电源系统的结构示意图，如图1所示，所述电源系统包括：变压器、所述变压器的原边功率管QP、所述变压器的次边同步整流功率管QSR以及电容；
所述变压器的原边一端连接电源，另一端通过所述原边功率管QP接地；
所述变压器的次边一端与所述电容相连后接地，另一端通过所述次边同步整流功率管QSR后接地。
请参考图2，其示出了上述反激式电源系统的主要波形的波形图。
并且，实际实现时，请参考图3，其示出了本申请实施例提供的反激式电源系统的应用示意图。结合图3，在QP关断即QP的输入为下降沿时，QP漏端为上升沿。次边D端电压VD为下降沿，检测此下降沿并满足VD维持低电位一段时间tDP，即给出QSR的导通信号。QSR的导通信号与电感的工作模式无关，仅与QP的关断时刻有关。也即在QP关断时，可以根据预设策略控制QSR导通，其中，预设策略包括VD的电压维持在目标电压的时长达到预设时长，其中目标电压小于预设电压值。
反激式电源的电感工作模式有电感电流断续工作模式(DCM)和电感电流连续工作模式(CCM)，不同电感工作模式，同步整流实现的方式也不相同。反激式电源的控制方式可以是定频工作模式或者变频工作模式，甚至是两种模式兼而有之，即可以为适应不同工况两种模式相互切换的混合工作模式。
本发明可以适用于上述不同的电感工作模式和控制器工作模式。并且在具体实施方式中，可以方便地设计绿色工作模式，以适应整机处于低负载工况时极低的工作频率，和低待机功耗的设计需求。
电感的工作模式不同，DCM和CCM模式下，预测QSR关断时刻的策略(QSR的控制策略)不同。当电感工作于DCM，次边电流的过零点跟随QP的导通时间变化而变化。当电感工作于CCM，QSR的关断时刻接近于下个开关周期中QP的导通时刻。具体的：
电感工作于DCM时的QSR关断控制策略：
整机工作于DCM时，伏秒法则成立，TON是QP的导通时间，TDIS是电感的退磁时间。
Figure BDA0002984265440000051
如图3所示，本发明所涉及电路有两端通过电阻分压分别采样次级绕组两极的极间电压，此两端分别是VSEC和VR。VSEC通过电压分压采样VD，VR通过电阻分压采样VO。图4示出了次级绕组极间电压波形示意图。
图3所示电路是DCM时的QSR控制策略的具体实施方式。VSEC和VR分别控制一个压控电流源VCCS，对内置计时电容CT充电和放电。CT的电压VCT在QP导通VSEC位高时由初始值线性上升，在QP关断时刻，VCT到达最大值VCT_MAX。当QP关断时，VD为负值。VCT电压由VCT_MAX开始下降，VCT下降到初始值，给出QSR的关断信号。
VCT恢复至初始值时，为变压器退磁结束时刻，结合图3和图4。
电流iU和iD分别受VCCS的控制，两个VCCS的控制系数分别为α1和α2，其表达式如下：
Figure BDA0002984265440000052
Figure BDA0002984265440000053
VD电压在QP波形不同时，其表达式并不相同。所以需要区别对待。当QP为高时，
Figure BDA0002984265440000061
当QP为低时，由于QSR两端导通压降很小，可以忽略不计，VD＝0。QP无论是否为高电平，VO总是不变。
QP导通时：
Figure BDA0002984265440000062
QP关断时：
Figure BDA0002984265440000063
iCT对计时电容CT充放电，iCT又可以写成：
Figure BDA0002984265440000064
Vini为初始值。
QP导通时，上式中的t为QP导通时间TON，联立得下式：
Figure BDA0002984265440000065
QP关断时，上式中的t未知，设为TX，联立得下式：
Figure BDA0002984265440000066
分别可得下面两式：
Figure BDA0002984265440000067
Figure BDA0002984265440000068
所以，
Figure BDA0002984265440000071
Figure BDA0002984265440000072
如果
Figure BDA0002984265440000073
TX＝TDIS。实际的半导体集成电路实现过程中，复杂的电路设计和工艺实现，会造成电阻分压和电流大小并不具有理想的一致性，为了防止错误的QSR关断信号产生，所以，本发明的具体实施方式中，
Figure BDA0002984265440000074
所以，
TX<(TON+TDIS)-TON
TX<TDIS
即实现QSR在下个开关周期QP导通信号来临前关断。
电感工作于CCM时的QSR关断控制策略：
CCM时预测QSR关断点基于一个假设：原边功率管连续的两个开关周期大小是不会发生急剧变化的，即使是在工况切换时，电源闭环调节的速度是慢于工况切换的速度。
设定
Figure BDA0002984265440000075
时，在全工况下令TX满足QSR的关断时刻接近于下个开关周期中QP的导通时刻。
综上所述，通过提供一种反激式电源系统，所述电源系统包括：变压器、所述变压器的原边功率管、所述变压器的次边同步整流功率管以及电容；所述变压器的原边一端连接电源，另一端通过所述原边功率管接地；所述变压器的次边一端与所述电容相连后接地，另一端通过所述次边同步整流功率管后接地。解决了现有方案中同步整流控制不准确会导致电源系统整机失效的问题，达到了可以准确进行同步整流进而提高电源系统的系统稳定性的效果。
基于上述论述，本申请还提供了一种反激式电源系统的控制方法，所述方法用于以上所述的反激式电源系统中，所述方法包括：
在所述原边功率管导通时，获取电感的工作模式；
若获取到的所述工作模式为电感电流断续工作模式DCM，则获取所述原边功率管的开关周期；
根据所述开关周期控制所述次边同步整流功率管所述原边功率管的在下一个导通信号来临前关断。
可选的，所述方法还包括：
若获取到的所述工作模式为电感电流连续工作模式CCM，则控制所述次边同步整流功率管在预设时刻关断，所述预设时刻与所述原边功率管的下一个导通信号的导通时刻之间的时间差小于预设阈值。
可选的，所述方法还包括：
在所述原边功率管关断时，根据预设策略控制所述次边同步整流功率管导通。
综上所述，通过在所述原边功率管导通时，获取电感的工作模式；若获取到的述工作模式为电感电流断续工作模式DCM，则获取所述原边功率管的开关周期；根据所述开关周期控制所述次边同步整流功率管所述原边功率管的在下一个导通信号来临前关断。解决了现有方案中同步整流控制不准确会导致电源系统整机失效的问题，达到了可以准确进行同步整流进而提高电源系统的系统稳定性的效果。
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 (5)

1.一种反激式电源系统，其特征在于，所述电源系统包括：变压器、所述变压器的原边功率管、所述变压器的次边同步整流功率管以及电容；
所述变压器的原边一端连接电源，另一端通过所述原边功率管接地；
所述变压器的次边一端与所述电容相连后接地，另一端通过所述次边同步整流功率管后接地；
在所述原边功率管导通时，获取电感的工作模式；若获取到的所述工作模式为电感电流断续工作模式DCM，则获取所述原边功率管的开关周期；
根据所述开关周期控制所述次边同步整流功率管在下个开关周期所述原边功率管导通信号来临前关断；
若获取到的所述工作模式为电感电流连续工作模式CCM，则控制所述次边同步整流功率管在预设时刻关断，所述预设时刻与所述原边功率管的下一个导通信号的导通时刻之间的时间差小于预设阈值。
2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，
在所述原边功率管关断时，根据预设策略控制所述次边同步整流功率管导通；其中，预设策略包括所述变压器的次边D端电压维持在目标电压的时长达到预设时长，其中目标电压小于预设电压值。
3.一种反激式电源系统的控制方法，其特征在于，所述方法用于控制如权利要求1或2所述的反激式电源系统，所述方法包括：
在所述原边功率管导通时，获取电感的工作模式；
若获取到的所述工作模式为电感电流断续工作模式DCM，则获取所述原边功率管的开关周期；
根据所述开关周期控制所述次边同步整流功率管在下个开关周期所述原边功率管导通信号来临前关断。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
若获取到的所述工作模式为电感电流连续工作模式CCM，则控制所述次边同步整流功率管在预设时刻关断，所述预设时刻与所述原边功率管的下一个导通信号的导通时刻之间的时间差小于预设阈值。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述原边功率管关断时，根据预设策略控制所述次边同步整流功率管导通；其中，预设策略包括所述变压器的次边D端电压维持在目标电压的时长达到预设时长，其中目标电压小于预设电压值。
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