CN113193731B - 一种开关电源的电流采样补偿电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关电源的电流采样补偿电路，该电路应用在输出电压可调的开关电源中。当开关电源的输出电压发生变化时，MOS管Q1的漏极电压能够反应输出电压的变化趋势与变化幅值，通过对MOS管Q1漏极电压的采样与逻辑运算，将运算结果经由电流环反馈给主控芯片，可以及时调整主控芯片的驱动占空比。本发明可以及时根据开关电源输出电压的变化，调整开关电源的工作状态，保证输出电压变化时开关电源的环路稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源，特别涉及开关电源的电流采样补偿电路。
背景技术
一些特殊应用场合下的开关电源，因其应用场合的需求，输出电压通常需要在一定范围内连续可调。对于整个开关电源来说，输入电压、输出电流、输出电压都是在一定范围内的可变量，可变量相比于常规开关电源的输入电压、输出电流要多出一个输出电压的维度。对于开关电源的环路设计来说，多出一个可变量就意味着环路设计难度的激增。在开关电源某个工作状态点，发生环路振荡的风险也随之增加。因此输出电压可调的开关电源，其环路设计是研发工程师们一直比较棘手的问题。
本领域现有技术的一种开关电源电流采样电路的原理图，如图1所示，包括开关电源包括主功率MOS管Q1、主功率变压器T1和输入电压端口Vin；电流采样电路包括电阻R1、电阻R2、地极端口GND、漏极电压采样端口Vds和信号采样端口Vcs。
输入电压端口Vin连接变压器T1原边绕组的1脚，变压器T1原边绕组的2脚同时连接MOS管Q1的漏极和漏极电压采样端口Vds，MOS管Q1的源极同时连接电阻R1的一端和电阻R2的一端，电阻R1的另一端连接地极端口GND，电阻R2的另一端连接信号采样端口Vcs。
上述现有技术的工作原理为：
当MOS管Q1处于开通状态时，电压输入端口通过变压器T1原边绕组、MOS管Q1、电阻R1这个原边主功率回路，向变压器T1传输能量。此时电阻R1将主功率的电流信号转换为电压信号，经由电阻R2传输到信号采样端口Vcs。主控芯片通过检测信号采样端口Vcs的信号，来决定MOS管Q1栅极的驱动占空比大小，以此调节开关电源的工作状态。这也是开关电源电流环路的基本工作原理。
上述电路存在的问题为：只有电流采样的功能，没有补偿的功能，电路检测的是开关电源输入端的电流信号，没有办法实时反映开关电源输出端的变化情况，尤其是开关电源输出的电压变化时，此电路没有办法及时作出适当的调节。例如当输出电压是0-1000V连续可调，当输出电压处于1000V输出时，将上述电路参数调整好后，开关电源能够正常工作。但是一旦将输出电压调到其他电压如200V时，开关电源往往因环路不稳定而发生振荡的现象，严重影响开关电源后端所带设备的正常工作。
发明内容
有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提出一种开关电源的电流采样补偿电路，该电路能够保证输出电压可调的开关电源环路稳定，使开关电源在输出电压发生变化后，能够可靠稳定地给后端所带设备提供能量。
本申请的发明构思为，将输出电压的某一分量加入到电流环路比较运算中，这样在输出电压发生变化时，电流环路能及时捕捉到变化信息，反馈给主控芯片，以此调节第一MOS管Q1的驱动占空比，保证开关电源工作的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：包括电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电容C1、二极管D1、二极管D2和运算放大器IC1，以及地极端口GND、漏极电压采样端口Vds、信号采样端口Vcs、IC供电端口Vcc和基准电压端口Vref；信号采样端口Vcs用于连接开关电源控制芯片的电流采样输入引脚；漏极电压采样端口Vds连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极同时连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时连接电阻R6的一端、运算放大器IC1的反向输入端和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极同时连接运算放大器IC1的输出端和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接信号采样端口Vcs；基准电压端口Vref连接运算放大器IC1的正向输入端；IC供电端口Vcc连接运算放大器IC1的供电端；电容C1的另一端、电阻R6的另一端和运算放大器IC1的接地端均连接至地极端口GND。
作为上述技术方案的改进之一，其特征在于：还包括电阻R7，电阻R7的一端连接运算放大器IC1的反向输入端、电阻R7的另一端连接电阻R5的另一端和电阻R6的一端。
作为上述技术方案的改进之二，其特征在于：还包括电阻R3和电阻R4，电阻R3连接在基准电压端口Vref和运算放大器IC1的正向输入端之间，电阻R4连接在运算放大器IC1的正向输入端和地极端口GND之间。
为解决上述技术问题，本发明还提供另外一种技术方案，如下：
一种开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：包括电阻R5、电阻R6、电阻R9、电容C1、二极管D1和运算放大器IC1，以及地极端口GND、漏极电压采样端口Vds、信号采样端口Vcs、IC供电端口Vcc和基准电压端口Vref；信号采样端口Vcs用于连接开关电源控制芯片的电流采样输入引脚；漏极电压采样端口Vds连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极同时连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时连接电阻R6的一端和运算放大器IC1的反向输入端，运算放大器IC1的输出端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接信号采样端口Vcs；基准电压端口Vref连接运算放大器IC1的正向输入端；IC供电端口Vcc连接运算放大器IC1的供电端；电容C1的另一端、电阻R6的另一端和运算放大器IC1的接地端均连接至地极端口GND。
作为上述技术方案的改进之一，其特征在于：还包括电阻R7，电阻R7的一端连接运算放大器IC1的反向输入端、电阻R7的另一端连接电阻R5的另一端和电阻R6的一端。
作为上述技术方案的改进之二，其特征在于：还包括电阻R3和电阻R4，电阻R3连接在基准电压端口Vref和运算放大器IC1的正向输入端之间，电阻R4连接在运算放大器IC1的正向输入端和地极端口GND之间。
作为上述技术方案的改进之三，其特征在于：包括回差电路，连接在运算放大器IC1的正向输入端与运算放大器IC1的输出端之间，用于在运算放大器IC1的输出端输出低电平与输出高电平时，为运算放大器IC1的正向输入端提供一个电压差。
作为回差电路的一种具体的实施方式，其特征在于：包括电阻R8和二极管D2，电阻R8的一端连接运算放大器IC1的正向输入端，电阻R8的另一端连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接运算放大器IC1的输出端。
本发明的工作原理将结合具体的实施例进行详细分析，在此不赘述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、提出了一种开关电源的电流采样补偿电路，通过采样输出电压的分量，跟据输出电压值对原边电流采样信号进行修正补偿，更好地向主控IC反馈输出电压的变化量，保证开关电源的稳定工作。
2、在一定程度上，本电路能够吸收MOS管Q1的漏极应力尖峰，减少MOS管Q1的器件应力。
附图说明
图1为现有的一种开关电源的电流采样电路的原理图；
图2为本发明目的实现的原理框图；
图3为本发明第一实施例的原理图；
图4为本发明第二实施例的原理图；
图5为本发明第三实施例的原理图；
图6为本发明第四实施例的原理图。
具体实施方式
图2为本发明目的实现的原理框图，图2中本分发明的电流采样补充电路包括：Vds采样电路101、基准电路102、比较电路103和补偿电路104；Vds采样电路采样MOS管Q1的漏极电压，与基准电路产生的基准电压由比较电路进行逻辑运算，输出的运算结果经补偿电路补偿后反馈到开关电源主控芯片的电流采样引脚CS。
当开关电源的输出电压发生变化时，MOS管Q1的漏极电压能够反应输出电压的变化趋势与变化幅值，因此通过对MOS管Q1漏极电压的采样与逻辑运算，将运算结果经由电流环反馈给主控芯片，可以及时调整主控芯片的驱动占空比，实现发明目的。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应对理解，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。
第一实施例
如图3所示，为本发明第一实施例，包括Vds采样电路101、基准电路102、比较电路103和补偿电路104，以及地极端口GND、漏极电压采样端口Vds、信号采样端口Vcs、IC供电端口Vcc和基准电压端口Vref；地极端口GND用于接地，漏极电压采样端口Vds用于连接开关电源主功率MOS管的漏极，信号采样端口Vcs用于连接开关电源控制芯片的电流采样输入引脚，IC供电端口Vcc用于连接供电电源，基准电压端口Vref用于输入设定的基准电压。
本实施例各单元电路包含的元器件如下：
Vds采样电路101：二极管D1、电阻R5、电阻R6、电容C1；
基准电路102：本实施例由基准电压端口Vref直接输入一个设定的基准电压，无对应的元器件；
比较电路103：运算放大器IC1；
补偿电路104：电阻R8、电阻R9、二极管D2。
电路连接关系如下：
漏极电压采样端口Vds连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极同时连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时连接电阻R6的一端、运算放大器IC1的反向输入端和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极同时连接运算放大器IC1的输出端和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接信号采样端口Vcs；基准电压端口Vref连接运算放大器IC1的正向输入端；IC供电端口Vcc连接运算放大器IC1的供电端；电容C1的另一端、电阻R6的另一端和运算放大器IC1的接地端均连接至地极端口GND。
本实施例的工作原理为：
无论开关电源使用的是正激拓扑还是反激拓扑，MOS管Q1的漏极电压VDS都与输出成一定关系，假设此时开关电源采用的拓扑为反激，那么依据变压器的输入电压、输出电压和原副边匝比关系，存在以下关系式：
VDS＝Vin+N*Vo......公式1；
其中VDS为MOS管Q1的漏极电压，Vin为开关电源输入电压，Vo为开关电源输出电压，N为变压器原副边匝比。
由该关系式可知，MOS管Q1的漏极电压VDS与开关电源输出电压Vo成正相关，VDS的电压幅值可反映输出电压的幅值，因此对MOS管Q1的漏极电压VDS进行采样与逻辑运算，就可以等效于对输出电压进行了采样，这样也省去了直接采样输出电压后还需对电压信号处理与隔离传输到原边的步骤。
根据运算放大器虚短的工作机理可知，运算放大器IC1的反向输入端电压等于同向输入端电压Vref。
又根据运算放大器虚断的工作机理可知，流过电阻R6的电流等于流过电阻R5的电流和流过电阻R8的电流之和，即可以推导出以下关系式：
其中V1为运算放大器的输出电压，VD2为二极管D2的导通电压。需要说明的是理论上二极管D1也存在导通电压，由于VDS值很大，二极管D1的导通电压很小，因此公式2中对其忽略省略掉了。
最终补偿到信号采样端口Vcs的补偿电压为V1对电阻R1、R2、R9的分压，即：
其中VCS为补偿到信号采样端口Vcs的补偿电压。
联立上述公式1、2和3可推导出，补偿电压VCS和输出电压Vo的关系式为：
由公式可知，输出电压Vo幅值减少，补偿电压VCS会线性增大。当开关电源输出电压变小时，本实施例能够给补偿到信号采样端口Vcs提供一个补偿电压VCS，主控芯片检测到此补偿电压VCS，会同步减少驱动占空比，减少给变压器提供的能量，来达到开关电源的平衡稳定工作的目的。
第二实施例
如图4所示，为本发明第二实施例，本实施例与第一实施例不同之处在于，还包括电阻R7，电阻R7的一端连接运算放大器IC1的反向输入端、电阻R7的另一端连接电阻R5的另一端和电阻R6的一端。
本实施例与第一实施例的工作原理类似，不同之处在于，增加了电阻R7，使得补偿电压VCS和输出电压Vo之间的关系式中多了参数R7，可调节参数变得更多了。这样电阻R5、电阻R6和电阻R8的参数选取会变得更加简单，更具有选择性。
第三实施例
如图5所示，为本发明第三实施例，本实施例与第一实施例不同之处在于，基准电路102还包括电阻R3和电阻R4，电阻R3连接在基准电压端口Vref和运算放大器IC1的正向输入端之间，电阻R4连接在运算放大器IC1的正向输入端和地极端口GND之间。
本实施例的工作原理与第一实施例类似，不同之处在于基准电压端口Vref增加了分压电阻R3和R4，根据运算放大器虚短的工作机理可知，运算放大器的反向输入端电压等于同向输入端电压Vref乘以后续关系式推导与第一实施例思路相同，在此不再赘述。
本实施例工作原理与第一实施例类似，不同之处在于，增加了电阻R3和电阻R4，使得补偿电压VCS和输出电压Vo之间的关系式中多了参数R3和R4，可调节参数变得更多了。这样电阻R5、电阻R6和电阻R8的参数选取会变得更加简单，更具有选择性。
第四实施例
如图6所示，为本发明第三实施例，本实施例的Vds采样电路101、基准电路102、比较电路103和补偿电路104包含的元器件，与第二实施例不同之处在于，电阻R8的一端连接的是运算放大器IC1的正向输入端，这样的连接关系改变，使得电阻R8和二极管D2构成了回差电路。该回差电路的作用为在运算放大器IC1的输出端输出低电平与输出高电平时，为运算放大器IC1的正向输入端提供一个电压差，从而可以让电流采样补偿电路在补偿跳变点附近的环路补偿更加平稳。需要说明的是，第一实施例的电阻R8和二极管D2不构成回差电路，第一实施例中的电阻R8和二极管D2是用来作负反馈，起线性调节用的。
本实施例工作原理也与第一实施例类似，不同之处在于，第一实施例的补偿电压VCS是与输出电压Vo呈线性关系，本实施例由于上述电阻R8和二极管D2构成的回差电路，因此是一个回差式可调的电流采样补偿电路。
本实施例的运算放大器IC1工作逻辑为比较器的工作逻辑，当运算放大器IC1的反向输入端电压大于同向输入端电压时，运算放大器IC1输出低电平。
即时，运算放大器的输出电压V1＝0V，电流采样补偿电路在这个阶段一直不提供补偿电压；
当运算放大器IC1的反向输入端电压小于同向输入端电压时，运算放大器IC1输出高电平。
即时，运算放大器的输出电压V1＝VCC，其中VCC为IC供电端口Vcc的供电电压。电流采样补偿电路在这个阶段一直提供补偿电压，且提供的补偿电压持续为/>
因为运算放大器IC1的输出电压V1为高电压，此时二极管D2会导通，运算放大器IC1的输出电压V1会通过电阻R8向电阻R4流过电流，相当于给运算放大器IC1的正向输入端提供了一个回差电压。
根据运算放大器虚断的机理，此时流过电阻R4的电流等于流过电阻R3的电流和流过电阻R8的电流之和，即可推导出如下关系式：
其中V3为运算放大器IC1的同向输入端电压。
此时运算放大器IC1的反向输入端电压V4为：
其中VDS＝Vin+N*Vo。
只有当运算放大器IC1的反向输入端电压V4大于运算放大器IC1的同向输入端电压V3时，运算放大器IC1才会输出低电平，补偿电压VCS才会重新归零。
以上仅是本发明优选的实施方式，本发明所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (8)
1.一种开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：包括电阻R5、电阻R6、电阻R8、电阻R9、电容C1、二极管D1、二极管D2和运算放大器IC1，以及地极端口GND、漏极电压采样端口Vds、信号采样端口Vcs、IC供电端口Vcc和基准电压端口Vref；信号采样端口Vcs用于连接开关电源控制芯片的电流采样输入引脚；漏极电压采样端口Vds连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极同时连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时连接电阻R6的一端、运算放大器IC1的反向输入端和电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极同时连接运算放大器IC1的输出端和电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接信号采样端口Vcs；基准电压端口Vref连接运算放大器IC1的正向输入端；IC供电端口Vcc连接运算放大器IC1的供电端；电容C1的另一端、电阻R6的另一端和运算放大器IC1的接地端均连接至地极端口GND。
2.根据权利要求1所述的开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：还包括电阻R7，电阻R7的一端连接运算放大器IC1的反向输入端、电阻R7的另一端连接电阻R5的另一端和电阻R6的一端。
3.根据权利要求1或2所述的开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：还包括电阻R3和电阻R4，电阻R3连接在基准电压端口Vref和运算放大器IC1的正向输入端之间，电阻R4连接在运算放大器IC1的正向输入端和地极端口GND之间。
4.一种开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：包括电阻R5、电阻R6、电阻R9、电容C1、二极管D1和运算放大器IC1，以及地极端口GND、漏极电压采样端口Vds、信号采样端口Vcs、IC供电端口Vcc和基准电压端口Vref；信号采样端口Vcs用于连接开关电源控制芯片的电流采样输入引脚；漏极电压采样端口Vds连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极同时连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端同时连接电阻R6的一端和运算放大器IC1的反向输入端，运算放大器IC1的输出端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端连接信号采样端口Vcs；基准电压端口Vref连接运算放大器IC1的正向输入端；IC供电端口Vcc连接运算放大器IC1的供电端；电容C1的另一端、电阻R6的另一端和运算放大器IC1的接地端均连接至地极端口GND。
5.根据权利要求4所述的开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：还包括电阻R7，电阻R7的一端连接运算放大器IC1的反向输入端、电阻R7的另一端连接电阻R5的另一端和电阻R6的一端。
6.根据权利要求4所述的开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：还包括电阻R3和电阻R4，电阻R3连接在基准电压端口Vref和运算放大器IC1的正向输入端之间，电阻R4连接在运算放大器IC1的正向输入端和地极端口GND之间。
7.根据权利要求4至6任一项所述的开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：还包括回差电路，连接在运算放大器IC1的正向输入端与运算放大器IC1的输出端之间，用于在运算放大器IC1的输出端输出低电平与输出高电平时，为运算放大器IC1的正向输入端提供一个电压差。
8.根据权利要求7所述的开关电源的电流采样补偿电路，其特征在于：回差电路包括电阻R8和二极管D2，电阻R8的一端连接运算放大器IC1的正向输入端，电阻R8的另一端连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接运算放大器IC1的输出端。
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