CN114465461A - 反馈电路、方法及应用其的隔离式开关电源 - Google Patents

反馈电路、方法及应用其的隔离式开关电源 Download PDF

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CN114465461A CN202111670072.3A CN202111670072A CN114465461A CN 114465461 A CN114465461 A CN 114465461A CN 202111670072 A CN202111670072 A CN 202111670072A CN 114465461 A CN114465461 A CN 114465461A
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Abstract

本发明公开了一种反馈电路及应用其的隔离式开关电源，通过使得光耦反馈电流与负载电流具有相同的变化趋势，进而使得轻载及空载时光耦反馈电流很小甚至为零，以减小或消除轻载及空载时光耦反馈电流造成的损耗，极大地降低了整机轻载及空载功耗。

Description

反馈电路、方法及应用其的隔离式开关电源
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种反馈电路、方法及应用其的隔离式开关电源。
背景技术
现有技术中，为了控制输入输出功率的转换，隔离式开关电源中需要从副边电路反馈输出功率信息至原边电路。为了实现原副边的隔离，并保护副边电路免受原边高压得影响，图1中所示的光耦合器通常用于原副边反馈信号的传递。在图1中，输出电压Vout通过副边反馈电路104加诸于光耦合器106的光敏二极管D0，光敏二极管D0进一步将输出电压Vout的信息通过光耦合器OPTO的光敏晶体管反映为光耦电流Iop，并进一步地通过原边反馈电路表现为反馈电压FB，输入至原边电路以控制功率电路的工作。
TL431为德州仪器公司(TI)生产的三端可调稳压源，目前广泛应用于隔离式开关电源的反馈电路中。图2示出了采用TL431反馈电路的隔离式开关电源的光耦电流Iop与输出电流Iout，以及反馈电压FB与输出电流Iout之间的关系图。如图2所示，光耦电流Iop越大，对应的输出电流Iout越小，而光耦电流Iop越小，则对应的输出电流Iout越大。也就是说光耦电流Iop的值在轻载及空载时较大，在隔离式开关电源的输出功率达到最小值时，光耦电流Iop将达到最大值，这将严重损害隔离式开关电源的轻载及空载效率。
因此，有必要提出一种在轻载及空载时降低光耦电流，提高电路的轻载及空载效率的电路及方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种反馈电路、方法及应用其的隔离式开关电源，以解决现有的隔离式开关电源的轻载及空载时功耗较高的问题。
第一方面，提供一种反馈电路，用于隔离式开关电源中，其特征在于，所述反馈电路包括：
副边反馈模块，用于将表征所述隔离式开关电源的负载电流的第一信号转换为一中间信号，且所述中间信号与所述负载电流具有相同的变化趋势；
光耦电路，响应于所述中间信号以提供光耦反馈电流，并根据所述光耦反馈电流生成反馈电压提供至控制电路中，所述控制电路根据所述反馈电压生成所述隔离式开关电源的开关控制信号；
其中，所述光耦反馈电流与所述负载电流具有相同的变化趋势。
优选地，所述光耦电路与所述副边反馈模块并联连接。
优选地，所述光耦反馈电流与所述中间信号具有相同的变化趋势。
优选地，所述反馈电压与所述光耦反馈电流具有相反的变化趋势。
优选地，所述光耦电路包括：
第一光耦电路，耦接于所述副边反馈模块，响应于所述中间信号以生成流过所述第一光耦电路的第一电流，其中，所述第一电流与所述负载电流具有相同的变化趋势；以及，
第二光耦电路，耦接于所述反馈电压的输出端和原边地之间，响应于所述第一电流并提供所述光耦反馈电流，且所述光耦反馈电流与所述第一电流正相关。
优选地，所述第一光耦电路与所述副边反馈模块并联连接。
优选地，所述第一信号为所述隔离式开关电源的输出电压，且所述中间信号与所述输出电压具有相反的变化趋势。
优选地，副边反馈模块包括：
三端可调稳压源，其正极耦接至副边地，参考端接收所述输出电压的采样信号，负极耦接至所述输出电压，并在所述负极生成所述中间信号。
优选地，所述光耦电路与所述三端可调稳压源并联连接。
优选地，所述光耦电路还包括滤波电路，所述滤波电路耦接于所述反馈电压的输出端和原边地之间，用于对所述反馈电压进行低通滤波。
第二方面，提供一种隔离式开关电源，其特证在于，包括：
上述的反馈电路，以及，
功率电路，接收总线电压和所述开关控制信号，所述功率电路根据所述开关控制信号周期性地通断以实现功率转换，以将总线电压转换成输出电压提供给负载；
控制电路，接收所述反馈电，并基于所述反馈电压生成所述开关控制信号。
第三方面，提供一种反馈方法，用于隔离式开关电源中，其特征在于，所述反馈方法包括：
利用副边反馈模块将表征所述隔离式开关电源的负载电流的第一信号转换为一中间信号，且所述中间信号与所述负载电流具有相同的变化趋势；
响应于所述中间信号，光耦电路提供光耦反馈电流并根据所述光耦反馈电流生成反馈电压提供至原边的控制电路中，所述控制电路根据所述反馈电压生成所述隔离式开关电源的开关控制信号；
其中，所述光耦反馈电流与所述负载电流具有相同的变化趋势。
优选地，所述光耦电路与所述副边反馈模块并联连接。
优选地，所述光耦反馈电流与所述中间信号具有相同的变化趋势。
优选地，所述反馈电压与所述光耦反馈电流具有相反的变化趋势。
优选地，所述光耦电路包括：
第一光耦电路，耦接于所述副边反馈模块，响应于所述中间信号以生成流过所述第一光耦电路的第一电流，其中，所述第一电流与所述负载电流具有相同的变化趋势；以及，
第二光耦电路，耦接于所述反馈电压的输出端和原边地之间，响应于所述第一电流并提供所述光耦反馈电流，且所述光耦反馈电流与所述第一电流正相关。
本发明技术通过使得光耦反馈电流与负载电流具有相同的变化趋势，进而使得轻载及空载时光耦反馈电流很小甚至为零，以减小或消除轻载及空载时光耦反馈电流造成的损耗，极大地降低了整机轻载及空载功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术的反馈电路的结构图；
图2为现有技术的反馈电路中光耦电流、反馈电压与输出电流之间的关系图；
图3为本发明一个实施例的带反馈电路的隔离式开关电源的结构图；
图4为本发明的反馈电路中光耦电流、反馈电压与输出电流之间的关系图；
图5为本发明另一个实施例的带反馈电路的隔离式开关电源的结构图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图3为本发明一个实施例的带反馈电路的隔离式开关电源的结构图。如图3所示，本发明实施例的隔离式开关电源以反激式开关变换器为例，隔离式开关电源包括功率电路30、反馈电路31以及控制电路32。
功率电路30包括变压器、功率开关Q、整流二极管D1以及输出电容Co。变压器被配置为直流输入电压Vin变压后输出到输出端。在本实施例中，变压器包括原边绕组L1和副边绕组L2。功率开关Q与原边绕组L1连接，当功率开关Q导通，原边绕组L1会有电流流过，能量就会储存在其中，由于变压器的原边绕组L1与副边绕组L2的线圈极性是相反的，因此整流二极管D1不会导通，输出功率则由输出电容Co来提供。当功率开关Q关断时，变压器的原边绕组L1和副边绕组L2的电压极性将会反转，整流二极管D1导通，存储在原边绕组L1中的能量会经整流二极管D1传递到电容Co和负载。
在本实施例中，反激式开关变换器还包括电容Cin，并联在整流电路的输出端(其中，整流电路图中未示出，被配置为将输入交流电压Vac转换为直流输入电压Vin并输出)，用于对整流电路的输出电压进行滤波。
在本实施例中，功率开关Q可以采用各种现有的可控电开关器件，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)，或者，绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
反馈电路31，用于将表征所述隔离式开关电源的负载电流Iout的第一信号转换为一中间信号Vm，且进一步响应于中间信号Vm以提供光耦反馈电流Iopto，并根据光耦反馈电流Iopto生成反馈电压VFB传输至原边。在本发明实施例中，光耦反馈电流Iopto与负载电流Iout具有相同的变化趋势，也即，在负载电流Iout越小时，对应的光耦电流Iopto越小；在负载电流Iout越大时，对应的光耦电流Iopto也越大，从而期望在轻载及空载时，光耦电流Iopto将达到最小值，以此来提升隔离式开关电源的轻载及空载效率。
控制电路32，被配置为至少根据反馈电压VFB，生成开关控制信号Vg用于控制功率开关Q的通断。在其他实施方式中，所述功率开关包括主功率开关和从功率开关，功率开关控制信号Vg用于控制主功率开关的通断，所述从功率开关被控制与主功率开关非交叠通断。控制电路32的供电电压VCC可以是隔离式开关电源的原边控制电路的供电电压。
需要说明的是，当功率电路30为反激式开关变换器时，所述控制电路32即为对应的反激控制电路。在其他实施方式中，控制电路32与功率电路30相对应，例如当功率电路30包括LLC电路的功率器件结构时，控制电路32即为对应的LLC控制电路。
由于现有技术中，流过光耦的电流值与负载电流具有相反的变化趋势，因此在轻载时流过光耦的电流值较大，从而导致轻载及空载时芯片静态电流Iq较大，而此时损耗为供电电压VCC与静态电流Iq的乘积，故此时损耗较大，进而导致整机的空载功耗较高。
而本发明的隔离式开关电源，通过使得光耦反馈电流Iopto与负载电流Iout具有相同的变化趋势，进而使得轻载及空载时光耦反馈电流Iopto很小甚至为0，以减小或消除轻载及空载时光耦反馈电流造成的损耗，极大地降低了整机空载功耗。
进一步地，在本实施例中，反馈电路31包括副边反馈模块311以及光耦电路312。
副边反馈模块311，用于将表征所述隔离式开关电源的负载电流Iout的第一信号转换为一中间信号Vm，且中间信号Vm与负载电流Iout具有相同的变化趋势。在本发明实施例中，所述第一信号为所述隔离式开关电源的输出电压Vout，由于一般情况下，开关电源的输出电压Vout与负载电流具有相反的变化趋势，因此，为了达到中间信号Vm与负载电流Iout具有相同的变化趋势的技术目的，这里中间信号Vm需要与输出电压Vout具有相反的变化趋势。
在一个优选实施例中，副边反馈模块311包括输出电压采样电路以及三端可调稳压源。输出电压采样电路，包括串联连接在输出端与副边地之间的电阻R1和R2，其用于采样输出电压Vout以获取输出电压采样信号VA。三端可调稳压源，其正极耦接至副边地，参考端接收所述输出电压的采样信号VA，负极耦接至输出电压Vout，并在负极生成中间信号Vm。这里，具体地，三端可调稳压源的负极通过电阻R3连接至输出电压Vout，且三端可调稳压源的负极还通过至少由电容C1构成的回馈电路耦接至输出电压的采样信号VA，在一种实施方式中，回馈电路可以包括串联连接的电容C1和电阻R4。
需要说明的是，三端可调稳压源可以是目前已知的，由德州仪器公司(TI)生产的三端可调稳压源TL431，也可以为其他未知的电路，只要能满足当参考端的电压越大，其负极的电压越小即可。
光耦电路312，响应于中间信号Vm以提供光耦反馈电流Iopto，并根据光耦反馈电流Iopto生成反馈电压VFB提供至控制电路32中，控制电路32根据反馈电压VFB生成所述隔离式开关电源的开关控制信号Vg。其中，光耦反馈电流Iopto与负载电流Iout具有相同的变化趋势。
在本发明中，由于中间信号Vm与负载电流Iout具有相同的变化趋势，因此可以通过使得光耦反馈电流Iopto与中间信号Vm具有相同的变化趋势，进而使得光耦反馈电流Iopto与负载电流Iout具有相同的变化趋势。
光耦电路312与副边反馈模块311并联连接。更具体地，光耦电路312与所述三端可调稳压源并联连接。
在一个实施例中，光耦电路312包括第一光耦电路和第一光耦电路。第一光耦电路耦接于副边反馈模块311，响应于中间信号Vm以生成流过所述第一光耦电路的第一电流，其中，所述第一电流与负载电流Iout以及中间信号Vm均具有相同的变化趋势。第一光耦电路与副边反馈模块311并联连接。这里，第一光耦电路为光敏二极管D3，光敏二极管D3并联连接在所述三端可调稳压源的两端，也即，中间信号Vm被施加在光敏二极管D3和与其串联的电阻R5的两端，因此，流过光敏二极管D3的第一电流与负载电流Iout以及中间信号Vm均具有相同的变化趋势。进一步地，第一光耦电路还可以包括串联连接在三端可调稳压源的两端之间的电阻R5和R6，用于调节流过光敏二极管D3的第一电流的数值，由于第一电流与光耦反馈电流Iopto成比例关系，以此达到最终调节光耦反馈电流Iopto的数值的目的。
第二光耦电路，耦接于反馈电压VFB的输出端和原边地之间，响应于所述第一电流并提供光耦反馈电流Iopto，且光耦反馈电流Iopto与所述第一电流正相关。这里，第二光耦电路为光敏晶体管Q1，且光敏晶体管Q1的一端接原边地。
光耦电路312还包括滤波电路，所述滤波电路耦接于反馈电压VFB的输出端和原边地之间，用于对反馈电压VFB进行低通滤波。这里，滤波电路由电容C2构成，电容C2与光敏晶体管Q1并联连接。
需要说明的是，由于光耦电路312里存在上拉电阻，且上拉电阻连接在供电电压VCC和光敏晶体管Q1的非接地端之间，当流过光敏晶体管Q1的光耦反馈电流Iopto小时，施加在所述上拉电阻两端的电压就越小，进而使得在滤波电路上生成的反馈电压VFB就越大，因此本发明的反馈电压VFB与光耦反馈电流Iopto具有相反的变化趋势。
图4为本发明的反馈电路中光耦电流、反馈电压与输出电流之间的关系图。下面结合图3中反馈电路31的具体结构，来分析图4中所示的参数关系：
隔离式开关电源在瞬态时，当负载电流Iout变小时，输出电压Vout增大，此时输出电压采样信号VA增大，由于中间信号Vm与输出电压Vout具有相反的变化趋势，因此，此时中间电压Vm减小，而中间电压Vm施加在光敏二极管D3和与其串联的电阻R5的两端，因此，流过光敏二极管D3的第一电流也随之减小，进而使得流过光敏晶体管Q1的反馈电流Iopto减小，另外，根据上述分析，反馈电压VFB与光耦反馈电流Iopto具有相反的变化趋势，因此可以得到图4中的关系图。
需要说明的是，三端可调稳压源TL431，在参考端的电压，也即输出电压采样信号VA增大时，由三端可调稳压源TL431的反馈原理可知，其负极到正极的压降减小，使得流过三端可调稳压源TL431的电流增大，为达到动态平衡，C点电压，即中间电压Vm将会减小，从而使得流过第一光耦电路的电流将减小，因此光耦反馈电流Iopto将减小。
由于芯片静态电流Iq包括内部逻辑模块的耗电电流和从反馈端FB流入光耦的光耦反馈电流Iopto，而本发明的隔离式开关电源，通过使得光耦反馈电流Iopto与负载电流Iout具有相同的变化趋势，进而使得轻载及空载时光耦反馈电流Iopto很小甚至为0，以减小或消除轻载及空载时光耦反馈电流造成的损耗，极大地降低了整机轻载及空载功耗。
图5为本发明另一个实施例的带反馈电路的隔离式开关电源的结构图。如图5所示，本发明实施例的隔离式开关电源除了将功率电路以源极驱动的反激式开关变换器为例，其他电路结构均与图3所示的实施例中相同，在此不再赘述。
在拥有VCC自供电功能的源极驱动的反激式开关变换器中，流过光耦的光耦反馈电流Iopto对轻载及空载时系统的功耗影响更大。由于在源极驱动的反激式开关变换器中，整机空载功耗为直流输入电压Vin与静态电流Iq的乘积Vin*Iq，静态电流Iq包括内部逻辑模块的耗电电流和从反馈端FB流入光耦的光耦反馈电流Iopto等，此时由于直流输入电压Vin很大(AC-DC应用中，直流输入电压Vin一般最大接近400Vdc)，因此，空载时光耦反馈电流Iopto较大的情况下将严重影响空载功耗。
而本发明的隔离式开关电源，通过使得光耦反馈电流Iopto与负载电流Iout具有相同的变化趋势，进而使得轻载及空载时光耦反馈电流Iopto很小甚至为0，以减小或消除轻载及空载时光耦反馈电流造成的损耗，极大地降低了源极驱动的反激式开关变换器的整机轻载及空载功耗。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种反馈电路，用于隔离式开关电源中，其特征在于，所述反馈电路包括：
副边反馈模块，用于将表征所述隔离式开关电源的负载电流的第一信号转换为一中间信号，且所述中间信号与所述负载电流具有相同的变化趋势；
光耦电路，响应于所述中间信号以提供光耦反馈电流，并根据所述光耦反馈电流生成反馈电压提供至控制电路中，所述控制电路根据所述反馈电压生成所述隔离式开关电源的开关控制信号；
其中，所述光耦反馈电流与所述负载电流具有相同的变化趋势。
2.根据权利要求1所述的反馈电路，其特征在于，所述光耦电路与所述副边反馈模块并联连接。
3.根据权利要求1所述的反馈电路，其特征在于，所述光耦反馈电流与所述中间信号具有相同的变化趋势。
4.根据权利要求1所述的反馈电路，其特征在于，所述反馈电压与所述光耦反馈电流具有相反的变化趋势。
5.根据权利要求1所述的反馈电路，其特证在于，所述光耦电路包括：
第一光耦电路，耦接于所述副边反馈模块，响应于所述中间信号以生成流过所述第一光耦电路的第一电流，其中，所述第一电流与所述负载电流具有相同的变化趋势；以及，
第二光耦电路，耦接于所述反馈电压的输出端和原边地之间，响应于所述第一电流并提供所述光耦反馈电流，且所述光耦反馈电流与所述第一电流正相关。
6.根据权利要求5所述的反馈电路，其特证在于，所述第一光耦电路与所述副边反馈模块并联连接。
7.根据权利要求1所述的反馈电路，其特证在于，所述第一信号为所述隔离式开关电源的输出电压，且所述中间信号与所述输出电压具有相反的变化趋势。
8.根据权利要求7所述的反馈电路，其特证在于，副边反馈模块包括：
三端可调稳压源，其正极耦接至副边地，参考端接收所述输出电压的采样信号，负极耦接至所述输出电压，并在所述负极生成所述中间信号。
9.根据权利要求8所述的反馈电路，其特证在于，所述光耦电路与所述三端可调稳压源并联连接。
10.根据权利要求5所述的反馈电路，其特证在于，所述光耦电路还包括滤波电路，所述滤波电路耦接于所述反馈电压的输出端和原边地之间，用于对所述反馈电压进行低通滤波。
11.一种隔离式开关电源，其特证在于，包括：
如权利要求1-10中任一项所述的反馈电路，以及，功率电路，接收总线电压和所述开关控制信号，所述功率电路根据所述开关控制信号周期性地通断以实现功率转换，以将总线电压转换成输出电压提供给负载；
控制电路，接收所述反馈电，并基于所述反馈电压生成所述开关控制信号。
12.一种反馈方法，用于隔离式开关电源中，其特征在于，所述反馈方法包括：
利用副边反馈模块将表征所述隔离式开关电源的负载电流的第一信号转换为一中间信号，且所述中间信号与所述负载电流具有相同的变化趋势；
响应于所述中间信号，光耦电路提供光耦反馈电流并根据所述光耦反馈电流生成反馈电压提供至原边的控制电路中，所述控制电路根据所述反馈电压生成所述隔离式开关电源的开关控制信号；
其中，所述光耦反馈电流与所述负载电流具有相同的变化趋势。
13.根据权利要求12所述的反馈方法，其特征在于，所述光耦电路与所述副边反馈模块并联连接。
14.根据权利要求12所述的反馈方法，其特征在于，所述光耦反馈电流与所述中间信号具有相同的变化趋势。
15.根据权利要求12所述的反馈方法，其特征在于，所述反馈电压与所述光耦反馈电流具有相反的变化趋势。
16.根据权利要求12所述的反馈方法，其特证在于，所述光耦电路包括：
第一光耦电路，耦接于所述副边反馈模块，响应于所述中间信号以生成流过所述第一光耦电路的第一电流，其中，所述第一电流与所述负载电流具有相同的变化趋势；以及，
第二光耦电路，耦接于所述反馈电压的输出端和原边地之间，响应于所述第一电流并提供所述光耦反馈电流，且所述光耦反馈电流与所述第一电流正相关。
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