CN114513129A - 反激变换器的控制方法及控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种反激变换器的控制方法及控制电路，所述反激变换器的原边电感与主功率管连接，接收表征反激变换器的输出功率的反馈信号，随着所述反馈信号的增大，反激变换器的开关频率从最大工作频率进入到降频工作区间，根据反激变换器的输出电压设置降频工作区间的最小工作频率；在反激变换器工作在降频工作区间时，当所述主功率管的开关周期达到所述最小工作频率对应的开关周期时，所述主功率管导通以开始下一个开关周期。本发明在低压大电流应用场合，可以增大变换器带载能力。

Description

反激变换器的控制方法及控制电路
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种反激变换器的控制方法及控制电路。
背景技术
反激变换器由于简单、可靠、高效，广泛应用与手机、笔记本的适配器中。由于通用Type-C接口和PD通用协议的产生，所有的手机、笔记本电脑等小功率消费电子均可以共用适配器。随着适配器功率的逐步提供，从20W、40W、65W到目前的135W，反激变换器为这些不同功率等级中最通用的拓扑结构。
反激变换器一般会控制在主功率管电压谐振到波谷时刻开通功率管，这里一般会使用辅助绕组采样电压去实现ZCD(电感电流过零检测)。当输出电压过，低变换器工作在连续模式、输出短路或者启动过程中，由于副边电感的续流时间很长，可能无法检测到原边电感电流的过零点。通常的做法为在一个固定的时间后进行下一周期的开通，为了强制工作在断续模式，这个固定时间可以设置为100us或者更长，还有的方案为了不进入音频范围，将其固定设计为40us。但是由于此固定时间的设置，限制一些低电压大电流的应用，特别是目前针对部分电池直充的场合，其电源输出要求从21V兼容到3.3V，并且3.3V需要有较高的带载能力。这些方法限制了目前的功率应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用范围广的反激变换器的控制方法及控制电路，解决了现有技术中频率固定，应用受限的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种反激变换器的控制方法，所述反激变换器的原边部分包括相连接的原边电感和主功率管，设置辅助绕组与原边绕组耦合，
接收表征反激变换器的输出功率的反馈信号，随着所述反馈信号的增大，反激变换器的开关频率从最大工作频率进入到降频工作区间，根据输出电压设置降频工作区间的最小工作频率；
在反激变换器工作在降频工作区间时，当反激变换器的开关周期达到最小开关频率对应的开关周期时，所述主功率管导通以开始下一个开关周期。
可选的，在反激变换器工作在降频工作区间时，通过检测辅助绕组上的电压而检测到副边电感电流过零，或者当反激变换器的开关周期达到最小开关频率对应的开关周期，所述主功率导通以开始下一个开关周期。
可选的，所述最小工作频率随反激变换器输出电压的增大而减小。
可选的，所述输出电压小于第一阈值时，所述最小工作频率随所述输出电压的增大而减小。
可选的，所述最小工作频率随所述输出电压的增大而线性减小或者阶梯式减小。
可选的，采用第一恒流和第一压控电流给第一电容充电，得到第一电容电压；
将所述第一电容电压和第一参考电压进行比较，得到表征所述最小工作频率的脉冲信号；
所述第一压控电流与所述输出电压成反比；
在所述主功率管的导通时刻，所述第一电容电压复位到零后，再次对所述第一电容充电。
本发明还提供一种反激变换器的控制电路，所述反激变换器的原边部分包括原边电感和主功率管，所述原边电感与主功率管连接，设置辅助绕组与原边绕组耦合，随着表征反激变换器输出功率的反馈信号的增大，反激变换器的开关频率从最大工作频率进入到降频工作区间，所述控制电路包括，
调节电路，接收反激变换器输出电压的采样信号，根据所述采样信号调节降频工作区间的最小工作频率；
过零检测电路，在主开关管关断时，检测辅助绕组电压从而检测电感电流过零时刻；
第一控制电路，在反激变换器工作在降频工作区间时，当反激变换器的开关周期达到所述最小工作频率对应的开关周期，或者，所述过零检测电路检测到电感电流过零，控制所述主功率管导通以开始下一个开关周期。
可选的，所述最小工作频率随输出电压的增大而减小。
可选的，所述调节电路包括，
第一恒流源和第一压控电流源，第一恒流源输出第一恒流，第一压控电流源输出第一压控电流；所述第一压控电流与所述输出电压成反比；
第一电容和第一开关，所述第一开关连接在所述第一电容两端，第一恒流和第一压控电流给所述第一电容充电，得到第一电容电压；所述主功率管导通时刻，所述第一开关导通，第一电容电压复位到零后，所述第一开关再次关断；
第一比较器，接收所述第一电容电压和第一参考电压，输出第一脉冲信号，所述第一脉冲信号表征所述最小工作频率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：随着反馈信号的增大，反激变换器的开关频率从最大工作频率进入到降频工作区间，根据输出电压设置降频工作区间的最小工作频率；在反激变换器工作在降频工作区间时，当反激变换器的开关周期达到最小开关频率对应的开关周期时，所述主功率导通以开始下一个开关周期。本发明在低压大电流应用场合，可增大变换器带载能力；变换器高压输出时，可以降低功率器件应力。
附图说明
图1为本发明反激变换器原理图；
图2为本发明调节电路原理图；
图3为本发明低压输出时的带载能力波形图；
图4为本发明开关频率波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和区间上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，示意了本发明反激变换器及其控制电路原理图，所述反激变换器包括由原边绕组和Np和副边绕组Ns组成的变压器T、谐振电容Cp、第一二极管Dp、整流二极管D0、输出电容Co和反馈网络，谐振电容Np和二极管Dp连接后并联原边绕组Np两端，主功率M0连接原边绕组，采样电阻Rcs连接主功率管M0，用于采样流过主功率管M0的电流。整流二极管D0连接副边绕组Ns，输出电容C0连接在副边绕组Ns两端，反馈网络连接输出端得到反馈信号FB。辅助绕组Naux与原边绕组Np互感，通过两个分压电阻对辅助绕组电压进行分压得到电压采样信号Vs。反激变换器的工作原理如下，随着反馈信号FB的增大，反激变换器的开关频率从最大工作频率进入到降频工作区间，根据输出电压设置所述降频工作区间的最小工作频率；所述反馈信号FB表征反激变换器的输出功率，所述最大工作频率不大于设置的最大开关频率。所述最小工作频率随输出电压增大而减小，所述预设值随输出电压的增大可以线性减小或者阶梯式减小等。所述最大开关频率为设置的系统工作频率上限，以保证系统频率可控。
所述控制电路包括调节电路U01、过零检测电路U02和第一控制电路U03，所述调节电路U01接收输出电压的采样信号Vs以调节最小工作频率；反激变换器在降频工作区间时，若反激变换器的开关周期达到最小工作频率对应的开关周期，或者，过零检测电路U02检测到副边电感电流过零，则第一控制电路U03控制所述主功率管导通，以开启下一个工作周期。
如图2所示，示意了本发明频率调节电路示意图，包括固定电流源i0、压控电流源i1、第一电容Cf、第一开关k1和第一比较器U101，第一开关k1并联在第一电容Cf两端。在主功率管导通时刻，给定一个短脉冲信号控制第一开关k1导通，第一电容Cf电压放电到零后，第一开关k1再次关断，固定电流源i0与压控电流源i1的输出电流给第一电容Cf充电得到第一电容电压Vc1，第一比较器U101将第一电容电压Vc1和第一参考电压VREF进行比较得到比较信号fQR_min，第一电容电压Vc1上升到到第一参考电压VREF时，比较信号fQR_min从有效变为无效，比较信号fQR_min高电平对应的脉冲频率大小表征最小工作频率。压控电流源i1的输出电流受电压采样信号Vs控制，与电压采样信号Vs成反比。
根据以上分析，20V的高压输出时，可设计主开关管M0的开关频率为20khz左右，可以有效避免变换器工作在CCM模式；3.3v的低压输出时，可设计主开关管的开关频率为40～50kHz，尽管此时反激变换器工作CCM模式，但是可以提高低压输出时的带载能力。
如图3所示，示意了本发明反激变换器低压输出时带载能力波形图，以输出电压3.3V时为例，开关频率越大，反馈电压FB越大，输出功率Po越大，带载能力越强。
如图4所示，示意了本发明反激变换器开关频率波形图，以输出电压20V时为例，在反馈电压FB增大到V1时，此时反激变换器的开关频率为反激变换器的最大工作频率；在反馈电压FB大于V1时，反激变换器进入降频工作区间，随着反馈电压FB的进一步增大，降频工作区间的最小工作频率随输出电压的增大而减小，优选的，最小工作频率可以随输出电压的增大而线性减小或者阶梯式减小；所述的阶梯式减小具体为，随着的输出电压的增大，最小工作频率分阶段的减小，而在相应阶段最小工作频率不变，例如，随着输出电压的增大，输出电压在VO1-VO2时，Fs为k1；输出电压在VO2-VO3时，Fs为k2且小于k1，依次类推。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反激变换器的控制方法，所述反激变换器的原边部分包括相连接的原边电感和主功率管，设置辅助绕组与原边绕组耦合，其特征在于：
接收表征反激变换器的输出功率的反馈信号，随着所述反馈信号的增大，反激变换器的开关频率从最大工作频率进入到降频工作区间，根据反激变换器的输出电压设置降频工作区间的最小工作频率；
在反激变换器工作在降频工作区间时，当反激变换器的开关周期达到最小开关频率对应的开关周期时，所述主功率管导通以开始下一个开关周期。
2.根据权利要求1所述的反激变换器的控制方法，其特征在于：在反激变换器工作在降频工作区间时，通过检测辅助绕组上的电压而检测到副边电感电流过零，或者，当反激变换器的开关周期达到最小开关频率对应的开关周期，所述主功率导通以开始下一个开关周期。
3.根据权利要求1所述的反激变换器的控制方法，其特征在于：所述最小工作频率随反激变换器输出电压的增大而减小。
4.根据权利要求3所述的反激变换器的控制方法，其特征在于：所述输出电压小于第一阈值时，所述最小工作频率随所述输出电压的增大而减小。
5.根据权利要求3或4所述的反激变换器的控制方法，其特征在于：所述最小工作频率随所述输出电压的增大而线性减小或者阶梯式减小。
6.根据权利要求1所述的反激变换器的控制方法，其特征在于：采用第一恒流和第一压控电流给第一电容充电，得到第一电容电压；
将所述第一电容电压和第一参考电压进行比较，得到表征所述最小工作频率的脉冲信号；
所述第一压控电流与所述输出电压成反比；
在所述主功率管的导通时刻，所述第一电容电压复位到零后，再次对所述第一电容充电。
7.一种反激变换器的控制电路，所述反激变换器的原边部分包括原边电感和主功率管，所述原边电感与主功率管连接，设置辅助绕组与原边绕组耦合，其特征在于：随着表征反激变换器输出功率的反馈信号的增大，反激变换器的开关频率从最大工作频率进入到降频工作区间，所述控制电路包括，
调节电路，接收反激变换器输出电压的采样信号，根据所述采样信号调节降频工作区间的最小工作频率；
过零检测电路，在主开关管关断时，检测辅助绕组电压从而检测电感电流过零时刻；
第一控制电路，在反激变换器工作在降频工作区间时，当反激变换器的开关周期达到所述最小工作频率对应的开关周期，或者，所述过零检测电路检测到电感电流过零，控制所述主功率管导通以开始下一个开关周期。
8.根据权利要求7所述的反激变换器的控制电路，其特征在于：所述最小工作频率随输出电压的增大而减小。
9.根据权利要求7所述的反激变换器的控制电路，其特征在于：所述最小工作频率随输出电压的增大而线性减小或者阶梯式减小。
10.根据权利要求7所述的反激变换器的控制电路，其特征在于：所述调节电路包括，
第一恒流源和第一压控电流源，第一恒流源输出第一恒流，第一压控电流源输出第一压控电流；所述第一压控电流与所述输出电压成反比；
第一电容和第一开关，所述第一开关连接在所述第一电容两端，第一恒流和第一压控电流给所述第一电容充电，得到第一电容电压；所述主功率管导通时刻，所述第一开关导通，第一电容电压复位到零后，所述第一开关再次关断；
第一比较器，接收所述第一电容电压和第一参考电压，输出第一脉冲信号，所述第一脉冲信号表征所述最小工作频率。
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