CN114825951A - 一种开关电源的模块化多路输出电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及开关电源的电路结构，旨在提供一种开关电源的模块化多路输出电路及其控制方法，其中，电压/电路反馈电路通过光耦将主输出电源模块的电压/电流信号反馈给变压器原边电路，用于调控变压器原边电路中的电流；位于副边侧的多组基本输出电源模块中，电压/电流反馈电路连接负载，控制驱动电路连接开关管的驱动极，根据电压/电流反馈信号对开关管进行控制；主输出电源模块和各基本输出电源模块中的二极管分别通过导线接至变压器副边，实现各模块之间相互并联。运行过程中如对多路基本输出电源模块的运行负载进行增加或减少，无需改变主输出电路的控制参数和电路结构；各基本输出电源模块的电压或电流输出都是独立的，成本低且控制方便。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源的电路结构，特别涉及一种开关电源的模块化多路输出电路及其控制方法。
背景技术
对于普通的开关电源，一般只有一个输出，对于一些特殊的应用，设备需要2种或者以上的电源时，这时一般有两种方法来实现：
第一个方法是增加变压器的绕组，通过增加变压器的副边绕组，来实现2个或者以上不同电压的输出。这种方法的优点是成本较低，缺点是同一变压器里各个副边绕组输出电压和电流会互相耦合。若某个副边绕组的输出负载变化较大，则会同时影响其它副边绕组的输出电压、电流的变化。
另外一个方法增加DC-DC变换电路，将原来的输出直流电压转换成另外一个直流电压，比如常用的BUCK电路、BOOST电路等。其优点是各个电压源不会互相干扰，各自独立；缺点是需要增加开关管、电感元件、控制芯片等，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种开关电源的模块化多路输出电路及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的解决方案是：
提供一种开关电源的模块化多路输出电路，包括设于开关电源的变压器副边侧的主输出电源模块；在变压器副边侧还设有n组基本输出电源模块，n≥1；
所述主输出电源模块包括二极管、电容、负载和电压/电路反馈电路，电压/电路反馈电路通过光耦将主输出电源模块的电压/电流信号反馈给变压器原边电路，用于调控变压器原边电路中的电流；
所述基本输出电源模块包括二极管Dn、电容Cn、开关管Qn和电压/电流反馈与控制驱动电路；在电压/电流反馈与控制驱动电路中，电压/电流反馈电路连接负载Rn，控制驱动电路连接开关管Qn的驱动极，根据电压/电流反馈信号对开关管Qn进行控制；
主输出电源模块和各基本输出电源模块中的二极管Dn分别通过导线接至变压器副边，实现主输出电源模块与各基本输出电源模块之间相互并联。
作为本发明的优选方案，在各基本输出电源模块中，二极管Dn、开关管Qn与负载Rn依次串联，电容Cn与负载Rn并联；或者，对开关管Qn位置进行调整，将其设于电源输出正极和二极管Dn之间；或者，对开关管Qn位置进行调整，将其设于负载Rn和变压器公共地之间。
作为本发明的优选方案，在各基本输出电源模块中，所述电压/电流反馈电路是单独的电压反馈电路或电流反馈电路，即各模块独立进行电压采样或者电流采样；
作为本发明的优选方案，所述各基本输出电源模块具有完全相同的电路结构。
作为本发明的优选方案，所述变压器原边侧的电路设有开关管和控制驱动电路，控制驱动电路的一端通过光耦与主输出电源模块的电压/电路反馈电路相接，另一端与开关管的驱动极相接；或者，变压器原边侧的电路是DCDC变换电路，该电路的控制电路通过光耦与主输出电源模块的电压/电路反馈电路相接。
作为本发明的优选方案，所述变压器原边的电路是下述的任意一种：反激电路、正激电路、LLC电路、LCC电路、BUCK电路、BOOST电路全桥整流电路或全桥移相电路。
本发明进一步提高了前述开关电源的模块化多路输出电路的控制方法，包括：
(1)利用各基本输出电源模块中的电压/电流反馈与控制驱动电路，采集其各自的输出电压或者电流，然后根据采集信号与设定值的差值对开关管Qn进行控制以实现对输出电压或者电流的调整；
(2)各基本输出电源模块的采集和调整操作均为独立进行，与其它基本输出电源模块或主输出电源模块均不关联；为了简化控制，主输出电源模块的设定输出电压，要高于各基本输出电源模块的输出电压；
(3)利用电压/电流反馈电路，采集变压器副边侧的主输出电源电路的输出电压或者电流；根据采集信号与设定值的差值对变压器原边电路的电流大小进行调整，进而实现对主输出电路的输出电压或电流的控制。
作为本发明的优选方案，在针对基本输出电源模块中开关管Qn进行调整时，或在针对主输出电路的输出电压或电流进行控制时，采用的控制方法是下述的任意一种：滞环控制、脉宽调制控制或固定导通时间控制。
发明原理描述：
本发明中，主输出电源模块和各基本输出电源模块中的二极管Dn分别通过导线接至变压器副边，实现各基本输出电源模块与主输出电源模块并联。各二极管用于保证各电源模块的电流方向均为输出，作用是防止各电源输出模块的电流回流，避免互相干扰。
本发明的一个关键控制策略，是将主输出电源模块设置为副边侧输出电压最高的电源模块。由于其它基本输出电源模块的电压低于主输出电源模块，因此只要各基本模块的电压或电流还没到设定值，主模块输出电压也就不会到设定值。这样原边控制就会不断增加变压器的能量输送(比如增加PWM占空比，LLC电路降低开关频率，固定导通时间控制模式减少关断时间等)，直到副边各基本输出模块的电压或电流都达到设定值时，主模块输出的电压或电流才能满足设定值。此时主输出模块的电压或电流反馈调整控制电路，使得原边控制电路降低变压器的能量输送，达到稳定状态。
本发明通过综合利用对基本电源输出模块各自内部进行控制、主输出模块反馈变压器原边控制，以及设置主输出模组电压设定高于基本输出模块这三种控制手段，确保了输出各路电源模块的输出电压或电流的稳定和控制功能的实现。这也是这种多输出模块电源控制的核心创新内容。
本发明中，由于输出基本模块控制的输出电压/电流控制是模块内部控制的，因此不依赖于主输出电源模块和其它并联的基本输出电源模块，可以随意增加或者减少基本输出模块，这也是相比现有技术中多电源输出电路显著优点之一。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
1、本发明不需要额外的变压器副边绕组，主输出电路和各基本输出电源模块可以共用一个副边绕组。
2、在本发明所述电路的运行过程中，如要对多路基本输出电源模块的运行负载进行增加或减少，不需要改变主输出电路的控制参数和电路结构。
3、本发明中各个基本输出电源模块的电压或电流输出都是独立的，相比于现有技术中采用多个独立电源(需要额外增加DC-DC转换电路)来说，成本降低且控制方便。
附图说明
图1为现有技术中的单路输出的反激电路。
图2为本发明中双路输出的反激电路。
图3为本发明中多路输出的反激电路。
图4为本发明中多路输出的DCDC电路全桥整流电路。
图5为本发明中多路输出副边开关管和采样电路放置在不同位置的示例。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
本发明提供的开关电源的模块化多路输出电路包括变压器原边侧电路和副边侧电路。
在变压器原边侧：可选地是下述的任意一种电路：反激电路、正激电路、LLC电路、LCC电路、BUCK电路、BOOST电路全桥整流电路或全桥移相电路。在电路中设有开关管和控制驱动电路，控制驱动电路的一端通过光耦与主输出电源模块的电压/电路反馈电路相接，另一端与开关管的驱动极相接；或者，变压器原边侧的电路是DCDC变换电路，该电路的控制电路直接通过光耦与主输出电源模块的电压/电路反馈电路相接。
在变压器副边侧：包括设于开关电源的变压器副边侧的主输出电源模块；在变压器副边侧还设有n组基本输出电源模块，n≥1。所述主输出电源模块包括二极管、电容、负载和电压/电路反馈电路，电压/电路反馈电路通过光耦将主输出电源模块的电压/电流信号反馈给变压器原边电路，用于调控变压器原边电路中的电流；所述基本输出电源模块包括二极管Dn、电容Cn、开关管Qn和电压/电流反馈与控制驱动电路；在电压/电流反馈与控制驱动电路中，电压/电流反馈电路连接负载Rn，控制驱动电路连接开关管Qn的驱动极，根据电压/电流反馈信号对开关管Qn进行控制；主输出电源模块和各基本输出电源模块中的二极管Dn分别通过导线接至变压器副边，实现主输出电源模块与各基本输出电源模块之间相互并联；主输出电源模块的设定输出电压要高于各基本输出电源模块。
在各基本输出电源模块中，二极管Dn、开关管Qn与负载Rn依次串联，电容Cn与负载Rn并联；或者，对开关管Qn位置进行调整，将其设于电源输出正极和二极管Dn之间；或者，对开关管Qn位置进行调整，将其设于负载Rn和变压器公共地之间(如图5所示)。电压/电流反馈电路是单独的电压反馈电路或电流反馈电路，即各模块独立进行电压采样或者电流采样。各基本输出电源模块可选地具有完全相同的电路结构。
基于上述开关电源的模块化多路输出电路，，本发明提高的控制方法，包括：
(1)利用各基本输出电源模块中的电压/电流反馈与控制驱动电路，采集其各自的输出电压或者电流，然后根据采集信号与设定值的差值对开关管Qn进行控制以实现对输出电压或者电流的调整；
在针对基本输出电源模块中开关管Qn进行调整时，或在针对主输出电路的输出电压或电流进行控制时，采用的控制方法可选是下述的任意一种：滞环控制、脉宽调制控制或固定导通时间控制。
(2)各基本输出电源模块的采集和调整操作均为独立进行，与其它基本输出电源模块或主输出电源模块均不关联；为了简化控制，主输出电源模块的设定输出电压，要高于各基本输出电源模块的输出电压；
(3)利用电压/电流反馈电路，采集变压器副边侧的主输出电源电路的输出电压或者电流；根据采集信号与设定值的差值对变压器原边电路的电流大小进行调整，进而实现对主输出电路的输出电压或电流的控制。
下面结合具体实例，进一步展示本发明的应用方法：
现有技术中常见的反激电源如图1所示。在该方案中，通过开关管Q1进行开关，将原边的能量通过变压器T1传送到变压器副边。一般来说，如果副边只有1个绕组，其输出电压也只有一个；想要输出多个副边电压，就需要增加变压器绕组，通过增加变压器绕组来进行多个电压的输出。但是这样就会导致以下两个问题：
1、由于输出电源的输出绕组互相耦合，负载调整率比较大。而变压器变比是固定的，两路输出电源是耦合的情况下，如果其中一个电源的一个负载变化的话，另一个的电源的输出电压或者电流也会相应变化，不能做到独立控制。
2、变压器绕组的增加是有限度的，一般也就2-3个。绕组增加越多，负载调整率越大。
本发明提出的模块化多路输出电源的电路和控制方法，通过在输出端增加主动控制元件，可以独立得调整多路输出电源每一路的电压和电流。
以图2中显示的双路输出的反激电路为例，在不增加绕组的情况下，通过在变压器副边增加一个二极管D3、电容C3和开关管Q3、电压/电流反馈与控制驱动电路，组成一个基本输出电源模块；通过电压/电流反馈与控制驱动电路控制开关管Q3的开关，可以容易的控制该路电源的输出电压或者输出电流。该电路的主要特点有2个：
a)不用改变原来电路的参数和控制，只需在现有开关电源的副边侧电路基础上增加一个基本输出电源模块，该模块内部自带实现独立反馈和控制的驱动电路及配套开关管。
b)由于该电路只是在变压器的副边增加并联模块，因此在不同的电路拓扑中都可以使用，包括但不限于反激电路、正激电路、LLC电路、LCC电路、BUCK电路、BOOST电路全桥整流电路或全桥移相电路等。
该模块化输出电源的每一路模块都是独立控制的，在考虑图2所示最简单情况两个输出电源的情况下，控制方式如下：
1、根据输出电压由高向低排列，将输出电压较高的电源设为输出电源A，输出电压较低的电源设为输出电源B(以图2中右上侧的基本输出电源模块为例)。输出电源B的开关管Q3根据其输出电压或者输出电流的要求进行独立控制，控制方法可以是滞环控制、脉宽调制控制、固定导通时间控制等。以滞环控制为例，采样负载R3上的电压或者电流，在输出电源B的输出电压或者电流低于设定值的时候，导通开关管Q3,在输出电压或者电流高于设定值的时候，断开开关管Q3，这样可以保证输出电源B的电压或者电流处于设定值的限值以内，保证电源输出的稳定。当开关管Q3导通时，由于电源B比电源A的输出电压更低，因此变压器副边电流会流向电源B，此时电源B获得变压器从原边传递到副边的电能。
当开关管Q3关闭时，此时变压器副边电流流向电源A，此时电源A获得变压器传输的电能。电压/电流反馈电路采样电源A的电压或者电流信息进行反馈，通过控制驱动电路调整变压器原边电路的控制来调整输出电源A的电压或电流。当输出电源A的电压或者电流超过设定值的时候，减小变压器原边的电流，如减小Q1开关管PWM的脉宽或者降低开关频率(对于固定开关周期的控制方式)，反之则对Q1进行相反的控制。因此通过开关管Q3来独立控制输出电源B，通过控制变压器原边的电流大小来控制输出电源A，这样两组输出电源都能得到很好的控制而不会产生互相干扰。
2、对如图3所示的多路输出电源来讲，可以采用同样的策略，即通过控制变压器原边的电流大小来控制输出电压最高的电源，其它多路输出电源模块根据自身的反馈，通过控制串联的开关管开关来独立控制本电源的输出电压或者电流。
基于上述具体实施例子的描述可以看出，本发明使用的模块化多路输出电源比较好的解决了现有技术存在的问题，通过使用一个变压器副边绕组就能实现2个以上不同电压的输出；而且每个增加的输出电压模块控制都是独立的，可以随意增加或者减少输出电压模块，不用修改既定的反馈和控制，增加成本少，可实现多路输出功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种开关电源的模块化多路输出电路，包括设于开关电源的变压器副边侧的主输出电源模块；其特征在于，在变压器副边侧还设有n组基本输出电源模块，n≥1；
所述主输出电源模块包括二极管、电容、负载和电压/电路反馈电路，电压/电路反馈电路通过光耦将主输出电源模块的电压/电流信号反馈给变压器原边电路，用于调控变压器原边电路中的电流；
所述基本输出电源模块包括二极管Dn、电容Cn、开关管Qn和电压/电流反馈与控制驱动电路；在电压/电流反馈与控制驱动电路中，电压/电流反馈电路连接负载Rn，控制驱动电路连接开关管Qn的驱动极，根据电压/电流反馈信号对开关管Qn进行控制；
主输出电源模块和各基本输出电源模块中的二极管Dn分别通过导线接至变压器副边，实现主输出电源模块与各基本输出电源模块之间相互并联。
2.根据权利要求1所述的模块化多路输出电路，其特征在于，在各基本输出电源模块中，二极管Dn、开关管Qn与负载Rn依次串联，电容Cn与负载Rn并联；或者，对开关管Qn位置进行调整，将其设于电源输出正极和二极管Dn之间；或者，对开关管Qn位置进行调整，将其设于负载Rn和变压器公共地之间。
3.根据权利要求1所述的模块化多路输出电路，其特征在于，在各基本输出电源模块中，所述电压/电流反馈电路是单独的电压反馈电路或电流反馈电路，即各模块独立进行电压采样或者电流采样。
4.根据权利要求1所述的模块化多路输出电路，其特征在于，所述各基本输出电源模块具有完全相同的电路结构。
5.根据权利要求1所述的模块化多路输出电路，其特征在于，所述变压器原边侧的电路设有开关管和控制驱动电路，控制驱动电路的一端通过光耦与主输出电源模块的电压/电路反馈电路相接，另一端与开关管的驱动极相接；或者，变压器原边侧的电路是DCDC变换电路，该电路的控制电路通过光耦与主输出电源模块的电压/电路反馈电路相接。
6.根据权利要求1所述的模块化多路输出电路，其特征在于，所述变压器原边的电路是下述的任意一种：反激电路、正激电路、LLC电路、LCC电路、BUCK电路、BOOST电路全桥整流电路或全桥移相电路。
7.权利要求1至6任意一项中所述模块化多路输出电路的控制方法，其特征在于，包括：
(1)利用各基本输出电源模块中的电压/电流反馈与控制驱动电路，采集其各自的输出电压或者电流，然后根据采集信号与设定值的差值对开关管Qn进行控制以实现对输出电压或者电流的调整；
(2)各基本输出电源模块的采集和调整操作均为独立进行，与其它基本输出电源模块或主输出电源模块均不关联；为了简化控制，主输出电源模块的设定输出电压，要高于各基本输出电源模块的输出电压；
(3)利用电压/电流反馈电路，采集变压器副边侧的主输出电源电路的输出电压或者电流；根据采集信号与设定值的差值对变压器原边电路的电流大小进行调整，进而实现对主输出电路的输出电压或电流的控制。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在针对基本输出电源模块中开关管Qn进行调整时，或在针对主输出电路的输出电压或电流进行控制时，采用的控制方法是下述的任意一种：滞环控制、脉宽调制控制或固定导通时间控制。
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| WO2024092953A1 (zh) * | 2022-11-01 | 2024-05-10 | 深圳国爱全电化智慧科技有限公司 | 电流反馈电路及电火灶 |
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| WO2024092953A1 (zh) * | 2022-11-01 | 2024-05-10 | 深圳国爱全电化智慧科技有限公司 | 电流反馈电路及电火灶 |
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