CN115133779B - 一种隔离供电、电流采样控制电路 - Google Patents

一种隔离供电、电流采样控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及隔离型开关电源领域，尤其涉及一种隔离供电、电流采样控制电路，包括开关功率电路、变压器T2、第一开关二极管D1、第二开关二极管D2、第三开关二极管D3、第四开关二极管D4、第一N型MOS管Q2、第二N型MOS管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2。本发明通过一个磁芯实现隔离电源前级峰值电流采样和次级隔离供电的功能，解决了元器件数量多、磁芯体积大、价格昂贵的问题。

Description

一种隔离供电、电流采样控制电路
技术领域
本发明涉及隔离型开关电源领域，具体为一种隔离供电、电流采样控制电路。
背景技术
峰值电流控制是隔离式DC/DC变换器的一种经典控制方法，适用于当前常见的所有功率变换拓扑，在DC/DC变换器中大量应用。对于隔离式峰值电流控制的DC/DC变换器存在两个关键技术：(1)次级侧有源器件的隔离供电，(2)功率变压器原边侧峰值电流的采样。
目前的隔离供电电路如图1所示，由变压器T2、三极管P1、二极管D1以及电阻、电容构成。P1的发射极接开关电源前级稳压电源Vcc1，P1的基极通过电阻R2接开关电源内部驱动信号。工作过程如图2所示，当P1基极为低电平时，P1导通，T2-1为高电平，对应T2-4为负电平；当P1基极为高电平时，P1截止，T2-1为负电平，对应T2-4为高电平，T2-4电压信号经过D1、C2整流滤波后形成Vcc2。
目前的电流采样电路如图3所示，图中T1为电流互感器，功率开关Q2和绕组Np串联在开关电源前级功率回路中，流经互感器T1初级绕组Np的峰值电流感应到次级绕组Ns中，经Ns的异名端流出，并通过电阻R1转换为电压信号，该信号经过低通滤波器滤除噪声信号(关键节点波形如图4所示)，形成采样信号Vcs。
常见的方法将峰值电流采样与隔离供电分开实施，核心器件包含电流互感器和隔离变压器，两个器件均由磁芯构成。由此带来元器件数量多、磁芯体积大、价格昂贵的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种隔离供电、电流采样控制电路。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种隔离供电、电流采样控制电路，包括开关功率电路、变压器T2、第一开关二极管D1、第二开关二极管D2、第三开关二极管D3、第四开关二极管D4、第一N型MOS管Q2、第二N型MOS管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2；
隔离供电电路为：变压器T2的第一原边绕组Np2的异名端与开关电源内部前级稳压源Vc1连接；第一原边绕组Np2的同名端与第一N型MOS管Q2的漏极连接，第一N型MOS管Q2的源极接地；变压器T2的次级绕组Ns2的异名端与第一开关二极管D1的阴极连接，第一开关二极管D1的阳极接次级侧地；变压器T2的次级绕组Ns2的同名端接第三开关二极管D3的阳极，第三开关二极管D3的阴极与第一滤波电容C1的一端共同接输出端口Vc2，输出端口Vc2V输出的电压为产生的隔离直流电压，第一滤波电容C1的另一端接次级侧地；
电流采样电路为：变压器T2的第二原边绕组Np3的异名端与开关功率电路连接，第二原边绕组Np3的同名端接地；变压器T2的次级绕组Ns2同名端与第二开关二极管D2的阴极连接，第二开关二极管D2的阳极接次级地；次级绕组Ns2的异名端与第二N型开关MOS管Q3的漏极连接，第二N型开关MOS管Q3的源极与第四开关二极管D4的阳极连接，第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端均与第二开关二极管D4的阴极连接，第一电阻R1的另一端连接到次级地，第二电阻R2的另一端依次连接第二滤波电容C2的一端和输出Vcs端口，输出Vcs端口输出的信号为产生的峰值电流采样信号，第二滤波电容C2的另一端接次级地。
优选的，第一N型MOS管Q2的栅极的驱动信号为固定占空比信号。
优选的，第一N型MOS管Q2的栅极的驱动信号的占空比小于20％。
优选的，第二N型MOS管Q3的栅极的驱动信号与开关电源前级功率开关的驱动信号相同。
优选的，变压器T2的第二原边绕组Np3与次级绕组Ns2之间满足关系：
优选的，开关功率电路包括功率变压器T1、功率开关MOS管Q1、整流二极管Do、第一输出滤波电容Co1和第二输出滤波电容Co2，变压器T2的第二原边绕组Np3的异名端依次与功率开关MOS管Q1的源极和变压器T1的功率原边绕组Np1串联，功率变压器T1的功率次级绕组Ns1的一端与整流二极管Do的阳极连接，第一输出滤波电容Co1和第二输出滤波电容Co2并联后一端与整流二极管Do的阴极连接，另一端与功率变压器T1的次级绕组Ns1的另一端连接。
优选的，开关电源内部前级稳压源Vc1与DC/DC内部稳压源连接。
优选的，DC/DC内部稳压源的电压为10V～15V。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种隔离供电、电流采样控制电路将DC/DC内部供电的隔离变压器与电流互感器合二为一，通过在互感器中增加供电绕组，以及外围信号传递控制电路，在同一磁芯下实现峰值电流采样和隔离供电，可以实现内部有源器件供电、初级侧峰值电流采样，减少了元器件数量、降低了成本、提升了装配密度，具有线路结构简单、波形质量好、集成度高的特点。
附图说明
图1为常规隔离供电电路；
图2为常规隔离供电关键节点波形；
图3为常规电流采样电路；
图4为常规电流采样关键节点波形；
图5为本发明整体电路示意图；
图6为本发明的隔离供电、电流采样原理图；
图7为本发明中隔离供电电路；
图8为本发明中隔离供电关键节点电压电流波形；
图9为本发明中电流采样电路；
图10为本发明中电流采样关键节点波形；
图11为本发明整体电路关键节点波形。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开了一种隔离供电、电流采样控制电路，参照图5，包括开关功率电路、变压器T2、第一开关二极管D1、第二开关二极管D2、第三开关二极管D3、第四开关二极管D4、第一N型MOS管Q2、第二N型MOS管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2,。
开关功率电路(图5虚线框1)包括功率变压器T1、功率开关MOS管Q1、整流二极管Do、第一输出滤波电容Co1和第二输出滤波电容Co2，变压器T2的第二原边绕组Np3的异名端依次与功率开关MOS管Q1的源极和变压器T1的功率原边绕组Np1串联，功率原边绕组Np1的另一端与DC/DC输入电压Vin连接，功率变压器T1的功率次级绕组Ns1的一端与整流二极管Do的阳极连接，第一输出滤波电容Co1和第二输出滤波电容Co2并联后的一端与整流二极管Do的阴极连接，输出DC/DC输出电压Vo，并联后的另一端与功率变压器T1的次级绕组Ns1的另一端连接，并接次级侧地，输出地Go。
参照图6、7，隔离供电电路为：变压器T2的第一原边绕组Np2的异名端与开关电源内部前级稳压源Vc1连接，开关电源内部前级稳压源Vc1与10V～15V的DC/DC内部稳压源连接。
第一原边绕组Np2的同名端与第一N型MOS管Q2的漏极连接，第一N型MOS管Q2的源极接地；变压器T2的次级绕组Ns2的异名端与第一开关二极管D1的阴极连接，第一开关二极管D1的阳极接次级侧地；变压器T2的次级绕组Ns2的同名端接第三开关二极管D3的阳极，第三开关二极管D3的阴极与第一滤波电容C1的一端共同接输出端口Vc2，输出端口Vc2V输出的电压为产生的隔离直流电压，第一滤波电容C1的另一端接次级侧地。
其中，第一N型MOS管Q2的栅极的驱动信号为占空比小于20％的固定占空比信号。
变压器T2的第一原边绕组Np2和次级绕组Ns2以及第一N型MOS管Q2、第一开关二极管D1、第三开关二极管D3、第一滤波电容C1构成单端反激功率拓扑。
图8为隔离供电的关键节点电压电流波形，t0时刻，第一N型MOS管Q2导通，第一原边绕组Np2上的电流I_Q2ds线性上升，变压器T2的磁芯储能；到t1时刻，第一N型MOS管Q2关断，第一N型MOS管Q2的漏极电压V_Q2ds反激上升，此时次级绕组Ns2同名端的电压上升，变压器T2的磁芯所储能量经第三开关二极管D3输出，且到t3时刻，磁芯能量完全释放，次级电流I_D3下降为0。经第一滤波电容C1滤波后，形成稳定的输出电压Vc2从输出端口Vc2输出，输出电压Vc2为产生的隔离直流电压。
参照图9，电流采样电路为：变压器T2的第二原边绕组Np3的异名端与开关功率电路连接，第二原边绕组Np3的同名端接地；变压器T2的次级绕组Ns2同名端与第二开关二极管D2的阴极连接，第二开关二极管D2的阳极接次级地；次级绕组Ns2的异名端与第二N型开关MOS管Q3的漏极连接，第二N型开关MOS管Q3的源极与第四开关二极管D4的阳极连接，第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端均与第二开关二极管D4的阴极连接，第一电阻R1的另一端连接到次级地，第二电阻R2的另一端依次连接第二滤波电容C2的一端和输出Vcs端口，输出Vcs端口输出的信号为产生的峰值电流采样信号，第二滤波电容C2的另一端接次级地。
其中，第二N型MOS管Q3的栅极的驱动信号与开关电源前级功率开关的驱动信号相同。变压器T2的第二原边绕组Np3与次级绕组Ns2之间满足关系：
变压器T2的第二原边绕组Np3和次级绕组Ns2构成电流互感器，第二N型MOS管Q3、第四开关二极管D4构成单向导通开关，第一电阻R1将电流信号转换为电压信号，第二电阻R2、第二滤波电容C2滤除噪声信号。第二N型MOS管Q3的驱动信号与开关电源前级功率开关的驱动信号相同。
图10为电流采样关键节点电压电流波形。t0时刻开关电源功率开关开通，功率回路中的电流(I_Np3)线性上升，由绕组异名端流入；t3时刻开关电源功率开关关断，I_Np3电流达到最大值；根据电流互感器原理，t0～t3时间内，I_Np3电流耦合到次级绕组Ns2上，形成感应电流I_Ns2。该电流由Ns2绕组异名端流出，经第二N型MOS管Q3、第四开关二极管D4后在第一电阻R1上转换为电压信号，该信号再次经过噪声滤波电路第二电阻R2、第二滤波电容C2形成采样信号Vcs。
图中I_D4电流信号在t0～t1时间与t1～t3时间中斜率不同，是由于在t0～t1时间内，供电开关第一N型MOS管Q2导通，第一原边绕组Np2励磁所致。由于第一原边绕组Np2用于实现内部供电，所需能量较小，在第一N型MOS管Q2开通时间内电流上升幅度远小于功率单元开关导通时的峰值电流，故对于功率单元峰值电流采样影响可以忽略。同时第二N型MOS管Q3、第四开关二极管D4构成单向导通开关，即只有第二N型MOS管Q3导通时，峰值电流信号得以传递。
图11为整体电路的关键节点波形。其中功率开关MOS管Q1和第二N型MOS管Q3的栅极驱动信号同步，分别为Q1_g和Q3_g，V_Q1ds为功率开关MOS管Q1的漏极电压波形，I_Q1ds为功率开关MOS管Q1的漏源电流，I_Do为整流二极管Do的电流波形，Q2_g为第二N型MOS管Q2的栅极驱动波形，V_Q2ds为第二N型MOS管Q2的漏源电压波形，I_Q2ds为第二N型MOS管Q2的漏源电流波形，I_D3为第三开关二极管D3的电流波形，Vc2为第三开关二极管D3整流滤波后的电压波形，I_D4为第四开关二极管D4的电流波形，Vcs为经第四开关二极管D4整流、第二电阻R2、第二滤波电容C2积分后的电压波形。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种隔离供电、电流采样控制电路，其特征在于，包括开关功率电路、变压器T2、第一开关二极管D1、第二开关二极管D2、第三开关二极管D3、第四开关二极管D4、第一N型MOS管Q2、第二N型MOS管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第一滤波电容C1和第二滤波电容C2；
隔离供电电路为：变压器T2的第一原边绕组Np2的异名端与开关电源内部前级稳压源Vc1连接；第一原边绕组Np2的同名端与第一N型MOS管Q2的漏极连接，第一N型MOS管Q2的源极接地；变压器T2的次级绕组Ns2的异名端与第一开关二极管D1的阴极连接，第一开关二极管D1的阳极接次级侧地；变压器T2的次级绕组Ns2的同名端接第三开关二极管D3的阳极，第三开关二极管D3的阴极与第一滤波电容C1的一端共同接输出端口Vc2，输出端口Vc2输出的电压为产生的隔离直流电压，第一滤波电容C1的另一端接次级侧地；
电流采样电路为：变压器T2的第二原边绕组Np3的异名端与开关功率电路连接，第二原边绕组Np3的同名端接地；变压器T2的次级绕组Ns2同名端与第二开关二极管D2的阴极连接，第二开关二极管D2的阳极接次级地；次级绕组Ns2的异名端与第二N型开关MOS管Q3的漏极连接，第二N型开关MOS管Q3的源极与第四开关二极管D4的阳极连接，第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端均与第二开关二极管D4的阴极连接，第一电阻R1的另一端连接到次级地，第二电阻R2的另一端依次连接第二滤波电容C2的一端和输出Vcs端口，输出Vcs端口输出的信号为产生的峰值电流采样信号，第二滤波电容C2的另一端接次级地。
2.根据权利要求1所述的隔离供电、电流采样控制电路，其特征在于，第一N型MOS管Q2的栅极的驱动信号为固定占空比信号。
3.根据权利要求2所述的隔离供电、电流采样控制电路，其特征在于，第一N型MOS管Q2的栅极的驱动信号的占空比小于20％。
4.根据权利要求1所述的隔离供电、电流采样控制电路，其特征在于，第二N型MOS管Q3的栅极的驱动信号与开关电源前级功率开关的驱动信号相同。
5.根据权利要求1所述的隔离供电、电流采样控制电路，其特征在于，变压器T2的第二原边绕组Np3与次级绕组Ns2之间满足关系：
6.根据权利要求1所述的隔离供电、电流采样控制电路，其特征在于，开关功率电路包括功率变压器T1、功率开关MOS管Q1、整流二极管Do、第一输出滤波电容Co1和第二输出滤波电容Co2，变压器T2的第二原边绕组Np3的异名端依次与功率开关MOS管Q1的源极和变压器T1的功率原边绕组Np1串联，功率变压器T1的功率次级绕组Ns1的一端与整流二极管Do的阳极连接，第一输出滤波电容Co1和第二输出滤波电容Co2并联后一端与整流二极管Do的阴极连接，另一端与功率变压器T1的次级绕组Ns1的另一端连接。
7.根据权利要求1所述的隔离供电、电流采样控制电路，其特征在于，开关电源内部前级稳压源Vc1与DC/DC内部稳压源连接。
8.根据权利要求1所述的隔离供电、电流采样控制电路，其特征在于，DC/DC内部稳压源的电压为10V～15V。
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