CN115912927A - 一种开关电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源及其控制方法，其中一个实施例包括：变压器、第一开关管、第二开关管、第一电阻、第一二极管、第一电容、控制装置和次级侧回路。控制装置通过获取供电电压Vcc与预设值比较控制第二开关管的开关状态，一方面可以保证在开关电源电路刚启动时就建立足够的供电电压信号，减少开关电源的启机时间，简化了供电电路结构，允许减小供电电容的容值和启动电流，有利于减小启动电路的损耗；另一方面，第二开关管的工作时序与第一开关管互相独立，控制实现更简单，使得开关电源的成本更低、可集成度更高。

Description

一种开关电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源领域，特别涉及一种开关电源及其控制方法。

背景技术

开关电源电路通过开关管的导通和关断以将输入信号转换为输出信号，一般开关电源电路采用控制装置来控制开关管的导通和关断，且该控制装置需要直流电压进行供电。在开关电源电路中，常采用低压差线性调节器、集成钳位电路以及第三绕组等方式产生供电电压信号。虽然采用低压差线性调节器和集成钳位电路产生供电电压信号的结构简单，但是损耗很大，导致开关电源效率降低；而通过第三绕组产生供电电压信号虽然损耗较小，但是在开关电源电路刚启动时，第三绕组的供电电压信号需要一段时间才能建立，对开关电源供电电路提出了更高的要求。

如图1所示，为现有技术的一种利用第三绕组产生供电电压信号的开关电源电路图，所述开关电源电路包括变压器、第一开关管、第一二极管、第一电容器、控制装置和次级侧回路等，其中第一电容器两端的电压为控制装置的供电电压Vcc。在开关电源电路启动时，输入电压通过额外启动电路为第一电容器进行充电，当Vcc增大到足以使控制装置开始工作后，变压器的第三绕组通过第一二极管为控制装置供电。为了保证在第三绕组的供电电压信号建立前，所述控制装置能够维持正常工作，通常要求启动电流足够大或第一电容器的容值足够大。然而，增大启动电流会增加启动电路消耗的功率，导致开关电源的效率降低，增大第一电容器的容值会导致开关电源的启机时间变长，同时使得开关电源成本增高，体积增大。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种开关电源及其控制方法，用以产生控制装置所需的供电电压，并且在开关电源刚启动时就建立足够的供电电压信号，减少开关电源的启机时间，同时也能减小所述开关电源启动电流和供电电容容值，降低产品成本，减小产品体积。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，提供一种开关电源，包括：变压器、第一开关管、第一电阻、控制装置、供电电路和次级侧回路；所述供电电路包括第二开关管和供电支路；

所述变压器的原边绕组的第一端作为所述开关电源的输入正端，副边绕组与所述次级侧回路连接；

所述次级侧回路的输出端作为所述开关电源的输出端用于与负载连接；

所述第一开关管的第一端与所述变压器原边绕组的第二端电连接，所述第一开关管的第二端与所述控制装置的第一控制端电连接，所述第一开关管的第三端与所述第二开关管的第一端、所述供电支路的第一端电连接；

所述第二开关管的第二端与所述控制装置的第二控制端电连接，所述第二开关管的的第三端与所述第一电阻的第一端、供电支路的第三端电连接；

所述第一电阻的第二端接地；

所述供电电路和所述供电支路的第二端与所述控制装置的供电电压端电连接；

当所述控制装置判定供电电压端的供电电压VCC小于第一预设值V_th1时，控制第二开关管关断；

当所述控制装置判定供电电压端的供电电压VCC大于或等于第一预设值V_th2时，控制所述第二开关管导通。

优选地，所述供电支路的第三端还与所述控制装置的地端连接；所述供电支路包括第一电容和第一二极管；所述第一二极管的阳极作为所述供电支路的第一端；所述第一二极管的阴极与所述第一电容的第一端连接后，作为所述供电支路的第二端；所述第一电容的第二端作为所述供电支路的第三端。

优选地，所述开关电源还包括第二二极管，所述变压器设有第三绕组；所述第三绕组设于所述变压器的原边，所述第三绕组的第一端接地，第二端与所述第二二极管的阳极连接；所述第二二极管的阴极与所述第一二极管的阴极、所述第一电容的第一端连接。

优选地，所述供电支路还包括第四端，第四端与所述控制装置的地端连接；所述供电支路包括第一电容、第一二极管、第二电阻和第二电容；所述第一二极管的阳极作为所述供电支路的第一端；所述第一二极管的阴极与所述第一电容的第一端、所述第二电阻的第一端连接；所述第二电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接后，作为所述供电支路的第二端；所述第二电容的第二端作为所述供电支路的第四端；所述第一电容的第二端作为所述供电支路的第三端。

优选地，所述第二电阻的阻值是所述第一电阻的阻值的预定倍，所述预定倍大于10。

优选地，还包括钳位电路，所述钳位电路的第一端与所述原边绕组的第一端连接，第二端与所述原边绕组的第二端、所述第一开关管的第一端连接。

优选地，所述钳位电路为无源钳位电路或有源钳位电路。

优选地，所述第一开关管和/或所述第二开关管为MOS管，所述第一开关管和所述第二开关管的第一端均为漏极，第二端均为栅极，第三端均为源极。

第二方面，提供一种开关电源的控制方法，包括：

第二开关管关断步骤，当所述控制装置判定供电电压端的供电电压VCC小于第一预设值V_th1时，控制第二开关管关断，以使所述开关电源输入正端的电能在所述第一开关管导通时，所述供电支路充电储能；

第二开关管导通步骤，当所述控制装置判定供电电压端的供电电压VCC大于或等于第一预设值V_th2时，控制所述第二开关管导通，以使所述开关电源在所述第一开关管导通时，通过所述第一开关管和所述第二开关管给所述变压器的原边绕组激磁，在所述第一开关管关断时将所述变压器的原边绕组中存储的能量向所述次级侧回路传递。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明通过获取供电电压Vcc与预设值比较实现对第二开关管的开关状态的控制，一方面，可以保证在开关电源电路刚启动时就建立足够的供电电压信号，减少开关电源的启机时间，简化了供电电路结构，允许减小供电电容的容值和启动电流，有利于减小启动电路的损耗，使得开关电源的成本更低、体积更小；另一方面，本发明的供电电路中输入电压通过第一开关管和第一二极管为Vcc供电的充电电流会全部或绝大部分流经第一电阻，不会影响对功率级电流峰值电流的采样，便于实现对输出恒流大小和输出过流保护的精确控制。此外，采用本发明内容的开关电源电路中的第二开关管的工作时序与第一开关管互相独立，控制实现更简单，可集成度更高。

附图说明

图1为应用现有技术的一种第三绕组供电方式的开关电源原理图。

图2为应用本发明第一实施例的开关电源的原理图。

图3为第一实施例提供的开关电源的关键工作过程波形图。

图4为应用本发明第二实施例的开关电源的原理图。

图5为应用本发明第二实施例的开关电源的另一原理图。

图6为应用本发明第三实施例的开关电源的原理图。

图7为第三实施例提供的开关电源的关键工作过程波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合具体实施方式和说明书附图对本发明及其有益效果作进一步详细说明，但是，本发明的具体实施方式并不局限于此。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中描述的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列元器件、单元电路或控制时序不必限于清楚地列出的那些元器件、单元电路或控制时序，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些电路固有的元器件、单元电路或控制时序。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

此外，本公开附图仅为本公开的示意图，并非一定是按比例绘制。附图中相同的标记表示相同或类似的部分，因而将省略对其重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以运用软件来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

第一实施例

请参阅图2，为一种应用本发明第一实施例的开关电源的原理图。在本实施例中，提供一种开关电源，所述开关电源包括：变压器T1、第一开关管Q1、第一电阻R1、控制装置、供电电路和次级侧回路。所述供电电路包括第一二极管D1、第二开关管Q2、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2；

所述第一开关管Q1的第一端与所述变压器T1原边绕组的第二端电连接，所述第一开关管Q1的第二端与所述控制装置的第一控制端电连接，所述第一开关管Q1的第三端与所述第二开关管Q2的第一端、第一二极管D1的阳极电连接；

所述第二开关管Q2的第二端与所述控制装置的第二控制端电连接，所述第二开关管Q2的第三端与所述第一电阻R1的第一端、第一电容C1的第二端电连接；

所述第一二极管D1的阴极与第一电容C1的第一端、第二电阻R2的第一端电连接；

所述第二电阻R2的第二端与第二电容C1的第一端电连接，且所述第二电阻R2的第二端还电连接至供电电压端Vcc；

所述第一电阻R1的第二端与所述第二电容C2的第二端电连接，所述第一电阻R1的第二端电连接至所述开关电源输入地端，且为所述控制装置的参考地GND。

在本实施例中，所述开关电源还包括钳位电路，所述钳位电路的第一端与所述变压器T1原边绕组的第一端、所述开关电源输入正端Vin电连接，所述钳位电路的第二端与所述变压器T1原边绕组的第二端、第一开关管Q1的第一端电连接。

在本实施例中，所述第二电阻R2的阻值是所述第一电阻R1的阻值的预定倍，所述预定倍大于10。

具体的，所述控制装置的第一控制端输出第一控制信号SW1以控制第一开关管Q1的导通或关闭，所述控制装置的第二控制端输出第二控制信号SW2以控制第二开关管Q2的导通或关闭。第一开关管Q1和第二开关管Q2可以均为MOS管，也可以是其他能实现相同开关功能的器件；在具体实施过程中，第一开关管Q1和第二开关管Q2均为NMOS增强型场效应管，第一端均为漏极，第二端均为栅极，第三端均为源极。

具体的，本实施例所述的次级侧回路可以为图1所示的次级侧回路，亦可以为如图2所示的次级侧回路，在此不做限制。

结合上述开关电源，在本实施例中，提供一种开关电源的控制方法，包括如下步骤：

第二开关管Q2关断步骤，当所述控制装置获取所述供电电压Vcc小于第一预设值V_th1时，控制第二开关管Q2关断，以使所述开关电源输入正端Vin的电能在第一开关管Q1导通时，通过所述第一开关管Q1和第一二极管D1为所述第一电容C1充电，并继续通过所述第二电阻R2为第二电容C2充电。

第二开关管Q2导通步骤，当所述控制装置获取所述供电电压Vcc大于第二预设值V_th2时，控制第二开关管Q2导通，以使所述开关电源输入电压Vin在第一开关管Q1导通时通过第一开关管Q1和第二开关管Q2给变压器T1原边绕组激磁，在第一开关管Q1关断时将所述变压器T1原边绕组中存储的能量向次级侧回路进行能量传递。

本实施例通过获取供电电压Vcc与预设值比较实现对第二开关管的开关状态的控制，一方面，可以保证在开关电源电路刚启动时就建立足够的供电电压信号，减少开关电源的启机时间，简化了供电电路结构，允许减小供电电容的容值和启动电流，有利于减小启动电路的损耗，使得开关电源的成本更低、体积更小；另一方面，由于第二电阻R2的阻值远大于第一电阻R1的阻值，因此本发明的供电电路中输入电压通过第一开关管和第一二极管为Vcc供电的充电电流会全部或绝大部分流经第一电阻，不会影响对功率级电流峰值电流的采样，便于实现对输出恒流大小和输出过流保护的精确控制。此外，采用本发明内容的开关电源电路中的第二开关管的工作时序与第一开关管互相独立，控制实现更简单，可集成度更高。

参考图3，为本实施例开关电源工作波形图，以下结合图3对本实施例的控制方法进行详细说明：

根据开关电源的工作状态可以将所述供电电压Vcc的每个充电周期分为三个细分的时间段。

在第一时间段内(t0～t1)，第二开关管Q2为关断状态，第一开关管Q1导通，所述开关电源输入正端Vin的电能对变压器T1原边绕组激磁的同时，通过所述第一开关管Q1和第一二极管D1以第一电流值为所述第一电容C1充电，并继续通过所述第二电阻R2以第二电流值为第二电容C2充电，这一时间段内开关电源工作于充电状态。由于所述第二电阻R2的阻值远大于所述第一电阻R1的阻值，使得第一电流值远远大于第二电流值，因此在此时间段内通过检测所述第一电流值基本不会影响对功率级电流峰值电流的采样。

在第二时间段内(t1～t2)，所述控制装置获取所述供电电压Vcc大于等于第二预设值V_th2，第二开关管Q2导通。当所述第一开关管Q1导通时，所述开关电源输入正端Vin的电能通过第一开关管Q1和第二开关管Q2进一步对变压器T1原边绕组激磁；当所述第一开关管Q1关断时，所述变压器T1原边绕组中存储的能量向次级侧回路进行能量传递。这一时间段内开关电源工作状态与普通反激一致。

在第三时间段内(t2～t3)，所述控制装置获取所述供电电压Vcc小于第一预设值V_th1，第二开关管Q2关断，为下一个开关周期充电过程作准备。这一时间段内第一开关管Q1尚未导通，所述开关电源输入正端Vin的电能无法为第二电容C2充电，开关电源处于预备充电状态，直到下一个周期第一开关管Q1导通。

其中，Vcc：控制装置的供电电压；

SW1：第一开关管Q1的驱动波形，高电平时导通、低电平时关断；

SW2：第二开关管Q2的驱动波形，高电平时导通、低电平时关断。

第二实施例

请参阅图4，为一种应用本发明第二实施例的开关电源的原理图。与第一实施例不同的是，在本实施例中，所述供电电路包括第一二极管D1和第一电容C1；

所述第一开关管Q1的第一端与所述变压器T1原边绕组的第二端电连接，所述第一开关管Q1的第二端与所述控制装置的第一控制端电连接，所述第一开关管Q1的第三端与所述第二开关管Q2的第一端、第一二极管D1的阳极电连接；

所述第二开关管Q2的第二端与所述控制装置的第二控制端电连接，所述第二开关管Q2的的第三端与所述第一电阻R1的第一端、第一电容C1的第二端电连接，且所述第二开关管Q2的的第三端还连接到所述控制装置的参考地GNDA；

所述第一二极管D1的阴极与第一电容C1的第一端电连接，且所述第一二极管D1的阴极还电连接至供电电压端Vcc；

所述第一电阻R1的第二端电连接至所述开关电源输入地端；

图4所示电路与第一实施例不同之处在于，图4中控制装置的参考地与所述第一电阻R1的第一端电连接，而第一实施例中控制装置的参考地与所述第一电阻R1的第二端及所述开关电源输入地端电连接，两者工作原理一致，此处不再赘述。

应用本发明第二实施例的供电电路的开关电源的Vcc充电电流会全部流经第一电阻R1，因此可完全实现对功率级电流峰值电流的准确采样；同时能进一步简化供电电路结构，使得开关电源的成本更低、可集成度更高。

第三实施例

本实施例提供的是一种包括第三绕组的开关电源，请参阅图6，包括第二实施例中任一项开关电源具体实施方式中的第一开关管Q1、第一电阻R1、第一二极管D1、第一电容C1、控制装置、供电电路、钳位电路和次级侧回路，以及第二二极管D2和包括第三绕组的变压器T1。所述第三绕组的同名端与所述控制装置的参考地GNDA连接，所述第三绕组的异名端与所述第二二极管D2的阳极电连接，所述第二二极管D2的阴极与所述第一二极管D1的阴极电连接。

参考图7，为应用本实施例的开关电源电路的工作波形图。应用本发明第三实施例的开关电源电路可以实现启动过程和稳态工作过程中Vcc供电的解耦，在第三绕组的供电电压信号V_th3建立之前通过控制所述第二开关管的开关状态为控制装置的供电电压Vcc供电，在第三绕组的供电电压信号V_th3建立之后，由第三绕组为控制装置的供电电压Vcc供电。所述第三绕组的供电电压信号V_th3大于第二预设值V_th2，所述控制装置控制所述第二开关管保持导通。本实施方式可以在兼顾启动过程和稳态工作过程Vcc供电效果的同时，进一步降低启动电流需求和减小供电电容的容值，提高开关电源的可靠性，并使开关电源获得更优的效率。

应当理解的是，尽管出于帮助更好地了解和理解本发明而描述了本发明的具体实施例，然而还存在与实施例等同的其他实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以上实施例以图解说明的方式而非限制方式给出示例，因此任何不脱离本发明的精神或实质而对该实施例所记载的技术方案中的全部或部分技术特性进行修改或替换，均应视为涵盖于权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种开关电源，其特征在于，包括：变压器、第一开关管、第一电阻、控制装置、供电电路和次级侧回路；所述供电电路包括第二开关管和供电支路；

所述变压器的原边绕组的第一端作为所述开关电源的输入正端，副边绕组与所述次级侧回路连接；

所述次级侧回路的输出端作为所述开关电源的输出端用于与负载连接；

所述第一开关管的第一端与所述变压器原边绕组的第二端电连接，所述第一开关管的第二端与所述控制装置的第一控制端电连接，所述第一开关管的第三端与所述第二开关管的第一端、所述供电支路的第一端电连接；

所述第二开关管的第二端与所述控制装置的第二控制端电连接，所述第二开关管的的第三端与所述第一电阻的第一端、供电支路的第三端电连接；

所述第一电阻的第二端接地；

所述供电电路与所述所述供电支路的第二端与所述控制装置的供电电压端电连接；

当所述控制装置判定供电电压端的供电电压VCC小于第一预设值V_th1时，控制第二开关管关断；

当所述控制装置判定供电电压端的供电电压VCC大于或等于第一预设值V_th2时，控制所述第二开关管导通。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述供电支路的第三端还与所述控制装置的地端连接；所述供电支路包括第一电容和第一二极管；所述第一二极管的阳极作为所述供电支路的第一端；所述第一二极管的阴极与所述第一电容的第一端连接后，作为所述供电支路的第二端；所述第一电容的第二端作为所述供电支路的第三端。

3.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括第二二极管，所述变压器设有第三绕组；所述第三绕组设于所述变压器的原边，所述第三绕组的第一端接地，第二端与所述第二二极管的阳极连接；所述第二二极管的阴极与所述第一二极管的阴极、所述第一电容的第一端连接。

4.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述供电支路还包括第四端，第四端与所述控制装置的地端连接；所述供电支路包括第一电容、第一二极管、第二电阻和第二电容；所述第一二极管的阳极作为所述供电支路的第一端；所述第一二极管的阴极与所述第一电容的第一端、所述第二电阻的第一端连接；所述第二电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接后，作为所述供电支路的第二端；所述第二电容的第二端作为所述供电支路的第四端；所述第一电容的第二端作为所述供电支路的第三端。

5.根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述第二电阻的阻值是所述第一电阻的阻值的预定倍，所述预定倍大于10。

6.根据权利要求1-5任一项所述的开关电源，其特征在于，还包括钳位电路，所述钳位电路的第一端与所述原边绕组的第一端连接，第二端与所述原边绕组的第二端、所述第一开关管的第一端连接。

7.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述钳位电路为无源钳位电路或有源钳位电路。

8.根据权利要求1-5任一项所述的开关电源，所述第一开关管和/或所述第二开关管为MOS管，所述第一开关管和所述第二开关管的第一端均为漏极，第二端均为栅极，第三端均为源极。

9.一种应用于权利要求1-8任一项所述开关电源的控制方法，其特征在于，包括：

第二开关管关断步骤，当所述控制装置判定供电电压端的供电电压VCC小于第一预设值V_th1时，控制第二开关管关断，以使所述开关电源输入正端的电能在所述第一开关管导通时，所述供电支路充电储能；

第二开关管导通步骤，当所述控制装置判定供电电压端的供电电压VCC大于或等于第一预设值V_th2时，控制所述第二开关管导通，以使所述开关电源在所述第一开关管导通时，通过所述第一开关管和所述第二开关管给所述变压器的原边绕组激磁，在所述第一开关管关断时将所述变压器的原边绕组中存储的能量向所述次级侧回路传递。

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