CN116470733A - 一种新型输入电压采集电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型输入电压采集电路，包括主功率模块、辅助源模块、整流模块、电压采样模块、锯齿调制斜坡信号生成模块；其中辅助源模块的输出电压经整流模块进行整流滤波，电压采样模块对该整流后的电压信号进行采样，锯齿调制斜坡信号生成模块对采样的电压信号进行调制，生成斜坡信号输出。本发明的方案在电源主功率模块旁增加辅助源模块，辅助源模块的功率低，自身产生的开关噪音小，从而将电压采样模块从主功率模块换至辅助源模块中，从而采集的电压不受主功率模块中各功率器件噪音的影响，防止每个开关周期占空比的不一致，避免引起磁偏，增加损耗，并可能引起变压器饱和，进而导致电源模块存在不可靠性问题。

Description

一种新型输入电压采集电路
技术领域
本发明属于电源领域，具体涉及一种新型输入电压采集电路。
背景技术
在隔离的数字电源控制方案中，一般将数字控制器放置在二次侧，采用电压环控制模式。在常规的数字电源前馈方案中，一般包含输入电压采样电路，锯齿调制斜坡信号生成电路，输出电压采样电路及控制模块，如图1所示，基于电压前馈功能，将输入电压信号经过锯齿调制斜坡信号生成线路生成的锯齿波加入到输出反馈环路中，是一种常用的方式。
现有公开的输入电压采集方式一般将输入电压信息的采集端口放在主变压器的二次侧绕组上，Vin信息采集信号的期望值是输入端信号的一个缩放，其理想采样线路和波形示意图如图2所示，其中，在一个开关周期内，当原边开关管导通，变压开始传送能量时，副边中间抽头上感应到与变压器匝比成比例的输入电压信息，此时图2中的Q1 截止，此输入电压信息经过R1、R3对C1充电，占空比结束时，Q1导通将C1短接迅速放电，因此在C1上可看到开关频率的周期性锯齿波信号，此信号与控制模块中的基准比较，控制驱动的占空比大小；
但由于实际上从主功率线路中获取的输入电压信号叠加了较多的不可靠开关噪音，这些开关噪音主要受到主变压器绕组的结构，各功率器件的选型，各开关管开关速度的快慢等因素影响，因此大小不可预估；
另外，在桥式拓扑的应用中，两桥臂上开关速度存在差异，功率器件之间的参数也会有所不同，这些因素也会引起Vin信息采集信号叠加不同的噪音，如图3所示，所述噪音不可控并会导致两桥臂的占空比不一致，如图4所示，图4中Vin电压检测信号为主变压器抽头上产生的输入电压检测信号，此电压检测信号为常规输入电压Vin信号叠加噪音后的波形图，可以看出相连两个周期中，信号噪音有较大差异，噪音的不同导致由此生成的斜坡信号斜率不同，噪音大的信号生成的斜坡信号斜率大，较大的斜率将使斜坡信号幅值更快达到comp电压的幅值，当斜坡信号幅值电压与comp信号幅值相同时，对应周期的PWM驱动结束，因此噪音信号较大对应的占空比DTB 比噪音信号较小对应的占空比DTA 更小，占空比出现周期性差异，最终引起磁偏，增加损耗，并可能引起变压器饱和，进而导致电源模块存在不可靠性问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种新型输入电压采集电路，避免因输入电压信号叠加不可控、不可靠、大小不可预估的开关噪音而导致的磁偏和损耗，变压器饱和，电源模块存在不可靠性等问题。
本发明提供的一种新型输入电压采集电路，包括主功率模块、辅助源模块、整流模块、电压采样模块、锯齿调制斜坡信号生成模块；
所述辅助源模块与主功率模块的输入端连接，辅助源模块的输出端、整流模块、电压采样模块、锯齿调制斜坡信号生成模块依次连接；
所述辅助源模块的输出电压经整流模块进行整流滤波，电压采样模块对该整流后的电压信号进行采样，锯齿调制斜坡信号生成模块对采样的电压信号进行调制，生成斜坡信号输出。
作为一种较佳的实施方式，所述主功率模块和辅助源模块均采用隔离式电源拓扑，其中辅助源模块的变压器一次侧与主功率模块的变压器一次侧连接。
作为一种较佳的实施方式，所述辅助源模块为fly buck隔离电路。
作为一种较佳的实施方式，所述主功率模块包括第一变压器、输入电感、输出电感、第一电容、第二电容、第三电容；
所述输入电感的一端与第一电容连接，输入电感的另一端同时与第二电容以及第一变压器的一次侧连接；第一电容、第二电容的另一端分别接地；
所述第一电容与输入电感连接的一端与辅助源模块连接；
所述第一变压器的二次侧与输出电感连接，输出电感的另一端与第三电容连接，第三电容的另一端接地。
作为一种较佳的实施方式，所述辅助源模块包括第二变压器、第四电容；
所述第二变压器的一次侧与主功率模块连接，第二变压器的一次还与第四电容的一端连接，第四电容的另一端接地；
第二变压器的二次侧与整流模块连接。
作为一种较佳的实施方式，所述整流模块包括第一二极管、第二二极管、第五电容、第六电容；
所述第五电容的一端与辅助源模块的输出端连接，第五电容的另一端同时与第一二极管的阴极以及第二二极管的阳极连接；
所述第一二极管的阳极接地，第二二极管的阴极与第六电容的一端连接，第六电容的另一端接地；
第二二极管的阴极与电压采样模块连接。
作为一种较佳的实施方式，所述锯齿调制斜坡信号生成模块用于将输入端电压信息转化为与主功率模块相同频率的周期性锯齿波信号。
作为一种较佳的实施方式，所述锯齿调制斜坡信号生成模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第七电容、MOSFET管；
所述第一电阻的一端与电压采样模块的输出端连接，第一电阻的另一端分别与第二电阻、第三电阻的一端连接，第二电阻、第三电阻的另一端分别与第七电容的两端连接；
所述第七电容的两端分别与MOSFET管的漏极和源极连接，MOSFET管的漏极输出斜坡信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点和有益效果在于：
本发明的方案在电源主功率模块旁增加辅助源模块，辅助源模块的功率低，自身产生的开关噪音小，从而将电压采样模块从主功率模块换至辅助源模块中，从而采集的电压不受主功率模块中各功率器件噪音的影响，避免引起磁偏，增加损耗，并可能引起变压器饱和，进而导致电源模块存在不可靠性问题；
本发明的方案避免在桥式拓扑电源中，因各桥臂寄生参数不同，造成输入电压采集信号Vin上叠加不同的开关噪音，产生斜率不同的锯齿波，造成两桥臂占空比不一致的情况；
本发明的方案在电源主功率模块旁增加的辅助源模块也为隔离方案拓扑，将为电源模块的原副边控制线路和驱动线路提供供电。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为常规的隔离的数字电源控制系统结构框图。
图2为现有的输入电压采集电路示意图。
图3为现有的输入电压采集电路中实际采集的带有噪音的采样信号示意图。
图4为现有的输入电压采集电路中的采集电压波形及锯齿调制斜坡信号示意图。
图5为本发明的新型输入电压采集电路架构示意图。
图6为本发明的实施例中的新型输入电压采集电路拓扑示意图。
图7为本发明的实施例中的新型输入电压采集电路的采集电压波形及及锯齿调制斜坡信号示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
实施例
如图5所示，一种新型输入电压采集电路，包括主功率模块、辅助源模块、整流模块、电压采样模块、锯齿调制斜坡信号生成模块；
所述辅助源模块与主功率模块的输入端连接，辅助源模块的输出端、整流模块、电压采样模块、锯齿调制斜坡信号生成模块依次连接；
所述辅助源模块的输出电压经整流模块进行整流滤波，电压采样模块对该整流后的电压信号进行采样，锯齿调制斜坡信号生成模块对采样的电压信号进行调制，生成斜坡信号输出，具体来说，即将输入端电压信息转化为数字电源的开关频率的周期性锯齿波信号。
本实施例中还包括控制模块，用于处理输出电压反馈信息，与基准电压做误差运算，经过PID补偿网络形成与锯齿波信号比较的基准，控制占空比的大小。
所述主功率模块和辅助源模块均采用隔离式电源拓扑，其中辅助源模块的变压器一次侧与主功率模块的变压器一次侧连接，另外，辅助源模块将为电源模块的原副边控制线路和驱动线路提供供电。
结合图6，为本实施例中的新型输入电压采集电路的具体电路拓扑示意图：
其中主功率模块包括第一变压器T1、输入电感L1、输出电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3；
所述输入电感L1的一端与第一电容C1连接，输入电感L1的另一端同时与第二电容C2以及第一变压器T1的一次侧连接；第一电容C1、第二电容C2的另一端分别接地；第一电容C1与输入电感L1连接的一端与辅助源模块连接；
所述第一变压器T1的二次侧与输出电感L2连接，输出电感L2的另一端与第三电容C3连接，第三电容C3的另一端接地。
本实施例中辅助源模块包括第二变压器T2、第四电容C4；
所述第二变压器T2的一次侧与主功率模块连接，第二变压器T2的一次还与第四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端接地，第二变压器T2的二次侧与整流模块连接。
可以看出，本实施例中的辅助源模块采用fly buck 的隔离变压器，此辅助源电压输入来自于主功率模块中的输入电感L1的前端，辅助源模块中的变压器一次侧的电源网络输出VouT1 是此数字电源输入侧的供电电压，即为电源模块的原副边控制线路和驱动线路提供供电；
本实施例中整流模块包括第一二极管D1、第二二极管D2、第五电容C5、第六电容C6；
所述第五电容C5的一端与辅助源模块的输出端连接，第五电容C5的另一端同时与第一二极管D1的阴极以及第二二极管D2的阳极连接；
所述第一二极管D1的阳极接地，第二二极管D2的阴极与第六电容C6的一端连接，第六电容C6的另一端接地；
第二二极管D2的阴极与电压采样模块连接。
该整流模块对辅助源模块的二次侧输出电压进行整流滤波，经此整流滤波后得到的信号为与输入电压成一定缩放比例的直流电压信号， 电压采样模块对此信号进行采样；
所述锯齿调制斜坡信号生成模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第七电容C7、MOSFET管Q；
所述第一电阻R1的一端与电压采样模块的输出端连接，第一电阻R1的另一端分别与第二电阻R2、第三电阻R3的一端连接，第二电阻R2、第三电阻R3的另一端分别与第七电容C7的两端连接；
所述第七电容C7的两端分别与MOSFET管Q的漏极和源极连接，MOSFET管Q的漏极输出斜坡信号。
该锯齿调制斜坡信号生成模块将电压采样模块采样的直流电压信号产生斜坡信号，即将输入端电压信息转化为开关频率的周期性锯齿波信号。
结合图7，可以看出，经辅助源模块、整流模块输出的直流信号进行电压采样，即图7中的Vin检测电压，为直流电压，由此信号经过锯齿调制斜坡信号生成模块产生的斜坡信号斜率相同，该信号进入电源电路的控制模块中，由于该斜坡信号达到comp幅值的时间相同，因此对应的驱动信号及DPWM的占空比相同，电源模块可稳定工作，避免引起磁偏，增加损耗，引起变压器饱和，进而导致电源模块的不可靠。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。
本发明的实施例中的模块、单元或组件可以以硬件方式实现，也可以以一个或者多个处理器上运行的软件方式实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，
可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器（DSP）来实现根据本发明实施例。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的计算机程序产品或计算机可读介质上。

Claims (8)

1.一种新型输入电压采集电路，其特征在于，包括主功率模块、辅助源模块、整流模块、电压采样模块、锯齿调制斜坡信号生成模块；
所述辅助源模块与主功率模块的输入端连接，辅助源模块的输出端、整流模块、电压采样模块、锯齿调制斜坡信号生成模块依次连接；
所述辅助源模块的输出电压经整流模块进行整流滤波，电压采样模块对该整流后的电压信号进行采样，锯齿调制斜坡信号生成模块对采样的电压信号进行调制，生成斜坡信号输出。
2.根据权利要求1所述的新型输入电压采集电路，其特征在于，所述主功率模块和辅助源模块均采用隔离式电源拓扑，其中辅助源模块的变压器一次侧与主功率模块的变压器一次侧连接。
3.根据权利要求2所述的新型输入电压采集电路，其特征在于，所述辅助源模块为flybuck隔离电路。
4.根据权利要求2所述的新型输入电压采集电路，其特征在于，所述主功率模块包括第一变压器（T1）、输入电感（L1）、输出电感（L2）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）；
所述输入电感（L1）的一端与第一电容（C1）连接，输入电感（L1）的另一端同时与第二电容（C2）以及第一变压器（T1）的一次侧连接；第一电容（C1）、第二电容（C2）的另一端分别接地；
所述第一电容（C1）与输入电感（L1）连接的一端与辅助源模块连接；
所述第一变压器（T1）的二次侧与输出电感（L2）连接，输出电感（L2）的另一端与第三电容（C3）连接，第三电容（C3）的另一端接地。
5.根据权利要求2所述的新型输入电压采集电路，其特征在于，所述辅助源模块包括第二变压器（T2）、第四电容（C4）；
所述第二变压器（T2）的一次侧与主功率模块连接，第二变压器（T2）的一次还与第四电容（C4）的一端连接，第四电容（C4）的另一端接地；
第二变压器（T2）的二次侧与整流模块连接。
6.根据权利要求2所述的新型输入电压采集电路，其特征在于，所述整流模块包括第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第五电容（C5）、第六电容（C6）；
所述第五电容（C5）的一端与辅助源模块的输出端连接，第五电容（C5）的另一端同时与第一二极管（D1）的阴极以及第二二极管（D2）的阳极连接；
所述第一二极管（D1）的阳极接地，第二二极管（D2）的阴极与第六电容（C6）的一端连接，第六电容（C6）的另一端接地；
第二二极管（D2）的阴极与电压采样模块连接。
7.根据权利要求2所述的新型输入电压采集电路，其特征在于，所述锯齿调制斜坡信号生成模块用于将输入端电压信息转化为与主功率模块相同频率的周期性锯齿波信号。
8.根据权利要求7所述的新型输入电压采集电路，其特征在于，所述锯齿调制斜坡信号生成模块包括第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第七电容（C7）、MOSFET管（Q）；
所述第一电阻（R1）的一端与电压采样模块的输出端连接，第一电阻（R1）的另一端分别与第二电阻（R2）、第三电阻（R3）的一端连接，第二电阻（R2）、第三电阻（R3）的另一端分别与第七电容（C7）的两端连接；
所述第七电容（C7）的两端分别与MOSFET管（Q）的漏极和源极连接，MOSFET管（Q）的漏极输出斜坡信号。
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