CN1885694A

CN1885694A - 控制开关电源的电流和电压的控制电路

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Publication number: CN1885694A
Application number: CNA2006100908055A
Authority: CN
Inventors: 拉尔弗·施罗德·吉南特·伯格格尔
Original assignee: Friwo Mobile Power GmbH
Current assignee: Friwo Mobile Power GmbH
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: JP2007006693A; US20070076447A1; EP1737113B1; CN1885694B; JP4373995B2; EP1737113A3; BRPI0602694A; US7440296B2; EP1737113A2

Abstract

本发明涉及一种控制电路及相关方法，用于闭环控制初级可控的开关电源的输出电压。该开关电源包括初级侧开关和具有至少一个辅助绕组的变压器，在打开该初级侧开关之后在该辅助绕组中感生辅助电压。在至少一个辅助绕组中感生的电压为传输至控制电路的测量电压和控制电路的电源电压提供基础。本发明还涉及相关的开关电源。为了解决已知控制电路的问题，并提供一种改进的用于初级可控的开关电源的控制电路，即构成为控制准确性更高，而尺寸小、元件成本低的控制电路，该控制电路包括用于连接至测量电压的测量电压接头和与该测量电压接头分离的、用于连接至电源电压的电源电压接头，其中该电源电压是从辅助电压所产生的。

Description

控制开关电源的电流和电压的控制电路

技术领域

本发明涉及一种控制初级可控的开关电源输出电压的控制电路及相关方法。该开关电源包括初级侧开关和具有至少一个辅助绕组的变压器，在打开初级侧开关之后该辅助绕组中感生辅助电压。在至少一个辅助绕组中感生的电压为传输至控制电路的测量电压和控制电路的电源电压提供基础。本发明还涉及相关的开关电源。

背景技术

通常，已知的开关电源使用例如为绝缘栅双极晶体管(IGBT)的功率晶体管作为初级侧开关，以向感性和容性储能元件的网络提供脉冲电流，该网络将开关电流脉冲转换为受控的直流电压。根据开关电源的操作模式，开关电源可以提供大于、等于未受控的输入电压或者与未受控的输入电压极性相反的输出电压。开关电源通常用于电源电路中，例如大量的电子设备所需的电源电路。这里，尤其对于移动电子设备，需要这样一种开关电源，其接收85V至270V交流电压范围内的输入电压，从而可以在世界上任何地方的市电电源下工作，而不需要调整或转换。

开关电源的输出电压是通过反映输出电压的反馈信号来控制的。反馈信号用于控制开关功率晶体管的工作周期。为了提供适当的反馈信号，现有多种方法；例如，设置初级侧辅助绕组，从而在初级侧晶体管的截止期间产生反映输出电压的反馈信号。

例如，在德国专利申请DE 103 10 361、欧洲专利申请EP 03 016 065.9、美国专利说明书5,438,499或德国公开专利说明书DE 197 11 771 A1中公开了以下类型的具有辅助绕组的开关电源。在这些情况下，将辅助绕组中产生的信号传递至反馈电路，而该反馈电路提供控制信号至控制电路。对于根据反激变换器(flyback converter)原理的开关电源，如欧洲专利申请EP 03 016065.9所公开的，每个脉冲传递的能量保持恒定并且脉冲之间的间隔的持续时间为可调的，通过初级辅助电压能够非常好地反映和控制输出电压。

然而，存在着只能用非常复杂的方式获取输出电流的问题。例如，如德国专利申请DE 103 10 361所公开的，可以测定电流在变换器(converter)的次级绕组中流动的时间。可选择地，例如，如欧洲专利申请EP 1 146 630 A2中所公开的，也可以使用光耦合器(optocoupler)。

为了能够以简单的方式调整输出电压和输出电流以及使所需的元件成本最小，提出了一种控制初级可控的开关电源输出电压的方法，其中由于初级侧开关的开关频率是由充电电容器的充电时间所决定的，从而通过与辅助电压成线性关系的方式调整开关频率。这种方法在德国专利申请DE 10 2004016927.6中有详细地描述。

德国专利申请DE 10 2004 016927.6公开的控制电路的开关配置在图5中示出。通过根据图5的控制电路，在专用集成电路(ASIC)200的电源电压引脚VP处测量辅助电压。因此，在产生ASIC的工作电压时，电压大小只能通过改变串联电阻来设定，这是一种不利的方式。然而，由于这种方式对输出特性迹线(trace)有较大的影响，因此对输出电压的调整只能是受限的。此外，根据图5的电路的缺点是，ASIC 200的电源电流和开关晶体管104的基极电流影响电压的控制，因为它们承载ASIC 200的工作电压，后者也就是测量电压。

此外，如德国专利申请DE 10 2004 016927.6中详细说明的，只要测量电压高于参考值V C_t1，决定时间的电容C_t的充电电流就截止。因此，对于低负载，必然会出现长截止时间。然而，由于工作电压电容器C2的放电电流接近于恒定，因此参考电压最初必须被明显超出，以产生足够长的放电周期。相比之下，对于高负载，截止时间较短，因此超出参考电压很少。由于初始测量电压相应于输出电压，因此相应于超出部分，输出电压偏离设定值，从而开路时的输出电压高于有负载时的输出电压。

另外，这里提出的方案的缺点是无法确定工作电压以使得在短路的情况下仍有设定的输出电流流动；这是因为在短路时，测量电压仅反映次级二极管的电压，因此会出现电压不足以使ASIC正确工作。

最后，对于图5所述的配置，在电流控制中，整流二极管对控制准确性产生不利的影响。

总之，对于根据图5所示配置的开关电源，共有三个重要问题：开路时的输出电压高于有负载时的输出电压；对于低输入电压，输出电流低于正常电压的情况；不能在不改变特性迹线的情况下调整输出电压。

与德国专利申请DE 10 2004 016927.6相比，德国专利申请DE 103 10 361B4中公开的控制电路提高了控制准确性。然而，该电路比较复杂，而且需要八引脚外壳，实际上增加了成本。

发明内容

因此，本发明的目的是解决已知控制电路的问题，而提供一种改进的用于初级可控的开关电源的控制电路，即构成为控制准确性更高，而尺寸更小、元件成本更低的控制电路。

为了实现上述目的，本发明首先利用德国专利申请DE 10 2004 016927.6中提出的原理，将初级侧开关的开关频率v设定为取决于辅助绕组上感生的辅助电压，以使开关电源的输出电压和输出电流根据预定的输出特性曲线取值。这里，术语“输出特性曲线”表示曲线U_OUT(I_OUT)形式的输出电压与输出电流之间的关系。

这样，可以避免为了确定输出电流而必须提供成本高、元件密集的测量技术的情况。由于初级侧开关的开关频率是由充电电容器的充电时间所决定的，借此可将开关频率调整为与辅助电压成线性关系。充电电容器通过与辅助电压成比例的电流充电至预定的电压阈值，并决定开关接通的时间。

本发明基于以下构思：电压调节器中定时电容器的充电持续时间不再因为充电电流截止而延长，而是允许充电电流连续流动并将电容器短路而延长充电时间。这样就可以将直接连接至电源电压和引脚Rt(即图5所示控制电路中的充电电阻R_T所连接至的引脚)的充电电阻解除并根据本发明将其用于获取电压。

根据本发明的方案的主要优点是独立于工作电压或电源电压的电压可用作测量电压，因此使工作电压的负载对输出特性曲线的影响最小。从而，电压控制明显的更为准确。

根据优选实施例，由于充电电容器的充电时间决定初级侧开关的开关频率并且充电电容器可根据测量电压进行充电，因此开关频率设定为与测量电压成线性关系。该方案提供的优点是就开关技术而言非常容易实现，并且元件要求很低。

为了限定初级侧开关接通的时间，控制电路形成为当测量电压达到预定阈值时使充电电容器短路，这是一种有利的方式。以这种方式，能够显著降低电路复杂度。

如果控制电路形成为比较经过充电电容器的电压降与参考值并且当经过充电电容器的电压降达到参考值时产生用于接通初级侧开关的导通信号，则能够以非常简单的方式获得开关电源的预定输出特性曲线。

在这种情况下，电流控制中的开关频率将很理想地直接与输出电压U_OUT和次级二级管上的电压降之和成比例。然而，由于输出电压通过变压器的辅助绕组间接获取，而整流二极管从待确定的测量电压减去一个偏移量，因此该整流二极管导致与理想值的偏差。此外，因为定时电容器上的电压与充电电阻串联，所以定时电容器的充电电流不与测量电压成比例。由于用于导通开关晶体管的参考值减少，因此很可能减少该偏差。然而，因为输入比较器上的偏移量具有较强的影响，所以存在使检测的准确性降低的缺点。另外，同时还需要较大的电容器。最后，定时电容器的放电周期也会引起偏差。

因此，根据本发明，可关于测量电压设定参考值。从而，取决于测量电压的电压可叠加在代表用于导通开关晶体管的阈值电压的参考电压上。由于这种可调参考电压，上述偏差能够得到补偿，从而可产生几乎不依赖输出电压的输出电流。理想地，这样产生的用于导通开关晶体管的新的参考电压具有使得次级侧整流二极管对测量电压的影响得到补偿的迹线。近似地，这样的电压迹线可借助某些齐纳二极管和电阻来产生，从而相应的电路能够完全集成到ASIC中。

根据控制电路的一个有利进展，可设置取样与保持(S&H)电路，用以在初级侧开关截止之后立即获取测量电压相对于参考值的偏差。通过这种方式，可以防止开关电源的输出电压在开路时高于有负载时。根据本发明，在开关晶体管截止之后立即存储测量电压相对于参考值的偏差大小。存储值与测量电压相加，并且仅当存储值与测量电压之和低于参考电压时开关晶体管才再次接通。可选择地，也可以从参考电压减去存储值。通过这种方式，对参考电压的超出得到补偿，并且输出电压变得不依赖于负载。

根据本发明的控制电路的优点主要在初级可控的开关电源中表现得明显。

根据优选实施例，开关电源的变压器包括用于产生测量电压的第一辅助绕组和用于产生电源电压的第二辅助绕组。通过这种方式，能够实现测量电压与工作电压的完全隔离，并且显著提高控制准确性。

为了调整输出电压，测量电压接头可连接至分压器，该分压器以非常简单的方式调节测量电压，从而调节输出电压。

由于通过根据本发明的方案，可独立于控制电路的工作电压获取电压，因此能够确定工作电压，使得在短路的情况下也会有设定的输出电流流动。

下面基于附图所示的实施例更详细地说明本发明。在附图中类似或相应的细部被赋予相同的标号。附图所示内容如下：

附图说明

图1：根据可行实施例的开关电源中根据本发明的控制电路的方框图；

图2：根据第一实施例的控制电路的部分内部电路；

图3：根据第二实施例的控制电路的部分内部电路；

图4：取决于测量电压、用于导通开关晶体管的参考电压的实例；

图5：已知控制电路在其应用场合中的方框图。

具体实施方式

图1示出配备根据本发明的具有控制电路的初级可控的开关电源的线路图。在这种配置中，基本上实现根据德国专利申请DE 10 2004 016927.6的原理。

尤其是可以控制输出电压V_OUT和输出电流I_OUT，使其表现符合预定输出特性曲线的迹线。根据本实施例，其为线性关系。

交流电压V_MAINS施加于开关电源的输入端。在欧洲，市电电压在180V和263V交流电压之间变化，而在美国，市电电压在90V和130V交流电压之间变化。借助于桥式整流器D10至D13和电容器C10和C13并借助电感L10，对输入电压V_MAINS进行整流和稳压，并且确保开关电源中产生的干扰信号不会进入交流电压网。

变压器W10的初级侧绕组110和初级侧开关T11(这里为功率晶体管)构成与整流后的输入电压连接的串联电路。初级侧开关T11根据来自控制电路102的控制信号B截断流经初级侧绕组110的电流。

根据本发明，初级侧开关T11的截止周期设定为使得变压器W10中存储的能量取决于输出电压V_OUT。因此，传递的功率设定为产生具有所需值的输出电压V_OUT。根据本发明，这里具有所需值的输出电压V_OUT适于产生具有恒定预定值的输出电流I_OUT。与德国专利申请DE 10 2004 016927.6中提出的方案相比，这里，由专用集成电路(ASIC)实现的控制电路包括两个分离的分别用于测量电压和电源电压的输入端U和V_P。

第一辅助绕组116中产生的测量电压V(U)被提供给测量电压接头U。借助第二辅助绕组114获得的电源电压V(V_P)被单独提供给电源电压接头V_P。根据本发明两个输入端U和V_P的分离也可以基于单个辅助绕组来实现。然而，这里所示的实施例提供两个支路(branch)相对于彼此完全独立的优点。尤其是两个辅助绕组114、116的匝数可相应于各自的要求来选择。

为了使测量电压接头U上的电压大小可调整(以及从而使输出电压V_OUT可有效调整)，设置分压器R1、R2。

电容器C17连接至ASIC 102的接头Ct，从而电容器C17上的电压降决定初级侧开关T11导通的时间。ASIC 102的工作电压(或者电源电压)V(V_P)被传输至接头V_P。

根据本发明的ASIC 102的输入端IP用于测量初级侧开关T11闭合时流经变压器W10的初级侧绕组110的电流。这可以通过类似于德国专利申请DE 10 2004 016927.6中提出的已知方式实现。根据本发明的ASIC的第六个接头为接地接头GND，并且连接至外壳接地点(chassis ground)。

根据本发明，电压调节器中定时电容器C17的充电周期通过短路而延长。

参照图2更详细地考虑根据本发明控制电路102的结构和工作原理。这里，图2仅示出根据第一优选实施例的控制电路的一部分。并且仅示出外部接头U、V_P和C_t；控制电路的其余部分相对于本发明不是必需的，因此可以通过已知的方式实现。

测量电压V(U)被输送至接头U。如图1所示，充电电容器C17连接至接头C_t。根据本发明，充电电流持续流入充电电容器C17，并且为了延长定时电容器的充电时间，充电电容器C17经由接头C_t短路。

在本实施例中，定时电容器的放电周期固定为0.5μs。为了根据与加在接头U上的测量电压V(U)相比较的结果来对电容器C17充电或将其短路，参考电压V(Ct-Ref)从内部输送至接头Ct-Ref。

根据本发明的一个有利进展，V(Ct-Ref)不是固定值，而其本身取决于测量电压V(U)。原则上在理想的情况下，开关频率应直接与图1中的输出电压V_OUT以及次级二级管D100上的电压降成比例。然而，如果是在根据本发明的情况下，输出电压V_OUT通过变压器W10的辅助绕组116获取，由于整流二极管D100从测量电压减去一个偏移量，因此相对于理想值产生偏差。此外，如已经提到的，因为电容器C17上的电压与充电电阻R4串联，所以定时电容器C17的充电电流不与测量电压V(U)成比例。如果降低用于导通开关晶体管T11的阈值电压V(Ct-Ref)，则可减少该偏差。然而，因为输入比较器的偏移量具有较强的影响，所以存在使检测的准确性降低的缺点。另外，同时还需要较大的电容器，并且定时电容器C17的放电周期也会引起偏差。

因此，取决于测量电压V(U)的电压可叠加在用于导通开关晶体管的阈值电压上。图4示出电压V(Ct-Ref)关于测量电压V(U)的可能的曲线，各自都以伏特为单位。这里示出的迹线施加至测量电路中的二级管D2上的电压降为0.5V，最大开关频率为大约40kHZ以及电容器C17的放电周期为0.5μs。图4示出的电压迹线可借助某些齐纳二极管和电阻来近似产生，因此可完全集成在ASIC中。上述偏差可通过这种参考电压V(Ct-Ref)来补偿，从而通过根据本发明的开关电源可产生几乎不依赖于输出电压的输出电流I_OUT。

图3示出根据本发明的控制电路的另一实施例。这里，为了保持简明，也仅示出完整控制电路的一部分。该电路与图2所示实施例的主要区别是设置了取样与保持电路118，以在开关晶体管T11截止之后立即获取并存储测量电压V(U)相对于参考值的偏差。在所示电路中，将存储值与测量电压V(U)相加，而且仅当存储值与测量电压V(U)之和低于参考电压V(Ct-Ref)时，开关晶体管T11才再次接通。可选择地，取样与保持电路118中存储的值也可从参考电压V(Ct-Ref)减去。通过这种方式，如同德国专利申请DE10 2004 016927.6中的方案，超出参考电压的效果能够得到补偿，从而输出电压V_OUT变得不依赖于负载。

在图2的实施例和图3的实施例中都设置了电流源120，该电流源120提供大小例如为1μA的电流，并且为了建立稳定的初始条件，当测量电压V(U)超过特定值(例如1.5V)时该电流源120关闭。

由于通过根据本发明的控制电路，可不依赖于电路的工作电压获取电压，因此能够确定工作电压，从而即使在短路的情况下仍然有设定的输出电流I_OUT流动。因此，通过根据本发明的控制电路能够解决已知方案的许多问题，而且能够获得成本有效且充分小型化的配置。尤其是能够以ASIC的形式在便宜的六管脚外壳(例如SOT23-6)中实现。

Claims

1.一种控制电路，用于控制初级可控的开关电源的输出电压，其中该开关电源(100)包括初级侧开关(T11)和具有至少一个辅助绕组(114，116)的变压器(W10)，在打开该初级侧开关(T11)之后在该辅助绕组中感生辅助电压，

其中，该控制电路(102)用于将初级侧开关(T11)的开关频率设定为与产生自该辅助电压的测量电压(V(U))成线性关系，该线性关系的常数因子选为使得该开关电源的输出电流(I_OUT)为预定值；并且

其中，该控制电路(102)包括：测量电压端子(U)，用于连接至该测量电压(V(U))；以及与该测量电压端子(U)分离的电源电压端子(V_P)，用于连接至产生自该辅助电压的电源电压(V(VP))。

2.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：输入端子(Ct)，连接至充电电容器(C17)，其中该充电电容器(C17)关于该测量电压(V(U))进行充电且连接至该初级侧开关(T11)，从而使经过该充电电容器(C17)的电压降控制该初级侧开关(T11)的开关频率。

3.根据权利要求2所述的控制电路，该控制电路构成为当该测量电压(V(U))达到预定阈值时将该充电电容器(C17)短路。

4.根据权利要求2或3所述的控制电路，该控制电路构成为将经过该充电电容器(C17)的电压降与参考值(V(Ct-Ref))进行比较，并且当经过该充电电容器的电压降达到该参考值时产生用于接通该初级侧开关(T11)的导通信号。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其中该参考值(V(Ct-Ref))关于该测量电压(V(U))进行设定。

6.根据权利要求5所述的控制电路，其中该参考值(V(Ct-Ref))与该测量电压(V(U))的关系选为使得次级侧整流二极管(D100)对该测量电压的影响得到补偿。

7.根据上述权利要求中任一项所述的控制电路，还包括：取样与保持电路(118)，用于在初级侧开关(T11)截止之后直接获取该测量电压V(U)与该参考值(V(Ct-Ref))的偏差。

8.一种开关电源，具有根据上述权利要求中至少一项所述的控制电路。

9.根据权利要求8所述的开关电源，其中该变压器(W10)包括用于产生测量电压的第一辅助绕组和用于产生电源电压的第二辅助绕组。

10.根据权利要求8或9所述的开关电源，其中进一步包括：分压器(R1，R2)，连接至该测量电压接头(U)，用于调整该开关电源输出电压的电压大小。

11.一种利用控制电路的控制方法，用于控制初级可控的开关电源的输出电压，其中该开关电源包括初级侧开关和具有至少一个辅助绕组的变压器，在打开该初级侧开关之后在该辅助绕组中感生辅助电压，用以产生形成该输出电压的测量电压，和产生用于该控制电路的电源电压，

其中，该初级侧开关的开关频率关于该辅助电压进行调节，使得该开关电源的输出电压和输出电流的值与预定的输出特性曲线相符合；

其中，该测量电压和该电源电压通过彼此分离的接头传输至该控制电路。

12.根据权利要求11所述的方法，其中该初级侧开关的开关频率调节为至少针对该辅助电压的某些值与该辅助电压成线性关系，该线性关系的常数因子选为使得该输出电流为预定常数值。

13.根据权利要求12所述的方法，其中由充电电容器的充电时间决定该初级侧开关的开关频率，该充电电容器关于该辅助电压进行充电。

14.根据权利要求13所述的方法，其中采用连续的充电电流对该充电电容器进行充电，并且为了延长充电时间而将该充电电容器短路。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中当经过该充电电容器的电压降达到预定参考值时，该初级侧开关接通。

16.根据权利要求15所述的方法，在初级侧开关截止之后，存储该测量电压与该参考值的偏差，并且将存储的值用于产生新的参考值。

17.根据权利要求16所述的方法，其中将所存储的值与该测量电压相加，并且当该测量电压与所存储的值之和低于该参考值时该初级侧开关导通。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的方法，其中该测量电压和该电源电压是基于第一和第二辅助电压而形成的，该第一和第二辅助电压分别在分离的初级侧辅助绕组中产生。