CN203466720U - 减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,该电路在现有的原边反馈的恒流恒压控制器基础上增加了一个指数波发生器、一个第二比较器和一个或门。通过增加上述电路使得由本实用新型搭建的反激式变换器,不会再受到前沿消隐时间的限制即空载时可以实现更小的开通时间和更高的最低开关频率。因而,由本实用新型搭建的反激式变换器,在相同的条件下,相对于由现有的原边反馈的恒流恒压控制器搭建的反激式变换器,具备更好的动态响应能力和更低的待机功耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电流控制型开关调节系统,特别是涉及一种减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路。
背景技术
近年来手持式个人通讯终端(比如手机)产品发展迅速,其相关充电器市场也随之发展。其中,反激式变换器由于其自身成本、性能优势,被广泛应用于这个领域。而各种采用原边反馈的恒流恒压控制器,因其外围结构简单,成本低廉,同样被广泛接受和应用。
现有的利用原边反馈的恒流恒压控制器搭建的反激式变换器,如图1所示,包括:整流桥153、∏型滤波器154、吸收电路155、变压器156(其由初级绕组161、次级绕组162、辅助绕组163组成)、原边反馈的恒流恒压控制器175、次级整流二极管157、输出电容158、输出假负载159、辅助供电电路170(其由第一辅助电阻171、第二辅助电阻172、辅助整流二极管173、辅助电容174组成)、开关管150和初级电流采样电阻151。
如图1所示,所述的原边反馈的恒流恒压控制器175包括:振荡器120、采样模块110、运算放大器112、比较器114、RS触发器122、驱动模块124、前沿消隐模块130(其由单稳态电路131、传输开关133组成)等。工作时,所述原边反馈的恒流恒压控制器175需要提取与输出电压和输出负载有关的信息,通过输出调制信号125控制所述开关管150的导通和截止来稳定输出电压。在图1所示的系统中,所述与输出电压和输出负载有关的信息可以通过信号100和信号101被提取。其中,所述信号100等比例反映输出电压值;而所述信号101为流经所述初级绕组161的电流在初级电流采样电阻151处形成的电压信号。假设,输出电压为Vo,次级绕组162匝数为Ns,辅助绕组163匝数为Naux,所述信号100在直流段的电压值为Vfb,其计算公式如下:
公式1可以看出,输出电压Vo与Vfb电压成线性关系,因此,可以通过恒定Vfb电压值的办法来输出恒定电压。
图1所示电路中,当所述开关管150导通时,则流经所述初级绕组161的电流线性增大,所述信号101也线性增大,所述信号101进入所述前沿消隐模块130,所述信号101经过所述传输开关133后生成信号102,生成的所述信号102与阈值电压信号113一起进入所述比较器114生成信号115,当所述信号102超过所述阈值电压信号113时,则所述比较器114的输出信号115为高电平;当所述开关管150截止时,存储在所述变压器156中的能量被释放给输出端,此时去磁过程开始,在去磁过程中,所述采样模块110对信号100进行采样保持并输出信号111,所述信号111与参考电压Vref1之差被所述误差放大器112放大以生成所述阈值电压信号113。
其次,所述振荡器120输出信号121。
接着,所述RS触发器122接收所述信号121和115,并作为响应生成信号123。具体地,如果所述信号121为逻辑高电平并且所述信号115为逻辑低电平,则所述信号123为逻辑高电平;如果所述信号121为逻辑低电平并且所述信号115为逻辑高电平,则所述信号123为逻辑低电平。
如果1所示,所述信号123被所述驱动模块124接收并输出信号125至所述开关管150的基极。如果所述信号123为高电平,则所述驱动模块124输出信号125使驱动所述开关管150导通;反之,如果所述信号123为低电平,则所述驱动模块124输出信号125使驱动所述开关管150截止。
通过以上分析并参考图1所示电源变换器系统,为了提高轻载时的效率,降低空载时的待机功耗,可通过所述振荡器120控制开关频率,使得输出负载越小,开关频率越低,输出负载越大,开关频率越高。
但是,如果输出负载动态切换时,负载突然从轻载切换到满载,由于原边反馈的反馈信息需要下一个周期内才能采样,那么在一个周期时间内,由于原边反馈的控制器无法检测到输出电压信息,会导致输出电压会持续跌落,从而影响电路的正常工作。
比如,最新USB3.0标准对额定输出为5V1A的充电器提出了较高的动态响应能力,其输出电压范围为4.75~5.25V,5V1A的充电器输出电容一般为1000uF,按照0.5V的跌落电压值,可通过以下公式计算出原边反馈控制器的最低开关频率:
(公式2)
Fsw
式中,C为电容值,此处为1000uF;U为跌落电压值,此处为0.5V;I为电流值,此处为1A。
通过公式2可以计算出,此例中原边反馈的控制器的最低开关频率Fsw要大于等于2K。因此,空载时,原边反馈的恒流恒压控制,需要保证2K的最低开关频率的要求。那么,在此条件下,一个周期内,反激式变换器开通时间的大小,就决定了整个电源变换器的待机损耗的大小,参见公式3。
式中,P为功率,VDC为整流后的直流电压,IP为初级绕组电流的峰值,Ton为导通时间,T为周期。
如图1、图2和图3所示,反激式变换器在开通瞬间,有瞬间电流通过变压器匝间电容、二极管等效电容,同时,通过所述开关管150,在初级电流采样电阻151上形成尖峰电压。为了躲避该尖峰电压的干扰,需要所述前沿消隐模块130在接收所述开通信号123为高电平时延迟一段时间TLEB后才通过信号132使所述传输开关133导通。实际应用中,所述TLEB通常设计为500nS,那么,图1所示系统的最小导通时间Ton也为500nS。
根据计算,针对额定输出为5V1A的充电器,变压器的初级绕组161的电感量Lp约为1.5mH的充电器,在230V交流输入时,整个充电器待机的功耗至少为:
由公式4并结合以上对公式4中各部分的定义可以得出,整个充电器待机功耗至少为多少是由最小占空比和最低开关频率限制决定的。
为了节能减排,各个国家和地区对电源变换器空载时的待机功耗提出了越来越严格的要求,最新的能源之星对手机充电器的待机功耗的要求是100mW,甚至有些手机厂商对手机充电器的待机功耗提出了30mW要求。
综上所述,如果设计一种新的原边反馈的恒流恒压控制器,其最小开通时间不受前沿消隐时间的限制。那么,使用其搭建的电源变换器,在同样条件下,相对通用的原边反馈的恒流恒压控制器,将会有更低的待机功耗。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是,提供一种减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,该电路相对现有的原边反馈的恒流恒压控制器具备更好的动态响应能力和更低的待机功耗。
为解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案是:一种减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,该电路包括:采样模块;运算放大器;第一比较器;振荡器;RS触发器;驱动模块;前沿消隐模块,所述前沿消隐模块包括:第一端口、第二端口和第三端口,此外,该电路还包括:指数波发生器;第二比较器;或门;其中,所述采样模块的输入端接收外部辅助绕组的电压分压信号,所述采样模块的输出端与第一基准电压一起进入所述运算放大器,所述运算放大器的输出端分别连接至所述第一比较器的第一输入端和第二比较器的第一输入端,所述第一比较器的第二输入端连接至所述前沿消隐模块的第三端口,所述第二比较器的第二输入端连接至所述指数波发生器的输出端,所述第一比较器和第二比较器输出至所述或门的输入端,所述振荡器输出至所述RS触发器的S端,所述或门输出至所述RS触发器的R端,所述RS触发器的Q端分别输出至所述指数波发生器的输入端、所述驱动模块的输入端和所述前沿消隐模块的第二端口,所述驱动模块输出至外部开关管的基极,所述前沿消隐模块的第一端口连接至所述外部开关管的发射极。
进一步,所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路的外部电路包括:外部整流桥;外部∏型滤波器;外部吸收电路;由初级绕组、次级绕组及辅助绕组组成的外部变压器;外部开关管;其中,外部输入电信号会依次经过所述外部整流桥、外部∏型滤波器、外部吸收电路和外部变压器,所述外部吸收电路和初级绕组并联后连接至所述外部开关管的集电极,所述外部开关管的发射极通过初级电流采样电阻接地,所述次级绕组与外部第一整流二极管、外部第一输出电容构成回路,所述外部第一整流二极管通过其N极与所述外部第一输出电容相连,所述辅助绕组与外部第一电阻、外部第二电阻构成回路,外部第二整流二极管通过其N极和外部第二输出电容串联后与所述外部第一电阻和外部第二电阻组成的支路并联,所述外部第一电阻和外部第二电阻的连接点处输出所述外部辅助绕组的电压分压信号至所述采样模块的输入端。
进一步,所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路的外部电路还包括:假负载电阻,该假负载电阻与所述外部第一输出电容并联。
进一步,所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路中,所述前沿消隐模块包括:单稳态电路和传输开关,所述单稳态电路的一端为所述第二端口,另一端连接至所述传输开关的栅极;所述传输开关的一端为所述第一端口,另一端为所述第三端口。
进一步,所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路中,所述第一比较器的第一输入端为负输入端,所述第一比较器的第二输入端为正输入端;所述第二比较器的第一输入端为负输入端,所述第二比较器的第二输入端为正输入端。
进一步,所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路中,所述采样模块的输出端连接至所述运算放大器的负输入端,所述第一基准电压进入所述运算放大器的正输入端。
进一步,所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路中,所述指数波发生器包括:第一非门、第一开关、第二开关、第一电阻和第一电容,其中,所述指数波发生器的输入端分别连接至所述第一非门的输入端和第二开关的栅极,所述第一非门的输出端连接至所述第一开关的栅极,所述第二开关的一端连接至第二基准电压,所述第二开关的另一端连接至所述第一电阻的一端,所述第一电阻的另一端分别连接至所述指数波发生器的输出端、第一电容的一端和第一开关的一端,所述第一开关的另一端和第一电容的另一端接地。
本实用新型的优点是,本实用新型减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路在现有的原边反馈的恒流恒压控制器基础上增加了一个指数波发生器、一个第二比较器和一个或门。通过增加上述电路使得由本实用新型搭建的反激式变换器,不会再受到前沿消隐时间的限制即空载时可以实现更小的开通时间和更高的最低开关频率。因而,由本实用新型搭建的反激式变换器,在相同的条件下,具备更好的动态响应能力和更低的待机功耗。
附图说明
图1为由现有的原边反馈的恒流恒压控制器搭建的反激式变换器的电路图;
图2为图1所示电路带载时的时序图;
图3为图1所示电路空载时的时序图;
图4为由本实用新型减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路搭建的反激式变换器的电路图;
图5为图4所示电路带载时的时序图;
图6为图4所示电路空载时的时序图;
图7为实用新型减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路中指数波发生器的电路图。
具体实施方式
为进一步揭示本实用新型的技术方案,兹结合附图详细说明本实用新型的实施方式:
图1为由现有的原边反馈的恒流恒压控制器搭建的反激式变换器的电路图;图4为由本实用新型减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路搭建的反激式变换器的电路图。如图1和图4所示,本实用新型的基本电路结构为:在现有的原边反馈的恒流恒压控制器即图1所示原边反馈的恒流恒压控制器175的基础上增加了一个指数波发生器440、一个第二比较器442和一个或门444,形成本实用新型的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路475。
图4为由本实用新型搭建的反激式变换器的电路图,图中的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路475包括:采样模块410;运算放大器412;第一比较器414;振荡器420;RS触发器422;驱动模块424;前沿消隐模块430,所述前沿消隐模块430包括:第一端口、第二端口和第三端口;指数波发生器440;第二比较器442;或门444;其中,所述采样模块410的输入端接收外部辅助绕组压463的电压分压信号,所述采样模块410的输出端与第一基准电压Vref1一起进入所述运算放大器412,所述运算放大器412的输出端分别连接至所述第一比较器414的第一输入端和第二比较器442的第一输入端,所述第一比较器414的第二输入端连接至所述前沿消隐模块430的第三端口,所述第二比较器442的第二输入端连接至所述指数波发生器440的输出端,所述第一比较器414和第二比较器442输出至所述或门444的输入端,所述振荡器420输出至所述RS触发器422的S端,所述或门444输出至所述RS触发器422的R端,所述RS触发器422的Q端分别输出至所述指数波发生器440的输入端、所述驱动模块424的输入端和所述前沿消隐模块430的第二端口,所述驱动模块424输出至外部开关管450的基极,所述前沿消隐模块430的第一端口连接至所述外部开关管450的发射极。另外,所述前沿消隐模块430包括:单稳态电路43和传输开关433,所述单稳态电路431的一端为所述第二端口,另一端连接至所述传输开关433的栅极;所述传输开关433的一端为所述第一端口,另一端为所述第三端口。
图4中除了本实用新型减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路475之外,还包括一些现有外部电路,这些外部电路包括:外部整流桥453;外部∏型滤波器454;外部吸收电路455;由初级绕组461、次级绕组462及辅助绕组463组成的外部变压器456;外部开关管450;假负载电阻459;其中,外部输入电信号会依次经过所述外部整流桥453、外部∏型滤波器454、外部吸收电路455和外部变压器456,所述外部吸收电路455和初级绕组461并联后连接至所述外部开关管450的集电极,所述外部开关管450的发射极通过初级电流采样电阻451接地,所述次级绕组462与外部第一整流二极管457、外部第一输出电容458构成回路,所述外部第一整流二极管457通过其N极与所述外部第一输出电容458相连,所述辅助绕组463与外部第一电阻471、外部第二电阻472构成回路,外部第二整流二极管473通过其N极和外部第二输出电容474串联后与所述外部第一电阻471和外部第二电阻472组成的支路并联,所述外部第一电阻471和外部第二电阻472的连接点处输出所述外部辅助绕组463的电压分压信号至所述采样模块410的输入端;所述假负载电阻459与所述外部第一输出电容458并联。
图5为图4所示电路带载时的时序图;图6为图4所示电路空载时的时序图。图5示出了图4所示电路带载时信号411、信号400、信号401、信号432、信号402、信号413、信号441、信号415、信号421和信号423之间的时序逻辑关系,图6示出了图4所示电路空载时信号400、信号401、信号432、信号413、信号441和信号423之间的时序逻辑关系。
以下结合图4、图5和图6说明本实用新型减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路工作时的运行过程:
如图4所示,所述采样模块410的输入端用于采样所述辅助绕组463的电压分压信号400后输出电压信号411,所述电压信号411与第一基准电压Vref1一起进入所述运算放大器412,所述运算放大器412生成和输出阈值信号413;所述前沿消隐模块430的输入端用于采样所述初级绕组461的电流信号401后输出信号402;所述阈值信号413与信号402(信号402与初级峰值电流相关联)进入所述第一比较器414,所述第一比较器414输出第一关断信号416;所述指数波发生器440用于接收调制信号423后生成指数信号441;所述指数信号441与三角波形状的信号402相比,在前沿消隐时间内以内的,所述指数信号441的斜率大于信号402的斜率;所述阈值信号413与指数信号441进入所述第二比较器442,所述第二比较器442输出第二关断信号443;所述第一关断信号416与第二关断信号443一起进入所述或门444,所述或门444输出关断信号415;所述振荡器420输出开通信号421;所述RS触发器422接收所述开通信号421和关断信号415后生成所述调制信号423;所述驱动模块424用于接收所述调制信号423,并且向所述外部开关管450输出驱动信号425。
图5是为图4所示电路带载时的时序图。由本实用新型搭建的反激式变换器在带载工作时:所述阈值信号413与信号402(信号402与初级峰值电流相关联)进入所述第一比较器414,所述第一比较器414输出第一关断信号416;所述阈值信号413与指数信号441进入所述第二比较器442,所述第二比较器442输出第二关断信号443。由于所述指数信号441在前沿消隐时间以后的时间内,斜率小于所述信号402(如图5所示),因此,所述或门444会优先选取所述第一关断信号416,所述或门444生成关断信号415。所述关断信号415与开通信号421一起进入所述RS触发器422,所述RS触发器422最终生成调制信号423,所述调制信号423通过所述驱动模块424生成驱动信号425,所述驱动信号425控制开关管450的导通和关断,稳定整个系统。
图6是为图4所示电路空载时的时序图。由本实用新型搭建的反激式变换器在带载工作时:所述阈值信号413与信号402(信号402与初级峰值电流相关联)进入所述第一比较器414,所述第一比较器414输出第一关断信号416;所述阈值信号413与指数信号441进入所述第二比较器442,所述第二比较器442输出第二关断信号443。由于所述指数信号441在前沿消隐时间内,斜率大于所述信号402,因此,所述或门444会优先选取第二关断信号443,所述或门444生成关断信号415。所述关断信号415与开通信号421一起进入所述RS触发器422,所述RS触发器422最终生成调制信号423,所述调制信号423通过驱动模块424生成驱动信号425,所述驱动信号425控制开关管450的导通和关断,稳定整个系统。
图7为实用新型减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路中指数波发生器的电路图,图中包括:第一非门701、第一开关703、第二开关705、第一电阻702和第一电容704,其中,所述指数波发生器440的输入端分别连接至所述第一非门701的输入端和第二开关705的栅极,所述第一非门701的输出端连接至所述第一开关703的栅极,所述第二开关705的一端连接至第二基准电压Vref2,所述第二开关705的另一端连接至所述第一电阻702的一端,所述第一电阻702的另一端分别连接至所述指数波发生器440的输出端、第一电容704的一端和第一开关703的一端,所述第一开关703的另一端和第一电容704的另一端接地。
如图7所示,所述调制信号423进入所述指数波发生器440后,控制所述第二开关705的开通和关断;同时所述调制信号423进入所述第一非门701,所述第一非门701的输出控制所述第一开关703的开通和关断。当所述调制信号423为高电平时,所述第二开关705开通,所述第一开关703关断,所述第二基准电压Vref2通过所述第一电阻702对所述第一电容704进行充电,所述第一电容704上的电压信号441逐渐上升,所述信号441上升波形即为指数波形;当所述信号423为低电平时,所述第二开关705关断,所述第一开关703导通,对所述第一电容704进行放电复位。
通过由本实用新型搭建的反激式变换器,相比现有技术,空载时可以具有更小的开通时间,因而,整个系统可以具有更低的待机损耗。而且,空载时最低开关频率可以设置的比现有技术要高,因而,整个系统可以具有更高的动态响应能力。
以上通过对所列实施方式的介绍,阐述了本实用新型的基本构思和基本原理。但本实用新型绝不限于上述所列实施方式,凡是基于本实用新型的技术方案所作的等同变化、改进及故意变劣等行为,均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,该电路包括:采样模块(410);运算放大器(412);第一比较器(414);振荡器(420);RS触发器(422);驱动模块(424);前沿消隐模块(430),所述前沿消隐模块(430)包括:第一端口、第二端口和第三端口,其特征在于,该电路还包括:指数波发生器(440);第二比较器(442);或门(444);其中,所述采样模块(410)的输入端接收外部辅助绕组(463)的电压分压信号,所述采样模块(410)的输出端与第一基准电压(Vref1)一起进入所述运算放大器(412),所述运算放大器(412)的输出端分别连接至所述第一比较器(414)的第一输入端和第二比较器(442)的第一输入端,所述第一比较器(414)的第二输入端连接至所述前沿消隐模块(430)的第三端口,所述第二比较器(442)的第二输入端连接至所述指数波发生器(440)的输出端,所述第一比较器(414)和第二比较器(442)输出至所述或门(444)的输入端,所述振荡器(420)输出至所述RS触发器(422)的S端,所述或门(444)输出至所述RS触发器(422)的R端,所述RS触发器(422)的Q端分别输出至所述指数波发生器(440)的输入端、所述驱动模块(424)的输入端和所述前沿消隐模块(430)的第二端口,所述驱动模块(424)输出至外部开关管(450)的基极,所述前沿消隐模块(430)的第一端口连接至所述外部开关管(450)的发射极。
2.根据权利要求1所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,其特征在于,该电路还包括:外部整流桥(453);外部∏型滤波器(454);外部吸收电路(455);由初级绕组(461)、次级绕组(462)及辅助绕组(463)组成的外部变压器(456);外部开关管(450);其中,外部输入电信号会依次经过所述外部整流桥(453)、外部∏型滤波器(454)、外部吸收电路(455)和外部变压器(456),所述外部吸收电路(455)和初级绕组(461)并联后连接至所述外部开关管(450)的集电极,所述外部开关管(450)的发射极通过初级电流采样电阻(451)接地,所述次级绕组(462)与外部第一整流二极管(457)、外部第一输出电容(458)构成回路,所述外部第一整流二极管(457)通过其N极与所述外部第一输出电容(458)相连,所述辅助绕组(463)与外部第一电阻(471)、外部第二电阻(472)构成回路,外部第二整流二极管(473)通过其N极和外部第二输出电容(474)串联后与所述外部第一电阻(471)和外部第二电阻(472)组成的支路并联,所述外部第一电阻(471)和外部第二电阻(472)的连接点处输出所述外部辅助绕组(463)的电压分压信号至所述采样模块(410)的输入端。
3.根据权利要求2所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,其特征在于,该电路还包括:假负载电阻(459),该假负载电阻(459)与所述外部第一输出电容(458)并联。
4.根据权利要求1所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,其特征在于,所述前沿消隐模块(430)包括:单稳态电路(431)和传输开关(433),所述单稳态电路(431)的一端为所述第二端口,另一端连接至所述传输开关(433)的栅极;所述传输开关(433)的一端为所述第一端口,另一端为所述第三端口。
5.根据权利要求1所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,其特征在于,所述第一比较器(414)的第一输入端为负输入端,所述第一比较器(414)的第二输入端为正输入端;所述第二比较器(442)的第一输入端为负输入端,所述第二比较器(442)的第二输入端为正输入端。
6.根据权利要求1所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,其特征在于,所述采样模块(410)的输出端连接至所述运算放大器(412)的负输入端,所述第一基准电压(Vref1)进入所述运算放大器(412)的正输入端。
7.根据权利要求1所述的减小电流控制型开关调节系统中开通时间的电路,其特征在于,所述指数波发生器(440)包括:第一非门(701)、第一开关(703)、第二开关(705)、第一电阻(702)和第一电容(704),其中,所述指数波发生器(440)的输入端分别连接至所述第一非门(701)的输入端和第二开关(705)的栅极,所述第一非门(701)的输出端连接至所述第一开关(703)的栅极,所述第二开关(705)的一端连接至第二基准电压(Vref2),所述第二开关(705)的另一端连接至所述第一电阻(702)的一端,所述第一电阻(702)的另一端分别连接至所述指数波发生器(440)的输出端、第一电容(704)的一端和第一开关(703)的一端,所述第一开关(703)的另一端和第一电容(704)的另一端接地。
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