CN213637504U - 准谐振反激式变换器及其控制器 - Google Patents

准谐振反激式变换器及其控制器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种准谐振反激式变换器及其控制器，该控制器包括有用于检测准谐振反激式变换器在开关管关断后产生的振荡电压的谷底的谷底侦测电路、用于在开关管导通时对初级侧电感电流进行电压采样并在开关管关断时保持输出最后采样获取的采样电压的取样保持电路、用于根据最后采样获取的采样电压设定关断调整时间并在开关管关断后开始计时直至关断调整时间到期之后输出调整结束信号的TOFF调整电路、用于在接收到谷底侦测电路发出的谷底信号和TOFF调整电路输出的调整结束信号时发出驱动指示信号的谷底有效指示电路、用于在接收到驱动指示信号时发出触发信号的驱动脉冲产生模块及根据触发信号产生驱动信号以导通开关管的驱动器。

Description

准谐振反激式变换器及其控制器
技术领域
本实用新型涉及变换器技术领域，尤其涉及一种准谐振反激式变换器及其控制器。
背景技术
一般的准谐振反激式变换器，其主要特点是可以降低架构内元件开关的切换损失。准谐振反激式变换器是在DCM反激式变换器的基础上，引入了谐振的概念。如图1所示，当ILS降为0的时候，电感LP会与NMOS管M1的漏源电容Cds1产生共振，此时设计上会有一个谷底侦测电路，去侦测NMOS管M1的漏极电压(VDrain)是否在最小值，然后再去启动下一次的M1ON，来降低开关切换损失。
如图2与图3所示，准谐振反激式变换器轻载与重载时的工作频率分别为fSW_LL＝1/tSW_LL与fSW_HL＝1/tsw_HL，当轻载工作时，如果在第1个谷底就去启动下一次的M1 ON，那么很明显的会让fSW_LL>fSW_HL。因此，准谐振反激式变换器存在工作频率会随着负载的变化而变化的缺点，这就给变压器的设计造成一些困难。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种工作频率不随负载变化的准谐振反激式变换器及其控制器。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下所述的技术方案：
一种准谐振反激式变换器的控制器，用于控制包括有变压器、与所述变压器的初级侧电感连接的开关管的准谐振反激式变换器，所述准谐振反激式变换器的控制器包括有：谷底侦测电路，其检测所述准谐振反激式变换器在所述开关管关断后产生的振荡电压并在检测到所述振荡电压的谷底时发出谷底信号；取样保持电路，其在所述开关管导通时对初级侧电感电流进行电压采样并输出采样电压，并在所述开关管关断时保持输出最后采样获取的采样电压；TOFF调整电路，其根据所述最后采样获取的采样电压设定关断调整时间，并在所述开关管关断后开始计时直至所述关断调整时间到期之后输出调整结束信号；谷底有效指示电路，其在接收到所述谷底侦测电路发出的谷底信号和所述TOFF调整电路输出的调整结束信号时发出驱动指示信号；驱动脉冲产生模块，在接收到所述驱动指示信号时发出触发信号；驱动器，其根据所述触发信号产生驱动信号以导通所述开关管。
一种准谐振反激式变换器，包括有以上所述的准谐振反激式变换器的控制器。
本实用新型的有益技术效果在于：上述的准谐振反激式变换器的控制器包括有TOFF调整电路，该TOFF调整电路根据初级侧电感电流的采样电压设定关断调整时间，在与初级侧电感连接的开关管关断后开始计时直至所述关断调整时间到期之后，若检测到振荡电压的谷底，则导通开关管。通过该关断调整时间调整开关管的关断时间，从而使得准谐振反激式变换器在轻载和重载时的工作周期保持一致，实现准谐振反激式变换器的工作频率不随负载变化而变化的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的准谐振反激式变换器的工作原理示意图；
图2为现有技术中的准谐振反激式变换器在轻载时的工作周期示意图；
图3为现有技术中的准谐振反激式变换器在重载时的工作周期示意图；
图4为本实用新型中的准谐振反激式变换器的工作原理示意图；
图5为本实用新型中的取样保持电路和TOFF调整电路的电路原理示意图；
图6为本实用新型中的准谐振反激式变换器在轻载时的工作周期示意图；
图7为本实用新型中的准谐振反激式变换器在重载时的工作周期示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本实用新型的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
如图4所示，在本实用新型一个实施例中，准谐振反激式变换器包括有变压器T1、与所述变压器T1的初级侧电感LP连接的开关管M1以及用于控制所述开关管M1通断的控制器100。
所述控制器100包括有谷底侦测电路10、取样保持电路20、TOFF调整电路30、谷底有效指示电路40、驱动脉冲产生模块50以及驱动器60。所述谷底侦测电路10用于检测所述准谐振反激式变换器在所述开关管M1关断后产生的振荡电压并在检测到所述振荡电压的谷底时发出谷底信号Valley。所述取样保持电路20用于在所述开关管M1导通时对初级侧电感LP电流进行电压采样并输出采样电压CS，并在所述开关管M1关断时保持输出最后采样获取的采样电压CS。所述TOFF调整电路30用于根据所述最后采样获取的采样电压CS设定关断调整时间，并在所述开关管M1关断后开始计时直至所述关断调整时间到期之后输出调整结束信号RST(例如低电平窄脉冲)。所述谷底有效指示电路40用于在接收到所述谷底侦测电路10发出的谷底信号Valley和所述TOFF调整电路30输出的调整结束信号RST时发出驱动指示信号。所述驱动脉冲产生模块50用于在接收到所述驱动指示信号时发出触发信号。所述驱动器60用于根据所述触发信号产生驱动信号以导通所述开关管M1。
在本实施例中，所述谷底有效指示电路40采用RS型触发器来实现，谷底有效指示电路40在S端接收到来自谷底侦测电路10的谷底信号Valley且在R端接收来自所述TOFF调整电路30的调整结束信号RST(本实施例中为低电平信号)时，谷底有效指示电路40才输出驱动指示信号给驱动脉冲产生模块50。在其他实施例中，所述谷底有效指示电路40可以采用其他类型的触发器来实现，也可以采用门电路来实现，例如与门。
在本实施例中，所述驱动脉冲产生模块50采用RS型触发器，驱动脉冲产生模块50在S端接收到来自谷底有效指示电路40的驱动指示信号时发出触发信号给驱动器60，驱动器60进而产生驱动信号以导通所述开关管M1。此外，所述驱动脉冲产生模块50还在R端接收表征所述准谐振反激式变换器的输出电压/电流是否超过阈值的输出电压反馈信号COMP，并在接收到表征所述准谐振反激式变换器的输出电压/电流超过阈值的输出电压反馈信号COMP时关断所述开关管M1。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述准谐振反激式变换器的控制器100还包括有二极管D1和比较器U1，所述二极管D1的阳极输入所述输出电压反馈信号COMP，二极管D1的阴极接比较器U1的负输入端，比较器U1的正输入端输入初级侧电感电流的采样电压CS，比较器U1的输出端接所述驱动脉冲产生模块50的R端。
如图5所示，所述取样保持电路20包括有PMOS管Q119、NMOS管Q120和电容C121，所述PMOS管Q119的源极和NMOS管Q120的源极输入初级侧电感电流的采样电压CS，PMOS管Q119的漏极和NMOS管Q120的漏极接所述TOFF调整电路30的输入端，所述NMOS管Q120的栅极接所述驱动脉冲产生模块50的输出端，所述NMOS管Q120的栅极通过一反相器与NMOS管Q119的栅极连接，电容C121的一端接所述TOFF调整电路30的输入端，另一端接地。
CS为变压器T1的初级侧电感LP电流的采样电压，准谐振反激式变换器的负载不同会反映到CS。当所述开关管M1导通(PWM＝High)时，所述取样保持电路20对初级侧电感LP电流进行电压采样，输出CS_SH为初级侧电感LP电流的实时采样电压；当所述开关管M1关断(PWM＝Low)时，所述取样保持电路20停止对初级侧电感LP电流进行电压采样，输出CS_SH为最后采样获取初级侧电感LP电流的采样电压。
如图5所示，所述TOFF调整电路30包括有参考电压产生电路31、斜坡电压产生电路32和比较器U103，所述参考电压产生电路31用于根据所述取样保持电路20输出的采样电压CS产生并输出一参考电压VREF，所述斜坡电压产生电路32用于在所述开关管M1关断后产生并输出一斜坡电压VRAP，所述比较器U103的正输入端输入所述参考电压VREF，负输入端输入所述斜坡电压VRAP，当所述斜坡电压VRAP不低于所述参考电压VREF时输出所述调整结束信号RST。
所述参考电压产生电路31包括有放大器U101、放大器U102、电阻R106、电阻R107、电阻R108、NMOS管Q104、NMOS管Q105、NMOS管Q113、NMOS管Q114、PMOS管Q109、PMOS管Q110、PMOS管Q111、PMOS管Q112、PMOS管Q115、PMOS管Q116，所述PMOS管Q115的栅极连接偏置电源VB，漏极接地，源极接电流源IB1和放大器U101的正输入端，放大器U101的输出端接NMOS管Q104的栅极，NMOS管Q104的源极接放大器U101的负输入端并通过电阻R107接地，NMOS管Q104的漏极接PMOS管Q109的漏极、PMOS管Q109的栅极和PMOS管Q110的栅极，PMOS管Q109的源极和PMOS管Q110的源极接稳压电源，PMOS管Q110的漏极接所述比较器U103的正输入端并通过电阻R108接地，所述PMOS管Q116的栅极连接所述取样保持电路20的输出端，漏极接地，源极接电流源IB2和放大器U102的正输入端，放大器U102的输出端接NMOS管Q105的栅极，NMOS管Q105的源极接放大器U102的负输入端并通过电阻R106接地，NMOS管Q105的漏极接PMOS管Q111的漏极、PMOS管Q111的栅极和PMOS管Q112的栅极，PMOS管Q111的源极和PMOS管Q112的源极接稳压电源，PMOS管Q112的漏极接NMOS管Q113的漏极、NMOS管Q113的栅极和NMOS管Q114的栅极，NMOS管Q113的源极和NMOS管Q114的源极接地，NMOS管Q114的漏极接所述比较器U103的正输入端。
所述斜坡电压产生电路32包括有NMOS管Q118和电容C117，所述电容C117的一端连接电流源IRAP、比较器U103的负输入端和NMOS管Q118的漏极，NMOS管Q118的栅极接所述驱动脉冲产生模块50的输出端，NMOS管Q118的源极和所述电容C117的另一端接地。
从图5可以看出，PMOS管Q115为电位平移器，其输出VP1＝VB+VSG115；PMOS管Q116也为电位平移器，其输出VP2＝VB+VSG116。放大器U101、NMOS管Q104和电阻R107组成电流产生器而产生电流IVB；放大器U102、NMOS管Q105和电阻R106组成电流产生器而产生电流ICS。PMOS管Q109、PMOS管Q110组成电流镜，将电流IVB按1∶1的比例镜像输出；PMOS管Q111、PMOS管Q112、NMOS管Q113、NMOS管Q114也组成电流镜，将电流ICS按1∶1的比例镜像输出，电流IVB与电流ICS的差值流入电阻R108，电阻R108到GND跨压作为参考电压VREF输入至比较器U103的正输入端。电流源IRAP对电容C117充电，NMOS管Q118为其放电路径，用来产生斜波电压VRAP作为比较器U103的负端输入。
设计PMOS管Q109与PMOS管Q110匹配且面积相同，PMOS管Q111与PMOS管Q112匹配且面积相同，那么可以得到：
Figure BDA0002795096520000071
Figure BDA0002795096520000072
Figure BDA0002795096520000073
其中，R1为电阻R107的阻值，R2为电阻R106的阻值，VSG115为NMOS管Q115的源极与漏极的压差，VSG116为NMOS管Q116的源极与漏极的压差。
设计R1＝R2＝R，IB1＝IB2，且NMOS管Q115与NMOS管Q116匹配(VSG115＝VSG116)。那么可以得到：
Figure BDA0002795096520000081
Figure BDA0002795096520000082
Figure BDA0002795096520000083
上式中，TOFF1为TOFF调整电路30根据所述最后采样获取的采样电压CS设定的关断调整时间，VB为PMOS管Q115的栅极电压，R3为电阻R108的阻值，CRAP为电容C117的电容值，IRAP为电流源IRAP的输出电流。
因此，准谐振反激式变换器的工作周期T满足以下公式：
T＝TON+TOFF1+TOFF2
Figure BDA0002795096520000084
Figure BDA0002795096520000085
Figure BDA0002795096520000086
上式中，TOFF2为准谐振反激式变换器关断TOFF1时间后至谷底侦测电路10检测到所述振荡电压的谷底的时间，Vi为变压器T1的输入电压，LP为变压器T1的初级侧电感，RCS为初级侧电感LP电流的采样电阻。
假设准谐振反激式变换器的轻载和重载时的工作周期分别为TLL和THL，则有：
Figure BDA0002795096520000087
Figure BDA0002795096520000091
Figure BDA0002795096520000092
假设
Figure BDA0002795096520000094
只要设计使
Figure BDA0002795096520000093
即可使准谐振反激式变换器在轻载和重载时的工作周期保持一致了。
图6示出了本实用新型中的准谐振反激式变换器在轻载时的工作周期TLL，图7示出了本实用新型中的准谐振反激式变换器在重载时的工作周期THL，从图6、7可以看出，经过TOFF(TOFF＝TOFF1+TOFF2)时间调整之后，TLL可以接近THL，即准谐振反激式变换器的工作频率不随负载变化而变化。
本实用新型的准谐振反激式变换器的控制器100，包括有TOFF调整电路30，该TOFF调整电路30根据初级侧电感LP电流的采样电压CS设定关断调整时间，在所述开关管M1关断后开始计时直至所述关断调整时间到期之后，若检测到振荡电压的谷底，则导通开关管M1。通过该关断调整时间调整开关管M1的关断时间，从而使得准谐振反激式变换器在轻载和重载时的工作周期保持一致，实现准谐振反激式变换器的工作频率不随负载变化而变化的技术效果。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，而非对本实用新型做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种准谐振反激式变换器的控制器，准谐振反激式变换器包括有变压器、与所述变压器的初级侧电感连接的开关管，其特征在于，所述准谐振反激式变换器的控制器包括有：
谷底侦测电路，其检测所述准谐振反激式变换器在所述开关管关断后产生的振荡电压并在检测到所述振荡电压的谷底时发出谷底信号；
取样保持电路，其在所述开关管导通时对初级侧电感电流进行电压采样并输出采样电压，并在所述开关管关断时保持输出最后采样获取的采样电压；
TOFF调整电路，其根据所述最后采样获取的采样电压设定关断调整时间，并在所述开关管关断后开始计时直至所述关断调整时间到期之后输出调整结束信号；
谷底有效指示电路，其在接收到所述谷底侦测电路发出的谷底信号和所述TOFF调整电路输出的调整结束信号时发出驱动指示信号；
驱动脉冲产生模块，在接收到所述驱动指示信号时发出触发信号；
驱动器，其根据所述触发信号产生驱动信号以导通所述开关管。
2.如权利要求1所述的准谐振反激式变换器的控制器，其特征在于，所述取样保持电路包括有PMOS管Q119、NMOS管Q120和电容C121，所述PMOS管Q119的源极和NMOS管Q120的源极输入初级侧电感电流的采样电压，PMOS管Q119的漏极和NMOS管Q120的漏极接所述TOFF调整电路的输入端，所述NMOS管Q120的栅极接所述驱动脉冲产生模块的输出端，所述NMOS管Q120的栅极通过一反相器与NMOS管Q119的栅极连接，电容C121的一端接所述TOFF调整电路的输入端，另一端接地。
3.如权利要求1所述的准谐振反激式变换器的控制器，其特征在于，所述TOFF调整电路包括有：
参考电压产生电路，其根据所述取样保持电路输出的采样电压产生并输出一参考电压；
斜坡电压产生电路，其在所述开关管关断后产生并输出一斜坡电压；
比较器U103，其正输入端输入所述参考电压，负输入端输入所述斜坡电压，当所述斜坡电压不低于所述参考电压时输出所述调整结束信号。
4.如权利要求3所述的准谐振反激式变换器的控制器，其特征在于，所述参考电压产生电路包括有放大器U101、放大器U102、电阻R106、电阻R107、电阻R108、NMOS管Q104、NMOS管Q105、NMOS管Q113、NMOS管Q114、PMOS管Q109、PMOS管Q110、PMOS管Q111、PMOS管Q112、PMOS管Q115、PMOS管Q116，所述PMOS管Q115的栅极连接偏置电源VB，漏极接地，源极接电流源IB1和放大器U101的正输入端，放大器U101的输出端接NMOS管Q104的栅极，NMOS管Q104的源极接放大器U101的负输入端并通过电阻R107接地，NMOS管Q104的漏极接PMOS管Q109的漏极、PMOS管Q109的栅极和PMOS管Q110的栅极，PMOS管Q109的源极和PMOS管Q110的源极接稳压电源，PMOS管Q110的漏极接所述比较器U103的正输入端并通过电阻R108接地，所述PMOS管Q116的栅极连接所述取样保持电路的输出端，漏极接地，源极接电流源IB2和放大器U102的正输入端，放大器U102的输出端接NMOS管Q105的栅极，NMOS管Q105的源极接放大器U102的负输入端并通过电阻R106接地，NMOS管Q105的漏极接PMOS管Q111的漏极、PMOS管Q111的栅极和PMOS管Q112的栅极，PMOS管Q111的源极和PMOS管Q112的源极接稳压电源，PMOS管Q112的漏极接NMOS管Q113的漏极、NMOS管Q113的栅极和NMOS管Q114的栅极，NMOS管Q113的源极和NMOS管Q114的源极接地，NMOS管Q114的漏极接所述比较器U103的正输入端。
5.如权利要求3所述的准谐振反激式变换器的控制器，其特征在于，所述斜坡电压产生电路包括有NMOS管Q118和电容C117，所述电容C117的一端连接电流源IRAP、所述比较器U103的负输入端和NMOS管Q118的漏极，NMOS管Q118的栅极接所述驱动脉冲产生模块的输出端，NMOS管Q118的源极和所述电容C117的另一端接地。
6.如权利要求1-5任一所述的准谐振反激式变换器的控制器，其特征在于，所述谷底有效指示电路采用RS型触发器，所述驱动脉冲产生模块采用RS型触发器。
7.如权利要求1所述的准谐振反激式变换器的控制器，其特征在于，所述驱动脉冲产生模块还用于接收表征所述准谐振反激式变换器的输出电压/电流是否超过阈值的输出电压反馈信号，并在接收到表征所述准谐振反激式变换器的输出电压/电流超过阈值的输出电压反馈信号时关断所述开关管。
8.如权利要求7所述的准谐振反激式变换器的控制器，其特征在于，所述准谐振反激式变换器的控制器还包括有二极管D1和比较器U1，所述二极管D1的阳极输入所述输出电压反馈信号，二极管D1的阴极接比较器U1的负输入端，比较器U1的正输入端输入初级侧电感电流的采样电压，比较器U1的输出端接所述驱动脉冲产生模块。
9.一种准谐振反激式变换器，其特征在于，所述准谐振反激式变换器包括有如权利要求1-8任一所述的准谐振反激式变换器的控制器。
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