本發(fā)明涉及電路領(lǐng)域,尤其涉及一種反激式電源系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù):
一般,反激式電源系統(tǒng)通過變壓器來隔離原邊輸入和副邊輸出,并通過諸如光耦之類的隔離元件來將輸出電壓的采樣信息反饋到位于原邊側(cè)的控制芯片,以使得控制芯片能夠根據(jù)輸出電壓的采樣信息來對輸出電壓進行調(diào)節(jié)。但是,諸如光耦之類的隔離元件不僅會增加反激式電源系統(tǒng)的成本,而且由于其本身的使用壽命非常有限而會成為反激式電源系統(tǒng)的使用壽命的制約因素之一。
鑒于此,提出了一種基于原邊反饋的反激式電源系統(tǒng),該反激式電源系統(tǒng)無需通過任何隔離元件來將輸出電壓的采樣信息反饋到位于原邊側(cè)的控制芯片,而是直接基于從原邊側(cè)采樣得到的電壓/電流信息來對輸出電壓進行調(diào)節(jié)。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
鑒于以上所述的一個或多個問題,本發(fā)明提供了一種反激式電源系統(tǒng)及其控制方法,能夠根據(jù)來自變壓器的原邊側(cè)的電流采樣電壓、以及來自變壓器的輔助繞組的反饋電壓和反饋電流來控制功率開關(guān)的狀態(tài)切換,從而控制系統(tǒng)輸出電流。
根據(jù)本發(fā)明實施例的反激式電源系統(tǒng),包括變壓器、與變壓器的原邊繞組連接的功率開關(guān)、以及用于控制功率開關(guān)從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)或者從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)的系統(tǒng)控制模塊,其中:系統(tǒng)控制模塊基于連接在功率開關(guān)與地之間的電流采樣電阻上的電流采樣電壓控制功率開關(guān)從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài),并且基于來自變壓器的輔助繞組的反饋電壓和反饋電流控制功率開關(guān)從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài),反饋電壓表征反激式電源系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出電壓,反饋電流表征反激式電源系統(tǒng)的系統(tǒng)輸入電壓。
在一些實施例中,系統(tǒng)控制模塊基于反饋電壓確定變壓器的副邊繞組導通時間,并且基于反饋電流與第一閾值電流之間的大小關(guān)系、以及變壓器的副邊繞組導通時間控制功率開關(guān)從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài),以使得變壓器的副邊繞組導通時間與功率開關(guān)的開關(guān)周期之間的比值在反饋電流小于第一閾值電流時為第一值并且在反饋電流大于第一閾值電流時為第二值。
在一些實施例中,當電流采樣電壓大于第一閾值電壓時,系統(tǒng)控制模塊控制功率開關(guān)從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)。
在一些實施例中,系統(tǒng)控制模塊包括副邊導通時間檢測電路,副邊導通時間檢測電路基于反饋電壓與第二閾值電壓之間的大小關(guān)系生成表征變壓器的副邊繞組是否處于導通狀態(tài)的導通狀態(tài)指示信號。
在一些實施例中,系統(tǒng)控制模塊包括線電壓-線電流轉(zhuǎn)換電路和第一比較器,線電壓-線電流轉(zhuǎn)換電路根據(jù)預(yù)先確定的轉(zhuǎn)換關(guān)系將反饋電流轉(zhuǎn)換為線電流,第一比較器基于線電流與第二閾值電流之間的大小關(guān)系生成第一比較結(jié)果指示信號,第二閾值電流與第一閾值電流成比例。
在一些實施例中,系統(tǒng)控制模塊包括可變比值控制模塊,可變比值控制模塊包括第一至第三電流鏡、電容器、以及第二比較器,其中:第一電流鏡在第一比較結(jié)果指示信號的控制下,對電容器進行充電;第二電流鏡在導通狀態(tài)指示信號的控制下,對電容器進行充電;第三電流鏡在導通狀態(tài)指示信號的控制下,對電容器進行放電,第二比較器基于電容器上的電壓與第三閾值電壓之間的大小關(guān)系生成第二比較結(jié)果指示信號,用于控制功率開關(guān)從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)。
在一些實施例中,系統(tǒng)控制模塊還包括第三比較器和rs觸發(fā)器,第三比較器基于電流采樣電壓與第一閾值電壓之間的大小關(guān)系生成第三比較結(jié)果指示信號,rs觸發(fā)器基于第二比較結(jié)果指示信號和第三比較結(jié)果指示信號生成用于控制功率開關(guān)從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)或者從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)的脈沖頻率調(diào)制信號。
在一些實施例中,反饋電壓是在功率開關(guān)處于導通狀態(tài)時對變壓器的輔助繞組上的電壓進行分壓得到的。
根據(jù)本發(fā)明實施例的用于反激式電源系統(tǒng)的控制方法,反激式電源系統(tǒng)包括變壓器和與變壓器的原邊繞組連接的功率開關(guān),該控制方法包括:基于連接在功率開關(guān)與地之間的電流采樣電阻上的電流采樣電壓控制功率開關(guān)從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài),并且基于來自變壓器的輔助繞組的反饋電壓和反饋電流控制功率開關(guān)從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài),其中,反饋電壓表征反激式電源系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出電壓,反饋電流表征反激式電源系統(tǒng)的系統(tǒng)輸入電壓。
在一些實施例中,基于反饋電壓確定變壓器的副邊繞組導通時間,并且基于反饋電流與第一閾值電流之間的大小關(guān)系、以及變壓器的副邊繞組導通時間控制功率開關(guān)從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài),以使得變壓器的副邊繞組導通時間與功率開關(guān)的開關(guān)周期之間的比值在反饋電流小于第一閾值電流時為第一值并且在反饋電流大于第一閾值電流時為第二值。
附圖說明
從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發(fā)明,其中:
圖1示出了傳統(tǒng)的基于原邊反饋的反激式電源系統(tǒng)的電路圖;
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的反激式電源系統(tǒng)的電路圖;
圖3示出了圖2中的副邊導通時間檢測模塊的示例電路圖;
圖4示出了圖2中的可變比值控制模塊的示例電路圖;
圖5示出了在圖2中的副邊導通時間檢測模塊和可變比值控制模塊分別被實現(xiàn)為圖3和圖4所示的示例電路時,輸出表征電壓vfb、導通狀態(tài)指示信號state_tons、電容c上的電壓vramp、狀態(tài)控制信號cc_ctrl、以及pfm信號的時序圖;
圖6示出了圖2所示的反激式電源系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出電流隨系統(tǒng)輸入電壓變化的示意圖。
具體實施方式
下面將詳細描述本發(fā)明的各個方面的特征和示例性實施例。在下面的詳細描述中,提出了許多具體細節(jié),以便提供對本發(fā)明的全面理解。但是,對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很明顯的是,本發(fā)明可以在不需要這些具體細節(jié)中的一些細節(jié)的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發(fā)明的示例來提供對本發(fā)明的更好的理解。本發(fā)明決不限于下面所提出的任何具體配置和算法,而是在不脫離本發(fā)明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中,沒有示出公知的結(jié)構(gòu)和技術(shù),以便避免對本發(fā)明造成不必要的模糊。
圖1示出了傳統(tǒng)的基于原邊反饋的反激式電源系統(tǒng)的電路圖。在圖1所示的反激式電源系統(tǒng)工作于電流斷續(xù)模式(dcm)的情況下:當功率開關(guān)q1處于導通狀態(tài)時,變壓器t1儲存能量,流過變壓器t1的原邊繞組的變壓器原邊電流ics線性上升,電流采樣電阻rs上的電流采樣電壓vcs線性上升;當電流采樣電阻rs上的電流采樣電壓vcs達到閾值電壓vth時,功率開關(guān)q1從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài);當功率開關(guān)q1處于截止狀態(tài)時,變壓器t1釋放能量,流過變壓器t1的副邊繞組的變壓器副邊電流isec線性下降。
根據(jù)原邊控制原理,圖1所示的反激式電源系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出電流,即流過負載ro的電流iout可以表示為:
其中,n是變壓器t1的原邊繞組與副邊繞組的匝數(shù)比,ip是流過變壓器t1的原邊繞組的變壓器原邊峰值電流(即,變壓器原邊電流ics的峰值),tons是變壓器t1的副邊導通時間,ts是功率開關(guān)q的開關(guān)周期。
根據(jù)等式1和等式2可知,只要保證變壓器t1的副邊導通時間tons與功率開關(guān)q的開關(guān)周期ts的比值、和流過變壓器t1的原邊繞組的變壓器原邊峰值電流ip為固定值,就可以使圖1所示的反激式電源系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出電流保持恒定。在這種情況下,不論圖1所示的反激式電源系統(tǒng)的系統(tǒng)輸入電壓是否恒定,其系統(tǒng)輸出電流都保持恒定。
在一些電網(wǎng)欠發(fā)達的國家或地區(qū),例如,印度,交流輸入電壓相當不穩(wěn)定,如果圖1所示的反激式電源系統(tǒng)在交流輸入電壓過高時仍然保持系統(tǒng)輸出電流恒定,則會由于系統(tǒng)過熱而損壞。
鑒于上述問題,提出了一種新穎的反激式電源系統(tǒng),能夠根據(jù)來自變壓器的原邊側(cè)的電流采樣電壓和來自變壓器的副邊側(cè)的輸出表征電壓二者來控制功率開關(guān)的狀態(tài)切換,從而控制系統(tǒng)輸出電流。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的反激式電源系統(tǒng)的電路圖。如圖2所示,根據(jù)本發(fā)明實施例的反激式電源系統(tǒng)包括變壓器t1、位于變壓器t1的原邊側(cè)的整流濾波模塊202、系統(tǒng)控制模塊204、功率開關(guān)q1、和電流采樣電阻rs、以及位于變壓器t1的副邊側(cè)的反饋分壓電阻r1和r2,其中:整流濾波模塊202的第一端子和第二端子用于分別與交流電源的正極和負極連接,整流濾波模塊202的第三端子與變壓器t1的原邊繞組電感l(wèi)的第一端子連接,整流濾波模塊202的第四端子接地;系統(tǒng)控制模塊204的bd端子與功率開關(guān)q1的基極連接,系統(tǒng)控制模塊204的cs端子與電流采樣電阻rs的第一端子連接,系統(tǒng)控制模塊204的fb端子與反饋分壓電阻r1和r2之間的連接節(jié)點連接;功率開關(guān)q1的集電極與變壓器t1的原邊繞組電感l(wèi)的第二端子連接,功率開關(guān)q1的發(fā)射極與電流采樣電阻rs的第一端子連接;電流采樣電阻rs的第二端子接地;反饋分壓電阻r1和r2串聯(lián)連接在變壓器t1的輔助繞組的同名端和地之間。
在圖2所示的反激式電源系統(tǒng)中,整流濾波模塊202通過對交流輸入電壓vac進行整流和濾波生成線電壓vbulk;在功率開關(guān)q1處于導通狀態(tài)時,變壓器t1的輔助繞組上的電壓vaux為負壓且大小與線電壓vbulk成比例,具體如下:
其中,naux是變壓器t1的輔助繞組的匝數(shù),np是變壓器t1的原邊繞組的匝數(shù)。
在功率開關(guān)q1處于導通狀態(tài)時,變壓器t1的輔助繞組上的電壓vaux可以表征線電壓vbulk(即,系統(tǒng)輸入電壓),因此來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電流ifb也可以表征線電壓vbulk。在功率開關(guān)q1處于截止狀態(tài)時,變壓器t1的輔助繞組上的電壓vaux與系統(tǒng)輸出電壓,即,負載ro上的電壓vout成比例,因此來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電壓vfb可以表征系統(tǒng)輸出電壓vout。
在圖2所示的反激式電源系統(tǒng)中,系統(tǒng)控制模塊204可以根據(jù)電流采樣電阻rs上的電流采樣電壓vcs、以及來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電壓vfb和反饋電流ifb來控制功率開關(guān)q1從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)或者從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài),從而控制系統(tǒng)輸出電流,即流過負載ro的電流iout。
具體地,當功率開關(guān)q1處于導通狀態(tài)時,變壓器t1儲存能量,流過變壓器t1的原邊繞組的變壓器原邊電流ics線性上升,電流采樣電阻rs上的電流采樣電壓vcs線性上升;當電流采樣電阻rs上的電流采樣電壓vcs達到閾值電壓vth時,系統(tǒng)控制模塊204控制功率開關(guān)q1從導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)。當功率開關(guān)q1處于截止狀態(tài)時,系統(tǒng)控制模塊204可以根據(jù)來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電壓vfb來判斷變壓器t1的副邊繞組何時開始退磁以及何時結(jié)束退磁(即,檢測變壓器t1的副邊導通時間tons),并根據(jù)變壓器t1的副邊導通時間tons、以及來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電流ifb與過壓保護閾值電流iovp_1之間的大小關(guān)系來控制功率開關(guān)q1從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài),以使得變壓器t1的副邊導通時間tons與功率開關(guān)q1的開關(guān)周期ts之間的比值(tons/ts)在來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電流ifb小于過壓保護閾值電流iovp_1時為k1并且在來自變壓器t1的反饋電流ifb大于過壓保護閾值電流iovp_1時為k2。
在一些實施例中,系統(tǒng)控制模塊204可以進一步包括線電壓-線電流轉(zhuǎn)換電路204-2、副邊導通時間檢測電路204-4、可變比值控制電路204-6、rs觸發(fā)器、開關(guān)驅(qū)動電路204-8、以及比較器cmp1和cmp2,其中:
線電壓-線電流轉(zhuǎn)換電路204-2可以在功率開關(guān)q1處于導通狀態(tài)時把線電壓vbulk采樣下來并轉(zhuǎn)換成線電流iline,然后把線電流iline輸出到比較器cmp1。例如,線電壓-線電流轉(zhuǎn)換電路204-2可以根據(jù)以下等式并結(jié)合等式3將線電壓ibulk轉(zhuǎn)換成線電流iline:
其中,a表示轉(zhuǎn)換系數(shù)且為常數(shù)。
比較器cmp1可以將線電流iline與過壓保護閾值電流iovp_2進行比較,并將比較結(jié)果指示信號line_high輸出到可變比值控制電路204-6。這里,當線電流iline小于過壓保護閾值電流iovp_2時,比較器cmp1輸出的比較結(jié)果指示信號line_high為低電平;當線電流iline大于過壓保護閾值電流iovp_2時,比較器cmp1輸出的比較結(jié)果指示信號line_high為高電平。這里,iovp_1=iovp_2×a。
副邊導通時間檢測電路204-4可以根據(jù)來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電壓vfb來判斷變壓器t1的副邊繞組何時開始退磁以及何時結(jié)束退磁,即檢測變壓器t1的副邊導通時間tons,并將變壓器t1的副邊導通時間tons提供給可變比值控制電路204-6。
圖3示出了圖2中的副邊導通時間檢測模塊的示例電路圖。如圖3所示,比較器cmp4通過比較來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電壓vfb是否高于例如,0.1v來判斷變壓器t1的副邊繞組的退磁開始與結(jié)束。當來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電壓vfb高于0.1v時,指示變壓器t1的副邊繞組開始退磁,即變壓器t1的副邊繞組處于導通狀態(tài);當來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電壓vfb低于0.1v時,指示變壓器t1的副邊繞組結(jié)束退磁,即變壓器t1的副邊繞組處于截止狀態(tài)。
圖3所示的副邊導通時間檢測模塊的輸出信號是表征變壓器t1的副邊繞組是否處于導通狀態(tài)的導通狀態(tài)指示信號state_tons;當變壓器t1的副邊繞組處于導通狀態(tài)時,導通狀態(tài)指示信號state_tons為高電平;當變壓器t1的副邊繞組處于截止狀態(tài)時,導通狀態(tài)指示信號state_tons為低電平。
可變比值控制電路204-6可以在比較結(jié)果指示信號line_high為低電平時,利用變壓器t1的副邊導通時間tons基于tons/ts=k1確定功率開關(guān)q1的開關(guān)周期,并基于所確定的功率開關(guān)q1的開關(guān)周期控制功率開關(guān)q1從截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài),從而使得系統(tǒng)輸出電流
圖4示出了圖2中的可變比值控制模塊的示例電路圖。如圖4所示,當副邊導通時間檢測模塊輸出的導通狀態(tài)指示信號state_tons為高電平時,電流鏡i2對電容c放電,電容c上的電壓vramp線性下降;當副邊導通時間檢測模塊輸出的導通狀態(tài)指示信號state_tons為低電平時,電流鏡i1或者ii+i0對電容c充電,電容c上的電壓vramp線性升高;當電容c上的電壓vramp高于閾值電壓vr時,比較器cmp3輸出的狀態(tài)控制信號cc-ctrl為高電平;當電容c上的電壓vramp低于vr時,比較器cmp3輸出的狀態(tài)控制信號cc-ctrl為低電平。
比較器cmp2可以將電流采樣電阻rs上的電流采樣電壓vcs與閾值電壓vth進行比較,并將比較結(jié)果指示信號ocp輸出到rs觸發(fā)器。這里,當電流采樣電阻rs上的電流采樣電壓vcs大于閾值電壓vth時,比較器cmp2輸出的比較結(jié)果指示信號ocp為高電平;當電流采樣電阻rs上的電流采樣電壓vcs小于閾值電壓vth時,比較器cmp2輸出的比較結(jié)果指示信號ocp為低電平。
rs觸發(fā)器可以基于來自比較器cmp2的比較結(jié)果指示信號ocp和來自可變比值控制模塊204-6的狀態(tài)控制信號cc_ctrl,生成脈沖頻率調(diào)制(pfm)信號。
開關(guān)驅(qū)動模塊204-8可以基于來自rs觸發(fā)器的pfm信號來生成用于功率開關(guān)q1的驅(qū)動信號。
圖5示出了在圖2中的副邊導通時間檢測模塊和可變比值控制模塊分別被實現(xiàn)為圖3和圖4所示的示例電路時,來自變壓器t1的輔助繞組的反饋電壓vfb、導通狀態(tài)指示信號state_tons、電容c上的電壓vramp、狀態(tài)控制信號cc_ctrl、以及pfm信號的時序圖。
由上面分析可以知道,當線電流iline小于過壓保護閾值電流iovp_2時,比較器cmp1輸出的比較結(jié)果指示信號line_high為低電平,功率開關(guān)q1的開關(guān)周期
圖6示出了圖2所示的反激式電源系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出電流隨系統(tǒng)輸入電壓變化的示意圖。如圖6所示,當線電壓vbulk小于閾值電壓vth_bulk時,系統(tǒng)輸出電流為cc1,當線電壓vbulk電壓大于閾值電壓vth_bulk時,系統(tǒng)輸出電流為cc2??梢钥闯觯谙到y(tǒng)輸入電壓過高時,系統(tǒng)輸出電流成比例變小,這有利于避免系統(tǒng)過熱。
需要明確,本發(fā)明并不局限于上文所描述并在圖中示出的特定配置和處理。并且,為了簡明起見,這里省略對已知方法技術(shù)的詳細描述。在上述實施例中,描述和示出了若干具體的步驟作為示例。但是,本發(fā)明的方法過程并不限于所描述和示出的具體步驟,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在領(lǐng)會本發(fā)明的精神之后,做出各種改變、修改、和添加。
本發(fā)明可以以其他的具體形式實現(xiàn),而不脫離其精神和本質(zhì)特征。例如,特定實施例中所描述的算法可以被修改,而系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并不脫離本發(fā)明的基本精神。因此,當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的,本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非上述描述定義,并且,落入權(quán)利要求的含義和等同物的范圍內(nèi)的全部改變從而都被包括在本發(fā)明的范圍之中。