本發(fā)明涉及反激式開關(guān)電源控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種原邊反饋開關(guān)電源多階環(huán)路控制電路。

背景技術(shù)：

反激式開關(guān)電源因其應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及成本較低而被廣泛應(yīng)用。原邊反饋控制技術(shù)無需光耦器件和tl431來隔離采樣次級(jí)側(cè)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行環(huán)路調(diào)制，因此應(yīng)用更簡(jiǎn)單，成本更低，廣泛應(yīng)用在中小功率開關(guān)電源領(lǐng)域。

隨著電子產(chǎn)品性能的不斷提高，開始對(duì)開關(guān)電源的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)和輸出電壓紋波等指標(biāo)提出更高要求。其中輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)和輸出紋波這兩個(gè)指標(biāo)本身互為矛盾，低輸出電壓紋波需要系統(tǒng)環(huán)路頻率響應(yīng)有較大的相位裕量，而較大的相位裕量又會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這兩個(gè)指標(biāo)的矛盾在原邊反饋開關(guān)電源中尤為明顯。此外，電子設(shè)備性能增強(qiáng)也使得開關(guān)電源輸出負(fù)載電流不斷增加，這會(huì)在輸出線纜上產(chǎn)生顯著的線纜壓降，這需要開關(guān)電源芯片內(nèi)部來補(bǔ)償，以保證線端輸出電壓相對(duì)恒定。

目前主流的原邊反饋開關(guān)電源是采用低階單環(huán)路控制，即通過開關(guān)電源控制系統(tǒng)中單一變量來同時(shí)控制輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輸出電壓紋波及線補(bǔ)量等直流量，這容易導(dǎo)致系統(tǒng)環(huán)路不穩(wěn)定，或相關(guān)指標(biāo)很難滿足設(shè)計(jì)要求，或需要額外增加系統(tǒng)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種原邊反饋開關(guān)電源多階環(huán)路控制電路，將系統(tǒng)環(huán)路分解成快速環(huán)路、慢速環(huán)路和dc環(huán)路，分別控制環(huán)路中不同變量參數(shù)，以解決系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性等矛盾問題，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種原邊反饋開關(guān)電源多階環(huán)路控制電路，包括：采樣保持模塊、基準(zhǔn)模塊、誤差放大器、環(huán)路控制單元、線纜壓降補(bǔ)償模塊、電流源、峰值電流比較器、驅(qū)動(dòng)電路、鎖存器；

采樣保持模塊的輸入端用于采樣表示變壓器次級(jí)電壓的反饋信號(hào)并保持；

采樣保持模塊的輸出端接誤差放大器的反相輸入端，誤差放大器的同相輸入端接基準(zhǔn)模塊的輸出端，誤差放大器的輸出端接環(huán)路控制單元的輸入端；

環(huán)路控制單元包括快速環(huán)路、慢速環(huán)路和dc環(huán)路；快速環(huán)路控制開關(guān)電源的開關(guān)頻率的變化，快速環(huán)路的輸出端接鎖存器的s輸入端；慢速環(huán)路控制開關(guān)電源的峰值電流閾值的變化，慢速環(huán)路的輸出端接峰值電流比較器的反相輸入端；dc環(huán)路控制誤差放大器的失調(diào)、開關(guān)電源的輸出線補(bǔ)電壓的變化，dc環(huán)路的輸出端接線纜壓降補(bǔ)償模塊，線纜壓降補(bǔ)償模塊接電流源，電流源的輸出接采樣保持模塊的輸入端；

鎖存器的r輸入端接峰值電流比較器的輸出端，鎖存器的q輸出端接驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端作為多階環(huán)路控制電路的驅(qū)動(dòng)端；峰值電流比較器的同相輸入端作為多階環(huán)路控制電路的初級(jí)電流采樣反饋端。

進(jìn)一步地，快速環(huán)路包括pwm比較器、鋸齒信號(hào)發(fā)生器；pwm比較器的同相輸入端接鋸齒信號(hào)發(fā)生器的輸出端，反相輸入端接誤差放大器的輸出端，pwm比較器的輸出端接鎖存器的s輸入端；

慢速環(huán)路包括限幅跟隨器、第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)、峰值電流基準(zhǔn)模塊；限幅跟隨器的輸入端接誤差放大器的輸出端，輸出端接第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的輸入端，第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端接峰值電流基準(zhǔn)模塊的輸入端，峰值電流模塊的輸出接峰值電流比較器的反相輸入端；誤差放大器的輸出信號(hào)經(jīng)過限幅跟隨器，最大最小值被限幅后的誤差信號(hào)輸入到第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行積分迭代；

dc環(huán)路包括第二開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)積分后的信號(hào)經(jīng)過第二開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行積分迭代。

具體地，第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)包括電容c222、c223和電控開關(guān)k224；電容c222的一端接限幅跟隨器的輸出端并通過電控開關(guān)k224接電容c223的一端，電容c223的一端作為第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端；電容c222和c223的另一端均接初級(jí)地。

更進(jìn)一步地，第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)在每一個(gè)pwm開關(guān)周期進(jìn)行一次積分迭代。

具體地，第二開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)包括電控開關(guān)k231和k232、電容c233、c234；電控開關(guān)k231的一端接第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端，另一端接電控開關(guān)k232的一端和電容c233的一端，電容c233的另一端接初級(jí)地；電控開關(guān)k232的另一端接電容c234的一端并連接線纜壓降補(bǔ)償模塊；電容c234的另一端接初級(jí)地。

更進(jìn)一步地，開關(guān)k231和k232控制信號(hào)是互為反向的窄脈沖信號(hào)，將第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)積分后的信號(hào)通過開關(guān)k231和k232逐周期向電容c233和c234傳遞信號(hào)，一個(gè)pwm開關(guān)周期傳遞一次。

更進(jìn)一步地，慢速環(huán)路與快速環(huán)路具有相同的直流增益；慢速環(huán)路的-3db帶寬比快速環(huán)路小，慢速環(huán)路的頻率響應(yīng)低于快速環(huán)路的頻率響應(yīng)；

dc環(huán)路與慢速環(huán)路具有相同的直流增益；dc環(huán)路的-3db帶寬比慢速環(huán)路小，dc環(huán)路的頻率響應(yīng)低于慢速環(huán)路的頻率響應(yīng)。

更優(yōu)地，在第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)兩端和第二開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)k232的兩端并聯(lián)加速支路；所述加速支路包括并聯(lián)的兩個(gè)極性方向相反的二極管。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明提供的多階環(huán)路控制優(yōu)化了快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定的矛盾，在提升快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的同時(shí)，也提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性以及系統(tǒng)輸出精度；本發(fā)明能大大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)及降低系統(tǒng)外圍成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電原理圖。

圖2為本發(fā)明的環(huán)路控制單元的電原理圖。

圖3為本發(fā)明的多階環(huán)路頻率響應(yīng)示意圖。

圖4為本發(fā)明的慢速環(huán)路和dc環(huán)路頻率響應(yīng)加速原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是一種原邊反饋反激式開關(guān)電源（以下簡(jiǎn)稱開關(guān)電源）的原理圖，該開關(guān)電源包括了本發(fā)明的原邊反饋開關(guān)電源多階環(huán)路控制電路120（以下簡(jiǎn)稱多階環(huán)路控制電路120），以及適當(dāng)?shù)耐鈬?/p>

該開關(guān)電源中，主要由二極管d101、d102、d103、d104組成輸入整流橋，母線直流電容c105主要起濾波作用；變壓器t106的初級(jí)異名端接整流橋的輸出端，初級(jí)同名端接功率開關(guān)管n1的漏極，開關(guān)管n1的源極接初級(jí)采樣電阻rcs的一端，初級(jí)采樣電阻rcs的另一端接初級(jí)地；變壓器t106的次級(jí)同名端接二極管d105陽極，二極管d105的陰極作為開關(guān)電源的正輸出端，變壓器t106的次級(jí)異名端作為開關(guān)電源的負(fù)輸出端；電容c3和電阻r3并聯(lián)在開關(guān)電源的正、負(fù)輸出端間；二極管d105、電容c3和電阻r3構(gòu)成輸出整流濾波組件107；輔助繞組的電壓通過兩個(gè)分壓電阻r1和r2分壓后，作為表示次級(jí)電壓的反饋信號(hào)108；

多階環(huán)路控制電路120包括采樣保持模塊121、基準(zhǔn)模塊122、誤差放大器123、環(huán)路控制單元124、線纜壓降補(bǔ)償模塊125、電流源126、峰值電流比較器130、驅(qū)動(dòng)電路131、鎖存器132；

采樣保持模塊121的輸入端用于采樣表示變壓器次級(jí)電壓的反饋信號(hào)并保持；其通過變壓器次級(jí)線圈和輔助線圈的耦合關(guān)系，在變壓器t106退磁階段，從輔助線圈采樣表示次級(jí)電壓的反饋信號(hào)108并保持；采樣保持模塊121的輸出端接誤差放大器123的反相輸入端，誤差放大器123的同相輸入端接基準(zhǔn)模塊122的輸出端，誤差放大器123的輸出端接環(huán)路控制單元124的輸入端；

采樣保持模塊121輸出的采樣保持信號(hào)為誤差放大器123的負(fù)反饋輸入，采樣保持信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)經(jīng)過誤差放大器123處理，輸出誤差信號(hào)來判斷環(huán)路調(diào)節(jié)方向，當(dāng)輸出誤差信號(hào)變高，表示輸出負(fù)載加重，當(dāng)輸出誤差信號(hào)變低，表示輸出負(fù)載變輕；

環(huán)路控制單元124包括快速環(huán)路210、慢速環(huán)路220和dc環(huán)路230，它們具有相同的低頻增益和不同的截止頻率；快速環(huán)路的頻率響應(yīng)速度由誤差放大器123的頻率響應(yīng)速度決定，慢速環(huán)路和dc環(huán)路的響應(yīng)速度由開關(guān)頻率和電容比例決定；

快速環(huán)路210控制開關(guān)電源的開關(guān)頻率（即工作頻率）的變化，快速環(huán)路210的輸出端接鎖存器132的s輸入端；慢速環(huán)路220控制開關(guān)電源的峰值電流閾值的變化，慢速環(huán)路220的輸出端接峰值電流比較器130的反相輸入端；dc環(huán)路230控制誤差放大器123的失調(diào)、開關(guān)電源的輸出線補(bǔ)電壓的變化，dc環(huán)路230的輸出端接線纜壓降補(bǔ)償模塊125，線纜壓降補(bǔ)償模塊125接電流源126，電流源126的輸出接采樣保持模塊121的輸入端；

鎖存器132的r輸入端接峰值電流比較器130的輸出端，鎖存器132的q輸出端接驅(qū)動(dòng)電路131的輸入端，驅(qū)動(dòng)電路131的輸出端作為多階環(huán)路控制電路的驅(qū)動(dòng)端，用于連接開關(guān)管n1的柵極；峰值電流比較器130的同相輸入端作為多階環(huán)路控制電路的初級(jí)電流采樣反饋端，用于連接初級(jí)采樣電阻rcs；

如圖2所示，

快速環(huán)路210包括pwm比較器213、鋸齒信號(hào)發(fā)生器212；pwm比較器213的同相輸入端接鋸齒信號(hào)發(fā)生器212的輸出端，反相輸入端接誤差放大器123的輸出端，pwm比較器213的輸出端接鎖存器132的s輸入端；

誤差放大器123的輸出信號(hào)211與鋸齒信號(hào)通過pwm比較器213進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生pwm信號(hào)控制功率開關(guān)管n1的開關(guān)；pwm比較器213的輸出信號(hào)214對(duì)鎖存器132進(jìn)行置位，其輸出信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路131后驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管n1，直到峰值電流比較器130的輸出復(fù)位鎖存器132，功率開關(guān)管n1關(guān)斷，等待下一個(gè)開關(guān)周期；該信號(hào)鏈路控制開關(guān)電源工作頻率的高低變化，為系統(tǒng)控制快速環(huán)路；

慢速環(huán)路220包括限幅跟隨器221、第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)、峰值電流基準(zhǔn)模塊225；限幅跟隨器221的輸入端接誤差放大器123的輸出端，輸出端接第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的輸入端，第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端接峰值電流基準(zhǔn)模塊225的輸入端，峰值電流模塊225的輸出端接峰值電流比較器130的反相輸入端；

其中第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)包括電容c222、c223和電控開關(guān)k224；電控開關(guān)k224受控于窄脈沖信號(hào)；電容c222的一端接限幅跟隨器221的輸出端并通過電控開關(guān)k224接電容c223的一端，電容c223的一端作為第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端；電容c222和c223的另一端均接初級(jí)地；

誤差放大器123的輸出信號(hào)211經(jīng)過限幅跟隨器221，最大最小值被限幅后的誤差信號(hào)輸入到由電容和開關(guān)組成的第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行積分處理，每一個(gè)pwm開關(guān)周期進(jìn)行一次積分迭代；第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)積分后的信號(hào)通過峰值電流基準(zhǔn)模塊225產(chǎn)生峰值電流基準(zhǔn)電壓，與初級(jí)采樣電阻rcs上的壓降進(jìn)行比較，產(chǎn)生功率開關(guān)管n1關(guān)斷信號(hào)；慢速環(huán)路220與快速環(huán)路210具有相同的直流增益；慢速環(huán)路220的頻率響應(yīng)決定于電容比例及開關(guān)頻率，其頻率響應(yīng)低于快速環(huán)路210的頻率響應(yīng)；慢速環(huán)路220可控制開關(guān)電源的峰值電流的大??；第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)所在的鏈路構(gòu)成了系統(tǒng)慢速環(huán)路；

具體而言，誤差放大器123的輸出信號(hào)211經(jīng)過限幅跟隨器221，輸出限幅信號(hào)通過電容c222進(jìn)行保存，開關(guān)k224連接電容c222和c223，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)短暫導(dǎo)通一次，電容c222與電容c223在開關(guān)k224導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)做一次積分運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電容c222上的信號(hào)向電容c223傳遞；電容c223上的信號(hào)通過峰值電流基準(zhǔn)模塊225分壓處理后，產(chǎn)生信號(hào)226作為峰值電流比較器130的參考電壓。

dc環(huán)路230包括第二開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，具體包括電控開關(guān)k231和k232、電容c233、c234；電控開關(guān)k231的一端接第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的輸出端，另一端接電控開關(guān)k232的一端和電容c233的一端，電容c233的另一端接初級(jí)地；電控開關(guān)k232的另一端接電容c234的一端并連接線纜壓降補(bǔ)償模塊125；電容c234的另一端接初級(jí)地；

第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)積分后的信號(hào)經(jīng)過第二開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行積分迭代；dc環(huán)路230與慢速環(huán)路220具有相同的直流增益；dc環(huán)路230的頻率響應(yīng)低于慢速環(huán)路220的頻率響應(yīng)；第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)所在鏈路構(gòu)成了系統(tǒng)的dc環(huán)路，控制開關(guān)電源中誤差放大器123的失調(diào)電壓和系統(tǒng)線補(bǔ)電流等直流分量。

具體地，開關(guān)k231和k232控制信號(hào)是互為反向的窄脈沖信號(hào)，將電容c223上的信號(hào)通過開關(guān)k231和k232逐周期向電容c233和c234傳遞信號(hào)，一個(gè)系統(tǒng)開關(guān)周期傳遞一次，在多個(gè)系統(tǒng)開關(guān)周期后，電容c234上的信號(hào)接近電容c223上的信號(hào)；電容c234上信號(hào)與電容c223上信號(hào)低頻增益相同，截止頻率更低，構(gòu)成開關(guān)電源控制系統(tǒng)的dc環(huán)路；信號(hào)235控制開關(guān)電源的誤差放大器123失調(diào)電壓、輸出線補(bǔ)電壓等直流分量。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例多階環(huán)路頻率響應(yīng)示意圖。圖3中所示的信號(hào)301、302和303分別對(duì)應(yīng)快速環(huán)路、慢速環(huán)路和dc環(huán)路的頻率響應(yīng)特征曲線；它們具有相同的低頻增益，快速環(huán)路頻率曲線301的截止頻率最高，慢速環(huán)路頻率曲線302的截止頻率次之，dc環(huán)路頻率曲線303的截止頻率最低。

作為本發(fā)明的一種更優(yōu)的實(shí)施方式，如圖4所示，可以在第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)兩端和第二開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中開關(guān)k232的兩端分別并聯(lián)加速支路；所述加速支路包括并聯(lián)的兩個(gè)極性方向相反的二極管，如圖4中的二極管d401和d402，二極管d403和d404；此措施可進(jìn)一步提高系統(tǒng)環(huán)路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；當(dāng)加速支路滿足條件時(shí)，環(huán)路中第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)和第二開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路響應(yīng)與快速環(huán)路響應(yīng)截止頻率相同，此時(shí)慢速環(huán)路和dc環(huán)路分別轉(zhuǎn)化成快速環(huán)路；當(dāng)加速支路不滿足條件時(shí)，第一開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)截止頻率比快速環(huán)路低，第二開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)截止頻率最低。

具體而言，圖4中信號(hào)411和412表示慢速環(huán)路積分電容的信號(hào)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)信號(hào)之間并聯(lián)兩個(gè)背靠背二極管d401和d402；當(dāng)慢速環(huán)路節(jié)點(diǎn)411和412之間的電壓壓差超過二極管壓降時(shí)，節(jié)點(diǎn)信號(hào)411與412開始跟隨，并保持一個(gè)二極管電壓壓降；當(dāng)慢速環(huán)路節(jié)點(diǎn)411和412之間的電壓壓差小于二極管壓降時(shí)，節(jié)點(diǎn)信號(hào)411與412的跟隨特性自動(dòng)退出，環(huán)路頻率響應(yīng)加速過程自動(dòng)退出。同樣，圖4中信號(hào)421和422之間并聯(lián)的兩個(gè)背靠背二極管d403和d404，作為dc環(huán)路的加速支路，提高頻率響應(yīng)。

峰值電流比較器130通過比較功率管端初級(jí)采樣電阻rcs的壓降和峰值電流閾值電壓，輸出高低電平信號(hào)來控制功率開關(guān)管n1的關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路131將pwm弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管n1。