一種ac/dc轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路的製作方法

2023-09-12 02:16:35 1

專利名稱：一種ac/dc轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電壓的採樣電路，尤其是AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路。
背景技術：
目前，AC/DC轉換開關電源在人們的日常生活中得到廣泛應用。對於中小功率的開關電源如手機充電器、LED照明和電腦電源等，AC/DC轉換電源常應用初級端採樣輸出電壓控制方法來實現對輸出電壓/電流的調節，電源採用的是反激(FLYBACK)電源拓撲機構， 如圖I所示。對於電源功率大於75瓦的情形，通常還需要前級功率因數調節電路來實現高功率因數，如圖2所示。對於上述兩種情形，控制電路晶片通常需要對輸入線電壓進行監視來實現對輸入電壓過壓保護的目的。而對於功率因數調節電源，輸入線電壓的正弦波參考電壓也是其控制電路晶片所必須的信息，以此達到對總諧波失真(THD)最佳化的目的。無論上述那種情況，輸入電壓的信息都是通過接在全橋整流後的線電壓到地的兩個分壓電阻 Risl和Ris2來實現的，如圖I和圖2所示圖I中，輸入電壓Vin信息是通過兩個分壓電阻Risl和Ris2經過Vis端直接得至IJ，而輸出電壓Vout信息是通過變壓器反饋、再通過電阻Rf l、Rf2和Vfb端得到。圖2中， AC/DC轉換前級功率因數調節電源的輸入線電壓採樣和零電流檢測示意圖輸入電壓Vin信息是通過兩個分壓電阻Risl和Ris2經過Vis端直接得到，而當Mn關斷後電感電流開始下降，當電感電流下降到O時的信息是通過電感反饋，再經過電阻Rfl和Vzcd端得到。這樣，不僅控制電路晶片多需要一個輸入管腳Vis、電源需要額外的兩個外部電阻 Risl和Ris2，使電源PCB面積增加，還造成電阻Risl和Ris2上的功耗即能量損失。

發明內容
本發明的目的是針對AC/DC轉換應用中，功率因數調節輸入線電壓和輸出電壓的反饋採樣問題，提出了一種能夠同時對輸入線電壓和輸出電壓進行採樣的電路實現方法。 本發明只應用輸出電壓採樣端Vfb和零電流檢測端Vzcd來實現輸入線電壓的採樣，除了可以節省兩個分壓電阻Risl和Ris2外，控制晶片也可少一個輸入端Vis。本發明的技術方案是一種AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，它包括控制晶片及其外圍電路，所述的控制晶片內部電路包括用於輸出電壓採樣的開關SI、濾波電容Cl、C2、開關S2、 S3、電阻R3、過壓保護比較器OVP comparator U1、誤差放大器Error Amplifier U2、驅動器 Gate Driver IC1、數字控制器Digital Control IC2、參考電壓發生器Voltage Reference Generator IC3和過流保護比較器OCP Comparator U3,所述的過壓保護比較器Ul的同相比例輸入端通過開關S2接電阻R3和開關SI的一端，電阻R3的另一端通過開關S3接電源 Vp，開關SI的另一端接通過濾波電容Cl後接地，過壓保護比較器Ul的同相比例輸入端通過濾波電容C2後接地，過壓保護比較器Ul的反相比例輸入端接參考電壓發生器IC3的一信號輸入端，過壓保護比較器Ul的輸出端接數字控制器IC2的一輸入端，參考電壓發生器 IC3的另一信號輸入端接誤差放大器U2的反相比例信號輸入端，誤差放大器U2的同相比例信號輸入端與開關SI和濾波電容Cl的連接點相連，開關SI、S2以及電阻R3的連接點作為輸入、輸出電壓的採集端與外圍電路的分壓電阻Rf I和Rf 2的連接點相連，所述的參考電壓發生器IC3的輸出通過過流保護比較器U3後接數字控制器IC2的一信號輸入端，數字控制器IC2的另一信號輸入端接誤差放大器U2的輸出，數字控制器IC2的輸出通過驅動器ICl 輸出驅動信號。本發明的開關S2的控制信號和SI的反相，即開關S2和S3的控制信號與開關管 Mn的驅動控制信號Vg同相。本發明的輸入電壓和輸出電壓的反饋均從Vfb端獲取。—種AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的米樣電路,具體米樣時當Mn導通，此時，SI關斷、S2和S3導通，變壓器初級線圈上的電壓等於輸入線電壓Vin,輔助線圈上的電壓Vaux = Vin*Naux/Np,由於輔助線圈Np的正極接地，Vaux =-Vin*Naux/Np(I)
其中，Vaux是輔助線圈負極電壓，Naux是輔助線圈匝數，Np是變壓器初級線圈的匝數；此時，控制電路晶片內部電源Vp通過電阻R3向外部電阻Rfl和Rf2提供電流，形成分壓電阻網絡，電容C2較小，忽略流向C2的充電電流，(Vp-Vfb)/R3 = Vfb/Rf2+(Vfb-Vaux)/Rfl (2)根據方程⑴和(2)可以得到，輸入電壓Vin滿足如下公式V i η _ s e n = Vfb = (Vp*Rfl*Rf2_Vin*Rf2*R3*Naux/Np)/ (Rfl*Rf2+Rfl*R3+Rf2*R3)(3)當開關管Mn關斷，開關S2和S3關斷，SI導通，輸出電壓通過輔助線圈和次級線圈的耦合以及Rfl和Rf2的分壓反饋到控制電路晶片，即輸出電壓Vout滿足如下公式Vfb = Rf l*Vout*Ns/[Naux* (Rf 1+Rf2)],其中，Ns 是變壓器次級Bi數⑷。一種AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，它包括控制晶片及其外圍電路，所述的控制晶片內部電路包括控制晶片內部電路包括用於輸出電壓採樣的開關SI、 濾波電容Cl、C2、開關S2、S3、電阻R3、乘法器Multiplier IC4、零電流檢測比較器ZCD Comparator U4、驅動器 Gate Driver IC5、數字控制器 Digital Control IC6、參考電壓發生器Voltage Reference Generator IC7和過流保護比較器OCP Comparator U5,所述的乘法器IC4的一輸入端通過開關S2接電阻R3和開關SI的一端，電阻R3的另一端通過開關 S3接電源Vp，開關SI、S2以及電阻R3的連接點作為輸入、輸出電壓的採集端通過外圍電路的電壓採樣電阻Rfl與變壓器次級線圈相連，開關SI的另一端接通過濾波電容Cl後接地， 乘法器IC4與聯動開關S2相連的一端通過濾波電容C2後接地，乘法器IC4的另一端接數字控制器IC6的一信號輸入端，數字控制器IC6的另一信號輸入端接零電流檢測比較器U4 的輸出端，零電流檢測比較器U4的同相比例信號輸入端與開關SI、濾波電容Cl的連接點相連，零電流檢測比較器U4的反相比例信號輸入端與參考電壓發生器IC7的一信號輸出端相連，所述的參考電壓發生器IC7的另一輸出端通過過流保護比較器U5後接數字控制器IC6 的對應信號輸入端,數字控制器IC6的輸出通過閘極驅動晶片IC5輸出驅動信號。
本發明的開關S2的控制信號和SI的反相，即開關S2和S3的控制信號與開關管 Mn的驅動控制信號Vg同相。 本發明的輸入電壓和輸出電壓的反饋均從零電流採樣端Vzcd獲取。—種AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的米樣電路,具體米樣時當開關管Mn導通，此時，SI關斷、S2和S3導通，耦合電感初級線圈上的電壓等於輸入線電壓Vin,次級線圈上的電壓Vs = Vin*Ns/Np,由於次級線圈的正極接地，Vns =_Vin*Ns/Np (4)其中，Vns是耦合電感次級線圈的負極電壓；此時，控制電路晶片內部電源Vp通過電阻R3向外部電阻Rfl提供電流，電容C2 較小，忽略流向C2的充電電流，(Vp-Vzcd)/R3 = (Vzcd-Vns) /Rfl (5)根據方程⑴和⑵可以得到，輸入電壓Vin滿足如下公式Vin_sen = Vzcd = (Vp*Rfl-Vin*R3*Naux/Np)/(Rfl+R3) (6)當開關管Mn關斷，開關S2和S3斷開，SI導通，當耦合電感初級電流下降到O時，其次級線圈負極電壓會突然下降，即這一電流過零信號通過電阻Rfl輸送到零電流比較器， 進行零電流檢測，過流檢測比較器輸出狀態翻轉。本發明的有益效果本發明是一種能夠同時對輸入線電壓和輸出電壓進行採樣的電路實現方法，本發明只應用輸出電壓採樣端Vfb和零電流檢測端Vzcd來實現輸入線電壓的採樣，除了可以節省兩個分壓電阻Risl和Ris2外，控制晶片也可少一個輸入端Vis，節約了電源PCB的面積， 還減少了電阻Risl和Ris2上的功耗即能量損失。本發明不需要使用圖I和圖2的兩個分壓電阻Risl和Ris2，通過控制電路晶片的創新設計來實現。SI和S2通過MOS器件或雙極器件來實現。


圖1是傳統的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓採樣的電路圖之一。圖2是傳統的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓採樣的電路圖之二。圖3是本發明的控制晶片的電路圖之一。圖4是本發明的控制晶片的電路圖之二。圖5是本發明的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓採樣的電路圖之一。圖6是本發明的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓採樣的電路圖之二。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖5所示，一種AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，它包括控制晶片及其外圍電路，其特徵是所述的控制晶片內部電路包括用於輸出電壓採樣的開關Si、濾波電容Cl、C2、開關S2、S3、電阻R3、過壓保護比較器OVP Comparator、誤差放大器Eiror Amplifier、驅動器Gate Driver、數字控制器Digital Control、參考電壓發生器Voltage Reference Genterator和過流保護比較器OCP Comparator,所述的過壓保護比較器OVPComparator的同相比例輸入端通過開關S2接電阻R3和開關SI的一端，電阻R3的另一端通過開關S3接電源Vp，開關SI的另一端接通過濾波電容Cl後接地，過壓保護比較器OVP Comparator的同相比例輸入端通過濾波電容C2後接地,過壓保護比較器OVP Comparator 的反相比例輸入端接參考電壓發生器Voltage Reference Generator的一信號輸入端， 參考電壓發生器Voltage Reference Generator的另一信號輸入端接誤差放大器Error Amplifier的反相比例信號輸入端,誤差放大器Error Amplifier的同相比例信號輸入端與開關SI和濾波電容Cl的連接點相連，開關SI、S2以及電阻R3的連接點作為輸入、輸出電壓的採集端與外圍電路的分壓電阻Rfl和Rf2的連接點相連，所述的參考電壓發生器 Voltage Reference Generator的輸出通過過流保護比較器OCP Comparator後接數字控制器Digital Control的一信號輸入端,數字控制器Digital Control的另一信號輸入端接誤差放大器Error Amplifier的輸出，數字控制器Digital Control的輸出通過驅動器 Gate Driver ICl輸出驅動信號。 如圖6所示，一種AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，它包括控制晶片及其外圍電路，其特徵是所述的控制晶片內部電路包括控制晶片內部電路包括用於輸出電壓採樣的開關SI、濾波電容C1、C2、開關S2、S3、電阻R3、乘法器Multiplier、總諧波失真優化器THD Optimizer、零電流檢測比較器ZO) Comparator、柵極驅動器Gate Driver、數字控制器Digital Control、參考電壓發生器Voltage Reference Generator和過流保護比較器 OCP Comparator,所述的Multiplier乘法器的一輸入端通過開關S2接電阻R3和開關SI 的一端，電阻R3的另一端通過開關S3接電源Vp，開關S1、S2以及電阻R3的連接點作為輸入、輸出電壓的採集端與外圍電路的電壓採樣電阻Rfl的相連，開關SI的另一端接通過濾波電容Cl後接地，Multiplier乘法器與聯動開關S2相連的一端通過濾波電容C2後接地， Multiplier乘法器的另一端接數字控制器Digital Control的一信號輸入端,數字控制器 Digital Control的另一信號輸入端接零電流檢測比較器ZCD Comparator的輸出端,零電流檢測比較器Z⑶Comparator的同相比例信號輸入端與開關SI、濾波電容Cl的連接點相連，零電流檢測比較器Z⑶Comparator的反相比例信號輸入端與參考電壓發生器Voltage Reference Generator的一信號輸出端相連，所述的參考電壓發生器Voltage Reference Generator的另一輸出端通過過流保護比較器OCP Comparator後接數字控制器Digital Control的對應信號輸入端,數字控制器Digital Control的輸出通過驅動器Gate Driver ICl輸出驅動信號。本發明提出了通過輸出電壓採樣端Vfb(圖I的應用情形)和零電流檢測端 Vzcd(圖2的應用情形)直接得到輸入線電壓的採樣信息而不需要增加控制電路晶片的輸入電壓信息監測端Vis。對於應用於圖I的反激隔離電源情形，本發明控制晶片原理框圖如圖3所示。不同於常用的通過Vfb端只得到輸出電壓Vout的反饋信息，本發明通過Vfb端不僅獲得輸出電壓的反饋，還能得到輸入電壓的信息。在控制電路晶片的設計時，除了通常用於輸出電壓採樣的開關SI和濾波電容Cl外，還增加了開關S2、濾波電容C2和電阻R3。開關S2的控制信號和SI的是反相的，即和圖I中開關管Mn的驅動控制信號Vg是同相的。當Mn導通， 變壓器初級線圈上的電壓等於輸入線電壓Vin，那麼輔助線圈上的電壓就是Vin*Naux/Np。 由於輔助線圈的正極接地，因此有Vaux = -Vin*Naux/Np (I)
其中，Vaux是輔助線圈負極電壓，Naux是輔助線圈匝數，Np是變壓器初級匝數。此時開關S2導通，SI關斷，控制電路晶片內部電源Vp通過電阻R3向外部電阻RH 和Rf2提供電流，形成分壓電阻網絡。由於電容C2較小，可忽略流向C2的充電電流。那麼，(Vp-Vfb)/R3 = Vfb/Rf2+(Vfb-Vaux)/RfI (2)從方程(I)和⑵可以得到V i η _ s e n = Vfb = (Vp*Rfl*Rf2_Vin*Rf2*R3*Naux/Np)/ (Rfl*Rf2+Rfl*R3+Rf2*R3) (3)從方程(3)可以看到，輸入電壓越大，輸入採樣電壓越小。這樣，輸入電壓的信息就通過Vfb端採集到。當開關管Mn關斷，開關S2也處於關斷狀態，SI導通，和通常的輸出電壓採樣方法一致，輸出電壓通過輔助線圈和次級線圈的耦合以及Rfl和Rf2的分壓反饋到控制電路晶片。即Vfb = Rf l*Vout*Ns/[Naux* (Rf 1+Rf2)],其中，Ns 是變壓器次級Bi數。對於圖2的功率因數調節電源情形，本發明控制晶片原理框圖如圖4所示。採用如上述同樣的方法，利用零電流採樣端Vzcd來同時獲取輸入電壓和輸出電壓信息，且此時外部電阻只有Rfl (可認為Rf2為無窮大)。當開關管Mn導通，耦合電感初級線圈上的電壓等於輸入線電壓Vin，次級線圈上的電壓就是Vin*Ns/Np。由於次級線圈的正極接地，那麼， Vns = _Vin*Ns/Np (4)其中，Vns是耦合電感次級線圈的負極電壓。此時SI關斷，S2導通，那麼，(Vp-Vzcd)/R3 = (Vzcd-Vns) /Rfl (5)從(4)和(5)可以得到Vin_sen = Vzcd = (Vp*Rfl-Vin*R3*Naux/Np)/(Rfl+R3) (6)因此，輸入電壓信息便從Vzcd端檢測到。當Mn關斷，S2也斷開 ，SI導通。當稱合電感初級電流下降到O時,其次級線圈負極電壓會突然下降，即這一電流過零信號通過電阻Rfl輸送到零電流比較器，進行零電流檢測，過流檢測比較器輸出狀態翻轉。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，它包括控制晶片及其外圍電路， 其特徵是所述的控制晶片內部電路包括用於輸出電壓採樣的開關SI、濾波電容Cl、C2、開關S2、S3、電阻R3、過壓保護比較器OVP comparator Ul、誤差放大器Error Amplifier U2、 驅動器Gate Driver IC1、數字控制器Digital Control IC2、參考電壓發生器Voltage Reference Generator IC3和過流保護比較器OCP Comparator U3,所述的過壓保護比較器 Ul的同相比例輸入端通過開關S2接電阻R3和開關SI的一端，電阻R3的另一端通過開關 S3接電源Vp，開關SI的另一端接通過濾波電容Cl後接地，過壓保護比較器Ul的同相比例輸入端通過濾波電容C2後接地，過壓保護比較器Ul的反相比例輸入端接參考電壓發生器 IC3的一信號輸入端，過壓保護比較器Ul的輸出端接數字控制器IC2的一輸入端,參考電壓發生器IC3的另一信號輸入端接誤差放大器U2的反相比例信號輸入端，誤差放大器U2的同相比例信號輸入端與開關SI和濾波電容Cl的連接點相連，開關SI、S2以及電阻R3的連接點作為輸入、輸出電壓的採集端與外圍電路的分壓電阻Rfl和Rf2的連接點相連，所述的參考電壓發生器IC3的輸出通過過流保護比較器U3後接數字控制器IC2的一信號輸入端， 數字控制器IC2的另一信號輸入端接誤差放大器U2的輸出，數字控制器IC2的輸出通過驅動器ICl輸出驅動信號。
2.根據權利要求I所述的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，其特徵是所述的開關S2的控制信號和SI的反相，即開關S2和S3的控制信號與開關管Mn的驅動控制信號Vg同相。
3.根據權利要求I所述的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，其特徵是所述的輸入電壓和輸出電壓的反饋均從Vfb端獲取。
4.根據權利要求1-3之一所述的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，其特徵是具體採樣時當Mn導通，此時，SI關斷、S2和S3導通，變壓器初級線圈上的電壓等於輸入線電壓Vin,輔助線圈上的電壓Vaux = Vin*Naux/Np,由於輔助線圈Np的正極接地，Vaux =-Vin*Naux/Np (I)其中，Vaux是輔助線圈負極電壓，Naux是輔助線圈匝數，Np是變壓器初級線圈的匝數；此時，控制電路晶片內部電源Vp通過電阻R3向外部電阻Rfl和Rf2提供電流，形成分壓電阻網絡，電容C2較小，忽略流向C2的充電電流，(Vp-Vfb)/R3 = Vfb/Rf2+(Vfb-Vaux) /Rfl (2)根據方程(I)和(2)可以得到，輸入電壓Vin滿足如下公式Vin_sen = Vfb = (Vp*Rfl*Rf2-Vin*Rf2*R3*Naux/Np)/(Rfl*Rf2+Rfl*R3+Rf2*R3)(3)當開關管Mn關斷，開關S2和S3關斷，SI導通，輸出電壓通過輔助線圈和次級線圈的耦合以及Rfl和Rf2的分壓反饋到控制電路晶片，即輸出電壓Vout滿足如下公式Vfb = Rfl*Vout*Ns/[Naux*(Rfl+Rf2)]，其中，Ns 是變壓器次級匝數(4)。
5.—種AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，它包括控制晶片及其外圍電路， 其特徵是所述的控制晶片內部電路包括控制晶片內部電路包括用於輸出電壓採樣的開關 SI、濾波電容Cl、C2、開關S2、S3、電阻R3、乘法器Multiplier IC4、零電流檢測比較器ZCD Comparator U4、驅動器 Gate Driver IC5、數字控制器 Digital Control IC6、參考電壓發生器Voltage Reference Generator IC7和過流保護比較器OCP Comparator U5,所述的乘法器IC4的一輸入端通過開關S2接電阻R3和開關SI的一端，電阻R3的另一端通過開關 S3接電源Vp，開關SI、S2以及電阻R3的連接點作為輸入、輸出電壓的採集端通過外圍電路的電壓採樣電阻Rfl與變壓器次級線圈相連，開關SI的另一端接通過濾波電容Cl後接地， 乘法器IC4與聯動開關S2相連的一端通過濾波電容C2後接地，乘法器IC4的另一端接數字控制器IC6的一信號輸入端，數字控制器IC6的另一信號輸入端接零電流檢測比較器U4 的輸出端，零電流檢測比較器U4的同相比例信號輸入端與開關SI、濾波電容Cl的連接點相連，零電流檢測比較器U4的反相比例信號輸入端與參考電壓發生器IC7的一信號輸出端相連，所述的參考電壓發生器IC7的另一輸出端通過過流保護比較器U5後接數字控制器IC6 的對應信號輸入端,數字控制器IC6的輸出通過閘極驅動晶片IC5輸出驅動信號。
6.根據權利要求5所述的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，其特徵是所述的開關S2的控制信號和SI的反相，即開關S2和S3的控制信號與開關管Mn的驅動控制信號Vg同相。
7.根據權利要求5所述的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，其特徵是所述的輸入電壓和輸出電壓的反饋均從零電流採樣端Vzcd獲取。
8.根據權利要求5-7之一所述的AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，其特徵是具體採樣時當開關管Mn導通，此時，SI關斷、S2和S3導通，耦合電感初級線圈上的電壓等於輸入線電壓Vin,次級線圈上的電壓Vs = Vin*Ns/Np,由於次級線圈的正極接地，Vns =_Vin*Ns/Np (4)其中，Vns是耦合電感次級線圈的負極電壓；此時，控制電路晶片內部電源Vp通過電阻R3向外部電阻Rfl提供電流，電容C2較小， 忽略流向C2的充電電流，(Vp-Vzcd)/R3 = (Vzcd-Vns)/Rfl (5)根據方程(I)和(2)可以得到，輸入電壓Vin滿足如下公式Vin_sen = Vzcd = (Vp*Rfl-Vin*R3*Naux/Np)/(Rfl+R3) (6)當開關管Mn關斷，開關S2和S3斷開，SI導通，當耦合電感初級電流下降到O時，其次級線圈負極電壓會突然下降，即這一電流過零信號通過電阻Rfl輸送到零電流比較器，進行零電流檢測，過流檢測比較器輸出狀態翻轉。
全文摘要
一種AC/DC轉換開關電源輸入線電壓的採樣電路，本發明只應用輸出電壓採樣端Vfb和零電流檢測端Vzcd來實現輸入線電壓的採樣，除了可以節省兩個分壓電阻Ris1和Ris2外，控制晶片也可少一個輸入端Vis，節約了電源PCB的面積，還減少了電阻Ris1和Ris2上的功耗即能量損失。
文檔編號H02M7/217GK102624260SQ20121007331
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月19日 優先權日2012年3月19日
發明者黃勝明 申請人:常州博拓電子科技有限公司