準諧振原邊恆流控制電路及具有該電路的交直流轉換器的製作方法

2024-03-07 06:19:15

本發明涉及電子電路技術領域，特別是涉及一種準諧振原邊恆流控制電路及具有該電路的交直流轉換器。

背景技術：

交直流轉換器(AC-DC轉換器)就是將交流電變為直流電的設備，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為整流，功率流由負載返回電源的稱為有源逆變。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由於內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由於同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須採用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種準諧振原邊恆流控制電路及具有該電路的交直流轉換器，通過採用準諧振控制技術，提高了最大工作頻率和工作效率，降低了成本，且由於開關管零電壓導通，大大減小了電磁幹擾。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：準諧振原邊恆流控制電路，設置於交直流轉換器內，所述準諧振原邊恆流控制電路包括：

採樣檢測器，用於偵測線電壓並採集原邊電壓信號和原邊電流信號，並將所述交直流轉換器的開關管關斷時的原邊電壓信號與採樣檢測器內的電壓放大基準電壓信號進行比較得到波谷檢測信號和原邊電壓時序信號，以及將所述開關管導通時的原邊電流信號和電流放大基準電壓信號進行比較得到原邊電流採樣放大信號；

恆流導通信號控制器，用於根據波谷檢測信號、原邊電壓時序信號和採樣檢測器發出的PFM信號進行邏輯運算得到準諧振導通邏輯信號，並將所述準諧振導通邏輯信號與頻率限制器發出的信號進行比較得到恆流開關導通信號；

恆流關斷信號控制器，用於根據所述原邊電流採樣放大信號與恆流導通信號控制器發出的限流基準電壓信號得到限流關斷信號，根據所述原邊電壓時序信號得到恆流基準電壓信號，所述原邊電流採樣放大信號和恆流基準電壓信號進行比較得到恆流關斷信號，並根據恆流關斷信號和限流關斷信號生成恆流開關關斷信號；

恆流開關驅動器，用於根據所述恆流開關導通信號和恆流開關關斷信號生成用於驅動所述開關管的開關驅動信號。

所述採樣檢測器包括：

電壓採樣單元，用於逐周期採集所述原邊電壓信號；

電流採樣單元，用於逐周期採集所述原邊電流信號；

基準電壓源，用於產生電壓放大基準電壓信號、電流放大基準電壓信號、電壓時序檢測基準電壓信號和限流基準電壓信號，並將電壓放大基準電壓信號發送至電壓放大器，將電流放大基準電壓信號發送至電流放大器，將電壓時序檢測基準電壓信號發送至原邊電壓時序檢測器，將限流基準電壓信號發送至恆流導通信號控制器；

電壓放大器，用於對所述原邊電壓信號進行放大；

電流放大器，用於對所述原邊電流信號進行放大得到所述原邊電流採樣放大信號；

原邊電壓時序檢測器，用於將放大後的原邊電壓信號進行邏輯運算得到波谷檢測信號及原邊電壓時序信號；

自適應斜波補償單元，用於獲取所述線電壓，並根據線電壓補償所述原邊電流信號。

所述原邊電壓時序檢測器用於產生所述PFM信號，並將該PFM信號發送至恆流導通信號控制器。

所述恆流導通信號控制器包括：

準諧振導通信號發生器，用於根據波谷檢測信號、原邊電壓時序信號和PFM信號進行邏輯運算得到準諧振導通邏輯信號；

振蕩器，用於產生內部時鐘信號、高頻限制頻率信號和低頻限制頻率信號，並將內部時鐘信號發送至準諧振導通信號發生器，將高頻限制頻率信號和低頻限制頻率信號發送至頻率限制器；

頻率限制器，用於根據所述高頻限制頻率信號生成高頻限制信號，根據所述低頻限制頻率信號生成低頻限制信號；

第一邏輯門，用於根據所述準諧振導通邏輯信號、高頻限制信號和低頻限制信號生成所述恆流開關導通信號。

所述高頻限制頻率信號為80kHz信號，低頻限制頻率信號為50kHz信號。

所述恆流關斷信號控制器包括：

限流比較器，用於將所述原邊電流採樣放大信號和限流基準電壓信號進行比較得到限流關斷信號；

恆流調節器，用於根據所述原邊電壓時序信號得到恆流基準電壓信號；

恆流比較器，用於將所述原邊電流採樣放大信號和恆流基準電壓信號進行比較得到恆流關斷信號；

第二邏輯門，用於將所述恆流關斷信號和限流關斷信號進行邏輯運算得到恆流開關關斷信號。

所述恆流開關驅動器包括：

基準電流源，用於輸出基準恆流信號；

RS觸發器，用於將所述恆流導通信號和恆流關斷信號進行邏輯運算得到開關邏輯控制信號；

恆流驅動門，用於根據所述基準恆流信號和所述開關邏輯控制信號生成所述開關驅動信號。

交直流轉換器，包括上述的準諧振原邊恆流控制電路、變壓器和開關管，準諧振原邊恆流控制電路分別與變壓器和開關管連接。

本發明的有益效果是：本發明採用準諧振控制技術，能在大幅提高滿載工作頻率以便系統減少體積的同時提高輕載階段的效率，降低損耗；開關管在零電流時導通，大大減小了電磁幹擾；採用谷值電壓採樣開通技術，減小開關損耗，提高系統效率；採用的原邊反饋PSR控制技術，在原邊即可採樣次級邊電壓及電流信號，減少外圍器件數量，降低系統成本及成品體積。

附圖說明

圖1為本發明準諧振原邊恆流控制電路的一個實施例的結構框圖；

圖2為本發明準諧振原邊恆流控制電路中採樣檢測器的一個結構框圖；

圖3為本發明準諧振原邊恆流控制電路中恆流導通信號控制器的一個結構框圖；

圖4為本發明準諧振原邊恆流控制電路中恆流關斷信號控制器的一個結構框圖；

圖5為本發明準諧振原邊恆流控制電路中恆流開關驅動器的一個結構框圖；

圖6為本發明準諧振原邊恆流控制電路中原邊電壓/電流信號及關鍵開關信號時序圖；

圖7為本發明準諧振原邊恆流控制電路的又一個實施例的結構框圖；

圖中，1-採樣檢測器，101-電壓採樣單元，102-電流採樣單元，103-基準電壓源，104-電壓放大器，105-電流放大器,106-原邊電壓時序檢測器，107-自適應斜波補償單元，N101-原邊電壓信號，N102-原邊電流信號，N103-波谷檢測信號，N104-原邊電壓時序信號，N105-原邊電流採樣放大信號，N106-線電壓，N107-電壓放大基準電壓信號，N108-電流放大基準電壓信號，N109-電壓時序檢測基準電壓信號，N110-限流基準電壓信號，2-恆流導通信號控制器，201-準諧振導通信號發生器，202-振蕩器，203-頻率限制器，204-第一邏輯門，N201-恆流開關導通信號，N202-準諧振導通邏輯信號，N203-內部時鐘信號，N204-高頻限制頻率信號，N205-低頻限制頻率信號，N206-高頻限制信號，N207-低頻限制信號，3-恆流關斷信號控制器，301-限流比較器，302-恆流調節器，303-恆流比較器，304-第二邏輯門，N301-恆流開關關斷信號，N302-限流關斷信號，N303-恆流基準電壓信號，N304-恆流關斷信號，4-恆流開關驅動器，401-基準電流源，402-RS觸發器，403-恆流驅動門，N401-開關驅動信號，N402-基準恆流信號，N403-開關邏輯控制信號，001-電阻採樣網絡，002-變壓器，003-開關管，004-採樣電阻，005-橋式整流器，006-輔助繞組，007-LED光源，N001-變壓器電壓信號，N002-原邊採樣電流信號。

具體實施方式

下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護範圍不局限於以下所述。

如圖1所示，用於交直流轉換器的準諧振原邊恆流控制電路，與交直流轉換器連接，所述準諧振原邊恆流控制電路包括採樣檢測器1、恆流導通信號控制器2、恆流關斷信號控制器3和恆流開關驅動器4。

如圖2所示，所述採樣檢測器用於偵測線電壓N106並採集原邊電壓信號N101和原邊電流信號N102，並將所述交直流轉換器的開關管關斷時的原邊電壓信號N101與採樣檢測器內的電壓放大基準電壓信號N107進行比較得到波谷檢測信號N103和原邊電壓時序信號N104，以及將所述開關管導通時的原邊電流信號N102和採樣檢測器內的電流放大基準電壓信號N108進行比較得到原邊電流採樣放大信號N105。

所述採樣檢測器包括電壓採樣單元101、電流採樣單元102、基準電壓源103、電壓放大器104、電流放大器105、原邊電壓時序檢測器106和自適應斜波補償單元107。

所述電壓採樣單元101，用於逐周期採集所述原邊電壓信號N101；電阻採樣網絡001對交直流轉換器的變壓器002的原邊電壓進行採樣得到變壓器電壓信號N001，電壓採樣單元101對變壓器電壓信號N001進行採樣得到原邊電壓信號N101。

電流採樣單元102，用於逐周期採集所述原邊電流信號N102；開關管003導通後，電流流經採樣電阻004得到原邊採樣電流信號N002，電流採樣單元102對原邊採樣電流信號N002進行採集得到原邊電流信號N102。

基準電壓源103，用於產生電壓放大基準電壓信號N107、電流放大基準電壓信號N108、電壓時序檢測基準電壓信號N109和限流基準電壓信號N110，並將電壓放大基準電壓信號N107發送至電壓放大器104，將電流放大基準電壓信號N108發送至電流放大器105，將電壓時序檢測基準電壓信號N109發送至原邊電壓時序檢測器106，將限流基準電壓信號N110發送至恆流導通信號控制器2。

電壓放大器104用於對所述原邊電壓信號N101進行放大。

電流放大器105用於對所述原邊電流信號N102進行放大得到所述原邊電流採樣放大信號N105。

原邊電壓時序檢測器106，用於將放大後的原邊電壓信號N101進行邏輯運算得到波谷檢測信號N103及原邊電壓時序信號N104；所述原邊電壓時序檢測器還用於產生所述PFM信號，並將該PFM信號發送至恆流導通信號控制器2。

自適應斜波補償單元107，用於獲取所述線電壓N106，並根據線電壓N106補償所述原邊電流信號N102。

如圖3所示，所述恆流導通信號控制器2的輸入信號為波谷檢測信號N103、原邊電壓時序信號N104和採樣檢測器發出的PFM信號，恆流導通信號控制器2的輸出信號為恆流開關導通信號N201。

所述恆流導通信號控制器2包括準諧振導通信號發生器201、振蕩器202、頻率限制器203和第一邏輯門204。

所述準諧振導通信號發生器201用於根據波谷檢測信號N103、原邊電壓時序信號N104和PFM信號進行邏輯運算得到準諧振導通邏輯信號N202。

所述振蕩器202用於產生內部時鐘信號N203、高頻限制頻率信號N204和低頻限制頻率信號N205，並將內部時鐘信號N203發送至準諧振導通信號發生器201，將高頻限制頻率信號N204和低頻限制頻率信號N205發送至頻率限制器203；所述高頻限制頻率信號N204為80kHz信號，低頻限制頻率信號N205為50kHz信號。

所述頻率限制器203用於根據所述高頻限制頻率信號N204生成高頻限制信號N206，根據所述低頻限制頻率信號N205生成低頻限制信號N207。

所述第一邏輯門204用於根據所述準諧振導通邏輯信號N202、高頻限制信號N206和低頻限制信號N207生成所述恆流開關導通信號N201。

如圖4所示，所述恆流關斷信號控制器3的輸入信號為原邊電壓時序信號N104、原邊電流採樣放大信號N105和限流基準電壓信號N110，恆流關斷信號控制器3的輸出信號為恆流開關關斷信號N301。

所述恆流關斷信號控制器3包括限流比較器301、恆流調節器302、恆流比較器303和第二邏輯門304。

限流比較器301用於將所述原邊電流採樣放大信號N105和限流基準電壓信號N110進行比較得到限流關斷信號N302。

恆流調節器302用於根據所述原邊電壓時序信號N104得到恆流基準電壓信號N303。

恆流比較器303用於將所述原邊電流採樣放大信號N105和恆流基準電壓信號N303進行比較得到恆流關斷信號N304。

第二邏輯門304用於將所述恆流關斷信號N304和限流關斷信號N302進行邏輯運算得到恆流開關關斷信號N301。

如圖5所示，所述恆流開關驅動器4的輸入信號為恆流開關導通信號N201和恆流開關關斷信號N301，恆流開關驅動器4的輸出信號為開關驅動信號N401。

所述恆流開關驅動器4包括基準電流源401、RS觸發器402和恆流驅動門403。

基準電流源401用於輸出基準恆流信號N402。

RS觸發器402用於將所述恆流導通信號N201和恆流關斷信號N301進行邏輯運算得到開關邏輯控制信號N403。

恆流驅動門403用於根據所述基準恆流信號N402和所述開關邏輯控制信號N403生成所述開關驅動信號N401。

本發明中採用準諧振控制技術，開關管003導通時原邊電流為0，即次級邊電流也為0，因此可以得到：

式中，Iout為輸出電流，Ipks為次級邊峰值電流，Tons為次級邊導通時間，Toffs為次級邊關斷時間。由於次級邊峰值電流Ipks和原邊峰值電流Ipk存在以下關係

所以得到

由於所述交直流轉換器採用峰值電流控制邏輯，因此上述公式中Ipk值恆定，而當應用系統確定後，原邊與次級邊的匝數比Np/Ns也是恆定的，故只需要Tons/Tsw的比值恆定就能夠使Iout保持恆定，因此本發明通過採樣原邊電壓時序信號得到當前周期的Tons，通過恆流調節器確定的Tons/Tsw比值計算下一周期的Toffs，運算得出系統恆流基準電壓，輸出到恆流比較器中與原邊採樣放大電流信號比較的到恆流關斷信號，從而完成所述交直流轉換器的恆流功能。

同時，本發明在傳統準諧振工作模式基礎上，增加輕載條件控制邏輯，通過檢測原邊電壓時序產生輕載頻率調節(PFM)信號，當出現輕載開關導通信號時並不去開通開關管003，而是繼續等到出現波谷檢測信號出現時才產生真正的開關管003導通信號去打開開關管003，從而實現輕載情況下的降頻準諧振控制模式工作，損耗將大大降低，相比傳統的準諧振控制模式效率會有明顯提升。

本發明通過完善的系統設計提高系統工作頻率，減小外圍器件尺寸，同時仍然保持高效率，且由於準諧振控制技術，大大降低了開關電磁幹擾問題，從而實現了小體積高效率的交直流轉換器。

本發明中的準諧振原邊恆流控制電路可以由一個控制器實現。

如圖6所示，從波形的前半段可以看出當變壓器原邊電流達到峰值限流點Ipk時，開關關斷，系統進入關斷時間，變壓器原邊電流逐漸下降同時功率管漏源電壓也逐漸下降，當電壓達到谷值檢測點，開關打開，系統進入導通時間，變壓器原邊電流逐漸上升達到峰值限流點Ipk；而在波形的後半段展示了當PFM檢測信號介入時，即使檢測到波谷信號，實際的波谷信號也直到PFM檢測信號進行狀態重置後才會進行有效的開啟，從而完成輕載狀態下的降頻功能。

如圖7所示，本發明中的準諧振原邊恆流控制電路的一個應用電路包括橋式整流器005、第一電容C1、第二電容C2、二極體D1、變壓器002、輔助繞組006、電阻採樣網絡001、電流採樣電阻004、開關管003和LED光源007。

具體工作過程如下，橋式整流器005將AC電源輸入整流為線電壓N106，由開關管003控制變壓器002進行能量轉換提供給次級邊，同時電流採樣電阻004採集原邊採樣電流信號N002，準諧振原邊恆流控制電路對原邊採樣電流信號N002進行採集得到原邊電流信號N102進行邏輯運算，輔助繞組006採樣變壓器002實時電壓通過電阻採樣網絡001得到變壓器電壓信號N001，準諧振原邊恆流控制電路對原邊採樣電流信號N002進行採集得到原邊電流信號N102進行邏輯運算。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當理解本發明並非局限於本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用於各種其他組合、修改和環境，並能夠在本文所述構想範圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和範圍，則都應在本發明所附權利要求的保護範圍內。