原邊反饋控制的開關電源線損補償系統及方法
2023-05-31 17:58:26
專利名稱：原邊反饋控制的開關電源線損補償系統及方法
技術領域：
本發明屬於集成電路技術領域，涉及一種原邊反饋控制的開關電源，尤其涉及一種原邊反饋控制的開關電源線損補償系統；同時，本發明還涉及一種原邊反饋控制的開關電源線損補償方法。
背景技術：
電源變換器是電子系統中必不 可少的組件。眾所周知，電源變換起包括線形變換器和開關電源變換器兩種主要類型，在轉換方式上又可以分為隔離式和非隔離式兩種類型。開關電源變換器能夠實現高轉換效率，因而在中到大功率場合得到了廣泛的應用，而在小功率場合特別是幾瓦以下的系統，以線性變換器為主。近年來，在目前小功率場合，開關電源變換器也開始逐步取代線性變換器，而其中一個重要因素就是開關電源變換器開始在系統成本上逐步接近線性變換器的成本。在目前節能降耗成為潮流的今天，以高效率開關電源變換器替代線性變換器已成大勢所趨。在開關電源場合，廣泛適用的是隔離式變換器，因為隔離式開關電源變換器可以保護負載免受輸入母線的高壓衝擊和損壞，在電信無線網絡、汽車和醫療設備中具備廣泛的應用。在隔離式變換器各種拓撲中，由於反激變換器(flyback converter)拓撲無需輸出濾波電感，電路結構簡單、輸出隔離、成本低,在終端設備的應用中佔有很高的比例，圖I顯示了傳統的可以應用在充電器場合的隔離式反激變換器應用圖，圖2為該系統電流電壓輸出曲線。從圖I可以看出，通常隔離式開關電源變換器輸出電壓的採樣信號採用光耦反饋實現輸出恆壓(CV, Constant VoltageO,包含TL431及其隔離反饋補償網絡,還有次級恆流(CC, Constant Current)控制電路。從圖I可知,採用隔離反饋的可以應用在充電器場合的反激變換器電路設計複雜，應用成本較高，不適合應用於小功率場合。近年來在反激變換器拓撲中，出現了原邊調製(PSR, Primary Side Regulation)技術，原邊調製技術無需次級光耦，T1431，和次級恆流等次級控制電路，所以系統成本大為下降。因為在小功率充電器場合，小體積和低成本是直接需要考慮的因素，比如對於3、5W的手機充電器，電阻的成本都是非常重要的，更不要說PCB的大小以及其他的一些因素。目前市場上已經推出了很多採用原邊調製技術的1C，這些IC基於系統工作在不連續模式(DCM, Discontinuous Conduction Mode),採用了不同的恆流恆壓(CC/CV)控制，目前已經有很多中外專利和發表的文獻描述了不同的實現方式，比如專利CN200810093354. X, CN200610057268. 4,等等，在此就不再——列舉。其主要思想如下假定系統在不連續(DCM)模式下工作，其功率傳輸方程為P = ^LmXl2ptXfs=V0Xl0U)在上述方程中，P為輸出功率，Vo和Io分別為系統輸出電壓和電流，η為系統轉換效率，Lm為變壓器電感，fs為系統頻率，Ipk為每個開關周期內系統電感電流的峰值，在上式中我們假定為原邊電感電流的峰值。在DCM模式下，一個開關周期內信號波形圖如圖3所示。
在圖3中，晶片內部需要產生一個消磁信號DEM，記錄每次開關周期內變壓器電感消磁時間Tdem，利用此信息來做CC/CV控制。假定系統進入CC模式，這時候有
在CC模式下，需要使Io為恆定值，並且此值需要與Vo，Lm,輸入線電壓都無關。眾所周知，在DCM模式下，變壓器消磁時間Tdem與輸出電壓Vo, Lm的關係如下
在上式中，Np與Ns分別為變壓器原邊與次級的匝數。結合⑵⑶式，有
通過(4)式可知，實現CC有兩種方法，一種方法是PFM (Pulse FrequencyModulation)控制,具體實現為使Ipk為固定值,另外使fs與Tdem的乘積為常數。這樣Io即為常數，與輸出電壓Vo，變壓器感量Lm，和輸入線電壓都無關。第二種實現CC的方法為PWM (Pulse Width Modulation),具體實現為，使fs為固定值,另外使Tdem與Ipk的乘積為常數，也就是通過檢測到的Tdem信息調製佔空比。不管是PFM，還是PWM，都是通過過流保護OCP (Over current protection)來實現,區別就是在PFM中，此過流保護器的比較閾值為固定值；在PWM控制中，此過流保護比較閾值為變化值，受Tdem調製。在這兩種實現方法中，都需要對變壓器電感電流進行精確檢測，否則會導致CC效果變差(根據4式可知)。CC實現後，即可實現CV，只要在Tdem結束前對輔助繞組Naux輸出電壓的平臺區域進行採樣(如圖3所示的「平臺採樣」)，在具體實現中，可利用電阻分壓採樣圖I中輔助繞組Naux的電壓(在圖I中整流二極體Dl之前的繞組電壓)，此電壓在GATE關斷後直到消磁結束前的平臺區域的值與輸出電壓成比例，比例係數為輔助繞組與次級繞組匝數比，即Naux/Ns。利用採樣到的電壓信息進行CV控制。綜上所述，在隔離式原邊調製恆流恆壓控制器中，需要採樣變壓器電感消磁信息以在功率控制器內獲得消磁脈寬。利用此消磁脈寬信息進行CC/CV處理，方法可以有PFM或者PWM，兩者都需要精確檢測變壓器電感電流以獲得精確的CC值。然而採用上述方案及其變化形式而設計的原邊控制恆流恆壓系統有個重大缺陷在一般情況下，穩壓調節是針對負載一個變量而進行調節的。但是在實際應用尤其是手機充電器等領域中，隨著電源輸出導線的規格不同，長度不同，輸出導線的電阻Rcable會很大，它也會引起輸出電壓的不穩定。如下圖所示當輸出線纜電阻Rcable存在時，晶片Ul的反饋檢測腳FB在Ql關斷後檢測到的輔助繞組Naux實際平臺電壓(見圖3和圖4)為
「00201 Vjm -—————X A，X (Voui + Vd + Iout * RcabIc)
L 」FB R2 十 IG Ns上式中，Iout為輸出電流，Vd為輸出整流二極體Dl的壓降，Naux為輔助繞組匝數，Ns為次級繞組匝數，R2和R3為輔助繞組分壓電阻，見圖4。所以Vout實際電壓為
權利要求
1.一種原邊反饋控制的開關電源線損補償系統，其特徵在於，所述系統包括採樣保持電路，恆壓環路誤差放大器、補償網絡，可調低通濾波器，電壓電流轉換器； 所述採樣保持電路、恆壓環路誤差放大器、可調低通濾波器、電壓電流轉換器依次連接，電壓電流轉換器的輸出接入採樣保持電路，所述補償網絡分別連接恆壓環路誤差放大器的輸入及輸出； 所述採樣保持電路對輔助繞組進行平臺採樣，輸出電壓記為電壓VSH ； 電壓V_SH通過恆壓環路誤差放大器與參考電壓Vref進行誤差比較放大，輸出電壓Vcomp至可調低通濾波器； 所述可調低通濾波器的控制信號為晶片的PWM輸出信號，可調低通濾波器的輸出為電壓 V_Lpf ； 電壓V_Lpf經過電壓電流轉換器輸出線損補償電流Icable ;線損補償電流Icable對輸出線纜Rcable的壓降進行補償。
2.根據權利要求I所述的原邊反饋控制的開關電源線損補償系統，其特徵在於 所述恆壓環路誤差放大器為跨導放大器Gm ； 所述補償網絡包括串聯的補償電容Ce及補償電阻Re，對恆壓環路誤差放大器進行串聯補償； 所述補償電容Ce的一端接地，另一端連接補償電阻Re的一端，補償電阻Re的另一端連接跨導放大器Gm的輸出。
3.根據權利要求I所述的原邊反饋控制的開關電源線損補償系統，其特徵在於 所述恆壓環路誤差放大器為固定增益放大器； 所述補償網絡包括第一電阻Rcl、第二電阻Rc2 ;第一電阻Rcl的一端連接參考電壓Vref，另一端連接固定增益放大器的負極；第二電阻Rc2的一端連接固定增益放大器的負極，另一端連接固定增益放大器的輸出；電壓V_SH接入固定增益放大器的正極。
4.根據權利要求I至3之一所述的原邊反饋控制的開關電源線損補償系統，其特徵在於 所述可調低通濾波器包括反相器INV1、第一開關SI、第二開關Sib、第一電容Cl、第二電容C2 ； 所述可調低通濾波器的頻率點由PWM信號控制；恆壓環路誤差放大器的輸出電壓Vcomp與第一開關SI的一端連接,第一開關SI的另一端與第二開關Slb連接； 第一開關SI連接第一電容Cl，第二開關Slb連接第二電容C2 ;第一開關SI、第二開關Slb的控制信號反向，通過反相器INVl來控制；第一開關SI與反相器INVl的一端連接，第二開關Slb與反相器INVl的另一端連接。
5.根據權利要求I至3之一所述的原邊反饋控制的開關電源線損補償系統，其特徵在於 所述電壓電流轉換器包括運算放大器A2、第三電阻Rl、NMOS管M1，以及PMOS管M2、PMOS管M3組成的電流鏡； NMOS管Ml的柵極連接運算放大器A2的輸出；NM0S管Ml的源極連接第三電阻Rl的一端，第三電阻Rl的同一端連接運算放大器A2的一個輸入端； NMOS管Ml的漏極連接PMOS管M2的漏極、柵極，以及PMOS管M3的柵極。
6.一種權利要求I所述原邊反饋控制的開關電源線損補償系統的補充方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟 步驟SI、採樣保持電路對輔助繞組進行平臺採樣，輸出電壓記為電壓V_SH ； 步驟S2、電壓V_SH通過恆壓環路誤差放大器與參考電壓Vref進行誤差比較放大，輸出電壓Vcomp至可調低通濾波器； 步驟S3、可調低通濾波器的控制信號為晶片的PWM輸出信號，可調低通濾波器的輸出為電壓V_Lpf ; 步驟S4、電壓V_Lpf經過電壓電流轉換器輸出線損補償電流Icable ;線損補償電流Icable對輸出線纜Rcable的壓降進行補償。
7.根據權利要求6所述的補充方法，其特徵在於 所述恆壓環路誤差放大器為跨導放大器Gm ； 所述補償網絡包括串聯的補償電容Ce及補償電阻Re，對恆壓環路誤差放大器進行串聯補償； 所述補償電容Ce的一端接地，另一端連接補償電阻Re的一端，補償電阻Re的另一端連接跨導放大器Gm的輸出。
8.根據權利要求6所述的補充方法，其特徵在於 所述恆壓環路誤差放大器為固定增益放大器； 所述補償網絡包括第一電阻Rcl、第二電阻Rc2 ;第一電阻Rcl的一端連接參考電壓Vref，另一端連接固定增益放大器的負極；第二電阻Rc2的一端連接固定增益放大器的負極，另一端連接固定增益放大器的輸出；電壓V_SH接入固定增益放大器的正極。
9.根據權利要求7或8所述的補充方法，其特徵在於 所述可調低通濾波器包括反相器INV1、第一開關SI、第二開關Sib、第一電容Cl、第二電容C2 ； 所述可調低通濾波器的頻率點由PWM信號控制；恆壓環路誤差放大器的輸出電壓Vcomp與第一開關SI的一端連接,第一開關SI的另一端與第二開關Slb連接； 第一開關SI連接第一電容Cl，第二開關Slb連接第二電容C2 ;第一開關SI、第二開關Slb的控制信號反向，通過反相器INVl來控制；第一開關SI與反相器INVl的一端連接，第二開關Slb與反相器INVl的另一端連接。
10.根據權利要求7或8所述的補充方法，其特徵在於 所述電壓電流轉換器包括運算放大器A2、第三電阻Rl、NMOS管M1，以及PMOS管M2、PMOS管M3組成的電流鏡； NMOS管Ml的柵極連接運算放大器A2的輸出；NM0S管Ml的源極連接第三電阻Rl的一端，第三電阻Rl的同一端連接運算放大器A2的一個輸入端； NMOS管Ml的漏極連接PMOS管M2的漏極、柵極，以及PMOS管M3的柵極。
全文摘要
本發明揭示了一種原邊反饋控制的開關電源線損補償系統及方法，所述系統包括採樣保持電路，恆壓環路誤差放大器、補償網絡，可調低通濾波器，電壓電流轉換器；所述採樣保持電路、恆壓環路誤差放大器、可調低通濾波器、電壓電流轉換器依次連接，電壓電流轉換器的輸出接入採樣保持電路，所述補償網絡分別連接恆壓環路誤差放大器的輸入及輸出。本發明提出的原邊反饋控制的開關電源線損補償系統及方法，可應用於原邊反饋領域的、無需外部補償電容或者電阻的線損補償，可以補償輸出導線的線損壓降，從而實現輸出電壓的恆定。
文檔編號H02M3/335GK102801300SQ20121031677
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者林官秋, 葉俊, 李茂 , 職春星 申請人:佛山市南海賽威科技技術有限公司