隔离电源电路、原副边通讯控制电路及控制方法

技术领域

本发明属于隔离电源技术领域，涉及一种隔离电源电路，尤其涉及一种原副边通讯控制电路及控制方法。

背景技术

隔离电源需要满足安规绝缘的要求，原副边不能有直接的电气连接；然而，原副边有通讯的需求，用于传输控制信息、保护信息或者电路的配置信息。光耦是目前最常用的原副边通信元件，光耦先将电量(电流)转化为光通量，再把光通量转换为电量(电流)；既有电气隔离的特质，又能满足通讯的需求。

Flyback(Flyback变换器,俗称单端反激式DC-DC变换器)是隔离电源的一种。图1为现有Flyback变换器中使用光耦作为原副边通信元件的示意图；如图1所示，带光耦100的隔离电源中，光耦体积较大，成本昂贵。另外，不带光耦的隔离电源中，则只能传输输出电压的高低，传输信息单一，无法满足如今人们对隔离电源原副边通信传输信息的要求。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的原副边通讯方式，以便克服现有原副边通讯方式存在的上述缺陷。

发明内容

本发明提供一种隔离电源电路、原副边通讯控制电路及控制方法，可节省昂贵的光耦等通讯元件，且可以传输多种信息，提高信息传输的多样性。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

本发明公开了一种原副边通讯控制电路，所述原副边通讯控制电路包括：

副边控制电路，用以将设定信息进行数字信号编码处理，并以此生成调制信号；当原副边通讯时，所述副边控制电路在隔离电源电路的一个开关周期内利用所述调制信号与一同步整流控制信号生成驱动脉冲信号，所述驱动脉冲信号用于控制同步整流管的导通状态；以及

原边控制电路，用以从采集的表征设定信息的检测信号中提取数字信号并解码，根据解码后的数字信号获取相应的通讯信息。

作为本发明的一种实施方式，所述副边控制电路包括：

数字信号编码电路，用以将设定信息进行数字信号编码处理；

调制波产生电路，其输入端耦接所述数字信号编码电路的输出端，用以根据经过所述数字信号编码电路处理后的信号生成调制信号；

同步整流控制电路，用以输出同步整流控制信号；以及

驱动脉冲产生电路，其输入端分别耦接所述同步整流控制电路的输出端以及所述调制波产生电路的输出端，用以根据所述同步整流控制信号及调制信号生成驱动脉冲信号。

作为本发明的一种实施方式，所述原边控制电路包括：

数字信号提取电路，用以从采集的设定信息中提取数字信号；

数字信号解码电路，其输入端耦接所述数字信号提取电路的输出端，用以对所述数字信号提取电路提取的数字信号进行解码；以及

脉冲控制电路，其输入端耦接所述数字信号解码电路的输出端，用以获取所述数字信号解码电路解码后的数字信号，并根据解码后的数字信号获取相应的信息以生成脉冲信号从而控制原边开关管的导通状态。

作为本发明的一种实施方式，所述原边控制电路采集原边绕组或/和辅助绕组设定位置的信号；在变压器耦合作用下，所述原边控制电路采集表征所述设定信息的检测信号，所述检测信号能体现控制所述同步整流管的驱动脉冲信号的变化。

作为本发明的一种实施方式，所述副边控制电路进一步包括振荡器，其输出端耦接所述调制波产生电路的输入端，所述调制波产生电路通过振荡器调节其调制波周期或/和频率，并根据编码信号生成调制信号；

确保Nbit*Tchop

作为本发明的一种实施方式，所述副边控制电路还包括微控制单元，所述微控制单元用于将所述设定信息进行数字信号编码处理，并以此生成调制信号。

作为本发明的一种实施方式，所述副边控制电路进一步包括副边驱动电路，副边驱动电路的输入端耦接所述驱动脉冲产生电路的输出端，副边驱动电路的输出端耦接同步整流管。

作为本发明的一种实施方式，所述数字信号编码电路的输入端耦接所述设定信息，所述设定信息包括保护信号、控制量采集信息和系统端配置信息中的至少一个，所述数字信号编码电路将所述设定信息进行数字信号编码处理。

作为本发明的一种实施方式，所述驱动脉冲产生电路包括与门；所述与门的输入端分别耦接所述同步整流控制电路的输出端及所述调制波产生电路的输出端，所述与门的输出端输出所述驱动脉冲信号。

作为本发明的一种实施方式，所述原边控制电路进一步包括原边驱动电路，其输入端耦接所述脉冲控制电路的输出端，所述原边驱动电路的输出端耦接原边开关管。

作为本发明的一种实施方式，所述数字信号提取电路包括微分电路，用于将矩形脉冲信号转化为尖峰脉冲信号，即在矩形脉冲信号的上升沿和下降沿处产生尖峰脉冲信号，从而有效识别相应信号。

作为本发明的一种实施方式，所述数字信号解码电路解析到的数字信号包括如下信息的至少一种：

保护信息，包括过压信息、过流信息及过温信息中的至少一个；

参数配置信息，对应于负载端系统对隔离电源电路的输出电压和/或输出电流的配置信息；以及

控制量采集信息，包括隔离电源电路的输出电压、输出电流的模拟量以及输出电压或输出电流的变化趋势中的至少一个。

本发明公开了一种隔离电源电路，其包括如上任一所述的原副边通讯控制电路。

作为本发明的一种实施方式，所述隔离电源电路进一步包括变压器、位于原边的原边开关管以及位于副边的同步整流管；所述变压器包括原边绕组及副边绕组；

所述原边控制电路耦接所述原边开关管，所述副边控制电路的输出端耦接所述同步整流管。

本发明公开了一种原副边通讯控制方法，所述原副边通讯控制方法包括：

步骤S1、将设定信息进行数字信号编码处理，并以此生成调制信号；当原副边通讯时，在隔离电源电路的一个开关周期内利用所述调制信号与一同步整流控制信号生成用来控制同步整流管的导通状态的驱动脉冲信号；以及

步骤S2、从采集的表征设定信息的检测信号中提取数字信号并解码，根据解码后的数字信号获取相应的通讯信息。

作为本发明的一种实施方式，所述步骤S1具体包括：

步骤S11、将设定信息进行数字信号编码处理；

步骤S12、根据经过数字信号编码处理后的信号生成调制信号；

步骤S13、根据同步整流控制信号及所述调制信号，生成驱动脉冲信号；以及

步骤S14、根据驱动脉冲信号生成能控制同步整流管的导通状态的副边驱动信号。

作为本发明的一种实施方式，所述步骤S2具体包括：

步骤S21、从采集的表征设定信息的检测信号中提取数字信号；

步骤S22、对提取的数字信号进行解码；

步骤S23、获取解码后的数字信号，并根据解码后的数字信号获取相应的信息，生成相应的脉冲信号；以及

步骤S24、输出原边驱动信号以控制原边开关管的导通状态。

本发明的有益效果在于：本发明提出的隔离电源电路、原副边通讯控制电路及控制方法，可节省昂贵的光耦等通讯元件，并适用于DCM、CCM、CRM等各种的工作模态；此外，本发明可以传输多种信息，提高信息传输的多样性。

基于现有不设置光耦等通讯元件的电源电路，本发明原副边通讯方式可以承载更多的信息(多个bit)，而现有技术只能传输是否过压(1个bit)。即现有技术是采用脉冲信号的脉宽变化趋势来表征输出电压的高低，而本发明的脉宽不变，在一个开关周期内通过斩波及数字编码，可传输更多的信息。

附图说明

图1为现有隔离电源电路原副边通讯方式的电路示意图。

图2为本发明一实施例中原副边通讯控制电路的电路示意图。

图3为本发明一实施例中副边控制电路的组成示意图。

图4为本发明一实施例中部分信号的时序图。

图5为本发明一实施例中原边控制电路的组成示意图。

图6为本发明一实施例中SR控制器的应用示意图。

图7为本发明一实施例中部分信号的时序图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”或连接既包含直接连接，也包含间接连接，如通过一些有源器件、无源器件或电传导媒介进行的连接；还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

本发明揭示了一种原副边通讯控制电路，所述原副边通讯控制电路包括副边控制电路及原边控制电路。副边控制电路用以将设定信息进行数字信号编码处理，并以此生成调制信号；当原副边通讯时，副边控制电路在隔离电源电路的一个开关周期内利用所述调制信号与一同步整流控制信号生成用来控制同步整流管的导通状态的驱动脉冲信号。原边控制电路用以从采集的表征设定信息的检测信号中提取数字信号并解码，根据解码后的数字信号获取相应的通讯信息。设定信息可以是保护模块的保护信号、控制量采集信息和系统端配置信息等。在原副边通讯过程中，可以针对上述设定信息中的一个信息或多个信息。在本发明的一实施例中，副边控制电路还包括微控制单元，微控制单元用于将所述设定信息进行数字信号编码处理，并以此生成调制信号。

图2为本发明一实施例中原副边通讯控制电路的电路示意图；请参阅图2，在本发明的一实施例中，本发明原副边通讯控制电路用于一个典型的Flyback电源电路中，包含PWM控制器10和SR控制器20(即同步整流控制电路)。PWM控制器10可以包含或者不包含原边开关管Q1，原边开关管Q1可以为场效应晶体管MOSFET或者双极性晶体管BJT。SR控制器20可以包含或者不包含同步整流管(可以为MOSFET)。在本发明的一实施例中，本发明原副边通讯控制电路在PWM控制器10和SR控制器20中增加通讯元件；对SR同步整流的控制信号进行斩波调制，在开关频次的SR控制信号上叠加高频的数字通讯信号，利用变压器电路原理，把数字信号从副边传递到原边。在一个实施例中，数字信号从副边传输到原边的过程可以是：副边绕组上的电信号传输表征至原边绕组，通过采集原边绕组的电信号(采集原边开关管Q1的 Drain端信号)，以使原边的PWM控制器获得数字信号；也可以是如图2所示，副边绕组上的电信号传输表征至辅助绕组，通过采集辅助绕组上的电信号，以使原边的PWM控制器获得数字信号。

图3为本发明一实施例中副边控制电路的组成示意图；请参阅图3，在本发明的一实施例中，所述副边控制电路1包括：数字信号编码电路11、同步整流控制电路12、调制波产生电路13及驱动脉冲产生电路14。在一实施例中，所述副边控制电路1还可以包括副边驱动电路 15。

所述数字信号编码电路11用以将设定信息进行数字信号编码处理。在一实施例中，所述数字信号编码电路11的输入端分别耦接保护信号、控制量采集信息和系统端配置信息中的至少一个，将保护信号、控制量采集信息和系统端配置信息中的至少一个进行数字信号编码处理。所述同步整流控制电路12用以输出同步整流控制信号。在一实施例中，所述驱动脉冲产生电路14用以对所述同步整流控制信号进行斩波调制，在开关频次的同步整流控制信号上叠加数字通讯信号；将所述数字通讯信号从副边绕组传递到原边绕组或/和辅助绕组，供所述原边控制电路采集。在一实施例中，调制波产生电路13的输入端耦接所述数字信号编码电路11 的输出端，用以根据经过所述数字信号编码电路11处理后的信号生成调制信号。驱动脉冲产生电路14的输入端分别耦接所述同步整流控制电路12的输出端以及所述调制波产生电路13 的输出端，用以根据所述同步整流控制电路12输出的同步整流控制信号及调制波产生电路13 生成的调制信号，生成驱动脉冲信号。在一实施例中，所述驱动脉冲产生电路13包括与门140 (可参阅图6所示)；所述与门140的输入端分别耦接所述同步整流控制电路12的输出端及所述调制波产生电路13的输出端，所述与门140的输出端输出所述驱动脉冲信号。所述副边驱动电路15的输入端耦接所述驱动脉冲产生电路14的输出端，所述副边驱动电路15根据驱动脉冲信号生成能控制同步整流管的导通状态的副边驱动信号。

在一实施例中，所述副边控制电路进一步包括振荡器16，振荡器16的输出端耦接所述调制波产生电路13的输入端，所述调制波产生电路13通过振荡器16调节其调制波周期或/和频率，并根据数字信号编码电路11输出的编码信号生成调制信号。

请参阅图3，副边控制电路的控制过程为：将保护模块的保护信号、控制量采集信息和系统端配置信息等至少之一进行数字信号编码处理，并将处理得到的编码信号传输至调制波产生电路，数字信号可不少于两位(2bit)。调制波产生电路13通过振荡器16调节其调制波周期(频率)，并根据编码信号生成调制信号。驱动脉冲产生电路14接收调制信号和同步整流控制电路12发生的SR(同步整流)控制信号，其中SR控制信号作为载波，并与调制信号调制后从而产生SR Gate驱动脉冲信号。副边驱动电路15根据SR Gate驱动脉冲信号驱动SR Gate。在一实施例中，系统端配置信息可以是负载设备(负载端系统)与电源设备的协议信息等(如手机快充协议)。

图4为本发明一实施例中部分信号的时序图；请参阅图4，在本发明的一实施例中，振荡器将调制波周期设置为Tchop，数字信号编码电路将控制量采集电压信息编码为数字信号为 10101，调制波产生电路根据调制波周期和数字信号生成调制信号。如图4所示，驱动脉冲产生电路根据SR控制信号和调制信号生成SR Gate信号。确保Nbit*Tchop

图5为本发明一实施例中原边控制电路的组成示意图；请参阅图5，在本发明的一实施例中，所述原边控制电路2包括：数字信号提取电路21、数字信号解码电路22以及脉冲控制电路23。在一实施例中，所述原边控制电路2还包括原边驱动电路24。所述数字信号提取电路 21用以从采集的信号中提取数字信号。在一实施例中，所述数字信号提取电路21包括微分电路，用于将矩形脉冲信号转化为尖峰脉冲信号，即在矩形脉冲信号的上升沿和下降沿处都会产生尖峰脉冲信号，从而有效识别相应信号。所述数字信号解码电路22的输入端耦接所述数字信号提取电路21的输出端，用以对所述数字信号提取电路21提取的数字信号进行解码。在一实施例中，所述数字信号解码电路22解析到的数字信号包括保护信息、参数配置信息及控制量采集信息的至少一种。保护信息包括过压信息OVP、过流信息OCP及过温信息OTP中的至少一个。参数配置信息对应于负载端系统对隔离电源电路的输出电压和/或输出电流的配置信息。控制量采集信息包括隔离电源电路的输出电压、输出电流的模拟量以及输出电压或输出电流的变化趋势中的至少一个。所述脉冲控制电路23的输入端耦接所述数字信号解码电路 22的输出端，用以获取所述数字信号解码电路22解码后的数字信号，并根据解码后的数字信号获取相应的信息，生成相应的脉冲信号。其中获取相应的信息指的是原副边通讯过程中所要传输的设定信息。在本发明的一实施例中，脉冲控制电路23可以为PWM控制电路。所述原边驱动电路24的输入端耦接所述脉冲控制电路的输出端，所述原边驱动电路24的输出端输出原边驱动信号，原边驱动信号用于控制原边开关管的导通状态。

在本发明的一实施例中，所述副边绕组上的电信号传输表征信息至辅助绕组或/和原边绕组，通过采集辅助绕组或/和原边绕组上的电信号，以使原边控制电路获得数字信号。

在一实施例中，所述原边控制电路采集原边绕组或/和辅助绕组设定位置的信号；在变压器耦合作用下，所述原边控制电路采集的设定信息能体现控制所述副边绕组的驱动脉冲信号的变化。在本发明的一实施例中，原边控制电路连接原边开关管，副边控制电路连接同步整流开关管；在所述驱动脉冲信号为高电平的状态下，所述同步整流管导通；在所述驱动脉冲信号为低电平的状态下，所述同步整流管内的体二极管导通，所述同步整流管导通时漏极与源极之间的电压出现对应的台阶；根据电路的工作原理，电压台阶会对应出现在原边的设定位置；所述原边控制电路通过所述数字信号提取电路提取相应的数字信号。

图6为本发明一实施例中同步整流控制电路的应用示例；请参阅图6，在本发明的一实施例中，驱动脉冲信号(SR Gate)控制同步整流管(SR MOSFET)的开关状态，因此可控制副边绕组的电信号；原边绕组或辅助绕组通过变压器耦合作用从而可获知相应变化，原边控制电路通过FB引脚(或Drain端)采集解码直至传输至原边PWM控制模块中。在一实施例中，原边控制电路的控制过程具体为：经过数字信号提取和数字信号解码，保护模块、系统端配置模块和控制量电信号模块根据副边的反馈信号做出相对应的控制调节，实现原副边通讯。其中如图3和5所示，原边的保护信号对应于副边的保护信号，原边的系统端配置信息对应于副边的系统端配置信息，原边的控制量电信号对应于副边的控制量采集信号。保护模块的保护信号可以是过压OVP、过流OCP、过温OTP等保护信号。参数配置信息对应于负载端系统对隔离电源电路的输出电压和/或输出电流的配置信息。控制量采集信息可以是隔离电源电路的输出电压、输出电流的模拟量以及输出电压或输出电流的变化趋势等中的至少一个。

同步整流控制电路可以是一般的同步整流驱动器(Driver)；在Flyback的续流阶段，生成有效的驱动脉冲信号。数字信号编码模块输出的是高频的脉冲信号(可理解为二进制高低电平信号)。当同步整流控制信号Gate电压为高时，允许数字信号编码模块输出信号，该调制信号pulse信号与同步整流控制信号Gate信号相与，产生驱动脉冲信号SR Gate送到SR MOSFET的门极。

图7为本发明一实施例中部分信号的时序图；请参阅图7，通过图7介绍数字信号如何从副边传递到原边。在一实施例中，同步整流管为MOSFET(即SR MOSFET)。

(1)当没有数字信号需要传输时，Gate处于有效时(高电平)，Pulse也为高电平，SRGate 信号与Gate相同，SR MOSFET一直有效导通。

(2)当有数字信号需要传输时，Gate处于有效时(高电平)，Pulse为高频脉冲序列，SR Gate信号与Pulse相同。SR gate为高电平时，MOSFET导通，SR Vds＝-Rds_on*Is；其中，Rds_on为SR MOSFET导通时漏极D与源极S之间的电阻，Is为SR MOSFET导通时的电流大小，SR Vds为SR MOSFET导通时漏极D与源极S之间的电压。SR Vds一般大于-300mV；SR gate为低电平时，MOSFET的体二极管导通，SR Vds一般小于-500mV；可以看到Vds的导通压降也会出现对应的台阶。根据电路的工作原理，该电压台阶会对应出现在FB信号上(原边控制电路可通过采集FB信号获取对应电压台阶，当然也可以采取其他方式)，通过数字信号提取电路得到与Pulse电平互补的数字信号。本实施例中所涉及的高低电平设置只作为本发明的一示例，并不作为限定本发明的技术特征。

本发明还揭示一种隔离电源电路，包括上述的原副边通讯控制电路。

在本发明的一实施例中，所述隔离电源电路进一步包括变压器、位于原边的原边开关管以及位于副边的同步整流管；所述变压器包括原边绕组及副边绕组。所述原边控制电路耦接所述原边开关管，所述副边控制电路的输出端耦接所述同步整流管。在一实施例中，所述驱动脉冲信号为高电平的状态下，所述同步整流管导通；所述驱动脉冲信号为低电平的状态下，所述同步整流管内的体二极管导通，所述同步整流管导通时漏极与源极之间的电压出现对应的台阶；根据电路的工作原理，电压台阶会对应出现在原边的设定位置；所述原边控制电路通过所述数字信号提取电路提取相应的数字信号。

本发明还揭示一种原副边通讯控制方法，所述原副边通讯控制方法包括：

【步骤S1】将设定信息进行数字信号编码处理，并以此生成调制信号；当原副边通讯时，在隔离电源电路的一个开关周期内利用所述调制信号与一同步整流控制信号生成驱动脉冲信号；驱动脉冲信号用于控制同步整流管的导通状态；以及

【步骤S2】从采集的表征设定信息的检测信号中提取数字信号并解码，根据解码后的数字信号获取相应的通讯信息。

在本发明的一实施例中，所述步骤S1具体包括：

步骤S11、将设定信息进行数字信号编码处理；

步骤S12、根据经过数字信号编码处理后的信号生成调制信号；

步骤S13、根据同步整流控制信号及所述调制信号，生成驱动脉冲信号；以及

步骤S14、根据驱动脉冲信号生成能控制同步整流管的导通状态的副边驱动信号。

具体的步骤可参阅以上有关原副边通讯控制电路中有关副边控制电路的具体描述，这里不做赘述。

在本发明的一实施例中，所述步骤S2具体包括：

步骤S21、从采集的表征设定信息的检测信号中提取数字信号；

步骤S22、对提取的数字信号进行解码；

步骤S23、获取解码后的数字信号，并根据解码后的数字信号获取相应的信息，生成相应的脉冲信号；以及

步骤S24、输出原边驱动信号以控制原边开关管的导通状态。

在一实施例中，所述驱动脉冲信号为高电平的状态下，所述同步整流管导通；所述驱动脉冲信号为低电平的状态下，所述同步整流管内的体二极管导通，所述同步整流管导通时漏极与源极之间的电压出现对应的台阶；根据电路的工作原理，电压台阶会对应出现在原边的设定位置；所述原边控制电路通过所述数字信号提取电路提取相应的数字信号。

具体的步骤可参阅以上有关原副边通讯控制电路中原边控制电路的具体描述，这里不做赘述。

综上所述，本发明提出的隔离电源电路、原副边通讯控制电路及控制方法，可节省昂贵的光耦等通讯元件，并适用于DCM、CCM、CRM等各种的工作模态；此外，本发明可以传输多种信息，提高信息传输的多样性。

基于现有不设置光耦等通讯元件的电源电路，本发明原副边通讯方式可以承载更多的信息(多个bit)，而现有技术只能传输是否过压(1个bit)。即现有技术是采用脉冲信号的脉宽变化趋势来表征输出电压的高低，而本发明的脉宽不变，通过斩波及数字编码，可传输更多的信息。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。