隔离式开关变换器及其控制方法和控制电路

技术领域

本发明涉及电子电路，尤其涉及隔离式开关变换器及其控制方法和控制电路。

背景技术

隔离式开关变换器被广泛应用于各种离线供电及对安全性要求较高的场合。精准、高效、电磁干扰低、成本低的控制策略成为应用的必须。而且为了达到对向负载提供能量的精确调节，必须采用反馈控制。

图1示出了常用的采用辅助绕组来实现反馈的隔离式开关变换器100。在整流管D1导通时，变压器T1辅助绕组上的电压Vf与开关变换器的输出电压Vout成比例。因此，可以通过检测辅助绕组上的电压Vf来获得反馈信息。如图1所示，辅助绕组上的电压Vf被检测以获得第一反馈信号VZCD，补偿电路14基于第一反馈信号VZCD产生补偿信号COMP，控制电路基于补偿信号COMP产生控制信号DRV，以控制主开关管MP。

图1所示的反馈方式简单易行，然而，这种反馈方式也存在一些问题。首先，第一反馈信号VZCD在整流管D1导通时方能反映输出电压Vout。为了防止整流管D1导通初期的振荡引起第一反馈信号VZCD采样不准，一般会设置采样屏蔽时间，之后再进行第一反馈信号VZCD采样。因此在一些应用场合，可能出现屏蔽时间不够，导致第一反馈信号VZCD采样信号为整流管D1导通初期振荡信号，或者屏蔽时间太长，导致第一反馈信号VZCD采样信号为整流管D1非导通期间的采样值，不能正确反映输出电压Vout。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提高隔离式开关变换器在一些特殊情况下的输出电压采样精度，如第二反馈信号采样位置不正确导致第二反馈信号不能准确反映输出电压时，提高控制器适用范围，保障电路能够正常工作。

根据本发明实施例的一种隔离式开关变换器，包括：变压器，具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组，其中初级绕组耦接以接收输入电压，次级绕组耦接以提供输出电压至负载；初级开关管，耦接至变压器的初级绕组；第一反馈信号采样电路，耦接至所述辅助绕组以接收辅助绕组的上的电压，并产生一第一反馈信号，所述第一反馈信号为指示开关变换器输出电压的交流信号；第二反馈信号采样电路，通过一第一单向导通电路耦接至所述辅助绕组，所述第一单向导通电路具有正极端和负极端，所述正极端接收所述辅助绕组上的电压，所述负极端耦接至所述第二反馈信号采样电路，所述第二反馈信号采样电路输出一第二反馈信号，所述第二反馈信号为指示开关变换器输出电压的直流信号；补偿电路，接收所述第一反馈信号、第二反馈信号和一参考阈值信号，并根据所述第一反馈信号、第二反馈信号和参考阈值信号产生一补偿信号；以及反馈控制电路，与所述补偿电路耦接，并根据所述补偿信号产生初级控制信号以控制所述初级开关管。

根据本发明实施例的一种隔离式开关变换器的控制方法，该隔离式开关变换器将一输入电压转换为一输出电压以驱动负载，包括具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组的变压器，以及耦接至变压器初级绕组的初级开关管，所述控制方法包括：根据所述辅助绕组上的电压产生一第一反馈信号和一第二反馈信号，所述第一反馈信号为指示开关变换器输出电压的交流信号，所述第二反馈信号为指示开关变换器输出电压的直流信号；根据所述第二反馈信号产生一第一反馈阈值信号和一第二反馈阈值信号，其中所述第一反馈阈值信号大于所述第二反馈阈值信号；根据所述第一反馈信号、第二反馈信号、一参考阈值信号、第一反馈阈值信号和第二反馈阈值信号产生一补偿信号；以及根据所述补偿信号产生一初级控制信号以控制所述初级开关管；其中在输出电压达到一预设值之前，根据所述第一反馈信号和所述参考阈值信号产生所述补偿信号；以及在输出电压达到所述预设值之后，当所述第二反馈信号大于所述第一反馈阈值信号时，根据所述第二反馈信号和所述第一反馈阈值信号产生所述补偿信号，当所述第二反馈信号小于所述第二反馈阈值信号时，根据所述第二反馈信号和所述第二反馈阈值信号产生所述补偿信号，其中第一反馈阈值信号大于第二反馈阈值信号。

根据本发明又一实施例的一种隔离式开关变换器的控制电路，所述隔离式开关变换器包括变压器和初级开关，所述变压器具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组，其中初级绕组耦接以接收输入电压，次级绕组耦接以提供输出电压至负载，所述初级开关管耦接至变压器的初级绕组，所述控制电路包括：第一反馈信号采样电路，耦接至所述辅助绕组以接收辅助绕组上的电压，并产生一第一反馈信号，所述第一反馈信号为指示开关变换器输出电压的交流信号；第二反馈信号采样电路，通过一单向导通电路耦接至所述辅助绕组，所述单向导通电路的输入端接收所述辅助绕组上的电压，所述单向导通电路的输出端耦接至所述第二反馈信号采样电路，所述第二反馈信号采样电路输出一第二反馈信号，所述第二反馈信号为指示开关变换器输出电压的直流信号；补偿电路，接收所述第一反馈信号、第二反馈信号和一参考阈值信号，并根据所述第一反馈信号、第二反馈信号和参考阈值信号产生一补偿信号；以及反馈控制电路，与所述补偿电路耦接，并根据所述补偿信号产生初级控制信号以控制所述初级开关管；其中在输出电压达到一预设值之前，所述补偿电路根据所述第一反馈信号和所述参考阈值信号产生所述补偿信号；以及在输出电压达到所述预设值之后，当所述第二反馈信号大于所述第一反馈阈值信号时，所述补偿电路根据所述第二反馈信号和所述第一反馈阈值信号产生所述补偿信号，当所述第二反馈信号小于所述第二反馈阈值信号时，所述补偿电路根据所述第二反馈信号和所述第二反馈阈值信号产生所述补偿信号，其中第一反馈阈值信号大于第二反馈阈值信号。

根据本发明的实施例，隔离式开关变换器在异常状态下，如第一反馈信号采样位置不合理导致第一反馈信号不能准确反映输出电压时，由第二反馈信号提供补偿信号来控制输出电压，从而避免了第一反馈信号采样信号不准时输出电压偏差很大的情况。现有技术中输出电压在异常状态下控制异常的状况被消除，隔离式开关变换器的输出电压反馈控制的精度和准确度得到改善。

附图说明

图1示出了常用的采用辅助绕组来实现反馈的隔离式开关变换器100；

图2为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器200的框图；

图3为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器300的框图；

图4为根据本发明一实施例的如图2所示的补偿信号产生电路141的框图；

图5为根据本发明另一实施例的如图2所示的补偿信号产生电路141的框图；

图6为根据本发明一实施例的如图4所示实施例的工作波形400；

图7为根据本发明另一实施例的如图4所示实施例的工作波形500；

图8为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器控制方法的工作流程图600。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

本发明可以被应用于任何隔离式开关变换器。在接下来的详细描述中，为了简洁起见，仅以反激变换器(flyback converter)为例来解释本发明的具体工作原理。

图2为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器200的框图。该开关变换器200包括变压器T1、初级开关管MP、ZCD采样电路11(即第一反馈信号采样电路11)，VCC采样电路12(即第二反馈信号采样电路12)、补偿电路14和控制电路15。变压器T1具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组，其中初级绕组耦接以接收输入电压Vin和输入电流Ipri，次级绕组耦接以提供输出电压Vout和输出电流Isec至负载，初级开关管MP耦接至变压器T1的初级绕组。ZCD采样电路11耦接至变压器T1的辅助绕组，根据辅助绕组上的电压Vf产生指示输出电压Vout的第一反馈信号VZCD，所述第一反馈信号VZCD为指示开关变换器输出电压Vout的交流信号，VCC采样电路通过一单向导通电路13(例如二极管D2)耦接至变压器T1的辅助绕组，根据辅助绕组上的电压Vf产生指示电压Vout的第二反馈信号Vcc_s，所述第二反馈信号Vcc_s为指示开关变换器输出电压Vout的直流信号。补偿电路14接收第一反馈信号VZCD、第二反馈信号VCC_s和一参考阈值信号VZCD_ref，并根据第一反馈信号VZCD、第二反馈信号VCC_s和参考阈值信号VZCD_ref产生补偿信号COMP，控制电路15产生初级控制信号DRV以控制初级开关管MP。如图2所示实施例中，单向导通电路13(例如二极管D2)具有正极端(例如二极管D2的阳极)和负极端(例如二极管D2的阴极)，其中正极端接收辅助绕组上的电压Vf，负极端耦接至VCC采样电路。

如图2所示实施例中，当输出电压Vout达到一预设值之前，补偿电路14根据第一反馈信号VZCD和参考阈值信号VZCD_ref产生补偿信号COMP；当输出电压Vout达到该预设值之后，补偿电路14有选择地根据第二反馈信号VCC_s产生补偿信号COMP，例如：当第二反馈信号VCC_s大于一第一反馈阈值信号时，补偿电路14根据第二反馈信号VCC_s和第一反馈阈值信号产生补偿信号COMP，当第二反馈信号VCC_s小于一第二反馈阈值信号时，补偿电路14根据第二反馈信号VCC_s和第二反馈阈值信号产生补偿信号COMP，当第二反馈信号VCC_s小于第一反馈阈值信号且大于第二反馈阈值信号时，补偿电路14根据第一反馈信号VZCD和参考阈值信号VZCD_ref产生所述补偿信号COMP，其中第一反馈阈值信号大于所述第二反馈阈值信号。

图3为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器300的框图。在图3所示的实施例中，ZCD采样电路11可以包括两个串联的电阻R1和R2，第一反馈信号VZCD可以是通过电阻R1和R2对辅助绕组上的电压Vf进行分压后得到的电压信号，VCC采样电路12可以包括两个串联的电阻R3和R4，第二反馈信号VCC_s可以是通过电阻R3和R3对电压VCC进行分压后得到的电压信号，其中所述电压VCC为辅助绕组上的电压Vf通过二极管D2后产生的电压。如图3所示的实施例中，补偿电路14包括一反馈阈值生成电路142和补偿信号产生电路141，在一个具体实施例中，反馈阈值生成电路142根据在输出电压Vout达到预设值后的一预设时刻的第二反馈信号VCC_s产生第一反馈阈值信号Vref1和第二反馈阈值信号Vref2(例如第一反馈阈值信号Vref1可以等于1.2倍的预设时刻的第二反馈信号VCC_s，第二反馈阈值信号Vref2可以等于0.8倍的预设时刻的第二反馈信号VCC_s，具体设置可以根据实际需求而定)。在本发明的一个实施例中，当输出电压Vout达到预设值之前，补偿信号产生电路141根据第一反馈信号VZCD和参考阈值信号VZCD_ref产生补偿信号COMP；当输出电压Vout达到预设值之后，补偿信号产生电路141有选择地根据第二反馈信号VCC_s产生补偿信号COMP，例如：当第二反馈信号VCC_s大于第一反馈阈值信号Vref1时，补偿信号产生电路141根据第二反馈信号VCC_s和第一反馈阈值信号Vref1产生补偿信号COMP，当第二反馈信号VCC_s小于第二反馈阈值信号Vref2时，补偿信号产生电路141根据第二反馈信号VCC_s和第二反馈阈值信号Vref1产生补偿信号COMP，当第二反馈信号VCC_s小于第一反馈阈值信号Vref1且大于第二反馈阈值信号Vref2时，补偿信号产生电路141根据第一反馈信号VZCD和参考阈值信号VZCD_ref产生补偿信号COMP，其中第一反馈阈值信号Vref1大于所述第二反馈阈值信号Vref1。

在图2或图3所示实施例中，初级开关管M为n型MOSFET。然而，本领域技术人员可知，在其他实施例中，初级开关管M也可以为p型MOSFET或任何其他合适的可控半导体器件。

图4为根据本发明一实施例的如图3所示的补偿信号产生电路141的框图。如图4所示实施例中，补偿信号产生电路141包括第一运算放大电路1411(例如运算放大器OA1)、第二运算放大电路1412(例如运算放大器OA2)和第三运算放大电路1413(例如运算放大器OA3)。其中第一运算放大电路1411具有正输入端、负输入端和输出端，正输入端接收参考阈值信号VZCD_ref，负输入端接收第一反馈信号VZD，输出端输出第一调节信号COMP1；第二运算放大电路1412具有正输入端、负输入端和输出端，第二运算放大电路1412的正输入端接收第一反馈阈值信号Vref1，第二运算放大电路1412的负输入端接收第二反馈信号VCC_s，第二运算放大电路1412的输出端输出第二调节信号COMP2；第三运算放大电路1413具有正输入端、负输入端和输出端，第三运算放大电路1413的正输入端接收第二反馈阈值信号Vref2，第三运算放大电路1413的负输入端接收第二反馈信号VCC_s，第三运算放大电路1413的输出端输出第三调节信号COMP3。本发明的一个实施例中，补偿信号产生电路141根据第一调节信号COMP1、第二调节信号COMP2和第三调节信号COMP3产生补偿信号COMP1。

如图4所示的实施例中，补偿信号产生电路141还包括单向导通电路1414(例如二极管D3)和单向导通电路1415(例如二极管D4)，其中单向导通电路1414具有正极端和负极端，单向导通电路1414的负极端与第二运算放大电路1412的输出端耦接以接收第二调节信号COMP2，单向导通电路1415具有正极端和负极端，单向导通电路1415的正极端与第三运算放大电路1413的输出端耦接以接收第三调节信号COMP3。在本发明的一个实施例中，第一运算放大电路1411的输出端、单向导通电路1414的正极端和单向导通电路1415的负极端耦接于一公共端M，所述公共端M输出补偿信号COMP。在本发明的一个实施例中，第二运算放大电路1412和第三运算放大电路1413的灌电流和源电流能力均大于第一运算放大电路1411的灌电流能力和源电流能力。

图5为根据本发明另一实施例的如图2所示的补偿信号产生电路141的框图。如图5所示实施例中，补偿信号产生电路141包括第一运算放大电路1411(例如运算放大器OA1)、第二运算放大电路1412(例如运算放大器OA2)和第三运算放大电路1413(例如运算放大器OA3)。其中第一运算放大电路1411具有正输入端、负输入端和输出端，正输入端接收参考阈值信号VZCD_ref，负输入端接收第一反馈信号VZD，输出端输出第一调节信号COMP1；第二运算放大电路1412具有正输入端、负输入端和输出端，第二运算放大电路1412的正输入端接收第一反馈阈值信号Vref1，第二运算放大电路1412的负输入端接收第二反馈信号VCC_s，第二运算放大电路1412的输出端输出第二调节信号COMP2；第三运算放大电路1413具有正输入端、负输入端和输出端，第三运算放大电路1413的正输入端接收第二反馈阈值信号Vref2，第三运算放大电路1413的负输入端接收第二反馈信号VCC_s，第三运算放大电路1413的输出端输出第三调节信号COMP3。本发明的一个实施例中，补偿信号产生电路141根据第一调节信号COMP1、第二调节信号COMP2和第三调节信号COMP3产生补偿信号COMP。

如图5所示实施例中，补偿信号产生电路141还包括选择电路1416，选择电路1416接收第一调节信号COMP1、第二调节信号COMP2、第三调节信号COMP3、第一反馈信号VZCD、参考阈值信号VZCD_ref、第二反馈信号VCC_s、第一反馈阈值信号Vref1和第二反馈阈值信号Vref2，并输出补偿信号COMP，其中当第二反馈信号VCC_s大于第二反馈阈值信号Vref2且小于第一反馈阈值信号Vref1时，所述选择电路1416选择第一调节信号COMP1作为补偿信号COMP，当第二反馈信号VCC_s大于第一反馈阈值信号Vref1时，选择电路1416选择第二调节信号COMP2作为补偿信号COMP，当第二反馈信号VCC_s小于第二反馈阈值信号Vref2时，选择电路1416选择第三调节信号COMP3作为补偿信号COMP。

图6为根据本发明一实施例的如图4所示隔离式开关变化器300的工作波形400。在t1时刻，第二反馈信号VCC_s达到电压Vcc_ref，所述反馈阈值生成电路142采样所述电压Vcc_ref，并根据电压Vcc_ref产生第一反馈阈值信号Vref1和第二反馈阈值信号Vref2(例如可以设置Vref1＝1.2Vcc_ref，Vref2＝0.8Vcc_ref)，其中t1时刻可以为一预设时刻；在t2时刻，输出电压Vout升高(例如由于第一反馈信号VZCD采样位置不合理导致第一反馈信号VZCD不能准确反映输出电压等原因导致输出电压Vout升高)，第二反馈信号VCC_s随之升高，而第一调节信号COMP1无变化，此时第二反馈信号VCC_s大于第二反馈阈值信号Vref2且小于第一反馈阈值信号Vref1，所述补偿信号产生电路141根据第一反馈信号VZCD和参考阈值信号VZCD_ref产生第一调节信号COMP1作为补偿信号COMP；到t3时刻，第二反馈信号VCC_s超过第一反馈阈值信号Vref1，所述补偿信号产生电路141根据第二反馈信号VCC_s和第一反馈阈值信号Vref1产生第二调节信号COMP2作为补偿信号COMP；到t4时刻，异常状态恢复，VZCD信号能够正确反映输出电压VOUT，所以输出电压VOUT开始下降，第二反馈信号VCC_s随之下降，当第二反馈信号VCC_s低于第一反馈阈值信号Vref1时，所述补偿信号产生电路141根据第二反馈信号VZCD和参考阈值信号VZCD_ref产生第一调节信号COMP1作为补偿信号COMP。

图7为根据本发明另一实施例的如图4所示隔离式开关变换器300的工作波形500。在t1时刻，第二反馈信号VCC_s达到电压Vcc_ref，所述反馈阈值生成电路142采样所述电压Vcc_ref，并根据电压Vcc_ref产生第一反馈阈值信号Vref1和第二反馈阈值信号Vref2(例如可以设置Vref1＝1.2Vcc_ref，Vref2＝0.8Vcc_ref)，其中t1时刻可以为一预设时刻；在t2时刻，输出电压Vout降低(由于第一反馈信号VZCD采样位置不合理导致第一反馈信号VZCD不能准确反映输出电压等原因导致输出电压Vout降低)，第二反馈信号VCC_s随之降低，而第一调节信号COMP1无变化，此时第二反馈信号VCC_s大于第二反馈阈值信号Vref2且小于第一反馈阈值信号Vref1，所述补偿信号产生电路141根据第二反馈信号VZCD和参考阈值信号VZCD_ref产生第一调节信号COMP1作为补偿信号COMP；到t3时刻，第二反馈信号VCC_s低于第二反馈阈值信号Vref2，所述补偿信号产生电路141根据第二反馈信号VCC_s和第二反馈阈值信号Vref2产生第三调节信号COMP3作为补偿信号COMP；到t4时刻，异常状态恢复，VZCD信号能够正确反映输出电压VOUT，所以输出电压VOUT开始上升，第二反馈信号VCC_s随之升高，当第二反馈信号VCC_s超过第二反馈阈值信号Vref2时，所述补偿信号产生电路141根据第一反馈信号VZCD和参考阈值信号VZCD_ref产生第一调节信号COMP1作为补偿信号COMP。

图8为根据本发明一实施例的隔离式开关变换器控制方法的工作流程图600。该隔离式开关变换器将一输入电压转换为一输出电压，包括具有初级绕组、次级绕组和辅助绕组的变压器，以及耦接至变压器初级绕组的初级开关管，该控制方法包括步骤S10～S13。

在步骤S10，根据辅助绕组上的电压产生一第一反馈信号和一第二反馈信号，其中所述第一反馈信号为指示开关变换器输出电压的交流信号，所述第二反馈信号为指示开关变换器输出电压的直流信号。

在步骤S11，根据第二反馈信号产生一第一反馈阈值信号和一第二反馈阈值信号，其中第一反馈阈值信号大于第二反馈阈值信号。在本发明的一个实施例中，根据第二反馈信号产生第一反馈阈值信号和第二反馈阈值信号包括：在输出电压达到预设值之后，根据一预设时刻的第二反馈信号产生第一反馈阈值信号和第二反馈阈值信号。

在步骤S12，根据第一反馈信号、第二反馈信号、一参考阈值信号、第一反馈阈值信号和第二反馈阈值信号产生一补偿信号。在一个实施例中，步骤S12包括步骤S121和步骤S122，在步骤S121，在输出电压达到一预设值之前，根据第一反馈信号和参考阈值信号产生所述补偿信号，在步骤S122，在输出电压达到预设值之后，当第二反馈信号大于第一反馈阈值信号时，根据第二反馈信号和第一反馈阈值信号产生所述补偿信号，当第二反馈信号小于第二反馈阈值信号时，根据第二反馈信号和第二反馈阈值信号产生补偿信号，其中第一反馈阈值信号大于第二反馈阈值信号。

在步骤S13，根据补偿信号产生一初级控制信号以控制所述初级开关管。

在本发明的一个实施例中，该控制方法还包括：在输出电压达到预设值之后，当第二反馈信号大于第二反馈阈值信号且小于第一反馈阈值信号时，根据第一反馈信号和参考阈值信号产生补偿信号。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。