专利名称：实现开关电源空载间歇性工作的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源控制回路中的电压闭环控制回路，尤其涉及大功率开关电源 中的电压闭环回路。
背景技术：
开关电源，尤其是大功率开关电源，一般都会采用PI调节控制电路，稳定输出。为 了提高效率，减小电磁干扰，许多大功率开关电源都采用软开关技术。在带负载工作的情况 下，开关电源比较容易实现稳定的PI调节和主开关管的软开关。但是，很多开关电源空载运行时会出现输出电压升高等不稳定的情况，为了防止 输出电压高升，有时需要在输出端加上较多的死负载，降低了整机效率；同时，对于大多数 开关电源，空载运行时很难实现开关管的软开关，开关管工作在硬开关状态，开关损耗增 大，电磁干扰增强。以目前电力系统及电动汽车充电站中常用的几千瓦 几十千瓦的充电 模块为例，此类系统中充电模块要求一直有输出电压，不允许电源模块处于停机状态，当负 载很轻或不在充电状态时，每台模块空载运行时的损耗一般在50 150W之间，由于一个充 电系统都是由多台模块并联运行，因此总的空载损耗将非常可观。如果能使开关管在空载 工作时的损耗降到5 IOW以内，并且工作在软开关状态，电磁干扰小，那么对节能、环保将 会有很大的贡献。在小功率(几百瓦以内)开关电源中，许多控制芯片内置的比较器能间接实现空 载运行时的打嗝模式，即Burst-mode工作方式，如中国专利200910059455. X提到的通过增 加一单一的功能端，实现突发模式控制，在低负载状态下保持开关管的断开状态；类似的中 国专利200920132256. 2及200810065010. 8都具有降低开关电源空载损耗的方法，这些专 利的特点主要针对用量很大的民用开关电源领域，即功率不大，电路结构简单，此类发明一 般只适用于反激或正激拓扑电路的电源。在几千瓦及以上功率等级的开关电源中，一般都 采用全桥或半桥结构，常用的电源控制芯片(如UC3875、SG3525等)有两路或四路驱动脉 冲，需要外加PI调节控制电路，实现电源的稳态、动态性能，上面提到的发明无法用于这样 的功率等级的电路结构中；采用PWM调制的大功率开关电源，输出空载或轻载状态下是通 过减小驱动脉冲宽度实现输出电压的稳定；采用变频调制的大功率开关电源，输出空载或 轻载状态下是通过提高开关频率实现输出电压的稳定。在这两种状态中，开关管工作是连 续的，容易工作在硬开关状态，开关损耗非常严重，并且在空载时比较难控制输出电压，需 要加上一定的死负载来实现输出电压的稳定，造成较大的能源浪费。因此，在大功率开关电 源中，怎样在不改变原有特性的情况下实现空载、轻载时工作的优化是一个有待解决的问 题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关电源空载工作的解决方案，从而既能保证开关电 源空载输出电压稳定，又能方便地实现开关管的软开关，减小空载工作时的损耗和电磁干扰。为了实现上述功能，本发明提供以下技术方案实现开关电源空载间歇性工作的电路，包括电压闭环控制回路，电压闭环控制回路包括输出电压采样电路11，用于送出的电平信号Ul ;PI调节电 路12、外围电路16、外围电路17、电源控制芯片13 ；其中电源控制芯片13包括电压反馈输 入端CK、保护信号输入端CP、驱动信号输出端CD ；还包括一个比较器电路，具体为比较器电路包括比较器21、外围电路22、外围电路23、外围电路24、外围 电路25 ；比较器21输入端A通过外围电路22取PI调节输出电压信号，输入端B通过外围 电路23获取一个固定的电平信号U3 ；外围电路24用来进行比较器迟滞环节设置，外围电 路24 —端与比较器21的输入端A相连，另一端与比较器21的输出端相连接；比较器的输 出端输出电平信号U4通过外围电路25接到电源控制芯片保护端CP ；所述外围电路由导线、电阻、电容、二极管中、电压源的全部或部分组成，电阻、电 容、二极管元件数量可以是一个或多个。本发明的工作原理如下开关电源正常带负载工作时，PI调节12输出的电平信号通过外围电路22得到的 电平信号U2不会造成比较器翻转，比较器输出电平U4不会使电源控制芯片13保护端CP 接收到保护信号关闭驱动信号CD，比较器电路处于退出(不工作)状态。当开关电源工作 在空载或轻载时，由于输出电压上升，电压采样环节11送出的信号Ul的变化使PI调节12 输出的电平信号发生变化，当外围电路22输出电平U2变化到设定电平信号U3时，比较器 翻转，比较器输出电平U4使电源控制芯片13保护信号接收端CP电平翻转，驱动信号输出 端CD的驱动信号消失，开关管停止工作，输出电压下降；输出电压下降又使电压采样环节 11送出的信号Ul也跟着变化，并使PI调节12输出的电平信号再次发生变化，当外围电路 22输出电平U2再次变化到电平信号U3时，比较器再次翻转，比较器输出电平U4使电源控 制芯片13保护信号接收端CP电平再次翻转，驱动信号输出端CD的驱动信号再次出现，开 关管开始工作，输出电压上升。这种状态周而复始的进行，开关管周期性的工作、停止工作， 从而实现开关电源输出电压的稳定，周期时间一般是一个开关周期的几十倍、几百倍甚至 更长。可以通过对比较器的滞环环宽的设置，控制开关管工作和停止工作的时间，实现对输 出电压波动的控制，满足空载输出电压的纹波波动要求。在开关管有驱动信号的时间段，电源是向输出端(输出电容)传递能量的，比较容 易实现开关管的软开关。如果希望开关电源轻载时也容易实现软开关管，可以通过对电平 信号U4大小的设置，使轻载时比较器电路也能进入工作状态。当由空载或轻载到带上正常负载，比较器电路能够迅速的退出，不会影响电源的 动态调节。这种开关电源空载运行的闭环控制方法即为开关电源的空载间歇性工作的控制 方法。本发明具有以下优点(1)本发明的电路结构简单，成本低；(2)容易实现空载时开关管的软开关，减小电磁干扰；
(3)电源输出可以不加死负载，提高了效率；(4)空载时开关管是间歇性工作，开关损耗非常小，能将一台12KW的充电模块空 载损耗降到IOW以内，达到节能目的；(5)采用本发明不会影响开关电源的原有特性。
图1是在一个典型的电力系统或电动汽车充电站整流模块基础上给出的原理框 图；图2是本发明的具体实施电路；图3是比较器的另一种接法的连接图；图4是实施例1的电路图；图5是实施例1的电路图；图6是采用本发明的12KW充电模块的空载运行时工作电流波形
具体实施例方式下面结合附图对说明本发明进一步说明，图1是在一个典型的电力系统或电动汽 车充电站整流模块基础上给出的原理框图，图2是本发明的具体实施电路，图中虚线部分 是本发明的核心，包括输出电压采样电路11，采样电路输出端接到PI调节电路12的输入 端，12的输出端接到外围电路16的输入端，16的出端接到外围电路17的输入端，17的输 出端接到电源控制芯片13的电压反馈输入端CK，16的输出端同时接到外围电路22的输入 端，22的输出端接到比较器21的输入端A ( “_”端)，21的另一输入端B ( “ + ”端)接到外 围电路23的输出端；比较器输入端B接外围电路24的一端，24的另一端接到比较器的输 出端，比较器的输出端接到外围电路25的输入端，25的输出端接到13的保护信号输入端 CP，开关电源控制电路中保护、开关机信号15也接到CP，电源控制芯片13的驱动信号输出 端⑶接到DC/DC变换器电路14。图3是比较器的另一种接法，其输入端与图2反了一下， 外围电路24的位置也相应变动，但工作原理没有变化。外围电路16、17可以由导线、电阻、电容、二极管中、电压源的全部或部分组成，电 阻、电容和二极管元件数量可以是一个或多个。外围电路22、23可以由导线、电阻、电容、二极管、电压源中的全部或部分组成，电 阻、电容和二极管元件数量可以是一个或多个。外围电路24可以由导线、电阻、电容、二极管中的全部或部分组成，元件数量可以 是一个、多个或没有。外围电路25可以由导线、电阻、电容、二极管、电压源、门电路中的部分或全部组 成，元件数量可以是一个或多个。上述外围电路只是给出了常规的用法，如果有刻意加上一些其他元器件如电感、 三极管、稳压管等组成这类外围电路，也属于本发明范围内。比较器21如果采样运算放大器替代，也属于本发明范围内。本技术方案适用于所有PWM调制、移相控制、变频调制等带保护信号接口的电源 控制芯片与输出电压反馈控制回路(PI调节电路)组成的电压闭环。
实施例1图4给出了一个应用实例(是完整控制电路中的一部分)，图中Vo是开关电源的 输出电压，Ul是一个运算放大器，Vrefl是给定电平信号，U2是一个比较器，U3是电源控制 芯片，VCC是一个电压源，On/off是保护或开关机信号。实施例2图5给出了另一个应用实例(是完整控制电路中的一部分)，图中Vo是开关电源 的输出电压，Ul是一个运算放大器，VrefU Vref2是给定电平信号，U2是一个比较器，U3是 电源控制芯片，VCC是一个电压源，On/off是保护或开关机信号，运放输出到比较器间加了 电阻R7、电容C3可以实现空载进入、退出间歇工作的延时时间控制。图6是采用本发明的12KW充电模块的空载运行时工作电流波形，图中IV对应的 是IA电流，有电流工作的部分对应的是开关管有驱动的时间，无电流的部分是对应开关管 没有驱动的时间，从图中可以看出空载时电源处于间歇性的工作状态，工作时的开关频率 是几十千赫兹，间歇工作的周期接近200赫兹，间歇的周期可以根据外界条件自动调节来 实现输出电压的稳定。
权利要求
实现开关电源空载间歇性工作的电路，包括电压闭环控制回路，电压闭环控制回路包括输出电压采样电路11，用于送出的电平信号U1；PI调节电路12、外围电路16、外围电路17、电源控制芯片13；其中电源控制芯片13包括电压反馈输入端CK、保护信号输入端CP、驱动信号输出端CD；其特征在于还包括一个比较器电路，具体为比较器电路包括比较器21、外围电路22、外围电路23、外围电路24、外围电路25；比较器21输入端A通过外围电路22取PI调节输出电压信号，输入端B通过外围电路23获取一个固定的电平信号U3；外围电路24用来进行比较器迟滞环节设置，外围电路24一端与比较器21的输入端A相连，另一端与比较器21的输出端相连接；比较器的输出端输出电平信号U4通过外围电路25接到电源控制芯片保护端CP；所述外围电路由导线、电阻、电容、二极管中、电压源的全部或部分组成，电阻、电容、二极管元件数量可以是一个或多个。
2.根据权利要求1所述的实现开关电源空载间歇性工作的电路，其特征在于比较器 21的输入端A是正极或者负极。
3.根据权利要求1所述的实现开关电源空载间歇性工作的电路，其特征在于所述外 围电路24 —端与比较器21的输入端B相连，另一端与比较器21的输出端相连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的实现开关电源空载间歇性工作的电路，其特征在于 所述比较器21是运算放大器。
全文摘要
实现开关电源空载间歇性工作的电路，包括一个比较器电路，比较器电路包括比较器21、外围电路22、外围电路23、外围电路24、外围电路25；比较器21输入端A通过外围电路22取PI调节输出电压信号，输入端B通过外围电路23获取一个固定的电平信号U3；外围电路24用来进行比较器迟滞环节设置，外围电路24一端与比较器21的输入端A相连，另一端与比较器21的输出端相连接；比较器的输出端输出电平信号U4通过外围电路25接到电源控制芯片保护端CP。本发明的结构简单，成本低，容易实现空载时开关管的软开关，减小电磁干扰。
文档编号H02M3/156GK101917117SQ20101025326
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者丁志刚, 俞拙非, 周华良, 夏雨, 张哲 , 白钟, 郑玉平, 陈建玉, 陈良亮 申请人:国网电力科学研究院