专利名称：一种原边控制式的功率开关及交流-直流变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电源变换领域，尤其涉及一种原边控制式的功率开关及使用该功率开关的交流-直流变换器。
背景技术：
所谓原边控制式(简称PSR)就是通常的ASIC (Application Specific Integrated Circuit)方案，即省去光耦及副边恒压恒流控制器，只采用变压器原边的专用集成电路就能实现对输出电压的恒压恒流控制。PSR方案的技术正在逐渐成熟，在输出功率 20瓦以内的交流-直流变换中，正逐渐取代带光耦的副边方案。原边控制式的功率开关，则是将功率器件与PSR控制器集成到一个封装内，就能进一步减少系统方案的元件数，以适应高性能、小尺寸、易生产、低成本的市场要求。根据PSR方案内置控制器的工作模式划分，可以将原边控制式的功率开关分为两类，即内置PWM(脉冲宽度调制)控制器的功率开关和内置PFM(脉冲频率调制)控制器的功率开关。内置PWM控制器的功率开关，其工作频率固定，不利于提高系统转换效率，难以满足越来越高的国际能效标准。内置PFM控制器的功率开关，由于其工作频率随着负载减轻而线性降低，因此平均效率高，容易满足主流国际能效标准。但是，简单模式的内置PFM 控制器的功率开关的缺点在于，由于其工作频率随着负载减轻而线性降低，就容易使轻载时开关频率处于几百赫兹到20KHZ之间，正好落入人耳朵的听觉范围，产生难以忍受的音频噪音。如图1中所示，图1是现有技术中内置PFM控制器的功率开关系统的噪音测试数据图。在该功率开关系统满载的40%以下时，所发出的噪音不能被多数人接受。据测试，正常人能接受的噪音标准是_51dB以下。有鉴于此，现有技术中亟需要一种新的内置PFM控制器的功率开关系统，该系统既抑制较轻负载条件下的音频噪音，而又保持基本PFM的主体控制模式。
实用新型内容为了克服现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供一种原边控制式的功率开关及使用该功率开关的交流-直流变换器，能提升较轻负载下的开关频率，抑制音频噪音，并同时实现平均转换效率高，满足各项能效标准。为了实现上述发明目的，本实用新型提供一种原边控制式的功率开关，包括脉冲频率调制控制器及功率晶体管，该脉冲频率调制控制器包括噪音抑制模块、线电压补偿模块以及峰值电流控制模块；该噪音抑制模块与该峰值电流控制模块连接以形成一分段峰值电流；该线电压补偿模块用以实现恒流应用时不同线电压下输出电流一致。更进一步地，该峰值电流控制模块为一峰值电流比较器，该峰值电流比较器与该功率晶体管的基极连接。更进一步地，该噪音抑制模块包括一与CPC管脚连接的逻辑控制电路用于产生一控制信号，该控制信号通过一控制开关与该峰值电流控制模块连接。更进一步地，该控制开关与该峰值电流控制模块之间还包括一第一电阻。更进一步地，该线电压补偿模块包括与FB管脚连接的第一外接电阻和第二外接电阻，该第一外接电阻和第二外接电阻与变压器辅助绕组连接。更进一步地，该线电压补偿模块通过第二电阻与该峰值电流控制模块连接；该FB 管脚与第三电阻连接，该第三电阻接地。更进一步地，该功率晶体管是双极型三极管或场效应管。本实用新型同时公开一种交流-直流变换器，包括电源；变压器，具有耦合到该变压器的主级绕组，该开关用于接收控制信号以开启或关闭主级绕组中的电流；输出整流二极管；以及前述原边控制式的功率开关。更进一步地，该输出整流二极管导通期间，该变压的辅助绕组通过感应副边线圈电压以获得输出电压信息，该输出电压信息被该功率开关的FB管脚的外接第一反馈电阻和第二反馈电阻取样。 更进一步地，该交流-直流变换器还包括一 RCD吸收回路，用以吸收功率晶体管关断时因变压器漏感和分布电容产生的尖峰电压。本实用新型的技术方案与现有技术相比较，通过设置一噪音抑制电路，提升较轻负载下的开关频率，达到了抑制音频噪音的目的。由于主体结构依然是PFM方式，平均转换效率仍较高，容易满足各种能效标准。原边控制式的功率开关，还增加线电压补偿电路等， 实现不同线电压输入时输出电流的恒定，为充电器和LED照明领域的恒流应用提供了性能保障，在未增加外围器件的基础上进一步提升了集成度。本实用新型所公开的采用反激式变压器结构的交流-直流变换器利用恒流输出代替过流保护，并且EMI设计简单。该交流-直流变换器元件数量少可靠性高，顺应了充电器、LED、家电网络等小体积、低成本的应用趋势。
关于本实用新型的优点与精神可以通过以下的实用新型详述及所附图式得到进一步的了解。图1是现有技术中内置PFM控制器的功率开关系统的噪音测试数据图；图2是现有技术中内置PFM控制器和功率晶体管的功率开关工作波形图；图3是本实用新型所示的交流-直流变换器的电路模块图；图4是本实用新型所示的功率开关内置实现噪音抑制和线电压补偿的电路模块图；图5是本实用新型所示的功率开关内置实现噪音抑制和线电压补偿的详细电路模块图；图6是现有技术中未加内置噪音抑制模块时工作频率和负载的对应关系的示意图；[0030]图7是内置噪音抑制模块时工作频率和负载的对应关系的示意图；图8是本实用新型所示的功率开关系统的噪音测试数据图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本实用新型的具体实施例。本实用新型提供一种原边控制式的功率开关，该功率开关内置功率器件和脉冲频率调制(PFM)控制器，这里的PFM控制器特别增加了音频噪音抑制电路以解决目前普遍的 PFM控制器的电源系统产生的轻载噪音问题。该噪音抑制模块设置分段峰值电流，当负载在满载的一定百分比以下时，切换到较小的峰值电流使相应的较轻载段的工作频率提高，来实现噪音抑制。该功率开关的主体结构仍采用PFM方式，平均转换效率仍较高，容易满足各种能效标准。PFM控制器还增加电网线电压补偿电路，使宽输入电压应用时输出电流基本一致。这里所述的电网线电压补偿是通过调节连接于功率开关的电压反馈脚的外接电阻来实现，而此外接电阻与变压器辅助绕组连接。如图2所示，图2是现有技术中内置PFM控制器和功率晶体管的功率开关工作波形图。其中Vdri，Ip，Is，Vs分别表示变压器原边开关驱动，原边电流，副边电流和副边电压波形，当变换器工作在恒压状态时，随着负载电流的增加通过改变副边电流的非连续时间 Toff即原边和副边都关断的时间来实现恒压控制，而副边的导通时间Tons保持不变，在变压器原边输入电压保持固定的情况下原边的导通时间Tonp也保持不变，由于开关周期公式为Tsw = Tonp+Tons+Toff，所以开关周期只跟Toff有关，当负载电流不断降低时Toff 不断增加，开关周期Tsw也跟着增加，即变换器的工作频率在不断地降低。当变换器工作在轻载条件时工作频率会降低到音频范围(20赫兹到20K赫兹之间)，变换器中的变压器等会产生音频噪声，本实用新型通过在功率开关内部增加噪音抑制模块来设置分段峰值电流使轻载段的工作频率提高的方法来实现音频噪音抑制。图3示出了根据本实用新型的一实施例的使用内置噪声抑制模块的原边控制式的功率开关的交流-直流变换器的电路模块图。该图仅仅是一个示意性说明，并不因此而限制权利要求的范围。本领域的技术人员可以了解其他的变形、改变以及变化。如图3中所示，该交流-直流变换器包括电源Vin。PFM控制器和功率晶体管集成在功率开关100里面，其中功率晶体管的集电极(也可以是场效应管的漏极，以后类同)接变压器101的原边线圈，其发射极(也可以是场效应管的源极，以后类同)跟功率开关内部的CS脚相连，同时外接一很小阻值的原边峰值电流取样电阻109。CS脚在功率开关内部还跟峰值电流比较器的一端相连，当取样电阻109上的取样电压Vcs达到峰值电流比较器的翻转电平时关断功率开关，通过周期地打开和关断功率开关来实现从变压器原边到副边的能量传递，同时在输出端得到稳定的直流输出提供恒压和恒流应用。为了获得更好的输出电压调整率，基于PSR的PFM控制器构成的交流-直流变换器一般工作在电流非连续模式(DCM)，在次级输出二极管112导通期间Tons，变压器辅助绕组同时也是反馈绕组Nfb通过感应副边线圈Ns上的电压Vs获取输出电压信息，此信息被功率开关100的FB脚外接反馈电阻110和111取样，同时反馈给功率开关内部的恒压控制模块，因此通过PSR控制芯片来实现恒压工作。该反馈电阻110还用于改善线电压补偿。如图3中所示，电容105和电阻106并联后与二极管107连接，共同构成一 RCD吸收回路，用以吸收功率晶体管关断时因变压器漏感和分布电容产生的尖峰电压。在小功率的交流-直流变换器中，该吸收回路可以省略，并同样可以实现该技术方案。本实用新型所示的功率开关内置实现噪音抑制和线电压补偿的电路模块图如图4 中所示。该功率开关内置一 PFM控制器，由于该PFM控制器的主体结构与现有技术一致，因此此处不做详细阐述。该功率开关还包括噪音抑制模块11、线电压补偿模块12、峰值电流控制模块13以及功率晶体管14。该噪音抑制模块与CPC脚相连接，另一端与峰值电流控制模块13连接。该线电压补偿模块12与ra脚连接，另一端与峰值电流控制模块13连接。 该峰值电流控制模块13分别与该NPN三极管的基极和发射极连接。功率晶体管14的集电极和发射极分别与C脚和CS脚连接。由于该功率开关采用噪音抑制模块11经过峰值电流控制模块13以产生不同的比较基准Vcs_ref，使传统的恒定峰值电流控制变为分段峰值电流控制，因此轻载时的工作频率将比恒定峰值电流控制时显著提高。以下将介绍该内置噪音抑制模块和线电压补偿模块的功率开关的详细电路图。如图5中所示，该功率开关与若干个管脚相连，其中FB管脚用于接收反馈信息；&id管脚接地；C管脚接功率晶体管的集电极；Vcc管脚用于接收操作电源；CPC管脚用于接收电容信号；CS管脚通过一电阻接地。内部脉冲信号Tons通过CPC管脚外接电容进行充电。交流-直流变换器在不同的负载条件下对应不同的工作频率，当未加内置噪音抑制模块时，CPC脚电压跟负载和工作频率存在线性关系如图6所示。在采用内置噪音抑制模块时，CPC脚电压将通过逻辑控制电路500产生一个控制信号Vau，此控制信号Vau通过控制开关501获得不同的峰值电流比较器502的比较基准Vcs_ref，控制信号Vau可以设置成不同的高低电平分别对应轻载和重载情况，本实施例中Vau = 0对应轻载，反之Vau = 1对应重载。为了实现恒流应用时不同线电压下输出电流一致，Vcs_ref同时受线电压补偿模块的控制，此模块通过检测原边导通期间辅助线圈感应的电压信号Vaux，此电压信号经电阻RFBl和电阻RFB2的分压反馈给Vcs_ref产生支路实现不同线电压输入下的不同Vcs_ ref0而现有技术方案的PFM控制器不管恒压或者恒流应用时都只有一个恒定的比较基准 Vcs_ref，在这种情况下恒压工作时工作频率随着负载变化线性增加，图6中的负载区间20 会产生音频噪声，而恒流应用时因原边电流上升斜率的不同，经过相同的内部电路延时后不同线电压输入时的原边峰值电流不一致，高线电压输入时原边电流上升斜率高于低线电压输入时原边电流上升斜率，功率晶体管真正关断时的原边峰值电流在高线电压输入时也较大，也就无法实现恒流应用时不同线电压下输出电流一致。请继续参阅图5，通过Vau的控制Vref可以是VH或者是VL分别对应重载和轻载， 采用内置噪音抑制电路后得到两个不同的Vcs_ref分别对应不同的原边峰值电流，恒压应用时传统的恒定峰值电流控制变为分段峰值电流控制。VH和VL可以设置成一定的比例关系如1. 5倍，此比例关系也决定了分段Vcs_ref也就是分段峰值电流的比例关系，轻载时由于峰值电流降低为重载时的1. 5倍分之一，相应地轻载时的工作频率将提升为恒定峰值电流控制时的2. 25倍，工作频率和负载变化的对应关系如图7所示，从空载到满载的40%区间内Vcpc被提升至1. 5倍，工作频率都被提升至2. 25倍，内置噪音抑制电路采用的分段峰值电流控制使工作在音频范围内的负载区间由图7中的区域20向轻载方向平移变为更小范围的区域30，从而有效地抑制音频噪声。
6[0044]从Vcs_ref的计算公式同样可以看出，Vcs_ref同时还跟Vfb有关，原边导通时辅助线圈感应原边线圈的负压并通过FB管脚外接电阻的分压值，原边导通时Vfb的大小反映了不同线电压下辅助线圈感应原边线圈电压的大小，线电压输入越高时对应的Vfb电压越低， 对Vcs_ref的抵消效果越明显，相应的Vcs_ref也越小，通过调整不同线电压输入时的Vcs_ ref来实现恒定峰值电流，从而保证恒流应用时不同线电压下输出电流的一致。图8是一款基于本实用新型的较佳实施例的功率开关系统的噪音测试数据，对比图1中的噪音测试数据，基于本实用新型实施例的功率开关系统的轻载噪音都在测试标准之内。本实用新型的技术方案与现有技术相比较，通过设置一噪音抑制电路，提升较轻负载下的开关频率，达到了抑制音频噪音的目的。由于主体结构依然是PFM方式，平均转换效率仍较高，容易满足各种能效标准。该边控制式的功率开关，还增加线电压补偿电路等， 实现不同线电压输入时输出电流的恒定，为充电器和LED照明领域的恒流应用提供了性能保障，在未增加外围器件的基础上进一步提升了集成度。本实用新型所公开的采用反激式变压器结构的交流-直流变换器利用恒流输出代替过流保护，并且EMI设计简单。该交流-直流变换器元件数量少可靠性高，顺应了充电器、LED、家电网络等小体积、低成本的应用趋势。本说明书中所述的只是本实用新型的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型的限制。凡本领域技术人员依本实用新型的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本实用新型的范围之内。
权利要求1.一种原边控制式的功率开关，包括脉冲频率调制控制器及功率晶体管，其特征在于， 所述脉冲频率调制控制器包括噪音抑制模块、线电压补偿模块以及峰值电流控制模块；所述噪音抑制模块与所述峰值电流控制模块连接以形成一分段峰值电流；所述线电压补偿模块用以实现恒流应用时不同线电压下输出电流一致。
2.如权利要求1所述的功率开关，其特征在于，所述峰值电流控制模块为一峰值电流比较器，所述峰值电流比较器与所述功率晶体管的基极连接。
3.如权利要求1所述的功率开关，其特征在于，所述噪音抑制模块包括一与CPC管脚连接的逻辑控制电路用于产生一控制信号，所述控制信号通过一控制开关与所述峰值电流控制模块连接。
4.如权利要求3所述的功率开关，其特征在于，所述控制开关与所述峰值电流控制模块之间还包括一第一电阻。
5.如权利要求1所述的功率开关，其特征在于，所述线电压补偿模块包括与FB管脚连接的第一外接电阻和第二外接电阻，所述第一外接电阻和第二外接电阻与变压器辅助绕组连接。
6.如权利要求5所述的功率开关，其特征在于，所述线电压补偿模块通过第二电阻与所述峰值电流控制模块连接；所述FB管脚与第三电阻连接，所述第三电阻接地。
7.如权利要求1所述的功率开关，其特征在于，所述功率晶体管是双极型三极管或场效应管。
8.一种交流-直流变换器，其特征在于，包括电源；变压器，具有耦合到所述变压器的主级绕组，所述开关用于接收控制信号以开启或关闭主级绕组中的电流；输出整流二极管；如权利要求1至7任一项所述的功率开关。
9.如权利要求8所述的交流-直流变换器，其特征在于，所述输出整流二极管导通期间，所述变压的辅助绕组通过感应副边线圈电压以获得输出电压信息，所述输出电压信息被所述功率开关的FB管脚的外接第一反馈电阻和第二反馈电阻取样。
10.如权利要求8所述的交流-直流变换器，其特征在于，所述交流-直流变换器还包括一 RCD吸收回路，用以吸收功率晶体管关断时因变压器漏感和分布电容产生的尖峰电压。
专利摘要本实用新型提供一种原边控制式的功率开关，包括脉冲频率调制控制器及功率晶体管，该脉冲频率调制控制器包括噪音抑制模块、线电压补偿模块以及峰值电流控制模块；该噪音抑制模块与该峰值电流控制模块连接以形成一分段峰值电流；该线电压补偿模块用以实现恒流应用时不同线电压下输出电流一致。本实用新型同时公开一种交流-直流变换器。
文档编号H02M7/217GK202168002SQ20112029039
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者吕述庄, 汪虎, 赵峰, 陈超 申请人:上海新进半导体制造有限公司