专利名称：一种开关电源电路和控制方法
一种开关电源电路和控制方法本发明涉及开关电源，尤其涉及一种开关电源电路和控制方法。为节约能源，世界各国对各种电子产品的能耗标准越来越严格，建立了强制性的 “绿色电源”标准要求，著名的如欧洲能源之星(ENERGY STAR* )。很多电子产品，经常是处于待机等候状态，待机量需持续消耗电网功率，虽然单个电源待机时的绝对功率不大，但因为产品的数量非常庞大，导致总的消耗功率也是非常庞大的。为减少这些无用的消耗，根据不同类型的产品，对电源提出了严格的待机功耗要求，典型的要求如待机功耗小于 O. 5W，有的甚至要求待机功耗小于O. 3W。为满足低功耗要求，目前很多电源芯片厂商开发生产了各种类型的绿色模式脉宽调制控制器(Green-Mode PWM Controller)，如单芯片FAN6756，就是一款高度集成的绿色模式PWM控制器。这些芯片的共同特点是当电路进入待机状态时，芯片也进入节能的工作模式，比如采用变频的方法，随着输出功率的减少而降低工作频率或者采用间歇的工作模式等方法来减少开关损耗，达到节能目的。电子产品待机工作时，辅助电压一般是输出5V左右,主输出可能是一路输出，也可能是多路输出。虽然PWM芯片可以实现“绿色”工作模式，但由于各种电子产品对工作电压及功率要求各有不同，有高电压、有低电压，有单路、有多路，有功率大的、也有功率小的， 所以要用一个绿色模式PWM芯片来实现电源的多种输出要求并且要同时能够符合待机低功耗要求，很难两全其美。如图I所示，为满足待机功耗要求，目前常用的电源方案是采用两个变换器的方式一个作待机和低压回路输出用；另一个作主功率输出用。当处于待机状态时，仅待机电路工作，主输出变换器被关闭，只有在收到正常工作命令信号后，才启动主变换器。采用双变换器的方式虽然容易实现低待机功耗要求，但主要缺点是成本高，电路复杂，另外如果PCB布局处理得不好，很容易造成两个变换器互相干扰，导致工作不正常。本发明要解决的技术问题是提供一种电路结构简单、实现成本较低，待机功耗小的开关电源的控制方法。本发明另一个要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本较低，待机功耗小的开关电源电路。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种开关电源的控制方法，在待机工作状态下，关闭主输出电路，开关电源的PWM控制器在低频率和/或低占空比的节能模式下工作，辅助输出电路输出的待机电压低于正常工作状态下的辅助电源电压。一种实现上述控制方法开关电源电路的技术方案，包括原边电路、副边电路、变压器和控制电路，原边电路和副边电路通过变压器耦合；原边电路包括由所述PWM控制器驱动的逆变电路，所述的副边电路包括主输出电路和辅助输出电路，所述的控制电路包括微控制器、主输出开关电路、待机电压控制电路和工作状态采样电路；工作状态采样电路的输出端接微控制器，主输出开关电路的信号输入端接微控制器的主输出开关控制信号输出端；待机电压控制电路的信号输入端接微控制器的待机电压控制信号输出端，待机电压控制电路的输出端接PWM控制器控制信号输入端。以上所述的开关电源电路，所述的主输出电路包括变压器的第一副边绕组、第一整流滤波电路和输出端口，第一副边绕组的输出端经第一整流滤波电路接输出端口 ；所述的主输出开关电路包括开关管、第一分压电路、第二分压电路和第一 NPN三极管；所述开关管的第一端接第一整流滤波电路的正极输出端，第二端接输出端口正极；第一分压电路包括串联的第一电阻和第二电阻，第一分压电路的一端接开关管的第一端，另一端接第一 NPN 三极管的集电极，第一电阻和第二电阻之间的连接点接开关管的控制极；第二分压电路包括串联的第三电阻和第四电阻，第二分压电路的一端接微控制器的主输出开关控制信号输出端，另一端接地；第三电阻和第四电阻之间的连接点接第一 NPN三极管的基极，第一 NPN 三极管的发射极接地；第一整流滤波电路的负极输出端接地。以上所述的开关电源电路，包括恒压控制电路和光耦，所述的辅助输出电路包括变压器的第二副边绕组和第二整流滤波电路，第二副边绕组的输出端接第二整流滤波电路；第二整流滤波电路的正极输出端作为辅助输出电路的正极输出端，第二整流滤波电路的负极输出端接地；恒压控制电路包括第三分压电路、置偏电阻和第一分流调节器，第三分压电路包括串联的第五电阻和第六电阻，第三分压电路的一端接第一整流滤波电路的正极输出端，另一端接地；第五电阻与第六电阻之间的连接点接第一分流调节器的参考电压端， 第一分流调节器的阳极接地，阴极通过置偏电阻接第二整流滤波电路的正极输出端；光耦发光二极管的阳极接第二整流滤波电路的正极输出端，阴极接第一分流调节器的阴极；光耦光敏三极管的集电极接PWM控制器控制信号输入端，发射极接地。以上所述的开关电源电路，所述的待机电压控制电路包括稳压管和第二 NPN三极管，稳压管的阴极接光耦发光二极管的阴极；第二 NPN三极管的基极接微控制器的待机电压控制信号输出端，发射极接地，集电极接稳压管的阳极。以上所述的开关电源电路，所述工作状态采样电路包括电流采样电路，所述的电流采样电路包括采样电阻和放大电路，放大电路的输入端接输出端口的负极，输出端口的负极通过采样电阻接地，放大电路的输出端接微控制器电流采样电路输入端。以上所述的开关电源电路，包括线性稳压电路，所述的线性稳压电路包括第三NPN 三极管、第四分压电路、基极电阻和第二分流调节器，第四分压电路的一端接第三NPN三极管的发射极，另一端接地；第四分压电路包括串联的第七电阻和第八电阻，第七电阻与第八电阻之间的连接点接第二分流调节器的参考电压端；第二分流调节器的阴极接第三NPN三极管的基极，阳极接地；第三NPN三极管的集电极接第二整流滤波电路的正极输出端，发射极接微控制器的电源输入端；第三NPN三极管的基极通过基极电阻接第三NPN三极管的集电极。以上所述的开关电源电路，所述工作状态采样电路包括负载接入测试电路，所述的负载接入测试电路包括第四分压电路，第四分压电路包括串联的第七电阻和第八电阻; 第四分压电路的一端接微控制器的电源输入端，另一端接微控制器的负载接入信号测试端，第七电阻和第八电阻之间的连接点作为负载接入的采样点。以上所述的开关电源电路，其特征在于，所述的变压器Tl为反激变压器。所述的开关电源电路是电池充电电路。本发明开关电源电路所有的电压输出都来自同一个变换器，电路结构简单、实现成本较低。当处于待机工作状态时，主输出电路关闭；当处于待机状态时，只需保证稳定的待机电路的输出电压PWM芯片可以工作在频率更低，或间歇时间更长的节能模式下，使变换器可以工作于更省电的状态，实现更低的待机功耗。下面结合附图
和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图I是现有技术开关电源电路的原理框图。图2是本发明实施例开关电源电路的原理框图。图3是本发明实施例开关电源电路主电路部分的原理图。图4是本发明实施例开关电源电路控制电路部分的原理图。在图2至图4所示的本发明开关电源电路的实施例中，开关电源电路是电池充电电路，电池充电电路包括原边电路、副边电路、变压器Tl和控制电路；原边电路和副边电路通过变压器Tl耦合，变压器Tl为反激变压器；控制电路包括微控制器U2 (三星单片机 S3F9454)。反激变压器英文称为“FLY-BACK Transformer”。在工作过程中，当控制变压器的输入主开关管导通时，变压器初级绕组也就是初级电感导通，变压器储能，次级绕组没有能量输出，输出能量由储存在次级电容上的能量提供；当输入主开关管截止时，变压器输入绕组停止储能，在截止期间，储存在变压器的能量通过次级绕组释放，能量转移到次级储能电容和负载中，反激变压器的特点是初级绕组导通时储能，截止时放能，就像一个储能电感。与反激变换器相对的是正激变换器，正激变压器输出端要接储能电感和续流二极管，但反激变压器不需要储能电感和续流二极管，电路简单，容易实现多路输出。原边电路包括开关管Q5，变压器Tl的原边线圈TlH和PWM控制器IC1。整流桥 BGl和电容ECl构成输入整流滤波电路，开关管Q5与变压器Tl的原边线圈TlH的串联电路接输入整流滤波电路的输出端；PWM控制器ICl (绿色模式PWM芯片LD7576)，的PWM信号输出端(ICl的5脚)接开关管Q5的控制极，构成由PWM控制器驱动的逆变电路。副边电路包括主输出电路和辅助输出电路；控制电路包括微控制器、主输出开关电路、待机电压控制电路、恒压控制电路和工作状态采样电路。主输出电路包括变压器Tl的第一副边绕组T1Y、第一整流滤波电路和电池充电电路的输出端口 VB+、VB-。第一整流滤波电路包括整流二极管D1、电容EC4、C24，第一整流滤波电路的负极输出端接地。主输出开关电路包括主开关管Ql，NPN三极管Q3,稳压管Zl, 二极管D7、D8,隔尚二极管 D2,电容 C5,电阻 RIO、Rll、R18、R20。主开关管Ql的第一端(管脚号3)经隔离二极管D2接第一整流滤波电路的正极
6输出端Vout-Ι，第二端(管脚号2)接输出端口正极VB+;电阻RIO、Rll串联组成第一分压电路，电阻RlO的一端接主开关管Ql的第一端，电阻Rll的一端通过二极管D8接NPN三极管Q3的集电极，电阻R10、R11之间的连接点接主开关管Ql的控制极。稳压管Zl的阴极接主开关管Ql的第一端，阳极接主开关管Ql的控制极；电容C5与稳压管Zl并接。电阻R18、R20串联构成第二分压电路，电阻R20的一端0N/0FF-2作为主输出开关电路的控制信号输入端接微控制器U2的主输出开关控制信号输出端0N/0FF-2，电阻R18的一端接地；电阻R18、R20之间的连接点接NPN三极管Q3的基极，NPN三极管Q3的发射极接地。二极管D7的阴极接NPN三极管Q3的基极，阳极接NPN三极管Q3的发射极。当0N/0FF-2的信号为高电平时，主开关管Ql导通，主输出电路可以输出；当(^/ 0FF-2的信号为低电平时,主开关管Ql开断，主输出电路关闭。辅助输出电路包括变压器Tl的第二副边绕组T1X、电阻R16、整流二极管D5、电容 C4、EC6。第二副边绕组TlX的输出端通过电阻R16接整流二极管D5、电容C4、EC6组成的第二整流滤波电路；第二整流滤波电路的正极输出端VAUX作为辅助输出电路的正极输出端， 第二整流滤波电路的负极输出端接地。主输出(Vout-I)的恒压控制电路包括电阻R28、R29、R30、R31、R32、R82、RH,电容C10、置偏电阻R27和分流调节器Ul (TL431)。电阻1 28、1 29、1 30、1 31、1 32、1 82、1^1组成第三分压电路，得到主输出Vout-I端的电压取样信号。第三分压电路R30、R32的一端作为恒压控制电路的信号输入端Vout-I 接第一整流滤波电路的正极输出端Vout-I (42V/2A)，第三分压电路R28、R31的一端接地； 第三分压电路R30、R32与R28、R31之间的连接点接分流调节器Ul的电压参考端R(分流调整器信号输入端R)，分流调节器Ul的阳极接地，阴极通过置偏电阻置偏电阻R27接第二整流滤波电路的正极输出端VAUX ；电阻R29和电容ClO串联后，一端接分流调节器Ul的参考电压端，另一端接分流调节器Ul的阴极；光耦Pl发光二极管的阳极通过电阻R26接第二整流滤波电路的正极输出端VAUX，阴极接分流调节器Ul的阴极；光耦Pl光敏三极管的集电极接PWM控制器ICl的控制信号输入端(ICl的第2脚)，发射极接地。当第一整流滤波电路的正极输出端Vout-I的电压改变时，经过第三分压电路电压取样，恒压控制电路分流调节器Ul (TL431)的参考端(R)电压值发生变化，经分流调节器内部进行信号比较放大后，通过光耦反馈到PWM控制器ICl的控制信号输入端，使第一整流滤波电路的正极输出端Vout-I的电压维持恒定。待机电压控制电路包括稳压管Z4、电阻R62、R63和NPN三极管Q9，稳压管Z4的阴极经公共电气节点VP接光耦Pl发光二极管的阴极；NPN三极管Q9的基极通过电阻R63接微控制器U2的待机电压控制信号输出端STB，发射极接地，集电极接稳压管TA的阳极；电阻R62接在NPN三极管Q9的基极和发射极之间。当电池充电电路待机时，微控制器U2的待机电压控制信号输出端STB发出高电平，NPN三极管Q9开通，将稳压管Z4的阳极接地，5. IV的稳压管Z4被接入到恒压控制电路中，使主电压输出(Vout-Ι端)的恒压控制电路失去作用，并通过光耦反馈到PWM控制器 ICl的控制信号输入端，同时使辅助输出电路的输出电压VAUX由25V下降到7. 5V。辅助输出电路的输出电压VAUX通过线性稳压电路供给微控制器U2稳压精度高、 电压为5V的待机电压(VR = 5V)。线性稳压电路包括NPN三极管Q6，分流调节器IC2，电容Cll,电阻 R38、R39、R40 和 R48。电阻R39、R40串联构成第四分压电路，第四分压电路R39的一端接NPN三极管Q6 的发射极，第四分压电路R40的一端接地；电阻R39、R40之间的连接点接分流调节器IC2的参考电压端；分流调节器IC2的阴极接NPN三极管Q6的基极，阳极接地；NPN三极管Q6的集电极接第二整流滤波电路的正极输出端VAUX，发射极接微控制器U2的电源输入端Vdd ； NPN三极管Q6的基极通过电阻R38、R48并联组成的基极电阻接NPN三极管Q6的集电极； 电容Cll接在分流调节器I C2的参考电压端和阴极之间。工作状态采样电路包括电流采样电路，电流采样电路包括采样电阻R19和以运放 IC3B为主体的放大电路，放大电路的输入端接电池充电电路的负极输出端口 VB-，负极输出端口 VB-通过采样电阻R19接地，放大电路的输出端IS接微控制器U2电流采样电路输入端IS，微控制器U2通过电流采样信号确定主输出电路的工作状态。工作状态采样电路还包括负载接入测试电路，负载接入测试电路包括由电阻R45 和R46串联组成的第四分压电路，第四分压电路的一端接微控制器U2的电源输入端Vdd，另一端接微控制器U2的负载接入信号测试端(U2的第19脚)，电阻R45和R46之间的连接点 NTC作为外部负载接入的采样点。负载接入测试电路的NTC端口为电池包接入信号输入端，信号送到微控制器U2单片机进行检测，以判别电池组的接入状态，发出“待机/工作”信号。当电池没有接入或电池已经充满时，充电电路停止充电，进入待机状态。当进入待机状态后，微控制器U2发出0N/0FF-2低电平信号，关闭主输出开关Ql，输出端口 VB+， VB-无输出电压，同时微控制器U2发出STB高电平待机控制信号(5V)，三极管Q9导通，5. IV 稳压管Z4被接入到恒压控制电路中，使主输出Vout-I的恒压控制电路失去控制作用，改由待机电压控制回路进行恒压控制。当检测到有电池接入，需要正常充电时，微控制器U2发出STB低电平信号，三极管Q9开断，稳压管TA失去作用，待机电压控制电路被主输出的恒压控制电路代替，主输出 42V，辅助电压Vaux输出达到25V。同时，微控制器U2发出0N/0FF-2高电平信号(5V)，主输出开关Ql导通，允许给电池组充电。当充电电路处于待机时，待机电压控制电路只需维持辅助电源(Vaux)7. 5V的稳定，保证单片机有5V的稳定工作电压即可，主输出回路开关Ql断开，不需考虑主电压输出端的电压值，所以主输出电压小于42V。这时，绿色电压PWM芯片LD7576在低频率和低占空比的节能模式下工作，工作频率很低，约16--20K左右，而且处于间歇工作状态，使所有开关器件(如Q5，D1，D5)的开关损耗，导通损耗，假负载(R17)损耗都降到了最低。本发明以上实施例具有以下有益效果I.所有的电压输出都来自同一个变换器，变换器的工作过程由“绿色模式PWM芯片”来控制，电路结构简单，成本低。2.输出电路有两个独立的输出电压控制环路，在同一时刻，只有一个电压控制环路起作用。当处于待机工作状态时，待机输出电压控制环路起作用，主输出电压控制环路不工作，主输出被关闭；当处于正常工作状态时，主输出电压控制环路起作用，待机电压输出控制环路不工作。两个电压控制环路受控于待机/工作控制信号，待机或正常工作状态由控制电路自动检测，自动切换完成。
3.当处于待机时，由于仅待机电压控制环路起作用，只需保证稳定待机电路的输出电压(低压)，主电路被关闭掉，可以不考虑主电压的输出情况，绿色模式”PWM芯片可以在比正常工作条件下更加低的频率、更加低的占空比的节能模式下工作，使变换器可以工作于更省电的状态，实现低待机功耗节能目标。
权利要求
1.一种开关电源的控制方法，其特征在于，在待机工作状态下，关闭主输出电路，开关电源的PWM控制器在低频率和/或低占空比的节能模式下工作，辅助输出电路输出的待机电压低于正常工作状态下的辅助电源电压。
2.一种实现权利要求I控制方法的开关电源电路，包括原边电路、副边电路、变压器和控制电路，原边电路和副边电路通过变压器耦合；原边电路包括由所述PWM控制器驱动的逆变电路，其特征在于，所述的副边电路包括主输出电路和辅助输出电路，所述的控制电路包括微控制器、主输出开关电路、待机电压控制电路和工作状态米样电路；工作状态米样电路的输出端接微控制器，主输出开关电路的信号输入端接微控制器的主输出开关控制信号输出端；待机电压控制电路的信号输入端接微控制器的待机电压控制信号输出端，待机电压控制电路的输出端接PWM控制器控制信号输入端。
3.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述的主输出电路包括变压器的第一副边绕组、第一整流滤波电路和输出端口，第一副边绕组的输出端经第一整流滤波电路接输出端口 ；所述的主输出开关电路包括开关管、第一分压电路、第二分压电路和第一 NPN三极管；所述开关管的第一端接第一整流滤波电路的正极输出端，第二端接输出端口正极；第一分压电路包括串联的第一电阻和第二电阻，第一分压电路的一端接开关管的第一端，另一端接第一 NPN三极管的集电极，第一电阻和第二电阻之间的连接点接开关管的控制极；第二分压电路包括串联的第三电阻和第四电阻，第二分压电路的一端接微控制器的主输出开关控制信号输出端，另一端接地；第三电阻和第四电阻之间的连接点接第一 NPN三极管的基极，第一 NPN三极管的发射极接地；第一整流滤波电路的负极输出端接地。
4.根据权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，包括恒压控制电路和光耦，所述的辅助输出电路包括变压器的第二副边绕组和第二整流滤波电路，第二副边绕组的输出端接第二整流滤波电路；第二整流滤波电路的正极输出端作为辅助输出电路的正极输出端， 第二整流滤波电路的负极输出端接地；恒压控制电路包括第三分压电路、置偏电阻和第一分流调节器，第三分压电路包括串联的第五电阻和第六电阻，第三分压电路的一端接第一整流滤波电路的正极输出端，另一端接地；第五电阻与第六电阻之间的连接点接第一分流调节器的参考电压端，第一分流调节器的阳极接地，阴极通过置偏电阻接第二整流滤波电路的正极输出端；光耦发光二极管的阳极接第二整流滤波电路的正极输出端，阴极接第一分流调节器的阴极；光耦光敏三极管的集电极接PWM控制器控制信号输入端，发射极接地。
5.根据权利要求4所述的开关电源电路，其特征在于，所述的待机电压控制电路包括稳压管和第二 NPN三极管，稳压管的阴极接光耦发光二极管的阴极；第二 NPN三极管的基极接微控制器的待机电压控制信号输出端，发射极接地，集电极接稳压管的阳极。
6.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述工作状态采样电路包括电流采样电路，所述的电流采样电路包括采样电阻和放大电路，放大电路的输入端接输出端口的负极，输出端口的负极通过采样电阻接地，放大电路的输出端接微控制器电流采样电路输入端。
7.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，包括线性稳压电路，所述的线性稳压电路包括第三NPN三极管、第四分压电路、基极电阻和第二分流调节器，第四分压电路的一端接第三NPN三极管的发射极，另一端接地；第四分压电路包括串联的第七电阻和第八电阻，第七电阻与第八电阻之间的连接点接第二分流调节器的参考电压端；第二分流调节器的阴极接第三NPN三极管的基极，阳极接地；第三NPN三极管的集电极接第二整流滤波电路的正极输出端，发射极接微控制器的电源输入端；第三NPN三极管的基极通过基极电阻接第三NPN三极管的集电极。
8.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述工作状态采样电路包括负载接入测试电路，所述的负载接入测试电路包括第四分压电路，第四分压电路包括串联的第七电阻和第八电阻；第四分压电路的一端接微控制器的电源输入端，另一端接微控制器的负载接入信号测试端，第七电阻和第八电阻之间的连接点作为负载接入的采样点。
9.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述的变压器Tl为反激变压器。
10.根据权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述的开关电源电路是电池充电电路。全文摘要
本发明公开了一种开关电源电路和控制方法。开关电源电路的副边电路包括主输出电路和辅助输出电路，控制电路包括微控制器、主输出开关电路、待机电压控制电路和工作状态采样电路。在待机工作状态下，微控制器关闭主输出电路，开关电源的PWM控制器在低频率和/或低占空比的节能模式下工作，辅助输出电路输出的待机电压低于正常工作状态下的辅助电源电压，使变换器可以工作于更省电的状态，实现更低的待机功耗。本发明只需要1个变换器，电路结构简单、实现成本低。
文档编号H02M3/00GK102594124SQ20121004749
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者吴清平 申请人:深圳麦格米特电气股份有限公司