专利名称：开关电源的双阈值控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种开关电源的双阈值控制系统及方法。
背景技术：
电场发出的电，在很多情况下不能够直接使用，必需要对其进行电能转换才可以使用。例如，使用变压器、变频器可以将一种形态的电能转换为另外一种形态的电能，实现这种电能转换的电路就是开关变换器电路，其中，具有闭环控制和保护环节的开关变换器电路就是开关电源。
图1所示为一种传统的脉冲频率调制(Pulse frequency modulation, PFM)反激式AC-DC开关电源变换器电路，包括:整流电路300、与整流电路300连接的变换电路400和与变换电路连接的用于控制变换电路400输出电压的控制电路100。
其中，变换电路400包括:变压器Tl，变压器Tl的原边电路401，变压器Tl的次级输出电路402和变压器Tl的辅助级反馈电路403。变压器Tl的原边电路401包括:变压器Tl的原边绕组Np、二极管D1、电容Cl、电阻R1、开关管Q1、电阻Rcs，原边绕组Np和二极管Dl、电容Cl相互串联，电容Cl和电阻Rl并联，开关管Ql的集电极与二极管Dl的正极连接，基极与控制电路100连接，发射极通过电阻Rcs接地，发射极同时也与控制电路100连接；变压器Tl的次级输出电路402包括:彼此串联的变压器Tl的次级绕组Ns、二极管D2和电容C2，以及与电容C2并联的电阻R2 ;变压器Tl的辅助级反馈电路403包括:彼此串联的变压器Tl的辅助级绕组Na、二极管D3和电容C3，以及彼此串联的电阻R3和电阻R4，串联后的电阻R3和电阻R4的两端中，电阻R3的一端与二极管D3的正极连接，电阻R4的一端接地。从串联的电阻R3和电阻R4中间取出一连接点f，作为信号FB，使其与控制电路100连接，即信号FB输入给控制电路100。
控制电路100包括:采样电路101、误差放大器102、退磁检测电路103、指数生成器104、比较器105、比较器106、触发器107和驱动器108。在实际应用中，一般会将控制电路100设计成一个控制芯片。辅助级反馈电路中输出的信号FB同时输入给采样电路101和退磁检测电路103，采样电路101的输出端与误差放大器101的一输入端连接，退磁检测电路的输出端与指数生成器104的输入端连接，指数生成器104的输出端与误差放大器101的另一输入端连接，误差放大器104的输出端与触发器107的R输入端连接，比较器106的输出端与触发器107的S输入端连接，触发器107的输出端与驱动器108的输入端连接，驱动器108的输出端连接到开关管Ql的基极上。比较器106的一输入端与开关管Ql的发射极连接，比较器106的另外一输入端连接固定电源阈值VCS，例如VCS=0.5V。
变压器Tl的辅助级反馈电路403输出的信号FB，其包含有二极管D2的电流过零时刻信息，当退磁检测电路103接收到信号FB后，退磁检测电路103可以检测到二极管D2的电流过零时刻，就是退磁结束的时刻，从二极管D2的电流过零时刻开始，指数生成器104会输出一个随时间以指数上升的斜坡信号Vramp，其中，V觀’ =a(1-e $t)*c ,其中的a，b，c均为大于O的常数，在变压器Tl退磁过程开始时，斜坡信号Vramp被恢复为初始值C。斜坡信号Vramp输入到比较器105中后，与误差放大器102输出的信号进行比较,若斜坡信号Vramp大于误差放大器102输出的信号，得到一翻转信号，送入到触发器107，再通过驱动器108将开关管Ql打开，开关管Ql可以是一个三极管，其也是MOS晶体管。开关管Ql打开后，流过变压器Tl原边绕组Np的电流也以一定斜率上升，于是，电阻Rcs上的电压CS随着上升，当电压CS达到固定的电压阈值VCS时，比较器106翻转，通过触发器107和驱动器108将开关管Ql关闭。Ql关闭后，变压器Tl又开始一个新的退磁过程，退磁结束时，斜坡信号Vramp又与误差放大器102输出的信号比较，得到的翻转信号又会将开关管Ql打开，以上过程循环往复，系统通过这些动作维持输出电压。
可见，上述开关电源变换器电路，其系统的输出负载大小，直接影响了退磁时间的长短，也决定了开关管Ql保持截止的时间长短。当系统的输出负载较大时，流过二极管D2的电流从峰值下降到零的时间较短，导致变压器Tl退磁时间较短，使得开关管Ql保持截止的时间也较短。反之，当系统的输出负载较小时，流过二极管D2的电流从峰值下降到零的时间较长，导致变压器Tl退磁时间较长，使得开关管Ql保持截止的时间也较长。
因此，上述的开关电源变换器电路，当系统的输出负载突然从轻负载变化为重负载时，由于轻负载时开关管Ql保持截止的时间较长，当系统突然变化时，退磁检测电路还未来得及检测到二极管D2的电流过零时刻，系统未来得及及时打开开关管Ql时，系统的输出电压已经产生了较大幅度的下降，致使系统输出电压不稳定，系统针对负载变化的动态响应速度差。又由于系统在轻负载和重负载时，变压器次级线圈接收到的能量是一样的，因此，当系统从轻负载突变到重负载时，输出电压波动较大，至少系统输出电压波纹也较大。此外，系统在轻负载时，由于开关管Ql保持截止的时间较长，开关周期较低，这样的开关频率会进入人耳感应范围，使得人耳能够听见变压器发出的噪音。发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是:提供一种开关电源的双阈值控制系统及方法，使得系统在由轻负载突变到重负载时，提高系统的动态响应速度，减小系统的输出电压波纹，让人耳听不到因负载突变而产生的变压器噪音。
于是，本发明提供了一种开关电源的双阈值控制系统，包括整流电路、与整流电路连接的变换电路和与变换电路连接的用于控制变换电路输出电压的控制电路，所述变换电路包括变压器Tl、变压器Tl的原边电路、次级输出电路和辅助级反馈电路，辅助级反馈电路输出包含变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻信息的反馈信号给控制电路，控制电路检测到所述过零时刻后，控制电路根据辅助级反馈电路反馈回的信号调整变压器Tl次级输出电路的输出电压，其中，在控制电路中设置一双阈值选择器，该双阈值选择器接收不同大小的两个固定阈值，并根据输入的脉冲频率调制PFM信号选择相应的阈值并输出给变压器Tl的原边电路，系统输出负载重时，脉冲频率调制PFM信号通知双阈值选择器选择所述较大的阈值，系统输出负载轻时，脉冲频率调制PFM信号通知双阈值选择器选择所述较小的阈值。
其中，所述变压器Tl的次级输出电路包括:彼此串联的变压器Tl的次级绕组Ns、二极管D2和电容C2，以及与电容C2并联的电阻R2。
所述变压器Tl的原边电路包括:变压器Tl的原边绕组Np、二极管D1、电容Cl、电阻R1、开关管Q1、电阻Rcs，原边绕组Np和二极管D1、电容Cl相互串联，电容Cl和电阻Rl并联，开关管Ql的集电极与二极管Dl的正极连接，基极与控制电路连接，发射极通过电阻Rcs接地，发射极同时也与控制电路连接。
所述变压器Tl的辅助级反馈电路包括:彼此串联的变压器Tl的辅助级绕组Na、二极管D3和电容C3，以及彼此串联的电阻R3和电阻R4，串联后的电阻R3和电阻R4的两端中，电阻R3的一端与二极管D3的正极连接，电阻R4的一端接地，从串联的电阻R3和电阻R4中间取出一连接点f，作为信号FB，输入给控制电路。
所述控制电路包括:采样电路、误差放大器、用于检测变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻的退磁检测电路、用于从退磁检测电路检测到变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻开始，输出随时间以指数上升的斜坡信号的指数生成器、比较器205、比较器206、触发器、驱动器和双阈值选择器，所述辅助级反馈电路中输出的反馈信号同时输入给采样电路和退磁检测电路，采样电路的输出端与误差放大器的一输入端连接，退磁检测电路的输出端与指数生成器的输入端连接，指数生成器的输出端与比较器205的另一输入端连接，比较器205的输出端与触发器一输入端连接，比较器206的输出端与触发器另一输入端连接，触发器的输出端与驱动器输入端连接，驱动器输出端与开关管Ql的基极连接，t匕较器206的一输入端与开关管Ql的发射极连接，另一输入端连接双阈值选择器的输出端。
所述控制电路包括:采样电路、误差放大器、用于检测变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻的退磁检测电路、用于从退磁检测电路检测到变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻开始，输出随时间以指数上升的斜坡信号的指数生成器、比较器205、比较器206、触发器、驱动器和双阈值选择器，所述辅助级反馈电路中输出的反馈信号同时输入给采样电路和退磁检测电路，采样电路的输出端与误差放大器的一输入端连接，退磁检测电路的输出端与指数生成器的输入端连接，指数生成器的输出端与比较器205的另一输入端连接，比较器205的输出端与触发器一输入端连接，比较器206的输出端与触发器另一输入端连接，触发器的输出端与驱动器输入端连接，驱动器输出端连接到变压器Tl的原边电路上，比较器206的一输入端与变压器Tl的原边电路连接,另一输入端连接双阈值选择器的输出端。
所述脉冲频率调制PFM信号，其频率与变化电路中的开关信号频率相关联，脉冲频率调制PFM彳目号的占空比和系统的退磁时间相关联，变化电路中的开关频率随着负载的加大而变高，系统的退磁时间随着负载的加大而变小。
本发明还提供了一种开关电源的双阈值控制方法，其特征在于，包括: 双阈值选择器接收大小不同的两个固定阈值，根据输入的脉冲频率调制PFM信号选择相应的阈值并输出； 当系统输出负载重时，脉冲频率调制PFM信号通知双阈值选择器选择所述较大的阈值，系统输出负载轻时，脉冲频率调制PFM信号通知双阈值选择器选择所述较小的阈值。
其中，所述阈值根据开关电源应用场合及实际负载状况确定。
本发明所述开关电源的双阈值控制系统及方法，通过在开关电源的控制电路中增设双阈值选择器，使得该选择器可以根据系统输出负载轻重选择不同的阈值输出，该选择器仅接收不同大小的两个固定阈值，系统输出负载重时，选择较大的阈值，系统输出负载较轻时，选择较小的阈值。这样，在系统由轻负载突变为重负载时，控制电路的选择器可以及时调整输出的阈值，进而及时调整了开关管Ql打开的时间，提高了系统的动态响应速度，减小系统的输出电压波纹，让人耳听不到因负载突变而产生的变压器噪音。
图1为现有技术中PFM反激式AC-DC开关电源变换器电路示意图； 图2为本发明实施例所述开关电源的双阈值控制系统电路示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明进行详细描述。
如图2所示，本实施例提供了 一种开关电源的双阈值控制系统，包括整流电路300、与整流电路连接的变换电路400和与变换电路400连接的用于控制变换电路400输出电压Vo的控制电路200。
其中，变换电路400包括:变压器Tl、变压器Tl的原边电路401、次级输出电路402和辅助级反馈电路403，辅助级反馈电路403输出包含有变压器Tl次级输出电路402中流经二极管D2电流过零时刻信息的反馈信号给控制电路200，流经二极管D2的电流，就是流经变压器Tl次级输出电路中的电流。控制电路200检测到所述过零时刻后，从开关管Ql关闭到二极管D2的电流过零时刻就是变压器Tl的退磁时间，次级输出电路的电流值越小，变压器Tl的退磁时间越长，相应地，控制电路通过一个斜坡信号，等待一个更长的时间以后再打开开关管Q1，就是说次级输出电路的电流值越小，开关管Ql的开关频率越低；同时，在控制电路200中设置一双阈值选择器209，该双阈值选择器接收不同大小的两个固定阈值VRl和VR2，假设VRl小于VR2，双阈值选择器209根据其输入的脉冲频率调制PFM信号选择相应的阈值并输出给变压器Tl的原边电路401，系统输出负载重时，脉冲频率调制PFM信号通知双阈值选择器209选择所述较大的阈值VR2，系统输出负载轻时，脉冲频率调制PFM信号通知双阈值选择器选择所述较小的阈值VR1。本实施例所示系统输出负载，是指变压器Tl次级输出电路的输出负载。
这里，需要特别说明的是，本实施例中双阈值选择器209仅可以接收并进行两个固定阈值的选择，其比背景技术中的仅一个固定的阈值选择多了一个选择条件，使得该选择器可以根据系统输出负载轻重选择不同的阈值输出，系统输出负载重时，双阈值选择器209选择较大的阈值VR2，系统输出负载较轻时，双阈值选择器选择较小的阈值VRl。
具体的，变压器Tl的次级输出电路402包括:彼此串联的变压器Tl的次级绕组Ns、二极管D2和电容C2，以及与电容C2并联的电阻R2。
变压器Tl的原边电路401包括:变压器Tl的原边绕组Np、二极管D1、电容Cl、电阻R1、开关管Q1、电阻Rcs，原边绕组Np和二极管D1、电容Cl相互串联，电容Cl和电阻Rl并联，开关管Ql的集电极与二极管Dl的正极连接，基极与控制电路连接，发射极通过电阻Rcs接地，发射极同时也与控制电路连接。
变压器Tl的辅助级反馈电路403包括:彼此串联的变压器Tl的辅助级绕组Na、二极管D3和电容C3，以及彼此串联的电阻R3和电阻R4，串联后的电阻R3和电阻R4的两端中，电阻R3的一端与二极管D3的正极连接，电阻R4的一端接地，从串联的电阻R3和电阻R4中间取出一连接点f，作为信号FB，输入给控制电路。
控制电路200包括:采样电路201、误差放大器202、用于检测二极管电流过零时刻的退磁检测电路203、用于从退磁检测电路检测到二极管电流过零时刻开始，输出随时间以指数上升的斜坡信号Vramp的指数生成器204、比较器205、比较器206、触发器207、驱动器208和双阈值选择器209，辅助级反馈电路403中输出的反馈信号FB同时输入给采样电路201和退磁检测电路203，采样电路201的输出端与误差放大器202的一输入端连接，退磁检测电路203的输出端与指数生成器204的输入端连接，指数生成器204的输出端与比较器205的另一输入端连接，比较器205的输出端与触发器207 — R输入端连接，比较器206的输出端与触发器207另一 S输入端连接，触发器207的输出端与驱动器208输入端连接，驱动器208输出端连接到变压器Tl的原边电路401上，具体的与变压器Tl的原边电路401中的开关管Ql的基极连接，比较器206的一输入端连接到变压器Tl的原边电路401上，具体的与变压器Tl的原边电路401中的开关管Ql的发射极连接，另一输入端连接双阈值选择器的输出端。
具体实现原理是:脉冲频率调制PFM信号，其频率与开关管Ql的开关信号频率相关联，脉冲频率调制PFM彳目号的占空比和系统的退磁时间相关联，开关管Ql的开关频率随着负载的加大而变高，系统的退磁时间随着负载的加大而变小。当系统的输出负载较重的时候，脉冲频率调制PFM信号使双阈值选择器的输出VCS选择电压值较大的阈值VR2信号；当系统的输出负载较轻的时候，脉冲频率调制PFM信号使双阈值选择器的输出VCS选择电压值较小的阈值VRl信号。
比较器206的一个输入端连接变压器Tl原边电路的电流感应信号CS,另一个输入端连接双阈值选择器209的输出端，该输出端输出VCS信号，开关管Ql打开时，电流感应信号CS信号以一定斜率上升，流过开关管Ql的电流越大电流感应信号CS电平越高，当电流感应信号CS达到VCS信号预设电平值的时候，比较器206的输出电平翻转。当电流感应信号CS信号达到VCS预设电平值时，比较器206的输出电平翻转使触发器组件207和驱动器208的输出发生翻转，从而减小流过开关管Ql的电流，甚至关闭开关管Q1。
比较器206接收电流感应信号，该电流感应信号随着流过开关管Ql的电流增大而增大，比较上述电流感应信号和双阈值选择器的输出电平，生成比较信号；该比较信号输入到触发器207中，又与比较器205输出的比较信号一并通过触发器207和驱动器208生成驱动信号，以影响流过开关管Ql的电流，若上述电流感应信号大于双阈值选择器209的输出电平，则减小流过开关管Ql的电流，甚至将开关管Ql关闭。可见，指数生成器204输出的斜坡信号Vramp和误差放大器202的输出信号作比较，其结果决定了开关管Ql的打开时亥IJ，电流感应信号CS电平和双阈值选择器输出的阈值作比较，其结果决定了开关管Ql的关闭时刻。
在本发明的实施实例中，根据公式
权利要求
1.一种开关电源的双阈值控制系统，包括整流电路、与整流电路连接的变换电路和与变换电路连接的用于控制变换电路输出电压的控制电路，所述变换电路包括变压器Tl、变压器Tl的原边电路、次级输出电路和辅助级反馈电路，辅助级反馈电路输出包含变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻信息的反馈信号给控制电路，控制电路检测到所述过零时刻后，控制电路根据辅助级反馈电路反馈回的信号调整变压器Tl次级输出电路的输出电压，其特征在于，在控制电路中设置一双阈值选择器，该双阈值选择器接收不同大小的两个固定阈值，并根据输入的脉冲频率调制PFM信号选择相应的阈值并输出给变压器Tl的原边电路，系统输出负载重时，脉冲频率调制PFM信号通知双阈值选择器选择所述较大的阈值，系统输出负载轻时，脉冲频率调制PFM信号通知双阈值选择器选择所述较小的阈值。
2.根据权利要求1所述的开关电源的双阈值控制系统，其特征在于，所述变压器Tl的次级输出电路包括:彼此串联的变压器Tl的次级绕组Ns、二极管D2和电容C2，以及与电容C2并联的电阻R2。
3.根据权利要求2所述的开关电源的双阈值控制系统，其特征在于，所述变压器Tl的原边电路包括:变压器Tl的原边绕组Np、二极管D1、电容Cl、电阻R1、开关管Q1、电阻Rcs，原边绕组Np和二极管D1、电容Cl相互串联，电容Cl和电阻Rl并联，开关管Ql的集电极与二极管Dl的正极连接，基极与控制电路连接，发射极通过电阻Rcs接地，发射极同时也与控制电路连接。
4.根据权利要求3所述的开关电源的双阈值控制系统，其特征在于，所述变压器Tl的辅助级反馈电路包括:彼此串联的变压器Tl的辅助级绕组Na、二极管D3和电容C3，以及彼此串联的电阻R3和电阻R4，串联后的电阻R3和电阻R4的两端中，电阻R3的一端与二极管D3的正极连接，电阻R4的一端接地，从串联的电阻R3和电阻R4中间取出一连接点f，作为信号FB,输入给控制电路。
5.根据权利要求4所述的开关电源的双阈值控制系统，其特征在于，所述控制电路包括:采样电路、误差放大器、用于检测变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻的退磁检测电路、用于从退磁检测电路检测到变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻开始，输出随时间以指数上升的斜坡信号的指 数生成器、比较器205、比较器206、触发器、驱动器和双阈值选择器，所述辅助级反馈电路中输出的反馈信号同时输入给采样电路和退磁检测电路，采样电路的输出端与误差放大器的一输入端连接，退磁检测电路的输出端与指数生成器的输入端连接，指数生成器的输出端与比较器205的另一输入端连接，比较器205的输出端与触发器一输入端连接，比较器206的输出端与触发器另一输入端连接,触发器的输出端与驱动器输入端连接，驱动器输出端与开关管Ql的基极连接，比较器206的一输入端与开关管Ql的发射极连接，另一输入端连接双阈值选择器的输出端。
6.根据权利要求1所述的开关电源的双阈值控制系统，其特征在于，所述控制电路包括:采样电路、误差放大器、用于检测变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻的退磁检测电路、用于从退磁检测电路检测到变压器Tl次级输出电路中电流过零时刻开始，输出随时间以指数上升的斜坡信号的指数生成器、比较器205、比较器206、触发器、驱动器和双阈值选择器，所述辅助级反馈电路中输出的反馈信号同时输入给采样电路和退磁检测电路，采样电路的输出端与误差放大器的一输入端连接，退磁检测电路的输出端与指数生成器的输入端连接，指数生成器的输出端与比较器205的另一输入端连接，比较器205的输出端与触发器一输入端连接，比较器206的输出端与触发器另一输入端连接,触发器的输出端与驱动器输入端连接，驱动器输出端连接到变压器Tl的原边电路上，比较器206的一输入端与变压器Tl的原边电路连接，另一输入端连接双阈值选择器的输出端。
7.根据权利要求1至6任意一项所述开关电源的双阈值控制系统，其特征在于，所述脉冲频率调制PFM信号，其频率与变化电路中的开关信号频率相关联，脉冲频率调制PFM信号的占空比和系统的退磁时间相关联，变化电路中的开关频率随着负载的加大而变闻，系统的退磁时间随着负载的加大而变小。
8.一种开关电源的双阈值控制方法，其特征在于，包括: 双阈值选择器接收大小不同的两个固定阈值，根据输入的脉冲频率调制PFM信号选择相应的阈值并输出； 当系统输出负载重时，脉冲频率调制PFM信号通知双阈值选择器选择所述较大的阈值，系统输出负载轻时，脉冲频率 调制PFM信号通知双阈值选择器选择所述较小的阈值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阈值根据开关电源应用场合及实际负载状况确定。
全文摘要
本发明提供了开关电源的双阈值控制系统及方法，所述系统包括整流电路、与整流电路连接的变换电路和与变换电路连接的用于控制变换电路输出电压的控制电路，其中，在控制电路中设置一双阈值选择器。本发明所述开关电源的双阈值控制系统及方法，通过增设双阈值选择器，使得该选择器可以根据系统输出负载轻重选择不同的阈值输出。在系统由轻负载突变为重负载时，双阈值选择器可以及时调整输出的阈值，进而及时调整了开关管Q1打开的时间，提高了系统的动态响应速度，减小系统的输出电压波纹，让人耳听不到因负载突变而产生的变压器噪音。
文档编号H02M3/335GK103151943SQ201310110280
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月30日 优先权日2013年3月30日
发明者张君志 申请人:深圳市富满电子有限公司