一种抗磁干扰的开关电源及其控制电路和控制方法与流程

本发明的实施例涉及一种电子电路，更具体地说，尤其涉及一种开关电源。

背景技术：

开关电源由于其具有较快的瞬态响应、较低的损耗等优点已广泛的应用于各领域中。然而，当应用于电表等领域时，将面临有可能存在外部强磁场干扰的问题。一种现有的解决方法是，增加机械屏蔽外壳，以屏蔽外部强磁场对开关电源的干扰，此种方法的缺点是增加了成本和体积。另一种现有的解决方法是，设计开关电源中的磁性元件时，例如设计电感或变压器时，留有非常大的余量，此种方法将会导致开关电源中的磁性元件体积非常庞大，同时也增加了成本。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种开关电源及其控制电路和控制方法。

根据本发明实施例的一种用于开关电源的控制电路，所述开关电源包括磁性元件、耦接至磁性元件的主功率开关、接收输入电压的输入端口、以及提供输出电压的输出端口，所述控制电路包括：误差放大单元，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收参考信号，第二输入端接收代表输出电压的电压反馈信号，所述误差放大单元根据参考信号和电压反馈信号之间的差值，在输出端提供误差放大信号；磁场检测单元，具有输出端，所述磁场检测单元判断开关电源是否受到外部磁场的影响，并在其输出端提供磁场检测信号；频率控制单元，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端耦接至磁场检测单元的输出端以接收磁场检测信号，第二输入端接收频率设置电压，第三输入端接收频率调整电压，所述频率控制单元根据磁场检测信号、频率设置电压、以及频率调整电压在其输出端提供时钟信号，当磁场检测信号指示开关电源未受到外部磁场的影响时，频率控制单元根据频率设置电压控制时钟信号的频率等于一频率预设值，当磁场检测信号指示开关电源受到了外部磁场的影响时，频率控制单元根据频率设置电压和频率调整电压控制时钟信号的频率等于所述频率预设值的N倍，N为大于1的整数；以及开关控制单元，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至误差放大单元的输出端，第二输入端耦接至频率控制单元的输出端以接收时钟信号，所述开关控制单元在其输出端提供开关控制信号以控制主功率开关的导通及关断，其中开关控制单元响应于误差放大信号控制主功率开关的占空比，响应于时钟信号控制主功率开关的开关频率。

根据本发明实施例的一种开关电源，包括：变压器，具有初级绕组和次级绕组，其中初级绕组接收输入电压；主功率开关，耦接至初级绕组；整流电路，耦接至次级绕组并提供输出电压；反馈电路，提供代表输出电压的电压反馈信号；以及控制电路，接收电压反馈信号，并根据电压反馈信号提供开关控制信号以控制主功率开关的导通及关断，所述控制电路响应于电压反馈信号以控制主功率开关的占空比，所述控制电路根据开关电源是否受到外部磁场的影响控制主功率开关的开关频率，其中当开关电源未受到外部磁场的影响时，控制主功率开关的开关频率等于频率预设值，以及当开关电源受到外部磁场的影响时，控制主功率开关的开关频率等于所述频率预设值的N倍，N为大于1的整数。

根据本发明实施例的一种用于开关电源的控制方法，所述开关电源包括磁性元件、耦接至磁性元件的主功率开关、接收输入电压的输入端口、以及提供输出电压的输出端口，所述控制方法包括：根据输出电压提供电压反馈信号；根据参考信号与电压反馈信号之间的差值提供误差放大信号；根据误差放大信号，控制主功率开关的占空比；以及判断开关电源是否受到外部磁场的影响；其中当开关电源未受到外部磁场的影响时，开关电源处于正常工作模式，控制开关频率等于第一频率预设值；以及当开关电源受到外部磁场的影响，开关电源进入抗磁模式，控制开关频率等于第二频率预设值，其中第二频率预设值大于第一频率预设值。

根据本发明实施例的开关电源，在实现开关频率可控的同时，可以消除或减弱外部磁场对开关电源的干扰，具有较简单的结构和较低的成本。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：

图1示出了根据本发明一实施例的开关电源100的电路框图；

图2示出了根据本发明一实施例的开关电源200的电路框图；

图3示出了根据本发明一实施例的图2所示开关电源200根据误差放大信号COMP调整开关频率Fs的示意图；

图4示出了根据本发明一实施例的磁场检测单元32的电路结构图；

图5示出了根据本发明一实施例的图2所示开关电源200根据电流检测信号CS的斜率Rcs调整开关频率Fs的示意图；

图6示出了根据本发明另一实施例的磁场检测单元32的电路结构图；

图7示出了根据本发明一实施例的频率控制单元33的电路结构图；

图8示出了根据本发明一实施例的用于开关电源的控制方法流程图。

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“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦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“直接耦接到”或“直接连接到”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。

针对背景技术中提出的问题，本发明的实施例提出了一种可根据外部磁场调整开关频率的开关电源。当开关电源未受到外部磁场的影响时，所述开关电源正常工作，开关频率等于频率预设值；当开关电源受到外部磁场的影响时，所述开关电源进入抗磁模式，开关频率等于频率预设值的N倍，N为大于1的正整数。

图1示出了根据本发明一实施例的开关电源100的电路框图。开关电源100包括接收输入电压Vin的输入端口、提供输出电压Vo的输出端口、包括磁性元件11和主功率开关12的功率电路10、反馈电路20、以及控制电路30，其中主功率开关12耦接至磁性元件11。反馈电路20采样输出电压Vo，并提供代表输出电压Vo的电压反馈信号VFB。控制电路30接收电压反馈信号VFB，并提供开关控制信号Vg以控制主功率开关12的导通及关断。控制电路30根据电压反馈信号VFB控制主功率开关12的占空比。本领域技术人员可知，主功率开关12的占空比代表了主功率开关12的导通时长和开关周期之比。控制电路30判断开关电源是否受到外部磁场的影响。当开关电源100未受到外部磁场的影响时，开关电源100处于正常工作模式，控制电路30控制主功率开关12的开关频率Fs等于频率预设值Fset1；否则当开关电源100受到外部磁场的影响时，开关电源100进入抗磁模式，控制电路30控制主功率开关12的开关频率Fs等于频率预设值Fset2，频率预设值Fset2例如等于N倍的频率预设值Fset1，其中N是大于1的正整数。主功率开关12的开关频率Fs也就是开关电源100的开关频率。频率预设值Fset1、Fset2为常数，例如Fset1等于200kHz，Fset2等于400kHz。

在一个实施例中，控制电路30包括误差放大单元31、磁场检测单元32、频率控制单元33、以及开关控制单元34。误差放大单元31具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收参考信号Vref，第二输入端接收电压反馈信号VFB，误差放大单元31根据参考信号Vref和电压反馈信号VFB的差值(Vref-VFB)在其输出端提供误差放大信号COMP。磁场检测单元32判断开关电源100是否受到外部磁场的影响，并在其输出端提供磁场检测信号Mag。频率控制单元33具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端耦接至磁场检测单元32的输出端以接收磁场检测信号Mag，第二输入端接收频率设置电压Vset，第三输入端接收频率调整电压Vsub，输出端根据磁场检测信号Mag、频率设置电压Vset、和频率调整电压Vsub输出时钟信号Clk。当磁场检测信号Mag指示开关电源100未受到外部磁场的影响时，频率控制单元33响应于频率设置电压Vset控制时钟信号Clk的频率等于频率预设值Fset1；当磁场检测信号Mag指示开关电源100受到外部磁场的影响时，频率控制单元33响应于频率设置电压Vset和频率调整电压Vsub控制时钟信号Clk的频率等于频率预设值Fset2。开关控制单元34具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至误差放大单元31的输出端以接收误差放大信号COMP，第二输入端耦接至频率控制单元33的输出端以接收时钟信号Clk，开关控制单元34基于误差放大信号COMP和时钟信号Clk在其输出端提供开关控制信号Vg以控制主功率开关12的导通及关断。其中，开关控制单元34基于误差放大信号COMP控制主功率开关12的占空比，基于时钟信号Clk控制主功率开关12的开关频率Fs。

在一个实施例中，磁性元件11包括电感或变压器。

在一个实施例中，主功率开关12为可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

开关电源100通过调整主功率开关12的开关频率Fs，在保证开关频率Fs可控的同时，减弱或消除了外部磁场对开关电源100的影响，保证了开关电源100在强磁场环境下也能正常工作。

图2示出了根据本发明一实施例的的开关电源200的电路框图。图2所示的实施例以反激式拓扑为例，然而本领域技术人员可知，其它合适的电路拓扑也可以用于本发明，例如LLC谐振电路、升压电路。开关电源200包括由变压器T1组成的磁性元件、主功率开关S1、整流电路21、由光耦元件22和电阻R1组成的反馈电路、以及控制电路30。变压器T1具有接收输入电压Vin的初级绕组和通过整流电路21提供输出电压Vo的次级绕组，主功率开关S1耦接至初级绕组。整流电路21的一端耦接至变压器T1的次级绕组，整流电路21的另一端提供输出电压Vo。在图2所示的实施例中，整流电路21包括整流二极管D1。开关电源200还包括耦接在输入电压Vin和原边参考地GND1之间的输入电容C1，以及耦接在输出电压Vo和副边参考地GND2之间的输出电容C2。在一个实施例中，开关电源200还包括电流检测电路(未示出)，用于检测流过主功率开关S1的电流Is，并提供代表电流Is的电流检测信号CS。在图2所示的实施例中，磁场检测单元32接收误差放大信号COMP或电流检测信号CS，并根据误差放大信号COMP或电流检测信号CS判断开关电源200是否受到外部磁场的影响，并提供磁场检测信号Mag。

在图2所示的实施例中，误差放大单元31包括误差放大器EA及其补偿网络23。误差放大器EA的同相输入端接收参考信号Vref，反相输入端接收电压反馈信号VFB，输出端根据参考信号Vref和电压反馈信号VFB的差值提供误差放大信号COMP。补偿网络23例如可以包括超前补偿网络、滞后补偿网络、或超前-滞后补偿网络。在图2所示的实施例中，补偿网络23包括串联耦接在误差放大器EA的反相输入端和输出端之间的电阻Rx、电容Cx。本领域技术人员可知，补偿网络23不限于图2所示的具体实施例。

在一个实施例中，控制电路30还包括电流控制单元35，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收误差放大信号COMP，第二输入端接收电流检测信号CS，输出端根据误差放大信号COMP和电流检测信号CS的比较结果产生电流控制信号VI。开关控制单元34根据电流控制信号VI调节主功率开关S1的占空比。在图2所示的实施例中，电流控制单元35包括比较器CMP。

在图2所示的实施例中，开关控制单元34包括RS触发电路，其置位端S耦接至频率控制单元33的输出端以接收时钟信号Clk，其复位端R耦接至电流控制单元35的输出端以接收电流控制信号VI，其输出端根据时钟信号Clk和电流控制信号VI提供开关控制信号Vg。在一个实施例中，时钟信号Clk周期性的置位开关控制信号Vg以控制主功率开关S1的导通时刻，电流控制信号VI根据电流采样信号CS和误差放大信号COMP的比较结果复位开关控制信号Vg，以控制主功率开关S1的关断时刻。在另一个实施例中，RS触发电路34的复位端耦接至误差放大单元31的输出端以接收误差放大信号COMP，并根据误差放大信号COMP复位开关控制信号Vg，以控制主功率开关S1的关断时刻。

图3示出了根据本发明一实施例的图2所示开关电源200根据误差放大信号COMP调整开关频率Fs的示意图。图3所示的示意图横坐标为误差放大信号COMP，纵坐标为开关频率Fs。在开关电源200未受到外部磁场的影响时，主功率开关S1的开关频率Fs等于频率预设值Fset1。如图3所示，当误差放大信号COMP大于阈值Vth1时，判断开关电源200受到外部磁场的影响，磁场检测信号Mag＝1，开关电源200进入抗磁模式，控制主功率开关S1的开关频率Fs等于频率预设值Fset2；当误差放大信号COMP小于阈值Vth2时，判断外部磁场对开关电源200的影响解除或开关电源200未受到外部磁场的影响，磁场检测信号Mag＝0，开关电源200退出抗磁模式，控制主功率开关S1的开关频率Fs等于频率预设值Fset1。阈值Vth1大于阈值Vth2。

图4示出了根据本发明一实施例的磁场检测单元32的电路结构图。在图4所示的实施例中，磁场检测单元32包括滞环比较电路41，包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收误差放大信号COMP，第二输入端接收阈值Vth1，第三输入端接收阈值Vth2，输出端根据误差放大信号COMP和阈值Vth1、Vth2的比较结果提供磁场检测信号Mag。

图5示出了根据本发明一实施例的图2所示开关电源200根据电流检测信号CS的斜率Rcs调整开关频率Fs的示意图。图5所示的示意图横坐标为电流检测信号CS的斜率Rcs，纵坐标为开关频率Fs。在开关电源200未受到外部磁场的影响时，主功率开关S1的开关频率Fs等于频率预设值Fset1。如图5所示，当电流检测信号CS的斜率Rcs大于阈值K1*Vin时，判断开关电源200受到外部磁场的影响，磁场检测信号Mag＝1，开关电源200进入抗磁模式，控制主功率开关S1的开关频率Fs等于频率预设值Fset2；当电流检测信号CS的斜率Rcs小于阈值K2*Vin时，判断外部磁场对开关电源200的影响解除或开关电源200未受到外部磁场的影响，磁场检测信号Mag＝0，开关电源200退出抗磁模式，控制主功率开关S1的开关频率Fs等于频率预设值Fset1。其中系数K1、K2大于零，且K1大于K2。

图6示出了根据本发明另一实施例的磁场检测单元32的电路结构图。图6所示的实施例中，磁场检测单元32包括斜率检测电路61、电压前馈电路62、以及比较电路63。斜率检测电路61接收电流检测信号CS，并根据电流检测信号CS提供电流检测信号CS的斜率Rcs。在一个实施例中，斜率检测电路61包括电容64和电阻65。电容64的第一端接收电流检测信号CS，电容64的第二端提供电流检测信号CS的斜率Rcs。电阻65耦接在电容64的第二端和原边参考地之间。电压前馈电路62接收输入电压Vin，并根据输入电压Vin提供阈值K1*Vin、K2*Vin。在一个实施例中，电压前馈电路62包括电阻66、电阻67、电阻68。电阻66～68串联耦接在输入电压Vin和原边参考地之间，组成电阻分压网络，其中电阻66和电阻67的公共端提供阈值K1*Vin，电阻67和电阻68的公共端提供阈值K2*Vin。比较电路63包括第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收电流检测信号CS的斜率Rcs，第二输入端接收阈值K1*Vin，第三输入端接收阈值K2*Vin，输出端根据电流检测信号CS的斜率Rcs和阈值K1*Vin、K2*Vin的比较结果提供磁场检测信号Mag。在主功率开关S1导通时，若电流检测信号的斜率Rcs大于阈值K1*Vin，判断开关电源200受到外部磁场的影响，磁场检测信号Mag变为第一状态，例如Mag＝“1”；在主功率开关S1导通时，若电流检测信号的斜率Rcs小于阈值K2*Vin，判断开关电源200不再受到外部磁场的影响，磁场检测信号Mag变为第二状态，例如Mag＝“0”；以及在主功率开关S1关断时，磁场检测信号Mag维持不变。在一个实施例中，比较电路63包括比较器631、比较器632、门电路633、门电路634、以及RS触发器635。比较器631的同相输入端接收电流检测信号CS的斜率Rcs，比较器631的反相输入端接收阈值K1*Vin。比较器632的同相输入端接收电流检测信号CS的斜率Rcs，比较器632的反相输入端接收阈值K2*Vin。门电路633具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至比较器631的输出端，第二输入端接收开关控制信号Vg。门电路634具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至比较器632的输出端，第二输入端接收开关控制信号Vg。RS触发器635具有置位端S、复位端R和输出端Q，其中置位端S耦接至门电路633的输出端，复位端R耦接至门电路634的输出端，输出端Q提供磁场检测信号Mag。当开关控制信号Vg控制主功率开关S1导通，且电流检测信号的斜率Rcs大于阈值K1*Vin时，RS触发器635置位输出高电平的磁场检测信号Mag；当开关控制信号Vg控制主功率开关S1导通，且电流检测信号的斜率Rc小于阈值K2*Vin时，RS触发器635复位输出低电平的磁场检测信号Mag；当开关控制信号Vg控制主功率开关S1关断时，磁场检测信号Mag维持不变。

图7示出了根据本发明一实施例的频率控制单元33的电路结构图。图7所示的实施例中，频率控制单元33包括参考电压产生电路71、比较电路75、及由电容72、电流源73、开关74、以及单脉冲电路76组成的锯齿波生成电路。参考电压产生电路71接收频率设置电压Vset、频率调整电压Vsub、磁场检测信号Mag，并根据频率设置电压Vset、频率调整电压Vsub和磁场检测信号Mag提供参考电压Vfr。当判断开关电源200未受到外部磁场的影响时，磁场检测信号Mag为第二状态，例如Mag＝0，参考电压Vfr等于频率设置电压Vset；当判断开关电源200受到外部磁场的影响时，磁场检测信号Mag为第一状态，例如Mag＝1，参考电压Vfr等于频率设置电压Vset与频率调整电压Vsub之差Vset-Vsub。在一个实施例中，参考电压产生电路71包括运算电路77和开关78。运算电路77包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收频率设置电压Vset、第二输入端耦接至开关78的第一端，输出端提供参考电压Vfr。开关78的第二端接收频率调整电压Vsub，开关78的控制端接收磁场检测信号Mag，开关78在磁场检测信号Mag的控制下导通及关断。当磁场检测信号Mag指示开关电源200未受到外部磁场的影响时，开关78关断，运算电路77的第二输入端为零，参考电压Vfr等于频率设置电压Vset。当磁场检测信号指示开关电源200受到外部磁场的影响时，开关78导通，参考电压Vfr等于频率设置电压Vset和频率调整电压Vsub之差Vset-Vsub。本领域技术人员可知，参考电压产生电路71不限于图7所示的具体实施例。电容72具有提供锯齿波电压Vsaw的第一端和耦接至原边参考地的第二端，电流源73并联耦接在电容72的两端，在开关74关断时对电容72充电，使得锯齿波电压Vsaw增大至参考电压Vfr。开关74并联耦接在电容72的两端，单脉冲电路76根据时钟信号Clk提供单脉冲信号Pul以控制开关74。当锯齿波电压Vsaw大于参考电压Vfr时，时钟信号Clk翻转，例如变为高电平，单脉冲电路76提供维持一定时间高电平的单脉冲信号Pul以控制开关74导通，电容72通过开关74放电。单脉冲信号Pul例如维持2us高电平。比较电路75具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收参考电压Vfr，第二输入端接收锯齿波电压Vsaw，输出端根据参考电压Vfr和锯齿波电压Vsaw相比较的结果提供时钟信号Clk。

图8示出了根据本发明一实施例的用于开关电源的控制方法流程图。该开关电源包括磁性元件、耦接至磁性元件的主功率开关、接收输入电压的输入端口、以及提供输出电压的输出端口。该控制方法包括步骤S11～S16。

在步骤S11，根据输出电压提供电压反馈信号。

在步骤S12，根据参考信号与电压反馈信号之间的差值提供误差放大信号。

在步骤S13，根据误差放大信号，控制主功率开关的占空比。

在步骤S14，判断开关电源是否受到外部磁场的影响。若开关电源未受到外部磁场的影响，则进入步骤S15，开关电源处于正常工作模式，控制开关频率等于第一频率预设值。若开关电源受到外部磁场的影响，则进入步骤S16，开关电源进入抗磁模式，控制开关频率等于第二频率预设值，其中第二频率预设值大于第一频率预设值。在一个实施例中，第二频率预设值等于第一频率预设值的N倍，N为大于1的整数。

在一个实施例中，当误差放大信号大于第一阈值时，判断开关电源受到外部磁场的影响；当误差放大信号小于第二阈值时，判断开关电源未受到外部磁场的影响。

在一个实施例中，该控制方法还包括：检测流过主功率开关的电流，提供电流检测信号。当电流检测信号的斜率大于第三阈值时，判断开关电源受到外部磁场的影响；当电流检测信号的斜率小于第四阈值时，判断开关电源未受到外部磁场的影响。其中第三阈值大于第四阈值，且第三阈值和第四阈值随着输入电压的变化而同方向变化，例如随着输入电压的增大而增大，随着输入电压的减小而减小。

在一个实施例中，该控制方法还包括：当开关电源未受到外部磁场的影响时，根据频率设置电压提供参考电压；当开关电源受到外部磁场的影响时，根据频率设置电压和频率调整电压之差提供参考电压；通过控制对电容充放电，在电容的两端提供周期性变化的锯齿波电压；根据参考电压和锯齿波电压相比较的结果，提供时钟信号以控制主功率开关的开关频率。其中当锯齿波电压大于参考电压时，时钟信号翻转，电容放电，主功率开关导通。

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。