原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路及装置的制作方法

本发明属于开关电源技术领域，特别是涉及一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路及装置。

背景技术：

原边反馈方式的ac—dc控制技术是最近20年间发展起来的新型ac—dc控制技术，与传统的副边反馈开关电源机构结构相比，其最大的优势在于省去了隔离芯片以及与隔离芯片配合工作的一组元器件，这样就节省了电路板上的空间，降低了成本并且提高了系统的可靠性。原边反馈直流电源在手机充电器等成本压力较大的应用领域，以及led驱动电源等对体积要求很高的应用领域有较大的市场份额。

然而，传统的原边反馈交流转直流开关电源会随着负载的下降，谐振幅度越来越小，直至侦测不到谐振波谷了，这样会使得准谐振谷底开启的效果受到很大影响，负载越轻，效果越差；并且随着负载变轻，开关周期增大，环路只能让原边在第2，3，4，…，n个谐振波谷开启，谐振幅度越来越小，直到谐振波谷因太小而侦测不到，系统退出qr模式。

因此，现有的原边反馈交流转直流开关电源技术存在随着负载变轻，环路只能让原边在第2，3，4，…，n个谐振波谷开启，谐振幅度越来越小，直到谐振波谷因太小而侦测不到的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路及装置，旨在解决现有的原边反馈交流转直流开关电源技术存在随着负载变轻，环路只能让原边在第2，3，4，…，n个谐振波谷开启，谐振幅度越来越小，直到谐振波谷因太小而侦测不到的问题。

本发明第一方面提供了一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路，所述准谐振控制电路包括：

接电源模块，用于对所述电源模块输出的电源信号进行整流处理的整流模块；

与所述整流模块连接，用于对整流处理后的所述电源信号进行采样后，输出采样信号的采样模块；

与所述整流模块及所述采样模块连接，用于根据所述采样信号，输出相应的控制信号的控制模块；

与所述控制模块连接，用于根据所述控制信号进行导通或关断的开关模块；以及

与所述整流模块及所述开关模块连接，用于当所述开关模块进行导通时，对整流处理后的所述电源信号进行电压变换后，输出优化电源信号的变压模块；

其中，所述控制模块包括：

恒压恒流环路控制单元、谐振波谷侦测单元、第一触发单元、第二触发单元、脉冲频率调制单元、驱动单元、限流单元、计数单元以及转换单元；

所述恒压恒流环路控制单元的输入端与所述谐振波谷侦测单元的输入端接所述采样模块，所述恒压恒流环路控制单元的输出端与所述谐振波谷侦测单元的输出端分别接所述第一触发单元的第一输入端和第二输入端，所述第一触发单元的输出端接所述第二触发单元的第一输入端，所述限流单元的输出端接所述第二触发单元的第二输入端，所述第二触发单元的输出端接所述脉冲频率调制单元的输入端，所述脉冲频率调制单元的输出端接所述驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端接所述开关模块，所述计数单元接所述转换单元的输入端，所述转换单元的输出端接所述限流单元的输入端；

所述恒压恒流环路控制单元和所述谐振波谷侦测单元用于接收所述采样信号，并分别对环路进行控制和谐振波谷进行侦测后，输出第一触发信号和第二触发信号以触发所述第一触发单元，并结合所述限流单元的输出信号以触发所述第二触发单元，进而传输至所述脉冲频率调制单元进行脉冲频率调整，最终经过所述驱动单元后输出对应的所述控制信号，以控制所述开关模块的导通或关断；所述计数单元根据所述第一触发信号和所述第二触发信号的先后触发顺序进行计数，并传输至所述转换单元进行数模转换后，以调节所述限流单元的输出信号，使得所述环路维持在第一个波谷或者第二个波谷开启。

本发明第二方面提供了一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制装置，其特征在于，包括电源模块，还包括如上述所述的准谐振控制电路。

综上所述，本发明提供了一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路及装置，包括整流模块、采样模块、控制模块、开关模块以及变压模块，并在控制模块中设置了恒压恒流环路控制单元、谐振波谷侦测单元、第一触发单元、第二触发单元、脉冲频率调制单元、驱动单元、限流单元、计数单元以及转换单元；通过恒压恒流环路控制单元和谐振波谷侦测单元接收采样信号，并分别对环路进行控制和谐振波谷进行侦测后，输出第一触发信号和第二触发信号以触发第一触发单元，并结合限流单元的输出信号以触发第二触发单元，进而传输至脉冲频率调制单元进行脉冲频率调整，最终经过驱动单元后输出对应的控制信号，以控制开关模块的导通或关断；计数单元根据第一触发信号和第二触发信号的先后触发顺序进行计数，并传输至转换单元进行数模转换后，以调节限流单元的输出信号，使得环路维持在第一个波谷或者第二个波谷开启。由此实现了对全输入电压范围的原边反馈交流转直流开关电源工作于中等负载至满载时，都能在最靠前的两个谐振波谷开启，以实现最高的效率和最低的抗电磁干扰性能，使得系统具有更好的性能，因此解决了现有的原边反馈交流转直流开关电源技术存在随着负载变轻，环路只能让原边在第2，3，4，…，n个谐振波谷开启，谐振幅度越来越小，直到谐振波谷因太小而侦测不到的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路的模块结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路的示例电路图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路及装置，包括整流模块、采样模块、控制模块、开关模块以及变压模块，并在控制模块中设置了恒压恒流环路控制单元、谐振波谷侦测单元、第一触发单元、第二触发单元、脉冲频率调制单元、驱动单元、限流单元、计数单元以及转换单元；通过恒压恒流环路控制单元和谐振波谷侦测单元接收采样信号，并分别对环路进行控制和谐振波谷进行侦测后，输出第一触发信号和第二触发信号以触发第一触发单元，并结合限流单元的输出信号以触发第二触发单元，进而传输至脉冲频率调制单元进行脉冲频率调整，最终经过驱动单元后输出对应的控制信号，以控制开关模块的导通或关断；计数单元根据第一触发信号和第二触发信号的先后触发顺序进行计数，并传输至转换单元进行数模转换后，以调节限流单元的输出信号，使得环路维持在第一个波谷或者第二个波谷开启。由此控制模块可在输入电压或者负载变化时，都维持在第一个或者第二个波谷开启；通过计数单元位数的增减，或者每一步步长的变化，可在所需要的负载段或者输入电压段灵活地使控制模块永远保持在第一个或者第二个谐振波谷开启。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1示出了本发明实施例提供的一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

上述一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路，包括整流模块102、采样模块103、控制模块104、开关模块105以及变压模块106。

整流模块102接电源模块101，用于对电源模块101输出的电源信号进行整流处理。

采样模块103与整流模块102连接，用于对整流处理后的电源信号进行采样后，输出采样信号。

控制模块104与整流模块102及采样模块103连接，用于根据采样信号，输出相应的控制信号。

开关模块105与控制模块104连接，用于根据所述控制信号进行导通或关断。

变压模块106与整流模块102及开关模块105连接，用于当开关模块105进行导通时，对整流处理后的电源信号进行电压变换后，输出优化电源信号。

其中，上述控制模块104包括恒压恒流环路控制单元1041、谐振波谷侦测单元1042、第一触发单元1043、第二触发单元1044、脉冲频率调制单元1045、驱动单元1046、限流单元1047、计数单元1048以及转换单元1049。

恒压恒流环路控制单元1041的输入端与谐振波谷侦测单元1042的输入端接采样模块103，恒压恒流环路控制单元1041的输出端与谐振波谷侦测单元1042的输出端分别接第一触发单元1043的第一输入端和第二输入端，第一触发单元1043的输出端接第二触发单元1044的第一输入端，限流单元1047的输出端接第二触发单元1044的第二输入端，第二触发单元1044的输出端接脉冲频率调制单元1045的输入端，脉冲频率调制单元1045的输出端接驱动单元1046的输入端，驱动单元1046的输出端接开关模块105，计数单元1048接转换单元1049的输入端，转换单元1049的输出端接限流单元1047的输入端。

恒压恒流环路控制单元1041和谐振波谷侦测单元1042用于接收采样信号，并分别对环路进行控制和谐振波谷进行侦测后，输出第一触发信号和第二触发信号以触发第一触发单元1043，并结合限流单元1047的输出信号以触发第二触发单元1044，进而传输至脉冲频率调制单元1045进行脉冲频率调整，最终经过驱动单元1046后输出对应的控制信号，以控制开关模块105的导通或关断；计数单元1048根据第一触发信号和第二触发信号的先后触发顺序进行计数，并传输至转换单元1049进行数模转换后，以调节限流单元1047的输出信号，使得环路维持在第一个波谷或者第二个波谷开启。

作为本发明一实施例，由于在控制模块104中设置计数单元1048和转换单元1049，使得控制模块104可在输入电压或者负载变化时，都维持在第一个或者第二个波谷开启；通过计数单元1048位数的增减，或者每一步步长的变化，可在所需要的负载段或者输入电压段灵活地使控制模块永远保持在第一个或者第二个谐振波谷开启。

图2示出了本发明实施例提供的一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路的示例电路，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

作为本发明一实施例，上述计数单元1048包括5位双向计数器，5位双向计数器的输入端接恒压恒流环路控制单元1041和谐振波谷侦测单元1042，5位双向计数器的输出端接转换单元1049。

具体地，上述5位双向计数器用于在预设周期内，当第一触发信号先到时，进行计数加1处理；当第二触发信号先到时，进行计数减1处理。

作为本发明一实施例，上述转换单元1049包括5位模数转换器，5位模数转换器的输入端接计数单元1048，5位模数转换器的输出端接限流单元1047。

作为本发明一实施例，上述整流模块102采用整流桥实现，包括全整流桥或者半整流桥。

作为本发明一实施例，上述采样模块103包括第一采样电阻r1和第二采样电阻r2；

第一采样电阻r1的第一端接整流模块102，第一采样电阻r1的第二端与第二采样电阻r2的第一端共接并与控制模块104连接，第二采样电阻r2的第二端接地。

作为本发明一实施例，上述控制模块104采用控制芯片u4实现。

作为本发明一实施例，上述开关模块105包括开关管(图2采用场效应管m1表示)，开关管的输入端接变压模块106，开关管的受控端接驱动单元1046，开关管的输出端接限流单元1047。

具体地，开关管包括场效应管或者三极管；

场效应管的漏极、栅极以及源极分别为开关管的输入端、受控端以及输出端；

三极管的集电极、基极以及发射极分别为开关管的输入端、受控端以及输出端。

作为本发明一实施例，上述变压模块106采用变压器t1实现，变压器t1包括原边绕组np、辅助绕组na以及次级绕组ns，原边绕组np的第一端接整流模块102，原边绕组np的第二端接开关模块105，辅助绕组na的第一端接采样模块103，辅助绕组na的第二端接地，次级绕组ns接输出负载。

作为本发明一实施例，上述第一触发单元1043和第二触发单元1044均采用rs触发器实现。

作为本发明一实施例，上述驱动单元1046采用驱动芯片实现。

作为本发明一实施例，上述限流单元1047包括逐周期限流器，逐周期限流器的第一输入端接开关模块105，逐周期限流器的第二输入端接转换单元1049，逐周期限流器的输出端接第二触发单元1044。

作为本发明一实施例，上述恒压恒流控制单元1041、谐振波谷侦测单元1042以及脉冲频率调制单元1045均采用现有的电路元件实现。

作为本发明一实施例，上述控制模块104还包括内建电源1141，内建电源1141用于对控制模块104进行供电。整流模块102输出的电源信号经过第四电阻r4进行分压后，传输至控制模块104的内建电源1141。

本发明另一方面还提供了一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制装置，包括电源模块101，还包括如上述所述的准谐振控制电路。

具体地，上述电源模块101包括具备预设电压值的交流电源，预设电压值的范围为40v～220v，当然，电源模块101不限于交流电源，采用直流电源也可以。

以下结合图1和图2对上述一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路及装置的工作原理进行说明如下：

在采用控制芯片u4构成的原边反馈ac-dc电源中，第一采样电阻r1和第二采样电阻r2构成取样电路，控制芯片u4的fb引脚为辅助绕组na电压反馈引入脚，并从第一采样电阻r1和第二采样电阻r2构成取样电路中取得信号。在控制芯片u4内部，fb引脚连接到恒压恒流环路控制单元1041用于根据输出电压或者输出电流的大小来调节控制芯片u4的工作频率，同时作为谐振波谷侦测引脚，用于侦测次边消磁结束后的谐振波谷，cs引脚为原边绕组np电流检测信号引入脚，从nmos管源极第三电阻r3上取得信号，在控制芯片u4内部，cs引脚连接到限流单元1047的输入端。恒压恒流环路控制单元1041的输出端(loop)和谐振波谷侦测单元1042的输出端(valley)分别连接到rs触发器1043的r端和s端，用于准谐振开启，当loop信号允许开启的时候，控制芯片u4要等待下一个波谷信号valley的到来才能开启，如果侦测不到波谷信号，则在固定的延时之后开启；rs触发器1043的输出端q(即on信号)连接另一个rs触发器1044的s端，作为本周期的开启信号；而限流单元1047的输出端ocp信号连接到另一个rs触发器1044的r端，作为本周期的关段信号。另一个rs触发器1044的输出端即q端连接到脉冲频率调制单元1045的输入端，脉冲频率调制单元1045连接到驱动单元1046，驱动单元1046的输出端与控制芯片u4的out引脚连接，out引脚输出接至nmos管的栅极，用于驱动外部的功率nmos管。vcc引脚为控制芯片u4的电源引脚，用于为整个控制芯片u4接入外部电源；cs为原边绕组np电流侦测引脚，用于侦测原边绕组np导通时的峰值电流，以实现各周期过程中的逐周期限流，进而使得每个周期传输的能量均相同；gnd为芯片的接地引脚。当系统正常工作时，由于变压器t1原边绕组np的极性相对辅助绕组na和次级绕组ns同名端相反，因此在原边绕组np导通时，fb引脚为负电压；当处于次级绕组ns导通阶段时，由于辅助绕组na与次级绕组ns同名端极性相同，因此fb电压为正电压，此时变压器副边绕组电压为vs＝vo+vz，辅助绕组电压va＝vs×(na/ns)＝vfb×r2/(r1+r2),因此vo＝vfb×r2×ns/[(r1+r2)*na]-vz，也就是输出电压是反馈电压vfb的函数，芯片通过恒压恒流环路控制单元1041来调节vfb到设定值，即可使得输出电压vo稳定在设定值，此时系统工作在恒压模式；当系统工作在恒流模式时，副边导通时间检测单元可通过侦测fb引脚为正电压的时间来确定次级绕组ns的导通时间tons，并以此为依据来确定系统的工作周期t＝k×tons，其中k为比例系数。由于系统工作于断续模式，每个周期均要使原边绕组np储存的能量全部在次级绕组ns释放，这样次级绕组ns的平均输出电流iout＝ips×tons/t＝ipp×(ns/np)×(1/k)，ips为次级绕组ns导通时的峰值电流，ipp为原边绕组np导通时的峰值电流，ns为次级绕组ns的圈数，np为原边绕组np的圈数。这样只要设定好ipp和k及变压器参数，那么次级绕组ns的输出电流就是一个恒定值。

并且，在控制芯片u4中加入了5位双向计数器1048和5位数模转换器1049；当工作中的某个周期，第一个谐振波谷信号valley比控制芯片u4的恒压恒流控制信号loop先到来时，那么控制芯片u4只能在loop到来后的下一个谐振波谷才能打开，不能在第一个谐振波谷打开；但是此时5位双向计数器1048会进行“-1”动作，那么5位数模转换器1049的输出就会下降一个台阶(这里取一个台阶为当前cs值的2％，以便于理解)，使得逐周期限流比较器1047的参考电压下降2％，那么下一个周期的cs阈值只有本周期的98％；下一周期原边峰值电流ipp也只有本周期的98％，下一个周期控制芯片u4向外输出传递的能量为p＝0.5*(0.98*ipp)2*lp＝0.9604*0.5*(ipp)2*lp，ipp为本周期原边峰值电流；也就是下一周期传输的能量仅为本周期的96.04％，由于输出负载没有变化，每个周期传输的能量小了，周期时间t就会缩短，因此系统恒压恒流环路为了维持不变的输出负载，下一周期会缩短为本周期的96.04％，也就是恒压恒流信号会比上个周期提前4％*t就会到来，而ipp缩小2％后，次边消磁时间也会缩小2％，也就是消磁后的谐振会提前2％*t时间开始；那么下个周期从valley到来后，直到loop信号到来的等待时间就会缩短2％*t；然后由于valley先到，loop后到，cs阈值继续缩小，下下个周期，loop会继续提前2％*t的时间到来，这样直到某个周期loop比valley先到，从而使得控制芯片u4在第一个谐振波谷开启。

那么，当loop比第一个valley先来时，控制芯片u4在第一个谐振波谷开启；此时5位双向计数器1048会进行“+1”动作，那么5位数模转换器1049的输出就会上升一个台阶(这里取一个台阶为当前cs值的2％，以便于理解)，使得逐周期限流比较器的参考电压上升2％，那么下一个周期的cs阈值变成本周期的102％，这样下个周期的loop信号就会被相对地推迟2％*t的时间才到来，如此反复直到loop比第一个valley信号来的迟，此时控制芯片u4在第二个波谷开启，同时5位双向计数器1048又会进行“-1”动作；最终loop信号会被反复在第一个和第二个波谷信号之前到来，从而使得控制芯片u4永远反复在第一个或者第二个波谷开启。

因此，对全输入电压范围的原边反馈交流转直流开关电源工作于中等负载到满载时，都能在最靠前的两个谐振波谷开启，使得系统具有更好的性能。

综上所述，本发明实施例提供了一种原边反馈交流转直流开关电源的准谐振控制电路及装置，包括整流模块、采样模块、控制模块、开关模块以及变压模块，并在控制模块中设置了恒压恒流环路控制单元、谐振波谷侦测单元、第一触发单元、第二触发单元、脉冲频率调制单元、驱动单元、限流单元、计数单元以及转换单元；通过恒压恒流环路控制单元和谐振波谷侦测单元接收采样信号，并分别对环路进行控制和谐振波谷进行侦测后，输出第一触发信号和第二触发信号以触发第一触发单元，并结合限流单元的输出信号以触发第二触发单元，进而传输至脉冲频率调制单元进行脉冲频率调整，最终经过驱动单元后输出对应的控制信号，以控制开关模块的导通或关断；计数单元根据第一触发信号和第二触发信号的先后触发顺序进行计数，并传输至转换单元进行数模转换后，以调节限流单元的输出信号，使得环路维持在第一个波谷或者第二个波谷开启。由此实现了对全输入电压范围的原边反馈交流转直流开关电源工作于中等负载至满载时，都能在最靠前的两个谐振波谷开启，以实现最高的效率和最低的抗电磁干扰性能，使得系统具有更好的性能，因此解决了现有的原边反馈交流转直流开关电源技术存在随着负载变轻，环路只能让原边在第2，3，4，…，n个谐振波谷开启，谐振幅度越来越小，直到谐振波谷因太小而侦测不到的问题。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的步骤或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤，而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。