原边控制电路、控制方法以及隔离式开关电源与流程

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种隔离式开关电源技术，特别涉及一种原边控制电路、控制方法以及隔离式开关电源。

背景技术：

隔离式开关电源因其安全性和较高的抗噪声能力而广泛运用于开关电源中。隔离式开关电源包括变压器绕组、原边电路和副边电路。传统的隔离式开关电源通过原边电路获取采样信号并控制主开关管的开关状态从而实现副边电路恒流输出的控制。具体的，如图1所示，隔离式开关电源具体为反激式开关电源，在原边电路中采样流过原边电感的电流cs中值以及获取副边电路的电流的导通占空比，通过控制电流cs中值和导通占空比，从而实现反激式开关电源的恒流输出控制。而针对隔离式开关电源的应用中，常常需要对输出功率进行控制，比如恒功率输出的应用等，通过以上方式无法有效实现隔离式开关电源高精度的输出功率控制。

有鉴于此，需要提供一种新的结构或控制方法，用于解决上述技术问题。

技术实现要素：

为了解决上述至少部分问题，本发明提出了一种原边控制电路、控制方法以及隔离式开关电源。

本发明公开了一种原边控制电路，原边控制电路用于隔离式开关电源的原边控制，隔离式开关电源包括原边电路和副边电路，原边控制电路包括：

充放电电路，其输入端耦接第一检测信号端以获取表征输出电压的第一检测信号，充放电电路根据第一检测信号控制充放电电路中单位时间内的充电量；以及充放电电路根据原边电感中值电流和副边电路的消磁时间控制充放电电路中单位时间内的放电量，以控制充电过程和放电过程保持动态平衡；以及

驱动信号产生电路，其输入端耦接充放电电路，其输出端耦接原边电路中的主开关管。

作为本发明的一实施方式，充放电电路根据原边电感中值电流控制放电电流，充放电电路根据副边电路的消磁时间控制放电时间。

作为本发明的一实施方式，充放电电路包括：

充电电路，耦接第一检测信号端，用以根据第一检测信号输出充电电流；

第一电容，其第一端耦接充电电路的输出端，其第二端耦接地；以及

放电电路，其第一输入端耦接第一电容的第一端，其第二输入端接收副边电路的消磁时间，其第三输入端接收表征原边电感中值电流的采样信号，用以根据副边电路的消磁时间和采样信号对第一电容进行放电。

作为本发明的一实施方式，充电电路包括第一电流源，第一电流源用以根据第一检测信号输出充电电流；放电电路包括：

第一开关，其第一端耦接第一电容的第一端，其开关控制端接收副边电路的消磁时间；

第二开关管，其漏极耦接第一开关的第二端；

运算放大器，其同相输入端耦接采样信号，其反相输入端耦接第二开关管的源极，其输出端耦接第二开关管的控制端；以及

第三电阻，其第一端耦接第二开关管的源极，其第二端耦接地。

作为本发明的一实施方式，第一电容的第一端耦接驱动信号产生电路的输入端。

作为本发明的一实施方式，隔离式开关电源为反激式开关电源，反激式开关电源包括辅助绕组，充放电电路耦接辅助绕组，以获取第一检测信号。

作为本发明的一实施方式，充放电电路和第一检测信号端之间还耦接有第一调节电路，第一调节电路根据第一调节参数和第一检测信号输出第一调节信号至充放电电路，以控制充放电电路中单位时间内的充电量。

作为本发明的一实施方式，充放电电路中的充电电路包括第一电流源，第一调节电路控制第一电流源的输出电流i1与k/vdem成正相关，其中，i1为第一电流源的输出电流，k为第一调节参数，vdem为第一检测信号。

作为本发明的一实施方式，第一电流源的输出电流在设定阶段满足以下三种情况中的任意之一：第一电流源的输出电流为固定值；第一电流源的输出电流随着第一检测信号的增大而呈阶梯型减小；第一电流源的输出电流与第一检测信号成反比例关系。

本发明还公开了一种隔离式开关电源，隔离式开关电源包括原边电路、副边电路和变压器绕组，原边电路包括如上任一的原边控制电路，原边控制电路用以控制主开关管的开关状态。

本发明还公开了一种原边控制电路的控制方法，控制方法用于隔离式开关电源的原边控制，隔离式开关电源包括原边电路和副边电路，原边电路包括原边控制电路，原边控制电路包括充放电电路和驱动信号产生电路，控制方法包括：

获取表征输出电压的第一检测信号；

根据第一检测信号控制充放电电路在单位时间内对第一电容的充电量；根据原边电感中值电流和副边电路的消磁时间控制充放电电路在单位时间内对第一电容的放电量，以控制充电过程和放电过程保持动态平衡；以及

根据第一电容两端的电压生成驱动信号，以控制原边电路中的主开关管的开关状态。

作为本发明的一实施方式，隔离式开关电源为反激式开关电源，控制方法具体包括：根据原边电感中值电流控制放电电流，根据副边电路的消磁时间控制放电时间。

作为本发明的一实施方式，控制方法还包括：

根据第一调节参数和第一检测信号输出第一调节信号，第一调节信号用以控制充放电电路中单位时间内的充电量。

作为本发明的一实施方式，充放电电路包括充电电路，充电电路包括第一电流源，控制方法还包括：

控制第一电流源的输出电流i1与k/vdem成正相关，其中，i1为第一电流源的输出电流，k为第一调节参数，vdem为第一检测信号。

作为本发明的一实施方式，第一电流源的输出电流在设定阶段满足以下三种情况中的任意之一：第一电流源的输出电流为固定值；第一电流源的输出电流随着第一检测信号的增大而呈阶梯型减小；第一电流源的输出电流与第一检测信号成反比例关系。

本发明提出了一种原边控制电路、控制方法以及隔离式开关电源。原边控制电路包括充放电电路和驱动信号产生电路。充放电电路的输入端接收第一检测信号，充放电电路根据第一检测信号控制充放电电路中单位时间内的充电量。充放电电路还根据原边电感中值电流和副边电路的消磁时间控制充放电电路中单位时间内的放电量，以控制充电过程和放电过程保持动态平衡。驱动信号产生电路的输入端耦接充放电电路，驱动信号产生电路的输出端耦接原边电路中的主开关管。本发明提出的原边控制电路、控制方法以及隔离式开关电源，可根据隔离式开关电源的输出电压设定不同的输出电流恒流值，从而有效实现隔离式开关电源的高精度恒功率输出或可调恒流输出。

附图说明

图1示出了一种现有技术的反激式开关电源的电路示意图。

图2示出了根据本发明一实施例的隔离式开关电源的电路示意图。

图3示出了根据本发明一实施例的原边控制电路的电路示意图。

图4示出了根据本发明一实施例的电压和电流曲线示意图。

图5示出了根据本发明另一实施例的电压和电流曲线示意图。

图6示出了根据本发明又一实施例的电压和电流曲线示意图。

图7示出了根据本发明一实施例的原边控制电路的控制方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接如通过电传导媒介进行的连接，其可具有寄生电感或寄生电容；间接连接还可包括在实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

隔离式开关电源包括原边电路和副边电路，在具体的应用中常常需要对输出电流或输出功率进行控制，以实现隔离式开关电源的恒流输出或恒功率输出。可根据每个开关周期内原边电感电流的平均值或副边电感电流的平均值控制原边电路中的主开关管的开关状态，以实现对输出电流或输出功率的控制。原边电感电流为流过原边电路中的电感的电流，副边电感电流为流过副边电路中的电感的电流。隔离式开关电源的输出电流iout满足：

其中，is(t)为流过副边电感的实时电流或流过输出二极管的实时电流，ip(t)为流过原边电感的实时电流，n为隔离式开关电源中的变压器的原边绕组和副边绕组的匝比，ts为主开关管的开关周期。而副边电感的平均电流在连续模式和断续模式可通过以下公式表达：

其中，imid_p为主开关管在导通时间段的中间时间点获取的原边电感电流，tdis为副边电感的消磁时间。由以上公式可获得，隔离式开关电源的平均输出电流为

其中，rcs为原边电感的采样电阻，vmid_p为主开关管在导通时间段的中间时间点获取采样电阻rcs上的中值电压，ddis等于tdis/ts，ddis为副边电路的导通占空比。

本发明一实施例公开了一种原边控制电路，原边控制电路用于隔离式开关电源的原边控制，隔离式开关电源包括原边电路和副边电路，原边控制电路包括充放电电路和驱动信号产生电路。充放电电路的输入端耦接第一检测信号端以获取表征输出电压的第一检测信号，充放电电路根据第一检测信号控制充放电电路中单位时间内的充电量。充放电电路根据原边电感中值电流和副边电路的消磁时间控制充放电电路中单位时间内的放电量，以控制充电过程和放电过程保持动态平衡。输出电压为隔离式开关电源的输出电压。驱动信号产生电路的输入端耦接充放电电路，驱动信号产生电路的输出端耦接原边电路中的主开关管。在本发明的一实施例中，原边电感中值电流为主开关管在导通时间段的中间时间点所获取的原边电感电流。单位时间可以是主开关管的单个开关周期，也可以是主开关管的多个开关周期所组成的时长。在一实施例中，原边控制电路控制充电过程和放电过程保持动态平衡，当隔离式开关电源处于恒流输出或恒功率输出时，充电过程和放电过程保持平衡。当第一检测信号发生变化从而引起充放电电路中单位时间内的充电量发生变化，将引起主开关管的开关状态发生变化。对应的，此时原边电感中值电流和副边电路的消磁时间相应发生变化，同时调整充放电电路中单位时间内的放电量，经过动态调整后，充电过程和放电过程将保持平衡。本发明可根据隔离式开关电源的输出电压设定不同的输出电流恒流值，同时隔离式开关电源采用闭环控制，从而有效实现隔离式开关电源的高精度恒功率输出或可调恒流输出。

在本发明中，隔离式开关电源可以是典型的反激式开关电源，也可以是适用本发明技术方案的其他近似拓扑。

在本发明的一实施例中，如图2所示，隔离式开关电源为反激式开关电源，反激式开关电源的输出电压通过辅助绕组na获得，原边控制电路100设有引脚dem，引脚dem耦接辅助绕组na，引脚dem用以获取表征输出电压的第一检测信号。在另一实施例中，引脚dem和辅助绕组na之间还耦接分压电阻组，分压电阻组包括第一电阻r1和第二电阻r2，第一电阻r1的第一端耦接辅助绕组na，第一电阻r1的第二端耦接引脚dem，第二电阻r2的第一端耦接第一电阻r1的第二端，第二电阻r2的第二端耦接地。在本发明的一实施例中，第一检测信号为第一检测电压vdem。

在本发明的一实施例中，如图3所示，原边控制电路100包括充放电电路和驱动信号产生电路120，充放电电路包括充电电路、放电电路和第一电容c1。充电电路耦接表征反激式开关电源的输出电压的第一检测电压vdem，充电电路用以根据第一检测电压vdem输出充电电流。第一电容c1的第一端耦接充电电路的输出端，第一电容c1的第二端耦接地。放电电路的第一输入端耦接第一电容c1的第一端，放电电路的第二输入端接收副边电路的消磁时间，放电电路的第三输入端接收表征原边电感中值电流的采样信号，放电电路根据副边电路的消磁时间和采样信号对第一电容c1进行放电。在一实施例中，原边控制电路100包括主开关管q1，原边控制电路100设有漏端drain。在另一实施例中，原边控制电路100不包括主开关管q1，原边控制电路100设有驱动端gate，原边控制电路100的驱动端gate耦接主开关管的栅极。

在本发明的一实施例中，如图3所示，充电电路包括第一电流源i1，第一电流源i1的输出端耦接第一电容c1的第一端。在具体的实施例中，第一电流源i1为电压控制电流源。在另一实施例中，第一电流源i1也可以为电流控制电流源，第一电流源i1和引脚dem之间还设有电压电流转换电路。此外，充放电电路根据原边电感中值电流控制放电电流，充放电电路根据副边电路的消磁时间控制放电时间，如图3所示，放电电路包括第一开关k1、第二开关管q2、运算放大器111和第三电阻r3。第一开关k1的第一端耦接第一电容c1的第一端，第一开关k1的开关控制端接收副边电路的消磁时间，当副边电路处于消磁时间时，控制第一开关k1导通。当反激式开关电源处于连续模式(简称ccm模式)下，主开关管的开关周期ts包括导通时间ton和消磁时间toff。当反激式开关电源处于断续模式(简称dcm模式)下，主开关管的开关周期ts包括导通时间ton、消磁时间tdem和死区时间tdie。在本发明的一实施例中，可根据连续模式或断续模式进行自由切换，以选择所对应的消磁时间toff或tdem。第二开关管q2的漏极耦接第一开关k1的第二端。运算放大器111的同相输入端耦接采样电压vmid_p，采样电压vmid_p为表征原边电感中值电流的采样信号，可通过采样流过原边电感的电流或采样流过采样电阻rcs的电流而获得。运算放大器111的反相输入端耦接第二开关管q2的源极，运算放大器111的输出端耦接第二开关管q2的控制端。第三电阻r3的第一端耦接第二开关管q2的源极，第三电阻r3的第二端耦接地。第一电容c1的第一端耦接驱动信号产生电路120的输入端，驱动信号产生电路120根据第一电容c1两端的电压vc1控制主开关管q1的电流峰值和开关频率。

在本发明的一实施例中，充放电电路和第一检测信号端dem之间还耦接有第一调节电路，第一调节电路根据第一调节参数和第一检测信号输出第一调节信号至充放电电路，充放电电路根据第一调节信号控制充放电电路中单位时间内的充电量。在另一实施例中，充放电电路包括第一电流源，第一调节电路控制第一电流源的输出电流i1与k/vdem成正相关，其中，i1为第一电流源的输出电流，k为第一调节参数，vdem为第一检测信号。在一实施例中，如图4a和图4b所示，第一电流源的输出电流为固定值，与第一检测信号无关。此时，第一调节参数k与第一检测信号vdem成正比例，k为正值。对应的，反激式开关电源可保持恒流输出。在另一实施例中，如图5a和图5b所示，通过调节k值，第一电流源的输出电流i1随着第一检测信号vdem的增大而呈阶梯型减小。对应的，反激式开关电源可实现可调的恒流输出或恒功率输出。在又一实施例中，如图6a和图6b所示，第一电流源的输出电流i1在第一阶段为固定值，与第一检测信号无关，反激式开关电源进行恒流输出。第一电流源的输出电流i1在第二阶段与第一检测信号vdem成反比例关系，第一调节参数k为固定的正值。对应的，反激式开关电源可保持恒功率输出。基于本发明的原边控制电路，通过充放电电路获取表征输出电压的第一检测信号，并根据第一检测信号控制充放电过程，驱动信号产生电路根据第一电容的两端电压生成驱动信号以控制主开关管的开关状态，可有效实现反激式开关电源的高精度恒功率输出或可调恒流输出。

本发明一实施例还公开了一种隔离式开关电源，隔离式开关电源包括原边电路、副边电路和变压器绕组，原边电路通过变压器绕组将能量传输至副边电路。其中，原边电路包括如上任一的原边控制电路，原边控制电路用以控制主开关管的开关状态，以实现隔离式开关电源的高精度恒功率输出或可调恒流输出。在本发明的一实施例中，主开关管为开关型晶体管，可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(简称mosfet管)，也可以是结型场效应晶体管(简称jfet管)。在另一实施例中，隔离式开关电源为反激式开关电源，隔离式开关电源也可以是适用本发明技术方案的其他近似拓扑。

在本发明的一实施例还公开了一种原边控制电路的控制方法，控制方法用于隔离式开关电源的原边控制，隔离式开关电源包括原边电路和副边电路，原边电路包括原边控制电路，原边控制电路包括充放电电路和驱动信号产生电路。如图7所示，原边控制电路的控制方法包括：

步骤s1oo、获取表征输出电压的第一检测信号；

步骤s2oo、根据第一检测信号控制充放电电路在单位时间内对第一电容的充电量；根据原边电感中值电流和副边电路的消磁时间控制充放电电路在单位时间内对第一电容的放电量，以控制充电过程和放电过程保持动态平衡；以及

步骤s3oo、根据第一电容两端的电压生成驱动信号，以控制原边电路中的主开关管的开关状态。

在具体的实施例中，充放电电路获取表征输出电压的第一检测信号，充放电电路根据第一检测信号控制充放电电路在单位时间内对第一电容的充放电，充放电电路根据原边电感中值电流和副边电路的消磁时间控制充放电电路在单位时间内对第一电容的放电量，以控制充电过程和放电过程保持动态平衡。驱动信号产生电路根据第一电容两端的电压生成驱动信号，一控制原边电路中的主开关管的开关状态。

在本发明的一实施例中，控制方法具体包括：根据原边电感中值电流控制放电电流，根据副边电路的消磁时间控制放电时间。在另一实施例中，隔离式开关电源为反激式开关电源，隔离式开关电源也可以是适用本发明技术方案的其他近似拓扑。

在本发明的一实施例中，控制方法还包括：根据第一调节参数和第一检测信号输出第一调节信号，第一调节信号用以控制充放电电路中单位时间内的充电量。

在本发明的一实施例中，充放电电路包括充电电路，充电电路包括第一电流源，控制方法还包括：控制第一电流源的输出电流i1与k/vdem成正相关，其中，i1为第一电流源的输出电流，k为第一调节参数，vdem为第一检测信号。

在本发明的一实施例中，第一电流源的输出电流在设定阶段满足以下三种情况中的任意之一：第一电流源的输出电流为固定值；第一电流源的输出电流随着第一检测信号的增大而呈阶梯型减小；第一电流源的输出电流与第一检测信号成反比例关系。其中，设定阶段的设置根据具体的应用场景进行设置，在恒流输出应用场景下，第一电流源的输出电流可以为固定值。为实现可调的恒流输出或恒功率输出，可控制第一电流源的输出电流随着第一检测信号的增大而呈阶梯型减小。当隔离式开关电源需要设置为第一阶段为恒流输出，第二阶段为恒功率输出，第一电流源的输出电流i1在第一阶段为固定值，与第一检测信号无关，隔离式开关电源进行恒流输出。第一电流源的输出电流i1在第二阶段与第一检测信号vdem成反比例关系，第一调节参数k为固定的正值，以进行恒功率输出。

本发明提出的原边控制电路、控制方法以及隔离式开关电源，可根据隔离式开关电源的输出电压设定不同的输出电流恒流值，从而有效实现隔离式开关电源的高精度恒功率输出或可调恒流输出。

上述这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。在说明书中，未明确说明的“输出电流”和“输出电压”为隔离式开关电源的输出电流和输出电压。实施例中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定而可能在实验例中不能体现，不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。