副边反馈控制方法及其控制电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及开关电源控制器，特别涉及磁隔离的副边反馈控制方法及控制电路。
【背景技术】
[0002] 为了避免负载对供电输入端的干扰和破坏，隔离型开关电源变换器已成为各种供 电系统中不可或缺的部分。既要实现输出电压和输入电压之间的隔离又要把输出电压稳定 在设定值，必然需要采用隔离器件把输出电压的大小反馈到输入一侧进行调节控制。图1是 常用的副边反馈控制技术，隔离反馈的任务由器件TL431、光耦及辅助器件组成的隔离放大 器来承担。基本原理是:TL431与采样电阻R1、R2等元件组成的跨导放大器把输出电压与基 准电压的误差电压信号放大为电流信号，当输出电压偏高时流过TL431的电流变大，也就是 流过光耦的电流变大，控制器FB端口的电压变小，从而控制器输出占空比变小使得变压器 传递更小的能量到副边输出端，输出电压开始降低;反之，若输出电压偏低，通过把误差信 号反馈到原边控制占空比的增加来增加变压器的传输能量，从而提高输出电压。如此反复 不断地调节控制把输出电压稳定在设定值。这种反馈技术因其检测和比较环节在变换器的 副边，即负载一侧，所以称其为副边反馈。这种直接检测输出电压的方式具有精度高的特 点，但是由于这些检测、放大器、隔离反馈器件的存在增加了电源系统板的空间，显然在成 本和体积上没有优势。特别是光耦不能在高温下工作，且易于老化，使得这种电源的高温寿 命短，无法满足一些高温应用。
[0003] 近十几年来原边反馈(PSR)技术得到了快速发展，因其没有上述副边反馈器件而 具有廉价的特点，被大量地应用在LED照明和手机充电器等领域。它的原理图如图2所示，关 键节点的工作波形如图3所示，G ate信号是主边功率MOSFET管的驱动波形（"主边"即变压器 的"原边"，两词同义），ip是变压器主边绕组Np的电流波形，is是变压器副边绕组Ns的电流波 形，Va是变压器辅助绕组Na的电压波形。工作原理是:在消磁阶段辅助绕组NA的电压与变压 器副边绕组NS成比例，而NS的电压与输出电压成确定的关系，从而通过采样VA的电压便可 检测到输出电压的大小，根据检测到的电压进行占空比调制，若输出电压偏高则减小占空 比，若输出电压偏低则增加占空比，使输出电压稳定在设定值。因此种反馈方式检测和比较 环节在变换器的原边，即输入电压一侧，所以称其为原边反馈。它实际是通过主功率变压器 来实现输出电压到原边的反馈，没有上述副边反馈那样的检测反馈元件，成本和体积优势 突出。然而，它并不能完成代替传统的副边反馈技术，因其具有自身固有的缺点一一输出电 压精度低。如图3所示，在消磁刚开始时绕组NA的电压为
其 中nA是绕组NA的匝数，nS是绕组NS的匝数，VOUT是输出电压，VBE是二级管的结压降，Vr是副 边消磁峰值电流iSP在寄生电阻(包括二级管内阻、走线电阻、电容ESR电阻)上产生的压降。 可见，由于Vr是变化的且受器件的参数变化大，在消磁结束之前VA并不能精确地反馈输出 电压的大小。当然，也可以采用常用的拐点采样方式，即在消磁快结束时采样NA的电压VA0， 此时副边消磁电流小到可以忽略不计，Vr也就不考虑在内了。所以，vM = νατ+? 至此，反馈精度的提高还是会受到三方面的限制:①、VBE的影响，它随温度变化大;②、ηΑ与 nS之比，在生产中能控制的精度也是有限的；③、采样精度，不是所有的采样电路都采样到 消磁刚结束时的电压，而是在其附近。所以原边反馈控制技术在输出电压精度要求高的应 用中受到限制。还有，在最新发展起来的手机电池快充中的应用也受到限制，因为快充需要 根据充电情况在副边选择输出电压，而原边反馈的输出电压是由原边的参数决定的，不能 在副边通过控制进行改变。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有开关电源在反馈控制上所遇到的技术问题，提出一 种全新的副边反馈的方法，它适用于具有由变压器的原边绕组形成的原边电路和变压器的 副边绕组形成的副边电路的隔离变换器，
[0005] 采用电压通信方式，包括如下步骤，
[0006]副边调制、发送步骤，对副边电路的输出电压进行数字采样，再把此数字信号在消 磁阶段调制到输出电压上产生已调电压，并把此已调电压作用于变压器副边绕组进行发 送；
[0007]原边接收、解调步骤，通过与副边绕组电压成比例的原边辅助绕组可检测到已调 电压，在原边把所传输的数字信号解码还原。
[0008] 所述数字信号是指对输出电压量化后形成的进制代码，它放映输出电压的大小；
[0009] 所述已调电压是指变压器消磁阶段作用在副边绕组上的电压，该电压的变化规律 承载着所述数字信号的信息。
[0010] 所述调制是指把数字信号与已调电压的变化规律一一对应，如同数字通信原理中 载波的变化规律包含着传输的数字信息一样。
[0011] 进一步地，本发明根据所述的副边反馈方法提出一种副边反馈开关电源变换器， 这种开关电源根据输出电压的大小，选择性地在输出电压上叠加一个大小易于在原边辅助 绕组检测的控制电压，并把叠加后的电压在消磁阶段作用于开关电源副边绕组。同时，在消 磁阶段检测与副边绕组成比例的原边辅助绕组电压，便可感知并判断出是否叠加了此控制 电压，因为是否叠加此控制电压是根据输出电压的大小而定的，从而可以在开关电源原边 判断出输出电压的大小，再根据判断结果调制占空比输出便可把输出电压稳定在设定值。
[0012] 为实现上述功能，本发明提出的开关电源包括:三绕组变压器，它由主边绕组NP、 副边绕组NS、辅助绕组NA这三个绕组组成，它们分别包含第一端口和第二端口；副边消磁电 路，它包含第一端口和第二端口两个端口；输出电容，它包含第一端口和第二端口两个端 口；反馈开关，它包含漏极端口、源极端口和栅极端口三个端口；输出电压编码控制模块，它 包含第一端口、第二端口、第三端口三个端口；检测判断模块，它包含第一端口、第二端口、 第三端口、第四端口、第五端口五个端口；辅助绕组电压检测上电阻，它包含第一端口和第 二端口；辅助绕组电压检测下电阻，它包含第一端口和第二端口；反馈开关状态检测模块， 它包含第一端口和第二端口两个端口；输出电压解码反馈模块，它包含第一端口和第二端 口两个端口；占空比调制电路，它包含第一端口、第二端口、第三端口三个端口。
[0013] 本发明开关电源的连接关系为:所述主边绕组NP的第一端口与输入电源正极相 连，第二端口与所述占空比调制电路的第三端口相连;所述副边绕组NS的第一端口、输出电 容的第一端口、检测判断模块的第五端口一起相连，连接点形成开关电源输出电压的正极 端口；所述副边绕组NS的第二端口、副边消磁电路的第一端口、反馈开关的漏极端口、检测 判断模块的第一端口一起相连;所述副边消磁电路的第二端口、反馈开关的源极端口、检测 判断模块的第四端口、输出电容的第二端口一起相连，连接点形成开关电源输出电压的负 极端口；所述输出电压编码控制模块的第二端口与检测判断模块的第二端口相连;所述输 出电压编码控制模块的第三端口与检测判断模块的第三端口相连;所述辅助绕组电压检测 上电阻的第一端口与所述辅助绕组NA的第一端口相连;所述辅助绕组电压检测上电阻的第 二端口、辅助绕组电压检测下电阻的第一端口、反馈开关状态检测模块的第一端口一起相 连;所述反馈开关状态检测模块的第二端口与所述输出电压解码反馈模块的第一端口一起 相连;所述输出电压解码反馈模块的第二端口与占空比调制电路的第一端口一起相连；占 空比调制电路的第二端口、辅助绕组电压检测下电阻的第二端口、辅助绕组NA的第二端口 一起相连，连接点形成输入电源的负极端。
[0014] 本发明开关电源的工作原理如下：
[0015] 所述检测判断模块每个周期完成两个任务。第一个任务是检测输出电压与内部基 准电压进行比较得出判断结果，并把结果通过它的第二端口传递给所述输出电压编码控制 模块;第二个任务是通过检测其第一端口与第四端口之间的负压大小来判断消磁阶段，并 把此信息通过它的第三端口传递给所述输出电压编码控制模块。
[0016] 所述输出电压编码控制模块在每个周期完成两个任务。第一个任务是，根据接收 到的关于输出电压大小的判断结果按照约定的通信协议进行编码;第二个任务是，根据所 述编码在消磁阶段的约定时间控制反馈开关的导通状态。
[0017] 所述约定的通信协议是指，对采样到的开关电源输出电压按照预定的规则进行编 号，在原边的解码过程中又默认此编码规则，目的是可以判断出输出电压是否偏高或偏低。 具体的编码和解码过程可通过实施例的详细讲解来理解。
[0018] 所述消磁阶段的约定时间是指，副边反馈开关约定在消磁阶段的某时刻或时段动 作，原边的检测模块在此预定的时间段感应到此动作才认为有效。
[0019] 所述导通状态是指给反馈开关适当的驱动电压使其工作在高阻区或低阻区，高阻 和低阻是相对的而不是设定绝对的界限，它们的区别仅在于反馈开关所产生的控制电压能 否在原边检测并正确判断出其阻态的变化。
[0020] 所述副边消磁电路在变压器副边绕组消磁阶段处于导通状态，为变压器的储能给 输出电容充电提供路径;在非消磁阶段处于高阻状态，防止输出电容的电荷倒灌。
[0021] 所述反馈开关状态检测模块实现的功能是，在所述消磁阶段的约定时间通过辅助 绕组电压检测上、下电阻的分压来采样辅助绕组的电压，并且把当前检测的电压与之前采 样到的电压进行比较，