副边反馈控制电路及应用该电路的开关电源的制作方法

本实用新型涉及开关电源控制器，特别涉及磁隔离的高输出电压副边反馈控制电路及应用该电路的开关电源。

背景技术：

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开关电源的副边，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。

为了解决上述所遇到的技术问题，公开号为CN 105610306 A，发明名称为《副边反馈控制方法及其控制电路》的发明专利申请提出了一种新型的副边反馈电路，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开关电源。图2来自上述发明申请实施例四的图6，图3为图2电路反馈开关的工作状态及124处电压波形图，图2所示的副边反馈开关开关电源，它包括：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，其中绕组NP包含第一端口102和第二端口103，绕组NS包含第一端口104和第二端口105，绕组NA包含第一端口106和第二端口107。副边调制器由输出电压编码控制模块、检测判断模块构成。副边消磁电路，它包含第一端口110和第二端口111两个端口；输出电容，它包含第一端口131和第二端口132两个端口；反馈开关，它包含漏极端口133、源极端口135和栅极端口134三个端口。输出电压编码控制模块，它包含第一端口112、第二端口113、第三端口114三个端口；检测判断模块，它包含第一端口115、第二端口116、第三端口117、第四端口118、第五端口119五个端口；辅助绕组电压检测上电阻，它包含第一端口120和第二端口121；辅助绕组电压检测下电阻，它包含第一端口122和第二端口123；反馈开关状态检测模块，它包含第一端口124和第二端口125两个端口；输出电压解码反馈模块，它包含第一端口126和第二端口127两个端口；占空比调制电路，它包含第一端口128、第二端口129、第三端口130三个端口。

它们的连接关系为：端口102与输入电源的正极端101相连，端口103与端口130相连；端口104、端口131、端口119一起相连，连接点形成开关电源输出电压的正极端口108；端口105、端口110、反馈开关的漏极端口133、端口115一起相连；端口111、端口118、反馈开关的源极端口135、端口132一起相连，连接点形成开关电源输出电压的负极端口109；反馈开关的栅极端口134与端口112一起相连；端口113与端口116相连；端口114与端口117相连；端口120与端口106相连；端口121、端口122、端口124一起相连；端口125与端口126一起相连；端口127与端口128一起相连；端口129、端口123、端口107一起相连，连接点形成输入电源的负极端。该反激电源开关电源的励磁过程与传统反激开关电源是一样的，它的不同之处在于如何在消磁阶段从副边把输出电压的变化信息反馈到原边。其具体的工作原理详见相关说明书的0086-0090段。

开关电源开关电源上述方案的反馈控制简化过程为：副边采样输出电压→编码→控制反馈开关阻态变化→原边检测阻态变化→解码→产生电压调制占空比。该方案既不需要光耦器件也不需要其它额外的隔离传输器件，从而不仅避免这些器件本身所带来的一些固有缺陷，也不会有为辅助这些器件工作而添加的器件，能减小体积和成本，使体积、成本、性能到达最优化，适用范围更广。同时也不会有原边反馈技术的输出电压精度低和不能在副边通过控制进行改变输出电压的问题。

但上述方案需保证ΔVref﹤ΔV₁₂₄，也就是检测模块能够判断出这种电压突变。若电源系统输出电压V_OUT＝12V，V₁₂₄＝3V，V_BE＝3V，ΔV_ref＝0.1V，反馈开关导通压降V_sdon＝0.06V。

由公式：

可得出：

导致ΔV_ref＞ΔV₁₂₄。因此，在高输出电压时，反馈开关状态检测模块难以检测到反馈开关的导通状态是否发生改变，解码与占空比调制模块无法完成反馈开关导通状态的解码及占空比的调整，进而导致电源系统无法正常工作。此外，反馈开关在变压器励磁阶段和消磁结束后不能开通，否则会出现输出电容的电荷倒灌，可能导致电源系统故障，反馈开关工作时序图如图3所示，其中H表示输出电压编码控制模块112端口输出高电平，驱动反馈开关导通，反馈开关处于低阻区；L表示输出电压编码控制模块112端口输出低电平，驱动反馈开关关闭，由于反馈开关的源极端口135连接至开关电源输出电压的负极端口109，反馈开关关闭时处于高阻区。变压器励磁阶段为0～t1、t4～t5，若在变压器消磁阶段t1～t3、t5～t6时间段内需要开通反馈开关，检测判断模块还需通过端口115检测133处电压，在端口133处电压达到阈值时关闭反馈开关，即t2处关闭反馈开关，避免变压器消磁结束后t3～t4、t6～t7时间段内反馈开关没有及时关闭而出现输出电容的电荷现倒灌。反馈开关控制相对复杂。由于反馈开关与消磁电路并联，反馈开关需采用耐高压器件，增加电源系统成本。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提出一种适用于高输出电压的副边反馈控制电路，开关电源。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种副边反馈控制电路，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开关电源，包括：副边消磁电路、检测判断模块、输出电压编码控制模块、反馈开关、辅助绕组电压检测上电阻、辅助绕组电压检测下电阻、反馈开关状态检测模块、输出电压解码反馈模块及占空比调制电路；

副边消磁电路在变压器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；在变压器非消磁阶段处于高阻状态，防止输出电容的电荷倒灌；

检测判断模块检测隔离开关电源的输出电压，并把该电压与内部的基准电压进行比较，输出电压变化信息，并将其发送给输出电压编码控制模块；

输出电压编码控制模块根据接收到的电压变化信息，按照约定的通信协议进行编码，并根据该编码控制反馈开关的工作状态；

反馈开关状态检测模块在每个开关周期的消磁阶段的约定时间通过辅助绕组电压检测上电阻、辅助绕组电压检测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检测到的电压进行比较，获得电压的变化幅度和电压的变化方向，输出反馈开关工作状态变化信息，并将其发送给输出电压解码反馈模块；

输出电压解码反馈模块接收反馈开关工作状态变化信息，根据约定的通信协议进行解码，判断出输出电压偏高还是偏低，输出调制电压，并将其发送给占空比调至电路；

占空比调制电路接收调制电压，并根据此电压的大小调制变压器主边绕组励磁的占空比，调制电压增加则增加占空比，反之则减小占空比；

其特征在于：反馈开关的控制端连接输出电压编码控制模块、反馈开关的导通电流流出端连接副边消磁电路、反馈开关的导通电流流入端连接开关电源输出电压的负极端口。

优选地，反馈开关工作状态变化信息为增加的幅度超过设定值，则认为反馈开关的工作状态由线性区跳变到了饱和区；反之，反馈开关工作状态变化信息为减小的幅度超过设定值，则认为反馈开关的工作状态由饱和区跳变到了线性区。

优选地，输出电压解码反馈模块本周期解码的结果是“输出电压偏高”，则逐渐减小调制电压，直到出现“输出电压偏低”为止；反之，若本周期解码的结果是“输出电压偏低”，则逐渐增加调制电压，直到出现“开关电源输出电压偏高”为止。

优选地，所述的反馈开关为MOS管。

作为应用本技术方案的隔离开关电源的具体的实施方式，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；检测判断模块，它包含第一端口、第二端口；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；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；

其连接关系为：主边绕组NP的第一端口与输入电源正极相连，第二端口与占空比调制电路的第三端口相连；副边绕组NS的第一端口、输出电容的第一端口、检测判断模块的第一端口一起相连，连接点形成开关电源输出电压的正极端口；副边绕组NS的第二端口、副边消磁电路的第一端口一起相连；副边消磁电路的第二端口、反馈开关的源极端口相连；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；反馈开关的漏极端口、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；反馈开关的栅极端口与输出电压编码控制模块的第一端口项连接；辅助绕组电压检测上电阻的第一端口与辅助绕组NA的第一端口相连；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；反馈开关状态检测模块的第二端口与输出电压解码反馈模块的第一端口一起相连；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。

优选地，所述的反馈开关为MOS管。

上述相关术语解释如下：

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。

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。

反馈开关的控制端：控制反馈开关导通与截止的端口，如对于MOS管，指的是MOS管的栅极；对于三极管，指的是三极管的基极。

反馈开关的导通电流流入端：反馈开关导通后，电流流入的端口，如对于MOS管，指的是MOS管的漏极，无论N沟道、P沟道、增强型还是耗尽型MOS管，在导通时，电流都是由电压高的漏极流向电压低的源极；对于三极管，指的是三极管的集电极，在导通时，电流是由电压高的集电极流向电压低的发射极。

反馈开关的导通电流流出端：反馈开关导通后，电流流出的端口，如对于MOS管，指的是MOS管的源极；对于三极管，指的是三极管的发射极。

反馈开关工作状态：是指给反馈开关适当的驱动电压使其工作在饱和区或线性区，饱和区和线性区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工作状态的变化。

特别地，为了让人更容易理解本实用新型中的工作原理，在实施例中的编码过程中逻辑关系使用了特定的形式来表示，例如“输出电压偏高”这一信息用“反馈开关处于饱和区”来代表，在实际的产品实现中“输出电压偏高”这一信息也可用“反馈开关处于线性区”来承载，仅是为了更好地阐述本实用新型，而不是用于限定本实用新型。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)不需要光耦器件也不需要其它额外的隔离传输器件，从而不仅避免这些器件本身所带来的一些固有缺陷，也不会有为辅助这些器件工作而添加的器件，减小体积和成本，使体积、成本、性能到达最优化，适用范围更广。

(2)同时也不会有原边反馈技术的输出电压精度低和不能在副边通过控制进行改变输出电压的问题。

(3)在高输出电压时可确保ΔV_ref﹤ΔV₁₂₄，使电源系统稳定工作，相关原理分析在实施例部分以具体的开关电源设计及计算进行展示。

(4)此外，该实用新型中反馈开关与消磁通路串联，在变压器励磁阶段和消磁结束后消磁电路会自行截止以防止输出电容的电荷倒灌，反馈开关的工作状态图时序如图5所示，其中H表示输出电压编码控制模块112端口输出高电平，驱动反馈开关导通，反馈开关工作于线性区；L表示输出电压编码控制模块112端口输出低电平，本实用新型中由于反馈开关的漏极135连接至开关电源输出电压的负极端口109，112端口为低电平时反馈开关工作于饱和区。变压器励磁阶段为0～t1、t3～t4，消磁结束阶段为t2～t3、t5～t6。

(5)检测判断模块无需通过采样副边消磁电路第一端口处的电压来判断变压器是否处于消磁阶段t1～t2、t4～t5，只需通过开关电源输出电压的正极端口检测开关电源的输出电压，并把该电压与内部的基准电压进行比较，比较的结果决定反馈开关工作状态，降低反馈开关控制难度，这是它的突出优点。

(6)本实用新型中的反馈开关只需采用低压器件，降低电源系统成本。

附图说明

图1为应用传统副边反馈控制器的开关电源典型电路图；

图2为新型应用副边反馈控制电路的开关电源典型电路图；

图3为图2电路反馈开关的工作状态及124处电压波形图；

图4为应用本实用新型第一实施例的副边反馈控制电路的开关电源原理框图；

图5为本实用新型反馈开关的工作状态及124处电压波形图。

具体实施方式

为了使本实用新型更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例一

图4为应用本实用新型第一实施例的副边反馈控制电路的开关电源原理框图，该开关电源包括：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，其中绕组NP包含第一端口102和第二端口103，绕组NS包含第一端口104和第二端口105，绕组NA包含第一端口106和第二端口107；副边消磁电路，它包含第一端口110和第二端口111两个端口；输出电容，它包含第一端口131和第二端口132两个端口；反馈开关，它包含漏极端口135、源极端口133和栅极端口134三个端口；输出电压编码控制模块，它包含第一端口112、第二端口114；检测判断模块，它包含第一端口119、第二端口117；辅助绕组电压检测上电阻R_FA1，它包含第一端口120和第二端口121；辅助绕组电压检测下电阻R_FA2，它包含第一端口122和第二端口123；反馈开关状态检测模块，它包含第一端口124和第二端口125两个端口；输出电压解码反馈模块，它包含第一端口126和第二端口127两个端口；占空比调制电路，它包含第一端口128、第二端口129、第三端口130三个端口。

它们的连接关系为：端口102与输入电源的正极端101相连，端口103与端口130相连；端口104、端口131、端口119一起相连，连接点形成开关电源输出电压的正极端口108；端口105、端口110一起相连；端口111、反馈开关的源极端口133一起相连；反馈开关的漏极端口135、端口132一起相连，连接点形成开关电源输出电压的负极端口109；反馈开关的栅极端口134、端口112一起相连；端口114与端口117相连；端口120与端口106相连；端口121、端口122、端口124一起相连；端口125与端口126一起相连；端口127与端口128一起相连；端口129、端口123、端口107一起相连，连接点形成输入电源的负极端。

具体的工作原理是：

检测判断模块的作用为：通过端口119检测开关电源的输出电压，并把该电压与内部的基准电压进行比较，比较的结果可决定反馈开关是否改变工作状态，并把此信息通过它的端口端口117传递给输出电压编码控制模块。

输出电压编码控制模块包括两个作用：一是，编码作用，设定编码规则——输出电压从偏高状态变化到偏低状态时反馈开关工作状态需从饱和区变化到线性区，反之，输出电压从偏低状态变化到偏高状态时反馈开关工作状态需从线性区变化到饱和区。那么，输出电压偏高时反馈开关工作状态应处于饱和区，反馈开关驱动电平为低电平；输出电压偏低时反馈开关应处于线性区，反馈开关驱动电平为高电平。二是，控制作用，控制反馈开关栅极处于相应的编码电平，即输出电压偏高时端口112输出低电平，输出电压偏低时端口112输出高电平。

变压器的传输过程：因为有输出电容C_OUT储能作用的存在，开关电源在一个甚至几个周期内输出电压是不会发生较大的突变，所以在短时间内可以忽略电容C_OUT电压V_OUT的变化。根据本实用新型内容可知，现在需要在V_OUT上叠加一个控制电压，为此我们采用整流二级管作为副边消磁通路，如图4所示，这是最简单也是最常用的方式。因为二级管的结压降V_BE的存在，反馈开关在消磁阶段工作于线性区时，绕组NS端口104与端口105的压差最小值为(V_OUT+V_BE+V_dson)，其中V_dson是反馈开关工作于线性区时漏极与源极之间的压差；反馈开关在消磁阶段工作于饱和区时，绕组NS端口104与端口105的压差值为(V_OUT+V_BE+V_DS)，其中V_DS是反馈开关工作于饱和区时漏极与源极之间的压差。可见，消磁阶段反馈MOS开关工作于线性区或饱和区可使得绕组两端的压差发生了较大的突变，通过折算，在反馈开关状态检测模块的端口124处电压变化大小为：

其中n_A/n_S是绕组NA与绕组NS匝数之比。

反馈开关状态检测模块的检测判断过程：为了让人更加直观地理解此传输过

程，下面具体地设计一个电源开关电源来阐述。选择V_OUT＝12V，V₁₂₄＝3V，ΔV_ref＝0.1V，V_BE＝0.4V，反馈开关管工作于饱和区的导通压降V_DS＝3V，反馈开关管工作于线性区的导通压降V_dson＝0.06V。

由公式：

可得出：

ΔV_ref＜ΔV₁₂₄，可以判断出反馈开关工作状态从线性区变化到了饱和区；反之，则可以判断出反馈开关工作状态从饱和区变化到了线性区。

解码与占空比调制过程：按照编码过程中设定的编码规则，应该设定解码规则为，当接收到“反馈开关工作状态从饱和区变化到线性区”的判断结果时相应地解码出“输出电压从偏高状态变化到偏低状态”，反之，当接收到“反馈开关工作状态从线性区变化到饱和区”的判断结果时相应地解码出“输出电压从偏低状态变化到偏高状态”。若解码结果是“输出电压从偏高状态变化到偏低状态”，表明变化之前输出电压是偏高的，当前输出电压是偏低的，直到再次接收到相反方向的状态变化；反之，可以得知当前输出电压是偏高的。可见，只要按照这两个设定而构成的通信协议进行控制和传输，便可把隔离变压器副边输出电压的大小反馈到它的原边。当输出电压偏高时逐渐减小调制电压V_crl，它控制占空比逐渐减小，从而致使输出电压降低；反之，输出电压偏低时逐渐增加占空比使其再次升高。如此反复，把输出电压稳定在设定值。

通过检测判断模块和输出电压编码控制模块使得反馈开关管工作于线性区或饱和区，增大了端口124处电压的变化幅值，使得电源系统在高输出电压时，反馈开关状态检测模块能可靠地检测到反馈开关工作状态的变化，进而解码后调节占空比，把输出电压稳定在设定值。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。