本发明涉及一种电子电路，特别地，涉及开关转换电路中的控制电路。
背景技术：
图1示出了现有的隔离式开关电路10，包括通过耦合器件102相耦接的原边电路101和副边电路103。为了控制输入输出功率的转换，隔离式开关电路10需要从副边电路103反馈输出功率信息至原边电路101。为实现原副边的隔离，并保护副边电路免受原边高压影响，光耦合器106通常用于原副边反馈信号的传递。在图1所示的现有的隔离式开关电路10中，输出电压vout通过副边反馈电路104加诸于光耦合器106的光敏二极管d0，光敏二极管d0进一步将输出电压vout的信息通过光耦合器106的光敏晶体管t0反映为光耦电流iopto，并进一步地通过原边反馈电路105表现为信号sfb，输入至原边电路101以控制其工作。
tl431为德州仪器公司(ti)生产的三端可调稳压源，目前广泛应用于隔离式转换电路的反馈电路中。图2示出了采用tl431反馈电路的隔离式开关电路的光耦电流iopto与输出功率pout之间的关系图。如图2所示，光耦电流iopto越大，对应的输出功率pout越小，而光耦电流iopto越小，则对应的输出功率pout越大。也就是说光耦电流iopto的值在轻载或空载时较大，在隔离式开关电路10的输出功率pout达到最小值时，光耦电流iopto将达到最大值，这将严重损害隔离式转换电路的轻载或空载效率。
因此，有必要提出一种在轻载或空载时降低光耦电流iopto，提高电路的轻载及空载效率的电路及方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种在轻载或空载时减小光耦电流的电路及控制方法。
依据本发明一实施例的一种反馈电路，用于隔离式开关电路，所述隔离式开关电路具有功率开关控制信号控制功率电路周期性地通断以实现功率转换，包括：可变电阻电路，耦接于控制电路供电电压和反馈电压端之间，接收电阻控制信号，所述可变电阻电路的等效阻值与电阻控制信号的占空比成反比，其中所述功率开关控制信号响应于反馈电压端的电压来控制功率电路；以及电阻控制电路，接收功率开关控制信号，并且基于该功率开关控制信号，输出电阻控制信号；其中，在隔离式开关电路进入极轻载模式时，所述电阻控制信号的占空比由最小值递增至最大值，并保持不变；以及在隔离式开关电路跳出极轻载模式时，所述电阻控制信号的占空比由最大值递减至最小值，并保持不变。
在一个实施例中，所述反馈电路还包括光耦合器，所述光耦合器包括：光敏二极管，耦接于副边反馈网络，所述副边反馈网络将隔离式开关电路的输出电压转换为流过光敏二极管的电流；以及光敏晶体管，耦接于反馈电压端和原边地之间，响应于流过光敏二极管的电流并提供光耦电流至可变电阻电路。
在一个实施例中，所述反馈电路还包括滤波电路，耦接于反馈电压端和原边地之间，用于对反馈电压端的电压进行低通滤波。
依据本发明一实施例的一种隔离式开关电路，包括前述反馈电路，还包括：功率电路，接收总线电压和功率开关控制信号，在功率开关控制信号的控制下，所述功率电路周期性地通断以实现输入输出功率转换，并且将总线电压转换成输出电压提供给负载；以及控制电路，接收反馈电压端的电压，基于反馈电压端的电压输出功率开关控制信号。
依据本发明一实施例的一种用于隔离式开关电路的反馈电路的控制方法，所述隔离式开关电路包括光耦合器、功率电路以及控制功率电路的功率开关控制信号，所述控制方法包括：检测隔离式开关电路的负载，并且基于隔离式开关电路的负载输出电阻控制信号；在隔离式开关电路的负载减小至小于设定阈值时，在电阻控制信号控制下逐步增大与光耦合器光敏晶体管串联耦接的可变电阻电路的等效阻值至最大值；以及在隔离式开关电路的负载增大至大于设定阈值时，在电阻控制信号控制下逐步减小与光耦合器光敏晶体管串联耦接的可变电阻电路的等效阻值至最小值。
附图说明
图1示出了现有的隔离式开关电路10；
图2示出了现有的隔离式开关电路的输出功率pout与光耦电流iopto之间的关系图；
图3示出了根据本发明一实施例的隔离式开关电路的输出功率pout与光耦电流iopto的关系图；
图4示出了根据本发明一实施例的隔离式开关电路40的电路结构示意图；
图5示出了根据本发明一实施例的电阻控制电路50的电路结构示意图；
图6示出了根据本发明一实施例的负载变化时反馈电路的各信号波形的示意图；
图7示出了根据本发明一实施例的可变电阻电路70的电路结构示意图；
图8示出了根据本发明一实施例的可变电阻电路80的电路结构示意图；
图9示出了根据本发明一实施例的可变电阻电路90的电路结构示意图；
图10示出了根据本发明一实施例的隔离式开关电路的反馈电路的控制方法100。
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“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连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“直接连接到”或“直接耦接到”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。
图3示出了根据本发明一实施例的隔离式开关电路的输出功率pout与光耦电流iopto的关系图。如图3所示，当隔离式开关电路的输出功率pout大于功率阈值p1时，光耦电流iopto与输出功率pout成反比，当隔离式开关电路的输出功率pout小于功率阈值p1时，光耦电流iopto降到一个极低的水平。本领域普通技术人员可以在本发明实施例的指导下根据系统的实际需求确定功率阈值p1。在本发明实施例中，功率阈值p1为输出功率pout达到极轻载时的值，接近于空载的水平。也就是说，在隔离式开关电路处于极轻载水平时，光耦电流iopto下降到一个较低水平，从而减小轻载和空载损耗，提高隔离式开关电路的效率。在一个实施例中，当隔离式开关电路的输出功率pout大于功率阈值p1时，光耦电流iopto的最大值大约为1ma。在一个实施例中，当隔离式开关电路的输出功率pout小于功率阈值p1时，光耦电流iopto的值在100μa以下。
图4示出了根据本发明一实施例的隔离式开关电路40的电路结构示意图。如图4所示，所述隔离式开关电路40包括pfc电路401、功率电路402、控制电路403以及反馈电路404。pfc电路401接收输入电压vin，将输入电压vin转换成总线电压vd提供给功率电路402。控制电路403输出功率开关控制信号vg至功率电路402以控制功率电路402周期性地通断，以实现功率转换，并且将总线电压vd转换成所需的输出电压vout提供给负载rl。其中，所述pfc电路401和控制电路403为隔离式开关电路40的原边控制电路的一部分。
所述输入电压vin可以是交流电压经过整流电路后得到的整流电压。所述pfc电路401用于提高隔离式开关电路40的功率因数。在某些实施例中，pfc电路401可被省略。
在一个实施例中，所述功率电路402包括储能元件和功率开关。所述储能元件包括电感、变压器等。在一个实施例中，所述功率开关包括主功率开关，所述功率开关控制信号vg用于控制主功率开关的通断。在一个实施中，所述功率开关包括主功率开关和从功率开关，所述功率开关控制信号vg用于控制主功率开关的通断，所述从功率开关被控制与主功率开关互补通断。所述功率开关可以是如金属半导体氧化物场效应管(mosfet,metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor)等可控开关器件。
在一个实施例中，所述控制电路403与功率电路402相对应。例如当所述功率电路402包括llc电路的功率器件结构时，所述控制电路403即为对应的llc控制电路。当所述功率电路402包括反激电路的功率器件结构时，所述控制电路403即为对应的反激控制电路。
所述反馈电路404包括副边反馈网络4041、光耦合器4042、可变电阻电路4043、电阻控制电路4044以及滤波电路4045。所述副边反馈网络4041耦接于输出电压vout与副边地sgnd之间，接收输出电压vout，并将输出电压vout以电流形式反馈至光耦合器4042。所述可变电阻电路4043耦接于控制电路供电电压vcc和反馈电压端fb之间。光耦合器4042输出光耦电流iopto，并且通过可变电阻电路4043后以反馈电压vfb的形式反馈至控制电路403。所述控制电路403基于反馈电压vfb输出功率开关控制信号vg。所述滤波电路4045耦接于反馈电压端fb和原边地pgnd，用于对反馈电压端fb进行低通滤波，以改善可变电阻电路4043的阻值变化带来的电压波动影响。所述控制电路供电电压vcc可以是隔离式开关电路40的原边控制电路的供电电压。
所述光耦合器4042包括：光敏二极管d0，耦接于副边反馈网络4041，所述副边反馈网络将隔离式开关电路的输出电压vout转换为流过光敏二极管d0的电流；以及光敏晶体管t0，耦接于反馈电压端fb和原边地pgnd之间，响应于流过光敏二极管d0的电流并提供光耦电流iopto至可变电阻电路4043。所述副边反馈网络4041包括如图4所示连接结构的电阻、电容和三端可调稳压源tl431。在瞬态时，当负载变小，输出电压vout增大，此时a点电压va随之上升，从而使得流过tl431，也就是流过光敏二极管d0的电流上升，最终使得光耦电流iopto上升，从而使控制电路403调节功率开关控制信号vg以调节隔离式开关电路40的输出功率。该副边反馈网络4041为本领域常用电路结构，此处不再展开叙述。只要是副边反馈网络在隔离式开关电路的负载减小时会增大光耦电路iopto的应用皆是本发明适用的对象。
为了使光耦电流iopto不再随负载减小而增大，电阻控制信号vp控制可变电阻电路4043在系统进入设定的极轻载条件时逐步增大其等效阻值requ，从而减小光耦电流iopto。而当负载超过设定的极轻载条件时，电阻控制信号vp控制可变电阻电路4043逐步减小其等效阻值requ。
所述电阻控制电路4044接收功率开关控制信号vg，并且基于功率开关控制信号vg输出电阻控制信号vp。
图5示出了根据本发明一实施例的电阻控制电路50的电路结构示意图。所述电阻控制电路50可应用于图4所示的反馈电路404。所述电阻控制电路50包括开关信号检测电路501和占空比控制电路502。所述开关信号检测电路501接收功率开关控制信号vg，并且基于功率开关控制信号vg输出模式判断信号dm。所述占空比控制电路502接收模式判断信号dm，并且基于模式判断信号dm，输出电阻控制信号vp。其中，在模式判断信号dm表征隔离式开关电路进入极轻载模式时，所述电阻控制信号vp的占空比由最小值逐渐上升至最大值后保持不变，在模式判断信号dm表征隔离式开关电路跳出极轻载模式时，所述电阻控制信号vp的占空比由最大值逐渐减小至最小值后保持不变。
在这里，所述电阻控制信号vp的占空比与可变电阻电路的等效阻值requ相关。当电阻控制信号vp产生脉冲时，其占空比可定义为其脉冲宽度在一个周期内所占比值，其周期可定义为相邻脉冲间的时间长度。例如当高电平定义为脉冲时，其占空比即为高电平时长在相邻高低电平时长所形成的周期内的占比。同样地，当低电平定义为脉冲时，其占空比即为低电平时长在相邻高低电平时长所形成的周期内的占比。
在一个实施例中，所述隔离式开关电路40包括llc电路，所述控制电路403包括llc控制电路。在正常工作情况下，所述功率开关控制信号vg的占空比为50％。轻载时，隔离式开关电路处于burst模式，如图5所示，功率开关控制信号vg每出现n个周期的脉冲信号后停止输出脉冲信号。在一个实施例中，假设功率开关控制信号vg的脉冲时段为tp，非脉冲时段为tf，功率开关控制信号vg的打嗝占空比定义为功率开关控制信号vg的脉冲时段tp在相邻的脉冲时段tp和非脉冲时段tf之和tp+tf中所占的比值，即tp/(tp+tf)。当隔离式开关电路进入极轻载模式，即功率开关控制信号vg的打嗝占空比tp/(tp+tf)小于极轻载阈值k(例如10％)后，模式判断信号dm从第一电平跳变为第二电平，而当隔离式开关电路跳出极轻载模式时，即功率开关控制信号vg的打嗝占空比tp/(tp+tf)大于极轻载阈值k后，模式判断信号dm从第二电平跳变为第一电平。在部分实施例中，为防止模式判断信号dm在极轻载阈值附近的频繁跳变，所述模式判断信号dm在检测到连续n次的打嗝占空比小于极轻载阈值k后，模式判断信号从第一电平跳变为第二电平，在检测到连续n次的打嗝占空比大于极轻载阈值k后，模式判断信号从第二电平跳变为第一电平，其中，所述n为自然数，可以根据具体的系统应用要求而设置。
所述脉宽控制电路502接收模式判断信号dm，在模式判断信号dm为第一电平时，所述占空比控制电路502输出占空比为最小值(例如0)的电阻控制信号vp。在模式判断信号dm跳变为第二电平时，所述占空比控制电路502输出占空比逐渐增大的电阻控制信号vp，最终电阻控制信号vp的占空比达到最大值(例如100％)后保持不变。在模式判断信号dm跳变为第一电平时，所述占空比控制电路502输出占空比逐渐减小的电阻控制信号vp，最终电阻控制信号vp的占空比达到最小值后保持不变。
在部分实施例中，判断隔离式开关电路进入或跳出极轻载条件可以设置迟滞形式，即极轻载阈值k可以包括相近的两个值k1和k2。
在一个实施例中，第一电平包括低电平，第二电平包括高电平。但本领域普通技术人员应当明白，信号的电平形式是可以根据系统的需要变化的，只要符合本发明所阐述的逻辑关系的电路与信号，不管采用何种形式，都不脱离本发明精神实质。
通过检测功率开关控制信号vg来确定隔离式开关电路的负载的方式并不限于前述实施例中所描述的方法。例如，在前述实施例中，也可以通过检测功率开关控制信号vg关断主功率开关的时长来确定隔离式开关电路的负载。在这种情况下，极轻载阈值k就是功率开关控制信号vg对应主功率开关关断时长的电平时长，即关断时长。
应当明白，当隔离式开关电路40包括其他拓扑形式或其他工作模式的电路时，功率开关控制信号vg的检测方式会有所变化。例如普通的定频形式的隔离式开关电路在进入极轻载模式后，功率开关控制信号vg的占空比变小。在这种情况下，检测连续n个开关周期的功率开关控制信号vg的占空比即可确定电路是否进入极轻载模式，而不需要检测本发明前述定义的打嗝占空比。进一步地，部分固定导通时长控制的隔离式开关电路在进入极轻载模式后，其功率开关控制信号vg控制主功率开关的关断时长变长，也可通过检测连续n个开关周期的功率开关控制信号vg的占空比或者关断时长来判断电路是否进入极轻载模式。类似地，在部分固定关断时长控制的隔离式开关电路在进入极轻载模式后，其功率开关控制信号vg控制主功率开关的导通时长变短，也可通过检测连续n个开关周期的功率开关控制信号vg的占空比或者导通时长来判断电路是否进入极轻载模式。任何可用于检测功率开关控制信号vg的占空比、关断时长或者导通时长的电路和技术皆可用于本发明，此处不再展开叙述。
本领域普通技术人员可以在了解前述工作原理后通过多种方式实现开关信号检测电路501和占空比控制电路502，也可以在本发明指导下，将前述开关信号检测电路501和占空比控制电路502的工作原理通过硬件描述语言，如vhdl(very-high-speed-integrated-circuithardwaredescriptionlanguage)和verilog语言，来自动生成数字电路。
图6示出了根据本发明一实施例的隔离式开关电路的信号波形的示意图。如图6所示，在t1时刻，负载负跳变，负载电流il降低，隔离式开关电路进入极轻载模式，模式判断信号dm由第一电平跳变为第二电平，电阻控制信号vp的占空比由零开始上升，经过时长tinc后，即到达t2时刻，升至100％，并保持不变。而在电阻控制信号vp控制下的可变电阻电路4043的等效阻值requ则在t1时刻上升，到t2时刻上升至最大值后保持不变。在t3时刻，负载正跳变，负载电流il升高，隔离式开关电路跳出极轻载模式，模式判断信号dm由第二电平跳变为第一电平，电阻控制信号vp的占空比由100％逐渐下降，经过时长tdec后，即到达t4时刻，电阻控制信号vp的占空比达到零，并保持不变。而在电阻控制信号vp控制下的可变电阻电路4043的等效阻值requ则在t3时刻下降，到t4时刻下降至最小值后保持不变。时长tinc和tdec可根据实际的电路需求和参数要求来设置。一般来说，时长tinc和tdec越长，对输出电压vout的波动影响越小。但过长的时长tinc和tdec可能影响电路的效率。
图7示出了根据本发明一实施例的可变电阻电路70的电路结构示意图。可变电阻电路70可用于图4所示的反馈电路404。如图7所示，所述可变电阻电路70包括：第一电阻r1和第一电阻开关s1，串联耦接在控制电路供电电压vcc和反馈电压端fb之间；以及第二电阻r2，耦接于控制电路供电电压vcc和反馈电压端fb之间；其中，所述第一电阻开关s1具有控制端接收电阻控制信号vp。
可变电阻电路70的等效阻值requ1为
图8示出了根据本发明一实施例的可变电阻电路80的电路结构示意图。可变电阻电路80可用于图4所示的反馈电路404。如图8所示，所述可变电阻电路80包括第一电阻r1和第一电阻开关s1，串联耦接于控制电路供电电压vcc和反馈电压端fb之间；其中，所述第一电阻开关s1具有控制端接收电阻控制信号vp。
可变电阻电路80的等效阻值requ2为r1/(1-d1)，其中d1为电阻控制信号vp的占空比。当d1为零时，第一电阻开关s1保持导通状态，可变电阻电路80的等效阻值requ2等于第一电阻r1的阻值。当d1为1时，第一电阻开关s1保持断开关状态，可变电阻电路80的等效阻值requ2接近于无限大。在部分实施例中，可控制电阻控制信号vp的占空比的下限为大于0的数值，上限为小于1的数值，以得到所需的等效阻值requ2。
图9示出了根据本发明一实施例的可变电阻电路90的电阻结构示意图。可变电阻电路90可用于图4所示的反馈电路404。如图9所示，所述可变电阻电路90包括：第一电阻r1和第一电阻开关s1，串联耦接于控制电路供电电压vcc和反馈电压端fb之间；第二电阻r2和第二电阻开关s2，串联耦接于控制电路供电电压vcc和反馈电压端fb之间；其中，所述第一电阻开关s1的控制端接收电阻控制信号vp，所述第二电阻开关s2的控制端接收电阻控制信号vp的反相信号vpb。
第一电阻开关s1和第二电阻开关s2互补通断，可变电阻电路90的等效阻值requ3为
图10示出了根据本发明一实施例的隔离式开关电路的反馈电路的控制方法100。所述隔离式开关电路包括控制电路、功率电路、功率开关控制信号和反馈电路。所述功率开关控制信号控制功率电路实现电压转换或其他形式的能量转换。所述反馈电路将隔离式开关电路的输出电压以光耦合器的光耦电流形式反馈至隔离式开关电路的原边控制电路。所述反馈电路包括可变电阻电路，将光耦电流转换成反馈电压。所述控制方法包括：步骤1001，检测隔离式开关电路的负载，并且基于隔离式开关电路的负载输出电阻控制信号；步骤1002，在隔离式开关电路的负载减小至小于设定阈值时，在电阻控制信号控制下逐步增大与光耦合器光敏晶体管串联耦接的可变电阻电路的等效阻值至最大值；以及步骤1003，在隔离式开关电路的负载增大至大于设定阈值时，在电阻控制信号控制下逐步减小与光耦合器光敏晶体管串联耦接的可变电阻电路的等效阻值至最小值。
在一个实施例中，所述控制方法100还包括步骤1004，对可变电阻电路与光耦合器的光敏晶体管的连接点进行滤波。
在一个实施例中，所述可变电阻电路包括与光耦合器的光敏晶体管串联的第二电阻以及在电阻控制信号控制下与第二电阻并联的第一电阻。
在一个实施例中，所述可变电阻电路包括在电阻控制信号控制下与光耦合器的光敏晶体管串联的第一电阻。
在一个实施例中，所述可变电阻电路包括在电阻控制信号控制下与光耦合器的光敏晶体管串联的第一电阻以及在反相的电阻控制信号控制下与光耦合器的光敏晶体管串联的第二电阻。
所述步骤1001包括：通过检测隔离式开关电路的功率开关控制信号来确定隔离式开关电路的负载；在隔离式开关电路的负载减小至小于设定阈值时，逐步正向改变电阻控制信号的占空比；以及在隔离式开关电路的负载增大至大于设定阈值时，逐步反向改变电阻控制信号的占空比。
在一个实施例中，所述正向改变电阻控制信号的占空比包括增大电阻控制信号的占空比，反向改变电阻控制信号的占空比包括减小电阻控制信号的占空比。在其他实施例中，正向改变电阻控制信号的占空比包括减小电阻控制信号的占空比，反向改变电阻控制信号的占空比包括增大电阻控制信号的占空比。此处，正向改变和反向改变只是说明当隔离式开关电路的负载减小到小于设定阈值和增大至大于设定阈值时，电阻控制信号的占空比的改变的相反的。其本质在于控制可变电阻电路的等效阻值在隔离式开关电路的负载减小至小于设定阈值时，逐步增大，以及控制可变电阻电路的等效阻值在隔离式开关电路的负载增大至大于设定阈值时，逐步减小。
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。