集成调频模式开关电源缓启动功能的频率振荡器的制作方法

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本实用新型属于开关电源的控制技术领域，具体地讲，是涉及集成调频模式开关电源缓启动功能的频率振荡器。


背景技术：

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开关电源的控制技术一般分为pwm(pulse-width-modulation)脉冲宽度调制和pfm(pulse-width-modulation)脉冲频率调制两大类，pwm脉冲宽度调制模式采用开关脉冲频率不变，脉冲占空比变化来完成输出电压的调节；pfm脉冲频率调制模式采用开关脉冲占空比不变，开关频率变化来完成输出电压的调节的工作方式。要使pfm模式开关电源能够正常工作，通常只有开关频率的一小部分频率变化范围才是电源的正常工作范围，超出这个范围电源则会发生故障甚至损坏。故需要对开关频率的上下限范围进行限制，然后电源通过输出电压采样反馈电路确定其工作在这个范围中的某个具体开关频点值。
[0003]
采用传统的模拟控制电源，使用两个频率振荡器来生成最小频率和最大频率信号，然后输出采样反馈确定生成的开关频率信号在每个开关周期和这两个信号进行比较，以防止开关频率超出正常工作范围，电源需要两个振荡器来产生频率信号并且需要一个频率运算放大器进行对比，存在浪费资源。
[0004]
用pfm模式最常用的llc电路举例，在电源开机启动时，若电源采用闭环无缓启动开机方式，由于输出电压起始值和设置目标电压值差距较大，采样反馈电路饱和，控制器输出最小频率的pfm脉冲信号，此时llc谐振腔阻抗非常小，直流增益非常大，加之后级的滤波电容在启动初期中基本处于短路状态，会造成很大的电流冲击。此时应采用缓启动电路进行开机控制，避免开机能量过大导致电路损坏。传统的缓启动技术还使用了反馈基准电压缓启动的功能，但在llc启动过程中，虽然反馈基准电压上升很慢，但系统仍会以最低频率进行开机启动，依然会造成较大的冲击。因此如何解决现有技术中存在的不足，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

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本实用新型的目的在于提供集成调频模式开关电源缓启动功能的频率振荡器，主要解决了现有技术存在的频率振荡器和频率上下限锁止电路实现比较复杂，且使用闭环无缓启动开机或者反馈基准电压缓启动开机，开机能量容易对电源造成冲击的问题。
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为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
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集成调频模式开关电源缓启动功能的频率振荡器，包括并联后一端接vdd 的三组电流源ifstart、ifmin、ifb，一端与三组电流源另一端连接、另一端接地的振荡电容cf，正输入端与三组电流源另一端连接的运算放大器u1，串联后一端与运算放大器u1正输入端连接、另一端接地的电阻r1和开关k，以及正极与运算放大器u1负输入端连接、负极接地的受控可变基准电压vref，其中， u1的输出端电平v2控制开关k的通断和受控可变基准电压vref的电平高低。
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进一步地，所述电流源ifstart、ifmin包括两个源极同时与电源vdd接触的mos管q1、q2，集电极与mos管q1漏极连接、基极与电压基准vrefa相连的的三极管q5，一端与三极管q5发射极连接、另一端接地的电阻rmin，串联后一端与三极管q5发射极连接、另一端接地的电阻rstart和电容cstart，其中，mos管q1与q2的栅极相互连接，mos管q1的栅极与其漏极连接，形成镜像电流源，mos管q2的漏极与运算放大器的正输入端连接。
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具体地，所述电流源ifb包括两个源极同时与电源vdd接触的mos管q3、 q4，集电极与mos管q3漏极连接、基极与电压基准vrefb相连的三极管q6，一端与三极管q6发射极连接的电阻rmax，三极管输出端集电极与电阻rmax 另一端连接、发射极接地的光电耦合器u2的三极管输出端，一端通过限流电阻 r2与光电耦合器u2二极管输入端连接并为其提供电压的输出采样反馈电压fb，其中，mos管q3与q4的栅极相互连接，mos管q3的栅极与其漏极连接，形成镜像电流源，mos管q4的漏极与运算放大器的正输入端连接。
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与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
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(1)本实用新型通过简易电路搭建成频率振荡器产生频率信号，并将反馈信号频率生成电路集成在振荡器电路中，天然的频率锁止方式使开关电源的工作频率限制在最小频率和最大频率之间，避免了进行频率运算放大器的比较过程，并且采用缓启动电路进行开机频率控制，避免开机能量对电源造成的冲击。
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(2)本实用新型通过一个振荡电容cf即可完成频率振荡器功能，仅需少量器件即可对振荡频率进行上下限限制，在电源开机过程中，通过简易的rc电路进行电流源充电电流控制从而对开机振荡频率进行控制，避免对电源造成冲击。
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(3)本实用新型的缓启动电路，在开机时限制最小频率输出，避免造成冲击，并且在缓启动过程中将最小频率逐渐降低，最终完成开机缓启动进入闭环控制状态；避免开机能量对电源造成的冲击；同时可以通过调节电阻r1大小来调整振荡电容cf放电时间来控制互补脉冲驱动死区时间的大小。
附图说明
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图1为本实用新型的电路原理图。
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图2为图1展开后的电路原理图。
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图3为本实用新型频率振荡器生成的v2电压控制驱动电路原理图。
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图4为本实用新型频率振荡器和驱动电路仿真波形图。
具体实施方式
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下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。
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实施例
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如图1至图3所示，集成调频模式开关电源缓启动功能的频率振荡器，其特征在于，包括并联后一端接输入直流电压vdd的三组电流源ifstart、ifmin、 ifb，一端与三组电流源另一端连接、另一端接地的振荡电容cf，正输入端与三组电流源另一端连接的运算放大器u1，各自串联后再与cf并联的电阻r1和开关k，以及正极与运算放大器u1负输入端连接、负极接地的受控可变基准电压vref，其中，运算放大器u1的输出端控制开关k(开关k可以是
继电器开关、光耦开关、mos管开关等，不限定开关形式)的通断和受控可变基准电压vref 的电平高低，并且开关k的一端接地(开关k和电阻r1串联，可以对调位置)。
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如图1所示，电路通过对振荡电容cf充放电来确定振荡频率，即电源的开关频率，ifmin电流源为恒值电流源，以固定的充电速率给振荡电容cf充电，此电流源确定了给振荡电容cf充电的最小电流，也确定了振荡电容cf的最小振荡频率，即电源的最小开关频率；ifb电流源是电源反馈信号控制的电流源，从而确定电源的具体工作频率；ifstart电流源仅在电源开机的时候工作，通过由大变小的充电电流将开机时的最小开关频率阈值提高并且缓慢向最低频率放开，达到缓启动的目的。受控可变基准vref有高低两个基准值，电路起始状态时vref 处于高基准电压值，当振荡电容cf开始充电，其电压大于vref高基准电压值时，运算放大器u1的输出v2由低电平变成高电平，从而控制受控可变基准电压vref切换为低基准电压值，并控制开关k闭合，通过电阻r1将振荡电容cf 上电荷释放掉，当振荡电容cf放电至vref低基准电压值时，运算放大器u1的输出v2由高电平变成低电平，从而控制受控可变基准电压vref切换为高基准电压值，继电器开关k断开，振荡电容cf再次进行充电，完成往复过程。
[0022]
如图2所示，ifmin电流源和ifstart电流源通过同一镜像电流源生成，ifb 电流源通过另一组镜像电流源生成。vrefa作为基准电压来产生ifmin电流和 ifstart电流，vrefb作为基准电压来产生ifb电流，举例ifmin＝(vrefa-vbe)/rmin， vbe是三极管的be结压降为恒定值。当电源刚开机时，由于电容cstart上没有电荷，相当于电阻rstart和rmin并联，使得充电电流大小为ifmin+ifstart，使实际最小频率阈值大于稳态设置的最小频率，当电容cstart缓慢充电，ifstart 充电电流逐渐减小，工作频率阈值随即缓慢平滑地降低，直至电容cstart充电完成，ifstart电流关断，电流源电流降为ifmin，即振荡电容cf的最小充电电流为ifmin,实际最小工作频率降至稳态设置的最小频率fmin。这样避免了在开机过程中控制器直接输出最小频率的pfm脉冲信号导致电源受到冲击。ifb电流源通过另一组电流源生成，fb是电源的输出采样反馈电压，可以通过光耦u2 进行隔离。开关电源的反馈电压信号控制光耦u2的三极管输出极导通程度以确定ifb电流源的大小，从而确定电源的具体工作频率，并且当u2的三极管输出极完全导通时，ifb最大电流受rmax电阻的限制，此时ifb电流源电流为(ifbmax＝(vrefb-vbe)/rmax),从而振荡电容cf的最大充电电流为ifmin+ifbmax, 此时的cf电压振荡工作频率为最大限制频率fmax。当输出负反馈电压fb变化时，ifb电流也发生变化，振荡电容cf的充电频率发生变化，从而电源的工作频率也跟随发生变化，但不会超过频率上下限阈值，形成闭环系统。
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如图3所示，u2 d触发器、u3反相器、u4与门和u5与门组成驱动电路。频率振荡器中运放输出产生的v2电压为脉冲驱动死区电压，连接至驱动电路输入端，v3和v4为互补驱动输出，v2电压脉冲宽度的大小即为死区时间的大小，受r1放电电阻的控制。在vcf电压的高电平阈值点和低电平阈值点进行转换，两组互补驱动电压之间的死区时间通过电阻r1放电时间进行调整。
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如图4所示，其中横坐标代表时间轴，纵坐标代表输出电压。仿真波形中 vcf即为振荡电容cf上的电压，处于来回振荡状态，v3和v4为互补驱动波形，受vcf电压控制交替输出，在vcf电压的高电平阈值点和低电平阈值点进行转换；两组互补驱动电压之间的死区时间大小则受控于v2电压，可通过电阻 r1放电时间进行调整。
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本实用新型通过一个振荡电容cf和少量元器件即可完成频率振荡器功能，并对振荡频率进行上下限限制，在电源开机过程中，通过简易的rc电路进行电流源充电电流控制从而对开机振荡频率进行控制，避免对电源造成冲击。
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上述实施例仅为本实用新型的优选实施例，并非对本实用新型保护范围的限制，但凡采用本实用新型的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本实用新型的保护范围之内。