一种直流开关电源及其电压采样控制电路的制作方法

1.本发明涉及开关电源控制技术领域，尤其涉及一种直流开关电源及其电压采样控制电路。


背景技术：

2.现有技术中，一种反激式开关电源的拓扑电路如图1所示，其工作原理如下：开关电源芯片u1将直流电压通过变压器转换为恒定的电压和电流输出，该图中，vdc是市电经过整流滤波后得到的直流电压，vdc通过启动电阻r1给电容c1充电。电源芯片u1的vdd端口电压开始上升，当vdd端口电压升到电源芯片中设定的开启阈值后，芯片开启，发出使能信号，芯片开始工作。
3.芯片开启后，功率管m1打开，vdc给变压器的初级绕组np充电，当初级绕组np上的电流流过检流电阻r4，检流电阻r4上的电压通过cs端口被芯片检测到超过内部设定的峰值时，芯片发出关闭信号，关闭功率管m1。
4.功率管m1关闭后，由于初级绕组np上的能量不能突变，能量由初级绕组np传递给次级绕组ns，ns向电容c2充电，输出电压vout。同时，次级绕组ns的能量通过辅助绕组na反馈，此时二极管d1正向导通，辅助绕组na输出的电流给vdd端口供电，并通过电阻r2、r3将电压反馈到vfb端口（即电压采集端口）上，即电源芯片通过vfb端口检测次级绕组ns上的电流由峰值降到0的时间，以及输出电压vout反馈回来的电压变化，芯片会依此调整功率管m1的工作频率，以及打开功率管m1的时刻，发出控制信号打开该功率管。整个系统如同上述工作原理，周而复始的工作。
5.初级绕组np的电流信号i1、次级绕组ns的电流信号i2和vfb端口信号的波形如图2所示，当功率管m1导通时，初级绕组np中开始储能，初级绕组np的电流上升，当初级绕组np的电流上升到设定的值时，功率管m1关闭。初级绕组np的能量耦合到次级绕组ns，次级绕组的电流开始下降，将能量传递给输出负载，同时输出电压的变化通过次级绕组ns和反馈绕组na的耦合反馈到开关电源的vfb端口。如图2所示，当次级绕组na的电流消磁为0a时，此时输出的vfb端口电压（即膝电压，knee voltage）反应最真实的输出电压，芯片通过采样该处的vfb端口电压来反映输出电压的变化。
6.为了实现对vfb端口电压进行准确采集，通常的vfb信号（即vfb端口电压信号）的电压采集方法一如下：对vfb信号进行一定的延时得到延时信号vfb_delay，vfb信号和延时信号vfb_delay的波形如图3所示，将vfb信号与延时信号vfb_delay做比较，当次级绕组na的电流消磁时间结束时，次级的二极管关闭，此时vfb信号的电压急剧下降，因为延时信号vfb_delay有一定的时间常数，当检测到vfb信号电压低于延时信号vfb_delay的电压一定值时，则发出采样结束信号，得到的采样结束信号tdsd波形如图3所示，发出采样结束信号时对应采样的vfb信号电压为真实反映输出电压的膝电压knee voltage。
7.上述电压采集方法的不足在于：
因为图1中开关电源的变压器存在漏感，能量从初级绕组np传递到次级绕组ns的效率不是100%，因此这部分能量会以谐振的方式消耗掉，谐振的方式为漏感l与节点的寄生电容产生的lc振荡。
8.如图2或图3所示，谐振会在vfb信号处引起振荡，明显看到会有vfb信号电压低于延时信号vfb_delay电压的地方，这样会引起错误的采样结束信号发出，在vfb信号还没有结束谐振之前就停止对该信号的采集，导致芯片采样的vfb信号电压偏高，最终导致开关电源从次级绕组输出的电压偏低。
9.对于上面的不足，通常的解决方案是增加采样屏蔽延时，采样屏蔽延时信号t的波形如图3所示，在延时时间内不允许发出采样结束信号。但是，因为实际的电源系统方案千变万化，变压器的漏感因为生产质量的问题也不好把控，设置合理的采样屏蔽延时的难度很大。若设置的采样屏蔽延时太长，超过整个消磁时间，则会采样到一个完全错误的电压，使整个环路失效；若设置的采样屏蔽延时过短，同样会出现采样错误，导致芯片输出电压偏低的问题。


技术实现要素：

10.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种直流开关电源及其电压采样控制电路，以解决现有直流开关电源中容易出现电压端口信号的膝电压采集不准确的问题。
11.基于上述目的，一种直流开关电源的电压采样控制电路，包括：第一比较器，所述第一比较器的第一输入端用于输入直流开关电源的电压端口信号，所述第一比较器的第二输入端用于输入所述电压端口信号的延时信号，所述第一比较器的输出端用于输出第一比较结果信号；第二比较器，所述第二比较器的第一输入端用于输入第一设定电压信号，所述第一设定电压信号的电压为所述电压端口信号的电压与设定差值电压之和；所述第二比较器的第二输入端用于输入所述延时信号，所述第二比较器的输出端用于输出第二比较结果信号；延时模块和与门逻辑模块，所述延时模块的输入端用于连接所述第一比较器的输出端，所述延时模块的输出端连接所述与门逻辑模块的第一输入端，所述与门逻辑模块的第二输入端连接所述第二比较器的输出端，所述与门逻辑模块的输出端用于控制输出有效的采样结束信号，所述采样结束信号用于控制采集得到所述电压端口信号的膝电压。
12.可选的，所述设定差值电压是根据所述电压端口信号及所述延时信号的电压差值确定的。
13.可选的，所述延时模块包括第一充放电电路和施密特触发器，其中：第一充放电电路包括第一充电支路和第一放电支路，所述第一充电支路的正极连接有电源，所述第一充电支路的负极连接有第一电容，所述第一充电支路中串设有第一开关管，所述第一开关管的控制端连接所述第一比较器的输出端；所述第一放电支路的正极连接所述第一电容的高电位端，所述第一放电支路的负极连接所述第一电容的低电位端，所述第一放电支路中串设有第二开关管，所述第二开关管的控制端连接所述第一比较器的输出端；所述施密特触发器的输入端连接所述第一电容的高电位端，所述施密特触发器的
输出端连接所述与门逻辑模块的第一输入端。
14.可选的，所述第一开关管为p型开关管，所述第二开关管为n型开关管。
15.可选的，所述电压采样控制电路还包括：rs触发器，所述rs触发器的s输入端连接所述与门逻辑模块的输出端，所述rs触发器的输出端用于输出所述有效的采样结束信号。
16.可选的，所述电压采样控制电路还包括：反相器和第二充放电电路，所述反相器的输入端连接所述rs触发器的输出端，所述反相器的输出端连接所述第二充放电电路的控制端，所述第二充放电电路的输出端连接所述rs触发器的r输入端。
17.可选的，所述第二充放电电路包括：第二充电支路，所述第二充电支路的正极连接有电源，所述第二充电支路的负极连接第二电容，所述第二充电支路中串设有第三开关管，所述第三开关管的控制端连接所述反相器的输出端；第二放电支路，所述第二放电支路的正极连接所述第二电容的高电位端，所述第二放电支路的负极连接所述第二电容的低电位端，所述第二放电支路中串设有第四开关管，所述第四开关管的控制端连接所述反相器的输出端。
18.可选的，所述第一比较器的第一输入端通过第一电阻连接所述第一比较器的第二输入端，所述第一电阻的低电位端连接有第一接地电容；所述第二比较器的第一输入端通过所述第一电阻连接所述第二比较器的第二输入端。
19.可选的，所述第一电阻的低电位端串联有第二电阻和第五开关管，所述第五开关管的阳极连接所述第二电阻，所述第五开关管的阴极连接有第二接地电容，所述第五开关管的控制端用于输入所述有效的采样结束信号。
20.基于上述目的，一种直流开关电源，包括：所述直流开关电源包括所述的电压采样控制电路，所述电压采集端口连接所述第一比较器的第一输入端，所述电压采集端口连接所述第二比较器的第一输入端。
21.上述技术方案具有以下有益效果：本发明的直流开关电源及其电压采样控制电路，通过设置两个比较器对电压端口信号和延时信号进行电压比较，当检测到电压端口信号的电压低于延时信号电压且经过一定的延时后，此时认为电压端口信号已经度过了谐振周期这段时间，从此时起，允许采样结束信号的发出，能够准确的采集得到电压端口信号的膝电压，提高了信号采集准确性，不会产生误采集。本发明的电压采样控制电路可适用于多种类型的直流开关电源，且膝电压的信号采集准确性不受开关电源中变压器精度的限制，电压采样控制电路具有普遍的适用性，市场推广前景较好。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是现有技术中提供的反激式开关电源的拓扑电路图；
图2是现有技术中开关电源的初级绕组np的电流信号i1、次级绕组ns的电流信号i2和vfb端口信号的波形图；图3是现有技术中开关电源的vfb信号和延时信号vfb_delay的波形图；图4是本发明实施例一中提供的直流开关电源的电压采样控制电路图；图5是本发明实施例一中提供的电压采样控制电路中的电压端口信号vfb、延时信号vfb_delay、输出信号t_blank、采样结束信号tdsd的波形图；图6是本发明实施例二中提供的直流开关电源的电压采样控制电路图；符号说明如下：1、第一比较器；2、第二比较器；3、延时模块；4、与门逻辑模块；5、rs触发器；6、反相器；7、第二充放电电路。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.在实施例一中，如图4所示，提供一种直流开关电源的电压采样控制电路，包括：第一比较器1，所述第一比较器1的第一输入端（即反相输入端vn）用于输入直流开关电源的电压端口信号vfb，所述第一比较器1的第二输入端（即同相输入端vp）用于输入所述电压端口信号的延时信号vfb_delay，所述第一比较器1的输出端用于输出第一比较结果信号；第二比较器2，所述第二比较器2的第一输入端（即反相输入端vn）用于输入第一设定电压信号v1，所述第一设定电压信号v1的电压为所述电压端口信号vfb的电压与设定差值电压vos之和；所述第二比较器2的第二输入端（即同相输入端vp）用于输入所述延时信号vfb_delay，所述第二比较器2的输出端用于输出第二比较结果信号；延时模块3和与门逻辑模块4，所述延时模块3的输入端用于连接所述第一比较器1的输出端，所述延时模块3的输出端连接所述与门逻辑模块4的第一输入端，所述与门逻辑模块4的第二输入端连接所述第二比较器2的输出端，所述与门逻辑模块4的输出端用于控制输出有效的采样结束信号，所述采样结束信号用于控制采集得到所述电压端口信号vfb的电压。
26.上述电压采样控制电路的工作原理如下：第一比较器1和第二比较器2实时接收图3中的电压端口信号vfb和延时信号vfb_delay，当第一比较器1检测到延时信号vfb_delay大于电压端口信号vfb时，第一比较器1输出的第一比较结果信号翻为高电平信号1，如果此时电压端口信号vfb处于图3中的谐振时期，当延时信号vfb_delay小于电压端口信号vfb时，第一比较器1输出的第一比较结果信号又翻为低电平信号0；只有在延时信号vfb_delay持续大于电压端口信号vfb，且持续时间超过延时模块3中设定的一定时间，与门逻辑模块4的第一输入端接收的信号t_blank才翻为高电平信号1，延时模块3的输出信号t_blank波形如图5所示。
27.当第二比较器2检测到延时信号vfb_delay大于第一设定电压信号v1（即vfb+vos）
时，第二比较器2输出的第二比较结果信号翻转为高电平信号1，与门逻辑模块4的第二输入端接收的信号才翻为高电平信号1。当与门逻辑模块4的两个输入端输入的都为高电平信号1时，与门逻辑模块4的输出端输出高电平信号，发出有效的采样结束信号tdsd，采样结束信号tdsd的波形如图5所示。
28.通过图5中的波形图可知，通过实时监测电压端口信号vfb电压，来确保采样结束信号tdsd发出的时候，谐振时间已经结束，并且根据采样结束信号tdsd的发出时刻，能够准确采集得到电压端口信号vfb的膝电压knee voltage。
29.本发明通过两个比较器对电压端口信号vfb电压和延时信号vfb_delay电压进行比较，当检测到电压端口信号vfb的电压低于延时信号vfb_delay电压且经过一定的延时后，此时认为电压端口信号vfb已经度过了谐振周期这段时间，从此时起，允许采样结束信号的发出，能够准确的采集得到电压端口信号vfb的膝电压knee voltage，不会产生误采集。本发明的电压采样控制电路可适用于多种类型的直流开关电源，且膝电压knee voltage的信号采集准确性不受开关电源中变压器精度的限制，电压采样控制电路具有普遍的适用性，市场推广前景较好。
30.本实施例中，作为第一设定电压信号v1的一部分，上述的设定差值电压vos是根据电压端口信号vfb及所述延时信号vfb_delay的电压差值确定的。具体的，如图5所示的电压端口信号vfb及延时信号vfb_delay波形，电压端口信号vfb的膝电压knee voltage及其对应时刻t下的延时信号vfb_delay电压之间的差值为第一差值δu1，时刻（t-1）下的电压端口信号vfb的电压与延时信号vfb_delay电压之间的差值为第二差值δu2，取第二差值δu2作为设定差值电压vos。
31.在实施例二中，如图6所示，提出一种直流开关电源的电压采样控制电路，包括：第一比较器1，所述第一比较器1的第一输入端（即反相输入端vn）用于输入直流开关电源的电压端口信号vfb，所述第一比较器1的第二输入端（即同相输入端vp）用于输入所述电压端口信号的延时信号vfb_delay，所述第一比较器1的输出端用于输出第一比较结果信号。
32.第二比较器2，所述第二比较器2的第一输入端（即反相输入端vn）用于输入第一设定电压信号v1，所述第一设定电压信号v1的电压为所述电压端口信号vfb的电压与设定差值电压vos之和；所述第二比较器2的第二输入端（即同相输入端vp）用于输入所述延时信号vfb_delay，所述第二比较器2的输出端用于输出第二比较结果信号。
33.延时模块3和与门逻辑模块4，所述延时模块3的输入端用于连接所述第一比较器1的输出端，所述延时模块3的输出端连接所述与门逻辑模块4的第一输入端，所述与门逻辑模块4的第二输入端连接所述第二比较器2的输出端，所述与门逻辑模块4的输出端用于控制输出有效的采样结束信号，所述采样结束信号用于控制采集得到所述电压端口信号vfb的电压。
34.rs触发器5，所述rs触发器5的s输入端连接所述与门逻辑模块4的输出端，所述rs触发器5的输出端用于输出有效的采样结束信号tdsd。
35.反相器6和第二充放电电路7，所述反相器6的输入端连接所述rs触发器5的输出端，所述反相器6的输出端连接所述第二充放电电路7的控制端，所述第二充放电电路7的输出端连接所述rs触发器5的r输入端。
36.在一示例中，如图6所示，延时模块3包括第一充放电电路和施密特触发器，其中：第一充放电电路包括第一充电支路和第一放电支路，所述第一充电支路的正极连接有电源，所述第一充电支路的负极连接有第一电容c3，所述第一充电支路中串设有第一开关管pm1和电阻r3，所述第一开关管pm1的控制端连接所述第一比较器1的输出端；图6中，第一开关管pm1为p型开关管。
37.所述第一放电支路的正极连接所述第一电容c3的高电位端，所述第一放电支路的负极连接所述第一电容c3的低电位端，所述第一放电支路中串设有第二开关管nm1和电阻r4，所述第二开关管nm1的控制端连接所述第一比较器1的输出端；图6中，所述第二开关管nm1为n型开关管。
38.所述施密特触发器的输入端连接所述第一电容c1的高电位端，所述施密特触发器的输出端连接所述与门逻辑模块4的第一输入端。
39.在一示例中，第二充放电电路7如图6所示，包括：第二充电支路，所述第二充电支路的正极连接有电源，所述第二充电支路的负极连接第二电容c4，所述第二充电支路中串设有第三开关管pm2，所述第三开关管pm2的控制端连接所述反相器6的输出端；第二放电支路，所述第二放电支路的正极连接所述第二电容c4的高电位端，所述第二放电支路的负极连接所述第二电容c4的低电位端，所述第二放电支路中串设有第四开关管nm2，所述第四开关管nm2的控制端连接所述反相器6的输出端。
40.图6中，第一比较器1和第二比较器2的输入端的连接关系如下：第一比较器1的第一输入端vn通过第一电阻r1连接所述第一比较器1的第二输入端vp，所述第一电阻r1的低电位端连接有第一接地电容c1；所述第二比较器2的第一输入端vn通过所述第一电阻r1连接所述第二比较器2的第二输入端vp。
41.并且，所述第一电阻r1的低电位端串联有第二电阻r2和第五开关管，所述第五开关管的阳极连接所述第二电阻r2，所述第五开关管的阴极连接有第二接地电容c2，所述第五开关管的控制端用于输入所述有效的采样结束信号tdsd。
42.上述电压采样控制电路的控制原理如下：电压端口信号vfb信号经过由第一电阻r1与第一接地电容c1组成的滤波电路得到延时信号vfbsh，如图5所示，当延时信号vfb_delay信号的幅值超过电压端口信号vfb时，第一比较器1输出的第一比较结果信号翻转为高电平信号1，控制延时模块3中第一充电支路的第一开关管pm1关闭，第一放电支路的第二开关管nm1打开，使第一放电支路导通，第一电容c3的电荷通过电阻r4泄放。因为电压端口信号vfb此时处于谐振周期，在第一电容c3的电压低于施密特触发器simitter的翻转电压前，延时信号vfb_delay又低于电压端口信号vfb，第一比较器1输出的第一比较结果信号翻转为低电平信号0，控制延时模块3中第一放电支路的第二开关管nm1关闭，第一充电支路的第一开关管pm1打开，电源通过电阻r3给第一电容c3充电。只有当延时信号vfb_delay持续大于电压端口信号vfb超过设定的延时时间，施密特触发器simitter的输出翻转为高电平信号1。
43.当次级电感上的电流消磁快结束（如图2中i2的波形）时，电压端口信号vfb低于延时信号vfb_delay的幅度超过设定的差值电压vos时，第二比较器2输出的第二比较结果信号翻转为高电平信号1，此时与门逻辑模块4的两个输入端都为高电平信号1，与门逻辑模块
4输出为高电平信号1，相当于给rs触发器5的s输入端输入高电平信号，rs触发器5的触发逻辑如下表1所示，当s输入端输入高电平信号，r输入端输入低电平信号时，rs触发器5的输出端输出高电平信号1，即输出有效的采样结束信号tdsd，从而控制的第五开关管打开，进而采集采样保持电压vfbsh，该采样保持电压vfbsh将跟随延时信号vfb_delay，并且，由于电压端口信号vfb到采样保持电压vfbsh之间的电路结构参数均为已知，因而可通过采集采样保持电压vfbsh，能够准确得到电压端口信号vfb的膝电压knee voltage。
44.当rs触发器5输出高电平信号后，该高电平信号经过反相器6输出低电平信号，控制第二充电支路的第三开关管pm2打开，第二放电支路的第四开关管nm2关闭，电源通过电阻r3给第二电容c4充电。当第二电容c4上的电压超过翻转电压时，rs触发器5的r输入端为高电平信号1，使采样结束信号tdsd复位，从而结束采样。
45.表1在实施例三中，提供一种直流开关电源，直流开关电源具有电压采集端口（相当于图1中的vfb端口），以及实施例一或实施例二中的电压采样控制电路，所述电压采集端口连接图4或图6中第一比较器1的第一输入端vn，所述电压采集端口连接所述第二比较器2的第一输入端vn。
46.本实施例中，电压采样控制电路的具体结构请参考实施例一和实施例二中的相关记载，本实施例中不再对电压采样控制电路的具体结构进行赘述。
47.以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。