有源钳位反激变换器、反馈电压产生电路及其方法与流程

1.本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种有源钳位反激变换器及其方法。


背景技术：

2.有源钳位反激电路(active clamp flyback)因其高效率、低emi(电磁干扰)，在电能隔离变换领域得到了广泛的应用。所谓有源箝位反激电路，就是在反激电路的原边，除主功率开关之外，另外增加一个辅助开关和吸收电容，如图1所示。有源箝位反激电路包括耦接至变压器t原边绕组t1的主功率开关s1和辅助开关s2。该辅助开关s2在主功率开关s1导通期间不导通，在主功率开关s1断开期间保持导通(即两者互补导通)，或者在主功率开关s1断开期间导通一段时间。当主功率开关s1断开时，变压器t1的漏感能量被转移至吸收电容c1进行存储；由于辅助开关s2导通(或导通一段时间)，吸收电容c1在原边电流下降至零后对漏感进行反向充电，使得漏感被吸收的能量被重新存储到漏感或释放到负载中，从而提高了效率。
3.反激电路由于输入输出隔离，在原边控制(即主要控制电路被设置在原边)情况下，通常通过光电耦合器、隔离电容、辅助绕组等方式将输出电压反馈至原边。然而，这些方法成本高且使用寿命较短。另外有一些方法直接采样原边绕组两端电压，通过原副边绕组比计算，来得到输出电压。然而这种方法没有将变压器的漏感考虑进去，获得的输出电压信息不够准确，使得负载调节变差，尤其是轻载下的负载调节变差。


技术实现要素：

4.根据本发明的实施例，提出了一种有源钳位反激变换器，包括：变压器，接收输入电压，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述变压器还具有漏感，该漏感等效于与原边绕组相串联；主功率开关，耦接在原边绕组和原边参考地之间，其中主功率开关和原边绕组的共同耦接点为开关节点；辅助开关和辅助电容，耦接在开关节点和输入电压之间；反馈电压产生电路，根据表征流过原边绕组电流的电流信号、输入电压、开关节点电压、以及控制辅助开关的辅助控制信号，产生反馈电压；控制电路，根据反馈电压，产生主控制信号和所述辅助控制信号，用以分别控制主功率开关和辅助开关。
5.根据本发明的实施例，还提出了一种用于有源钳位反激变换器的反馈电压产生电路，所述有源钳位反激变换器包括：具有原边绕组、副边绕组及漏感的变压器，耦接在原边绕组和原边参考地之间的主功率开关，耦接在主功率开关和原边绕组的共同耦接点与输入电压之间的辅助开关和辅助电容，所述反馈电压产生电路包括：第一延时电路，对控制辅助开关的辅助控制信号进行第一时长的延迟，产生第一延时信号；第二延时电路，对辅助控制信号进行第二时长的延迟，产生第二延时信号；第一采样保持电路，响应第一延时信号，对表征流过原边绕组电流的电流信号进行采样并保持，得到第一保持信号；第二采样保持电路，响应第二延时信号，对电流信号进行采样并保持，得到第二保持信号；运算电路，对第一
保持信号和第二保持信号之差、第一时长和第二时长的时间差、漏感的电感值三者进行相乘运算，并将三者的乘积与主功率开关和原边绕组共同耦接点的电压进行相加运算、与输入电压进行相减运算，得到反馈电压。
6.根据本发明的实施例，还提出了一种用于有源钳位反激变换器的方法，所述有源钳位反激变换器包括：具有原边绕组、副边绕组和漏感的变压器，耦接在原边绕组和原边参考地之间的主功率开关，耦接在主功率开关和原边绕组的共同耦接点与输入电压之间的辅助开关和辅助电容；所述方法包括：原边绕组接收输入电压，通过周期性导通和断开主功率开关，将输入电压传递至副边，得到输出电压；在主功率开关断开期间，导通辅助开关；采样流过原边绕组的电流、主功率开关和原边绕组共同耦接点的电压、以及输入电压；响应流过原边绕组的电流、输入电压、主功率开关和原边绕组共同耦接点的电压、以及用于控制辅助开关的辅助控制信号，产生反馈电压；响应反馈电压，产生主控制信号和所述辅助控制信号，用以分别控制主功率开关和辅助开关。
7.根据本发明各方面的上述有源钳位反激变换器、反馈电压产生电路及其方法，实现了对输出电压的精准采样。
附图说明
8.图1为传统有源钳位反激电路的电路结构示意图；
9.图2为根据本发明实施例的有源钳位反激变换器200的电路结构示意图；
10.图3为根据本发明实施例的图2有源钳位反激变换器200中反馈电压产生电路104的电路结构示意图；
11.图4为根据本发明实施例的反馈电压产生电路104中运算电路405的电路结构示意图；
12.图5为根据本发明另一实施例的反馈电压产生电路104的电路结构示意图；
13.图6为根据本发明实施例的控制电路105的电路结构示意图；
14.图7示意性示出了根据本发明实施例的用于有源钳位反激变换器的方法流程图700。
具体实施方式
15.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。
16.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“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦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“直接耦接到”或“直接连接到”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。
17.图2为根据本发明实施例的有源钳位反激变换器200的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述反激变换器200包括：变压器t，接收输入电压v
in
，所述变压器包括原边绕组t1和副边绕组t2，所述变压器t还具有漏感lk，该漏感lk可以等效于与原边绕组t1相串联；主功率开关101，耦接在原边绕组t1和原边参考地之间，其中主功率开关101和原边绕组t1的共同耦接点为开关节点sw；辅助开关102和辅助电容103，耦接在开关节点sw和输入电压v
in
之间；反馈电压产生电路104，根据表征流过原边绕组电流的电流信号i
pri
、输入电压v
in
、开关节点电压v
sw
、以及控制辅助开关102的辅助控制信号g
102
，产生反馈电压v
fb
；控制电路105，根据反馈电压v
fb
，产生主控制信号g
101
和所述辅助控制信号g
102
，用以分别控制主功率开关101和辅助开关102。
18.在本发明的一个实施例中，主控制信号g
101
和辅助控制信号g
102
互补。在本发明的其他实施例中，主控制信号g
101
和辅助控制信号g
102
之间存在一定的死区时间。
19.在图2所示实施例中，有源钳位反激变换器200还包括副边二极管，耦接至副边绕组t2，以提供输出电压vo。在其他实施例中，该副边二极管可以用可控的功率开关(如所谓的同步整流管)取代，以提高效率。
20.图3为根据本发明实施例的图2有源钳位反激变换器200中反馈电压产生电路104的电路结构示意图。在图3所示实施例中，所述反馈电压产生电路104包括：第一延时电路41，对辅助控制信号g
102
进行第一时长t1的延迟，产生第一延时信号td1；第二延时电路42，对辅助控制信号g
102
进行第二时长t2的延迟，产生第二延时信号td2；第一采样保持电路43，响应第一延时信号td1，对电流信号i
pri
进行采样并保持，得到第一保持信号sh1；第二采样保持电路44，响应第二延时信号td2，对电流信号i
pri
进行采样并保持，得到第二保持信号sh2；运算电路45，对第一保持信号sh1和第二保持信号sh2之差、第一时长t1和第二时长t2的时间差、漏感lk的电感值l
lk
三者进行相乘运算，并将三者的乘积与开关节点电压v
sw
进行相加、与输入电压v
in
进行相减运算，得到反馈电压v
fb
。也就是说，反馈电压v
fb
与运算电路45各输入信号的关系为：
[0021]vfb
＝(sh
2-sh1)
×
l
lk
/(t
2-t1)+v
sw-v
in
[0022]
在本发明一个实施例中，第一时长t1小于第二时长t2。
[0023]
在本发明的一个实施例中，运算电路45可以用数字电路实现，也可以用模拟电路实现。
[0024]
图4为根据本发明实施例的运算电路405的电路结构示意图。在图4所示实施例中，所述运算电路405包括：第一运算单元51，对第一保持信号sh1和第二保持信号sh2执行相减运算；第二运算单元52，对第一保持信号sh1和第二保持信号sh2之差与第一时长t1和第二时长t2的时间差、漏感lk的电感值l
lk
三者进行相乘运算，得到乘积信号(sh
2-sh1)
×
l
lk
/(t
2-t1)；第三运算单元53，对开关节点电压v
sw
和输入电压v
in
执行相减运算；第三采样保持电路54，响应第二延时信号td2，对开关节点电压v
sw
和输入电压vin之差进行采样并保持，得到差值保持信号(v
sw-v
in
)；第四运算单元55，对差值保持信号(v
sw-v
in
)和乘积信号(sh
2-sh1)
×
l
lk
/(t
2-t1)执行相加运算，得到所述反馈电压v
fb
。
[0025]
图5为根据本发明实施例的反馈电压产生电路104的电路结构示意图。在图5所示实施例中，第一延时电路41和第二延时电路42均通过rc电路实现；第一采样保持电路43和第二采样保持电路44均通过采样开关和采样电容实现。rc延时电路和采样保持电路均为本领域技术人员熟悉的技术手段，为叙述简明，这里不再详述。
[0026]
在有源钳位反激变换器运行时，当主功率开关101断开、辅助开关102导通时，原边绕组t1两端电压v
t1
为辅助电容103两端的电压v
103
与漏感电压v
lk
之和，即v
t1
＝v
103
+v
lk
。
[0027]
而在辅助开关102导通时，辅助电容103两端的电压v
103
为开关节点电压v
sw
与输入电压v
in
之差，即v
103
＝v
sw-v
in
。
[0028]
而输出电压vo与原边绕组t1两端电压v
t1
的关系为：
[0029]vo
＝v
t1
×ns
/n
p
[0030]
其中ns/n
p
为原边绕组t1和副边绕组t2的匝数比。
[0031]
因此，只要得到漏感电压v
lk
，就可以得到输出电压vo的信息。
[0032]
在反馈电压产生电路104处，第一延时电路41和第一采样保持电路43在辅助开关102被导通之后的t1时刻点，将表征原边电流的电流信号i
pri
固定为第一保持信号sh1；第二延时电路42和第二采样保持电路44在辅助开关102被导通之后的t2时刻点，将表征原边电流的电流信号i
pri
固定为第二保持信号sh2；计算电路45对第一保持信号sh1和第二保持信号sh2之差与第一时长t1和第二时长t2的时间差、漏感lk的电感值l
lk
三者进行相乘运算。而根据电感两端电压与流过其上的电流变化率关系，可以知道，第一保持信号sh1和第二保持信号sh2之差与第一时长t1和第二时长t2的时间差、漏感lk的电感值l
lk
三者的乘积即为漏感电压v
lk
。
[0033]
因此，图3所示反馈电压产生电路104实现了对输出电压信息的精准采样。采样得到的输出电压信息经由控制电路105后，产生主控制信号g
101
和辅助控制信号g
102
，用以分别控制主功率开关101和辅助开关102。
[0034]
图6为根据本发明实施例的控制电路105的电路结构示意图。在图6所示实施例中，所述控制电路105包括：比例积分电路(如误差放大器ea)51，对反馈电压v
fb
和参考电压v
ref
之间的差值放大并积分，得到补偿信号cmp；比较器52，对补偿信号cmp和表征原边电流的电流信号i
pri
进行比较，产生复位信号r；逻辑电路53，响应复位信号r，产生主控制信号g
101
，用以控制主功率开关101。其中在主功率开关101被断开后，经过一死区时间，辅助开关102被导通。
[0035]
在本发明一个实施例中，主控制信号g
101
经由反相器后，转化为辅助控制信号g
102
，用以控制辅助开关102。
[0036]
图6所示控制电路105为闭环控制的一种实现方式，但是本领域技术人员应当意识到，根据本发明其他实施例，控制电路105也可以采用其他形式实现，如单电压环、峰值电流控制、平均电流控制等。如何实现控制电路105不是本发明讨论的技术点，为叙述简明，这里不再详述。
[0037]
图7示意性示出了根据本发明实施例的用于有源钳位反激变换器的方法流程图700。所述有源钳位反激变换器包括：具有原边绕组、副边绕组和漏感的变压器，耦接在原边绕组和原边参考地之间的主功率开关，耦接在主功率开关和原边绕组的共同耦接点与输入电压之间的辅助开关和辅助电容。所述方法包括：
[0038]
步骤701，原边绕组接收输入电压，通过周期性导通和断开主功率开关，将输入电压传递至副边，得到输出电压。
[0039]
步骤702，在主功率开关断开期间，导通辅助开关。
[0040]
步骤703，采样流过原边绕组的电流、主功率开关和原边绕组共同耦接点的电压、以及输入电压。
[0041]
步骤704，响应流过原边绕组的电流、输入电压、主功率开关和原边绕组共同耦接点的电压、以及用于控制辅助开关的辅助控制信号，产生反馈电压。
[0042]
步骤705，响应反馈电压，产生主控制信号和所述辅助控制信号，用以分别控制主功率开关和辅助开关。
[0043]
在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：对辅助控制信号进行第一时长的延时，产生第一延时信号，响应第一延时信号，对流过原边绕组的电流进行采样保持，得到第一保持信号；对辅助控制信号进行第二时长的延时，产生第二延时信号，响应第二延时信号，对流过原边绕组的电流进行采样保持，得到第二保持信号；对第一保持信号和第二保持信号之差与第一时长和第二时长的时间差、漏感的电感值三者进行相乘运算，得到乘积信号；将乘积信号与主功率开关和原边绕组共同耦接点的电压进行相加运算、与输入电压进行相减运算，得到所述反馈电压。
[0044]
在本发明的一个实施例中，所述步骤“响应反馈电压，产生主控制信号和所述辅助控制信号”包括：对反馈电压和参考电压的差值进行放大并积分，得到补偿信号；对补偿信号和表征原边电流的电流信号进行比较，产生置位信号；响应置位信号，产生所述主控制信号和所述辅助控制信号。
[0045]
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。