基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路和控制方法与流程

1.本发明涉及开关电源控制技术领域，尤其涉及一种基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路和一种基于输出功率的波谷锁存和切换的控制方法。


背景技术：

2.反激变换器广泛用于各类消费电子产品，是中小功率电源的主要拓扑。高效率，低噪音的方案对降低系统成本，提高用户体验及其重要。图1是典型的反激变换器电路示意图。其中输入为ac交流电压，c1是输入电压整流后滤波电容。q1是原边的主开关管。变压器t1有一个原边绕组np，一个副边绕组ns，一个辅助绕组na。d1是输出整流管。控制器从辅助绕组na通过整流管d2提供获取供电vcc。控制器输出信号drv驱动开关管q1的开通和关断。 当q1开通时，变压器t1从输入端存储能量。当开关管q1关断后，变压器t1释放能量到输出端。控制电路通过检测辅助绕组na的信号到引脚zcd可以获取变压器t1的工作电压信息。控制器通过检测rcs电压到引脚cs获取q1的工作电流信息。fb电压为反馈环路输出，用以控制输出电压或者电流。
3.在反激式电路中，开关管q1的开通损耗占总系统损耗的比例较高。为了提高效率，准谐振的控制方法让q1在其漏极电压vdrain谐振到最低点的时候开通，从而降低损耗。如图２所示，在第一个周期，q1的漏极电压vdrain到谐振周期的第一个波谷t1时，下一个drv信号驱动q1开通。但是波谷时间是随着电源本身的工作状态变化的，其相关因素包括输入电压，输出电压，输出功率，电路参数等等。因此，如果不做控制，q１开通点的波谷数会发生变动，如图２所示，在第二个周期，波谷开通时间t2位于第三个波谷。波谷数的不受控的变动可能造成音频噪音和效率降低，不利于高频小体积应用。因此，在负载不变或者变化很小的状态下，希望维持波谷数不变，保持频率基本不变。
4.反馈信号fb随着输出功率的减少而降低，因此，传统的锁存波谷方式是根据反馈信号fb的值来进行。如图3所示，当fb低于预设阈值后，波谷数按照预定的控制方法增加；当fb增加高于预设阈值后，波谷数按照预定的控制方法减少。增加和减少的阈值之间设有回差。这个方法能够对常用的反激电源转换实现波谷锁存，但对于需要控制功率输出，特别是恒功率输出，或者要求的满载功率大于标称功率的反激转换存在困难。这2种功率输出如图4。在恒功率输出情况下，工作点a和工作点c输出功率相等。但是c点的输出电压远低于a点，因此c点的工作频率远低于a点，同等输出功率要求c点的fb电压远高于a点的fb电压。在高满载功率情况下，b点的满载功率远高于a点，同样，b点的fb电压也会远高于a点。这2类电路有共同的情况是，在标称的输出点，由于fb电压远低于满载的fb点电压，按照传统的波谷由预设fb阈值的切换方法，会造成在标称功率，电源工作在较低的频率，引起效率降低和emi效果差，导致降低反激变换器的利用率，增加实际应用的成本。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路和控制方法，以解
决相关技术中存在的按照传统的波谷由预设fb阈值的切换方法，会造成在标称功率，电源工作在较低的频率，引起效率降低和emi效果差，导致降低反激变换器的利用率，增加实际应用的成本的问题。
6.作为本发明的第一个方面，提供一种基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路，应用于开关电源中，所述开关电源包括整流桥、由原边绕组np、副边绕组ns和辅助绕组na构成的变压器t1、功率开关管q1、输出整流管d1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻rcs以及控制器，所述控制器包括所述基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路，所述基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路包括输出电压检测单元、输出电流检测单元、乘法器、预设功率寄存单元、比较器以及波谷切换执行单元，所述输出电压检测单元的输入端连接到第一电阻r1和第二电阻r2之间以获取到所述开关电源的输出电压检测信号，所述输出电压检测单元的输出端连接所述乘法器的第一输入端，所述输出电流检测单元的输入端连接到功率开关管q1的源极和第三电阻rcs之间以获取到所述开关电源的输出电流检测信号，所述输出电流检测单元的输出端连接所述乘法器的第二输入端，所述乘法器的输出端连接所述比较器的正输入端，所述预设功率寄存单元的输出端连接所述比较器的负输入端，所述比较器的输出端连接所述波谷切换执行单元；所述输出电压检测单元，用于依据所述开关电源的输出电压检测信号计算得到所述开关电源的输出电压检测值vo；所述输出电流检测单元，用于依据所述开关电源的输出电流检测信号计算得到所述开关电源的输出电流检测值io；所述乘法器，用于根据所述开关电源的输出电压检测值vo和输出电流检测值io计算得到所述开关电源的输出功率检测值po；所述比较器，用于将所述开关电源的输出功率检测值po与所述预设功率寄存单元中的波谷切换功率阈值进行比较，并输出比较结果至所述波谷切换执行单元；所述波谷切换执行单元，用于根据比较结果，将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波谷切换至对应的目标波谷。
7.进一步地，所述开关电源的输出电压检测值vo的计算公式如下：，其中，vout为所述开关电源的输出电压实际值，na为变压器t1的辅助绕组匝数，ns为变压器t1的副边绕组匝数。
8.进一步地，所述依据所述开关电源的输出电流检测信号计算得到所述开关电源的输出电流检测值io，包括：所述开关电源的输出电流检测值io的计算公式如下：，其中，vcs为控制器引脚cs的峰值电压，rcs为控制器引脚cs的电流采样电阻值，np为变压器t1的原边绕组匝数，tr为变压器t1的磁恢复时间，tp为开关电源的工作周期。
9.进一步地，所述开关电源的输出功率检测值po的计算公式如下：
po=vo
×
io。
10.进一步地，还包括标称功率设定单元，所述标称功率设定单元用于设定所述开关电源的标称功率值，根据所设定的标称功率值以及预设标称功率转折点百分比，在所述预设功率寄存单元中查询出对应的波谷切换功率阈值，将该对应的波谷切换功率阈值作为所述比较器的基准功率值；所述比较器接收所述开关电源的输出功率检测值po与所述基准功率值，当所述开关电源的输出功率检测值po增大或减小至所述基准功率值时，所述波谷切换执行单元将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波谷切换至对应的目标波谷。
11.作为本发明的另一个方面，提供一种基于输出功率的波谷锁存和切换的控制方法，应用于开关电源中，所述开关电源包括整流桥、由原边绕组np、副边绕组ns和辅助绕组na构成的变压器t1、功率开关管q1、输出整流管d1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻rcs以及控制器，所述基于输出功率的波谷锁存和切换的控制方法包括：步骤s1：获取所述开关电源的输出电压检测信号和输出电流检测信号；步骤s2：依据所述开关电源的输出电压检测信号计算得到所述开关电源的输出电压检测值vo，以及依据所述开关电源的输出电流检测信号计算得到所述开关电源的输出电流检测值io；步骤s3：根据所述开关电源的输出电压检测值vo和输出电流检测值io计算得到所述开关电源的输出功率检测值po；步骤s4：将所述开关电源的输出功率检测值po与预设波谷切换功率阈值进行比较，并输出比较结果；步骤s5：根据所述比较结果，将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波谷切换至对应的目标波谷。
12.进一步地，所述依据所述开关电源的输出电压检测信号计算得到所述开关电源的输出电压检测值vo，包括：所述开关电源的输出电压检测值vo的计算公式如下：，其中，vout为所述开关电源的输出电压实际值，na为变压器t1的辅助绕组匝数，ns为变压器t1的副边绕组匝数。
13.进一步地，所述依据所述开关电源的输出电流检测信号计算得到所述开关电源的输出电流检测值io，包括：所述开关电源的输出电流检测值io的计算公式如下：，其中，vcs为控制器引脚cs的峰值电压，rcs为控制器引脚cs的电流采样电阻值，np为变压器t1的原边绕组匝数，tr为变压器t1的磁恢复时间，tp为开关电源的工作周期。
14.进一步地，所述根据所述开关电源的输出电压检测值vo和输出电流检测值io计算得到所述开关电源的输出功率检测值po，包括：
所述开关电源的输出功率检测值po的计算公式如下： po=vo
×
io。
15.进一步地，所述将所述开关电源的输出功率检测值po与预设波谷切换功率阈值进行比较，并输出比较结果；根据所述比较结果，将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波谷切换至对应的目标波谷，包括：设定所述开关电源的标称功率值；根据所设定的标称功率值以及预设标称功率转折点百分比，在预设功率寄存单元中查询出对应的波谷切换功率阈值，将该对应的波谷切换功率阈值作为基准功率值；接收所述开关电源的输出功率检测值po与所述基准功率值，当所述开关电源的输出功率检测值po增大或减小至所述基准功率值时，将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波谷切换至对应的目标波谷。
16.本发明提供的基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路和控制方法，根据实时检测出的输出功率值准确的控制波谷切换，从而避免了在标称功率由于fb过低造成工作频率过低的问题，能够优化反激变换器的效率，提高功率密度，以及满足有恒功率输出要求的应用设计，降低系统成本。
附图说明
17.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
18.图1为现有技术中典型的反激变换器示意图。
19.图2为现有技术中典型的波谷开通波形示意图。
20.图3为现有技术中锁谷切换示意图。
21.图4为现有技术中功率输出应用的电压电流示意图。
22.图5为本发明提供的基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路的一种结构框图。
23.图6为本发明提供的基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路的一种工作原理示意图。
24.图7为本发明提供的波谷切换功率阈值表格示意图。
25.图8为本发明提供的基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路的一种具体实施方式结构图。
26.图9为本发明提供的基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路的另一种工作原理示意图。
27.图10为本发明提供的基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路的另一种结构框图。
28.图11为本发明提供的输出功率检测值的数字计算过程示意图。
29.图12为本发明提供的输出功率检测值计算的工作波形示意图。
30.图13为本发明提供的基于输出功率的波谷锁存和切换的控制方法的流程图。
具体实施方式
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
32.为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
33.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.在本实施例中提供了一种基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路，应用于开关电源中，如图5和图8所示，所述开关电源包括整流桥、由原边绕组np、副边绕组ns和辅助绕组na构成的变压器t1、功率开关管q1、输出整流管d1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻rcs以及控制器，所述控制器包括所述基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路，所述基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路包括输出电压检测单元、输出电流检测单元、乘法器、预设功率寄存单元、比较器以及波谷切换执行单元，所述输出电压检测单元的输入端连接到第一电阻r1和第二电阻r2之间以获取到所述开关电源的输出电压检测信号，所述输出电压检测单元的输出端连接所述乘法器的第一输入端，所述输出电流检测单元的输入端连接到功率开关管q1的源极和第三电阻rcs之间以获取到所述开关电源的输出电流检测信号，所述输出电流检测单元的输出端连接所述乘法器的第二输入端，所述乘法器的输出端连接所述比较器的正输入端，所述预设功率寄存单元的输出端连接所述比较器的负输入端，所述比较器的输出端连接所述波谷切换执行单元；所述输出电压检测单元，用于依据所述开关电源的输出电压检测信号计算得到所述开关电源的输出电压检测值vo；所述输出电流检测单元，用于依据所述开关电源的输出电流检测信号计算得到所述开关电源的输出电流检测值io；所述乘法器，用于根据所述开关电源的输出电压检测值vo和输出电流检测值io计算得到所述开关电源的输出功率检测值po；所述比较器，用于将所述开关电源的输出功率检测值po与所述预设功率寄存单元中的波谷切换功率阈值进行比较，并输出比较结果至所述波谷切换执行单元；所述波谷切换执行单元，用于根据比较结果，将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波谷切换至对应的目标波谷。
35.在本发明实施例中，如图6所示，图中恒功率线1-5对应100%-60%的实际输出功率。100%为实际输出最大功率。获取实时检测出的输出功率检测值p0，波谷切换执行单元根据当前所对应的波谷数和输出功率检测值p0的变化情况，可以判断出下一步的波谷切换执行。参考图7，图7存储在预设功率寄存单元中，表1中有波谷切换点对应的功率阈值，例如，
如果当前波谷数为1，当计算出的输出功率检测值p0低于89%，则锁谷的数目从1转为2。如果当前波谷数为2，当输出功率检测值p0高于91%，则锁谷的数目从2转为1。以此类推。注意到功率上行和下行有内置少许回差。
36.因此，通过图6可以看出，本发明实施例提供的基于输出功率的波谷锁存和切换的控制电路，波谷切换的控制不再依赖于反馈电压fb来估计输出功率，而是可以根据实际的输出功率准确的控制。从而避免了在标称功率由于fb过低造成工作频率过低的问题。
37.具体地，根据反激变换器的工作原理，控制器的输出电压可以通过辅助绕组na来检测，所述开关电源的输出电压检测值vo的计算公式如下：，其中，vout为所述开关电源的输出电压实际值，na为变压器t1的辅助绕组匝数，ns为变压器t1的副边绕组匝数。
38.具体地，所述开关电源的输出电流检测值io的计算公式如下：，其中，vcs为控制器引脚cs的峰值电压，rcs为控制器引脚cs的电流采样电阻值，np为变压器t1的原边绕组匝数，tr为变压器t1的磁恢复时间，tp为开关电源的工作周期。
39.具体地，所述开关电源的输出功率检测值po的计算公式如下： po=vo
×
io。
40.由此，所述开关电源的输出功率检测可以通过已有的输出电流检测信号cs和输出电压检测信号zcd完成，而无需直接检测输出电压和电流，对控制电路没有增加额外成本。
41.如图9所示，由于所述开关电源的输出功率po是根据实时检测得出，因此，在标称功率设定已知情况下，控制器可以对远高于标称功率的输出功率po，如实施例中100%-180%标称功率段不进行波谷反应，避免了采用fb设计带来的不确定性。
42.具体地，如图10所示，图10显示实现标称功率设定的一个方法。还包括标称功率设定单元，所述标称功率设定单元用于通过保险丝电路设定所述开关电源的标称功率值，根据所设定的标称功率值以及预设标称功率转折点百分比，在所述预设功率寄存单元中查询出对应的波谷切换功率阈值，将该对应的波谷切换功率阈值作为所述比较器的基准功率值；所述比较器接收所述开关电源的输出功率检测值po与所述基准功率值，当所述开关电源的输出功率检测值po增大或减小至所述基准功率值时，所述波谷切换执行单元将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波谷切换至对应的目标波谷。
43.由此，当满载功率等于标称功率的设计，波谷切换启动点可设为靠近满载功率的位置。当满载功率不等于标称功率，波谷切换启动点可以设为远离满载功率点的位置，从而满足不同的应用需要。
44.如图11和图12所示，控制器对drv信号检测器上升沿和下降沿。drv信号的上升沿重置tp计数器。tp计数器的输出给出实时的开关周期值。drv信号的下降沿触发tr计数器。zcd经过一个斜率检测器，当斜率发生突然下降的点，重置并给出tr实时值。同时采样zcd信号给出输出电压的检测值vo。vcs为cs的峰值。kc为设计常数。数字控制器在每个开关周期
内，根据前述的公式实时计算电压vo和电流io，然后做乘法计算得出实时功率值po。根据po和存储的固定标称功率，可以实现每个周期的波谷数控制。本实施例采用数字计算。数字方法能够实现准确的检测和误差可控的乘法和除法计算，因此是合适的应用方法。但从原理来说，也可以由模拟方式来实现。
45.作为本发明的另一实施例，如图13所示，提供一种基于输出功率的波谷锁存和切换的控制方法，应用于开关电源中，所述开关电源包括整流桥、由原边绕组np、副边绕组ns和辅助绕组na构成的变压器t1、功率开关管q1、输出整流管d1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻rcs以及控制器，所述基于输出功率的波谷锁存和切换的控制方法包括：步骤s1：获取所述开关电源的输出电压检测信号和输出电流检测信号；步骤s2：依据所述开关电源的输出电压检测信号计算得到所述开关电源的输出电压检测值vo，以及依据所述开关电源的输出电流检测信号计算得到所述开关电源的输出电流检测值io；步骤s3：根据所述开关电源的输出电压检测值vo和输出电流检测值io计算得到所述开关电源的输出功率检测值po；步骤s4：将所述开关电源的输出功率检测值po与预设波谷切换功率阈值进行比较，并输出比较结果；步骤s5：根据所述比较结果，将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波谷切换至对应的目标波谷。
46.具体地，所述依据所述开关电源的输出电压检测信号计算得到所述开关电源的输出电压检测值vo，包括：所述开关电源的输出电压检测值vo的计算公式如下：，其中，vout为所述开关电源的输出电压实际值，na为变压器t1的辅助绕组匝数，ns为变压器t1的副边绕组匝数。
47.具体地，所述依据所述开关电源的输出电流检测信号计算得到所述开关电源的输出电流检测值io，包括：所述开关电源的输出电流检测值io的计算公式如下：，其中，vcs为控制器引脚cs的峰值电压，rcs为控制器引脚cs的电流采样电阻值，np为变压器t1的原边绕组匝数，tr为变压器t1的磁恢复时间，tp为开关电源的工作周期。
48.具体地，所述根据所述开关电源的输出电压检测值vo和输出电流检测值io计算得到所述开关电源的输出功率检测值po，包括：所述开关电源的输出功率检测值po的计算公式如下： po=vo
×
io。
49.具体地，所述将所述开关电源的输出功率检测值po与预设波谷切换功率阈值进行比较，并输出比较结果；根据所述比较结果，将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波
谷切换至对应的目标波谷，包括：设定所述开关电源的标称功率值；根据所设定的标称功率值以及预设标称功率转折点百分比，在预设功率寄存单元中查询出对应的波谷切换功率阈值，将该对应的波谷切换功率阈值作为基准功率值；接收所述开关电源的输出功率检测值po与所述基准功率值，当所述开关电源的输出功率检测值po增大或减小至所述基准功率值时，将所述功率开关管q1的开通点由当前锁定的波谷切换至对应的目标波谷。
50.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。