CN102638165B

CN102638165B - 一种开关电源功率补偿电路及电源芯片

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Publication number: CN102638165B
Application number: CN201210093000.1A
Authority: CN
Inventors: 田欢; 张奇
Original assignee: Shenzhen Ding Xinxin Microtronics AS
Current assignee: Shenzhen Ding Xinxin Microtronics A/S
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-03-31
Also published as: CN102638165A

Abstract

本发明适用于集成电路领域，提供了一种开关电源功率补偿电路及电源芯片，所述功率补偿电路包括：采样逻辑单元，用于根据逻辑控制信号生成采样控制信号；采样保持单元，用于根据采样控制信号输出采样处理信号；运放单元，用于根据采样处理信号与基准信号输出误差放大信号；储能单元，用于根据误差放大信号进行充放电，以调节误差放大信号的电压；比较器，用于比较采样电压与调节后的误差放大信号输出补偿控制信号，以补偿初级电感峰值电流进而补偿功率；钳位单元，用于对误差放大信号进行钳位。本发明通过负反馈环路控制初级电感上的峰值电流，并增加环路增益，精确优化了采样时间点，在不额外增加芯片引脚和降低系统效率的基础上补偿了输出功率。

Description

一种开关电源功率补偿电路及电源芯片

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种开关电源功率补偿电路及电源芯片。

背景技术

目前，在开关电源中，由于交流输入电压的范围通常在85VAC～265VAC之间变动，并且控制系统存在一定延迟，以致在不同的输入电压下，最大输出功率会有很大偏差，不利于精确控制。

以反激式开关电源为例，图1示出了现有的反激式控制开关电源最大输出功率电路的结构，其中包括：振荡器11、逻辑控制器12、驱动电路13、比较器14、变压器T1、第一开关管HN1、二极管D1、电容C1、电阻R1以及电阻R2；

振荡器11的输出端与逻辑控制器12的输入端连接，逻辑控制器12的输出端与驱动电路13的输入端连接，驱动电路13的输出端与第一开关管HN1的控制端连接，第一开关管HN1的输出端通过电阻R2接地，第一开关管HN1与电阻R2的连接端与比较器14的正向输入端连接，比较器14的反向输入端与外部基准单元15连接，比较器14的输出端与逻辑控制器12的控制端连接，第一开关管HN1的输入端与变压器T1初级线圈Np的同名端连接，变压器T1初级线圈Np的异名端为开关电源电路的输入端V_in与外部交流电源连接，变压器T1次级线圈Ns的异名端接地，变压器T1次级线圈Ns的同名端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极通过电容C1接地，电阻R1与电容C1并联，电阻R1与二极管D1连接的一端为开关电源电路的输出端V_out输出功率。

振荡器11通过逻辑控制器12和驱动电路13控制第一开关管HN1导通，当第一开关管HN1导通时，变压器T1初级线圈Np上的电流线性上升，初级线圈Np与磁芯形成的电感存贮能量，此时输出功率靠电容C1维持。

当电阻R2端的电压上升到基准电压Vref时，比较器14翻转，通过逻辑控制器12和驱动电路13控制第一开关管HN1关断。当第一开关管HN1关断后，次级线圈Ns上的电流线性下降，通过二极管D1、电容C1整流滤波后释放能量给输出负载R1，保证所需功率。

输出功率的公式为：其中Lp为变压器T1初级线圈与磁芯形成的初级电感值，Ip为初级电感上的电流峰值，f为开关频率，并且Ip＝Vref/R2。

由于现有开关电源电路存在传输延迟和开关延迟，因此当电阻R2上的电压值达到Vref时，第一开关管HN1还需要一段时间之后才能关断，使得Ip略大于预设的峰值电流，而输出功率P_out与Ip成平方成正比关系，因此输出功率P_out变化会更大。

目前对于反激式开关电源的补偿，其一是采用输入电压V_in采样补偿，即根据V_in的变化来调整流入电阻R2的电流或者是调整Vref的电压值，以消除延迟对Ip产生的影响。但是，这种方法会增加控制芯片的引脚，同时也会降低效率。

其二是利用负反馈环路来控制初级电感峰值电流的大小进行补偿。但是此方法环路的增益比较小，仍然会导致设计值和实际值存在一定的偏差，而且采样的时间点不容易控制，同样会产生偏差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种开关电源功率补偿电路，旨在解决现有功率补偿电路引脚多、效率低、补偿效果差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种开关电源功率补偿电路，所述功率补偿电路与外部基准单元以及开关电源电路的采样输出端和反馈控制端连接，所述功率补偿电路包括：

采样逻辑单元，所述采样逻辑单元的输入端与所述开关电源电路的采样输出端连接，用于根据逻辑控制信号生成采样控制信号；

采样保持单元，所述采样保持单元的控制端与所述采样逻辑单元的输出端连接，所述采样保持单元的输入端与所述开关电源电路的反馈控制端连接，用于以所述采样控制信号为时钟对由所述开关电源电路中初级电感峰值电流生成的采样电压进行采样处理，输出采样处理信号；

运放单元，所述运放单元的正向输入端与所述基准单元连接，所述运放单元的反向输入端与所述采样保持单元的输出端连接，用于将所述采样处理信号与所述基准单元生成的基准信号进行误差放大，输出误差放大信号；

储能单元，所述储能单元的输入端与所述运放单元的输出端连接，所述储能单元的输出端接地，用于根据所述误差放大信号进行充电或放电，以调节所述误差放大信号的电压；

比较器，所述比较器的正向输入端与所述储能单元的输入端连接，所述比较器的反向输入端与所述开关电源电路的采样输出端连接，用于将所述采样电压与调节后的所述误差放大信号进行比较，输出补偿控制信号，以补偿初级电感峰值电流进而补偿功率，所述误差放大信号电压值的变化影响所述比较器的翻转时间以及所述逻辑控制信号的跳变周期；

钳位单元，所述钳位单元的输入端与所述比较器的正向输入端连接，用于对所述误差放大信号进行钳位。

本发明实施例的另一目的在于提供一种电源芯片，所述电源芯片中的开关电源功率补偿电路与基准单元以及开关电源电路的采样输出端和反馈控制端连接，所述功率补偿电路包括：

本发明实施例通过负反馈环路控制初级电感Lp上的峰值电流，并增加环路增益，精确优化了采样时间点，使得初级电感峰值电流Ip的设计值和实际值偏差很小，在不额外增加芯片引脚和降低系统效率的基础上补偿了输出功率。

附图说明

图1为现有反激式控制开关电源最大输出功率电路的结构图；

图2为本发明一实施例提供的开关电源功率补偿电路的结构图；

图3为本发明一实施例提供的开关电源功率补偿电路的部分信号波形图；

图4为本发明一实施例提供的开关电源功率补偿电路的另一部分信号波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过负反馈环路控制初级电感Lp上的峰值电流，并增加环路增益，精确优化了采样时间点，在不额外增加芯片引脚和降低系统效率的基础上补偿了输出功率。

图2示出本发明实施例提供的开关电源功率补偿电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

开关电源电路1包括：振荡器11、逻辑控制器12、驱动电路13、变压器T1、第一开关管HN1、二极管D1、电容C1、电阻R1以及电阻R2；

振荡器11的输出端与逻辑控制器12的输入端连接，逻辑控制器12的控制端为开关电源电路的反馈控制端，逻辑控制器12的输出端与驱动电路13的输入端连接，驱动电路13的输出端与第一开关管HN1的控制端连接，第一开关管HN1的输出端通过电阻R2接地，第一开关管HN1与电阻R2的连接端为采样输出端，第一开关管HN1的输入端与变压器T1初级线圈Np的同名端连接，变压器T1初级线圈Np的异名端为开关电源电路的输入端V_in与外部交流电源连接，变压器T1次级线圈Ns的异名端接地，变压器T1次级线圈Ns的同名端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极通过电容C1接地，电阻R1与电容C1并联，电阻R1与二极管D1连接的一端为开关电源电路的输出端V_out输出功率。

作为本发明一实施例提供的开关电源功率补偿电路2与外部基准单元15以及开关电源电路1的采样输出端和反馈控制端连接，可以集成于各种电源芯片中，该开关电源功率补偿电路2包括：

采样逻辑单元21，该采样逻辑单元21的输入端与开关电源电路1的采样输出端连接，用于根据逻辑控制信号Ton生成采样控制信号SAM_CLK；

采样保持单元22，该采样保持单元22的控制端与采样逻辑单元21的输出端连接，采样保持单元22的输入端与开关电源电路1的反馈控制端连接，用于以采样控制信号SAM_CLK为时钟对由开关电源电路1中初级电感峰值电流Ip生成的采样电压CS进行采样处理，输出采样处理信号CS_SAM；

运放单元23，该运放单元23的正向输入端与外部基准单元15连接，运放单元23的反向输入端与采样保持单元22的输出端连接，用于将采样处理信号CS_SAM与基准单元15生成的基准信号V_REF进行误差放大，输出误差放大信号CS_COMP；

储能单元24，该储能单元24的输入端与运放单元23的输出端连接，储能单元24的输出端接地，用于根据误差放大信号CS_COMP进行充电或放电，以调节误差放大信号CS_COMP的电压；

作为本发明一优选实施例，储能单元24可以为电容C2，电容C2的两端分别为储能单元24的输入端和输出端。

当然，再对集成度要求较高时，储能单元24也可以采用MOS管实现。

作为本发明一优选实施例，运放单元23和储能单元24可以直接采用一个积分放大器(PID)或者其他有同等功能的单元实现，该积分放大器的正向输入端为运放单元23的正向输入端，积分放大器的反向输入端为运放单元23的反向输入端，积分放大器的输出端为储能单元24的输出端。

比较器25，该比较器25的正向输入端与储能单元24的输入端连接，比较器25的反向输入端与开关电源电路1的采样输出端连接，用于将采样电压CS与调节后的误差放大信号CS_COMP进行比较，输出补偿控制信号，以补偿初级电感峰值电流Ip进而补偿功率；

钳位单元26，该钳位单元26的输入端与比较器25的正向输入端连接，用于对误差放大信号CS_COMP进行钳位。

在本发明实施例中，对由初级电感峰值电流Ip生成的采样电压CS采样处理为采样处理信号CS_SAM，并将采样处理信号CS_SAM与预设的基准信号V_REF进行比较，该基准信号V_REF可以通过期望得到的功率计算并由外部基准单元15生成，通过采样处理信号CS_SAM与基准信号V_REF的误差放大结果调节误差放大信号CS_COMP的电压值，而由于误差放大信号CS_COMP电压值的变化会影响比较器25的翻转时间，进而影响逻辑控制信号Ton的跳变周期，进而调节关断信号NG的跳变时间，以控制第一开关管HN1的导通时间，最终实现调节初级电感峰值电流Ip，即实现对功率的补偿。

下面结合图3和图4进一步对本发明实施例进行解释。

在图3中，第一个开关周期内，逻辑控制信号Ton首先变高，第一开关管HN1打开，初级电感电流Ip线性上升，采样电压CS也线性上升。因为嵌位电路26的钳位作用，比较器25的正向输入端存在一个电压初始值CS_COMP1。当采样电压CS的电压值达到电压初始值CS_COMP1时，逻辑控制信号Ton信号被拉低，但是由于逻辑控制信号Ton与第一开关管HN1的关断信号NG之间有Td时间的延迟，所以采样电压CS会继续上升，直到关断信号NG被拉低。采样保持单元22采样此时刻的电压值，并采样处理为信号CS_SAM1。

CS_SAM1与CS_COMP1之间的电压差用公式表示为：

其中R2为电阻R2的阻值，V_in为输入电压的电压值，Lp为变压器T1初级线圈与磁芯形成的初级电感值，Td为逻辑控制信号Ton与关断信号NG的延迟时间。

当输入电压V_in变化时，ΔV会发生变化，ΔV的变化直接反映了初级电感峰值电流Ip与设定值的偏差。为了消除输入电压变化产生的影响，将第一个开关周期的采样处理信号CS_SAM1与预设的基准电压V_REF进行比较。当采样处理信号CS_SAM1大于基准电压V_REF时，运放单元23对电容C2放电，CS_COMP的值就会变小，如图3所示CS_COMP2的信号波形。

在第二个开关周期内，当采样电压CS上升到CS_COMP1的值时，逻辑控制信号Ton被拉低，经过Td的延迟，关断信号NG被拉低，记录此时的信号为CS_SAM2，并将CS_SAM2与基准电压V_REF比较。

若CS_SAM2的值大于VREF的值，则在第三个开关周期继续重复第二个开关周期的动作，直到采样处理信号与基准电压相等，通过几个开关周期的负反馈调节，第一开关管HN1关断时，采样电压CS与内部基准电压V_REF的值达到一致，并且由于环路中加入了一个高增益的运放单元23，使采样电压CS与预设的电压值保持一致，因此意味着初级电感电流Ip已补偿至设计值。

若第一个开关周期的采样处理信号CS_SAM1的电压值小于基准电压V_REF，则通过运放单元23对电容C2充电，增大CS_COMP1的值，以延长第一开关管HN1的导通时间，调节采样电压CS增大，并在第二个开关周期里继续比较采样处理信号CS_SAM1与基准电压V_REF，若CS_SAM的电压值还是小于V_REF，那么继续调整采样电压CS增大，直到几个周期后CS_SAM1与V_REF相等，使采样电压CS与预设的电压值保持一致，对初级电感电流Ip补偿至设计值，系统达到稳定。

在图4中，Ton_D为逻辑控制信号Ton的下降沿延迟信号，延迟时间为t1，采样保持单元21输出的采样控制信号SAM_CLK维持高电平的时间为t2，采样控制信号SAM_CLK与关断信号NG的下降沿对应的时刻一致，因此可以保证每次采样精确到关断时间点上，并保证t1的时间小于逻辑控制信号Ton的下降沿与关断信号NG的下降沿的延迟时间Td。

由于根据信号TON_D的下降沿与关断信号NG的下降沿产生采样控制信号SAM_CLK，以及控制产生延迟均为本技术领域较为成熟的技术，此处不再赘述。

采样逻辑单元，采样逻辑单元的输入端与开关电源电路的采样输出端连接，用于根据逻辑控制信号生成采样控制信号；

采样保持单元，采样保持单元的控制端与采样逻辑单元的输出端连接，采样保持单元的输入端与开关电源电路的反馈控制端连接，用于以采样控制信号为时钟对由开关电源电路中初级电感峰值电流生成的采样电压进行采样处理，输出采样处理信号；

运放单元，运放单元的正向输入端与基准单元连接，运放单元的反向输入端与采样保持单元的输出端连接，用于将采样处理信号与基准单元生成的基准信号进行误差放大，输出误差放大信号；

储能单元，储能单元的输入端与运放单元的输出端连接，储能单元的输出端接地，用于根据误差放大信号进行充电或放电，以调节误差放大信号的电压；

作为本发明一实施例，该储能单元为电容C2，电容C2的两端分别为储能单元的输入端和输出端。

运放单元和储能单元可以直接采用一个积分放大器(PID)或者其他有同等功能的单元实现，该积分放大器的正向输入端为运放单元的正向输入端，积分放大器的反向输入端为运放单元的反向输入端，积分放大器的输出端为储能单元的输出端。

比较器，比较器的正向输入端与储能单元的输入端连接，比较器的反向输入端与开关电源电路的采样输出端连接，用于将采样电压与调节后的误差放大信号进行比较，输出补偿控制信号，以补偿初级电感峰值电流进而补偿功率；

钳位单元，钳位单元的输入端与比较器的正向输入端连接，用于对误差放大信号进行钳位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种开关电源功率补偿电路，所述功率补偿电路与外部基准单元以及开关电源电路的采样输出端和反馈控制端连接，其特征在于，所述功率补偿电路包括：

比较器，所述比较器的正向输入端与所述储能单元的输入端连接，所述比较器的反向输入端与所述开关电源电路的采样输出端连接，用于将所述采样电压与调节后的所述误差放大信号进行比较，输出补偿控制信号，根据所述补偿控制信号的翻转变化影响所述逻辑控制信号的跳变周期，进而调节关断信号控制开关管的导通时间，以补偿初级电感峰值电流进而补偿功率，所述误差放大信号电压值的变化影响所述比较器的翻转时间以及所述逻辑控制信号的跳变周期；

钳位单元，所述钳位单元的输入端与所述比较器的正向输入端连接，用于对所述误差放大信号进行钳位；

第一个开关周期内，采样处理信号与误差放大信号之间的电压差用公式表示为：

Δ V = R 2 \times \frac{V_{i n}}{L_{p}} \times T_{d}

其中R2为所述开关电源电路中采样输出端与地之间的电阻R2的阻值，V_in为所述开关电源电路的输入电压的电压值，Lp为所述开关电源电路中变压器T1初级线圈与磁芯形成的初级电感值，Td为所述逻辑控制信号与所述关断信号的延迟时间。

2.如权利要求1所述的功率补偿电路，其特征在于，所述储能单元为电容C2，所述电容C2的两端分别为所述储能单元的输入端和输出端。

3.如权利要求1所述的功率补偿电路，其特征在于，所述运放单元和所述储能单元为积分放大器，所述积分放大器的正向输入端为所述运放单元的正向输入端，所述积分放大器的反向输入端为所述运放单元的反向输入端，所述积分放大器的输出端为所述储能单元的输出端。

4.一种电源芯片，其特征在于，所述电源芯片中的开关电源功率补偿电路与基准单元以及开关电源电路的采样输出端和反馈控制端连接，所述功率补偿电路包括：

Δ V = R 2 \times \frac{V_{i n}}{L_{p}} \times T_{d}

5.如权利要求4所述的电源芯片，其特征在于，所述储能单元为电容C2，所述电容C2的两端分别为所述储能单元的输入端和输出端。

6.如权利要求4所述的电源芯片，其特征在于，所述运放单元和所述储能单元为积分放大器，所述积分放大器的正向输入端为所述运放单元的正向输入端，所述积分放大器的反向输入端为所述运放单元的反向输入端，所述积分放大器的输出端为所述储能单元的输出端。