CN106655834A - 准谐振原边恒流控制电路及具有该电路的交直流转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种准谐振原边恒流控制电路及具有该电路的交直流转换器，其电路包括：采样检测器，用于侦测线电压并采集原边电压信号和原边电流信号，并生成波谷检测信号、原边电压时序信号和原边电流采样放大信号；恒流导通信号控制器，用于根据波谷检测信号、原边电压时序信号和PFM信号生成恒流开关导通信号；恒流关断信号控制器，用于根据原边电流采样放大信号、限流基准电压信号和原边电压时序信号生成恒流开关关断信号；恒流开关驱动器，用于根据恒流开关导通信号和恒流开关关断信号生成用于驱动所述开关管的开关驱动信号。本发明通过采用准谐振控制技术，提高了最大工作频率和工作效率，降低了成本，并大大减小了电磁干扰。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种准谐振原边恒流控制电路及具有该电路的交直流转换器。
背景技术
交直流转换器(AC-DC转换器)就是将交流电变为直流电的设备，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为整流，功率流由负载返回电源的称为有源逆变。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种准谐振原边恒流控制电路及具有该电路的交直流转换器，通过采用准谐振控制技术，提高了最大工作频率和工作效率，降低了成本，且由于开关管零电压导通，大大减小了电磁干扰。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：准谐振原边恒流控制电路，设置于交直流转换器内，所述准谐振原边恒流控制电路包括：
采样检测器，用于侦测线电压并采集原边电压信号和原边电流信号，并将所述交直流转换器的开关管关断时的原边电压信号与采样检测器内的电压放大基准电压信号进行比较得到波谷检测信号和原边电压时序信号，以及将所述开关管导通时的原边电流信号和电流放大基准电压信号进行比较得到原边电流采样放大信号；
恒流导通信号控制器，用于根据波谷检测信号、原边电压时序信号和采样检测器发出的PFM信号进行逻辑运算得到准谐振导通逻辑信号，并将所述准谐振导通逻辑信号与频率限制器发出的信号进行比较得到恒流开关导通信号；
恒流关断信号控制器，用于根据所述原边电流采样放大信号与恒流导通信号控制器发出的限流基准电压信号得到限流关断信号，根据所述原边电压时序信号得到恒流基准电压信号，所述原边电流采样放大信号和恒流基准电压信号进行比较得到恒流关断信号，并根据恒流关断信号和限流关断信号生成恒流开关关断信号；
恒流开关驱动器，用于根据所述恒流开关导通信号和恒流开关关断信号生成用于驱动所述开关管的开关驱动信号。
所述采样检测器包括：
电压采样单元，用于逐周期采集所述原边电压信号；
电流采样单元，用于逐周期采集所述原边电流信号；
基准电压源，用于产生电压放大基准电压信号、电流放大基准电压信号、电压时序检测基准电压信号和限流基准电压信号，并将电压放大基准电压信号发送至电压放大器，将电流放大基准电压信号发送至电流放大器，将电压时序检测基准电压信号发送至原边电压时序检测器，将限流基准电压信号发送至恒流导通信号控制器；
电压放大器，用于对所述原边电压信号进行放大；
电流放大器，用于对所述原边电流信号进行放大得到所述原边电流采样放大信号；
原边电压时序检测器，用于将放大后的原边电压信号进行逻辑运算得到波谷检测信号及原边电压时序信号；
自适应斜波补偿单元，用于获取所述线电压，并根据线电压补偿所述原边电流信号。
所述原边电压时序检测器用于产生所述PFM信号，并将该PFM信号发送至恒流导通信号控制器。
所述恒流导通信号控制器包括：
准谐振导通信号发生器，用于根据波谷检测信号、原边电压时序信号和PFM信号进行逻辑运算得到准谐振导通逻辑信号；
振荡器，用于产生内部时钟信号、高频限制频率信号和低频限制频率信号，并将内部时钟信号发送至准谐振导通信号发生器，将高频限制频率信号和低频限制频率信号发送至频率限制器；
频率限制器，用于根据所述高频限制频率信号生成高频限制信号，根据所述低频限制频率信号生成低频限制信号；
第一逻辑门，用于根据所述准谐振导通逻辑信号、高频限制信号和低频限制信号生成所述恒流开关导通信号。
所述高频限制频率信号为80kHz信号，低频限制频率信号为50kHz信号。
所述恒流关断信号控制器包括：
限流比较器，用于将所述原边电流采样放大信号和限流基准电压信号进行比较得到限流关断信号；
恒流调节器，用于根据所述原边电压时序信号得到恒流基准电压信号；
恒流比较器，用于将所述原边电流采样放大信号和恒流基准电压信号进行比较得到恒流关断信号；
第二逻辑门，用于将所述恒流关断信号和限流关断信号进行逻辑运算得到恒流开关关断信号。
所述恒流开关驱动器包括：
基准电流源，用于输出基准恒流信号；
RS触发器，用于将所述恒流导通信号和恒流关断信号进行逻辑运算得到开关逻辑控制信号；
恒流驱动门，用于根据所述基准恒流信号和所述开关逻辑控制信号生成所述开关驱动信号。
交直流转换器，包括上述的准谐振原边恒流控制电路、变压器和开关管，准谐振原边恒流控制电路分别与变压器和开关管连接。
本发明的有益效果是：本发明采用准谐振控制技术，能在大幅提高满载工作频率以便系统减少体积的同时提高轻载阶段的效率，降低损耗；开关管在零电流时导通，大大减小了电磁干扰；采用谷值电压采样开通技术，减小开关损耗，提高系统效率；采用的原边反馈PSR控制技术，在原边即可采样次级边电压及电流信号，减少外围器件数量，降低系统成本及成品体积。
附图说明
图1为本发明准谐振原边恒流控制电路的一个实施例的结构框图；
图2为本发明准谐振原边恒流控制电路中采样检测器的一个结构框图；
图3为本发明准谐振原边恒流控制电路中恒流导通信号控制器的一个结构框图；
图4为本发明准谐振原边恒流控制电路中恒流关断信号控制器的一个结构框图；
图5为本发明准谐振原边恒流控制电路中恒流开关驱动器的一个结构框图；
图6为本发明准谐振原边恒流控制电路中原边电压/电流信号及关键开关信号时序图；
图7为本发明准谐振原边恒流控制电路的又一个实施例的结构框图；
图中，1-采样检测器，101-电压采样单元，102-电流采样单元，103-基准电压源，104-电压放大器，105-电流放大器,106-原边电压时序检测器，107-自适应斜波补偿单元，N101-原边电压信号，N102-原边电流信号，N103-波谷检测信号，N104-原边电压时序信号，N105-原边电流采样放大信号，N106-线电压，N107-电压放大基准电压信号，N108-电流放大基准电压信号，N109-电压时序检测基准电压信号，N110-限流基准电压信号，2-恒流导通信号控制器，201-准谐振导通信号发生器，202-振荡器，203-频率限制器，204-第一逻辑门，N201-恒流开关导通信号，N202-准谐振导通逻辑信号，N203-内部时钟信号，N204-高频限制频率信号，N205-低频限制频率信号，N206-高频限制信号，N207-低频限制信号，3-恒流关断信号控制器，301-限流比较器，302-恒流调节器，303-恒流比较器，304-第二逻辑门，N301-恒流开关关断信号，N302-限流关断信号，N303-恒流基准电压信号，N304-恒流关断信号，4-恒流开关驱动器，401-基准电流源，402-RS触发器，403-恒流驱动门，N401-开关驱动信号，N402-基准恒流信号，N403-开关逻辑控制信号，001-电阻采样网络，002-变压器，003-开关管，004-采样电阻，005-桥式整流器，006-辅助绕组，007-LED光源，N001-变压器电压信号，N002-原边采样电流信号。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，用于交直流转换器的准谐振原边恒流控制电路，与交直流转换器连接，所述准谐振原边恒流控制电路包括采样检测器1、恒流导通信号控制器2、恒流关断信号控制器3和恒流开关驱动器4。
如图2所示，所述采样检测器用于侦测线电压N106并采集原边电压信号N101和原边电流信号N102，并将所述交直流转换器的开关管关断时的原边电压信号N101与采样检测器内的电压放大基准电压信号N107进行比较得到波谷检测信号N103和原边电压时序信号N104，以及将所述开关管导通时的原边电流信号N102和采样检测器内的电流放大基准电压信号N108进行比较得到原边电流采样放大信号N105。
所述采样检测器包括电压采样单元101、电流采样单元102、基准电压源103、电压放大器104、电流放大器105、原边电压时序检测器106和自适应斜波补偿单元107。
所述电压采样单元101，用于逐周期采集所述原边电压信号N101；电阻采样网络001对交直流转换器的变压器002的原边电压进行采样得到变压器电压信号N001，电压采样单元101对变压器电压信号N001进行采样得到原边电压信号N101。
电流采样单元102，用于逐周期采集所述原边电流信号N102；开关管003导通后，电流流经采样电阻004得到原边采样电流信号N002，电流采样单元102对原边采样电流信号N002进行采集得到原边电流信号N102。
基准电压源103，用于产生电压放大基准电压信号N107、电流放大基准电压信号N108、电压时序检测基准电压信号N109和限流基准电压信号N110，并将电压放大基准电压信号N107发送至电压放大器104，将电流放大基准电压信号N108发送至电流放大器105，将电压时序检测基准电压信号N109发送至原边电压时序检测器106，将限流基准电压信号N110发送至恒流导通信号控制器2。
电压放大器104用于对所述原边电压信号N101进行放大。
电流放大器105用于对所述原边电流信号N102进行放大得到所述原边电流采样放大信号N105。
原边电压时序检测器106，用于将放大后的原边电压信号N101进行逻辑运算得到波谷检测信号N103及原边电压时序信号N104；所述原边电压时序检测器还用于产生所述PFM信号，并将该PFM信号发送至恒流导通信号控制器2。
自适应斜波补偿单元107，用于获取所述线电压N106，并根据线电压N106补偿所述原边电流信号N102。
如图3所示，所述恒流导通信号控制器2的输入信号为波谷检测信号N103、原边电压时序信号N104和采样检测器发出的PFM信号，恒流导通信号控制器2的输出信号为恒流开关导通信号N201。
所述恒流导通信号控制器2包括准谐振导通信号发生器201、振荡器202、频率限制器203和第一逻辑门204。
所述准谐振导通信号发生器201用于根据波谷检测信号N103、原边电压时序信号N104和PFM信号进行逻辑运算得到准谐振导通逻辑信号N202。
所述振荡器202用于产生内部时钟信号N203、高频限制频率信号N204和低频限制频率信号N205，并将内部时钟信号N203发送至准谐振导通信号发生器201，将高频限制频率信号N204和低频限制频率信号N205发送至频率限制器203；所述高频限制频率信号N204为80kHz信号，低频限制频率信号N205为50kHz信号。
所述频率限制器203用于根据所述高频限制频率信号N204生成高频限制信号N206，根据所述低频限制频率信号N205生成低频限制信号N207。
所述第一逻辑门204用于根据所述准谐振导通逻辑信号N202、高频限制信号N206和低频限制信号N207生成所述恒流开关导通信号N201。
如图4所示，所述恒流关断信号控制器3的输入信号为原边电压时序信号N104、原边电流采样放大信号N105和限流基准电压信号N110，恒流关断信号控制器3的输出信号为恒流开关关断信号N301。
所述恒流关断信号控制器3包括限流比较器301、恒流调节器302、恒流比较器303和第二逻辑门304。
限流比较器301用于将所述原边电流采样放大信号N105和限流基准电压信号N110进行比较得到限流关断信号N302。
恒流调节器302用于根据所述原边电压时序信号N104得到恒流基准电压信号N303。
恒流比较器303用于将所述原边电流采样放大信号N105和恒流基准电压信号N303进行比较得到恒流关断信号N304。
第二逻辑门304用于将所述恒流关断信号N304和限流关断信号N302进行逻辑运算得到恒流开关关断信号N301。
如图5所示，所述恒流开关驱动器4的输入信号为恒流开关导通信号N201和恒流开关关断信号N301，恒流开关驱动器4的输出信号为开关驱动信号N401。
所述恒流开关驱动器4包括基准电流源401、RS触发器402和恒流驱动门403。
基准电流源401用于输出基准恒流信号N402。
RS触发器402用于将所述恒流导通信号N201和恒流关断信号N301进行逻辑运算得到开关逻辑控制信号N403。
恒流驱动门403用于根据所述基准恒流信号N402和所述开关逻辑控制信号N403生成所述开关驱动信号N401。
本发明中采用准谐振控制技术，开关管003导通时原边电流为0，即次级边电流也为0，因此可以得到：
式中，Iout为输出电流，Ipks为次级边峰值电流，Tons为次级边导通时间，Toffs为次级边关断时间。由于次级边峰值电流Ipks和原边峰值电流Ipk存在以下关系
所以得到
由于所述交直流转换器采用峰值电流控制逻辑，因此上述公式中Ipk值恒定，而当应用系统确定后，原边与次级边的匝数比Np/Ns也是恒定的，故只需要Tons/Tsw的比值恒定就能够使Iout保持恒定，因此本发明通过采样原边电压时序信号得到当前周期的Tons，通过恒流调节器确定的Tons/Tsw比值计算下一周期的Toffs，运算得出系统恒流基准电压，输出到恒流比较器中与原边采样放大电流信号比较的到恒流关断信号，从而完成所述交直流转换器的恒流功能。
同时，本发明在传统准谐振工作模式基础上，增加轻载条件控制逻辑，通过检测原边电压时序产生轻载频率调节(PFM)信号，当出现轻载开关导通信号时并不去开通开关管003，而是继续等到出现波谷检测信号出现时才产生真正的开关管003导通信号去打开开关管003，从而实现轻载情况下的降频准谐振控制模式工作，损耗将大大降低，相比传统的准谐振控制模式效率会有明显提升。
本发明通过完善的系统设计提高系统工作频率，减小外围器件尺寸，同时仍然保持高效率，且由于准谐振控制技术，大大降低了开关电磁干扰问题，从而实现了小体积高效率的交直流转换器。
本发明中的准谐振原边恒流控制电路可以由一个控制器实现。
如图6所示，从波形的前半段可以看出当变压器原边电流达到峰值限流点Ipk时，开关关断，系统进入关断时间，变压器原边电流逐渐下降同时功率管漏源电压也逐渐下降，当电压达到谷值检测点，开关打开，系统进入导通时间，变压器原边电流逐渐上升达到峰值限流点Ipk；而在波形的后半段展示了当PFM检测信号介入时，即使检测到波谷信号，实际的波谷信号也直到PFM检测信号进行状态重置后才会进行有效的开启，从而完成轻载状态下的降频功能。
如图7所示，本发明中的准谐振原边恒流控制电路的一个应用电路包括桥式整流器005、第一电容C1、第二电容C2、二极管D1、变压器002、辅助绕组006、电阻采样网络001、电流采样电阻004、开关管003和LED光源007。
具体工作过程如下，桥式整流器005将AC电源输入整流为线电压N106，由开关管003控制变压器002进行能量转换提供给次级边，同时电流采样电阻004采集原边采样电流信号N002，准谐振原边恒流控制电路对原边采样电流信号N002进行采集得到原边电流信号N102进行逻辑运算，辅助绕组006采样变压器002实时电压通过电阻采样网络001得到变压器电压信号N001，准谐振原边恒流控制电路对原边采样电流信号N002进行采集得到原边电流信号N102进行逻辑运算。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.准谐振原边恒流控制电路，设置于交直流转换器内，其特征在于,所述准谐振原边恒流控制电路包括：
采样检测器，用于侦测线电压并采集原边电压信号和原边电流信号，并将所述交直流转换器的开关管关断时的原边电压信号与采样检测器内的电压放大基准电压信号进行比较得到波谷检测信号和原边电压时序信号，以及将所述开关管导通时的原边电流信号和电流放大基准电压信号进行比较得到原边电流采样放大信号；
恒流导通信号控制器，用于根据波谷检测信号、原边电压时序信号和采样检测器发出的PFM信号进行逻辑运算得到准谐振导通逻辑信号，并将所述准谐振导通逻辑信号与频率限制器发出的信号进行比较得到恒流开关导通信号；
恒流关断信号控制器，用于根据所述原边电流采样放大信号与恒流导通信号控制器发出的限流基准电压信号得到限流关断信号，根据所述原边电压时序信号得到恒流基准电压信号，所述原边电流采样放大信号和恒流基准电压信号进行比较得到恒流关断信号，并根据恒流关断信号和限流关断信号生成恒流开关关断信号；
恒流开关驱动器，用于根据所述恒流开关导通信号和恒流开关关断信号生成用于驱动所述开关管的开关驱动信号。
2.根据权利要求1所述的准谐振原边恒流控制电路，其特征在于,所述采样检测器包括：
电压采样单元，用于逐周期采集所述原边电压信号；
电流采样单元，用于逐周期采集所述原边电流信号；
基准电压源，用于产生电压放大基准电压信号、电流放大基准电压信号、电压时序检测基准电压信号和限流基准电压信号，并将电压放大基准电压信号发送至电压放大器，将电流放大基准电压信号发送至电流放大器，将电压时序检测基准电压信号发送至原边电压时序检测器，将限流基准电压信号发送至恒流导通信号控制器；
电压放大器，用于对所述原边电压信号进行放大；
电流放大器，用于对所述原边电流信号进行放大得到所述原边电流采样放大信号；
原边电压时序检测器，用于将放大后的原边电压信号进行逻辑运算得到波谷检测信号及原边电压时序信号；
自适应斜波补偿单元，用于获取所述线电压，并根据线电压补偿所述原边电流信号。
3.根据权利要求2所述的准谐振原边恒流控制电路，其特征在于,所述原边电压时序检测器用于产生所述PFM信号，并将该PFM信号发送至恒流导通信号控制器。
4.根据权利要求1所述的准谐振原边恒流控制电路，其特征在于,所述恒流导通信号控制器包括：
准谐振导通信号发生器，用于根据波谷检测信号、原边电压时序信号和PFM信号进行逻辑运算得到准谐振导通逻辑信号；
振荡器，用于产生内部时钟信号、高频限制频率信号和低频限制频率信号，并将内部时钟信号发送至准谐振导通信号发生器，将高频限制频率信号和低频限制频率信号发送至频率限制器；
频率限制器，用于根据所述高频限制频率信号生成高频限制信号，根据所述低频限制频率信号生成低频限制信号；
第一逻辑门，用于根据所述准谐振导通逻辑信号、高频限制信号和低频限制信号生成所述恒流开关导通信号。
5.根据权利要求4所述的准谐振原边恒流控制电路，其特征在于,所述高频限制频率信号为80kHz信号，低频限制频率信号为50kHz信号。
6.根据权利要求1所述的准谐振原边恒流控制电路，其特征在于,所述恒流关断信号控制器包括：
限流比较器，用于将所述原边电流采样放大信号和限流基准电压信号进行比较得到限流关断信号；
恒流调节器，用于根据所述原边电压时序信号得到恒流基准电压信号；
恒流比较器，用于将所述原边电流采样放大信号和恒流基准电压信号进行比较得到恒流关断信号；
第二逻辑门，用于将所述恒流关断信号和限流关断信号进行逻辑运算得到恒流开关关断信号。
7.根据权利要求1所述的准谐振原边恒流控制电路，其特征在于,所述恒流开关驱动器包括：
基准电流源，用于输出基准恒流信号；
RS触发器，用于将所述恒流导通信号和恒流关断信号进行逻辑运算得到开关逻辑控制信号；
恒流驱动门，用于根据所述基准恒流信号和所述开关逻辑控制信号生成所述开关驱动信号。
8.交直流转换器，其特征在于,包括如权利要求1～7任一所述的准谐振原边恒流控制电路、变压器和开关管，准谐振原边恒流控制电路分别与变压器和开关管连接。
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