CN205407610U - 前馈电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型目的在于，提供一种能解决输入电压高时，导致产品输出过流点过大而引起的元器件电压电流应力问题的前馈电路。一种前馈电路，用于通过检测输入电压的扰动信号来调控控制IC的采样端，包括开关管，开关管的导通通路形成于辅助供电电路与控制IC的采样端CS之间；将输入电压扰动信号的采样值作为开关管的控制信号，控制开关管的导通，当输入电压为高压时，开关管能够给控制IC的采样端CS一个大的直流偏置，使得采样端CS的电压升高，驱动控制信号被提前关断。

Description

前馈电路

技术领域

本实用新型涉及开关电源，特别涉及一种离线式AC-DC变换器在高输入电压下的低损耗电流前馈电路。

背景技术

近年来随着工业的快速发展，高输入电压开关电源也被广泛需求，当产品输入电压范围宽，特别是输入高限电压超过1KV，产品中器件的电压电流应力都会变大，特别是在过载及短路时，器件的电流电压应力过大更是严重威胁着产品的可靠性，因此如何将电流前馈技术应用在高输入电压下的产品中已成为焦点。

如图1所示，为现有常用的前馈电路，其包括AC-DC变换电路、辅助供电电路、前馈电路和为前馈电路单独供电的附加供电绕组NP3，其中，AC-DC变换电路包括变压器T1和主开关管Q1，变压器T1包括原边绕组NP1、辅助绕组NP2和附加供电绕组NP3；主开关管Q1由控制IC驱动控制；控制IC，包括高压端HV、反馈端FB、接地端GND、供电端VDD、输出驱动信号的驱动端G和采样端CS，反馈端FB与反馈环路连接。辅助供电电路包括辅助绕组NP2、二极管D1和电容C1，是由辅助绕组NP2通过整流后形成的，用于给控制IC供电。前馈电路包括二极管D3和电阻R2，其具体连接关系是，附加供电绕组NP3与二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与控制IC采样端CS相连。其工作原理为：前馈电路工作在以下状态：由于附加供电绕组NP3与变压器T1的NP1相互按照一定匝比耦合在一起，因附加供电绕组NP3上的电压变化就可以反映出输入电压的变化，因此通过调节电阻R2的阻值，就可以调节前馈电流的大小，达到高低压均能按照一定比例对采样端CS进行电流补偿。

现有的控制IC也有电流前馈功能，但是很难应用在高输入电压下的产品中，由于现有控制IC有工艺及散热限制，IC芯片本身已经无法从高压端(HV脚)取得大的电流来作为高压下采样端CS的电流前馈，并且对于高输入电压产品，在输入高限电压下由于开关延时的原因，产品过流点本身就会比低压下大很多，再加上IC在高限电压下又不能给予一定的电流前馈补偿，因此导致一系列的问题严重影响着高压输入产品的可靠性能以及成本等，例如：

1、高压过流点增大，产品过流和短路时电流和电压应力超标，影响产品可靠性，或者不得不使用更大规格的器件来满足电压及电流应力需求，从而增加了产品的成本。

2、同时带来高压下产品跳周期时，开关频率变低，产品工作时更容易出现异音，影响客户使用。

实用新型内容

本实用新型目的在于，提供一种能解决输入电压高时，导致产品输出过流点过大而引起的元器件电压电流应力问题的前馈电路。

与此相应，本实用新型还提供一种解决输入电压高时，导致产品输出过流点过大而引起的元器件电压电流应力问题的前馈控制方法。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种前馈电路，用于通过检测输入电压的扰动信号来调控控制IC的采样端，包括开关管，开关管的导通通路形成于辅助供电电路与控制IC的采样端CS之间；将输入电压扰动信号的采样值作为开关管的控制信号，控制开关管的导通，当输入电压为高压时，开关管能够给控制IC的采样端CS一个大的直流偏置，使得采样端CS的电压升高，驱动控制信号被提前关断。

优选的，所述输入电压扰动信号的采样值作为开关管的控制信号，控制开关管工作在放大区。

优选的，所述前馈电路，包括电阻R1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和三极管Q2，三极管Q2为NPN型三极管，其具体连接关系是，电阻R1的一端与输入电压相连，电阻R1的另一端通过电阻R6接控制IC的高压端HV；电阻R1的另一端还通过电阻R5接三极管Q2的基极，用以将检测值提供给三极管Q2作为基极控制信号；三极管Q2的集电极通过电阻R4与辅助供电电路连接；三极管Q2的发射极与控制IC的采样端CS连接。

优选的，所述前馈电路，包括二极管D3、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电容C2和三极管Q2，三极管Q2为PNP型三极管，其具体连接关系是，二极管D3的阳极与控制IC的驱动端G相连，二极管D3的阴极通过电阻R5接三极管Q2的基极，三极管Q2的基极还通过并联的电容C2和电阻R7接地，用以将检测值提供给三极管Q2作为基极控制信号；三极管Q2的发射极通过电阻R4与辅助供电电路连接；三极管Q2的集电极与控制IC的采样端CS连接。

本实用新型还提供一种前馈控制方法，用于通过检测输入电压的扰动信号来调控控制IC的采样端，包括如下步骤：开关管的导通通路形成于辅助供电电路与控制IC的采样端CS之间；将输入电压扰动信号的采样值作为前馈电路中开关管的控制信号，控制开关管工作在放大区；当输入电压升高时，开关管能够给控制IC的采样端CS一个大的直流偏置，使得采样端CS的电压升高，驱动控制信号被提前关断。

与现有技术相比较，本实用新型应用于AC-DC变换电路的高输入电压下电流前馈电路，其中一种高输入电压下电流前馈电路，第一电阻R1与第二电阻R6为第一三极管Q2的基极提供一个随输入变化的信号，该信号可以控制第一三极管Q2基极电流的大小，而第三电阻R5和第四电阻R4的选取使得第一三级管Q2工作在放大区，以便获得高压下最低的损耗效果。

本实用新型有效的解决了由于输入电压高时，导致产品输出过流点过大而引起的开关管电流电压应力超标问题、产品可靠性问题以及输出噪声和产品工作异音等问题。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、通过本实用新型所述的电流前馈电路，解决了高输入电压下，即在输入高限电压超过1KV时，导致产品输出过流点过大而引起的器件电压电流应力问题。

2、通过本实用新型所述的电流前馈电路，解决了高输入电压下，产品工作时容易出现工作异音及噪声的问题。

附图说明

图1为现有技术采用电流前馈电路的电路原理图，在现有技术中，前馈电路通过绕组电压变化来控制前馈电流；

图2为本实用新型实施案例一的前馈电路应用在AC-DC变换器中的电路原理图，在此实施例中，前馈电路通过检测控制IC的电压端HV的电压变化来控制前馈电流；

图3为本实用新型实施案例二的前馈电路应用在AC-DC变换器中的电路原理图，在此实施例中，前馈电路通过检测驱动信号的占空比变化来控制前馈电流。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型相对于现有技术所作出的改进，在对本实用新型的两种具体实施方式进行详细说明之前，先对背景技术部分所提到的现有技术结合附图加以说明，进而引出本案的发明构思。

如图1所示，为现有常用的前馈电路，现有方案存在的缺点是，产品设计时变压器T1需要在额外的增加一个附加供电绕组NP3，首先从产品的成本和工艺(可能需要飞线方式才能实现)上面增加了开发的难度和成本。更重要的是，由于采样输入电压的变化是通过绕组耦合间接实现的，并且变压器的绕组较多很难绕制在一起，那么耦合效果必然比较差，并且不同变压器耦合的效果就会有些不同，就会直接影响到前馈电流的大小，因此由于不同的产品绕组的耦合程度肯定会有一定的差异，从而导致前馈电流会存在一定的差异，这样就会给产品的设计和产品的一致性带来很大困难。

而鉴于此问题，本文所描述的前馈电路，首先可以不增加附件的辅助绕组，这样极大的降低了产品的成本和工艺难度。而且不采用耦合的方式采样输入母线电压的变化，从而在前馈的精准度上面也有了很大的改善，并且电路简单，给使得产品设计变的简单，为产品的一致性提供的一定的保障。

首先，电流前馈的一个目的就是用来抵消由于原边器件关断延时而引起的副边能量过多的问题，而能量就会导致输出过流点较大，从而产生器件的电流电压应力和产品工作异音问题，并且上所述的问题在高输入电压下是非常普遍的，并且没有一个好的解决方案，下面分别说明上述问题产生的具体原因：

之所以高输入电压下的过流点较大，是因为于产品在高输入电压下工作时，变压器原边的峰值电流较大(同时原边电流波形的斜率也会较大)，由于检测信号及控制IC内部逻辑的开关信号延时原因的存在(IC控制采样CS端检测到关断信号到控制IC输出低电平关断开关管之间的时间差为延时时间)，会导致高输入电压下，变压器实际传输的能量比变压器副边实际需求的能量大很多，这样就会导致产品在高输入电压下输出过流点会比低输入电压下大很多，而相反，由于低输入电压下变压器原边的峰值电流相对高输入电压下而言较小(同时原边电流波形的斜率也会较小)，因此同理低输入电压下的产品的输出过流点也会相对高输入电压而言较小。

但是在产品设计时，对于宽电压输入范围的产品，为保证全电压范围内起机时能有一定的过载能力，都会将产品的输出过流点设计在1.1倍Io(输出电流额定值)以上，因此一般通过调节CS采样端的电阻，以产品输入电压范围为：200V～1500V，即低输入电压为200V，高输入电压为1500V为例，并且将低输入电压下过流点设计为1.1倍Io后，那么由于上述原因，高输入电压时，过流点会达到3倍Io以上，这样在过流及短路时，原副边的开关管及采样电阻等器件的电流电压应力就会不足，从而导致产品的可靠性降低。并且这种输出过流点过大的问题还会使产品跳周期频率变低，最终导致产品出现异音，影响客户使用等；

跳周期：在高输入电压下，而输出功率小时，控制IC为了减小器件的开关损耗，控制由控制IC所输出的主开关管Q1的驱动信号进行间歇性输出的方式。

异音：产品在工作时发出的声音，此声音由变压器震动发出，当震动频率在20Hz～20KHz之间会被人耳听到，而产品一般的开关频率都在50KHz以上，只有在跳周期模式下工作时，才会降低到人耳可听范围附近，并且产品输出过流点越大，则产品在轻载工作时跳周期越厉害，人耳越容易听见。

上述所说的电压电流应力主要为原副边开关管，当然其它器件的电流电压应力也是同样受到影响，电压应力为：高输入电压时，产品输出过流点大，此时在产品输出短路瞬时，原副边开关管的电压应力一般都会变大(与控制模式有关，此处不再详细说明)；而对于电流应力为：在产品输出过流时，在输出电压还没有关断之前，由于过流点较大，因此原副边开关管的电流应力就会大大增加。

可以看出，当输入电压再升高到2000V、5000V甚至更高时，输出过流点会变的更大，更难以控制，那么上述所说的器件电流电压应力及异音问题就会更加严重。后面会给出本文的控制方案，可以在输入电压达到很高时，通过外围简单电路，依然能够很好的对CS采样端进行补偿，控制住输出过流点。

其次，目前虽然大部分控制IC都会有电流前馈功能，并且在低输入电压下也能起到一定的作用，但是在高输入电压下，前馈能力就已经几乎消失。在高输入电压下，大部分控制IC已经不能使用，而只有少数控制IC可以使用在高输入电压下，但是前馈功能在高输入电压下已经起不到明显的作用，下面说明具体原因：

目前对于一般输入电压(500V左右)下过流点过大方法为通过控制IC的电流前馈，方式为：控制IC的高压端HV从输入母线获得能量和输入电压的扰动信号，并将这个能量通过控制IC内部直接前馈到采样端CS，以便在输入母线电压升高时，使控制IC所输出的主开关管Q1的驱动信号被提前关断。

输入母线电压：输入交流电通过整流后，再经过输入大电容滤波后的电压或者为输入直流电经过大电容滤波后的电压。

但是目前对于输入电压超过1KV时，应用的控制IC就很少(因为控制IC的HV端由于工艺原因，很难做到这么高的电压，需要使用电流控制型的HV端才可以使用在高输入电压下，后面会介绍电流型和电压型HV端控制IC的区别)，有部分IC可以使用在高输入电压下，但是前馈能力不足(即控制IC的HV端流入电流受到限制)。因此就很难在高输入电压下对控制IC的采样端CS进行相应的电流补偿。

对于常规控制IC，高压HV端根据内部控制IC内部结构的不同，可以分为两种方式，一种为电压型：此种类型的控制IC，高压HV端的最大电压目前只能做到700V左右，因此当输入电压高于700V时，此种控制IC就不能使用。

而另外一种为电流型：此种控制IC只检测流入HV端电流的大小，通过在HV端与输入母线之间串联电阻来控制流入HV端电流的大小，并且流入HV端的电流不会太大，一般为几百微安，因为对于集成控制型控制IC，内部电流较大时散热及工艺将比较难处理，此处不再展开说明，因此此种控制IC前馈电流均比较小。

在输入电压达到1KV后，常规的控制IC(HV端为电压型)已经不能使用，只能使用HV端为电流型的控制IC，但是又由于流入HV端的电流不大，因此此类控制IC本身的前馈能力就不强。

说明一下高压HV端的作用。

高压HV端：1、获取启动能量；

2、检测输入电压的扰动信号；

高压HV端可以检测输入母线电压的扰动信号，并且从输入母线获取能量，该功能端的作用有两个，第一为检测输入电压，获取输入母线的能量，并且将此能量通过控制IC内部电路直接给采样脚CS；第二为在启动时，从母线获取的能量为控制IC提供启动时的能量。因为在启动时输出电压还没有建立前，辅助供电电路也没有建立，因此启动时所需要的能量来自于HV端，而HV端能量就是由高压母线获取。

控制IC的启动时所需能量：一般来说，控制IC的启动能量均来自于高压HV端(有的控制IC也叫Vin端或者其它命名，但功能是一样的，因此本文统称为HV端)，当启动完成后，辅助供电电路建立，控制IC所需的能量开始由辅助供电路提供。

基于以上分析：可以看出，目前的控制IC的前馈能力已经不能满足高输入电压时，对输出过流点的限制。而由于产品输出的过流点过大而导致的器件电流电压应力问题，就需要提升开关器件的电压电流规格来确保产品可靠性，但是会大大增加产品成本和体积。并且对于由于产品输出的过流点过大而带来的产品工作异音问题更是没有简单的解决办法。

本实用新型的具体实施方式，就是针对现有技术中的前馈电路的上述问题所作出的改进。本实用新型的基本改进构思为通过检测输入电压的扰动信号，将此检测信号作为三极管Q2的基极控制信号，控制辅助供电电路的能量前馈到IC采样端(CS)。当输入高压升高时，前馈电路就能够给IC采样端(CS)一个大的直流偏置，使得采样端的电压升高，驱动控制信号被提前关断，当输入低压工作时，而相反IC采用端(CS)会获得一个小的直流偏置。

据此发明构思，以下结合附图对本实用新型的原理和实施方式进行详细说明。

实施例一

下面结合图2对实施例一进行详细的描述。图2是一种高输入电压下的低损耗电流前馈电路应用在AC-DC变换器中的电路原理图，包括AC-DC变换电路和高输入电压下电流前馈电路，其中一种高输入电压下电流前馈电路，包括电阻R1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和三极管Q2，三极管Q2为NPN型三极管，其具体连接关系是，电阻R1的一端与输入电压相连，电阻R1的另一端通过电阻R6接控制IC的高压端HV；电阻R1的另一端还通过电阻R5接三极管Q2的基极，用以将检测值提供给三极管Q2作为基极控制信号；三极管Q2的集电极通过电阻R4与辅助供电电路连接；三极管Q2的发射极与控制IC的采样端CS连接。其中，辅助供电电路：是由辅助绕组NP2通过整流后形成的，用于给控制IC供电。在本实施案例中输入电压扰动信号的采样值为电阻R6两端的电压，因电阻R6两端的电压会随输入电压变化而变化，检测电阻R6两端的电压作为采样值，就可以按照一定的比例关系反映出输入电压的变化量。

其工作原理为：前馈电路工作在以下状态：

随着输入电压逐渐升高，产品的过流点也会逐渐增大(由于原边峰值电流的斜率增大，而开关关断延时时间又没有改变，因此原边存储能量会更多)，此时加在R6上的电压也会逐渐升高，从而使得三极管Q2的基极电流增大，更近一步使得三极管Q2的集电极电流增大，最终使得电容C3上的电压升高(产生一个直流偏置)，使得开关信号被提前关断，有效的减小了高压下产品的输出过流点。

使用此前馈电路后，高压下的过流点会比没有此前馈电路的过流点小，因此产品在工作时的跳周期时的开关频率会变高，从而有效减小了产品的异音。同理，在过流点减小后，原边峰值电流必然也减小，因此MOS管在关断时的电流应力变小，从而输出端的开关噪声也会变小。

这种前馈电路的好处在于：

1、功耗小，通过调节R4和R5的阻值，可以使得三级管Q2工作在放大区，因此只需要一个很小的基极电流就可以获得一个较大的集电极补偿电流，所以R1和R6可以设计的比较大，从而在高压下整体的损耗比较小。也可以使得三级管Q2工作在饱和区，但其缺点是前馈电流将不能随输入电压的变化而变化，也就是说高低压下前馈的电流是相同的，在应用时也可从一个中间的电压点开始进行电流前馈，在实际应用中也是可行的。

2、电路简单，前馈电流来自于辅助绕组供电电路，省掉一个用于检测输入电压的独立绕组。即不用为前馈电路单独再增加一个检测用的绕组。也不同于现有常用的低压型前馈电路的检测方式，现有常用的低压型前馈电路一般都是集成在控制IC中，多指适用低于700V左右输入电压的前馈电路，即使使用高压HV端为电流型的控制IC，其前馈能力也不大，由于现有常用的控制IC的工艺及散热限制，IC芯片本身已经无法从高压HV端取得大的电流来作为高压下采样端CS的电流前馈，并且对于高输入电压产品，在高输入电压下由于延时的原因，产品过流点本身就会比低压下大很多，从而导致高输入电压下，产品体积、成本的增加，而本方案，可直接从输入电压端获取控制信号，使电路结构简化，前馈电流精确。所述的前馈电路就可以通过简单的方案解决这些问题。

实施例二

下面结合图3对实施例二进行详细的描述。图3是一种高输入电压下的低损耗电流前馈电路应用在AC-DC变换器中的电路原理图，包括AC-DC变换电路和高输入电压下电流前馈电路，其中前馈电路包括二极管D3、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电容C2和三极管Q2，三极管Q2为PNP型三极管，其具体连接关系是，二极管D3的阳极与控制IC的驱动端G相连，二极管D3的阴极通过电阻R5接三极管Q2的基极，三极管Q2的基极还通过并联的电容C2和电阻R7接地，用以将检测值提供给三极管Q2作为基极控制信号；三极管Q2的发射极通过电阻R4与辅助供电电路连接；三极管Q2的集电极与控制IC的采样端CS连接。

工作原理与实施例一类似，与实施例一不同的是，本实施案例中输入电压扰动信号的采样值为控制IC所输出的主开关管Q1的驱动信号的占空比，占空比会随输入电压变化而变化，完全可以按照一定比例的反映出输入电压的变化量。本方案思路是根据低压下驱动信号占空比大而高压下占空比小，从而可以控制基极电压的高低来控制基极电流，最终达到控制集电极电流的目的。

其具体工作原理是：输入电压升高时，驱动信号占空比减小，从而电容C2上的电压就会减小，三级管Q2发射极与基极之间的压差就会增大，Q2基极电流增大，集电极电流也随之增大，最终C3电压被提升(产生一个直流偏置)，控制信号被提前关断。

当然，本文所说的输入电压的扰动信号不限于以上两种，还可是其它检测、采样形式，在此不再一一列举。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (4)

1.一种前馈电路，用于通过检测输入电压的扰动信号来调控控制IC的采样端，其特征在于：包括开关管，开关管的导通通路形成于辅助供电电路与控制IC的采样端CS之间；将输入电压扰动信号的采样值作为开关管的控制信号，控制开关管的导通，

当输入电压为高压时，开关管能够给控制IC的采样端CS一个大的直流偏置，使得采样端CS的电压升高，驱动控制信号被提前关断。

2.根据权利要求1所述的前馈电路，其特征在于：所述输入电压扰动信号的采样值作为开关管的控制信号，控制开关管工作在放大区。

3.根据权利要求1或2所述的前馈电路，其特征在于：所述前馈电路，包括电阻R1、电阻R4、电阻R5、电阻R6和三极管Q2，三极管Q2为NPN型三极管，其具体连接关系是，电阻R1的一端与输入电压相连，电阻R1的另一端通过电阻R6接控制IC的高压端HV；电阻R1的另一端还通过电阻R5接三极管Q2的基极，用以将检测值提供给三极管Q2作为基极控制信号；三极管Q2的集电极通过电阻R4与辅助供电电路连接；三极管Q2的发射极与控制IC的采样端CS连接。

4.根据权利要求1或2所述的前馈电路，其特征在于：所述前馈电路，包括二极管D3、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电容C2和三极管Q2，三极管Q2为PNP型三极管，其具体连接关系是，二极管D3的阳极与控制IC的驱动端G相连，二极管D3的阴极通过电阻R5接三极管Q2的基极，三极管Q2的基极还通过并联的电容C2和电阻R7接地，用以将检测值提供给三极管Q2作为基极控制信号；三极管Q2的发射极通过电阻R4与辅助供电电路连接；三极管Q2的集电极与控制IC的采样端CS连接。