CN108667285A - 调整开关频率与负载电流关系的控制电路及开关电源 - Google Patents
调整开关频率与负载电流关系的控制电路及开关电源 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及调整开关频率与负载电流关系的控制电路及开关电源，包括：主控芯片；负载电流检测电路，与主控芯片连接，基于主控芯片获取的副边电流反馈信号检测负载电流并输出负载电流检测电压；电压运算电路，与负载电流检测电路连接，接收负载电流检测电压，对负载电流检测电压进行误差运算放大处理，输出调整电压；基准电压产生电路，分别与电压运算电路和主控芯片连接，接收调整电压，根据调整电压产生基准电压并输出至主控芯片，由主控芯片基于基准电压调整电源的变压器峰值电流，通过电源***的反馈作用使电源的开关频率与负载电流形成非线性关系。本发明可使开关频率与负载电流形成非线性关系，改善了***的动态响应特性。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源领域，更具体地说，涉及一种调整开关频率与负载电流关系的控制电路及开关电源。
背景技术
随着内置充电电池的便携设备的爆发式增长，对小功率AC/DC充电器的需求也不断增长，对其成本要求越来越苛刻。原边反馈方式的AC/DC控制技术就是在这种背景下发展起来的，与传统的副边反馈的光耦加TL431的结构相比较，其最大的优势在于省去了这两个器件以及与之配合的一组元器件，这样就节省了***板上的空间，降低了成本并且提高了***的可控性。在手机充电器等成本压力较大的市场，以及LED驱动等对体积要求很高的市场具有广阔的应用前景。
在现有的原边反馈***中，开关频率与输出电流为线性关系。随着输出电流的减小，工作频率线性减小；当输出电流减小到恒流值的1/3以下时，***工作频率将低于20KHz，进入人类听觉频率范围以内，所以这种***在轻负载输出时会产生明显的异响噪音。另外，这种原边反馈方式控制芯片只能在副边二极管导通时才能检测到输出电压，芯片不能实时监测输出电压的变化；在续流二极管截止期间，控制芯片无法检测输出电压的变化，所以无法针对输出电压的变化做出合适的调整，因此，在负载电流很小的轻载或者空载情况下，其开关频率将会很低，进而导致动态负载特性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种调整开关频率与负载电流关系的控制电路及开关电源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种调整开关频率与负载电流关系的控制电路，包括：
主控芯片；
负载电流检测电路，与所述主控芯片连接，基于所述主控芯片获取的副边电流反馈信号检测负载电流并输出负载电流检测电压；
电压运算电路，与所述负载电流检测电路连接，接收所述负载电流检测电压，对所述负载电流检测电压进行误差运算放大处理，输出调整电压；
基准电压产生电路，分别与所述电压运算电路和主控芯片连接，接收所述调整电压，根据所述调整电压产生基准电压并输出至所述主控芯片，由所述主控芯片基于所述基准电压调整电源的变压器峰值电流，通过电源***的反馈作用使电源的开关频率与负载电流形成非线性关系。
优选地，所述主控芯片包括基准电压接收端、比较模块、控制模块、驱动模块、驱动信号输出端以及副边电流反馈信号接收端；其中，
所述基准电压接收端连接于比较模块的输入端，所述副边电流反馈信号接收端接收所述副边电流反馈信号；
所述比较模块基于所述基准电压接收端所接收的基准电压进行比较判断，并输出比较信号至控制模块；所述控制模块根据所述比较信号控制驱动模块输出驱动信号以调整电源的变压器峰值电流进而调整开关频率。
优选地，所述驱动信号为PWM驱动信号。
优选地，所述负载电流检测电路包括第一开关、第二开关、反相器以及滤波电阻和滤波电容；
所述第一开关和第二开关均包括三个引脚，其中，所述第一开关的第一引脚与所述反相器的输入端连接，且所述第一开关的第一引脚与反相器的输入端的节点还与所述主控芯片的副边电流反馈信号接收端连接，所述第一开关的第二引脚与所述基准电压产生电路连接，所述第一开关的第三引脚与所述滤波电阻的第一端连接；
所述第二开关的第一引脚与所述反相器的输出端连接，所述第二开关的第二引脚与所述第一开关的第三引脚连接；所述滤波电阻的第二端与所述滤波电容的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述第二开关的第三引脚连接，且所述滤波电阻的第二端与所述第二开关的第三引脚的连接节点为负载电流检测电压输出端，其与所述电压运算电路连接。
优选地，所述第一开关和第二开关均为MOS管。
优选地，所述电压运算电路包括：
误差放大器、MOS管M1、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻；
所述第一电阻的第一端接参考电压，所述第一电阻的第二端依次通过所述第二电阻、第三电阻以及第四电阻接地；
所述误差放大器的反相输入端与所述滤波电阻的第二端和滤波电容的第一端的连接节点，所述误差放大器的同相输入端与所述第三电阻和第四电阻的连接节点连接，所述误差放大器的输出端与所述MOS管M1的栅极连接；
所述MOS管M1的漏极与所述第二电阻和第三电阻的连接节点连接，所述MOS管M1的源极与所述滤波电容的第二端连接，且所述MOS管M1的源极与所述滤波电容的第二端连接的节点还连接至所述基准电压产生电路；
所述第一电阻和第二电阻之间的连接节点为调整电压输出端，其与所述基准电压产生电路连接。
优选地，所述基准电压产生电路包括：接收电路、第五电阻以及第六电阻；
所述接收电路的第一端与所述第一电阻和第二电阻之间的节点连接，所述接收电路的第二端与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端与所述MOS管M1的源极和所述滤波电容的第二端连接的节点连接；所述第五电阻和第六电阻之间的节点还连接至所述主控芯片的基准电压接收端；
所述第五电阻和第六电阻之间的节点电压为所述基准电压。
优选地，所述接收电路为缓冲器，所述缓冲器为高阻输入低阻输出的缓冲器。
优选地，所述控制电路还包括功率开关，所述功率开关的控制端与所述主控芯片连接，由所述主控芯片控制所述功率开关的开关状态以调整电源的开关频率。
本发明还提供一种开关电源，包括上述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路。
实施本发明的调整开关频率与负载电流关系的控制电路，具有以下有益效果：本发明通过检测负载电流的大小动态调节原边变压器的峰值电流，进而使得开关频率随负载电流形成一个非纯属关系，当负载电流减小到工作频率进入人类听觉范围时，由于峰值电流足够小，变压器产生的异响将得到明显降低，同时由于峰值电流的减小，空载频率得到提高，改善了***的动态响应特性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例提供的调整开关频率与负载电流关系的控制电路的逻辑结构示意图；
图2是本发明实施例提供的调整开关频率与负载电流关系的控制电路的电路原理图；
图3是实施本发明的控制电路的脉冲周期信号与副边电感电流的关系图；
图4是本发明变压器的峰值电流与负载电流的关系示意图；
图5是实施例本发明的控制电路的电源***的开关频率与负载电流的关系示意图。
具体实施方式
为了减小现有设计中存在的轻载异响问题，以改善电源***动态响应牲，本发明构造了一种调整开关频率与负载电流关系的控制电路，该控制电路通过检测负载电流的大小，以动态调节原边变压器的峰值电流，从而使开关频率随负载电流形成一个非线性关系，当负载电流减小到工作频率进入人类听觉范围时，由于峰值电流足够小，因此变压器产生的异响将得到明显降低，同时，由于峰值电流的减小，空载频率得到提高，改善了电源***的动态响应特性。如图1至图2所示，为本发明的调整开关频率与负载电流关系的控制电路的实现电路。
具体的，图1是本发明实施例提供的调整开关频率与负载电流关系的控制电路的逻辑结构示意图，该控制电路包括主控芯片10、负载电流检测电路20、电压运算电路30以及基准电压产生电路40。其中，主控芯片10、负载电流检测电路20、电压运算电路30以及基准电压产生电路40依次连接，且基准电压产生电路40还与主控芯片10连接。主控芯片10用于获取副边电流反馈信号，同时将该副边电流反馈信号发送至负载电流检测电路20，负载电流检测电路20基于主控芯片10获取的副边电流反馈信号检测负载电流并输出负载电流检测电压，电压运算电路30接收负载电流检测电路20产生的负载电流检测电、并对负载电流检测电压进行误差运算放大处理，最终输出调整电压；基准电压产生电路40，接收调整电压，根据调整电压产生基准电压并输出至主控芯片10，由主控芯片10基于基准电压调整电源的变压器峰值电流，通过电源***的反馈作用使电源的开关频率与负载电流形成非线性关系。
在些需要说明的是，电源***的反馈作用指的是电源***的负反馈，即当原边峰值电流减小时，电源***为了保持输出功率，会自动增大工作频率；同理，当原边峰值电流增大时，电源***会自动提高工作频率以维持输出功率。
主控芯片10具体可包括基准电压接收端、比较模块、控制模块、驱动模块、驱动信号输出端以及副边电流反馈信号接收端；其中，基准电压接收端连接于比较模块的输入端，副边电流反馈信号接收端接收副边电流反馈信号；比较模块基于基准电压接收端所接收的基准电压进行比较判断，并输出比较信号至控制模块；控制模块根据比较信号控制驱动模块输出驱动信号以调整电源的变压器峰值电流进而调整开关频率。
进一步地，驱动模块输出的驱动信号为PWM驱动信号，通过该PWM驱动信号以调整变压器原边的峰值电流，最终达到调整电源***开关频率的目的。
如图2所示，负载电流检测电路20具体可包括第一开关、第二开关、反相器以及滤波电阻和滤波电容。其中，第一开关和第二开关均包括三个引脚，其中，第一开关的第一引脚与反相器的输入端连接，且第一开关的第一引脚与反相器的输入端的节点还与主控芯片10的副边电流反馈信号接收端连接，第一开关的第二引脚与基准电压产生电路40连接，第一开关的第三引脚与滤波电阻的第一端连接；第二开关的第一引脚与反相器的输出端连接，第二开关的第二引脚与第一开关的第三引脚连接；滤波电阻的第二端与滤波电容的第一端连接，滤波电容的第二端与第二开关的第三引脚连接，且滤波电阻的第二端与第二开关的第三引脚的连接节点为负载电流检测电压输出端，其与电压运算电路30连接。
可选的，本发明实施例的第一开关和第二开关均为MOS管。
如图2所示，所接入的副边电流反馈信号(VTons)为高低电平信号，当接入的副边电流反馈信号为高电平时，第一开关(K1)导通，当接入的副边电流反馈信号为低电平时，此时，第一开关(K1)截止，而第二开关(K2)由于反相器的反相作用，其控制端所接入的是高电平，所以第二开关(K2)导通。
如图2所示，电压运算电路30具体可包括：误差放大器、MOS管M1、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻。
其中，第一电阻的第一端接参考电压，第一电阻的第二端依次通过第二电阻、第三电阻以及第四电阻接地；误差放大器的反相输入端与滤波电阻的第二端和滤波电容的第一端的连接节点，误差放大器的同相输入端与第三电阻和第四电阻的连接节点连接，误差放大器的输出端与MOS管M1的栅极连接；MOS管M1的漏极与第二电阻和第三电阻的连接节点连接，MOS管M1的源极与滤波电容的第二端连接，且MOS管M1的源极与滤波电容的第二端连接的节点还连接至基准电压产生电路40；第一电阻和第二电阻之间的连接节点为调整电压输出端，其与基准电压产生电路40连接。
基准电压产生电路40具体可包括：接收电路、第五电阻以及第六电阻。
接收电路的第一端与第一电阻和第二电阻之间的节点连接，接收电路的第二端与第五电阻的第一端连接，第五电阻的第二端与第六电阻的第一端连接，第六电阻的第二端与MOS管M1的源极和滤波电容的第二端连接的节点连接；第五电阻和第六电阻之间的节点还连接至主控芯片10的基准电压接收端；第五电阻和第六电阻之间的节点电压为基准电压。
本发明实施例的接收电路可以为缓冲器，作为选择，该缓冲器为高阻输入低阻输出的缓冲器。通过设置该缓冲器，可以将第一电阻和第二电阻之间的节点电压增大输出，以便于后级电路的接收和检测。
本发明实施例的调整开关频率与负载电流关系的控制电路还包括功率开关，该功率开关的控制端与主控芯片10连接，由主控芯片10控制功率开关的开关状态以调整电源的变压器峰值电流，进而调整电源的开关频率。
在图2中，VTons脉冲周期信号，该脉冲周期信号即为前述的主控芯片10所获取的副边电流反馈信号，该脉冲周期信号高电平时间即为副边电感导通时间，频率与电源***开关频率相同，其波形如图3所示。其中，Ip为变压器原边电感上的电流，Is为变压器副边电感上的电流。
当低通滤波顺的截止频率足够低，稳定状态下，负载电流检测模块的输出平均电压Vf为：
其中，Tons为副边电感放电时间，Ts为***工作周期，V2为经过缓冲器后输出的电压。
经过电压运算电路30的运算处理可得：
电压运算电路30输出的V1输入基准电压产生电路40，而基准电压产生电路40由缓冲器和第五电阻R5和第六电阻R6组成，且由图2中可以看出：V2＝V1(3式)，而且
其中，Vcs_th即为基准电压产生电路40产生的基准电压，该基准电压作为调整电源的变压器峰值电流的参考电压。
由以上计算结合1-4式可以获得：
其中
由Io＝Tons*Ipks/2/Ts(Ipks为副边电感的峰值电流；Io为稳定状态下，由流过续流二极管D1的副边电感电流Io的波形得到的输出平均电流，即本文所说的负载电流)得到：
其中，Np为变压器原边电感的匝数，Ns为变压器副边电感的匝数。
把式6代入式5得到：
由式子8可以看出，Ipk(变压器原边的峰值电流)随Io(负载电流)的减小而减小，因此，适当选择参数a、b、c和Vref的数值，即可得到合适的开关频率与负载电流关系曲线。如图4所示，通过选择参数a、b、c和Vref的不同数值，可获得变压器原边的峰值电流与负载电流的关系曲线图。
特别地，若选择Vref＝3.3V，R1＝1.2KΩ，R2＝1KΩ，R3＝5KΩ，R4＝6KΩ，R5＝5KΩ，R6＝1KΩ得到：
在恒流模式下，输出电流Io达到最大值，变压器原边的峰值电流Ipk也达到最大值Ipk_max，即：
另外，由之前的分析得到：
联合式11和式12得到：
其中Iccm为恒流输出值；
其中Rs为电流检测电阻。
特别地，当K0＝0.5时，
当Io＝0，Ipk(0)＝0.25/Rcs，当Io＝ICCM时，Ipk_max＝0.5/Rcs.(16式)；
由于电源***工作于电感电流断续模式(DCM)，所设所有器件均为理想器件，恒压模式下电源***工作频率f为：
Vo_set为恒压值；
Lp为变压器原边电感感量；
将式18除以式17得到：
把式子15和式子16代入上式得到电源的开关频率与负载电流的关系式：
由该式子可以看出电源的开关频率与负载电流为非线性关系，具体曲线图如图5所示。
本发明还构造了一种开关电源，该开关电源可设置上述调整开关频率与负载电流关系的控制电路，通过设置上述控制电路可以解决现有设置中电源存在的轻载异响问题，改善电源的动态响应特性。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种调整开关频率与负载电流关系的控制电路，其特征在于，包括：
主控芯片；
负载电流检测电路，与所述主控芯片连接，基于所述主控芯片获取的副边电流反馈信号检测负载电流并输出负载电流检测电压；
电压运算电路，与所述负载电流检测电路连接，接收所述负载电流检测电压，对所述负载电流检测电压进行误差运算放大处理，输出调整电压；
基准电压产生电路，分别与所述电压运算电路和主控芯片连接，接收所述调整电压，根据所述调整电压产生基准电压并输出至所述主控芯片，由所述主控芯片基于所述基准电压调整电源的变压器峰值电流，通过电源***的反馈作用使电源的开关频率与负载电流形成非线性关系。
2.根据权利要求1所述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路，其特征在于，所述主控芯片包括基准电压接收端、比较模块、控制模块、驱动模块、驱动信号输出端以及副边电流反馈信号接收端；其中，
所述基准电压接收端连接于所述比较模块的输入端，所述副边电流反馈信号接收端接收所述副边电流反馈信号；
所述比较模块基于所述基准电压接收端所接收的基准电压进行比较判断，并输出比较信号至控制模块；所述控制模块根据所述比较信号控制驱动模块输出驱动信号以调整电源的变压器峰值电流进而调整开关频率。
3.根据权利要求2所述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路，其特征在于，所述驱动信号为PWM驱动信号。
4.根据权利要求2所述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路，其特征在于，所述负载电流检测电路包括第一开关、第二开关、反相器以及滤波电阻和滤波电容；
所述第一开关和第二开关均包括三个引脚，其中，所述第一开关的第一引脚与所述反相器的输入端连接，且所述第一开关的第一引脚与反相器的输入端的节点还与所述主控芯片的副边电流反馈信号接收端连接，所述第一开关的第二引脚与所述基准电压产生电路连接，所述第一开关的第三引脚与所述滤波电阻的第一端连接；
所述第二开关的第一引脚与所述反相器的输出端连接，所述第二开关的第二引脚与所述第一开关的第三引脚连接；所述滤波电阻的第二端与所述滤波电容的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述第二开关的第三引脚连接，且所述滤波电阻的第二端与所述第二开关的第三引脚的连接节点为负载电流检测电压输出端，其与所述电压运算电路连接。
5.根据权利要求4所述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路，其特征在于，所述第一开关和第二开关均为MOS管。
6.根据权利要求4所述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路，其特征在于，所述电压运算电路包括：
误差放大器、MOS管M1、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻；
所述第一电阻的第一端接参考电压，所述第一电阻的第二端依次通过所述第二电阻、第三电阻以及第四电阻接地；
所述误差放大器的反相输入端与所述滤波电阻的第二端和滤波电容的第一端的连接节点，所述误差放大器的同相输入端与所述第三电阻和第四电阻的连接节点连接，所述误差放大器的输出端与所述MOS管M1的栅极连接；
所述MOS管M1的漏极与所述第二电阻和第三电阻的连接节点连接，所述MOS管M1的源极与所述滤波电容的第二端连接，且所述MOS管M1的源极与所述滤波电容的第二端连接的节点还连接至所述基准电压产生电路；
所述第一电阻和第二电阻之间的连接节点为调整电压输出端，其与所述基准电压产生电路连接。
7.根据权利要求6所述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路，其特征在于，所述基准电压产生电路包括：接收电路、第五电阻以及第六电阻；
所述接收电路的第一端与所述第一电阻和第二电阻之间的节点连接，所述接收电路的第二端与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端与所述MOS管M1的源极和所述滤波电容的第二端连接的节点连接；所述第五电阻和第六电阻之间的节点还连接至所述主控芯片的基准电压接收端；
所述第五电阻和第六电阻之间的节点电压为所述基准电压。
8.根据权利要求7所述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路，其特征在于，所述接收电路为缓冲器，所述缓冲器为高阻输入低阻输出的缓冲器。
9.根据权利要求1-8任一项所述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括功率开关，所述功率开关的控制端与所述主控芯片连接，由所述主控芯片控制所述功率开关的开关状态以调整电源的开关频率。
10.一种开关电源，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的调整开关频率与负载电流关系的控制电路。
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