CN115037164A - 一种宽范围输出的开关变换器及其控制方法 - Google Patents

一种宽范围输出的开关变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种宽范围输出的开关变换器及其控制方法，通过信号反馈电路获得与功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号关联的供电基准信号，电压转换电路根据供电基准信号将其接收的第一直流电压转换为期望的第二直流电压输出，所述第二直流电压作为开关变换器的控制电路供电电压。通过本发明的技术方案，能够降低电压转换电路输入输出电压的压差，提高电压转换效率，可以优化***的驱动损耗和控制芯片的静态功耗，减小待机或者轻载功耗。

Description

一种宽范围输出的开关变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种宽范围输出的开关变换器及其控制方法。
背景技术
在反激变换器中，原边的控制芯片设置在原边，反激变换器包括变压器，变压器一般会有三个绕组，分别为原边绕组，副边绕组和辅助绕组，其中原边绕组用于连接反激变换器的输入，副边绕组用于连接反激变换器的输出，辅助绕组用于提供供电电路的供电来源，原边和副边绕组采用异名端耦合使用，辅助绕组和副边输出绕组采用同名端耦合使用。
随着PD适配器的出现，输出电压范围从3.3V~48V，或者范围更宽，一般辅助绕组与副边输出绕组同名端耦合使用，辅助绕组的电压经过整流电路后的电压范围会随输出电压的变化而变化，而一般原边控制芯片的供电范围要求较窄，为了解决这个问题，目前已有的方案有：
1）如图1所示，使用LDO稳压电路将辅助绕组的电压经整流后的较宽的输入电压转换成稳定的电压；使用LDO电路稳压供电的方式，存在功耗较大，特别是LDO输入输出电压差较大的时候功耗更大。另外LDO只有线性降压功能，当辅助绕组整流电压较低时，没有升压功能，不利于宽范围输出电压的应用。
2）如图2所示，使用DC-DC变换器将辅助绕组经整流后较宽的输入电压Vin变换成稳定的电压输出，DC-DC变换器的使用在控制输出电压的稳定度的同时降低了功耗。这里的DC-DC变换器包括，boost电路、buck电路、buck-boost电路等。使用DC-DC变换器也存在使用中的局限性；例如，当其输入电压Vin较低时，尽管DC-DC变换器通过升压电路将输出电压Vcc升高，但较大的升压比也会使得DC-DC效率降低；另外，由于反激变换器控制芯片的驱动电压一般会和Vcc供电有相关性，当使用固定的Vcc电压，在轻载下Vcc电压可能偏高导致驱动电压偏高，会带来额外的驱动损耗和芯片的功耗。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽范围输出的开关变换器及其控制方法，用以解决现有技术存在的效率低和芯片损耗的技术问题。
本申请提出了一种宽范围输出的开关变换器，包括功率级电路、控制电路以及供电电路，功率级电路的输入端接收输入电压，通过开关转换以在输出端输出预期的输出电压，所述供电电路包括电压转换电路和信号反馈电路，所述电压转换电路接收第一直流电压，以根据供电基准信号将所述第一直流电压转换为第二直流电压输出，所述第二直流电压作为所述控制电路的供电电压，所述信号反馈电路根据所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号获得所述供电基准信号。
优选地，在所述反馈信号的预设范围内，所述供电基准信号与所述反馈信号正相关。
优选地，当所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号小于对应的第一阈值时，所述供电基准信号保持在对应的第一基准值，当所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号大于对应的第二阈值时，所述供电基准信号保持在对应的第二基准值，其中，所述第一基准值小于所述第二基准值。
优选地，所述反馈信号在大于第一阈值小于第二阈值的范围内，所述供电基准信号与所述反馈信号成线性关系。
优选地，当所述反馈信号从第一阈值升至第二阈值时，所述供电基准信号从第一基准值切换至第二基准值，当所述反馈信号从第二阈值降至第一阈值时，所述供电基准信号从第二基准值切换至第一基准值。
优选地，所述信号反馈电路包括采样电路和基准电压电路，所述采样电路采样所述反馈信号的信息，以获得采样信号，所述基准电压电路接收所述采样信号，以获得与采样信号正相关的供电基准信号。
优选地，所述开关变换器包括辅助绕组，所述辅助绕组与所述开关变换器的副边绕组同名端耦合，所述反馈信号为表征所述功率级电路的输出电压或者输出功率中之一，所述第一直流电压为所述辅助绕组输出的电压经过整流处理的电压信号。
优选地，所述开关变换器包括辅助绕组，所述辅助绕组与所述开关变换器的原边绕组同名端耦合，所述反馈信号为表征所述功率级电路的输入电压，所述第一直流电压为所述辅助绕组输出的电压经过整流处理的电压信号。
优选地，所述开关变换器的原边包括功率因素校正电路，所述原边绕组连接在所述功率因素校正电路之后。
优选地，所述电压转换电路为Boost电路、Buck电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Zeta电路、Sepic电路中任一种。
第二方面，提供一种宽范围输出的开关变换器的控制方法，根据表征所述开关变换器的功率级电路的输入电压、输出电压、或者输出功率其中之一获得反馈信号；根据反馈信号获得供电基准信号；接收第一直流电压，以根据供电基准信号将所述第一直流电压转换为第二直流电压输出，所述第二直流电压作为所述开关变换器控制电路的供电电压。
优选地，在所述反馈信号的预设范围内，所述供电基准信号与所述反馈信号正相关。
优选地，当所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号小于对应的第一阈值时，所述供电基准信号保持在对应的第一基准值，当所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号大于对应的第二阈值时，所述供电基准信号保持在对应的第二基准值，其中，所述第一基准值小于所述第二基准值。
采用本发明的电路结构，通过信号反馈电路获得与开关变换器的输入侧或输出侧的反馈信号关联的供电基准信号，电压转换电路根据供电基准信号将输入的第一直流电压转换为期望的第二直流电压输出，所述第二直流电压作为开关变换器的控制电路供电电压。通过本发明的技术方案，可以根据开关变换器的反馈信号动态调整控制电路的供电电压，如当开关变换器的输出信号如输出电压降低时，电压转换电路的输入电压也会降低，此时调整电压转换电路的闭环基准电压，控制供电电压降低，使得电压转换电路的输入电压和供电电压压差降低，提高电压转换电路的效率，此时由于供电电压降低驱动电压同步降低，可以适当优化此时的驱动损耗和控制芯片的静态功耗，减小待机或者轻载功耗；当输出电压升高时电压转换电路的输入电压也会升高，此时调整电压转换电路的闭环控制基准，将供电电压升高，使得输入电压和供电电压压差降低，一般输出电压较高时输出功率也较大，原边功率开关的电流会提高，适当增加供电电压提高驱动电压，优化导通损耗。
附图说明
图1为现有技术的反激变换器的第一种供电方式的电路框图；
图2为现有技术的反激变换器的第二种供电方式的电路框图；
图3为依据本发明的反激变换器的供电方式的第一实施例的电路框图；
图4为依据图3的波形图；
图5为依据本发明的反激变换器的供电方式的第二实施例的电路框图；
图6为依据图5的波形图；
图7为依据本发明的反激变换器的供电方式的第三实施例的电路框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图3为依据本发明的反激变换器的供电方式的第一实施例的电路框图，图4为依据图3的波形图。本实施例中开关变换器以反激式变换器为例，其包括功率级电路、控制电路和供电电路，其中，功率级电路包括原边的整流电路、原边输入电容、原边绕组和功率开关、副边绕组和整流电路，功率级电路接收输入电压AC，经功率开关处理后产生输出电压Vo输出。供电电路用以产生供电电压Vcc，控制电路接收供电电压Vcc后，用以控制功率开关Qp的工作状态。
如图3所示，所述开关变换器包括辅助绕组，本实施例中，所述辅助绕
组与所述开关变换器的副边绕组同名端耦合，辅助绕组获得耦合的电压VAUX，耦合的电压VAUX经过整流处理作为第一直流电压Vin输出。如此，第一直流电压Vin随着输出电压变化而变化，且两者正相关。
本实施例中，所述供电电路包括电压转换电路和信号反馈电路，所述电压转换电路接收第一直流电压Vin，以根据供电基准信号将所述第一直流电压转换为第二直流电压输出，所述第二直流电压作为所述控制电路的供电电压Vcc，所述信号反馈电路包括采样电路和基准电压电路，所述采样电路采样所述反馈信号的信息，以获得采样信号Vs，所述基准电压电路接收所述采样信号，以获得与采样信号正相关的供电基准信号Vcc_ref，如图2，采样电路采样所述辅助绕组的电压，以获得表征输出电压的反馈信号。这里，所述反馈信号可以与输出电压相等，也可以为与输出电压成比例关系的电压信号，如通过分压电路获得与输出电压成比例关系的电压信号。所述电压转换电路为Boost电路、Buck电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Zeta电路、Sepic电路中任一种。
本发明实施例中，在所述反馈信号的预设范围内，预设范围为大于等于第一阈值小于等于第二阈值，所述供电基准信号与所述输出反馈信号正相关，这里，当反馈信号为输入侧的信号时，则预设范围为大于等于对应的第一阈值小于等于对应的第二阈值，反馈信号为输入侧的信号和输出侧的信号对应的阈值范围可以为相同或不同。如图3所示，以输出侧的反馈信号为例，当所述反馈信号小于第一阈值时，所述供电基准信号保持在第一基准值VCC_L，当所述反馈信号大于第二阈值时，所述供电基准信号保持在第二基准值VCC_H，第一基准值VCC_L小于第二基准值VCC_H。优选地，所述反馈信号在大于第一阈值小于第二阈值的范围内，如Vo_L至Vo_H，对应采样信号在VS_L至VS_H的范围内，所述供电基准信号与所述输出反馈信号成正比线性关系，如实线①，或者是当所述反馈信号从第一阈值Vo_L升至第二阈值Vo_H时，所述供电基准信号从第一基准值VCC_L切换至第二基准值VCC_H，当所述反馈信号从第二阈值Vo_H降至第一阈值Vo_L时，所述供电基准信号从第二基准值VCC_H切换至第一基准值VCC_L，如虚线②。这里，所述供电基准信号与所述反馈信号正相关，正相关不限于上述的正比线性关系，还可以为阶梯正相关或者曲线正相关，所述供电基准信号随着所述反馈信号增大而增大以及所述供电基准信号随着所述反馈信号减小而减小均可。
根据上述的实施例，在确保原边的控制电路正常工作的情况下，在输出电压较低时，尽量减小供电电压输出的闭环控制基准，在输出低压时减小DC-DC（Boost升压形式下）输入和输出的压差以提高DC-DC转换器的效率，输出电压较低时一般输出功率也较低，通过降低供电电压也可以降低驱动电平，降低芯片的功率；在输出电压Vo高压输出下，通过适当提高供电Vcc电压，可以减小DC-DC（Buck降压形式）输入和输出压差以提高DC-DC的效率，输出电压高时一般输出功率也较大，通过提高Vcc电压也可以适当提高驱动电平，从而降低主功率管的导通损耗。
参考图5为依据本发明的反激变换器的供电方式的第二实施例的电路框图以及6为依据图5的波形图。所述反馈信号为输出功率，所述采样信号为根据输出功率获得的误差补偿信号。本实施例中的信号反馈电路包括采样电路和基准电压电路，所述采样电路采样所述输出信号并通过光耦反馈到原边，以获得误差补偿信号，所述误差补偿信号作为采样信号传输给基准电压电路，所述基准电压电路接收所述误差补偿信号，以获得与误差补偿信号正相关的供电基准信号。供电基准信号Vcc_ref获得过程与上一实施例的类似，参考图6，所述输出功率在大于第一阈值小于第二阈值的范围内，如Po_L至Po_H，对应采样信号在Vcomp_L至Vcomp_H的范围内，所述供电基准信号与所述输出反馈信号成正比线性关系，如实线①，或者是当所述输出功率从第一阈值Po_L升至第二阈值Po_H时，所述供电基准信号从第一基准值VCC_L切换至第二基准值VCC_H，当所述输出功率从第二阈值Po_H降至第一阈值Po_L时，所述供电基准信号从第二基准值VCC_H切换至第一基准值VCC_L，如虚线②。
同理，本实施例也可在确保原边控制电路（或控制芯片）正常工作的情况下，尽量减小供电电压Vcc的闭环基准，在误差补偿信号Vcomp较低时意味着输出功率较低时，通过降低供电电压Vcc可以适当降低驱动电平，降低芯片的功率；在误差补偿信号Vcomp较高时意味着输出功率较大，通过适当提高Vcc电压，可以适当提高驱动电平，可以降低主功率管的导通损耗。
参考图7为依据本发明的反激变换器的供电方式的第三实施例的电路框图；本实施例中，所述开关变换器包括辅助绕组，所述辅助绕组与所述开关变换器的原边绕组同名端耦合，所述第一直流电压为所述辅助绕组输出的电压经过整流处理的电压信号，所述反馈信号为表征输入侧的输入电压信息。进一步地所述开关变换器的原边包括功率因素校正电路，所述原边绕组连接在所述功率因素校正电路之后，所述第一直流电压跟随所述原边绕组的电压变化。其供电电路的产生方式和工作原理与实施例一相同，对于PD适配器的应用，由于输出电压范围变化较大，会给供电电路的输入电压造成比较大的波动，而输入电压一般在80VDC~374VDC变化，其变化相对于输出电压变化来说较小，供电电路的电压来源与原边的输入侧相关，使得辅助供电电压的变化会跟随输入电压进行变化，可以降低供电电压的输入输出压差，有助于供电电路的效率优化。更进一步地，对于搭配PFC的级联式结构，由于PFC母线电压基本稳定，变化比基本为1左右，所以对于反激变换器的输入电压变化比非常小，会产生最优化的供电组合方案。
需要说明的是，本实施例中的反馈信号示例为根据输入侧的输入电压或输出侧的输出电压、输出功率，但是输入侧的与输入电压关联的信号或者输出侧与输出电压关联的信号均可作为反馈信号使用，只要最后的结果是使得供电电压的输出输入电压压差能够得到优化都在本发明的实施范围内。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种宽范围输出的开关变换器，包括功率级电路、控制电路以及供电电路，功率级电路的输入端接收输入电压，通过开关转换以在输出端输出预期的输出电压，其特征在于，
所述供电电路包括电压转换电路和信号反馈电路，
所述电压转换电路接收第一直流电压，以根据供电基准信号将所述第一直流电压转换为第二直流电压输出，所述第二直流电压作为所述控制电路的供电电压，
所述信号反馈电路根据所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号获得所述供电基准信号。
2.根据权利要求1所述的开关变换器，其特征在于，
在所述反馈信号的预设范围内，所述供电基准信号与所述反馈信号正相关。
3.根据权利要求2所述的开关变换器，其特征在于，当所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号小于对应的第一阈值时，所述供电基准信号保持在对应的第一基准值，当所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号大于对应的第二阈值时，所述供电基准信号保持在对应的第二基准值，
其中，所述第一基准值小于所述第二基准值。
4.根据权利要求3所述的开关变换器，其特征在于，所述反馈信号在大于第一阈值小于第二阈值的范围内，所述供电基准信号与所述反馈信号成线性关系。
5.根据权利要求3所述的开关变换器，其特征在于，当所述反馈信号从第一阈值升至第二阈值时，所述供电基准信号从第一基准值切换至第二基准值，当所述反馈信号从第二阈值降至第一阈值时，所述供电基准信号从第二基准值切换至第一基准值。
6.根据权利要求1所述的开关变换器，其特征在于，所述信号反馈电路包括采样电路和基准电压电路，
所述采样电路采样所述反馈信号的信息，以获得采样信号，
所述基准电压电路接收所述采样信号，以获得与采样信号正相关的供电基准信号。
7.根据权利要求6所述的开关变换器，其特征在于，
所述开关变换器包括辅助绕组，所述辅助绕组与所述开关变换器的副边绕组同名端耦合，
所述反馈信号为表征所述功率级电路的输出电压或者输出功率中之一，
所述第一直流电压为所述辅助绕组输出的电压经过整流处理的电压信号。
8.根据权利要求6所述的开关变换器，其特征在于，所述开关变换器包括辅助绕组，所述辅助绕组与所述开关变换器的原边绕组同名端耦合，
所述反馈信号为表征所述功率级电路的输入电压，
所述第一直流电压为所述辅助绕组输出的电压经过整流处理的电压信号。
9.根据权利要求8所述的开关变换器，其特征在于，所述开关变换器的原边包括功率因素校正电路，所述原边绕组连接在所述功率因素校正电路之后。
10.根据权利要求1所述的开关变换器，其特征在于，所述电压转换电路为Boost电路、Buck电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Zeta电路、Sepic电路中任一种。
11.一种宽范围输出的开关变换器的控制方法，其特征在于，
根据表征所述开关变换器的功率级电路的输入电压、输出电压、或者输出功率其中之一获得反馈信号；
根据反馈信号获得供电基准信号；
接收第一直流电压，以根据供电基准信号将所述第一直流电压转换为第二直流电压输出，所述第二直流电压作为所述开关变换器控制电路的供电电压。
12.根据权利要求11所述的开关变换器的控制方法，其特征在于，在所述反馈信号的预设范围内，所述供电基准信号与所述反馈信号正相关。
13.根据权利要求12所述的开关变换器的控制方法，其特征在于，当所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号小于对应的第一阈值时，所述供电基准信号保持在对应的第一基准值，当所述功率级电路输入侧或输出侧的反馈信号大于对应的第二阈值时，所述供电基准信号保持在对应的第二基准值，
其中，所述第一基准值小于所述第二基准值。
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