CN201440636U - 开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，包括最大导通占空比限制斜坡补偿模块；反馈电压输入比较器的正端，比较器的输出连接触发器的复位端，时钟模块产生的时钟脉冲的输入所述触发器的置位端；所述触发器的输出连接驱动模块；驱动模块连接功率开关管，用于驱动功率开关管的开通或关闭；最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出连接加法器的一个输入端，原边电感电流感应电压连接所述加法器的另一个输入端；所述加法器的输出点连接比较器的负端；所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块，用于当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，增大补偿电压，强制比较器翻转。本实用新型提供的电路比现有技术结构简单，易于实现。

Description

开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路
技术领域
本实用新型涉及开关电源技术领域，特别涉及一种开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路。
背景技术
开关电源中，特别是带变压器隔离的开关电源中，通常需要对功率开关管的最大导通占空比进行限制。开关电源中的功率开关管的导通和关闭由开关电源中的控制器控制。以PWM控制器为例，PWM控制器输出固定频率信号，通过改变输出开关信号的导通时间控制功率开关管的导通或关闭。
功率开关管的导通周期为T，导通时间为Ton，关断时间为Toff，其中T＝Ton+Toff。功率开关管的导通占空比定义为：D＝Ton/T。无论是在开关电源的瞬态响应中或稳态工作时，都需要对功率开关管的最大导通占空比Dmax进行限制。如果最大导通占空比太大，会导致变压器磁通不平衡，引起磁芯饱和以致消磁。由于饱和的磁芯不能承受电压，当功率开关管导通时，功率开关管将承受很大的电压和电流，这样容易导致功率开关管损坏。同时在某些瞬态响应下，太大的导通占空比会导致输入过多能量，引起***炸机。
参见图1，该图为现有技术中电流模式反激开关电源的原理图。
开关电源100包含PWM控制器101。输入的交流电压Vac通过整流桥102和输入滤波电容103得到输入电压Vin。***启动时通过启动电阻104对PWM控制器101的电源电压VCC供电。
变压器由原边绕组105、副边绕组106和辅助绕组107构成。
功率开关管108的导通和关断控制变压器中的能量存储。当功率开关管108导通时，原边绕组105导通，磁芯存储能量，电阻109感应原边绕组105的电流。当功率开关管108关闭时，原边绕组105关断，磁芯存储的能量向副边绕组106和辅助绕组107传送。辅助绕组106的电流通过二极管110整流，向PWM控制器101的电源电压VCC供电。副边绕组106的电流通过二极管112整流和电感113、电容114滤波后向负载电阻115提供能量。
为了保持输出电压Vout的恒定，采用第一反馈分压电阻116和第二反馈分压电阻117，误差放大器118和光耦合器120构成反馈环路。电容119补偿反馈环路以确保环路的稳定性。光耦合器120实现了原边和副边的电隔离，并向PWM控制器101提供误差放大器118的输出。
电流感应电阻109向PWM控制器101提供原边电感电流感应电压Vcs。PWM控制器101内部通过斜坡补偿模块123对Vcs进行斜坡补偿，以保证***输出稳定。时钟模块121产生时钟脉冲对RS触发器126置位，触发器126输出开关信号128。原边电感电流感应电压Vcs和反馈电压VFB的比较输出送入RS触发器126的复位端，触发器126输出开关信号128。RS触发器126的输出信号作为与门127的其中一个输入。而与门127的另一个输入为时钟模块121产生的时钟最大占空比信号129。
当比较器125的负端输入电压过低或反馈电压VFB过高时，功率开关管的导通占空比大于***设定的最大导通占空比时，由时钟最大占空比信号129使与门127输出为低，驱动模块关断功率开关管108，实现输出功率开关管108最大导通占空比的限制。
上述提供的电路，需要时钟模块121产生时钟最大占空比信号129，同时还需要一个与门电路控制功率开关管的最大导通占空比。这种电路结构复杂。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，电路结构简单。
本实用新型实施例提供一种开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，包括最大导通占空比限制斜坡补偿模块；
反馈电压输入比较器的正端，比较器的输出连接触发器的复位端，时钟模块产生的时钟脉冲的输入所述触发器的置位端；所述触发器的输出连接驱动模块；所述驱动模块连接功率开关管，用于驱动功率开关管的开通或关闭；
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出连接加法器的一个输入端，所述原边电感电流感应电压连接所述加法器的另一个输入端；所述加法器的输出点连接比较器的负端；
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块，用于当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，增大补偿电压，强制比较器翻转。
优选地，所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、监测单元和锯齿波产生单元；
所述监测单元，用于监测功率开关管的最大导通占空比，当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，导通第二NMOS管；
第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连，第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极相连后接电源；
第二PMOS管的漏极通过第三电阻接地；
所述第一PMOS管的栅极和漏极短接；
所述第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的栅极连接锯齿波产生单元的输出，所述第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极；
所述第二NMOS管的栅极连接监测单元的输出，第二NMOS管的源极通过第二电阻接地；
所述第一电阻连接在第二NMOS管的漏极和源极之间；
第二PMOS管的漏极作为所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出。
优选地，所述触发器为RS触发器。
优选地，所述触发器为D触发器。
优选地，所述功率开关管为三极管、MOS或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
本实用新型实施例还提供一种开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，包括最大导通占空比限制斜坡补偿模块；
原边电感电流感应电压输入比较器的负端，比较器的输出连接触发器的复位端，时钟模块产生的时钟脉冲的输入所述触发器的置位端；所述触发器的输出连接驱动模块；所述驱动模块连接功率开关管，用于驱动所述功率开关管的开通或关闭；
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出连接减法器的一个输入端，反馈电压连接所述减法器的另一个输入端；所述减法器的输出点连接比较器的正端；
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块，用于当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，增大补偿电压，强制比较器翻转。
优选地，所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、监测单元和锯齿波产生单元；
所述监测单元，用于监测功率开关管的最大导通占空比，当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，导通第二NMOS管；
第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连，第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极相连后接电源；
第二PMOS管的漏极通过第三电阻接地；
所述第一PMOS管的栅极和漏极短接；
所述第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的栅极连接锯齿波产生单元的输出，所述第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极；
所述第二NMOS管的栅极连接监测单元的输出，第二NMOS管的源极通过第二电阻接地；
所述第一电阻连接在第二NMOS管的漏极和源极之间；
第二PMOS管的漏极作为所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出。
优选地，所述触发器为RS触发器。
优选地，所述触发器为D触发器。
优选地，当所述功率开关管为三极管时，所述驱动模块连接三极管的基极；
当所述功率开关管为MOS管时，所述驱动模块连接MOS管的栅极。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
本实用新型提供的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，包括最大导通占空比限制斜坡补偿模块。所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块监测功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，增大输出信号对Vcs进行补偿，补偿后Vcs作为比较器的负端输入，强制比较器翻转，进而驱动模块关闭功率开关管，从而降低功率开关管的最大导通占空比。本实用新型提供的电路比现有技术结构简单，易于实现。
附图说明
图1是现有技术中电流模式反激开关电源的原理图；
图2是本实用新型第一实施例原理图；
图3是本实用新型最大导通占空比限制斜坡补偿模块的电路图；
图4是现有技术最大导通占空比限制的波形图；
图5是本实用新型最大导通占空比限制的波形图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
参见图2，该图为本实用新型第一实施例原理图。
开关电源200包含PWM控制器201。
输入的交流电压Vac通过整流桥202和输入滤波电容203得到输入电压Vin。
***启动时通过启动电阻204对PWM控制器201的电源电压VCC供电。
变压器由原边绕组205、副边绕组206和辅助绕组207组成。
功率开关管208的导通或关断控制变压器中的能量存储。
当功率开关管208导通时，原边绕组205导通，变压器磁芯存储能量，电阻209感应原边电感电流。
当功率开关管208关闭时，原边绕组205关断，变压器磁芯存储的能量向副边绕组206和辅助绕组207传送。
辅助绕组206的电流通过二极管210整流，向PWM控制器201的电源电压VCC供电。
副边绕组206电流通过二极管212整流和电感213、电容214滤波后向负载电阻215提供能量。
为了保持输出电压Vout的恒定，采用反馈分压电阻216和217，误差放大器218和光耦合器220构成反馈环路。
电容219补偿反馈环路以确保环路的稳定性。
光耦合器220实现了原边绕组和副边绕组的电隔离，并向PWM控制器201提供误差放大器的输出。
电流感应电阻209向PWM控制器201提供原边电感电流感应电压Vcs。
PWM控制器201内部通过最大导通占空比限制斜坡补偿模块222对Vcs进行斜坡补偿，以保证在电流模式控制的开关电源***保持输出稳定。
需要说明的是，功率开关管可以为三极管，也可以为MOS管或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
当功率开关管为三极管时，驱动模块的输出连接三极管的基极或射极。
当功率开关管为MOS时，驱动模块的输出连接MOS管的栅极。
为了描述简单，下面实施例以功率开关管为三极管来描述，驱动模块驱动三极管的基极。不再描述功率开关管为MOS管的情况。
比较器225的输出进入RS触发器226复位端，复位输出开关信号227。
时钟模块221产生时钟脉冲对RS触发器226置位，使能输出开关信号227。
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块222的输出连接加法器223的一个输入端，所述原边电感电流感应电压Vcs连接所述加法器223的另一个输入端；所述加法器223的输出点连接比较器225的负端。
当最大导通占空比限制斜坡补偿模块222监测到功率开关管208的最大导通占空比大于***预先设定值时，最大导通占空比限制斜坡补偿模块222产生的斜坡补偿信号瞬间突然增大，增大对Vcs进行斜坡补偿，增加Vcs的值，将增加后的Vcs输入比较器225的负端，强制比较器225发生翻转。输出信号使RS触发器226复位，驱动模块关断功率开关管208，实现功率开关管208最大导通占空比的限制。
本领域技术人员可以理解的是，上述实施例是以RS触发器为例来说明的，可以用D触发器或者其他类型的触发器来实现同样的复位和置位的功能，例如T触发器、JK触发器等等，在此不再赘述。
本实用新型提供的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，包括最大导通占空比限制斜坡补偿模块。所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块监测功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，增大输出信号对Vcs进行补偿，补偿后Vcs作为比较器的负端输入，强制比较器翻转，进而驱动模块关闭功率开关管，从而降低功率开关管的最大导通占空比。本实用新型提供的电路比现有技术结构简单，易于实现。
本领域技术人员可以理解的是，本实施例中最大导通占空比限制斜坡补偿模块用来对Vcs进行补偿，补偿后的电压输入到比较器的负端。最大导通占空比限制斜坡补偿模块也可以通过用来对VFB进行补偿。
当最大导通占空比限制斜坡补偿模块也可以通过用来对VFB进行补偿时，具体的连接为：
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出连接减法器的一个输入端，反馈电压连接所述减法器的另一个输入端；所述减法器的输出点连接比较器的正端；
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块，用于当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，突然增大补偿电压，强制比较器翻转。
下面结合附图介绍最大导通占空比限制斜坡补偿模块的一种具体实现电路。
参见图3，该图为本实用新型最大导通占空比限制斜坡补偿模块的电路图。
本实施例提供的最大导通占空比限制斜坡补偿模块包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、监测单元302和锯齿波产生单元301。
所述监测单元302，用于监测功率开关管的最大导通占空比，当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，导通第二NMOS管。
当第二NMOS管导通时，将第一电阻R1短路，因此，电流Islope增大，镜像到第三电阻R3上的电流也随之增大，因此，电压Vslope也瞬间增大。
第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连，第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极相连后接电源；
第二PMOS管的漏极通过第三电阻R3接地；
所述第一PMOS管的栅极和漏极短接；
所述第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的栅极连接锯齿波产生单元301的输出，所述第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极；
所述第二NMOS管的栅极连接监测单元的输出，第二NMOS管的源极通过第二电阻R2接地；
所述第一电阻R1连接在第二NMOS管的漏极和源极之间；
第二PMOS管的漏极作为所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出。
锯齿波产生单元301输出的脉冲信号通过第一NMOS管M1、第一电阻R1和第二电阻R2产生斜坡补偿电流Islope。
第一PMOS管M3和第二PMOS管M4构成电流镜。
第二PMOS管M4镜像的斜坡补偿电流Islope在第三电阻R3上产生斜坡补偿信号Vslope。
监测单元302在需要限制最大导通占空比时打开第二NMOS管M2，使得斜坡补偿信号Vslope瞬间突然增大。
参见图4，该图为现有技术最大导通占空比限制的波形图。
波形401是输入比较器125的正端信号。
波形402是输入比较器125的负端信号。
波形403是时钟121的时钟脉冲输出。
波形404是与门127的输出。
参见图5，该图为本实用新型最大导通占空比限制的波形图。
波形501是输入比较器225的正端信号。
波形502是输入比较器225负端的信号，即经过最大导通占空比限制斜坡补偿对Vcs补偿后的信号。
波形503是未补偿的Vcs信号。
波形504是锯齿波单元输出的锯齿波脉冲信号。
波形505是RS触发器226输出的信号，即输给功率开关管208基极的信号。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，包括最大导通占空比限制斜坡补偿模块；
反馈电压输入比较器的正端，比较器的输出连接触发器的复位端，时钟模块产生的时钟脉冲的输入所述触发器的置位端；所述触发器的输出连接驱动模块；所述驱动模块连接功率开关管，用于驱动功率开关管的开通或关闭；
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出连接加法器的一个输入端，所述原边电感电流感应电压连接所述加法器的另一个输入端；所述加法器的输出点连接比较器的负端；
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块，用于当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，增大补偿电压，强制比较器翻转。
2.根据权利要求1所述的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、监测单元和锯齿波产生单元；
所述监测单元，用于监测功率开关管的最大导通占空比，当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，导通第二NMOS管；
第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连，第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极相连后接电源；
第二PMOS管的漏极通过第三电阻接地；
所述第一PMOS管的栅极和漏极短接；
所述第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的栅极连接锯齿波产生单元的输出，所述第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极；
所述第二NMOS管的栅极连接监测单元的输出，第二NMOS管的源极通过第二电阻接地；
所述第一电阻连接在第二NMOS管的漏极和源极之间；
第二PMOS管的漏极作为所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出。
3.根据权利要求1或2所述的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，所述触发器为RS触发器。
4.根据权利要求1或2所述的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，所述触发器为D触发器。
5.根据权利要求1所述的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，所述功率开关管为三极管、MOS或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
6.一种开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，包括最大导通占空比限制斜坡补偿模块；
原边电感电流感应电压输入比较器的负端，比较器的输出连接触发器的复位端，时钟模块产生的时钟脉冲的输入所述触发器的置位端；所述触发器的输出连接驱动模块；所述驱动模块连接功率开关管，用于驱动所述功率开关管的开通或关闭；
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出连接减法器的一个输入端，反馈电压连接所述减法器的另一个输入端；所述减法器的输出点连接比较器的正端；
所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块，用于当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，增大补偿电压，强制比较器翻转。
7.根据权利要求6所述的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、监测单元和锯齿波产生单元；
所述监测单元，用于监测功率开关管的最大导通占空比，当功率开关管的最大导通占空比大于设定值时，导通第二NMOS管；
第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极相连，第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极相连后接电源；
第二PMOS管的漏极通过第三电阻接地；
所述第一PMOS管的栅极和漏极短接；
所述第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极，所述第一NMOS管的栅极连接锯齿波产生单元的输出，所述第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的漏极；
所述第二NMOS管的栅极连接监测单元的输出，第二NMOS管的源极通过第二电阻接地；
所述第一电阻连接在第二NMOS管的漏极和源极之间；
第二PMOS管的漏极作为所述最大导通占空比限制斜坡补偿模块的输出。
8.根据权利要求6或7所述的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，所述触发器为RS触发器。
9.根据权利要求6或7所述的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，所述触发器为D触发器。
10.根据权利要求6所述的开关电源中功率开关管最大导通占空比的限制电路，其特征在于，当所述功率开关管为三极管时，所述驱动模块连接三极管的基极；
当所述功率开关管为MOS管时，所述驱动模块连接MOS管的栅极。
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