一种同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统技术方案

一种同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统，包括单输出DAC中点采样模块、采样误差补偿模块、电流检测模块、数字控制模块及PWM驱动模块构成的控制系统，单输出DAC中点采样模块采样辅助绕组的电压信号Vsense，输出副边电流复位时间Tr中点时刻的电压信号Vsense(tmid)，通过基于电流检测模块推算中点采样误差的补偿算法，以修正中点处的辅助绕组上的采样电压，数字控制模块通过补偿后的中点电压信号与系统预设的固定值VREF的误差e(n)，利用比例和积分计算出控制量输出给PWM驱动模块分别控制原边开关管及副边同步整流管，实现对同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制。

【技术实现步骤摘要】
一种同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统
本专利技术属于隔离式开关电源变换器
，特别涉及一种同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统。
技术介绍
随着全球电子市场的迅速发展，未来对电源管理类芯片的需求越来越大。消费者对轻薄产品需求不断增长的情况下，产品的小型化是一大趋势。此外，随着高通公布新一代QuickCharge3.0快速充电技术，进一步将移动电子设备的充电功率提升到了30瓦特的中等功率水平，对于电源的技术发展趋势而言，功率的需求将越来越大。常用的开关电源各种拓扑结构分门别类，buck，boost适用于低电压大电流的场合，缺点是原副边不能隔离；半桥、全桥变换器和推挽式变换器在电路结构上需要多个功率开关管完成控制，一般应用于大功率的工业电源，功率从几百W到几千W不等，小功率情况下成本较高；而反激式开关电源只需要单个功率开关管，元器件少、体积小、成本低，具有电路结构简单、输入输出电气隔离、可以同时输出多路电压等优点，被广泛使用于100W以下的电源应用场合。传统的反激式开关变换器采用二极管整流方式。对于大功率的电源系统应用上，二极管的损耗己成为提高系统效率的瓶颈。为了提高效率和降低损耗的需要，采用同步整流技术已经成为了一种必要的手段。同步整流技术就是使用低导通电阻、高输入阻抗的MOSFET来代替二极管进行整流，同步整流管导通电阻低、正向压降小，因而整流损耗低，大大提高了反激式开关电源的效率。目前，阻碍数字控制同步整流原边反馈反激变换器大功率下运用的问题在于：同步整流情况下，已经成熟的数字逼近式双线拐点采样方案不准。数字逼近式双线拐点采样方案，就是利用拐点位置的特殊性，通过设定双线间隙压差，利用采样波形在拐点处斜率不同，能够采样到间隙时间的差别，从而上下移动双线，始终跟随在拐点位置附近。然而，在同步整流结构下，采样波形并不适合双线采样方案：由于在同步整流结构下，同步整流管导通电阻小，仅为十几至几十毫欧，因此无论是连续电流模式(CCM)和非连续电流模式(DCM)下，都存在采样波形斜率小，拐点之后陡直的问题，此外，在实际情况下，同步整流一般在拐点之前就关闭了，此时变为寄生二极管DSR导通，正向导通压降Vf为1V，如果是拐点采样，采样到的电压大小为Vo+Vf，此时采样精度反而受拐点位置影响会变差，导致采样精度不高，而且跟随拐点效果较差，导致闭环稳定性和恒压精度差，因此需要针对问题提出相应改进采样解决方案。
技术实现思路
本专利技术是针对现有的数字逼近双线采样方案对原边控制同步整流结构的采样缺陷，提出同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统，采用单输出DAC中点采样方案，利用三角波发生器产生的单斜坡数字波，和DAC产生的参考电压相叠加，形成用于采样的斜坡Vref_slope。利用比较器将采样的单斜坡数字波Vref_slope与辅助绕组采得的Vsense电压进行比较，得到副边电流复位时间Tr中点时刻，即Tr/2时刻，记为复位时间中点tmid时刻辅助绕组上的电压信号Vsense(tmid)。无论采样波形斜率如何、拐点如何，单输出DAC中点采样都能获得较高的采样精度和较好的拐点跟随效果。同时对单输出DAC中点采样误差进行分析，设计出一种可同时作用在连续电流模式(CCM)和非连续电流模式(DCM)下的采样补偿方案来进一步对中点采样得到的采样电压进行修正，从而补偿中点采样电压误差，能够实现DCM和CCM下的输出电压精准恒压。此外，采样电路只需单输出DAC和比较器即可实现，与模数转换器ADC直接采样原边电流或辅助绕组的中点电压相比，成本低廉。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统，以采用同步整流方式的反激式变换器主拓扑结构为控制对象，其特征在于：包括单输出DAC中点采样模块、采样误差补偿模块、电流检测模块、数字控制模块、PWM驱动模块和隔离驱动模块构成的控制系统，该控制系统与受控的同步整流反激式变换器主拓扑构成闭环；单输出DAC中点采样模块的输入端连接辅助绕组采样的电压信号Vsense，单输出DAC中点采样模块的输出为副边电流复位时间Tr中点时刻，即Tr/2时刻辅助绕组上的电压信号Vsense(tmid)，电流检测模块，在不采用传统大面积的模数转换器情况下，完全使用纯数字的方式，通过DAC采样机制，间接采样并推算得到DCM和CCM情况下原边平均电流Imid_p和副边平均电流Is(tmid)的大小，采样误差补偿模块接受电流检测模块输出的副边平均电流Is(tmid)和单输出DAC中点采样模块输出的Tr/2时刻辅助绕组上的电压信号Vsense(tmid)，分别在非连续电流模式DCM和连续电流模式CCM下，推算出电压信号Vsense(tmid)与其理想波形的DCM情况下的偏差值Verr_dcm或CCM情况下的偏差值Verr_ccm，对单输出DAC中点采样进行精确补偿，得到补偿后的Tr/2时刻中点电压信号Vsense′(tmid)输出给数字控制模块，数字控制模块通过补偿后的中点电压信号Vsense′(tmid)与系统预设的固定值VREF的误差e(n)，利用比例和积分计算出控制量Vc(n)输出给PWM驱动模块，PWM驱动模块产生原边开关管占空比控制信号duty控制原边开关管，产生副边同步整流管占空比控制信号duty_SR经隔离驱动模块控制副边同步整流管，实现对同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制。所述单输出DAC中点采样模块包括数模转换器DAC、三角波发生器、比较器CMP1、比较器CMP2、计数器和反馈量计算模块；利用三角波发生器产生的单斜坡数字波与DAC产生的参考电压相叠加，形成用于采样的单斜坡数字波的电压信号Vref_slope，将单斜坡数字波的电压信号Vref_slope与辅助绕组采样的电压信号Vsense通过比较器CMP1和CMP2进行比较，辅助绕组采样的电压信号Vsense分别连接比较器CMP1和CMP2的正端，比较器CMP1的负端连接单斜坡数字波的电压信号Vref_slope，比较器CMP2的负端连接零电压，将比较器CMP1输出的反馈比较信号Vref_comp和比较器CMP2输出的过零比较信号Vzvs_comp输出给计数器，计数器根据反馈比较信号Vref_comp和过零比较信号Vzvs_comp的高低电平变化，计数得到单斜坡数字波电压信号Vref_slope从起始电压Vinitial位置上升到与辅助绕组采样的电压信号Vsense相交所需要的总时间Δtr_half及副边电流从峰值降低到最低点所需要的复位时间Tr输出给反馈量计算模块，反馈量计算模块在每个开关周期不断的比较Δtr_half和副边电流复位时间Tr的中点时刻，即Tr/2的大小关系，精确周密地产生单斜坡数字波起始电压Vinitial的数字值，并将其反馈输出给数模转换器DAC和三角波发生器，重新进行上述三角波发生器产生的单斜坡数字波与DAC产生的参考电压相叠加、比较器比较、计数器计数和反馈量计算过程，以保证单斜坡数字波电压信号Vref_slope的起始位置，直至当Δtr_half＝Tr/2时，即表明当辅助绕组上的电压信号Vsense与单斜坡数字波的电压信号Vref_slope相等，将此刻的单斜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统，以采用同步整流方式的反激式变换器主拓扑结构为控制对象，其特征在于：包括单输出DAC中点采样模块、采样误差补偿模块、电流检测模块、数字控制模块、PWM驱动模块和隔离驱动模块构成的控制系统，该控制系统与受控的同步整流反激式变换器主拓扑构成闭环；单输出DAC中点采样模块的输入端连接辅助绕组采样的电压信号Vsense，单输出DAC中点采样模块的输出为副边电流复位时间Tr中点时刻，即Tr/2时刻辅助绕组上的电压信号Vsense(tmid)，电流检测模块，在不采用传统大面积的模数转换器情况下，完全使用纯数字的方式，通过DAC采样机制，间接采样并推算得到DCM和CCM情况下原边平均电流Imid_p和副边平均电流Is(tmid)的大小，采样误差补偿模块接受电流检测模块输出的副边平均电流Is(tmid)和单输出DAC中点采样模块输出的Tr/2时刻辅助绕组上的电压信号Vsense(tmid)，分别在非连续电流模式DCM和连续电流模式CCM下，推算出电压信号Vsense(tmid)与其理想波形的DCM情况下的偏差值Verr_dcm或CCM情况下的偏差值Verr_ccm，对单输出DAC中点采样进行精确补偿，得到补偿后的Tr/2时刻中点电压信号Vsense′(tmid)输出给数字控制模块，数字控制模块通过补偿后的中点电压信号Vsense′(tmid)与系统预设的固定值VREF的误差e(n)，利用比例和积分计算出控制量Vc(n)输出给PWM驱动模块，PWM驱动模块产生原边开关管占空比控制信号duty控制原边开关管，产生副边同步整流管占空比控制信号duty_SR经隔离驱动模块控制副边同步整流管，实现对同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制。...

【技术特征摘要】
1.一种同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统，以采用同步整流方式的反激式变换器主拓扑结构为控制对象，其特征在于：包括单输出DAC中点采样模块、采样误差补偿模块、电流检测模块、数字控制模块、PWM驱动模块和隔离驱动模块构成的控制系统，该控制系统与受控的同步整流反激式变换器主拓扑构成闭环；单输出DAC中点采样模块的输入端连接辅助绕组采样的电压信号Vsense，单输出DAC中点采样模块的输出为副边电流复位时间Tr中点时刻，即Tr/2时刻辅助绕组上的电压信号Vsense(tmid)，电流检测模块，在不采用传统大面积的模数转换器情况下，完全使用纯数字的方式，通过DAC采样机制，间接采样并推算得到DCM和CCM情况下原边平均电流Imid_p和副边平均电流Is(tmid)的大小，采样误差补偿模块接受电流检测模块输出的副边平均电流Is(tmid)和单输出DAC中点采样模块输出的Tr/2时刻辅助绕组上的电压信号Vsense(tmid)，分别在非连续电流模式DCM和连续电流模式CCM下，推算出电压信号Vsense(tmid)与其理想波形的DCM情况下的偏差值Verr_dcm或CCM情况下的偏差值Verr_ccm，对单输出DAC中点采样进行精确补偿，得到补偿后的Tr/2时刻中点电压信号Vsense′(tmid)输出给数字控制模块，数字控制模块通过补偿后的中点电压信号Vsense′(tmid)与系统预设的固定值VREF的误差e(n)，利用比例和积分计算出控制量Vc(n)输出给PWM驱动模块，PWM驱动模块产生原边开关管占空比控制信号duty控制原边开关管，产生副边同步整流管占空比控制信号duty_SR经隔离驱动模块控制副边同步整流管，实现对同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制。2.根据权利要求1所述的同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统，其特征在于：所述单输出DAC中点采样模块包括数模转换器DAC、三角波发生器、比较器CMP1、比较器CMP2、计数器和反馈量计算模块；利用三角波发生器产生的单斜坡数字波与DAC产生的参考电压相叠加，形成用于采样的单斜坡数字波的电压信号Vref_slope，将单斜坡数字波的电压信号Vref_slope与辅助绕组采样的电压信号Vsense通过比较器CMP1和CMP2进行比较，辅助绕组采样的电压信号Vsense分别连接比较器CMP1和CMP2的正端，比较器CMP1的负端连接单斜坡数字波的电压信号Vref_slope，比较器CMP2的负端连接零电压，将比较器CMP1输出的反馈比较信号Vref_comp和比较器CMP2输出的过零比较信号Vzvs_comp输出给计数器，计数器根据反馈比较信号Vref_comp和过零比较信号Vzvs_comp的高低电平变化，计数得到单斜坡数字波电压信号Vref_slope从起始电压Vinitial位置上升到与辅助绕组采样的电压信号Vsense相交所需要的总时间Δtr_half及副边电流从峰值降低到最低点所需要的复位时间Tr输出给反馈量计算模块，反馈量计算模块在每个开关周期不断的比较Δtr_half和副边电流复位时间Tr的中点时刻，即Tr/2的大小关系，精确周密地产生单斜坡数字波起始电压Vinitial的数字值，并将其反馈输出给数模转换器DAC和三角波发生器，重新进行上述三角波发生器产生的单斜坡数字波与DAC产生的参考电压相叠加、比较器比较、计数器计数和反馈量计算过程，以保证单斜坡数字波电压信号Vref_slope的起始位置，直至当Δtr_half＝Tr/2时，即表明当辅助绕组上的电压信号Vsense与单斜坡数字波的电压信号Vref_slope相等，将此刻的单斜坡数字波的电压信号Vref_slope的值赋值给中点电压信号Vsense(tmid)，作为本次开关周期内单输出DAC中点采样模块的输出。3.根据权利要求1所述的同步整流原边反馈反激式电源的恒压输出控制系统，其特征在于：所述电流检测模块包括一个单输入双输出的DAC和两个比较器CMP3和CMP4以及原边电流时间计数模块和副边平均电流计算模块；单输入双输出DAC的输入是数字控制模块输出的原边峰值电流对应于原边电流采样电阻上的电压数字值Vpeak_d，单输入双输出DAC输出为该电压数字值Vpeak_d对应的模拟值Vpeak和...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐申，周健洋，沈为冬，陈畅，孙伟锋，陆生礼，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32