开关电源控制方法与电路技术

本发明专利技术申请公开了一种开关电源控制方法与电路。所述开关电源包括输入电容器、变压器、第一功率开关、第一控制器；输出电容器、第二功率开关、第二控制器；所述第二控制器在输入电容器能量向输出电容器传递过程中控制第二功率开关进行同步整流；所述第二控制器检测负载电压与电流，产生第一控制信号控制第一功率开关的工作状态，使负载电压与电流符合预期值；所述第二控制器控制第二功率开关产生一个导通/关断动作，将输出电容器的部分能量传递到输入电容器；第一控制器检测到有能量从输出电容器传递到输入电容器时，控制第一功率开关改变工作状态；基于本发明专利技术的开关电源无需光耦或者特殊封装框架传递第一控制信号，成本低，效率高。

Control Method and Circuit of Switching Power Supply

【技术实现步骤摘要】
开关电源控制方法与电路
本专利技术涉及开关电源技术，特别地，本专利技术涉及一种开关电源控制方法以及相应的控制电路。
技术介绍
开关电源具有尺寸小、转换效率高等优点，其应用领域不断扩大，包括充电器、适配器等。近年来，世界上主要国家对于开关电源的转换效率提出了越来越高的要求，为满足欧盟能效最新等级要求(第二阶段)和美国能源部VI级能效要求，开关电源普遍采用同步整流技术提升效率。为满足手机快速充电的要求，对于充电器输出电压的精度要求越来越高，同时要求充电器输出电压可以根据负载需要进行调整。满足USBPD3.0规范的充电器，其输出电压变化范围为3V～21V，电压最小间隔为20mV。图1A所示是传统的初级侧(或称原边)调节开关电源充电器系统100A示意图。该开关电源充电器包括交流输入端口(交流电压范围一般为85VAC至265VAC)、整流桥101(将交流电压VAC转换为直流电压VIN)、输入电容102、变压器120、第一控制器104、第一功率开关105、次级侧(或称副边)同步整流功率开关122、输出电容121、同步整流控制器124、输出电容121、输出端口(V0)等。图1A所示开关电源的输出电压由位于初级侧的控制器104控制，次级侧控制器124仅用于同步整流控制，无需光耦，成本较低。但输出电压精度受初级侧采样输出电压的误差限制，一般仅能满足+/-5％的量产精度。图1B所示开关电源是一种无需光耦的充电器。该开关电源100B的初级侧控制器和次级侧同步整流控制器被放入同一个封装之中，次级侧控制器通过封装框架的寄生电感向初级侧控制器传递控制信号控制初级侧功率开关的工作状态。开关电源100B的输出电压经由分压电阻125和126为次级侧控制器接收，输出电压由次级侧控制器调节，因此可以保证更高的电压精度，达到+/-2.5％的量产水平。开关电源100B中虽然不需要光耦，但104需要特殊的封装，因而系统成本较高。综上所述，为满足开关电源较高的输出电压精度、较低的系统成本的要求，迫切需要开发一种没有光耦、由次级侧控制输出电压及电流的开关电源控制方法和电路。这正是本专利技术的目标。本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种新的次级侧调节开关电源电压/电流控制方法和电路，降低现有技术初级侧功率开关的损耗，适应快速充电的需求。根据本专利技术的实施例，提出了一种开关电源，包括：输入端口，耦合至交流电压或直流电压；输入电容器，耦合至输入端口(输入电压为交流电时，输入电容通过整流桥耦合至交流电压)；变压器，具有初级(第一)绕组和次级(第二)绕组，初级绕组耦合至输入电容；初级(第一)功率开关，耦合至变压器初级绕组，具有导通和截止两种工作状态；第一(初级侧)控制器，耦合至初级功率开关和变压器，控制初级功率开关的工作状态；输出端口，耦合至开关电源负载，向负载提供电压和电流；输出电容器，耦合至输出端口和变压器次级绕组；第二(次级侧)功率开关，耦合至变压器次级绕组，具有导通和截止两种工作状态；第二(次级侧)控制器，耦合至第二功率开关、输出端口和变压器次级绕组。第二控制器在能量从输入电容向输出电容传递时控制第二功率开关进行同步整流；第二控制器还检测负载电压以及电流，根据负载电压或电流信号的误差产生第一控制信号；第二控制器通过将输出电容能量向输入电容传递的方式将第一控制信号传递到第一控制器；第一控制器根据得到的第一控制信号改变第一功率开关的工作状态，使负载电压或电流符合预设值；附图说明图1A、图1B为现有的开关电源原理图；图2为基于本专利技术的开关电源原理图；图3为基于本专利技术的交流-直流转换器原理图；图4为基于本专利技术图2至图3所示的开关电源控制器关键节点波形示意图；具体实施方式以下详细描述本专利技术的具体实施。实施例的示例在附图中给出。应当注意，这里描述的实例只是用来举例说明，并不用于限制本专利技术。为了便于透彻理解本专利技术，阐述了实施的细节。然而，对于本领域一般技术人员显而易见的是，不必采用这些细节也可以实施本专利技术。在实施例的描述中，为了避免混淆本专利技术，对本领域众所周知的电路，例如次级侧控制器中典型的同步整流模块、恒压、恒流模块和驱动模块未作具体描述。在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”的提及意味着，结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性被包含在本专利技术至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”不一定都指同一个实施例。此外，可以用任何适当的组合和(或)子组合将特定的特征、结构或者特性组合在一个或者多个实施例中。因此，本领域的一般技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明目的，并且附图不一定是按照比例绘制的。应当指出，当称元件“耦合到”另一元件时，它可以直接耦合到另一元件，也可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦合到”另一元件时，不存在中间元件。相同或类似的附图标记表示相同或类似的元件或具有相同或类似操作的元件。图2是基于本专利技术的次级侧调节开关电源200示意图。与图1A、图1B所示的现有开关电源100A、100B不同之处在于，开关电源200的输出电压/电流以及同步整流均由次级侧控制器224实现，无需光耦，也无需特殊封装形式。图2所示的本专利技术次级侧调节开关电源200中，输入电压Vin为直流电压，开关电源200为直流-直流转换器；输入电压Vin也可以由交流电整流得到，如图3所示，开关电源300为交流-直流转换器。以下结合图2、图3对本专利技术的实施例和优点进行详细说明。本专利技术可以应用于需要进行输入输出电气隔离的直流-直流转换器电源中。如图2所示，开关电源200包括变压器220，由初级绕组、次级绕组和辅助(第三)绕组构成。辅助绕组与初级绕组可以是正激关系(相位相同)，辅助绕组与初级侧绕组也可以是反激关系(相位相反)。在直流-直流转换应用，例如以太网供电POE方案48V转12V应用中，可以省略辅助绕组，将控制器204的控制信号接收端VS通过分压电阻耦合至初级绕组。图2所示的开关电源200还包括输入端口(VIN)、输入(第一)电容202、初级侧(第一)控制器204、第一功率开关205、第二功率开关222、次级侧(第二)控制器224、输出(第二)电容221、输出端口(V0)、输出电压分压电阻225和226、次级绕组波形检测电阻223、初级侧控制器储能电容207、初级侧电流检测电阻208、辅助绕组分压电阻209和210、辅助绕组整流二极管206、启动电阻203。为限制储能电容207的充电电流，可以选择在整流二极管206的阳极(或阴极)串联一个限流电阻(图2没有画出)。与图1A和图1B所示的现有开关电源技术不同，基于本专利技术的开关电源200(图2)的次级功率开关222不仅用作次级同步整流功率器件，而且用作将次级控制器224产生的控制初级功率开关205工作状态的控制信号传递至初级控制器204。第二控制器224检测负载电压，根据负载电压的误差产生改变第一功率开关205工作状态的第一控制信号PD_SW，并将第一控制信号PD_SW传递至第一控制器204；第二控制器224通过第二功率开关222的导通与关断将第二电容器221的能量向第一电容器202传递，以此方式将第一控制信号PD_SW传递到第一控制器204；第一控制器204检测到第一电容器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关电源，其特征在于，包括：第一端口，耦合至输入电压；第一电容器，耦合至第一端口；变压器，具有第一绕组和第二绕组，所述第一绕组耦合至第一电容器；第一功率开关，耦合至变压器第一绕组，具有导通和截止两种工作状态；第一控制器，耦合至第一功率开关和变压器；第二端口，耦合至开关电源负载，向负载提供电压和电流；第二电容器，耦合至第二端口和变压器第二绕组；第二功率开关，耦合至变压器第二绕组，具有导通和截止两种工作状态；第二控制器，耦合至第二功率开关、第二端口和变压器第二绕组；所述第二控制器检测负载电压，产生第一控制信号控制第一功率开关的工作状态，使负载电压符合预设值；所述第一控制信号由第二控制器传递至第一控制器的方法为：第二控制器控制第二功率开关的导通与关断，将第二电容器部分能量向第一电容器传递；所述第一控制器检测到第一电容器得到第二电容器传递的能量后，控制第一功率开关改变状态。

【技术特征摘要】
1.一种开关电源，其特征在于，包括：第一端口，耦合至输入电压；第一电容器，耦合至第一端口；变压器，具有第一绕组和第二绕组，所述第一绕组耦合至第一电容器；第一功率开关，耦合至变压器第一绕组，具有导通和截止两种工作状态；第一控制器，耦合至第一功率开关和变压器；第二端口，耦合至开关电源负载，向负载提供电压和电流；第二电容器，耦合至第二端口和变压器第二绕组；第二功率开关，耦合至变压器第二绕组，具有导通和截止两种工作状态；第二控制器，耦合至第二功率开关、第二端口和变压器第二绕组；所述第二控制器检测负载电压，产生第一控制信号控制第一功率开关的工作状态，使负载电压符合预设值；所述第一控制信号由第二控制器传递至第一控制器的方法为：第二控制器控制第二功率开关的导通与关断，将第二电容器部分能量向第一电容器传递；所述第一控制器检测到第一电容器得到第二电容器传递的能量后，控制第一功率开关改变状态。2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第一端口通过整流电路耦合至交流电源，构成交流-直流转换器。3.如权利要求1和权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述第二控制器包括恒流控制电路，耦合至变压器第二绕组和开关电源第二端口；所述恒流控制电路限制流过负载的电流，当所述负载电流大于预设值时，禁止产生第一控制信号。4.如权利要求1、权利要求2和权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述第二控制器包括同步整流电路，当能量从第一电容器向第二电容器传递时，控制第二功率开关实现同步整流。5.如权利要求1、权利要求2、权利要求3和权利要求4所述的开关电源，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：方邵华，宿清华，朱亚江，
申请(专利权)人：上海芯熠微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31