一种变换器的前馈控制方法及电路技术

本发明专利技术提供一种变换器的前空控制方法及电路，功率管漏极导通电压大于其饱和压降时，功率管处于饱和区，直接由内部与输入电压成反比的内部偏置电流通过饱和镜像控制功率管的启机限定电流；功率管漏极导通电压小于其饱和压降后，功率管进入线性区，将随功率管漏端电压下降而升高的补偿电流叠加在内部偏置电流上，补偿线性区功率管电流的损失。本发明专利技术兼容解决了相同功率级、不同输入电压的定压变换器设定启机限定电流时芯片发热和容性负载的问题；且无需设置芯片引脚、节省了PCB布板资源，同时在同一输入电压的±10％范围内，仍可实现启机限定电流的控制，让启机发热和容性负载能力控制更灵活。

A feedforward control method and circuit of converter

【技术实现步骤摘要】
一种变换器的前馈控制方法及电路
本专利技术适用于开关型变换器，特别适用于全桥式、推挽式变换器中变换器的前馈控制方法及电路。
技术介绍
定压电源模块常采用全桥式变换器和推挽式变换器拓扑。如图1，以全桥式变换器为例，对于定压系统而言，启动或者输出短路阶段，输出电压接近零，原边绕组上的压降被钳位至很低，大部分的压降都降落在开关管的漏端，此时功率管导通会通过非常大的饱和电流，容易烧毁。而输出建立后的稳态阶段，副边负载电流直接决定原边功率管流经的电流，烧毁危险解除。与全桥变换器相比，推挽变换器原边的P型功率管由导线直接取代，同样存在上述问题。为解决启动和短路阶段功率管容易烧毁的问题，业内常采用在全桥或者推挽变换器原边驱动芯片中内置开关管且设置限定电流的方式(如图2)。但为了保证过流点处在2～3倍满载状态，限定电流的值也不会太小。以5V1W的系统为例，当原、副边匝比接近1:1时，启机限定电流取值约为500-600mA，为防止集成在芯片内部的功率管发热严重，限流时间不能太长。且限定电流大小和时间也直接决定了变换器的容性负载能力。现有技术中，限定启机电流和容性负载的兼顾大多通过控制驱动芯片来实现。一篇公开号为CN106533187B，专利技术名称为《驱动控制方法及电路》的中国专利技术专利申请，公开了一种驱动控制方法，该专利技术通过检测功率管的导通压降判定是否短路，在短路状态下限定功率管栅压以实现功率管的电流限定。在此基础上，通过在控制芯片中设计“限流+计时检测+打嗝保护”的方式可以折中解决定压系统的容性负载、启机带载能力与短路发热问题。然而，同样功率级不同输入电压的全桥或推挽变换器系统下，选定合适的启机限定电流很难，因为对于固定的启机限定电流Ist和计时时间Td，当输入电压高时，在计时时间内发热大，易出现过温情况；当变换器的输入电压低时，参考公式(1)，原、副边匝比Np:Ns比较小，传送到副边用于给输出电容充电的电流较小，即容性负载较低。为解决兼容多输入范围的系统时启机限定电流Ist选值困难的问题，自然会想到需要将启机限定电流Ist或者是计时时间Td设计为随输入电压变化的值。对此，现有技术中有通过在芯片外置限流电阻，实现启机限定电流Ist可调；也有设置软启引脚，通过外接软启电容，来调节软启计时时间，实现计时时间Td可调。但这些方法都需要外置芯片引脚和器件，且对于固定原、副边匝比的系统、标称输入电压±10％的变化范围内，固定的启机限定电流启机限定电流Ist和计时时间Td已经不能再调节，此时易导致系统在极限情况下温升或者容性负载能力减弱的情况。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决现有技术所存在的不足，实现不外置芯片引脚和器件的前提下，调节启动限定电流和短路判定阀值，解决定压开关型全桥和推挽变换器在兼容不同输入电压时的系统温升和容性负载问题，并且使变换器在全输入范围内的过流点基本一致。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种变换器的前馈控制方法，用于全桥式或推挽式变换器中功率管的启机限定电流控制，包括如下步骤：启机限定电流分段控制步骤，在变换器启动或输出短路阶段，随副边输出电压升高原边、功率管漏端电压下降或维持期间，将启机限定电流的控制分为两段：第一段，功率管漏极导通电压大于其饱和压降时，功率管处于饱和区，直接由内部与输入电压成反比的内部偏置电流通过饱和镜像控制功率管的启机限定电流；第二段，功率管漏极导通电压小于其饱和压降后，功率管进入线性区，将随功率管漏端电压下降而升高的补偿电流叠加在内部偏置电流上，补偿线性区功率管电流的损失；短路判定阈值确定步骤，选取输出达到90％～95％的额定输出电压值，通过原副边匝比的折算，求得对应的原边功率管漏极电压为短路判定阈值，该阈值将与输入电压呈现正相关的趋势。作为上述技术方案的进一步改进，启机限定电流分段控制步骤包括如下过程：(1)跨导放大器二产生与变换器输入电压成反比的跨导电流一和跨导电流二，跨导电流二作为跨导放大器一的输入偏置电流，跨导放大器一产生补偿电流，补偿电流随功率管漏端电压下降而升高、随变换器输入电压升高而减小；(2)基准偏置电流、补偿电流、跨导电流一叠加为内部偏置电流，通过饱和镜像成比例地生成功率管的启机限定电流。作为上述技术方案的进一步改进，短路判定阀值确定步骤包括如下过程：跨导放大器三产生与变换器输入电压成正比的跨导电流三，跨导电流三用于降落在电阻上生成变换器启动阶段的短路保护阈值，使副边输出达额定输出电压值的90％～95％时，判定为脱离短路保护的过流点与输入电压成正比。作为上述技术方案的进一步改进，短路判定阀值为与功率管正温度系数匹配的基准电压。一种变换器的前馈控制电路，用于全桥式或推挽式变换器中功率管的启机限定电流控制，包括启机限定电流分段控制前置单元、电流求和单元、电流镜像单元、短路判定单元；启机限定电流分段控制前置单元产生在变换器启动或输出短路阶段、功率管漏端电压下降期间随功率管漏端电压下降而升高、随变换器输入电压升高而减小的补偿电流和随变换器输入电压成反比的跨导电流一；电流求和单元用于求和补偿电流、跨导电流一、基准偏置电流为内部偏置电流；电流镜像单元用于使内部偏置电流通过饱和镜像成比例地生成功率管的启机限定电流；短路判定单元用于短路判定阈值的确定和短路的判定。作为上述技术方案的进一步改进，电流镜像单元包括电流镜像电路100，电流镜像电路100包含功率管MN0和功率管MN1，其中功率管MN1的栅极、漏极与功率管MN0的栅极短接，功率管MN1的源极、衬底与功率管MN0的源极、衬底均接地VSS，功率管MN0的漏极生成启机限定电流Ist。作为上述技术方案的进一步改进，启机限定电流分段控制前置单元包括跨导放大器101和跨导放大器102，跨导放大器102包含正相输入端、反相输入端、输入偏置电流端和输出端，跨导放大器101与跨导放大器102的端口设置相同；跨导放大器102的正相输入端接基准电压Vref2，跨导放大器102的反相输入端接变换器输入电压分压Vin_K，跨导放大器102的输入偏置电流端接基准偏置电流I_bias2，输出端的第一输出为跨导电流I_gmvin1，输出端的第二输出为跨导电流I_gmvin2，跨导电流I_gmvin1和跨导电流I_gmvin2均与变换器输入电压成反比；跨导放大器101的正相输入端接基准电压Vref1，跨导放大器101的反相输入端接功率管MN0的导通漏极电压Vds_on，跨导放大器101的输入偏置电流端接跨导电流I_gmvin2，跨导放大器101的输出端输出补偿电流Icomp。作为上述技术方案的进一步改进，电流求和单元包括电流求和器104，电流求和器104包含电流输入端和电流输出端，电流输入端为三个且分别接入基准偏置电流I_bias1、补偿电流Icomp和跨导电流I_gmvin1，电流输出端输出内部偏置电流Isum，内部偏置电流Isum接入功率管MN1的栅极。作为上述技术方案的进一步改进，短路判定单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变换器的前馈控制方法，用于全桥式或推挽式变换器中功率管的启机限定电流控制，包括如下步骤：/n启机限定电流分段控制步骤，在变换器启动或输出短路阶段，随副边输出电压升高且原边功率管漏端电压下降或维持期间，将启机限定电流的控制分为两段：第一段，功率管漏极导通电压大于其饱和压降时，功率管处于饱和区，直接由内部与输入电压成反比的内部偏置电流通过饱和镜像控制功率管的启机限定电流；第二段，功率管漏极导通电压小于其饱和压降后，功率管进入线性区，将随功率管漏端电压下降而升高的补偿电流叠加在内部偏置电流上，补偿线性区功率管电流的损失；/n短路判定阈值确定步骤，选取输出达到90％～95％的额定输出电压值，通过原副边匝比的折算，求得对应的原边功率管漏极电压为短路判定阈值，该阈值将与输入电压呈现正相关的趋势。/n

【技术特征摘要】
1.一种变换器的前馈控制方法，用于全桥式或推挽式变换器中功率管的启机限定电流控制，包括如下步骤：
启机限定电流分段控制步骤，在变换器启动或输出短路阶段，随副边输出电压升高且原边功率管漏端电压下降或维持期间，将启机限定电流的控制分为两段：第一段，功率管漏极导通电压大于其饱和压降时，功率管处于饱和区，直接由内部与输入电压成反比的内部偏置电流通过饱和镜像控制功率管的启机限定电流；第二段，功率管漏极导通电压小于其饱和压降后，功率管进入线性区，将随功率管漏端电压下降而升高的补偿电流叠加在内部偏置电流上，补偿线性区功率管电流的损失；
短路判定阈值确定步骤，选取输出达到90％～95％的额定输出电压值，通过原副边匝比的折算，求得对应的原边功率管漏极电压为短路判定阈值，该阈值将与输入电压呈现正相关的趋势。


2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的启机限定电流分段控制步骤包括如下过程：
(1)跨导放大器二产生与变换器输入电压成反比的跨导电流一和跨导电流二，跨导电流二作为跨导放大器一的输入偏置电流，跨导放大器一产生补偿电流，补偿电流随功率管漏端电压下降而升高、随变换器输入电压升高而减小；
(2)基准偏置电流、补偿电流、跨导电流一叠加为内部偏置电流，通过饱和镜像成比例地生成功率管的启机限定电流。


3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的短路判定阀值确定步骤包括如下过程：
跨导放大器三产生与变换器输入电压成正比的跨导电流三，跨导电流三用于降落在电阻上生成变换器启动阶段的短路保护阈值，使副边输出达额定输出电压值的90％～95％时，判定为脱离短路保护的过流点与输入电压成正比。


4.根据权利要求1所述的变换器的前馈控制方法，其特征在于：所述的短路判定阀值为与功率管正温度系数匹配的的基准电压。


5.一种变换器的前馈控制电路，用于全桥式或推挽式变换器中功率管的启机限定电流控制，其特征在于，包括启机限定电流分段控制前置单元、电流求和单元、电流镜像单元、短路判定单元；启机限定电流分段控制前置单元产生在变换器启动或输出短路阶段、功率管漏端电压下降期间随功率管漏端电压下降而升高、随变换器输入电压升高而减小的补偿电流和随变换器输入电压成反比的跨导电流一；电流求和单元用于求和补偿电流、跨导电流一、基准偏置电流为内部偏置电流；电流镜像单元用于使内部偏置电流通过饱和镜像成比例地生成功率管的启机限定电流；短路判定单元用于短路判定阈值的确定和短路的判定。


6.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于：所述的电流镜像单元包括电流镜像电路100，电流镜像电路100包含功率管MN0和功率管MN1，其中功率管MN1的栅极、漏极与功率管MN0的栅极短接，功率管MN1的源极、衬底与功率管MN0的源极、衬底均接地VSS，功率管MN0的漏极生成启机限定电流Ist。


7.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于：所述的启机限定电流分段控制前置单元包括跨导放大器101和跨导放大器102，跨导放大器102包含正相输入端、反相输入端、输入偏置电流端和输出端，跨导放大器101与跨导放大器102的端口设置相同；
跨导放大器102的正相输入端接基准电压Vref2，跨导放大器102的反相输入端接变换器输入电压分压Vin_K，跨导放大器102的输入偏置电流端接基准偏置电流I_bias2，输出端的第一输出为跨导电流I_gmvin1，输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹向阳，周阿铖，曾正球，
申请(专利权)人：深圳南云微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44