專利名稱：具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源，特別涉及穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的檢測(cè)與控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
開(kāi)關(guān)穩(wěn)流電源基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)被控制的輸出電流信號(hào)，并將該信號(hào)反饋于PWM、PFM或PSM控制模式進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電流穩(wěn)定。
圖1為現(xiàn)有的帶變壓器隔離的AC/DC穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源。主電路輸入級(jí)中，VAC為交流輸入電壓，典型值為220V，Vin為經(jīng)過(guò)硅橋整流與輸入電容濾波后的線輸入電壓，變壓器進(jìn)行電壓變比調(diào)整同時(shí)提供輸入與輸出回路的隔離，輸入級(jí)與輸出級(jí)電感用L1、L2表示，功率開(kāi)關(guān)管G用于控制從輸入級(jí)傳送功率的大小，輸入級(jí)地為GND1；主電路輸出級(jí)中，D1為續(xù)流二極管，C1為輸出濾波電容，RL為等效負(fù)載阻抗，Iout為直流輸出電流，輸出級(jí)地為GND2；穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源控制電路通常通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)輸出電流Iout，再經(jīng)過(guò)直流隔離后得到輸出電流反饋信號(hào)If，將If反饋于PWM、PFM或PSM控制電路進(jìn)行閉環(huán)反饋，然后調(diào)節(jié)主電路功率開(kāi)關(guān)管G的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，使得穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源的輸出電流穩(wěn)定。輸入級(jí)與輸出級(jí)采用不同地GND1與GND2、進(jìn)行直流隔離的目的在于保證用戶用電安全，直流隔離通常通過(guò)光耦合器實(shí)現(xiàn)。
常用穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的不足在于1、輸出電流檢測(cè)電路需要消耗額外功率，造成電源效率下降；2、在AC/DC轉(zhuǎn)換器中，輸入回路與輸出回路一般通過(guò)光耦合器實(shí)現(xiàn)直流隔離，以保證用戶用電安全，而光耦合器等其它提供直流隔離的元件增加了系統(tǒng)成本與體積，同時(shí)光耦合器的功耗也降低了電源效率。
由于電常用穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)存在以上不足，因此需要提出新的輸出電流檢測(cè)技術(shù)予以克服，實(shí)現(xiàn)更高的電源效率以及更低的系統(tǒng)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種新型穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源，該電源通過(guò)電壓紋波檢測(cè)電路對(duì)電源輸出電流直流量的檢測(cè)并反饋至電源控制電路以控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流輸出。本發(fā)明相比較于傳統(tǒng)電開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)，具有更高的電源效率、更低系統(tǒng)成本與更小的電源體積。
本發(fā)明所述開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的核心思想在于提取穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源輸出電壓信號(hào)中的交流部分(電壓紋波信號(hào))，然后對(duì)其進(jìn)行一階微分、線性運(yùn)算和存儲(chǔ)擴(kuò)展后“恢復(fù)”穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源的直流輸出電流信號(hào)，最后將“恢復(fù)”的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源的直流輸出電流信號(hào)反饋于PWM、PFM或PSM控制電路，通過(guò)控制電路調(diào)整功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流輸出。
本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案如下具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源，如圖2所示，包括整流、濾波電路，變壓器T，功率開(kāi)關(guān)管G，控制電路，續(xù)流二極管D1，輸出濾波電容C1，負(fù)載RL和電壓紋波檢測(cè)電路。輸入電壓VAC通過(guò)整流、濾波電路連接到變壓器T副邊電感L1的一端，變壓器T副邊電感L1的另一端接功率開(kāi)關(guān)管G的漏極，功率開(kāi)關(guān)管G的漏極源極接輸入級(jí)地GND1，功率開(kāi)關(guān)管G的柵極接控制電路的輸出端；變壓器T副邊電感L2的一端接續(xù)流二極管D1的陽(yáng)極，續(xù)流二極管D1的陰極接輸出濾波電容C1和負(fù)載RL并聯(lián)后的一端，變壓器T副邊電感L2的另一端與輸出濾波電容C1和負(fù)載RL并聯(lián)后的另一端共同接輸出級(jí)地GND2，續(xù)流二極管D1的陰極同時(shí)接電壓紋波檢測(cè)電路的輸入端，電壓紋波檢測(cè)電路的輸出端接控制電路的輸入端。
在圖2中，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，Vin通過(guò)輸入級(jí)將能量存入變壓器中，二極管D1截止，變換器由輸出濾波電容C1向負(fù)載RL提供電流，此時(shí)輸出級(jí)等效為C1與RL并聯(lián)，此時(shí)輸出電壓Vout下降，對(duì)應(yīng)紋波下降沿。忽略輸出電流紋波，根據(jù)電容的電流電壓關(guān)系，可得IOUT=-IC1=-C1dVoutdt(1),]]>其中，如圖4所示，IOUT為流過(guò)負(fù)載RL的電流，IC1為流過(guò)輸出濾波電容C1的電流，Vout為穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源所輸出的包含紋波的輸出電壓，C1為輸出濾波電容C1的電容值。由式(1)可知，本發(fā)明所述檢測(cè)變換器輸出直流電流可以通過(guò)對(duì)輸出電壓紋波的下降沿一階求導(dǎo)再線性變換后實(shí)現(xiàn)。
基于式(1)的電壓紋波檢測(cè)電路如圖3所示，包含高通濾波模塊、一階微分運(yùn)算模塊、線性運(yùn)算模塊與時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊。包含紋波與直流量的輸出電壓Vout經(jīng)高通濾波模塊后，得到電壓紋波信號(hào)V1；電壓紋波信號(hào)V1經(jīng)一階微分運(yùn)算模塊后得到微分后電壓信號(hào)V2；微分后的電壓信號(hào)V2經(jīng)線性運(yùn)算模塊后得到線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3；線性運(yùn)算后的電流信號(hào)V3經(jīng)時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊選通電壓紋波信號(hào)V1下降沿對(duì)應(yīng)的線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3的信號(hào)量V3，并將該信號(hào)存儲(chǔ)和在整個(gè)時(shí)鐘周期輸出，即得到檢測(cè)輸出電流信號(hào)(即控制電路的輸入信號(hào))If。
檢測(cè)出的輸出電流信號(hào)If反饋于PWM、PFM或PSM控制電路，當(dāng)檢測(cè)到的輸出電流低于正常值時(shí)，對(duì)于PWM控制電路，功率開(kāi)關(guān)管占空比將增大；對(duì)于PFM控制電路，功率開(kāi)關(guān)管單周期的導(dǎo)通時(shí)間不變，開(kāi)關(guān)頻率將增大；對(duì)于PSM控制電路，功率開(kāi)關(guān)管跳過(guò)的不進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作的周期數(shù)將減少，以增大輸出電流，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流輸出。當(dāng)檢測(cè)到的輸出電流高于正常值時(shí)，對(duì)于PWM控制電路，功率開(kāi)關(guān)管占空比將減?。粚?duì)于PFM控制電路，功率開(kāi)關(guān)管單周期的導(dǎo)通時(shí)間不變，開(kāi)關(guān)頻率將減??；對(duì)于PSM控制電路，功率開(kāi)關(guān)管跳過(guò)的不進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作的周期數(shù)將增多，以減小輸出電流，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流輸出。
如圖5所示，為了增強(qiáng)檢測(cè)到的電流信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，可在上述電壓紋波檢測(cè)電路中加入電壓跟隨模塊，線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3經(jīng)時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊后得到存儲(chǔ)輸出的電壓信號(hào)V4并經(jīng)電壓跟隨模塊后得到檢測(cè)輸出電流信號(hào)(即控制電路的輸入信號(hào))If。
上述電壓紋波檢測(cè)電路中，所述高通濾波模塊為一階RC高通濾波器，如圖6所示，由一個(gè)電容C2和一個(gè)電阻R2串聯(lián)而成，包含紋波與直流量的輸出電壓Vout通過(guò)電容C2后從電容C2和電阻R2的連接點(diǎn)輸出電壓紋波信號(hào)V1。整個(gè)穩(wěn)流電源輸出回路與電壓紋波檢測(cè)電路分別采用不同的直流地輸出級(jí)地GND2與輸入級(jí)地GND1，以使輸入與輸出回路直流隔離，電阻R2與電容C2組成的濾波網(wǎng)絡(luò)可以濾除Vout的直流量，得到電壓紋波信號(hào)V1，電阻R2的阻值R2與電容C2的電容值C2的乘積R2*C2決定高通濾波器的截止頻率，該截止頻率應(yīng)選擇在低于開(kāi)關(guān)頻率1/10以下，以避免衰減輸出電壓紋波信號(hào)；在AC/DC變換器中，電容C2可代替光耦合器提供輸入與輸出級(jí)的直流隔離，保證用戶用電安全，因此，需要電容C2能承受較高的擊穿電壓。
上述電壓紋波檢測(cè)電路中，所述一階微分運(yùn)算模塊為一個(gè)一階模擬微分器，如圖7所示，由一個(gè)電容C3，一個(gè)電阻R3和一個(gè)運(yùn)算放大器OPAMP組成。電容C3的一端接運(yùn)算放大器OPAMP的反向端，運(yùn)算放大器OPAMP的反向端和輸出端通過(guò)電阻R3相連，運(yùn)算放大器OPAMP的同向端接輸入級(jí)地GND1；電壓紋波信號(hào)V1通過(guò)電容C3的另一端輸入該一階模擬微分器，運(yùn)算放大器OPAMP的輸出端輸出微分后的電壓信號(hào)V2，且滿足V2=-R3C3dV1dt,]]>其中R3為電阻R3的阻值，C3為電容C3的電容值，V1為電壓紋波信號(hào)V1的信號(hào)量，V2為微分后的電壓信號(hào)V2的信號(hào)量。
上述電壓紋波檢測(cè)電路中，所述線性運(yùn)算模塊為一個(gè)用運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大器，如圖8所示，由一個(gè)運(yùn)算放大器OPAMP和兩個(gè)電阻R6，R7組成。所述運(yùn)算放大器OPAMP的反向端通過(guò)第一電阻R6接輸入級(jí)地GND1，并通過(guò)第二電阻R7與其輸出端相連；微分后的電壓信號(hào)V2從運(yùn)算放大器OPAMP的同向端輸入，運(yùn)算放大器OPAMP的輸出端輸出線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3，且滿足V3=(1+R7R6)V2,]]>其中，R6為第一電阻R6的阻值，R7為第二電阻R7的阻值，V2為微分后的電壓信號(hào)V2的信號(hào)量，V3為線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3的信號(hào)量。
上述電壓紋波檢測(cè)電路中，所述線性運(yùn)算模塊也可以是用運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相放大器，如圖9所示，由一個(gè)運(yùn)算放大器OPAMP和兩個(gè)電阻R4，R5組成。所述運(yùn)算放大器OPAMP的反向端與第一電阻R4的一端相連，并通過(guò)第二電阻R5與其輸出端相連，其正向端接輸入級(jí)地GND1；微分后的電壓信號(hào)V2從第一電阻R4的另一端輸入，運(yùn)算放大器OPAMP的輸出端輸出線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3，且滿足V3=-R5R4V2,]]>其中，R4為第一電阻R4的阻值，R5為第二電阻R5的阻值，V2為微分后的電壓信號(hào)V2的信號(hào)量，V3為線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3的信號(hào)量。
選擇采用運(yùn)算放大器搭建線性運(yùn)算模塊的目的在于提高放大后信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)提高放大精度，在搭建電壓紋波檢測(cè)電路時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要選用同相或反相放大器。
上述電壓紋波檢測(cè)電路中，所述時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊(如圖10所示)由一個(gè)選通時(shí)鐘電路、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)存儲(chǔ)電容C4組成。所述開(kāi)關(guān)的一端連接到存儲(chǔ)電容C4的一端，存儲(chǔ)電容C4的另一端接輸入級(jí)地GND1，選通時(shí)鐘電路所產(chǎn)生的選通時(shí)鐘信號(hào)作用于開(kāi)關(guān)；線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3從開(kāi)關(guān)的另一端輸入，存儲(chǔ)輸出的電壓信號(hào)V4從電容C4與開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)輸出。
由于直流輸出電流Iout只能由電壓紋波信號(hào)V1下降沿的一階導(dǎo)數(shù)表征，僅在紋波下降沿對(duì)應(yīng)的時(shí)間段有效(即對(duì)應(yīng)于功率開(kāi)關(guān)管G的導(dǎo)通時(shí)間段內(nèi))，而開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)要求輸出電流控制信號(hào)在整個(gè)時(shí)鐘周期均有效，因此需要進(jìn)行時(shí)鐘選通與信號(hào)存儲(chǔ)，即選通V1下降沿對(duì)應(yīng)的線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3的信號(hào)量V3，并將信號(hào)量V3存儲(chǔ)，然后在整個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸出信號(hào)量V3，直到下一個(gè)選通時(shí)鐘的到來(lái)，最終得到檢測(cè)輸出電流信號(hào)If(控制電路的輸入信號(hào))。時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊依靠電容C4進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電容C4兩端電壓被充到選通時(shí)間內(nèi)的V3值，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電容C4維持此電壓，從而可將該電壓信號(hào)由選通時(shí)間擴(kuò)展到整個(gè)開(kāi)關(guān)周期，以提供后級(jí)進(jìn)行模擬控制。電容C4的取值必須合理選取，如果太大，則難以被線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3充到相應(yīng)信號(hào)電平V3；如果太小，則當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)難以在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)維持信號(hào)。
所述選通時(shí)鐘電路可以是振蕩器電路，振蕩器電路所產(chǎn)生的選通時(shí)鐘信號(hào)與功率開(kāi)關(guān)管G具有相同的時(shí)鐘周期，其選通時(shí)間段處于電壓紋波信號(hào)V1下降沿期間；所述開(kāi)關(guān)可由開(kāi)關(guān)晶體管實(shí)現(xiàn)，較小的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻將減小對(duì)線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3驅(qū)動(dòng)能力的要求。本發(fā)明采用時(shí)鐘頻率為功率開(kāi)關(guān)管G工作頻率的固定選通時(shí)鐘的方法檢測(cè)輸出電壓，即將輸出電壓與選通時(shí)間段固定，通過(guò)設(shè)置最小占空比Dmin保證功率開(kāi)關(guān)管G在每一開(kāi)關(guān)周期最初的Dmin時(shí)間段內(nèi)必然處于導(dǎo)通狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于輸出電壓紋波下降沿，通過(guò)將輸出電流選通時(shí)鐘固定于此Dmin時(shí)間段內(nèi)，確保能檢測(cè)到輸出電流信號(hào)If。
所述電壓跟隨模塊(如圖11所示)由一個(gè)運(yùn)算放大器OPAMP組成，所述運(yùn)算放大器的反向端與輸出端相連；存儲(chǔ)輸出電壓V4從運(yùn)算放大器OPAMP的同向端輸入，運(yùn)算放大器OPAMP的輸出端輸出檢測(cè)輸出電流信號(hào)If；其作用在于增強(qiáng)控制電路輸入信號(hào)If的驅(qū)動(dòng)能力。
本發(fā)明所述穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路各信號(hào)波形示意圖，如圖4所示。圖4(a)為功率開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)Vc，以占空比為50％為例進(jìn)行說(shuō)明，Dmin與Dmax為設(shè)置的最小與最大占空比。圖4(b)為整個(gè)穩(wěn)壓電源的輸出電壓波形Vout，圖4(c)為經(jīng)過(guò)高通濾波后的紋波電壓信號(hào)V1。對(duì)比圖4(a)與圖4(b)、圖4c)，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管處于閉合狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)于電壓紋波下降沿，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)于電壓紋波上升沿。圖4(d)為對(duì)紋波電壓信號(hào)V1進(jìn)行一階微分運(yùn)算后的電壓信號(hào)V2，圖4(e)為對(duì)微分運(yùn)算后的電壓信號(hào)V2進(jìn)行線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3，與紋波電壓信號(hào)V1下降沿時(shí)間段對(duì)應(yīng)的線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3中攜帶輸出電流信息。圖4(f)為輸出電流選通時(shí)鐘波形，通過(guò)選通紋波電壓信號(hào)V1下降沿對(duì)應(yīng)的線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3而得到輸出電流信號(hào)If，本發(fā)明采用固定選通時(shí)鐘的檢測(cè)方法，因此，需要設(shè)置如圖6(a)所示的最小占空比Dmin，保證功率開(kāi)關(guān)管具有一定的開(kāi)啟時(shí)間，以保證電壓紋波具有一段固定時(shí)間處于下降沿，最終確保固定選通時(shí)鐘能檢測(cè)到輸出電流信號(hào)If。圖4(g)即為檢測(cè)到的輸出電流If，輸出電流信號(hào)If反饋于PWM、PFM或PSM控制電路，調(diào)整功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，以穩(wěn)定輸出電流。
本發(fā)明所述具有紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源與現(xiàn)有的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、利用電壓紋波檢測(cè)電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)輸出電流檢測(cè)電路，消除了傳統(tǒng)輸出電流檢測(cè)電路的直流功耗，從而提高了穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源的效率。
2、用電容取代光耦合器進(jìn)行輸入與輸出回路的直流隔離，減小電源系統(tǒng)體積，降低系統(tǒng)成本。
在AC/DC轉(zhuǎn)換器中，需要輸入回路與輸出回路實(shí)現(xiàn)直流隔離，以保證用戶用電安全。本發(fā)明通過(guò)高通濾波器中的電容C2進(jìn)行直流隔離，取代光耦合器，可以減小電源系統(tǒng)體積，降低電源成本。


圖1帶變壓器隔離的AC/DC穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源示意圖。
圖2本發(fā)明所述具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源電路示意圖。
圖3本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路框圖。
圖4本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路部分各信號(hào)波形示意圖。
圖5本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中加入了電壓跟隨電路的電壓紋波檢測(cè)電路示意圖。
圖6本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路的高通濾波模塊電路圖。
圖7本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路的一階微分運(yùn)算模塊電路圖。
圖8本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路的用反相放大器構(gòu)成的線性運(yùn)算模塊電路圖。
圖9本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路的用同相放大器構(gòu)成的線性運(yùn)算模塊電路圖。
圖10本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路的時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊電路圖。
圖11本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路的電壓跟隨電路圖。
圖12利用部分?jǐn)?shù)字電路實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所述的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源中電壓紋波檢測(cè)電路示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式一具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源，如圖2所示，包括整流、濾波電路，變壓器T，功率開(kāi)關(guān)管G，控制電路，續(xù)流二極管D1，輸出濾波電容C1，負(fù)載RL和電壓紋波檢測(cè)電路。輸入電壓VAC通過(guò)整流、濾波電路連接到變壓器T副邊電感L1的一端，變壓器T副邊電感L1的另一端接功率開(kāi)關(guān)管G的漏極，功率開(kāi)關(guān)管G的漏極源極接輸入級(jí)地GND1，功率開(kāi)關(guān)管G的柵極接控制電路的輸出端；變壓器T副邊電感L2的一端接續(xù)流二極管D1的陽(yáng)極，續(xù)流二極管D1的陰極接輸出濾波電容C1和負(fù)載RL并聯(lián)后的一端，變壓器T副邊電感L2的另一端與輸出濾波電容C1和負(fù)載RL并聯(lián)后的另一端共同接輸出級(jí)地GND2，續(xù)流二極管D1的陰極同時(shí)接電壓紋波檢測(cè)電路的輸入端，電壓紋波檢測(cè)電路的輸出端接控制電路的輸入端。
所述電壓紋波檢測(cè)電路如圖5所示，包含高通濾波模塊、一階微分運(yùn)算模塊、線性運(yùn)算模塊、時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊和電壓跟隨模塊。包含紋波與直流量的輸出電壓Vout經(jīng)高通濾波模塊后，得到電壓紋波信號(hào)V1；電壓紋波信號(hào)V1經(jīng)一階微分運(yùn)算模塊后得到微分后電壓信號(hào)V2；微分后的電壓信號(hào)V2經(jīng)線性運(yùn)算模塊后得到線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3；線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3經(jīng)時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊選通電壓紋波信號(hào)V1下降沿對(duì)應(yīng)的線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3的信號(hào)量V3，并將信號(hào)量V3存儲(chǔ)和在整個(gè)時(shí)鐘周期輸出，得到存儲(chǔ)輸出的電壓信號(hào)V4并經(jīng)電壓跟隨模塊后得到檢測(cè)輸出電流信號(hào)(即控制電路的輸入信號(hào))If。
上述電壓紋波檢測(cè)電路中，所述高通濾波模塊為一階RC高通濾波器，如圖6所示，由一個(gè)電容C2和一個(gè)電阻R2串聯(lián)而成，包含紋波與直流量的輸出電壓Vout通過(guò)電容C2后從電容C2和電阻R2的連接點(diǎn)輸出電壓紋波信號(hào)V1。變換器輸出回路與檢測(cè)系統(tǒng)分別采用不同的直流地輸出級(jí)地GND2與輸入級(jí)地GND1，以使輸入與輸出回路直流隔離，電阻R2與電容C2組成的濾波網(wǎng)絡(luò)可以濾除Vout的直流量，得到電壓紋波信號(hào)V1，電阻R2的阻值R2與電容C2的電容值C2的乘積R2*C2決定高通濾波器的截止頻率，該截止頻率應(yīng)選擇在低于開(kāi)關(guān)頻率1/10以下，以避免衰減輸出電壓紋波信號(hào)；在AC/DC變換器中，電容C2可代替光耦合器提供輸入與輸出級(jí)的直流隔離，保證用戶用電安全，因此，需要電容C2能承受較高的擊穿電壓。
所述一階微分運(yùn)算模塊為一個(gè)一階模擬微分器，如圖7所示，由一個(gè)電容C3，一個(gè)電阻R3和一個(gè)運(yùn)算放大器OPAMP組成。電容C3的一端接運(yùn)算放大器OPAMP的反向端，運(yùn)算放大器OPAMP的反向端和輸出端通過(guò)電阻R3相連，運(yùn)算放大器OPAMP的同向端接輸入級(jí)地GND1；電壓紋波信號(hào)V1通過(guò)電容C3的另一端輸入該一階模擬微分器，運(yùn)算放大器OPAMP的輸出端輸出微分后的電壓信號(hào)V2，且滿足V2=-R3C3dV1dt,]]>其中R3為電阻R3的阻值，C3為電容C3的電容值，V1為電壓紋波信號(hào)V1的信號(hào)量，V2為微分后的電壓信號(hào)V2的信號(hào)量。
所述線性運(yùn)算模塊為一個(gè)用運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大器，如圖8所示，由一個(gè)運(yùn)算放大器OPAMP和兩個(gè)電阻R6，R7組成。所述運(yùn)算放大器OPAMP的反向端通過(guò)第一電阻R6接輸入級(jí)地GND1，并通過(guò)第二電阻R7與其輸出端相連；微分后的電壓信號(hào)V2從運(yùn)算放大器OPAMP的同向端輸入，運(yùn)算放大器OPAMP的輸出端輸出線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3，且滿足V3=(1+R7R6)V2,]]>其中，R6為第一電阻R6的阻值，R7為第二電阻R7的阻值，V2為微分后的電壓信號(hào)V2的信號(hào)量，V3為線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3的信號(hào)量。
所述線性運(yùn)算模塊也可以是用運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相放大器，如圖9所示，由一個(gè)運(yùn)算放大器OPAMP和兩個(gè)電阻R4，R5組成。所述運(yùn)算放大器OPAMP的反向端與第一電阻R4的一端相連，并通過(guò)第二電阻R5與其輸出端相連，其正向端接輸入級(jí)地GND1；微分后的電壓信號(hào)V2從第一電阻R4的另一端輸入，運(yùn)算放大器OPAMP的輸出端輸出線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3，且滿足V3=-R5R4V2,]]>其中，R4為第一電阻R4的阻值，R5為第二電阻R5的阻值，V2為微分后的電壓信號(hào)V2的信號(hào)量，V3為線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3的信號(hào)量。
所述時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊(如圖10所示)由一個(gè)選通時(shí)鐘電路、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)存儲(chǔ)電容C4組成。所述開(kāi)關(guān)的一端連接到存儲(chǔ)電容C4的一端，存儲(chǔ)電容C4的另一端接輸入級(jí)地GND1，選通時(shí)鐘電路所產(chǎn)生的選通時(shí)鐘信號(hào)作用于開(kāi)關(guān)；線形運(yùn)算后的輸出電壓信號(hào)V3從開(kāi)關(guān)的另一端輸入，存儲(chǔ)輸出的電壓信號(hào)V4從電容C4與開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)輸出。
所述選通時(shí)鐘電路可以是振蕩器電路，振蕩器電路所產(chǎn)生的選通時(shí)鐘信號(hào)與功率開(kāi)關(guān)管G具有相同的時(shí)鐘周期，其選通時(shí)間段處于電壓紋波信號(hào)V1下降沿期間；所述開(kāi)關(guān)管可由開(kāi)關(guān)晶體管實(shí)現(xiàn)，較小的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻將減小對(duì)線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3驅(qū)動(dòng)能力的要求。
所述電壓跟隨模塊(如圖11所示)由一個(gè)運(yùn)算放大器OPAMP組成，所述運(yùn)算放大器的反向端與輸出端相連；存儲(chǔ)輸出電壓V4從運(yùn)算放大器OPAMP的同向端輸入，運(yùn)算放大器OPAMP的輸出端輸出檢測(cè)輸出電流信號(hào)If；其作用在于增強(qiáng)控制電路輸入信號(hào)If的驅(qū)動(dòng)能力。
實(shí)施方式二具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，如圖2所示，包括整流、濾波電路，變壓器T，功率開(kāi)關(guān)管G，控制電路，續(xù)流二極管D1，輸出濾波電容C1，負(fù)載RL和電壓紋波檢測(cè)電路。輸入電壓VAC通過(guò)整流、濾波電路連接到變壓器T副邊電感L1的一端，變壓器T副邊電感L1的另一端接功率開(kāi)關(guān)管G的漏極，功率開(kāi)關(guān)管G的漏極源極接輸入級(jí)地GND1，功率開(kāi)關(guān)管G的柵極接控制電路的輸出端；變壓器T副邊電感L2的一端接續(xù)流二極管D1的陽(yáng)極，續(xù)流二極管D1的陰極接輸出濾波電容C1和負(fù)載RL并聯(lián)后的一端，變壓器T副邊電感L2的另一端與輸出濾波電容C1和負(fù)載RL并聯(lián)后的另一端共同接輸出級(jí)地GND2，續(xù)流二極管D1的陰極同時(shí)接電壓紋波檢測(cè)電路的輸入端，電壓紋波檢測(cè)電路的輸出端接控制電路的輸入端。
所述電壓紋波檢測(cè)電路，如圖12所示，包括高通濾波模塊、線性放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、一階數(shù)值微分運(yùn)算模塊、數(shù)值線性運(yùn)算模塊和時(shí)鐘選通/數(shù)字鎖存模塊。包含紋波與直流量的輸出電壓Vout經(jīng)高通濾波模塊后，得到電壓紋波信號(hào)V1；電壓紋波信號(hào)V1經(jīng)線性放大模塊后得到線形放大的電壓紋波信號(hào)V11；線形放大的電壓信號(hào)V11經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓紋波信號(hào)V13；數(shù)字電壓紋波信號(hào)V13經(jīng)一階數(shù)值微分運(yùn)算模塊得到微分后電壓信號(hào)V2；微分后的電壓信號(hào)V2經(jīng)數(shù)值線性運(yùn)算模塊后得到線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3；線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3經(jīng)時(shí)鐘選通/數(shù)字鎖存模塊選通電壓紋波信號(hào)V1下降沿對(duì)應(yīng)的線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)V3的信號(hào)量V3，并將信號(hào)量V3存儲(chǔ)和在整個(gè)時(shí)鐘周期輸出，即得到檢測(cè)輸出電流信號(hào)(即控制電路的輸入信號(hào))If。
權(quán)利要求
1.具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源，包括整流、濾波電路，變壓器(T)，功率開(kāi)關(guān)管(G)，控制電路，續(xù)流二極管(D1)，輸出濾波電容(C1)，負(fù)載(RL)和電壓紋波檢測(cè)電路；輸入電壓(VAC)通過(guò)整流、濾波電路連接到變壓器(T)副邊電感(L1)的一端，變壓器(T)副邊電感(L1)的另一端接功率開(kāi)關(guān)管(G)的漏極，功率開(kāi)關(guān)管(G)的漏極源極接輸入級(jí)地(GND1)，功率開(kāi)關(guān)管(G)的柵極接控制電路的輸出端；變壓器(T)副邊電感(L2)的一端接續(xù)流二極管(D1)的陽(yáng)極，續(xù)流二極管(D1)的陰極接輸出濾波電容(C1)和負(fù)載(RL)并聯(lián)后的一端，變壓器(T)副邊電感(L2)的另一端與輸出濾波電容(C1)和負(fù)載(RL)并聯(lián)后的另一端共同接輸出級(jí)地(GND2)，續(xù)流二極管(D1)的陰極同時(shí)接電壓紋波檢測(cè)電路的輸入端，電壓紋波檢測(cè)電路的輸出端接控制電路的輸入端；所述電壓紋波檢測(cè)電路包含高通濾波模塊、一階微分運(yùn)算模塊、線性運(yùn)算模塊與時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊；包含紋波與直流量的輸出電壓(Vout)經(jīng)高通濾波模塊后，得到電壓紋波信號(hào)(V1)；電壓紋波信號(hào)(V1)經(jīng)一階微分運(yùn)算模塊后得到微分后電壓信號(hào)(V2)；微分后的電壓信號(hào)(V2)經(jīng)線性運(yùn)算模塊后得到線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)(V3)；線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)(V3)經(jīng)時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊選通電壓紋波信號(hào)(V1)上升沿對(duì)應(yīng)的線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)(V3)的信號(hào)量V3，并將信號(hào)量V3存儲(chǔ)和在整個(gè)時(shí)鐘周期輸出，即得到檢測(cè)輸出電流信號(hào)(If)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述電壓紋波檢測(cè)電路還包括一個(gè)電壓跟隨模塊，線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)(V3)經(jīng)時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊后得到存儲(chǔ)輸出的電壓信號(hào)(V4)并經(jīng)電壓跟隨模塊后得到檢測(cè)輸出電流信號(hào)(If)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述高通濾波模塊為一階RC高通濾波器，由一個(gè)電容(C2)和一個(gè)電阻(R2)串聯(lián)而成，包含紋波與直流量的輸出電壓(Vout)通過(guò)電容(C2)后從電容(C2)和電阻(R2)的連接點(diǎn)輸出電壓紋波信號(hào)(V1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述一階微分運(yùn)算模塊為一個(gè)一階模擬微分器，由一個(gè)電容(C3)，一個(gè)電阻(R3)和一個(gè)運(yùn)算放大器(OPAMP)組成；電容(C3)的一端接運(yùn)算放大器(OPAMP)的反向端，運(yùn)算放大器(OPAMP)的反向端和輸出端通過(guò)電阻(R3)相連，運(yùn)算放大器(OPAMP)的同向端接輸入級(jí)地(GND1)；電壓紋波信號(hào)(V1)通過(guò)電容(C3)的另一端輸入該一階模擬微分器，運(yùn)算放大器(OPAMP)的輸出端輸出微分后的電壓信號(hào)(V2)，且滿足V2=-R3C3dV1dt,]]>其中R3為電阻(R3)的阻值，C3為電容(C3)的電容值，V1為電壓紋波信號(hào)(V1)的信號(hào)量，V2為微分后的電壓信號(hào)(V2)的信號(hào)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述線性運(yùn)算模塊為一個(gè)用運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大器，由一個(gè)運(yùn)算放大器(OPAMP)和兩個(gè)電阻(R6，R7)組成；所述運(yùn)算放大器(OPAMP)的反向端通過(guò)第一電阻(R6)接輸入級(jí)地(GND1)，并通過(guò)第二電阻(R7)與其輸出端相連；微分后的電壓信號(hào)(V2)從運(yùn)算放大器(OPAMP)的同向端輸入，運(yùn)算放大器(OPAMP)的輸出端輸出線形運(yùn)算后的輸出電壓(V3)，且滿足V3=(1+R7R6)V2,]]>其中，R6為第一電阻(R6)的阻值，R7為第二電阻(R7)的阻值，V2為微分后的電壓信號(hào)(V2)的信號(hào)量，V3為線形運(yùn)算后的輸出電壓(V3)的信號(hào)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述線性運(yùn)算模塊也可以是用運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相放大器，由一個(gè)運(yùn)算放大器(OPAMP)和兩個(gè)電阻(R4，R5)組成；所述運(yùn)算放大器(OPAMP)的反向端與第一電阻(R4)的一端相連，并通過(guò)第二電阻(R5)與其輸出端相連，其正向端接輸入級(jí)地(GND1)；微分后的電壓信號(hào)(V2)從第一電阻(R4)的另一端輸入，運(yùn)算放大器(OPAMP)的輸出端輸出線形運(yùn)算后的輸出電壓(V3)，且滿足V3=-R5R4V2,]]>其中，R4為第一電阻(R4)的阻值，R5為第二電阻(R5)的阻值，V2為為微分后的電壓信號(hào)(V2)的信號(hào)量，V3為線形運(yùn)算后的輸出電壓(V3)的信號(hào)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊由一個(gè)選通時(shí)鐘電路、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)存儲(chǔ)電容(C4)組成；所述開(kāi)關(guān)的一端連接到存儲(chǔ)電容(C4)的一端，存儲(chǔ)電容(C4)的另一端接輸入級(jí)地(GND1)，選通時(shí)鐘電路所產(chǎn)生的選通時(shí)鐘信號(hào)作用于開(kāi)關(guān)；線形運(yùn)算后的輸出電壓(V3)從開(kāi)關(guān)的另一端輸入，存儲(chǔ)輸出的電壓信號(hào)(V4)從存儲(chǔ)電容(C4)與開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述選通時(shí)鐘電路可以是振蕩器電路，振蕩器電路所產(chǎn)生的選通時(shí)鐘信號(hào)與功率開(kāi)關(guān)管(G)具有相同的時(shí)鐘周期，其選通時(shí)間段處于電壓紋波信號(hào)(V1)下降沿期間；所述開(kāi)關(guān)可由開(kāi)關(guān)晶體管實(shí)現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述電壓跟隨模塊由一個(gè)運(yùn)算放大器(OPAMP)組成，所述運(yùn)算放大器的反向端與輸出端相連；存儲(chǔ)輸出電壓(V4)從運(yùn)算放大器(OPAMP)的同向端輸入，運(yùn)算放大器(OPAMP)的輸出端輸出檢測(cè)輸出電流信號(hào)(If)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電壓紋波檢測(cè)電路的穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源，其特征在于，所述電壓紋波檢測(cè)電路，包括高通濾波模塊、線性放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、一階數(shù)值微分運(yùn)算模塊、數(shù)值線性運(yùn)算模塊和時(shí)鐘選通/數(shù)字鎖存模塊；包含紋波與直流量的輸出電壓(Vout)經(jīng)高通濾波模塊后，得到電壓紋波信號(hào)(V1)；電壓紋波信號(hào)(V1)經(jīng)線性放大模塊后得到線形放大的電壓紋波信號(hào)(V11)；線形放大的電壓信號(hào)(V11)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓紋波信號(hào)(V13)；數(shù)字電壓紋波信號(hào)(V13)經(jīng)一階數(shù)值微分運(yùn)算模塊得到微分后電壓信號(hào)(V2)；微分后的電壓信號(hào)(V2)經(jīng)數(shù)值線性運(yùn)算模塊后得到線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)(V3)；線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)(V3)經(jīng)時(shí)鐘選通/數(shù)字鎖存模塊選通電壓紋波信號(hào)(V1)下降沿對(duì)應(yīng)的線性運(yùn)算后的電壓信號(hào)(V3)的信號(hào)量V3，并將信號(hào)量V3存儲(chǔ)和在整個(gè)時(shí)鐘周期輸出，即得到檢測(cè)輸出電流信號(hào)(If)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域中的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)電壓紋波檢測(cè)電路檢測(cè)電源輸出電流直流量并反饋至控制電路以控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。本發(fā)明所述穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源的電壓紋波檢測(cè)電路由一個(gè)高通濾波模塊、一個(gè)一階微分運(yùn)算模塊、一個(gè)線性運(yùn)算模塊和一個(gè)時(shí)鐘選通/信號(hào)存儲(chǔ)模塊依次串聯(lián)而成。首先提取穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源輸出電壓中的電壓紋波，然后對(duì)其進(jìn)行一階微分、線性運(yùn)算和存儲(chǔ)擴(kuò)展后“恢復(fù)”穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源的直流輸出電流，最后將該直流輸出電流反饋于PWM、PFM或PSM控制電路，通過(guò)控制電路調(diào)整功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。與現(xiàn)有的穩(wěn)流開(kāi)關(guān)電源相比，本發(fā)明具有更高的電源效率、更低的電路成本與更小的電源體積。
文檔編號(hào)H02M3/24GK101039077SQ200710048990
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月28日
發(fā)明者李澤宏, 賴昌菁, 周春華, 劉曦麟 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)