一种开关电源的控制方法与流程

本发明涉及一种开关电源的控制方法及其电路方面的改良，属于开关电源技术领域。

背景技术：

开关电源具有体积小、效率高、电流大等优点，普遍应用与手机充电器、适配器等场合。目前，开关电源实现变压器原边与副边通信主要有两种方式。图1为一种实现方式，该系统主要包括：原边控制器、变压器、开关功率管、通信芯片、光耦、负载、与通信芯片CS连接的CS采样回路、与变压器副边连接的DC输出级、与变压器辅助线圈连接的VDD供电回路和FB反馈回路，系统实现变压器副边与原边的通信原理为：当通信芯片接受到负载的通信使能信号，则根据信号内容驱动光耦传输到原边控制器的DDC（Digital Date Communication）引脚，原边控制器记录DDC引脚信息，并根据信息，做出相关动作，从而实现通信。这种方式虽然能够实现变压器原边与副边的通信，但是需要额外增加光耦或其它器件用于通信，系统成本高，同时对于原边反馈的原边控制器需要增加额外的端口，用于接收通信信号；

图2为另一种实现方式，该系统主要包括：原边控制器、变压器、开关功率管、次级控制器、负载、与芯片CS连接的CS采样回路、与变压器副边连接的DC输出级、与变压器辅助线圈连接的VDD供电回路和FB反馈回路，系统实现变压器副边与原边的通信原理为：当次级控制器检测到负载输出的通信信号，并根据通信内容在死区区间内编译开关脉冲信号VG，开关脉冲信号引起系统振荡经过副边绕组和辅助绕组反馈至原边控制器FB脚，原边控制器监测FB脚的振荡信号，并根据信号内容，作出相关相应，图3即为死区通信的波形图。这种方式虽然能够实现变压器原边与副边的通信，且不需要增加额外的器件，但是这种方式利用死区通信，要求原边控制器工作于DCM，同时在死区开关次级二极管，容易引起变压器电感与原边寄生电容之间振荡，不利于原边控制器识别通信信号。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种开关电源的控制方法，利用消磁区间实现开关电源副边与原边的通信，开关次级MOS不会引起原边振荡，同时不增加额外的器件，解决原边控制器工作模式受限的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现一种开关电源的控制方法，所述开关电源具有原边控制器、负载及变压器，其特征在于：在所述负载与变压器副边绕组之间相连设置次级控制器及次级MOS M2，在变压器副边绕组的一端，所述次级控制器实时监测次级工作状态及负载传递的通信信号类型，并根据信号类型，在开关周期的消磁区间内产生开关脉冲信号VG；所述开关脉冲信号VG通过在消磁区间内开关次级MOS M2，并使次级MOS M2的源端和漏端压降突变；压降突变信号通过变压器的辅助绕组耦合到原边控制器的FB端；在变压器原边绕组及辅助绕组的一端，所述原边控制器在消磁区间内检测FB端的电位突变幅度，并在FB端电位突变幅度大于预设定值△Vref时，判断为通信信号并记录信号信息、做出与信号信息对应的控制动作。

进一步地，所述次级控制器包括电压/电流检测模块、控制单元&PWM模块、通信模块、DRIVER；所述电压/电流检测模块分别与输入端口IDET、控制单元&PWM模块、通信模块相连；所述控制单元&PWM模块与通信模块相连；所述通信模块与输入端口DCI、DRIVER模块相连；所述DRIVER与输出端口VG相连；所述通信模块检测通信信号DCI和次级状态信号DATE，两种输入中有且只有一种有效时，通信模块根据输入内容编码产生对应串码，在消磁区间内编译开关脉冲信号VG，所述串码通过1个/多个周期完成向原边控制器的FB端传输。

更进一步地，所述通信模块包括2选1模块、编码电路以及将编码电路输出与PWM信号逻辑与的与门AND4；所述2选1模块分别与输入信号DCI、输入信号DATE、编码电路相连；所述编码电路分别与与门AND4、输入信号PWM相连；所述与门AND4分别与输入信号PWM、输出信号VG相连；编译的所述开关脉冲信号VG在每个消磁区间内只有低电平或者高电平中的一个状态：所述开关脉冲信号VG为低电平时关闭次级MOS M2，次级消磁时次级MOS M2的体二级管正偏导通；所述开关脉冲信号VG为高电平时开启次级MOS M2，次级消磁时次级MOS M2沟道导通；在消磁区间通过开关次级MOS M2，使次级MOS M2的源端和漏端压降突变。

更进一步地，所述通信模块包括2选1模块，编码电路，延时单元DELAY2，将编码电路输出与PWM信号逻辑与的与门AND5以及将延时单元DELAY2的输出与PWM信号逻辑与的与门AND6；所述2选1模块分别与输入信号DCI、输入信号DATE、编码电路相连；所述编码电路分别与与门AND5、与门AND6相连；所述与门AND5与输出信号VG、输入信号PWM相连；所述延时单元DELAY2分别与输入信号CTRL、与门AND6相连；所述与门AND6与输入信号PWM相连；编译的所述开关脉冲信号VG在每个消磁区间内有包含低电平或者高电平的多个状态：所述开关脉冲信号VG为低电平时关闭次级MOS M2，次级消磁时次级MOS M2的体二级管正偏导通；所述开关脉冲信号VG为高电平时开启次级MOS M2，次级消磁时次级MOS M2沟道导通；在消磁区间通过开关次级MOS M2，使次级MOS M2的源端和漏端压降突变。

进一步地，所述原边控制器，包括电压检测模块、控制器、PWM模块、电流检测模块、通信检测模块；所述通信检测模块分别与输入端口FB、电压检测模块、控制器相连；所述电压检测模块分别与控制器、输入端口FB相连；所述电流检测模块分别与控制器、输入端口CS相连；所述PWM模块分别与控制器、输出端口GATE相连；通信检测模块在消磁区间内检测相邻两个周期FB值的突变幅度，当突变幅度大于或等于预设定值△Vref时，通信检测模块将输出信号CODING置为高电平，当突变幅度小于预设定值△Vref时，通信检测模块将输出信号CODING置为低电平，输出信号CODING与所述开关脉冲信号VG相对应，实现副边与原边的通信。

更进一步地，所用的通信检测模块包括采样保持模块S/H、加法器ADD1、比较器、触发器DFF1、触发器DFF2、延迟单元DELAY1、将SAMPLE信号和DELAY1单元输出信号相与的与门AND1；所述采样保持模块S/H分别与加法器ADD1和与门AND1、输入端口FB相连；所述加法器ADD1分别与比较器、阈值基准ΔVref相连；所述比较器分别与输入端口FB、触发器DFF1、触发器DFF2相连；所述触发器DFF1分别与输入信号FB_CHECK、延迟单元DEALY1相连；所述触发器DFF2分别与输入信号FB_CHECK、输出信号CODING相连。

更进一步地，所用的通信检测模块包括采样保持模块S/H、加法器ADD2、比较器、将比较器输出信号与FB_CHECK信号逻辑与的与门AND2、计数器、将比较器输出信号与计数器输出信号逻辑与的与门AND3；所述采样保持模块S/H分别与加法器ADD2、输入信号SAMPLE、输入端口FB相连；所述加法器ADD1分别与比较器、阈值基准ΔVref相连；所述比较器分别与输入端口FB、与门AND2的输入、与门AND3的输入相连；所述与门AND2与输入信号FB_CHECK相连；所述比较器分别与与门AND2、与门AND3相连；所述与门AND3与输出信号CODING相连。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

（1）采用这种控制方式的电源系统，可以有效地实现变压器副边与原边的通信，而不需要额外的器件，系统简单；

（2）采用这种控制方式的原边电源芯片，不需要增加引脚用于通信；

（3）采用这种控制方式的电源系统，不受原边控制器工作模式影响，支持原边控制器工作于CCM模式。

（4）采用这种控制方式的电源系统，利用消磁区间通信，不会引起原边电感和寄生电容之间的振荡，易于原边控制器检测通信信号。

（5）采用这种控制方式的电源系统，利用次级MOS的体二极管和沟道导通实现通信，系统简单。

附图说明

图1是现有技术的一种开关电源结构图。

图2是现有技术的另一种开关电源结构图。

图3是图2图示的现有技术的实现通信方式波形图。

图4是本发明的一种图例示意图。

图5是本发明图4对应的实施例的次级控制器的模块示意图。

图6是本发明图5对应的次级控制器的通信模块一种示意图。

图7是本发明图5对应的次级控制器的通信模块另一种示意图。

图8是本发明图4对应的实施例的原边控制器的模块示意图。

图9是本发明图8对应的原边控制器的通信检测模块一种示意图。

图10是本发明图8对应的原边控制器的通信检测模块另一种示意图。

图11是本发明图6和图9对应实施例的一种通信工作波形示意图。

图12是本发明图7和图10对应实施例的一种通信工作波形示意图。

图13是本发明图7和图10对应实施例的另一种通信工作波形示意图。

具体实施方式

为使本发明开关电源的控制方法更易于理解其创新核心及技术效果，下面结合附图对本发明技术方案的多个具体实施例作进一步说明。

如图4所示，开关电源的控制电路与方法包括在变压器副边绕组和负载之间设置次级控制器及次级MOS M2，用于检测次级工作状态/负载传递的通信信号类型，并根据信号类型，在开关周期的消磁区间内产生开关脉冲信号VG；开关脉冲信号VG，在消磁时间内关闭次级MOS M2，体二级管正偏导通或开启次级MOS M2，沟道导通。次级MOS M2体二极管导通和沟道导通阈值不同，通过开关次级MOS M2，使次级MOS M2源端和漏端压降突变，压降突变信号通过变压器耦合到辅助绕组原边控制器的FB端；原边控制器，在消磁区间内检测FB突变幅度大于设定值△VREF时，判断为通信信号并记录信号信息。传输的通信信号可以为参数信息或者数字信号。这种传输方式利用消磁区间实现开关电源副边与原边的通信，开关次级MOS不会引起原边振荡，同时不增加额外的器件，不限定原边控制器的工作模式。

图5为次级控制器的模块示意图，包括电压/电流检测模块、控制单元&PWM模块、通信模块、DRIVER；电压/电流检测模块分别与输入端口IDET、控制单元&PWM模块、通信模块相连；控制单元&PWM模块与通信模块相连；通信模块与输入端口DCI、DRIVER模块相连；DRIVER与输出端口VG相连，用于驱动次级MOS M2。

次级控制器的通信模块一种示意图如图6所示，检测通信信号DCI/次级状态信号DATE，其中DATE为次级控制器工作状态，例如过温、输出短路等状态。两种输入中有一种且只有一种有效时，通信模块根据输入内容，编码电路产生对应串码，在消磁区间内编译开关脉冲信号VG，开关脉冲信号VG每个消磁区间内只有一个状态：低电平或者高电平。开关脉冲信号VG为低电平时关闭次级MOS M2，次级消磁时，次级MOS M2体二级管正偏导通。所述开关脉冲信号VG为高电平时开启次级MOS M2，次级消磁时，次级MOS M2沟道导通。次级消磁时，通过开关次级MOS M2，使次级MOS M2源端和漏端压降突变，压降突变信号通过变压器耦合到辅助绕组原边控制器的FB端；所述串码通过1个/多个周期完成向原边控制器FB端传输。

通信模块包括2选1模块、编码电路、将编码电路输出与PWM信号逻辑与的与门AND4；2选1模块分别与输入信号DCI、输入信号DATE、编码电路相连；编码电路分别与与门AND4、输入信号PWM相连；与门AND4分别与输入信号PWM、输出信号VG相连。

次级控制器的通信模块另一种示意图如图7，通信模块检测通信信号DCI/次级状态信号DATE，两种输入中有一种且只有一种有效时，通信模块根据输入内容，编码电路产生对应串码，在原边控制器采样信号前/后编译开关脉冲信号VG。开关脉冲信号VG每个消磁区间内可有多个状态：低电平或者高电平。开关脉冲信号VG为低电平时关闭次级MOS M2，次级消磁时，次级MOS M2体二级管正偏导通；开关脉冲信号VG为高电平时开启次级MOS M2，次级消磁时，次级MOS M2沟道导通，通过开关次级MOS M2，使次级MOS M2源端和漏端压降突变，压降突变信号通过变压器耦合到辅助绕组原边控制器的FB端；串码通过1个或者多个周期完成向原边控制器FB端传输。

通信模块包括2选1模块、编码电路、延时单元DELAY2、将编码电路输出与PWM信号逻辑与的与门AND5；将延时单元DELAY2的输出与PWM信号逻辑与的与门AND6。2选1模块分别与输入信号DCI、输入信号DATE、编码电路相连；编码电路分别与与门AND5、与门AND6相连；与门AND5与输出信号VG、输入信号PWM相连；延时单元DELAY2分别与输入信号CTRL、与门AND6相连；与门AND6与输入信号PWM相连。

图8为原边控制器的模块示意图，包括电压检测模块、控制器、PWM模块、电流检测模块、通信检测模块；通信检测模块分别与输入端口FB、电压检测模块、控制器相连；电压检测模块分别与控制器、输入端口FB相连；电流检测模块分别与控制器、输入端口CS相连；PWM模块分别与控制器、输出端口GATE相连。

原边控制器的通信检测模块一种示意图如图9，在消磁区间内检测相邻两个周期FB值突变幅度，当FB值突变幅度大于或等于设定值△VREF时，通信检测模块将输出信号CODING置为高电平，当FB值突变幅度小于设定值△VREF时，通信检测模块将输出信号CODING置为低电平。输出信号CODING即为次级控制器产生的所述开关脉冲信号VG，实现副边与原边的通信。

通信检测模块，包括采样保持模块S/H、加法器ADD1、比较器、触发器DFF1、触发器DFF2、延迟单元DELAY1、将SAMPLE信号和DELAY1单元输出信号相与的与门；采样保持模块S/H分别与加法器ADD1、将SAMPLE信号和DELAY1单元输出信号相与的与门、输入端口FB相连；加法器ADD1分别与比较器、阈值基准ΔVref相连；比较器分别与输入端口FB、触发器DFF1、触发器DFF2相连；触发器DFF1分别与输入信号FB_CHECK、延迟单元DEALY1相连；触发器DFF2分别与输入信号FB_CHECK、输出信号CODING相连；延迟单元DELAY1与与门AND1相连；与门AND1与输入信号SAMPLE相连。

原边控制器的通信检测模块另一种示意图如图10，在消磁区间内采样信号前/后检测FB端口电压突变幅度，当FB值突变幅度大于或等于设定值△VREF时，通信检测模块将输出信号CODING置为高电平，当FB值突变幅度小于设定值△VREF时，通信检测模块将输出信号CODING置为低电平。输出信号CODING即为次级控制器产生的开关脉冲信号VG，实现副边与原边的通信。

通信检测模块，包括采样保持模块S/H、加法器ADD2、比较器、将比较器输出信号与FB_CHECK信号逻辑与的与门AND2、计数器、将比较器输出信号与计数器输出信号逻辑与的与门AND3；采样保持模块S/H分别与加法器ADD2、输入信号SAMPLE、输入端口FB相连；加法器ADD1分别与比较器、阈值基准ΔVref相连；比较器分别与输入端口FB、与门AND2的输入、与门AND3的输入相连；与门AND2与输入信号FB_CHECK相连；比较器分别与与门AND2、与门AND3相连；与门AND3与输出信号CODING相连。

图11为本发明图6和图9对应实施例的一种通信工作波形示意图，每个开关周期内只通信一次。开关电源开关周期一共分为三个阶段：1.导通时间（On Time），变压器原边储能；2.消磁时间（Reset Time），变压器副边向输出传输能量，次级MOS M2沟道导通或者体二极管正偏导通；3.死区时间（Dead Time），原边振荡。本发明的通信方式利用的是消磁时间。正常工作模式，次级控制器在消磁时间内将脉冲信号VG置为高电平，次级MOS M2沟道导通，次级MOS的漏极与源极压降约等于0V，此时原边控制器FB端检测的值VFB为：

VFB=VOUT/n，其中n为辅助绕组线圈数除以副边绕组线圈数。

原边控制器将VFB值保持住，供下一个周期检测FB值突变情况，原边控制器根据当前周期的VFB值产生PWM波形。

当次级控制器在消磁时间内将脉冲信号VG置为低电平，次级MOS M2体二极管导通，次级MOS的漏极与源极的压降为二极管正向导通的阈值电压，例如0.7V，此时原边控制器FB端检测的值VFB为：

VFB=（VOUT+0.7）/n，其中n为辅助绕组线圈数除以副边绕组线圈数。

当次级控制器上一个周期为沟道导通，当前周期为体二极管导通，原边控制器FB端检测的VFB值将突变0.7/n，其中0.7/n大于△VREF，当原边控制器FB检测到突变值大于△VREF，则将输出信号CODING置为高电平，次级VG的高低信号被CODING记录，实现通信。其他情况则将CODINF置为低电平。当检测到突变时，原边控制器将采样与保持模块的控制信号VFB_SAMPLE屏蔽，原边控制器继续使用前一周期状态工作，从而避免因通信引起的VFB变化，影响到芯片的正常工作。

图12是本发明图7和图10对应实施例的一种通信工作波形示意图，这种通信方式利用消磁区间的一段时间通信，而不是整个消磁区间。通信区间如图所示为FB_SAMPLE信号下降沿到消磁结束。由于次级控制器的CTRL信号与原边控制器FB_SAMPLE信号产生机理一致，都是为上一个周期的消磁区间的1/2处或其他固定处，所以FB_SAMPLE信号和CTRL信号波形一致。为确保在FB_SAMPLE信号下降沿之后传输通信信号，次级控制器CTRL信号为高电平延迟Tdelay2之后允许编译VG。由于原边控制器生成的PWM信号占空比不同，通信区间长短不一，所以通信信号可通过一个周期，或者多个周期传输到原边，原边控制器将检测到的通信信号级联，以生产完整的通信信号，从而根据内容作出相应的动作。

图13是本发明图7和图10对应实施例的另一种通信工作波形示意图；这种通信方式利用消磁区间的一段时间通信。通信区间如图所示为消磁开始延迟Tdelay3之后到FB_CHECK下降沿。由于次级控制器的CTRL信号与原边控制器FB_SAMPLE信号产生机理一致，都为上一个周期的消磁区间的1/2处或其他固定处，所以FB_SAMPLE信号和CTRL信号波形一致。为确保在通信信号结束之后原边控制器正常采样,原边控制器FB_SAMPLE下降沿延时Tdealy4之后允许正常采样VFB值。由于原边控制器生成的PWM信号占空比不同，通信区间长短不一，所以通信信号可通过一个周期，或者多个周期传输到原边，原边控制器将检测到的通信信号级联，以生产正确的通信信号，从而根据内容作出相应的动作。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。