开关电源环路补偿电路的制作方法

本实用新型涉及开关电源领域，尤其涉及开关电源环路补偿电路。

背景技术：

随着现代电力电子技术的不断地发展，并且出现了越来越多的创新科技，也让开关电源技术在不断的创新中得到了快速的提升，开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制单元和功率变换单元构成，其中，功率变换单元包括开关管。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

在正常情况下，常见的隔离式正激或反激开关电源通常采用光电耦合器和精密稳压器组成环路补偿单元，利用环路补偿单元的小信号传递函数，可对环路补偿单元的动态补偿设计进行定性分析和定量计算，最终通过环路补偿单元分析仪扫出伯德图得到环路补偿单元的幅值曲线和相位曲线来确定开关电源的稳定性。

但是在开关电源的实际运用中，环境温度的变化会很大，比如在某些行业，开关电源的工作温度会被要求在-20℃～+50℃，甚至会到+70℃。温度的变化会严重影响到光电耦合器的CTR(current transfer ratio，电流传输比)，通常在温度达到70℃时光电耦合器的CTR会只有25℃温度下的60％。根据开环传递函数G(s)，光电耦合器的CTR减小后，环路补偿单元增益会减小4～5dB，低频增益和剪切频率也会随之降低，进而导致整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于开关电源环路补偿电路，解决在高温下因环路补偿单元内光电耦合器的CTR减小而引起整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的问题。

本实用新型的目的采用如下技术方案实现：

开关电源环路补偿电路，其包括开关电源以及与所述开关电源连接的环路补偿单元，所述开关电源包括PWM控制单元和功率变换单元，所述PWM控制单元的输出端连接所述功率变换单元的输入端，所述功率变换单元的输出端连接所述环路补偿单元的输入端，所述环路补偿单元的输出端连接所述PWM控制单元的输入端，所述环路补偿单元的输出端还接供电端，所述开关电源环路补偿电路还包括热敏单元，所述热敏单元设在所述环路补偿单元与供电端之间或设在所述环路补偿单元与所述功率变换单元之间。

基于在开关电源环路补偿电路上增加热敏单元，热敏单元在不同的温度下体现不同的电阻值，可以有效地抵消环路补偿单元内光电耦合器的CTR因受温度变化对环路补偿单元造成的影响；进而解决了在高温下因环路补偿单元内光电耦合器的CTR减小而引起整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的问题。

可选的，所述环路补偿单元包括光耦模块、采样模块和比较模块，所述采样模块的输入端连接所述光耦模块的输入端，所述采样模块的输出端连接所述比较模块的输入端，所述比较模块的输出端连接所述光耦模块的输入端。采样模块对功率变换单元的输出电压进行采样，并将采样到的输出电压分压后传输至比较模块，比较模块将基准电压与分压后的输出电压进行比较，根据比较结果得到相应的电压，并将相应的电压传输至光耦模块，从而起到调整光耦模块的输出电压的目的。

可选的，在所述光耦模块的输入端与所述功率变换单元的输出端之间设有所述热敏单元。当温度升高时，光耦模块的CTR减小，光耦模块的输出电流减小，而热敏单元的电阻值减小，则光耦模块的输入电流增大，光耦模块的输出电流几乎不变，进而光耦模块的输出电压几乎不变，即光电耦合器的输出电压几乎不变，从而热敏单元的电阻值减小可以抵消光耦模块内光电耦合器的CTR减小对环路补偿单元造成的影响。

可选的，所述光耦模块包括光电耦合器、偏置电阻、第一限流电阻、第二限流电阻和旁路电容，所述光电耦合器包含光敏三极管和发光二极管，所述发光二极管的正极依次经所述第一限流电阻、所述偏置电阻连接所述发光二极管的负极，所述光敏三极管的集电极作为输出端，所述光敏三极管的集电极经所述第二限流电阻接供电端，所述光敏三极管的集电极与发射极之间设有所述旁路电容，所述光敏三极管的发射极接地。光耦模块起了隔离、稳压的作用；偏置电阻起了向光电耦合器提供偏置电流的作用；旁路电容C2起了抑制光敏三极管的集电极与发射极之间电压跳变，延伸上升沿和下降沿的作用。

可选的，所述采样模块包括第一采样电阻和第二采样电阻，所述第一采样电阻的一端连接所述第一限流电阻与所述偏置电阻的公共端，所述第一采样电阻的另一端连接所述比较模块，所述第一采样电阻的另一端经所述第二采样电阻接地。第一采样电阻和第二采样电阻起了采样功率变换单元的输出电压并对采样后的输出电压进行分压的作用。

可选的，所述比较模块包括精密稳压器、第一电容和第二电阻，所述精密稳压器的阳极接地，所述精密稳压器的参考极依次经所述第一电容、所述第二电阻连接所述精密稳压器的阴极，所述精密稳压器的参考极连接所述第一采样电阻的另一端，所述精密稳压器的阴极连接所述发光二极管的负极。第一电容和第二电阻起到环路补偿阻容的作用。

可选的，在所述第一限流电阻之间与所述功率变换单元的输出端设有所述热敏单元。

可选的，所述热敏单元包括至少一个热敏电阻。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：

基于在开关电源环路补偿电路的特定位置上增加热敏单元，热敏单元在不同的温度下体现不同的电阻值，用于抵消环路补偿单元内光电耦合器的CTR因受温度变化对环路补偿单元造成的影响；进而解决了在高温下因环路补偿单元内光电耦合器的CTR减小而引起整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的问题。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

附图说明

图1是本实施例一提供的开关电源环路补偿电路的结构示意图；

图2是本实施例一提供的光耦模块的结构示意图；

图3是本实施例一提供的环路补偿单元的电路图一；

图4是本实施例二提供的环路补偿单元的电路图二；

图5是本实施例三提供的环路补偿单元的电路图三；

图例：1-PWM控制单元，2-功率变换单元，3-环路补偿单元，4-热敏单元，31-光耦模块，32-采样模块，33-比较模块。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例一

开关电源环路补偿电路，其包括开关电源、环路补偿单元3和热敏单元4，开关电源包括功率变换单元2和PWM控制单元1，如图1所示，PWM控制单元1的输出端连接功率变换单元2的输入端，功率变换单元2的输出端连接环路补偿单元3的输入端，环路补偿单元3的输出端连接PWM控制单元1的输入端，环路补偿单元3的输出端还接供电端，热敏单元4设在环路补偿单元3与功率变换单元2之间；或设在环路补偿单元3内；或设在环路补偿单元3的输出端与供电端之间。

此外，开关电源环路补偿电路还包括电源模块，用于向PWM控制单元1供电。

本实施例中PWM控制单元1包括PWM控制芯片，PWM控制芯片的型号为UC2843。它根据环路补偿单元3的输出电压来控制整个电路的工作。

上述开关电源环路补偿电路的工作原理：当电源模块输入上电后，PWM控制单元1开始软起，直至PWM控制单元1能发出导通与关断占空比变化的PWM信号，驱动功率变换单元2内开关管，使功率变换单元2对输入电压进行升压或降压后得到输出电压，并将输出电压传输至环路补偿单元3，当输出电压达到环路补偿单元3分压的整定值时，环路补偿单元3先对输出电压进行采样，其次将采样到的输出电压进行分压，然后将分压后的电压与其内部的基准电压进行比较，根据比较结果得到相应的电压，最后将相应的电压反馈PWM控制单元1，使PWM控制单元产生相应的导通与关断占空比变化的PWM信号，用于驱动功率变换单元2内开关管，进而控制功率变换单元2的输出电压；

当温度的升高时，环路补偿单元3内光电耦合器的CTR会减小，进而出现整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的情况，但热敏单元4在不同温度环境工作下会体现为不同的电阻值，可以抵消因环路补偿单元3内光电耦合器的CTR减小而对环路补偿单元3造成的影响，从而保证了环路补偿单元3在不同温度环境下都有较好的低频增益和剪切频率，进而避免出现环路补偿单元3内光电耦合器的CTR减小而引起整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的情况。

如图2所示，环路补偿单元3包括采样模块32、比较模块33和光耦模块31，光耦模块31的输入端连接采样模块的输入端，采样模块32的输入端连接功率变换单元2的输出端，采样模块32的输出端连接比较模块33的输入端，比较模块33的输出端连接光耦模块31的输入端，光耦模块31的输出端连接PWM控制单元1，光耦模块31的输出端还经热敏单元4连接VDD供电端。

其中，热敏单元4包括至少一个热敏电阻，根据实际情况需要，本实施例中的热敏单元包括第一热敏电阻RT1，如图3所示，光耦模块31包括光电耦合器U2、偏置电阻RBIAS、第一限流电阻RLED、第二限流电阻RPULLUP和旁路电容C2，其中，光电耦合器U2包含发光二极管和光敏三极管；发光二极管的正极依次经第一限流电阻RLED、偏置电阻RBIAS连接发光二极管的负极，发光二极管的正极经第一限流电阻RLED连接功率变换单元2的输出端，发光二极管的负极连接比较模块33，光敏三极管的集电极依次经第二限流电阻RPULLUP、第一热敏电阻RT1接VDD供电端，光敏三极管的集电极还连接PWM控制单元1的输入端，光敏三极管的发射极经旁路电容C2连接光敏三极管的集电极，光敏三极管的发射极接地。

如图3所示，比较模块33包括精密稳压器U1、第二电阻R2和第一电容C1，精密稳压器U1的阳极接地，精密稳压器U1的参考极经第一电容C1、第二电阻R2连接精密稳压器U1的阴极，精密稳压器U1的参考极连接采样模块32，精密稳压器U1的阴极连接发光二极管的负极。

采样模块32包括第一采样电阻R1和第二采样电阻RLOWER，第一采样电阻R1的一端连接功率变换单元2的输出端，第一采样电阻R1的另一端经第二采样电阻RLOWER接地，第一采样电阻R1的另一端还连接精密稳压器U1的参考极。

其中，精密稳压器U1的型号有很多选择方式，本实施例中的精密稳压器U1的型号为TL431；第一热敏电阻RT1的类型为PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)热敏电阻，第一热敏电阻RT1的型号为MZ3-M202RMC；此外，第一电容C1和第二电阻R2起了环路补偿阻容的作用；偏置电阻RBIAS起了给精密稳压器U1提供偏置电流的作用；旁路电容C2起了抑制光敏三极管的集电极与发射极之间电压跳变，延伸上升沿和下降沿的作用。

上述开关电源环路补偿电路工作原理：当电源模块输入上电后，PWM控制单元1开始软起，直至VDD供电端的电压建立，同时PWM控制单元1发出导通与关断占空比变化的PWM信号，用于驱动功率变换单元2内开关管。此时，功率变换单元2的输出电压开始上升，当输出电压未达到第一采样电阻R1和第二采样电阻RLOWER分压的整定值时，精密稳压器U1的输出在第一电容C1的积分作用下一直处于饱和状态，发光二极管不导通，即光电耦合器U2不导通，故闭环反馈控制系统未建立；

当输出电压达到第一采样电阻R1和第二采样电阻RLOWER分压的整定值时，第一采样电阻R1和第二采样电阻RLOWER对功率变换单元2的输出电压进行采样，并将采样后的输出电压进行分压后传输至精密稳压器U1，精密稳压器U1将分压后的输出电压与其内部的基准电压进行比较，根据比较结果输出相应的电压，发光二极管有电流流过，即光电耦合器U2导通，闭环反馈系统建立，进而精密稳压器U1输出相应的电压经光电耦合器U2输入PWM控制单元1，使PWM控制单元1产生相应的导通与关断占空比变化的PWM信号，用于驱动功率变换单元2内开关管，从而达到输出电压稳定的目的。

如果比较结果表明分压后的输出电压低于基准电压，精密稳压器U1的输出电压升高，发光二极管的电流减小，则光敏三极管的电流减小，即光敏三极管的输出电压变大，使得PWM控制单元比较得出的输出占空比变大，即PWM控制单元的输出电压升高，进而达成闭环反馈的目的；如果比较结果表明分压后的输出电压高于基准电压，精密稳压器U1的输出电压降低，发光二极管的电流增大，则光敏三极管的电流增大，即光敏三极管的输出电压减小，使得PWM控制单元比较得出的输出占空比变小，即PWM控制单元的输出电压降低，进而达成闭环反馈的目的。

当温度升高时，光电耦合器U2的CTR减小，光敏三极管的电流减小，而第一热敏电阻RT1的电阻值因温度升高而增大，根据V光敏三极管＝I光敏三极管*(RPULLUP+RT1)可知，光敏三极管的输出电压几乎不变，即环路补偿单元3的输出电压几乎不变，因而第一热敏电阻RT1的电阻值增大可以抵消因光电耦合器U2的CTR减小而造成对环路补偿单元3的影响，进而保证了环路补偿单元3的低频增益和剪切频率几乎不变，从而避免出现光电耦合器U2的CTR减小而引起整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的情况。

进一步地说，根据图3可知，环路补偿单元3的开环传递函数G(s)为：

其中，Vsample表示功率变换单元2的输出电压，VFB表示环路补偿单元3的输出电压，CTR表示电流传输比，s表示复频域中的复变量。

根据上述开环传递函数G(s)可知，第一热敏电阻RT1的电阻值与光电耦合器U1的CTR成一定的反比例关系，从而使环路补偿单元3的输出电压几乎不变，即使开环传递函数G(s)的值几乎不变，进而保证了环路补偿单元3的低频增益和剪切频率几乎不变，从而避免出现光电耦合器U2的CTR减小而引起整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的情况。

实施例二

本实施例与实施例一区别在于热敏单元4的连接位置不同，本实施例中热敏单元4设在功率变换单元2的输出端和光耦模块31的输入端之间，如图4所示，热敏单元4包括第一热敏电阻RT1，光耦模块31包括光电耦合器U2、偏置电阻RBIAS、第一限流电阻RLED、第二限流电阻RPULLUP和旁路电容C2，其中，光电耦合器U2包含发光二极管和光敏三极管；发光二极管的正极依次经第一限流电阻RLED、第一热敏电阻RT1连接功率变换单元2的输出端，发光二极管的负极经偏置电阻RBIAS连接功率变换单元2的输出端，发光二极管的负极连接比较模块33，光敏三极管的集电极经第二限流电阻RPULLUP接VDD供电端，光敏三极管的集电极还连接PWM控制单元1的输入端，光敏三极管的发射极经旁路电容C2连接光敏三极管的集电极，光敏三极管的发射极接地。

如图4所示，比较模块33包括精密稳压器U1、第二电阻R2和第一电容C1，精密稳压器U1的阳极接地，精密稳压器U1的参考极经第一电容C2、第二电阻R2连接精密稳压器U1的阴极，精密稳压器U1的参考极连接采样模块32，精密稳压器U1的阴极连接发光二极管的负极。

采样模块32包括第一采样电阻R1和第二采样电阻RLOWER，第一采样电阻R1的一端连接功率变换单元2的输出端，第一采样电阻R1的另一端经第二采样电阻RLOWER接地，第一采样电阻R1的另一端还连接精密稳压器U1的参考极。

本实施例中的第一热敏电阻RT1的类型为NTC(Negative Temperature Coefficient，负温度系数)热敏电阻，第一热敏电阻RT1的型号为NTC300D-9。

上述开关电源环路补偿电路工作原理：当电源模块输入上电后，PWM控制单元1开始软起，直至VDD供电端的电压建立，同时PWM控制单元1发出导通与关断占空比变化的PWM信号，用于驱动功率变换单元2内开关管。此时，功率变换单元2的输出电压开始上升，当输出电压未达到第一采样电阻R1和第二采样电阻RLOWER分压的整定值时，精密稳压器U1的输出在第一电容C1的积分作用下一直处于饱和状态，发光二极管不导通，即光电耦合器U2不导通，故闭环反馈控制系统未建立；

当输出电压达到第一采样电阻R1和第二采样电阻RLOWER分压的整定值时，第一采样电阻R1和第二采样电阻RLOWER采样输出电压，并将采样到的输出电压进行分压后传输至精密稳压器U1，精密稳压器U1将分压后的输出电压与其内部的基准电压进行比较，根据比较结果输出相应的电压，发光二极管有电流流过，即光电耦合器U2导通，闭环反馈系统建立，进而精密稳压器U1输出相应的电压经光电耦合器U2输入PWM控制单元1，使PWM控制单元1产生相应的导通与关断占空比变化的PWM信号，用于驱动功率变换单元2内开关管，从而达到输出电压稳定的目的。

如果比较结果表明分压后的输出电压低于基准电压，精密稳压器U1的输出电压升高，发光二极管的电流减小，则光敏三极管的电流减小，即光敏三极管的输出电压变大，使得PWM控制单元比较得出的输出占空比变大，即PWM控制单元的输出电压升高，进而达成闭环反馈的目的；如果比较结果表明分压后的输出电压高于基准电压，精密稳压器U1的输出电压降低，发光二极管的电流增大，则光敏三极管的电流增大，即光敏三极管的输出电压减小，使得PWM控制单元比较得出的输出占空比变小，即PWM控制单元的输出电压降低，进而达成闭环反馈的目的。

当温度升高时，光电耦合器的CTR减小，光敏三极管的电流也会减小，但是第一热敏电阻RT1的电阻值会随着温度升高而减小，从而流过发光二极管的电流就会变大，根据I光敏三极管＝CTR*I发光二极管可知，光敏三极管的电流几乎不变，从而使得光敏三极管的输出电压几乎不变，即使环路补偿单元3的输出电压几乎不变，从而保证了环路补偿单元3的低频增益和剪切频率几乎不变，因而第一热敏电阻RT1的电阻值减小可以抵消因光电耦合器U2的CTR减小造成对环路补偿单元3的影响，进而避免出现光电耦合器U2的CTR减小而引起整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的情况。

更进一步地说，根据图4可知，环路补偿单元3的开环传递函数G(s)如下:

其中，Vsample表示功率变换单元2的输出电压，VFB表示环路补偿单元3的输出电压，CTR表示电流传输比，s表示复频域中的复变量。

根据上述开环传递函数G(s)可知，第一热敏电阻RT1的电阻值与光电耦合器U1的CTR成一定的正比例关系，从而使环路补偿单元3的输出电压几乎不变，即使开环传递函数G(s)值几乎不变，进而保证了环路补偿单元3的低频增益和剪切频率几乎不变，从而避免出现光电耦合器U2的CTR减小而引起整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的情况。

实施例三

本实施例与前两个实施例的区别在热敏单元4的连接位置不同，本实施例中热敏单元4设在采样模块32的输出端与比较模块33的输入端之间，根据实际情况需求，本实施例中的热敏单元4包括第一热敏电阻RT1和第二热敏电阻RT2，即第一热敏电阻RT1和第二热敏电阻RT2设在采样模块32的输出端与比较模块33的输入端之间。

如图5所示，光耦模块31包括光电耦合器U2、偏置电阻RBIAS、第一限流电阻RLED、第二限流电阻RPULLUP和旁路电容C2，其中，光电耦合器U2包含发光二极管和光敏三极管；发光二极管的正极经第一限流电阻RLED连接功率变换单元2的输出端，发光二极管的负极经偏置电阻RBIAS连接功率变换单元2的输出端，发光二极管的负极连接比较模块33，光敏三极管的集电极经第二限流电阻RPULLUP接VDD供电端，光敏三极管的集电极还连接PWM控制单元1的输入端，光敏三极管的发射极经旁路电容C2连接光敏三极管的集电极，光敏三极管的发射极接地。

比较模块33包括精密稳压器U1、第二电阻R2和第一电容C1，精密稳压器U1的阳极接地，精密稳压器U1的参考极经第一电容C2、第二电阻R2连接精密稳压器U1的阴极，精密稳压器U1的参考极连接采样模块32，精密稳压器U1的阴极连接发光二极管的负极。

采样模块32包括第一采样电阻R1和第二采样电阻RLOWER，第一采样电阻R1的一端连接功率变换单元2的输出端，第一采样电阻R1的另一端经第一热敏电阻RT1连接比较模块33，第二采样电阻RLOWER的一端接地，第二采样电阻RLOWER的另一端经第二热敏电阻RT2连接第一热敏电阻RT1。

本实施例中第一热敏电阻RT1的类型为NTC(Negative Temperature Coefficient，负温度系数)热敏电阻，第一热敏电阻RT1的型号为NTC300D-9。

且开关电源环路补偿电路的工作原理与实施例二中的开关电源环路补偿电路的工作原理相同，此处不再赘述。并同样解决了在高温下因光电耦合器U2的CTR减小而引起整个电路的稳态误差变大以及动态响应变慢的问题。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。