一种反激式变换器限流电路及反激式变换器的制作方法

1.本发明涉及开关电源技术领域，更具体地说，涉及一种反激式变换器限流电路及反激式变换器。


背景技术：

2.反激变换器由于结构简单成本较低而得到广泛应用。图11是典型的反激变换器电路示意图。电路主要包括原边的主开关管s1；变压器tx1，有一个原边绕组np和一个副边绕组ns；输出整流管d1。控制电路输出信号drv是一个脉宽调制的信号。当drv为高电位，主开关管s1开通，变压器tx1从输入vin存储能量。当主开关管s1关断时，变压器tx1通过整流管d1释放能量到输出。
3.在反激变换器工作过程中，出于保护负载以及整流管d1的需要，要把流过副边绕组ns的电流限制在负载和整流管d1的承受能力内。下面是几种传统的做法。
4.如图12所示的方法中，检测输出电流io得到信号io_sense。将io_sense跟输出电流参考信号io_ref比较得出误差信号err。pi模块对误差信号做环路补偿后(比例积分补偿为例)，产生控制信号通过控制开关s1的占空比来调整输出电流使其接近电流参考信号所设的电流值。这种方法可以限制变换器输出电流，但需要用到环路补偿。由于系统稳定性要求一般速度较慢，而且只能控制输出电流，无法直接控制副边绕组电流。因此不能阻止暂态的大电流出现。同时环路补偿元器件增加成本。
5.另一种美国专利“us patent no.6,972,969 b1”，专利名称“system and method for controlling current limit with primary side sensing”。该方法利用输出电流和功率关系这里po是输出功率，vin是输入电压，lm是变压器的原边励磁电感，ton为s1的开通时间，tp为开关周期，η是转换效率。通过已知或者检测得到vin,lm,tp和vo,以及目标输出电流io，可以计算出所需的开通时间而实现电流控制。跟上面的方法相比，无需环路补偿，可以实现开关周期内的快速限流。但需要已知或者检测的参数较多，容易产生较大误差。同时这种方法只限制输出电流，无法对副边绕组电流进行实时控制。
6.还有一种美国专利“us patent no.7,443,700 b2”，专利名称“on-time control for constant current mode in a flyback power supply”。在该方法中，利用输出电流的几何关系以及峰值电流控制模式，通过检测变压器退磁时间tr，采用数字控制计算峰值控制电压这里其中tr(n-1)为前一个周期的变压器退磁时间；vpp(n)为下一个周期所需的峰值控制电压；ts为开关周期；rs为原边电流ip的采样电阻；n为变压器原边对副边的匝比；ias为目标输出电流。这个方法不需要环路补偿就实现开关周期内的快速限流，并且可以限制副边电流。但如果电路参数发生变化，这个方法中没有输出电流的实时检测量，无法得出电流误差来实时调整控制结果。
同时，这个方法建立在变压器断续工作模式下电流的几何关系，在变压器连续工作模式时会产生很大的误差。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题在于，提供一种反激式变换器限流电路及反激式变换器来克服上述传统控制方法的缺陷。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种反激式变换器限流电路，所述变换器包括电源输入端、电源输出端、变压器、整流电路和开关单元，所述变压器的原边输入的第一端连接所述电源输入端，所述变压器的原边输入的第二端连接所述开关单元的第一端，所述变压器的副边输出的第一端连接所述整流电路的输入端，所述整流电路的输出端连接所述电源输出端，所述变压器的副边输出的第二端接地；
9.所述限流电路包括：用于获取所述变压器的原边输入电流的第一电流检测单元和用于获取所述变压器的副边输出电流的第二电流检测单元；以及第一除法器、第二除法器、延时单元、比较单元和驱动单元；
10.所述第一除法器的第一输入端连接所述第二电流检测单元，所述第一除法器的第二输入端用于输入所述变换器的目标电流值，所述第一除法器的输出端连接所述第二除法器的第一输入端，所述第二除法器的第二输入端连接所述延时单元的输出端，所述第二除法器的输出端连接所述延时单元的输入端；
11.所述比较单元的第一输入端连接所述延时单元的输出端，所述比较单元的第二输入端连接所述第一电流检测单元，所述比较单元的输出端连接所述驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端用于连接所述开关单元的控制端。
12.优选地，在本发明的反激式变换器限流电路中，所述第一电流检测单元包括检测电阻，所述检测电阻的第一端连接所述开关单元的第二端和所述比较单元的反向输入端，所述检测电阻的第二端接地。
13.优选地，在本发明的反激式变换器限流电路中，所述第二电流检测单元包括第一采样电阻、第一差分放大器和第一平均单元；
14.所述第一采样电阻的第一端连接所述整流电路的输出端和所述第一差分放大器的同向输入端，所述第一采样电阻的第二端连接所述电源输出端的正电压输出端和所述第一差分放大器的反向输入端，所述第一差分放大器的输出端连接所述第一平均单元的输入端，所述第一平均单元的输出端连接所述第一除法器的第一输入端。
15.优选地，在本发明的反激式变换器限流电路中，所述第二电流检测单元还包括第一隔离单元；
16.所述第一隔离单元的输入端连接所述第一差分放大器的输出端，所述第一隔离单元的输出端连接所述第一平均单元的输入端。
17.优选地，在本发明的反激式变换器限流电路中，所述第二电流检测单元包括第二采样电阻、第二差分放大器和第二平均单元；所述第二采样电阻的第一端连接所述变压器的副边输出的第二端和所述第二差分放大器的反向输入端，所述第二采样电阻的第二端连接所述电源输出端的负电压输出端和所述第二差分放大器的同向输入端，所述第二差分放大器的输出端连接所述第二平均单元的输入端，所述第二平均单元的输出端连接所述第一
除法器的第一输入端；或
18.所述第二电流检测单元包括第三差分放大器、第三平均单元和第二隔离单元，所述第三差分放大器的同向输入端连接所述整流电路的输入端，所述第三差分放大器的反向输入端连接所述整流电路的输出端，所述第三差分放大器的输出端连接所述第二隔离单元的输入端，所述第二隔离单元的输出端连接所述第三平均单元的输入端，所述第三平均单元的输出端连接所述第一除法器的第一输入端。
19.优选地，在本发明的反激式变换器限流电路中，所述第二电流检测单元包括第一波形分析单元和第一控制器；
20.所述第一控制器分别连接所述延时单元的输出端、所述比较单元的输出端、所述第一波形分析单元的输出端和所述第一除法器的第一输入端；
21.所述第一波形分析单元的输入端连接所述变压器的原边输入的第二端；
22.所述第一控制器用于根据所述延时单元输出的峰值电流控制量、所述比较单元的输出周期和所述开关单元的第一端的输入电压获取所述变压器的退磁时间以得到所述变压器的副边输出的均值电流对应的电压检测值。
23.优选地，在本发明的反激式变换器限流电路中，所述第一控制器根据以下公式输出控制参数v
is_r
：
[0024][0025]
其中，v
ipk_r
为所述变压器的原边峰值电流控制量对应的电压值，n
ps
为所述变压器的原边输入和副边输出的匝数比，tr为所述变压器的退磁时间，t
p
为所述开关单元的开关周期，其中，所述变压器的退磁时间tr根据所述开关单元的第一端的输入电压获取。
[0026]
优选地，在本发明的反激式变换器限流电路中，所述变换器还包括辅助线圈，所述第二电流检测单元包括第一分压电阻、第二分压电阻、第二波形分析单元和第二控制器；
[0027]
所述第二控制器分别连接所述延时单元的输出端、所述比较单元的输出端、所述第二波形分析单元的输出端和所述第一除法器的第一输入端；
[0028]
所述第二波形分析单元的输入端连接所述第一分压电阻的第一端和所述第二分压电阻的第一端，所述第一分压电阻的第二端连接所述辅助线圈的第一端，其中，所述辅助线圈的第二端和所述第二分压电阻接地；
[0029]
所述第二控制器用于根据所述延时单元输出的峰值电流控制量、所述比较单元的输出周期和所述辅助线圈检测到所述变压器的退磁时间以得到所述变压器的副边输出的均值电流对应的电压检测值。
[0030]
优选地，在本发明的反激式变换器限流电路中，所述第二控制器根据以下公式输出控制参数v
is_r
：
[0031][0032]
其中，v
ipk_r
为所述变压器的原边峰值电流控制量对应的电压值，n
ps
为所述变压器的原边输入和副边输出的匝数比，tr为所述变压器的退磁时间，t
p
为所述开关单元的开关周期，其中，所述变压器的退磁时间tr根据所述辅助线圈的电压获取。
[0033]
本发明还构造一种反激式变换器，包括：电源输入端、电源输出端、变压器、整流电路、开关单元，以及如上面任意一项所述的限流电路；
[0034]
其中，所述变压器的原边输入的第一端连接所述电源输入端，所述变压器的原边输入的第二端连接所述开关单元的第一端，所述变压器的副边输出的第一端连接所述整流电路的输入端，所述整流电路的输出端连接所述电源输出端，所述变压器的副边输出的第二端接地；
[0035]
所述限流电路连接所述开关单元的控制端。
[0036]
实施本发明的一种反激式变换器限流电路及反激式变换器，具有以下有益效果：能够有效利用当前周期内的副边电流检测值以及原边峰值电流控制量来修正下一个周期的控制量，实现简洁并准确的副边电流控制，同时在变压器连续模式下降低控制误差。
附图说明
[0037]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0038]
图1是本发明一种反激式变换器限流电路一实施例的电路示意图；
[0039]
图2是本发明一种反激式变换器限流电路一实施例的工作波形示意图；
[0040]
图3是本发明一种反激式变换器限流电路另一实施例的电路示意图；
[0041]
图4是本发明一种反激式变换器限流电路另一实施例的电路示意图；
[0042]
图5是本发明一种反激式变换器限流电路另一实施例的电路示意图；
[0043]
图6是本发明一种反激式变换器限流电路另一实施例的电路示意图；
[0044]
图7是本发明一种反激式变换器限流电路另一实施例的电路示意图；
[0045]
图8是本发明一种反激式变换器限流电路另一实施例的电路示意图；
[0046]
图9是本发明一种反激式变换器限流电路另一实施例的工作波形示意图；
[0047]
图10是本发明一种反激式变换器限流电路另一实施例的工作波形示意图；
[0048]
图11是当前一反激变换器电路示意图；
[0049]
图12是当前一反激变换器的限流电路示意图。
具体实施方式
[0050]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0051]
如图1所示，在本发明的一种反激式变换器限流电路第一实施例中，变换器包括电源输入端100、电源输出端200、变压器、整流电路400和开关单元500，变压器的原边输入的第一端连接电源输入端100，变压器的原边输入的第二端连接开关单元500的第一端，变压器的副边输出的第一端连接整流电路400的输入端，整流电路400的输出端连接电源输出端200，变压器的副边输出的第二端接地；限流电路包括：用于获取变压器的原边输入电流的第一电流检测单元310和用于获取变压器的副边输出电流的第二电流检测单元320；以及第一除法器331、第二除法器332、延时单元333、比较单元334和驱动单元335；第一除法器331的第一输入端连接第二电流检测单元320，第一除法器331的第二输入端用于输入变换器的目标电流值，第一除法器331的输出连接第二除法器332的第一输入端，第二除法器332的第二输入端连接延时单元333的输出端，第二除法器332的输出端连接延时单元333的输入端；
比较单元334的第一输入端连接延时单元333的输出端，比较单元334的第二输入端连接第一电流检测单元310，比较单元334的输出端连接驱动单元335的输入端，驱动单元335的输出端用于连接开关单元500的控制端。具体的，通过驱动单元335输出的高低电平驱动开关单元500导通或关断，并通过开关单元500的导通或关断时间来控制变压器tx1的初级线圈(对应为变压器tx1的原边输入)的储能大小，以最终控制变压器tx1的次级线圈(对应变压器tx1的副边输出)的电流大小。其如图2所示，当驱动单元335输出电平drv为高电平，开关单元500(对应标记s1)导通，变压器tx1的初级线圈np中原边电流ip上升，变压器储存能量。当驱动单元335输出电平drv为低电平时，开关单元s1关断，变换器原边输入100的电流停止，此时变压器的电源输入端100的输入电流达到峰值电流i
p_pk
，变压器能量释放到负载形成变压器的副边输出的输出电流is，该电流通过变压器的次级线圈输出至电源输出200。其中电流is从开始到降为零的过程称为变压器退磁(或者磁恢复)。通过控制变压器原边的峰值电流i
p_pk
，即可以控制变压器的副边输出的开关周期内的平均电流i
s_r
。其中输出电流i
s_r
的满足如下关系式：
[0052][0053]
这里，i
s_r
是在开关周期内变压器副边的平均电流(流过整流管d1电流)；i
s_pk
是变压器的副边输出的电流峰值；tr是变压器的退磁时间；t
p
是开关单元s1的开关周期；根据变压器的特性，有
[0054]is_pk
＝i
p_pknps
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0055]
这里，i
p_pk
是变压器的原边输入电流i
p
的峰值(对应为电源输入端100的输入电流)，n
ps
是变压器的初级线圈和次级线圈的匝比，由此，变压器的副边输出的电流在开关周期内的平均值可以表达为
[0056][0057]
假设变压器的副边电流的限值目标为i
s_tg
，根据(3)，如果保持的比例(变换器工作在一个稳定点时候，tr和t
p
变化很小)，则变压器的原边输入电流的峰值需要等于公式(4)中的目标值i
ipk_tg
，才能让变压器的副边输出的电流等于目标限值：
[0058][0059]
由(3)和(4)，可以得出
[0060][0061]
公式(5)表明，只要能够获得当前周期内的变压器的副边输出端的电流均值i
s_r
和变压器的原边输入的电流峰值i
ipk_r
，根据目标电流i
s_tg
，就可以计算出下一个周期内所需要的峰值电流值i
ipk_tg
，使下一个周期的变压器的副边输出的电流达到目标限值。根据峰值电流控制原理，新的i
ipk_tg
可以确定下一个周期的s1的开通时间。定义g
is_n
为当前开关周期内的变压器的副边输出的均值电流与目标电流比值：
[0062][0063]
则有
[0064][0065]
限流电路中，第二电流检测单320元用于得到变压器的副边输出的电流在周期内平均值i
s_r
，并通过第一除法器331获取该电流周期内平均值i
s_r
与目标电流i
s_tg
的比值对应的得到电流比g
is_n
；并通过第二个除法器332获取变压器的原边输入的电流峰值i
ipk_r
与上述电流比g
is_n
的比值得出下一个周期内的峰值电流控制量i
ipk_tg
。把该控制量i
ipk_tg
延时到下一个开关周期，通过控制开关单元335的控制端可以准确地限制下一个周期的变压器的副边输出的电流值。
[0066]
可选的，如图3至7，在本技术的反激式变换器限流电路中，第一电流检测单元310包括检测电阻，检测电阻的第一端连接开关单元500(对应图3中s1)的第二端和比较单元334的反向输入端，检测电阻的第二端接地。具体的，可以通过检测电阻获取变压器的原边输入的电流，其中检测电阻连接开关单元s1的第二端和地，在开关单元500导通时，变压器tx1的初级线圈导通，检测电阻由于电流流过生成对应的电压，通过该电压检测结果即可以得到对应的电流检测结果。其中采样电阻对应图3至图8中电阻rip。
[0067]
如图3所示，在一实施例中，第二电流检测单元320包括第一采样电阻3211、第一差分放大器3221和第一平均单元3231；第一采样电阻3211的第一端连接整流电路400的输出端和第一差分放大器3221的同向输入端，第一采样电阻3211的第二端连接电源输出端200的正电压输出端和第一差分放大器3221的反向输入端，第一差分放大器3221的输出端连接第一平均单元3231的输入端，第一平均单元3231的输出端连接第一除法器331的第一输入端。具体的，可以通过第一采样电阻3211对整流电路400的输出端进行检测，即对应为对电源输出端200的正输出端进行电流检测得到变压器的副边输出的检测电流，该检测电流在第一采样电阻3211两端形成压差，通过第一差分放大器3221对该压差进行放大得到对应的电压检测结果。其中该电压检测结果即对应得到变压器的副边输出电流检测结果，通过第一平均单元3231对该检测结果进行平均即可得到对应的变压器的副边输出的均值电流检测结果。在图3所示的具体实施例中，由采样电阻rip检测变压器的原边输入的电流转换为电压信号v
ip
，由电阻ris检测变压器的副边输出的整流电流转换为电压信号v
is
。其可以通过rip和ris，变换器的原边输入的电流和变压器的副边输出的电流均转化为电压信号，便于控制系统处理。电压v
is_r
对应电流i
s_r
，v
ipk_r
对应为原边峰值电流对应的峰值控制电压。电压v
is_tg
为目标限流对应的电压值，公式(8)中，v
ipk_tg
为计算出的下一个周期所需的新的峰值电流的控制电压值：
[0068][0069]
如图4所示，在一实施例中，第二电流检测单元320还包括第一隔离单元3241；第一隔离单元3241的输入端连接第一差分放大器3221的输出端，第一隔离单元3241的输出端连接第一平均单元3231的输入端。具体的，变压器的原边输入和变压器的副边输出不共地时，还需要设置变压器的原边输入与变压器的副边输出的隔离。其可以在第二电流检测单元
320中设置第一隔离单元3241，使得变压器的副边输出对应的电流检测通过第一隔离单元3241传递至变压器的原边输入，第一隔离单元3241根据应用可以采用光隔离或者磁耦合来实现，典型的方法有线性光耦和调幅变压器，或者通过模数转换后用数字光耦传输。
[0070]
如图5所示，在一实施例中，第二电流检测单元320包括第二采样电阻3212、第二差分放大器3222和第二平均单元3232；第二采样电阻3212的第一端连接变压器的副边输出的第二端和第二差分放大器3222的反向输入端，第二采样电阻3212的第二端连接电源输出端的负电压输出端和第二差分放大器3222的同向输入端，第二差分放大器3222的输出端连接第二平均单元3232的输入端，第二平均单元3232的输出端连接第一除法器331的第一输入端。具体的，可以第二采样电阻3212对变压器的次级线圈的负极输出进行检测，即对应对电源输出端的负输出端进行电流检测，该输出电流在第二采样电阻3212两端形成压差，通过第二差分放大器3222对该压差进行放大最终得到对应的电压检测结果。其中该电压检测结果即对应得到变压器的副边输出的电流检测结果，通过第二平均单元3232对该检测结果进行平均即可得到对应的均值电流检测结果。在该实施例中，变压器的副边输出的电流检测由输出负载电流检测间接获得，该过程可以通过对长期平均负载电流的限制来控制整流电路400的平均值，但由于其不能对变压器的副边输出的电流进行实时的限流，使得其可应用于需要控制输出电流，但对整流电路400(对应图5中整流管d1)实时电流控制要求不高的设计。
[0071]
上述实施中采用电阻ris对变压器副边电流检测。在实际应用中，变压器副边的电流检测可以采用其他方法。图6中显示一实施例中，第二电流检测单元320包括第三差分放大器3223、第三平均单元3233和第二隔离单元3242即第三差分放大器3223的同向输入端连接至整流电路400的输入端，第三差分放大器3223的反向输入端连接整流电路400的输出端，第三差分放大器3223的输出端连接第二隔离单元3242的输入端，第二隔离单元3242的输出端连接第三平均单元3233的输入端，所述第三平均单元3233的输出端连接所述第一除法器的第一输入端。具体的，在整流电路400为同步整流管s2时，其可以直接将电流检测利用同步整流管s2的导通电阻来实现。即而没有加入专门的检测电阻，提高变换器效率。检测实施的方式可参照图4的实施例。
[0072]
如图7所示，在一实施例中，第二电流检测单元320包括第一波形分析单元3251和第一控制器3261；第一控制器3261分别连接延时单元333的输出端、比较单元334的输出端、第一波形分析单元3251的输出端和第一除法器331的第一输入端；第一波形分析单元3251的输入端连接变压器的初级线圈的第二端；第一控制器3261用于根据延时单元333输出的原边峰值电流控制量、比较单元334的输出周期和开关单元的第一端的输入电压获取变压器磁的退磁时间以得到所述变压器的副边输出的均值电流对应的电压检测值。具体的，在反激变换器中，可以采用对开关单元s1的漏极电压vd进行分析得到变压器退磁时间tr。其通过第一控制器根据获取的参数和下述公式得到变压器的副边输出的电流对应的电压检测值
[0073][0074]
如图8所示，在一实施例中，变换器还包括辅助线圈na，第二电流检测单元320包括第一分压电阻327、第二分压电阻328、第二波形分析单元3252、第二控制器3262；第二控制
器3262分别连接延时单元333的输出端、比较单元334的输出端、第二波形分析单元3252的输出端和第一除法器331的第一输入端；第二波形分析单元3252的输入端连接第一分压电阻327的第一端和第二分压电阻328的第一端，第一分压电阻327的第二端连接辅助线圈na的第一端，其中，辅助线圈na的第二端和第二分压电阻328接地；其中，第二控制器362用于根据延时单元333输出的原边峰值电流的控制量电压值、比较单元334的输出周期和辅助线圈检测到的变压器的退磁时间而计算得出的变压器的副边输出的电流对应的电压检测值。具体的，在隔离反激变换器中，可以采用对辅助绕组na的电压检测结果对应的电压vs获得变压器退磁时间tr。其通过第二控制器根据获取的参数和下述公式得到变压器的副边输出的电流对应的电压检测值
[0075][0076]
可以理解，图7和图8对应的实施例中，副边电流可以通过检测变压器退磁时间来间接计算得出。
[0077]
如图9所示，为变压器工作在断续模式的波形。在断续模式下，tr是变压器退磁的时间，由波形分析单元根据vd或者vs从驱动电压drv关断(由高变低)时间，到第二电流检测单元对应的输出检测电压vd或者vs斜率突然发生变化为止。t
p
是变换器工作的开关周期，可以从驱动电压drv的周期时间获得(第一个上升沿到第二个上升沿)。
[0078]
如图10所示，变压器工作在连续模式的波形。变压器原边电流i
p
起始电流不为零。变压器的副边电流is的结束电流也不为零。在这种工作模式下，变换器副边输出的电流在开关周期内的平均值可以表达为
[0079][0080]
电流与峰值电流不是对应的比例关系，但是通过检测得到副边电流平均值i
s_r
，以及已知的目标电流i
s_tg
，仍然可以通过(6)-(8)的方法，根据上个周期的控制量和电流反馈值，逐步推出新的控制量把变压器的副边电流收敛到目标值。
[0081]
另，本技术的一种反激式变换器，包括，用于输入电压的变换器原边输入，用于提供电压输出的变换器副边输出；其中，所述变压器的原边输入的第一端连接所述电源输入端，所述变压器的原边输入的第二端连接所述开关单元的第一端，所述变压器的副边输出的第一端连接所述整流电路的输入端，所述整流电路的输出端连接所述电源输出端，所述变压器的副边输出的第二端接地；所述限流电路连接所述开关单元的控制端。具体的，在变换器工作时，其通过上述的限流电路实现对变换器原边输入的电流控制，能够在不需要环路补偿的同时，实现限制副边电流，以及输出电流平均值，以实现直接在开关周期内响应，快速限制副边电流。其控制过程简单，控制所需参数少，并且可以根据副边电流反馈值以及上一个周期的控制量来修正下一个周期的控制值，精度较高。这个电路还能够对变压器工作于连续模式下实现较为准确的电流控制。
[0082]
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，包括采用数字电路来实现，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟
本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。