具有电压纹波检测电路的稳压开关电源制造技术

本发明专利技术属于电子技术领域中的稳压开关电源，通过电压纹波检测电路检测电源输出电压直流量并反馈至控制电路以控制功率开关管的导通与关断，进而实现稳压输出。本发明专利技术所述稳压开关电源的电压纹波检测电路由一个高通滤波模块、一个二阶微分运算模块、一个线性运算模块和一个时钟选通／信号存储模块依次串联而成。首先提取稳压开关电源输出电压中的电压纹波，然后对其进行二阶微分、线性运算和存储扩展后“恢复”稳压开关电源的直流输出电压，最后将该直流输出电压反馈于ＰＷＭ、ＰＦＭ或ＰＳＭ控制电路，通过控制电路调整功率开关管的导通与关断，最终实现稳压输出。与现有的稳压开关电源相比，本发明专利技术具有更高的电源效率、更低的电路成本与更小的电源体积。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子
，涉及稳压开关电源，特别涉及输出电压检测及控制的稳压开关电源。
技术介绍
开关稳压电源的基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制系统通过检测被控制的输出电压信号，并将该信号反馈于PWM、PFM或PSM控制模式进行闭环反馈，调节主电路功率开关器件的导通与关断时间，使得开关电源的输出电压稳定。图1为现有的带变压器隔离的AC/DC稳压开关电源。主电路输入级中，VAC为交流输入电压，典型值为220V，Vin为经过硅桥整流与输入电容滤波后的线输入电压，变压器进行电压变比调整同时提供输入与输出回路的隔离，输入级与输出级电感用L1、L2表示，功率开关管用于控制从输入级传送的功率大小，输入级地为GND1；主电路输出级中，D1为续流二极管，C1为输出滤波电容，RL为等效负载阻抗，Vout为直流输出电压，输出级地为GND2；稳压开关电源控制电路通常通过电阻网络检测输出电压Vout，再经过直流隔离后得到输出电压反馈信号Vf，将Vf反馈于PWM、PFM或PSM控制模式进行闭环反馈，调节主电路功率开关管的导通与关断时间，使得稳压开关电源的输出电压稳定。输入级与输出级采用不同地GND1与GND2、进行直流隔离的目的在于保证用户用电安全，直流隔离通常通过光耦合器实现。常用开关稳压电源系统的不足在于1、输出电压检测网络需要消耗额外功率，造成电源效率下降；2、在AC/DC转换器中，输入回路与输出回路一般通过光耦合器实现直流隔离，以保证用户用电安全，而光耦合器等其它提供直流隔离的元件增加了系统成本与体积，同时光耦合器的功耗也降低了电源效率。由于电常用开关稳压电源系统存在以上不足，因此需要提出新的输出电压检测技术予以克服，实现更高的电源效率以及更低的系统成本。
技术实现思路
本专利技术提供一种新型稳压开关电源，该电源通过电压纹波检测电路对电源输出电压直流量的检测并反馈至电源控制电路以控制功率开关管的导通与关断时间，进而实现稳压输出。本专利技术相比较于传统电开关电源系统，具有更高的电源效率、更低系统成本与更小的电源体积。本专利技术所述开关稳压电源的核心思想在于提取稳压开关电源输出电压信号中的交流部分(电压纹波信号)，然后对其进行二阶微分、线性运算和存储扩展后“恢复”稳压开关电源的直流输出电压信号，最后将“恢复”的稳压开关电源的直流输出电压信号反馈于PWM、PFM或PSM控制电路，通过控制电路调整功率开关管的导通与关断时间，最终实现稳压输出。本专利技术详细技术方案如下具有电压纹波检测电路的稳压开关电源，如图2所示，包括整流、滤波电路，变压器T，功率开关管G，控制电路，续流二极管D1，输出滤波电容C1，负载RL和电压纹波检测电路。输入电压VAC通过整流、滤波电路连接到变压器T副边电感L1的一端，变压器T副边电感L1的另一端接功率开关管G的漏极，功率开关管G的漏极源极接输入级地GND1，功率开关管G的栅极接控制电路的输出端；变压器T副边电感L2的一端接续流二极管D1的阳极，续流二极管D1的阴极接输出滤波电容C1和负载RL并联后的一端，变压器T副边电感L2的另一端与输出滤波电容C1和负载RL并联后的另一端共同接输出级地GND2，续流二极管D1的阴极同时接电压纹波检测电路的输入端，电压纹波检测电路的输出端接控制电路的输入端。在图2中，当功率开关管截止时，稳压开关电源输入级回路断开，续流二极管D1导通，变压器通过副边电感L2将功率开关管闭合期间存储的能量传送到负载RL，此时输出电压Vout上升，对应于输出电压纹波上升沿。忽略二极管D1上的导通压降，输出级可以等效为变压器副边电感L2与输出滤波电容C1、负载RL三条支路并联。对于电感L2所在支路，忽略纹波对直流输出电压的影响，输出电压保持恒定，其电流电压关系式为VOUT=-L2dIL2dt---(1),]]>其中，IL2为流过变压器副边L2的电流，L2为变压器副边电感L2的电感值，VOUT为输出电压的直流分量。对于输出滤波电容C1所在支路，其电流电压关系式为IC1=C1dVoutdt---(2),]]>其中，IC1为流过输出滤波电容C1的电流，C1为输出滤波电容C1的电容值，Vout为稳压开关电源所输出的包含纹波的输出电压。当输出滤波电容等效阻抗远小于负载阻抗时，副边电感L2的电流IL2的变化量将全被输出滤波电容C1吸收，结合式(2)，可得dIL2dt=dIC1dt=C1d2Voutdt2---(3).]]>综合式(1)、(3)，可得VOUT=-L2C1d2Voutdt2---(4).]]>基于式(4)的电压纹波检测电路如图3所示，包含高通滤波模块、二阶微分运算模块、线性运算模块与时钟选通/信号存储模块。包含纹波与直流量的输出电压Vout经高通滤波模块后，得到电压纹波信号V1；电压纹波信号V1经二阶微分运算模块后得到微分后电压信号V2；微分后的电压信号V2经线性运算模块后得到线性运算后的电压信号V3；线性运算后的电压信号V3经时钟选通/信号存储模块选通电压纹波信号V1上升沿对应的线性运算后的电压信号V3的信号量V3，并将信号量V3存储和在整个时钟周期输出，即得到检测输出电压信号(即控制电路的输入信号)Vf。检测出的输出电压信号Vf反馈于PWM、PFM或PSM控制电路，当检测到的输出电压低于正常值时，对于PWM控制电路，功率开关管占空比将增大；对于PFM控制电路，功率开关管单周期的导通时间不变，开关频率将增大；对于PSM控制电路，功率开关管跳过的不进行开关动作的周期数将减少，以增大输出电压，最终实现稳压输出。当检测到的输出电压高于正常值时，对于PWM控制电路，功率开关管占空比将减小；对于PFM控制电路，功率开关管单周期的导通时间不变，开关频率将减小；对于PSM控制电路，功率开关管跳过的不进行开关动作的周期数将增多，以减小输出电压，最终实现稳压输出。如图5所示，为了增强检测到的电压信号的驱动能力，可在上述电压纹波检测电路中加入电压跟随模块，线性运算后的电压信号V3经时钟选通/信号存储模块后得到存储输出的电压信号V4并经电压跟随模块后得到控制电路的输入信号Vf。上述电压纹波检测电路中，所述高通滤波模块为一阶RC高通滤波器，如图6所示，由一个电容C2和一个电阻R2串联而成，包含纹波与直流量的输出电压Vout通过电容C2后从电容C2和电阻R2的连接点输出电压纹波信号V1。整个稳压电源输出回路与电压纹波检测电路分别采用不同的直流地输出级地GND2与输入级地GND1，以使输入与输出回路直流隔离，电阻R2与电容C2组成的滤波网络可以滤除Vout的直流量，得到电压纹波信号V1，电阻R2的阻值R2与电容C2的电容值C2的乘积R2*C2决定高通滤波器的截止频率，该截止频率应选择在低于开关频率1/10以下，以避免衰减输出电压纹波信号；在AC/DC变换器中，电容C2可代替光耦合器提供输入与输出级的直流隔离，保证用户用电安全，因此，需要电容C2能承受较高的击穿电压。上述电压纹波检测电路中，所述二阶微分运算模块为一个二阶模拟微分器，如图7所示，由两个电容C31、C32，两个电阻R31、R32和两个运算放大器OPAMP组成。第一电容C31的一端接第一运算放大器O本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有电压纹波检测电路的稳压开关电源，包括整流、滤波电路，变压器（Ｔ），功率开关管（Ｇ），控制电路，续流二极管（Ｄ１），输出滤波电容（Ｃ１），负载（ＲＬ）和电压纹波检测电路；输入电压（Ｖ↓［ＡＣ］）通过整流、滤波电路连接到变压器（Ｔ）副边电感（Ｌ１）的一端，变压器（Ｔ）副边电感（Ｌ１）的另一端接功率开关管（Ｇ）的漏极，功率开关管（Ｇ）的漏极源极接输入级地（ＧＮＤ１），功率开关管（Ｇ）的栅极接控制电路的输出端；变压器（Ｔ）副边电感（Ｌ２）的一端接续流二极管（Ｄ１）的阳极，续流二极管（Ｄ１）的阴极接输出滤波电容（Ｃ１）和负载（ＲＬ）并联后的一端，变压器（Ｔ）副边电感（Ｌ２）的另一端与输出滤波电容（Ｃ１）和负载（ＲＬ）并联后的另一端共同接输出级地（ＧＮＤ２），续流二极管（Ｄ１）的阴极同时接电压纹波检测电路的输入端，电压纹波检测电路的输出端接控制电路的输入端；所述电压纹波检测电路包含高通滤波模块、二阶微分运算模块、线性运算模块与时钟选通／信号存储模块；包含纹波与直流量的输出电压（Ｖｏｕｔ）经高通滤波模块后，得到电压纹波信号（Ｖ１）；电压纹波信号（Ｖ １）经二阶微分运算模块后得到微分后电压信号（Ｖ２）；微分后的电压信号（Ｖ２）经线性运算模块后得到线性运算后的电压信号（Ｖ３）；线性运算后的电压信号（Ｖ３）经时钟选通／信号存储模块选通电压纹波信号（Ｖ１）上升沿对应的线性运算后的电压信号（Ｖ３）的信号量Ｖ↓［３］，并将信号量Ｖ↓［３］存储和在整个时钟周期输出，即得到检测输出电压信号（Ｖｆ）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李泽宏，周春华，赖昌菁，刘曦麟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]