一種基于原邊反饋的反激變換器的輸出電壓采樣方法及其系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于原邊反饋的反激變換器的輸出電壓采樣方法及其系統，利用輔助繞組上的電壓信息，根據反激變換器前一開關周期的輸出電壓反饋量和本開關周期輔助繞組上的電壓信息調整本周期的輸出電壓反饋量，從而精確采樣輸出電壓。采樣的輸出電壓反饋量用于產生控制開關管工作的開關信號，可以實現反激變換器的恒壓輸出。本發明不需要額外的采樣保持電路，易于實現模塊化和集成化，降低采樣成本。
【專利說明】一種基于原邊反饋的反激變換器的輸出電壓采樣方法及其 系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬于隔離式電源變換器【技術領域】，特別涉及一種基于原邊反饋的反激變換 器的輸出電壓米樣方法及其系統。
【背景技術】
[0002] 隨著便攜式電子設備的迅猛發展，隔離式電源變換器得到快速發展。其中，反激變 換器由于效率高、結構簡單、成本低等優點，在電源適配器、充電器市場占據主要地位。
[0003] 傳統的隔離式電源變換器直接采樣副邊繞組的輸出電壓，其結構框圖如圖1所 示。雖然這種采樣方案可以直接得到輸出電壓，但是為了隔離輸入輸出，需要采用光耦元 件，而光耦元件一般體積較大，且其精度受外界環境因素影響很大。
[0004] 為了解決光耦隔離的問題，原邊反饋的反激變換器被廣泛采用，其結構框圖如圖2 所示，反饋電壓通過一個輔助繞組采樣。由于輔助繞組上的電壓并不能完全反應輸出電壓， 輔助繞組的電壓V AUX波形如圖5所示。一般采樣輸出電壓的方法是在開關管信號Ve關斷后 延遲一個固定的時間t delay采樣作為反饋量VFB。這種采樣方法需要采樣保持電路，實現起 來比較復雜，而且采樣的電壓并不完全等于輸出電壓，采樣電壓和輸出電壓之間存在誤差， 而且這種誤差隨著系統的負載條件及其他參數的變化而改變，采樣精度差。
【發明內容】
[0005] 本發明針對現有采樣技術存在的技術缺陷，提供了一基于種原邊反饋的反激變換 器的輸出電壓米樣方法及其系統，能夠精確米樣反激變換器的輸出電壓。
[0006] 本發明采用的技術方案是：一種基于原邊反饋的反激變換器的輸出電壓采樣方 法，通過采樣輔助繞組上的電壓信息獲得反激變換器的輸出電壓，其特征在于，根據反激變 換器前一開關周期的輸出電壓反饋量和本開關周期輔助繞組上的電壓信息調整本開關周 期的輸出電壓反饋量，用于產生控制反激變換器中開關管工作的開關信號，實現反激變 換器的恒壓輸出，從而得到精確的輸出電壓，包括以下步驟：
[0007] (1)采樣本開關周期的輔助繞組上電壓信號vAUX，并通過數模轉換器將前一開關周 期輸出電壓反饋數字量V FB轉換成前一開關周期的輸出電壓反饋模擬量;
[0008] (2)將本開關周期輔助繞組上的電壓信號VAUX分別與設定的上邊界電壓ν Λ, max和 下邊界電壓Vfb,min進行比較，分別得到反饋電壓上限邊界信號MAX和下限邊界信號MIN ;
[0009] (3)將本開關周期輔助繞組上的電壓信號VAUX與前一開關周期的輸出電壓反饋模 擬量V fb進行比較得到反饋比較信號AUX ;
[0010] (4)開關管控制信號Ve翻轉為零之后，根據反饋比較信號AUX得到本開關周期的 輔助繞組上電壓信號VAUX和前一開關周期的輸出電壓反饋模擬量的第一次相交時刻ti， 在設定的時間t gap之后產生電壓下降信號GAP，使Vfb降低Λ V，得到AUX第二次高電平持續 時間Count ;
[0011] (5)根據反饋電壓上限邊界信號MAX、下限邊界信號MIN、反饋比較信號AUX、電壓 下降信號GAP和AUX第二次高電平持續時間Count，通過以下的關系表達式，求得反激變換 器本開關周期輸出電壓的反饋量的V FB ;
[0012] 當 MAX=l 時，VFB[k] =VFB,max;
[0013] 當 MIN = 1 時，VFB[k] = VFB,min ;
[0014] 當 MAX = MIN = 0 時，如果 Count〈2,則 VFB[k] = VFB[k_l]+l ;如果 Count = 2,貝lj VFB[k] = VFB[k-l];如果 Count>2,則 VFB[k] = VFB[k-l]-l ;
[0015] 其中，k表示周期數，VFB[k]是本開關周期輸出電壓的反饋數字量，V FB[k_l]是前 一開關周期輸出電壓的反饋數字量，VFB,max是設定的輸出電壓的反饋量上限值，V FB,min是設 定的輸出電壓的反饋量下限值；
[0016] (6)根據本開關周期的VFB，通過數字PI單元和數字PWM得到反激變換器中開關管 Q1的控制信號，以控制開關管Q1的導通和關斷。
[0017] 根據上述原邊反饋的反激變換器的輸出電壓采樣方法設計的采樣系統，其特征在 于，包括電壓采樣模塊、數字PI模塊和數字PWM模塊，電壓采樣模塊采樣本開關周期輔助繞 組上的電壓信息V AUX后，得到本開關周期的輸出電壓反饋數字量VFB輸出至數字PI單元，數 字PI單元根據輸出電壓反饋量產生占空比信號d輸出至數字PWM單元，數字PWM根據占空 比信號d產生開關管控制信號V e輸出至反激變換器中開關管Q1的柵極，從而控制開關管 Q1的工作狀態；其中：
[0018] 電壓采樣模塊包括上限邊界比較器C0MP_max、下限邊界比較器C0MP_min和反饋 比較器C0MP_aux、波形分析模塊、數模轉換器DAC和輸出電壓反饋量計算模塊，上限邊界比 較器C0MP_max的正端與下限邊界比較器C0MP_min的負端及反饋比較器C0MP_aux的正端 互連并連接輔助繞組電壓V AUX，上限邊界比較器的負端連接上限電平Vfb,max，上限邊界比較 器C0MP_max輸出上限邊界信號MAX連接輸出電壓反饋量計算模塊的一個輸入端；下限邊 界比較器C0MP_min的正端連接下限電平，下限邊界比較器C0MP_min輸出下限邊界信 號MIN連接輸出電壓反饋量計算模塊的另一個輸入端，反饋比較器C0MP_aux輸出反饋信號 AUX連接波形分析模塊輸入端，波形分析模塊分別輸出電壓下降信號GAP及AUX第二次高 電平持續時間Count分別連接數模轉換器DAC及輸出電壓反饋量計算模塊，輸出電壓反饋 量計算模塊的輸出連接數模轉換器DAC，數模轉換器DAC輸出反饋電壓V fb或νΛ- Λ V連接 反饋比較器C0MP_aux的負端；
[0019] 波形分析模塊根據反饋比較信號AUX，在開關管控制信號Ve翻轉為零之后，在AUX 第一次下降之后的一段時間tgap之后產生電壓下降信號GAP，并通過計數器計數得到AUX第 二次高電平持續時間Count，電壓下降信號GAP輸入到數模轉換器DAC，AUX第二次的高電 平持續時間Count輸入到輸出電壓反饋量計算模塊；
[0020] 輸出電壓反饋量計算模塊根據反饋電壓上限邊界信號MAX、下限邊界信號MIN、反 饋比較和AUX高電平第二次持續時間Count，求得反激變換器本開關周期輸出電壓的反饋 數字量VFB ;
[0021] 數模轉換器DAC將輸出電壓產生模塊的輸出數字量轉化成輸出電壓的模擬量Vfb， 并在接收到GAP信號之后將輸出電壓模擬量降低Λ V得到Vfb- Λ V，用于反饋比較器C0MP_ aux的輸入。
[0022] 本發明的優點及顯著效果：本發明利用輔助繞組上的電壓信息，根據前一周期采 樣電壓信息和本周期輔助繞組電壓信息調整反饋量，從而精確采樣輸出電壓。本發明不需 要額外的采樣保持電路，易于實現模塊化和集成化，降低采樣成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1是傳統基于副邊繞組采樣控制的反激變換器電路結構圖；
[0024] 圖2是傳統基于原邊繞組采樣控制的反激變換器電路結構圖；
[0025] 圖3采用本發明采樣方法的原邊反饋反激變換器電路結構圖；
[0026] 圖4是本發明電壓采樣模塊的結構框圖；
[0027] 圖5是基于傳統原邊反饋反激變換器的工作波形；
[0028] 圖6(a)是采樣電壓在拐點之前的工作波形；
[0029] 圖6(b)是采樣電壓在拐點上的工作波形；
[0030] 圖6(c)是采樣電壓在拐點之后的工作波形；
[0031] 圖7是本發明的輸出電壓采樣反饋數字量產生流程圖。
【具體實施方式】
[0032] 為了具體描述本發明，下面結合附圖對本發明具體實施方案進行詳細說明。
[0033] 如圖3,本發明基于原邊反饋的反激變換器的輸出電壓采樣方法設計的采樣系統， 包括電壓采樣模塊、數字PI模塊和數字PWM模塊，電壓采樣模塊采樣本開關周期輔助繞組 上的電壓信息V AUX后，得到本開關周期的輸出電壓反饋數字量VFB輸出至數字PI單元，數字 PI單元根據輸出電壓反饋量產生占空比信號d輸出至數字PWM單元，數字PWM根據占空比 信號d產生開關管控制信號Ve輸出至反激變換器中開關管Q1的柵極，從而控制開關管Q1 的工作狀態。
[0034] 電壓采樣模塊的結構如圖4,包括上限邊界比較器C0MP_max、下限邊界比較器 C0MP_min和反饋比較器C0MP_aux、波形分析模塊、數模轉換器DAC和輸出電壓反饋量計算 模塊。上限邊界比較器C0MP_max用來產生上限邊界信號MAX，下限邊界比較器C0MP_min用 來產生下限邊界信號MIN，反饋比較器C0MP_aux用來產生反饋信號AUX。上限邊界比較器 C0MP_max的正端與下限邊界比較器C0MP_min的負端及反饋比較器C0MP_aux的正端互連并 連接輔助繞組電壓V AUX，上限邊界比較器的負端連接上限電平Vfb,max，上限邊界比較器C0MP_ max輸出上限邊界信號MAX連接輸出電壓反饋量計算模塊的一個輸入端；下限邊界比較器 C0MP_min的正端連接下限電平，下限邊界比較器C0MP_min輸出下限邊界信號MIN連 接輸出電壓反饋量計算模塊的另一個輸入端，反饋比較器C0MP_aux輸出反饋信號AUX連接 波形分析模塊輸入端，波形分析模塊分別輸出電壓下降信號GAP及AUX第二次高電平持續 時間Count分別連接數模轉換器DAC及輸出電壓反饋量計算模塊，輸出電壓反饋量計算模 塊輸出反饋信號V FB連接數模轉換器DAC，數模轉換器DAC輸出反饋電壓或Vfb- Λ V連接 反饋比較器C0MP_aux的負端。波形分析模塊根據反饋比較信號AUX，在開關管控制信號 翻轉為零之后，在AUX第一次下降之后的一段時間t gap之后產生電壓下降信號GAP，并通過 計數器計數得到AUX第二次高電平持續時間Count，電壓下降信號GAP輸入到數模轉換器 DAC，AUX第二次的高電平持續時間Count輸入到輸出電壓反饋量計算模塊。輸出電壓反饋 量計算模塊根據反饋電壓上限邊界信號MAX、下限邊界信號MIN、反饋比較和AUX高電平第 二次持續時間Count，求得反激變換器本開關周期輸出電壓的反饋數字量VFB。數模轉換器 DAC將輸出電壓產生模塊的輸出數字量轉化成輸出電壓的模擬量Vfb，并在接收到GAP信號 之后將輸出電壓模擬量降低Λ V得到Vfb_ Λ V，用于反饋比較器C0MP_aux的輸入。
[0035] 圖5是基于原邊反饋的反激變換器的工作波形，其中IP是原邊繞組電流，I s為輸 出繞組的電流，VAUX是輔助繞組的電壓，Ve是開關管控制信號。
[0036] 當Ve為1時，開關管Q1導通，變壓器T1儲存能量，原邊繞組電流Ip逐漸上升，而 輸出續流二極管D1關斷，輸出繞組電流I s為零，輔助繞組的電壓VAUX為：
[0037] VAUX=-^j^VIN (1) Jyp
[0038] 其中，NP是原邊繞組匝數，NAUX是輔助繞組匝數，V IN是原邊繞組輸入電壓，此時VAUX 是負值。
[0039] 當Ve為0時，開關管Q1關斷，變壓器T1傳遞能量，原邊繞組電流Ip迅速由峰值I PP 降低到零，輸出續流二極管D1導通，輸出繞組電流Is迅速上升到峰值IPS后開始下降。根 據I s的不同，輔助繞組上電壓VAUX可以分為三個階段：
[0040] (1)在Is下降到零之前，輔助繞組上電壓vAUX為：
[0041] VAVX={V0 + VD+Is*rp)^- (2) Ns
[0042] 其中，Ns是輸出繞組匝數，％是輸出電壓，VD是二極管兩端壓降，r p是二極管寄生 電阻。
[0043] (2)在Is為零時，VD為零，Is為零，此時輔助繞組上電壓V AUX為：
[0044] νΑυχ = νυ^ (3) Ns
[0045] 此時，輔助繞組電壓VAUX與輸出電壓V。呈比例關系，VAUX完全反映 V。的信息，稱為 拐點。
[0046] (3)在Is下降為零以后，由于原邊電感Lm和開關管寄生電容C P之間發生諧振，此 時輔助繞組上電壓VAUX為：
[0047] v^=v〇^e^cosi-frr) ( 4)
[0048] 其中，k是變壓器原邊繞組電感，Cp是開關管Q1寄生電容，α是衰減系數。
[0049] 從三個階段可以看出，只有在拐點時刻輔助繞組電壓VAUX才能完全反映輸出電壓。 而由圖5可知，在拐點之前，輸出電壓下降平緩，在拐點之后輸出電壓迅速衰減，針對這個 特點，本發明提出一種反激變換器輸出電壓的控制方法，具體步驟如下：
[0050] (1)采樣本開關周期的輔助繞組上電壓信號vAUX，并通過數模轉換器將前一開關周 期輸出電壓反饋數字量V FB轉換成前一開關周期的輸出電壓反饋模擬量;
[0051] (2)將本開關周期輔助繞組上的電壓信號VAUX分別與設定的上邊界電壓Vi max和 下邊界電壓Vfb,min進行比較，分別得到反饋電壓上限邊界信號MAX和下限邊界信號MIN ;
[0052] (3)將本開關周期輔助繞組上的電壓信號VAUX與前一開關周期的輸出電壓反饋模 擬量vfb進行比較得到反饋比較信號AUX ;
[0053] (4)開關管控制信號Ve翻轉為零之后，根據反饋比較信號AUX得到本開關周期的 輔助繞組上電壓信號V AUX和前一開關周期的輸出電壓反饋模擬量Vfb的第一次相交時刻 在設定的時間tgap之后產生電壓下降信號GAP，使V fb降低Λ V，得到AUX第二次高電平持續 時間Count ;
[0054] (5)根據反饋電壓上限邊界信號MAX、下限邊界信號MIN、反饋比較信號AUX、電壓 下降信號GAP和AUX第二次高電平持續時間Count，通過以下的關系表達式，求得反激變換 器本開關周期輸出電壓的反饋量的V FB ;
[0055] 當 MAX = 1 時，VFB[k] = νΡΒ,ΜΧ ;
[0056] 當 MIN = 1 時，VFB[k] = VFB,min ;
[0057] 當 MAX = MIN = 0 時，如果 Count〈2,則 VFB[k] = VFB[k_l]+l ;如果 Count = 2,貝lj VFB[k] = VFB[k-l];如果 Count>2,則 VFB[k] = VFB[k-l]-l ;
[0058] 其中，k表示周期數，VFB[k]是本開關周期輸出電壓的反饋數字量，V FB[k_l]是前 一開關周期輸出電壓的反饋數字量，VFB,max是設定的輸出電壓的反饋量上限值，V FB,min是設 定的輸出電壓的反饋量下限值；
[0059] (6)根據本開關周期的VFB，通過數字PI單元和數字PWM得到反激變換器中開關管 Q1的控制信號，以控制開關管Q1的導通和關斷。
[0060] 圖6是所提出的電壓采樣方法的工作波形，將Vfb和Vfb-AV的中點設置在拐點位 置對應的電壓值。
[0061] 圖6(a)是某一周期反饋電壓高于拐點電壓，在t2時刻之后的反饋電壓比較信號 AUX高電平持續時間Count大于1，可以判斷前一周期的反饋電壓在拐點之前，調整本周期 反饋量降低。
[0062] 圖6(b)是某一周期反饋電壓等于拐點電壓，在t2時刻之后的反饋電壓比較信號 AUX高電平持續時間Count等于1，可以判斷前一周期的反饋電壓在拐點上，維持本周期反 饋量不變。
[0063] 圖6(c)是某一周期反饋電壓高于拐點電壓，在t2時刻之后的反饋電壓比較信號 AUX高電平持續時間Count等于0,可以判斷前一周期的反饋電壓在拐點之后，調整本周期 反饋量增加。
[0064] 圖7是所提出的輸出電壓控制方法的產生電壓反饋量的流程圖，tl時刻之后，計 數器gap啟動，gap計數到t gap之后，DAC的輸出電壓Vfb降低Λ V，然后根據輸出的Count值 判斷本周期的采樣電壓反饋量的輸出。如果Count小于2,則表示VFB[k-l]偏小，則V FB[k] =VFB[k-l]+l ;如果 Count 等于 2,則表示 VFB[k-l]對應拐點，則 VFB[k] = VFB[k-l];如果 Count大于2,則表示VFB[k-l]偏大，則VFB[k] =VFB[k-l]-l。另外根據圖4,所提出的輸出 電壓控制方法設定了反饋量的上下邊界，使得電壓反饋量限定在V FB,min?VFB,max范圍內。
【權利要求】
1. 一種基于原邊反饋的反激變換器的輸出電壓采樣方法，通過采樣輔助繞組上的電壓 信息獲得反激變換器的輸出電壓，其特征在于，根據反激變換器前一開關周期的輸出電壓 反饋量和本開關周期輔助繞組上的電壓信息調整本開關周期的輸出電壓反饋量，用于產生 控制反激變換器中開關管工作的開關信號\，實現反激變換器的恒壓輸出，從而得到精確 的輸出電壓，包括以下步驟： (1) 采樣本開關周期的輔助繞組上電壓信號VAUX，并通過數模轉換器將前一開關周期輸 出電壓反饋數字量V FB轉換成前一開關周期的輸出電壓反饋模擬量; (2) 將本開關周期輔助繞組上的電壓信號VAUX分別與設定的上邊界電壓Vfb,max和下邊 界電壓V fb,min進行比較，分別得到反饋電壓上限邊界信號MAX和下限邊界信號MIN ; (3) 將本開關周期輔助繞組上的電壓信號VAUX與前一開關周期的輸出電壓反饋模擬量 Vfb進行比較得到反饋比較信號AUX ; (4) 開關管控制信號Ve翻轉為零之后，根據反饋比較信號AUX得到本開關周期的輔助 繞組上電壓信號VAUX和前一開關周期的輸出電壓反饋模擬量的第一次相交時刻h，在設 定的時間t gap之后產生電壓下降信號GAP，使Vfb降低Λ V，得到AUX第二次高電平持續時間 Count ； (5) 根據反饋電壓上限邊界信號MAX、下限邊界信號MIN、反饋比較信號AUX、電壓下降 信號GAP和AUX第二次高電平持續時間Count，通過以下的關系表達式，求得反激變換器本 開關周期輸出電壓的反饋量的V FB ; 當 MAX = 1 時，VFB[k] = VFB,眶； 當 MIN = 1 時，VFB[k] = Vfl ; 當 MAX = MIN = 0 時，如果 Count〈2,則 VFB[k] = VFB[k-l]+l ;如果 Count = 2,則 VFB[k] =VFB[k-l];如果 Count>2,則 VFB[k] = VFB[k-l]-l ; 其中，k表示周期數，VFB[k]是本開關周期輸出電壓的反饋數字量，VFB[k-l]是前一開 關周期輸出電壓的反饋數字量，VFB,max是設定的輸出電壓的反饋量上限值，VFB, min是設定的 輸出電壓的反饋量下限值； (6) 根據本開關周期的VFB，通過數字PI單元和數字PWM得到反激變換器中開關管Q1 的控制信號，以控制開關管Q1的導通和關斷。
2. 根據權利要求1所述基于原邊反饋的反激變換器的輸出電壓采樣方法的采樣系統， 其特征在于，包括電壓采樣模塊、數字PI模塊和數字PWM模塊，電壓采樣模塊采樣本開關周 期輔助繞組上的電壓信息V AUX后，得到本開關周期的輸出電壓反饋數字量VFB輸出至數字PI 單元，數字PI單元根據輸出電壓反饋量產生占空比信號d輸出至數字PWM單元，數字PWM 根據占空比信號d產生開關管控制信號Ve輸出至反激變換器中開關管Q1的柵極，從而控 制開關管Q1的工作狀態；其中： 電壓采樣模塊包括上限邊界比較器C0MP_max、下限邊界比較器C0MP_min和反饋比較 器C0MP_aux、波形分析模塊、數模轉換器DAC和輸出電壓反饋量計算模塊，上限邊界比較器 C0MP_max的正端與下限邊界比較器C0MP_min的負端及反饋比較器C0MP_aux的正端互連并 連接輔助繞組電壓V AUX，上限邊界比較器的負端連接上限電平Vfb,max，上限邊界比較器C0MP_ max輸出上限邊界信號MAX連接輸出電壓反饋量計算模塊的一個輸入端；下限邊界比較器 C0MP_min的正端連接下限電平，下限邊界比較器C0MP_min輸出下限邊界信號MIN連 接輸出電壓反饋量計算模塊的另一個輸入端，反饋比較器COMP_aux輸出反饋信號AUX連接 波形分析模塊輸入端，波形分析模塊分別輸出電壓下降信號GAP及AUX第二次高電平持續 時間Count分別連接數模轉換器DAC及輸出電壓反饋量計算模塊，輸出電壓反饋量計算模 塊的輸出連接數模轉換器DAC，數模轉換器DAC輸出反饋電壓或V fb-A V連接反饋比較 器C0MP_aux的負端； 波形分析模塊根據反饋比較信號AUX，在開關管控制信號Ve翻轉為零之后，在AUX第一 次下降之后的一段時間tgap之后產生電壓下降信號GAP，并通過計數器計數得到AUX第二次 高電平持續時間Count，電壓下降信號GAP輸入到數模轉換器DAC，AUX第二次的高電平持 續時間Count輸入到輸出電壓反饋量計算模塊； 輸出電壓反饋量計算模塊根據反饋電壓上限邊界信號MAX、下限邊界信號MIN、反饋比 較和AUX高電平第二次持續時間Count，求得反激變換器本開關周期輸出電壓的反饋數字 量 VFB ; 數模轉換器DAC將輸出電壓產生模塊的輸出數字量轉化成輸出電壓的模擬量Vfb，并在 接收到GAP信號之后將輸出電壓模擬量降低Λ V得到Vfb_ Λ V，用于反饋比較器C0MP_aux的 輸入。
【文檔編號】H02M3/335GK104092384SQ201410367528
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】孫偉鋒, 袁冬冬, 張曉明, 王沖, 徐申, 陸生禮, 時龍興 申請人:東南大學