一种双绕组副边反馈开关电源论文和设计-杨世红

全文摘要

本公开揭示了一种双绕组副边反馈开关电源，包括：原边整流滤波单元、控制单元、自供电单元、副边反馈单元、OVP单元、双绕组变压器和电压信号采集单元。本公开一方面通过副边反馈获得稳压输出，利用过压保护对输出电压进行监测，将输出电压控制在安全范围内；另一方面通过自举供电能有效降低待机功耗。

主设计要求

1.一种双绕组副边反馈开关电源，包括：原边整流滤波单元、控制单元、自供电单元、副边反馈单元、OVP单元、双绕组变压器和电压信号采集单元；其中，所述原边整流滤波单元包括整流桥和C1电容，用于将交流电转化为直流电后输入；所述控制单元包括PWM模块和驱动模块，用于控制自供电单元的充放电过程，并基于接受的反馈信息进行电路的相应调节；所述自供电单元分别与电源Vin及控制单元相连，用于储能和为控制单元供电；所述副边反馈单元设有反馈输出端，一端与自供电单元的储能电容正极板或负极板相连，另一端与PWM模块相连，用于检测副边输出信号的变化并反馈至控制单元；所述OVP单元的一端与电压信号采集单元相连，另一端与所述PWM模块相连，用于检测到输出电压Vout超出预设阈值时，产生OVP信号并输出至PWM模块使电源进入过压保护状态；所述双绕组变压器包括原边电感Lp和副边电感Ls，所述Lp的正极与自供电单元的开关管相连，负极接地；所述电压信号采集单元的一端接地，另一端与原边电感Lp的正极相连接。

设计方案

1.一种双绕组副边反馈开关电源，包括：原边整流滤波单元、控制单元、自供电单元、副边反馈单元、OVP单元、双绕组变压器和电压信号采集单元；其中，

所述原边整流滤波单元包括整流桥和C1电容，用于将交流电转化为直流电后输入；

所述控制单元包括PWM模块和驱动模块，用于控制自供电单元的充放电过程，并基于接受的反馈信息进行电路的相应调节；

所述自供电单元分别与电源Vin及控制单元相连，用于储能和为控制单元供电；

所述副边反馈单元设有反馈输出端，一端与自供电单元的储能电容正极板或负极板相连，另一端与PWM模块相连，用于检测副边输出信号的变化并反馈至控制单元；

所述OVP单元的一端与电压信号采集单元相连，另一端与所述PWM模块相连，用于检测到输出电压V_{out<\/sub>超出预设阈值时，产生OVP信号并输出至PWM模块使电源进入过压保护状态；}

所述双绕组变压器包括原边电感Lp和副边电感Ls，所述Lp的正极与自供电单元的开关管相连，负极接地；

所述电压信号采集单元的一端接地，另一端与原边电感Lp的正极相连接。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述电压信号采集单元包括电阻R_{8<\/sub>、R_{9<\/sub>，所述电阻R_{8<\/sub>、R_{9<\/sub>的公共端与OVP单元相连接。}}}}

3.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述副边反馈单元包括稳压器件、光耦以及反馈辅助器件；

所述光耦包括发光二极管和光敏三极管，所述光敏三极管的集电极和发射极为反馈输出端；其中，

所述光敏三极管的集电极和发射极为反馈输出端；

所述反馈辅助器件包括分压电阻。

4.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述自供电单元包括启动电阻、第一开关管、第二开关管、Vcc充电电容管理模块和Vcc充电电容；其中，

所述Vcc充电电容为自供电单元的储能电容；

所述第一开关管的漏极与电源V_{in<\/sub>相连，源极与第二开关管的漏极相连；}

并且，

第一开关管和第二开关管的公共端通过V_{cc<\/sub>充电电容管理模块与V_{cc<\/sub>充电电容相连；}}

第一开关管和第二开关管的栅极与所述控制单元的驱动模块相连；

当电路正常工作，第一开关管导通，第二开关管关断，形成电源V_{in<\/sub>、第一开关管至Vcc充电电容的充电路径，实现自举供电；}

当第一、二开关管同时关断导致电路供电不足，通过第一开关管导通，实现高压供电。

5.根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述自举供电适用于如下任意一种负载电路：空载、轻载和重载。

6.根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管为电压驱动型。

7.根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述第二开关管的源极连接有采样电阻，所述采样电阻的输入端与控制单元相连，用于原边导通时ILp电流的监测，控制单元通过获得并控制原边电路中ILp的电流峰值。

8.根据权利要求1-7任一所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括欠压保护单元，所述欠压保护单元的输入端与电阻R8、R9的公共端相连，输出端与PWM模块相连，用于在检测到电源Vin低于预设阈值时，产生欠压信号并输出至PWM模块使电源进入欠压保护状态。

9.根据权利要求1-7任一所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括吸收单元，所述吸收单元包括电阻R1、电容C4和二极管D1；其中，电阻R1和电容C4并联后一端经二极管D1与原边电感Lp的正极相连接，另一端与原边电感Lp的负极相连接。

10.根据权利要求1-7任一所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括输出整流滤波单元，用于将交流电转化为半波直流电并进一步滤除交流成分降低纹波后输出；所述整流滤波单元包括二极管和电容。

设计说明书

技术领域

本公开属于电子电路技术领域，具体涉及一种双绕组副边反馈开关电源。

背景技术

开关电源是电子设备及电子电器的供电电源变换设备，随着人们对开关电源的安全性日益重视，隔离式开关电源的应用日益广泛。

传统的隔离式开关电源中多采用光耦隔离反馈来获得稳定的电压输出，如图1所示。系统通过反馈回路所设置的光耦将输出电压V_{out<\/sub>信号反馈给开关电源控制芯片中的PWM模块，再由PWM模块通过控制占空比来调节变压器传递到副边的能量，从而实现副边的恒压输出。其中，开关电源控制芯片执行控制过程所需的电能通过自供电电路提供，该自供电电路由启动电阻R_{1<\/sub>、功率管Q_{1<\/sub>、二极管D_{2<\/sub>和外置充电电容C_{2<\/sub>组成。然而，该技术在实际应用中存在以下问题：1、当反馈回路断开时，如光耦中的发光二极管被击穿发生短路时，原边的开关电源控制芯片无法监测和控制输出电压V_{out<\/sub>，当输出电压过高时便会导致负载被烧毁，甚至发生更严重的安全事故。2、由于考虑到R_{1<\/sub>上损耗的问题，R_{1<\/sub>通常选取MΩ级电阻，Q_{1<\/sub>在给C_{2<\/sub>供电时处在放大区，并没有饱和导通，所以产生的压降很高，甚至高达上百伏，导致供电的损耗较大，难以做到六级能效标准。}}}}}}}}}}

综上，亟待设计一种开关电源系统用以提高系统的安全性、降低待机功耗。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本公开的目的在于提供一种双绕组副边反馈开关电源，通过副边反馈获得稳压输出，利用过压保护对输出电压进行监测，防止输出电压失控导致安全事故发生。

为实现以上目的，本公开对以下技术方案进行详细描述：

一种双绕组副边反馈开关电源，包括：原边整流滤波单元、控制单元、自供电单元、过压保护单元、副边反馈单元、双绕组变压器和电压信号采集单元；其中，

所述原边整流滤波单元包括整流桥和C1电容，用于将交流电转化为直流电后输入；

所述控制单元包括PWM模块和驱动模块，用于控制自供电单元的充放电过程，并基于接受的反馈信息进行电路的相应调节；

所述自供电单元分别与电源Vin及控制单元相连，用于储能和为控制单元供电；

所述OVP单元一端与电压信号采集单元相连，另一端与所述PWM模块相连，用于检测到输出电压V_{out<\/sub>超出预设阈值时，产生OVP信号并输出至PWM模块使电源进入过压保护状态；}

所述双绕组变压器包括原边电感Lp和副边电感Ls，所述Lp的正极与自供电单元的开关管相连，负极接地；

所述电压信号采集单元的一端接地，另一端与原边电感Lp的正极相连接。

优选的，所述电压信号采集单元包括电阻R_{8<\/sub>、R_{9<\/sub>，所述电阻R_{8<\/sub>、R_{9<\/sub>的公共端与过压保护单元相连接。}}}}

优选的，所述副边反馈单元包括稳压器件、光耦以及反馈辅助器件；所述光耦包括发光二极管和光敏三极管，所述光敏三极管集电极和发射极为反馈输出端；其中，所述光敏三极管的集电极接芯片gnd，发射极通过芯片FB引脚与所述PWM模块相连；所述反馈辅助器件包括分压电阻。

优选的，所述自供电单元包括启动电阻、第一开关管、第二开关管、Vcc充电电容管理模块和Vcc充电电容；其中，

所述Vcc充电电容为自供电单元的储能电容；

所述第一开关管的漏极与电源V_{in<\/sub>相连，源极与第二开关管的漏极相连；}

并且，

第一开关管和第二开关管的公共端通过V_{cc<\/sub>充电管理单元与V_{cc<\/sub>充电电容相连；}}

第一开关管和第二开关管的栅极与所述控制单元的驱动模块相连；

当电路正常工作，第一开关管导通，第二开关管关断，形成电源V_{in<\/sub>、第一开关管至Vcc充电电容的充电路径，实现自举供电；}

当第一、二开关管同时关断导致电路供电不足，通过第一开关管导通，实现高压供电。

优选的，所述自举供电适用于如下任意一种负载电路：空载、轻载和重载。

优选的，所述第一开关管和第二开关管为电压驱动型。

优选的，所述第二开关管的源极连接有采样电阻，所述采样电阻的输入端与控制单元相连，用于原边导通时ILp电流的监测，控制单元通过获得并控制原边电路中ILp的电流峰值，实现逐周期过流保护。

优选的，所述开关电源还包括欠压保护单元，所述欠压保护单元的输入端与电阻R8、R9的公共端相连，输出端与PWM模块相连，用于在检测到电源Vin低于预设阈值时，产生欠压信号并输出至PWM模块使电源进入欠压保护状态。

优选的，所述开关电源还包括吸收单元，所述吸收单元包括电阻R1、电容C4和二极管D1；其中，电阻R1和电容C4并联后一端经二极管D1与原边电感Lp的正极相连接，另一端与原边电感Lp的负极相连接。

优选的，所述开关电源还包括输出整流滤波单元，用于将交流电转化为半波直流电并进一步滤除交流成分降低纹波后输出。

优选的，所述整流滤波单元包括二极管和电容。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开设计了一种副边反馈和过压保护共同控制输出电压的开关电源电路，一方面利用副边反馈对输出电压快速响应和调节，获得稳压输出；另一方面利用过压保护对输出电压进行监测，当输出电压超出预设阈值时，启动过压保护，以免在光耦反馈回路发生故障时，输出电压失去控制，导致安全事故的发生；

2、本公开设计了一种浮地结构，便于精确、方便地采集电压数据，有助于实现精确的过压保护管控，且电压采样电路简单，简化了生产工艺、降低了成本；

3、本公开还设计了开关电源通过自举方式实现的自供电电路，自举供电过程中，由于开关管处于饱和导通状态，耗散的功率极小，降低了待机功耗。

附图说明

图1为传统开关电源电路的结构示意图；

图2为本公开提供的一种开关电源电路的结构示意图；

图3为本公开提供的另一种开关电源电路的结构示意图；

图4为电路重载时自举供电波形示意图；

图5为电路空载或轻载时自举供电波形示意图。

图中标记表示为：

1-原边整流滤波单元；2-控制单元；3-Brown out单元；4-电压信号采集单元；5-副边反馈单元(51-光耦；52-反馈辅助器件)；6-吸收单元；7-输出整流滤波单元；8-OVP单元。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图1至附图5，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例提供的技术方案中涉及的开关管可以是MOS、MESFET、JFET等晶体管，可以为增强型或耗尽型，本公开实施例中均以MOS管为例进行阐述；技术方案中涉及的连接可为元器件的直接连接，也可为电性连接。

下面结合说明书附图对本公开各个实施例进行详细描述。需要说明的是，本公开实施例的展示顺序仅代表实施例的先后顺序，并不代表实施例所提供的技术方案的优劣。

如图2所示，一种双绕组副边反馈开关电源电路，包括：原边整流滤波单元1、控制单元2、自供电单元、副边反馈单元5、OVP单元8、双绕组变压器和电压信号采集单元4；其中，

所述原边整流滤波单元包括整流桥和C1电容，用于将交流电转化为直流电Vin后输入；

所述控制单元包括PWM模块和驱动模块，用于控制自供电单元的充放电过程，并基于接受的反馈信息进行电路的相应调节；

所述自供电单元分别与电源Vin及控制单元相连，用于储能和为控制单元供电；

所述双绕组变压器包括原边电感Lp和副边电感Ls，所述Lp的正极与自供电单元的开关管相连，负极接地；

所述电压信号采集单元的一端接地，另一端与原边电感Lp的正极相连接。

上述实施例完整的公开了本公开的技术方案，与现有技术中存在的输出电压因无法被检测和控制输出而导致电压过高烧毁负载的问题相比，本公开一方面通过副边反馈对输出电压进行响应和调节，获得稳压输出；另一方面利用过压保护对输出电压进行检测并进行过压保护，避免因输出电压过高导致安全事故的发生。

进一步的，本公开通过自举方式实现自供电，供电过程中，开关管处于饱和导通状态，克服了现有技术中存在的供电损耗大的问题。

另一个实施例中，所述电压信号采集单元包括电阻R_{8<\/sub>、R_{9<\/sub>，所述电阻R_{8<\/sub>、R_{9<\/sub>的公共端与过压保护单元相连接。}}}}

另一个实施例中，所述副边反馈单元5包括稳压器件、光耦51以及反馈辅助器件52；

所述光耦51包括发光二极管D3和光敏三极管Q1，所述光敏三极管Q1的集电极和发射极为反馈输出端；其中，所述光敏三极管Q1的集电极接芯片地gnd，发射极通过芯片引脚FB与PWM模块相连；

所述反馈辅助器件52包括分压电阻R3～R7。

本实施例中，输出电压Vout通过分压电阻分压后输入到稳压器件与基准电压比较，运放输出的误差电压信号控制流过光耦51的电流，当输出电压Vout偏高时，流过光耦51的电流变大，芯片FB端口的电压变小，PWM模块控制输出占空比变小来降低变压器传递到副边的能量，输出电压Vout开始降低；反之，若输出电压偏Vout低，根据光耦51电流的反馈，由PWM模块控制占空比增加来增大变压器传递到副边的能量，从而提高输出电压Vout。通过该方式不断地调节控制把输出电压稳定在设定值。

另一个实施例中，所述自供电单元包括启动电阻、第一开关管M1、第二开关管M2、Vcc充电电容管理模块和Vcc充电电容；其中，

所述Vcc充电电容为自供电单元的储能电容；

所述第一开关管M1的漏极与电源V_{in<\/sub>相连，源极与第二开关管M2的漏极相连；}

并且，

第一开关管M1和第二开关管M2的公共端通过V_{cc<\/sub>充电电容管理模块与V_{cc<\/sub>充电电容相连；}}

第一开关管M1和第二开关管M2的栅极与所述控制单元的驱动模块相连；

当电路正常工作，第一开关管导通，第二开关管关断，形成电源V_{in<\/sub>、第一开关管至Vcc充电电容的充电路径，实现自举供电；}

当第一、二开关管同时关断导致电路供电不足，通过第一开关管导通，实现高压供电。

本实施例中，开关电源启动时，电源通过启动电阻R1给M1的栅源寄生电容Cgs充电，抬高M1的栅源电压Vgs至其阈值电压Vth使M1导通，形成电源、M1至Vcc充电电容C2的充电路径，为Vcc充电至预设值，控制电路启动。Vcc充电电容管理模块用于保证充电回路的单向导通，并且通过对充电回路进行限流来保护开关管M1，此外，Vcc充电电容管理模块还可设有Vcc电压检测模块，并将检测到的Vcc电压反馈给控制电路。

其次，当开关电源控制电路正常工作后，控制电路首先驱动开关电路中的M1、M2同时导通，延迟一段时间后关断M2，此时M1栅源寄生电容Cgs产生自举，M1维持导通状态，形成电源、M1至充电电容C2的充电路径，为Vcc充电，实现自举供电；由于此时M1在自举状态下，栅压较大，M1处于饱和导通状态，压降极小，因此产生的功耗极小。

Vcc充电完成后，在控制电路作用下M2再次导通，电流由输入电源经M1、M2、变压器原边电感Lp后流入地，即原边处于导通状态，该过程中变压器进行能量的储存；之后M1、M2关断，原边截止，由于磁通量不能突变，变压器副边感应出上正下负的电压，通过副边续流，进行能量的释放。

另外，当M1、M2长期处于关断状态导致Vcc供电不足时，控制电路将M1的栅压抬升至Vcc，同时电源经启动电阻R1为M1栅极充电，使M1导通，进行高压供电。

针对上述实施例中关于电路的自举供电，在这里需要特别强调的是：与现有技术不同，上述实施例适用于具有不同代载能力的电路，包括空载、轻载和重载。

示例性的，当电路重载(负载阻抗较小，负载电流大)时，波形如图4所示。此时Vcc供电采用自举供电方式，原边导通时，先将M1和M2同时导通，然后延迟一段时间关断M2，此时M1管靠Cgs自举导通，再延迟一段时间，再次开通M2，最后在同时将M1和M2关断。

当电路空载(负载呈开路状态)或轻载(负载率一般在30％-50％以下)时，波形如图5所示。此时电路仍采用自举供电，但由于频率较低，一次自举供电产生的电量无法维持芯片整个工作周期所消耗的电量，当芯片工作多个周期后，Vcc电容会持续放电至欠压保护，因此在电路空载或轻载状态下，在M1和M2截止后延迟一段时间开启高压供电，以满足芯片的耗电需求。

另一个实施例中，所述第一开关管M1和第二开关管M2为电压驱动型。

本实施例中，第一开关管M1和第二开关管M2可选用MOS、MESFET、JEFT等晶体管中的至少一种，优选为NMOS。

另一个实施例中，所述第二开关管的源极连接有采样电阻R2，所述采样电阻R2的输入端与控制单元相连，用于原边导通时ILp电流的监测，控制单元通过获得并控制原边电路中ILp的电流峰值，实现逐周期过流保护。

另一个实施例中，所述开关电源电路还包括Brown out单元，所述Brown out单元的输入端与电阻R8、R9的公共端相连，输出端与PWM模块相连，用于在检测到电源Vin低于预设阈值时，产生欠压信号并输出至PWM模块使电源进入欠压保护状态。

本实施例中，在原边导通时，Brown out单元3产生一路电流使R8、R9公共端的电压与原边电感Lp输入端电压相等，由于电流采样R2阻值很小，原边导通时电源Vin与原边电感Lp输入端电压近似相等，加在R8两端的电压约等于电源Vin，则芯片的输出电流I _{prt<\/sub>＝Vin\/R8，通过将I_{prt<\/sub>与基准电流I_{bias<\/sub>比较，当I_{prt<\/sub>＜I_{bias<\/sub>维持一段时间后，触发Brown out保护，产生Brown out信号，即输入欠压保护。}}}}}

另一个实施例中，所述开关电源电路还包括吸收单元6，用于避免开关管截止瞬间过高尖峰脉冲的出现毁坏开关管。所述吸收单元包括电阻R1、电容C4和二极管D1；其中，电阻R1和电容C4并联后一端经二极管D1与原边电感Lp的正极相连接，另一端与原边电感Lp的负极相连接。

另一个实施例中，所述开关电源电路还包括输出整流滤波单元7，用于将交流电转化为半波直流电并进一步滤除交流成分降低纹波后输出；所述整流滤波单元7包括二极管D2和电容C5。

本实施例中，当变压器原边截止时，副边互感电动势使得整流二极管D2导通，电流一方面流入负载，另一方面向电容C5充电储能，以便原边再次导通时向负载释放能量。

需要说明的是，本公开创新性提出将所述开关电源电路中除Vcc充电电容以外的其余部分集成在芯片内部的设计构想。其中，过压保护单元(OVP)8和欠压保护单元(Brownout)3的一端与分别与PWM模块的输入端相连，另一端通过控制芯片中用于电压信号采集的prt引脚与电压信号采集单元相连，控制芯片地gnd引脚与变压器原边电感Lp的输入端相连，构成浮地结构设计。PWM模块通过控制芯片中用于电流信号采集的cs引脚接收原边导通时主电路的电流值，以便根据电流峰值的监测结果启动过流保护。PWM模块通过用于接收输出电压反馈信息的FB引脚接收输出电压的反馈，以便进行恒压输出的调控。

以上仅是本公开的部分实施例，并不用于限制本公开的公开构思，本领域的技术人员可以在不脱离本公开构思的原则下进行一定替换和变形，但均应该落入本公开的保护范围。

设计图

一种双绕组副边反馈开关电源论文和设计

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