隔离式变换器及其控制电路和控制方法与流程

1.本发明涉及电子技术领域，具体但不限于涉及一种隔离式变换器及其控制电路和控制方法。


背景技术：

2.一般pwm型开关电源以固定开关频率工作，这样不仅电路设计及控制相对简单，且emi滤波器比较容易设计。但缺点在于，在开关频点及谐波处噪声干扰较为严重，工作在ccm模式时，开关损耗大，效率低。
3.反激电路中，为了提高电源效率，降低开关损耗，希望mosfet尽可能在vds电压较低的位置开通，即准谐振谷底开通技术。
4.如图1、图2所示，在dcm模式中，当副边去磁结束后，原边电感lm与mos寄生电容coss形成振荡，当vds电压振荡到谷底附近时，开通原边mos，可以有效降低开通时电容coss上的损耗，通常称这种工作模式为准谐振工作模式或谷底导通模式。
5.如图3、图4所示，当开关电源系统副边续流结束后，系统副边以vo为中点衰减震荡。当系统工作在重载时，系统工作在谷底导通模式，此时，系统原边导通时，副边电压vds_sr在震荡峰值，vds_sr电压值从2vo上升到vbus/nps+vo，上升过程电压变化vbus/nps-vo；当系统工作在轻载时，qr谷底衰减震荡，副边电压vds_sr接近vo，vds_sr电压值从vo上升到vbus/nps+vo，上升过程电压变化量为vbus/nps，因此轻载时vds_sr上升过程电压变化大于重载时电压变化，在pd等宽电压输出应用中，vo较高时，变化就更明显。
6.更大的电压变化会在电压vds_sr上产生更大的电压过冲尖峰，导致副边应力在轻载的时候大于重载，系统设计时就需要用更大的同步rc滤波参数，以吸收同步vds尖峰电压，更大的滤波电容也带来了更大损耗，因而间接导致系统效率低，为了避免应力过高，变压器匝比设计也需留出更大的裕量，也给设计带来了局限性。
7.目前对上述问题的主要优化方案是通过加大rc吸收电路、减小原边开通速度来减小副边应力或者选用更大vds的副边功率器件。但加大rc吸收电路则会导致效率降低，单纯减小原边开通速度则会导致满载原边功率器件温度升高和效率降低，选用更大vds的器件则会导致成本的升高。
8.有鉴于此，需要提供一种新的结构或控制方法，以期解决上述至少部分问题。


技术实现要素：

9.针对现有技术中的一个或多个问题，本发明提出了一种隔离式变换器及其控制电路和控制方法，应用于开关电源电路，在电路系统负载降低时减小驱动开通速度，从而减小轻载时副边的应力，对电路效率的影响较小，实现轻载副边应力的优化，同时实现电路系统性能最优效果。
10.实现本发明目的的技术解决方案为：
11.一种隔离式变换器的控制电路，包括：
12.状态信号生成电路，第一端接入隔离式变换器的反馈信号，用于基于隔离式变换器的反馈信号生成状态信号，所述状态信号表示隔离式变换器的负载状态；
13.驱动速度控制电路，第一端接入状态信号生成电路的状态信号，第二端耦接隔离式变换器的原边开关管，用于基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度。
14.可选的，状态信号生成电路包括比较电路，其第一输入端接入隔离式变换器的消磁信号，第二输入端接入参考信号，用于比较消磁信号与参考信号并输出状态信号，所述状态信号为谷底信号。
15.可选的，还包括谷底计数模块，其第一端耦接比较电路的输出端，第二端耦接驱动速度控制电路，用于基于谷底信号对谷底数进行计数。
16.可选的，状态信号生成电路包括电压跟随电路，其第一输入端接入隔离式变换器的输出电压反馈信号，用于基于输出电压反馈信号输出状态信号。
17.可选的，还包括分压电路，其第一端接入隔离式变换器的输出电压反馈信号，第二端耦接电压跟随电路，用于将获取的外部高压信号进行分压处理后供内部控制用。
18.可选的，状态信号生成电路包括比较电路，其第一输入端接入隔离式变换器的原边开关管的电流采样反馈信号，第二输入端接入参考信号，用于比较电流采样反馈信号与参考信号并输出状态信号。
19.可选的，驱动速度控制电路包括：
20.调节电路，第一端接入状态信号，用于基于状态信号输出驱动速度调节信号；
21.若干组驱动电路，第一端耦接内部电压，第二端耦接原边开关管，控制端接入驱动速度调节信号，各驱动电路基于驱动速度调节信号而关断或导通并输出驱动信号。
22.可选的，当状态信号表示轻载状态时，输出减小驱动开通速度的驱动速度调节信号。
23.可选的，驱动速度调节信号控制至少一组驱动电路导通并输出驱动信号。
24.可选的，驱动电路包括串联连接的开关和电流源，开关的控制端耦接调节电路。
25.可选的，不同驱动电路的电流源电流值不同。
26.可选的，驱动电路包括串联连接的开关和电阻，开关的控制端耦接所述控制电路。
27.可选的，不同驱动电路的电阻阻值不同。
28.根据本发明的另一个方面，一种隔离式变换器，隔离式变换器包括原边电路、副边电路和光耦元件，光耦元件的第一端耦接副边电路，第二端耦接原边电路；原边电路包括原边绕组、原边开关管和如权利要求1-13任一所述的控制电路，控制电路的输入端接入隔离式变换器的反馈信号，输出端耦接原边开关管的控制端。
29.根据本发明的另一个方面，一种隔离式变换器的控制方法，包括：
30.获取隔离式变换器的反馈信号；
31.基于隔离式变换器的反馈信号生成状态信号，所述状态信号表示隔离式变换器的负载状态；
32.基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度。
33.可选的，控制原边开关管的驱动开通速度包括调节驱动开通的驱动电流或调节串联电阻的电阻值。
34.可选的，基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度的过程具体包括：
35.基于状态信号生成驱动速度调节信号；
36.基于驱动速度调节信号导通至少一组驱动电路，驱动电路向原边开关管输出驱动信号。
37.可选的，当状态信号表示轻载状态时，生成减小驱动开通速度的驱动速度调节信号。
38.可选的，不同驱动电路中电流源电流值不同或电阻阻值不同。
39.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
40.本发明提出了一种隔离式变换器及其控制电路和控制方法。隔离式变换器中，在负载逐渐降低、谷底数越来越多时，系统频率较低，减小驱动开通的速度对系统效率的影响最小，且在谷底数较少时不减小驱动开通速度，则不影响系统效率。系统轻载时减小驱动开通的速度，能够减小轻载时副边电路的应力，实现轻载时副边应力的优化，实现系统效率及性能最优化，同时方便了副边吸收电路设计和变压器设计。
附图说明
41.附图用来提供对本发明的进一步理解，与说明描述一起用于解释本发明的实施例，并不构成对本发明的限制。在附图中：
42.图1示出了现有技术的准谐振工作模式的电路图。
43.图2示出了现有技术的准谐振工作模式的波形图。
44.图3示出了现有技术的开关电源在重载谷底导通模式下的电流电压曲线图。
45.图4示出了现有技术的开关电源在轻载非谷底导通模式下的电流电压曲线图。
46.图5示出了本发明一实施例的隔离式变换器及其控制电路的示意图。
47.图6示出了本发明一实施例的隔离式变换器的信号波形图。
48.图7示出了本发明另一实施例的隔离式变换器及其控制电路的示意图。
49.图8示出了本发明又一实施例的隔离式变换器及其控制电路的示意图。
50.图9示出了本发明一实施例的驱动速度控制电路的示意图。
51.图10示出了本发明另一实施例的驱动速度控制电路的示意图。
52.图11示出了本发明又一实施例的驱动速度控制电路的示意图。
53.图12示出了本发明再一实施例的驱动速度控制电路的示意图。
54.图13示出了本发明一实施例的隔离式变换器的控制方法流程图。
具体实施方式
55.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
56.该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
57.说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感
或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、信号放大电路、跟随电路等电路或部件的连接。“多个”或“多”表示两个或两个以上。
58.本发明公开了一种隔离式变换器的控制电路，包括状态信号生成电路和驱动速度控制电路。其中，状态信号生成电路的第一端接入隔离式变换器的反馈信号，用于基于隔离式变换器的反馈信号生成状态信号，所述状态信号表示隔离式变换器的负载状态。驱动速度控制电路的第一端接入状态信号生成电路的状态信号，第二端耦接隔离式变换器的原边开关管，用于基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度。
59.在本发明的一具体实施方式中，如图5所示，状态信号生成电路包括比较电路。比较电路的第一输入端通过dem引脚接入隔离式变换器的消磁信号，第二输入端接入参考信号vref，用于比较消磁信号与参考信号vref并输出状态信号，所述状态信号为谷底信号。进一步的，如图5所示，状态信号生成电路还包括谷底计数模块，谷底计数模块的第一端耦接比较电路的输出端，第二端耦接驱动速度控制电路，用于基于谷底信号对谷底数进行计数。具体的，如图5所示，辅助绕组aux经过分压电阻r1、r2耦接控制电路的引脚dem pin，如图6所示的波形图可以看出，控制电路通过引脚dem检测隔离式变换器的消磁信号，当检测到消磁信号时，可进入谷底导通模式工作。检测到谷底信号后，控制电路内的谷底计数模块开始对谷底信号进行计数。随着谷底数的增加，驱动速度控制电路可以调节驱动开通的驱动电流或者增加开通管串联电阻，从而实现驱动速度的调节。随着电路系统负载逐渐降低，谷底数越来越多，此时系统频率较低，减小驱动开通的速度对系统效率的影响较小，同时谷底数较少时不减小驱动开通速度，不影响系统效率。
60.在本发明的另一具体实施方式中，如图7所示，状态信号生成电路包括电压跟随电路，其第一输入端接入隔离式变换器的输出电压反馈信号，用于基于输出电压反馈信号输出状态信号。进一步的，如图7所示，状态信号生成电路还包括分压电路，其第一端接入隔离式变换器的输出电压反馈信号，第二端耦接电压跟随电路，用于将获取的外部高压信号(即输出电压反馈信号)进行分压处理后提供给内部(即电压跟随电路)控制使用。具体的，如图7所示，光耦反馈系统中随着负载的增大，反馈电压fb也随之增大，当系统工作在轻载时，反馈电压fb通常比较低，通过检测fb信号，可以判断隔离式变换器是否工作在轻载模式，当检测到fb电压比较低时，即隔离式变换器为轻载，驱动速度控制电路调节驱动开通速度，可以减小轻载时副边的应力。
61.在本发明的又一具体实施方式中，如图8所示，状态信号生成电路包括比较电路，其第一输入端接入隔离式变换器的原边开关管的电流采样反馈信号，第二输入端接入参考信号vref，用于比较电流采样反馈信号与参考信号vref并输出状态信号。具体的，如图8所示，反激系统中通过串联电阻rcs电压采样流过主控功率管q1的电流，随着副边负载的增大，rcs电压也随之增大。而当系统工作在轻载时，rcs电压通常比较低，通过检测rcs信号，可以判断隔离式变换器是否工作在轻载模式，当检测到rcs电压比较低时，即隔离式变换器为轻载，驱动速度控制电路调节驱动开通速度，实现减小轻载时副边的应力。
62.在本发明的一实施例中，驱动速度控制电路包括调节电路和若干组驱动电路。其中,调节电路的第一端接入状态信号，用于基于状态信号输出驱动速度调节信号。在一个具体的实施方式中，当状态信号表示轻载状态时，调节电路输出减小驱动开通速度的驱动速
度调节信号。驱动电路的第一端均耦接内部电压，第二端均耦接原边开关管，控制端均接入驱动速度调节信号，各驱动电路基于驱动速度调节信号而关断或导通并输出驱动信号。其中，驱动速度调节信号控制至少一组驱动电路导通并输出驱动信号。在一个具体的实施方式中，如图9所示，驱动电路包括可调的电流源，调节电路输出驱动速度调节信号调节电流源的电流。在另一个具体的实施方式中，如图11所示，驱动电路包括两组分别串联连接的开关和电流源，开关的控制端耦接调节电路，调节电路输出驱动速度调节信号导通其中一组驱动电路并输出驱动信号。具体的，两组驱动电路的电流源电流值不同。在又一个具体的实施方式中，如图10所示，驱动电路包括可调的电阻，调节电路输出驱动速度调节信号调节电阻的阻值。在再一个具体的实施方式中，如图12所示，驱动电路包括两组分别串联连接的开关和电阻，开关的控制端耦接控制电路，调节电路输出驱动速度调节信号导通其中一组驱动电路并输出驱动信号。具体的，不同驱动电路的电阻阻值不同。
63.本发明公开了一种隔离式变换器，所述隔离式变换器包括原边电路、副边电路和光耦元件。原边电路接收输入电压，原边电路包括原边绕组、原边开关管q1和控制电路。副边电路包括副边绕组。副边绕组和原边绕组耦合组成变压器。光耦元件的第一端耦接副边电路，第二端耦接原边电路。控制电路根据隔离式变换器的反馈信号获知隔离式变换器的工作状态，进而在轻载时调节原边开关管的驱动开通速度。
64.在本发明一个实施例中，如图5所示，控制电路的dem引脚通过分压电阻r1、r2耦接辅助绕组aux，通过变压器原理，副边电路的消磁信号传送到辅助绕组aux上，再通过分压电阻r1、r2传输至控制电路。控制电路的gate引脚耦接原边开关管的控制端。控制电路通过dem检测消磁信号，当检测到消磁信号时进入谷底导通模式工作。随着负载逐渐降低，谷底数越来越多，此时系统频率较低，减小驱动开通的速度对系统效率的影响较小，同时谷底数较少时不减小驱动开通速度，则不影响系统效率。
65.在本发明另一个实施例中，如图7所示，控制电路的fb引脚耦接光耦元件的第二端(即受光器)，光耦元件的第一端(即发光器)耦接副边电路，通过光耦元件，隔离式变换器的输出电压反馈信号传输至控制电路。控制电路的gate引脚耦接原边开关管的控制端。随着负载的增大，fb的电压随之增大，在系统工作在轻载时，fb电压也较低。控制电路通过检测fb信号，判断系统是否工作在轻载模式。当检测到fb电压较低时，控制电路调节驱动开通速度，从而减小轻载时副边的应力。
66.在本发明又一实施例中，如图8所示，控制电路的cs引脚耦接采样电阻rcs，通过与原边开关管q1串联的采样电阻rcs采样流过原边开关管q1的电流。控制电路的gate引脚耦接原边开关管的控制端。随着负载的增大，采样电阻rcs的电压随之增大，在系统工作在轻载时，采样电阻rcs的电压也较低。控制电路通过检测rcs信号，判断系统是否工作在轻载模式。当检测到rcs电压较低时，控制电路调节驱动开通速度，从而减小轻载时副边的应力。
67.本发明又一实施例公开了一种隔离式变换器的控制方法，如图13所示，包括：
68.步骤s1、获取隔离式变换器的反馈信号；
69.步骤s2、基于隔离式变换器的反馈信号生成状态信号，所述状态信号表示隔离式变换器的负载状态；
70.步骤s3、基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度。
71.具体的，控制原边开关管的驱动开通速度包括调节驱动开通的驱动电流或调节串
联电阻的电阻值。
72.在一个具体的实施方式中，基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度的过程具体包括：
73.步骤s31、基于状态信号生成驱动速度调节信号；
74.步骤s32、基于驱动速度调节信号导通至少一组驱动电路，驱动电路向原边开关管输出驱动信号。
75.具体的，步骤s31中，当状态信号表示轻载状态时，生成减小驱动开通速度的驱动速度调节信号。
76.具体的，步骤s32中，不同驱动电路中电流源电流值不同或电阻阻值不同。
77.本领域技术人员应当知道，说明书或附图所涉逻辑控制中的“高电平”与“低电平”、“置位”与“复位”、“与门”与“或门”、“同相输入端”与“反相输入端”等逻辑控制可相互调换或改变，通过调节后续逻辑控制而实现与上述实施例相同的功能或目的。
78.这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对发明范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

技术特征：
1.一种隔离式变换器的控制电路，其特征在于，包括：状态信号生成电路，第一端接入隔离式变换器的反馈信号，用于基于隔离式变换器的反馈信号生成状态信号，所述状态信号表示隔离式变换器的负载状态；驱动速度控制电路，第一端接入状态信号生成电路的状态信号，第二端耦接隔离式变换器的原边开关管，用于基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度。2.根据权利要求1所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，状态信号生成电路包括比较电路，其第一输入端接入隔离式变换器的消磁信号，第二输入端接入参考信号，用于比较消磁信号与参考信号并输出状态信号，所述状态信号为谷底信号。3.根据权利要求2所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，还包括谷底计数模块，其第一端耦接比较电路的输出端，第二端耦接驱动速度控制电路，用于基于谷底信号对谷底数进行计数。4.根据权利要求1所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，状态信号生成电路包括电压跟随电路，其第一输入端接入隔离式变换器的输出电压反馈信号，用于基于输出电压反馈信号输出状态信号。5.根据权利要求4所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，还包括分压电路，其第一端接入隔离式变换器的输出电压反馈信号，第二端耦接电压跟随电路，用于将获取的外部高压信号进行分压处理。6.根据权利要求1所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，状态信号生成电路包括比较电路，其第一输入端接入隔离式变换器的原边开关管的电流采样反馈信号，第二输入端接入参考信号，用于比较电流采样反馈信号与参考信号并输出状态信号。7.根据权利要求1所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，驱动速度控制电路包括：调节电路，第一端接入状态信号，用于基于状态信号输出驱动速度调节信号；若干组驱动电路，第一端耦接内部电压，第二端耦接原边开关管，控制端接入驱动速度调节信号，各驱动电路基于驱动速度调节信号而关断或导通并输出驱动信号。8.根据权利要求7所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，当状态信号表示轻载状态时，输出减小驱动开通速度的驱动速度调节信号。9.根据权利要求7或8所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，驱动速度调节信号控制至少一组驱动电路导通并输出驱动信号。10.根据权利要求7-9任一所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，驱动电路包括串联连接的开关和电流源，开关的控制端耦接调节电路。11.根据权利要求10所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，不同驱动电路的电流源电流值不同。12.根据权利要求7-9任一所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，驱动电路包括串联连接的开关和电阻，开关的控制端耦接所述控制电路。13.根据权利要求12所述的隔离式变换器的控制电路，其特征在于，不同驱动电路的电阻阻值不同。14.一种隔离式变换器，其特征在于，隔离式变换器包括原边电路、副边电路和光耦元件，光耦元件的第一端耦接副边电路，第二端耦接原边电路；原边电路包括原边绕组、原边
开关管和如权利要求1-13任一所述的控制电路，控制电路的输入端接入隔离式变换器的反馈信号，输出端耦接原边开关管的控制端。15.一种隔离式变换器的控制方法，其特征在于，包括：获取隔离式变换器的反馈信号；基于隔离式变换器的反馈信号生成状态信号，所述状态信号表示隔离式变换器的负载状态；基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度。16.根据权利要求15所述的隔离式变换器的控制方法，其特征在于，控制原边开关管的驱动开通速度包括调节驱动开通的驱动电流或调节串联电阻的电阻值。17.根据权利要求15或16所述的隔离式变换器的控制方法，其特征在于，基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度的过程具体包括：基于状态信号生成驱动速度调节信号；基于驱动速度调节信号导通至少一组驱动电路，驱动电路向原边开关管输出驱动信号。18.根据权利要求17所述的隔离式变换器的控制方法，其特征在于，当状态信号表示轻载状态时，生成减小驱动开通速度的驱动速度调节信号。19.根据权利要求17所述的隔离式变换器的控制方法，其特征在于，不同驱动电路中电流源电流值不同或电阻阻值不同。

技术总结
本发明提供了一种隔离式变换器及其控制电路和控制方法，其中，控制电路包括：状态信号生成电路，第一端接入隔离式变换器的反馈信号，用于基于隔离式变换器的反馈信号生成状态信号，所述状态信号表示隔离式变换器的负载状态；驱动速度控制电路，第一端接入状态信号生成电路的状态信号，第二端耦接隔离式变换器的原边开关管，用于基于状态信号控制原边开关管的驱动开通速度。本发明可应用到开关电源设备，实现轻载时驱动开通速度的调节，减小轻载时隔离式变换器副边的应力，且不影响系统效率，实现效率最优化，保证隔离式变换器的稳定性和可靠性。性和可靠性。性和可靠性。


技术研发人员：赵卫 俞秀峰 张波
受保护的技术使用者：深圳市必易微电子股份有限公司
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/7/18