一种原边控制交流-直流变换器输出电流电压特性曲线的装置的制作方法

1.本发明涉及开关电源控制技术领域，特别涉及一种原边控制交流-直流变换器输出电流电压特性曲线的装置。


背景技术：

2.通常情况下，在普通的电池充电器和适配器中，为了保证在低输出电压下，保持一个恒定的输出电流，其输出电流-电压的特性曲线是垂直翻转设计的，参见图 1 所示。 这种垂直翻转的输出电流-电压特性曲线的特点是在不同的输出电压时具有相同的输出电流，我们常说的恒流（cc，constant current）。现有技术中实现恒流输出的控制方法包括副边控制和原边控制。由于原边控制相比于副边控制具有很高的性价比，因此大部分采用原边控制。
3.参见图2，是现有技术中原边控制的变换器电路图，其中单元20是控制器的内部结构图。电压检测单元21包括变压器和分压电阻，用于检测副边的输出电压，副边的输出电压由辅助绕组间接得到，检测的输出电压反馈到控制器20的 fb 端。 如图所示，检测的输出电压经过恒压控制单元 23产生控制原边开关管的控制信号给驱动控制单元22，驱动信号由out端输出。而恒流控制单元24通过占空比控制和电流峰值控制实现。
4.但是，有些负载（比如电动工具，剃须刀等）在低输出电压时仍需要一个大电流工作，并且输出电压越低输出电流越大。 如图 3 所示，在低输出电压下实现大电流输出的输出电流电压特性曲线图，这部分电流跟恒流相比被拉斜了，即被称为sc，slant current。
5.目前实现图 3 所示的拉斜输出电流电压特性曲线大部分采用副边控制技术，如图4所示，是现有技术中副边控制的变换器电路图。其中单元40是控制器的内部结构图。恒压单元 41 包括输出分压电阻，稳压用的tl431 45和原副边信号传递的光耦46，用于检测和恒定副边的输出电压，输出电压信息反馈到控制器 40 的 fb 端。然后经过频率控制单元 43产生原边开关管的控制信号给驱动控制单元42，驱动信号由out端输出。
6.目前副边控制技术实现拉斜输出电流主要是通过恒功率输出控制的。原理分析如下：变换器的输出功率与开关频率和原边峰值电流关系如公式（1）所示：po=vo*io=1/2*l
p
*i
2pk
*f
sw
*η
ꢀꢀꢀ
（1）在副边控制技术cv段的重载部分，一般都是工作在恒频模式下，随着输出电流的增加，i
pk
会增加。控制器一般会设定一个最大i
pk
，当i
pk 到达最大时，而系统频率f
sw
是恒定的，系统到达最大功率点。此时再增加输出电流，输出电压就会开始下降，也就实现了随着输出电压的减小，输出电流增加的特性曲线。
7.然而这种控制模式下，不同线电压到达最大i
pk
的输出电流负载点是不同的，因此不同线电压下，拉斜起始点差异比较大，整个拉斜部分的电流变化比较大，精度差。如图5所示，cp_ⅰ是低线电压的拉斜曲线，cp_ⅱ是高线电压的拉斜曲线，两者拉斜起始点不同，拉斜
部分电流范围变大。并且拉斜的斜率受恒功率的控制，不便于调整。
8.另外，与原边控制技术相比，需要增加光耦和tl431等器件，这会增加系统器件数目，从而大大增加成本。


技术实现要素：

9.本发明要提供一种原边控制交流-直流变换器输出电流电压特性曲线的装置，能够在传统的原边控制变换器上改变内部结构就可以实现低输出电压大电流的特性曲线。
10.本发明提供了一种原边控制交流-直流变换器输出电流电压特性曲线的装置，包括：驱动控制单元、输出电压控制单元和输出电流控制单元。
11.所述驱动控制单元，用于产生驱动信号控制功率开关管；所述输出电压控制单元，用于处理输出电压反馈信号，产生输出电压控制信号；所述输出电流控制单元，用于产生一个与输出电压有关的信号，该信号调节占空比或原边峰值电流，实现输出电流电压特性曲线。
12.所述输出电流控制单元包括拉斜控制单元、电流峰值控制单元和占空比控制单元；所述拉斜控制单元，用于产生一个与输出电压有关的信号，该信号调节占空比控制单元或电流峰值控制单元，也可以两个单元同时调节；所述电流峰值控制单元，用于对原边电流峰值检测端进行检测，通过拉斜控制单元输出的与输出电压有关信号的调节，来控制原边主功率回路的峰值电流，实现拉斜输出电流电压的特性曲线；所述占空比控制单元，用于对占空比的检测，通过拉斜控制单元输出的与输出电压有关信号的调节，实现拉斜输出电流电压的特性曲线。
13.优选地，所述拉斜控制单元包括第一压控电流源；第一压控电流源输入端耦合至输出电压反馈端，输出端耦合至负载接地，作为拉斜控制单元的输出端，耦合至占空比控制单元和电流峰值控制单元。
14.优选地，所述电流峰值控制单元包括第一比较器；第一比较器的第一输入端耦合至参考准位，第二输入端耦合至原边电流峰值检测端，输出端作为电流峰值控制单元的输出端，耦合至驱动控制单元。
15.优选地，所述占空比控制单元包括第一电流源，第二电流源，第一开关，第二开关，电容，第二比较器；第一电流源输出端耦合至第一开关第一端口，第一开关的第二端口耦合至电容的第一端口，电容的第二端口耦合至地；第二电流源输出端耦合至第二开关第一端口，第二开关的第二端口耦合至电容的第一端口； 第二比较器的第一输入端接电容的第一端口，第二输入端接耦合接电压准位；第二比较器的输出端耦合至驱动控制单元。
16.优选地，所述拉斜控制单元包括第一压控电流源；第一压控电流源输入端可以耦合至辅助绕组的电阻分压，也可以耦合至反映输出电压的辅助绕组的整流端，输出端耦合至负载接地，作为拉斜控制单元的输出端，耦合至占空比控制单元和电流峰值控制单元。
17.优选地，所述拉斜控制单元包括第一压控电流源；
第一压控电流源输入端耦合至输出电压反馈端，输出端耦合至负载接地，该负载可以是电阻也可以是电容或者其他器件接地；该负载不仅限于芯片内部，也可以通过芯片管脚外接，作为拉斜控制单元的输出端，耦合至占空比控制单元和电流峰值控制单元。
18.优选地，所述电流峰值控制单元包括第一比较器；第一比较器的第一输入端耦合至参考准位，第二输入端耦合至原边电流峰值检测端，输出端作为电流峰值控制单元的输出端，耦合至驱动控制单元；拉斜控制单元的输出端可以耦合叠加至第一输入端或第二输入端，也可以两个端口都耦合叠加。
19.优选地，所述占空比控制单元包括第一电流源，第二电流源，第一开关，第二开关，电容，第二比较器；第一电流源输出端耦合至第一开关第一端口，第一开关的第二端口耦合至电容的第一端口，电容的第二端口耦合至地；第二电流源输出端耦合至第二开关第一端口，第二开关的第二端口耦合至电容的第一端口； 第二比较器的第一输入端耦合至电容的第一端口，第二输入端耦合至预设电压准位；第二比较器的输出端耦合至驱动控制单元；电流源可以是恒流源，也可以是输入端耦合至拉斜控制单元输出端的压控电流源。
20.与现有技术相比，本发明具有以下优点 ：本发明是通过控制原边峰值电流大小或占空比来实现拉斜输出电流电压特性曲线，是在现有基础上改变控制器内部来实现特性曲线，不需要对控制器的外部电路进行其他改进，这样简化了电路结构，减少系统器件个数，降低了整个变换器的成本，并且增加了可调性。
附图说明
21.图1是现有技术中变换器输出恒流恒压特性曲线图。
22.图2是现有技术中采用原边控制的变换器电路图。
23.图3是本发明要实现的输出电流电压特性曲线。
24.图4是现有技术中实现图3特性曲线采用副边控制的变换器电路图。
25.图5是现有技术中采用副边控制的变换器实现的输出电流电压特性曲线。
26.图6是本发明提供的一实施例电路图。
27.图7是本发明提供的又一实施例电路图。
28.图8是图6和图7的输出电流控制单元的结构图。
29.图9是图8的拉斜控制单元的一实施例结构图。
30.图10是图8的电流峰值控制单元的一实施例结构图。
31.图11是图8的电流峰值控制单元的又一实施例结构图。
32.图12是图8的占空比控制单元的结构图。
33.图13是图12电容c1的充放电波形图。
34.图14是图8的占空比控制单元的一实施例结构图。
35.图15是图8的占空比控制单元的又一实施例结构图。
36.图16是本发明实施例的一系统图。
37.图17是本发明要实现的又一输出电流电压特性曲线。
具体实施方式
38.以下详细描述本发明的具体实施例。实施例的示例在附图中给出。应当注意，这里描述的实例只是用来举例说明，并不用于限制本发明。为了便于透彻理解本发明，阐述了实施的细节。然而，对于本领域一般技术人员显而易见的是，不必采用这些细节也可以实施本发明。在实施例的描述中，为了避免混淆本发明，对本领域众所周知的电路，例如原边控制开关电源控制器中典型的输出电压控制单元和驱动单元未作具体描述。
39.在整个说明书中，对“一个实施例
”ꢀ
、“实施例”的提及意味着，结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”不一定都指同一个实施例。此外，可以用任何适当的组合和（或）子组合将特定的特征、结构或者特性组合在一个或者多个实施例中。因此，本领域的一般技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明目的，并且附图不一定是按照比例绘制的。应当指出，当称元件“耦合到”另一元件时，它可以直接耦合到另一元件，也可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦合到”另一元件时，不存在中间元件。相同或类似的附图标记表示相同或类似的元件或具有相同或类似操作的元件。
40.为了使本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明的技术方案，下面介绍本发明的基本原理。
41.在常用的反激式交流-直流变换器的断续和临界模式下，输出电流等于副边的平均电流，可以用公式（2）表示： io=1/2*i
pks
*t
ons
/t
sw
=1/2*n
ps
*i
pk
*t
ons
/t
sw
*η
i
ꢀꢀꢀꢀ
（2）其中n
ps
是原副边的匝比，η
i
是原副边电流转换效率，i
pks
是副边峰值电流，i
pk
是原边峰值电流，t
ons
/t
sw
是副边电流占空比，由上式可推出输出电流由原边峰值电流i
pk
和t
ons
/t
sw
确定，而本发明就是通过控制这两个参数来实现拉斜输出电流电压特性曲线的。在设计时，可以两个参数都调节，也可仅调节其中某一参数来实现目标曲线。
42.本发明提供的一种原边控制交流-直流变换器输出电流电压特性曲线的装置，控制器包括驱动控制单元、输出电压控制单元、输出电流控制单元。其中，所述驱动控制单元，用于产生驱动信号控制功率开关管；所述输出电压控制单元，用于处理输出电压反馈信号，产生输出电压控制信号；所述输出电流控制单元，用于产生一个与输出电压有关的信号，该信号调节占空比和原边峰值电流，实现输出电流电压特性曲线。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
44.如图6所示，是本发明提供的一实施例的电路图。该装置的控制器包含驱动控制单元61、输出电压控制单元62和输出电流控制单元63。
45.副边输出电压信息通过变压器辅助绕组反馈，控制器检测电阻分压获得，该电压传递给输出电流控制单元63，控制和调节原边峰值电流和副边电流占空比t
ons
/t
sw
。
46.本发明还提供了另一种反馈副边输出电压信息的方案，如图７所示，变压器辅助绕组经过二极管整流后的电压也可反映副边输出电压，该电压可以直接从控制器vcc上取得，也可单独用二极管整流获得，然后将该电压传递给输出电流控制单元63进行处理。
47.图8给出了图6和图7实施例中输出电流控制单元的结构图。
48.如图8所示，所述输出电流控制单元包括拉斜控制单元、电流峰值控制单元和占空比控制单元。其中，所述拉斜控制单元，用于产生一个与输出电压有关、同时受负载调制的信号，该信号调节占空比控制单元或电流峰值控制单元，也可以两个单元同时调节；所述电流峰值控制单元，用于对原边电流峰值检测端进行检测，通过拉斜控制单元输出的与输出电压有关信号的调节，来控制原边主功率回路的峰值电流，实现拉斜输出电流电压的特性曲线；所述占空比控制单元，用于对占空比的检测，通过拉斜控制单元输出的与输出电压有关信号的调节，实现拉斜输出电流电压的特性曲线。
49.图9是图8的拉斜控制单元的一实施例结构图。
50.当检测到的输出电压反馈信息（fb或者vcc）低过控制单元内部预设准位时（这个预设准位一般就是恒压准位），通过压控电流源，产生一个与输出电压相关的电流，该电流在负载634上形成电压v
sl
，然后通过v
sl
调节占空比控制单元632和电流峰值控制单元633的占空比和原边峰值电流。这个点就是输出电流电压拉斜的起始点。同时，v
sl
的大小受负载634直接影响，可以通过调节负载634可以调整v
sl
，从而调整拉斜输出电压电流特性曲线的斜率。
51.图10是图8的电流峰值控制单元的一实施例结构图。如图10所示，拉斜控制单元产生的电压v
sl
与电流峰值控制单元内部的一个参考准位v
cs_ref
叠加，作为电流峰值控制的参考准位，输入到比较器的负输入端。当检测到的原边电流峰值cs电压超过该准位时，产生shut down信号给驱动控制单元关断功率开关，从而控制原边峰值电流的大小。该准位受v
sl
控制，因此v
sl
可以调节原边峰值电流，根据输出电流公式（2），v
sl
也就可以调节输出电流大小。
52.另外，如图11所示，电压v
sl
也可以叠加到cs电压上，然后输入至比较器的正输入端，同样可以控制原边峰值电流，调节输出电流。
53.图12是图8的占空比（t
ons
/t
sw
）控制单元的结构图。如图12所示的恒流原理可以结合图13的波形进行说明。
54.电容c1充放电计算如公式（3）和（4）所示：t
ons
=
△
v*c/i
dis ,t
ons_n
=
△
v*c/i
ch
ꢀꢀꢀꢀ
ꢀꢀꢀ
（3）t
ons
/t
sw
=t
ons
/(t
ons
t
ons_n
)=i
ch
/(i
ch
i
dis
)
ꢀꢀ
（4）从公式（4）可知，图11所示的副边电流的占空比t
ons
/t
sw
由i
ch
和i
dis
控制，那么控制这两个电流就可调节t
ons
/t
sw
的大小，也就控制了输出电流。
55.图14是图8的占空比控制单元的一实施例结构图，如图14所示，通过控制压控电流源，产生一个与v
sl
相关的放电电流i
dis
，通过控制v
sl
就可调节副边电流占空比t
ons
/t
sw
。根据输出电流公式（2），输出电流可以通过v
sl
调节。
56.图15是图8的占空比控制单元的一实施例结构图，跟图14类似的原理，放电电流i
ch
受v
sl
控制，副边电流占空比t
ons
/t
sw
和输出电流也受v
sl
控制。
57.综上所述，确定输出电流的两个因素原边峰值电流i
pk
和占空比t
ons
/t
sw
都受v
sl
的影响，而v
sl
与输出电压有关，那么输出电流跟随输出电压变化而变化，从而实现了拉斜的输出电流电压特性曲线。同时v
sl
又受负载634的直接影响，所以通过调节负载634，就可调节输
出电流电压特性曲线的拉斜程度，实现可调性。
58.下面介绍以上所有实施例对应的控制器外部的电路。
59.图16是本发明实施例图6和图7对应的系统结构图。其中，辅助绕组经过二极管d1连接控制器60的vcc端，vcc端通过电容c1接地。该整流滤波网络给控制器提供电源；电阻r
fb1
和r
fb2
连接在辅助绕组两端，公共端接控制器60的fb端，给输出电压控制单元和输出电流控制单元提供输出电压反馈信息；电阻r
cs
作为原边峰值电流检测端连接到控制器60的cs端。r
cs
与控制器内部恒压的准位共同决定拉斜输出电流电压特性曲线的起始点；控制器60的sl端通过电阻r
sl
接地。电阻r
sl
用于设置拉斜输出电流电压特性曲线的斜率，实现斜率可以通过控制器外部进行调节。
60.本实施例提供的装置是改变控制器的内部结构，通过控制原边峰值电流的大小和副边电流占空比来实现拉斜输出电流电压特性曲线的控制，该装置仅需要在现有原边控制技术的控制器外部增加一个电阻，这样简化了结构，降低了整个变换器的成本。并且，可以通过增加的外部电阻对斜率进行调节，增加了可调性。
61.如果控制器内部设置了原边电流峰值和副边占空比的最大值，那么在该实施例中通过系统参数的设定，不仅可以实现拉斜电流电压输出特性曲线；也可以同时实现拉斜电流电压部分和恒流部分两种输出特性曲线，如图17所示。恒流部分将在原边电流峰值和副边占空比都到达控制器内部设定的最大值时出现。
62.虽然已经根据上述典型实施例描述了本发明，但是应该理解，所用的术语是说明和示例性的，而不是限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例并不限于任何前面所述的具体细节，而应当在权利要求所限定的精神和范围内广泛地理解。因此，落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都为权利要求所涵盖。