开关电源和充电器的制作方法

1.本技术涉及电子技术领域，具体涉及一种开关电源和充电器。


背景技术：

2.目前来看，电子设备（如手机）都能够使用usb充电器为其充电，开关电源作为充电器的重要组成部分，其在实际中通常运用最大频率钳位来限制开关电源的工作频率范围。但当开关电源的工作频率处于最大钳位频率附近时，开关电源通常会在两个甚至多个谷底之间跳跃，这会导致开关电源的工作频率剧烈波动，影响环路稳定性和产生可听噪声。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了一种开关电源和充电器，其不仅限制了开关电源的最大工作频率，而且实现了开关电源的谷底数锁定，进而提升了开关电源的工作稳定性。
4.第一方面，本技术实施例提供一种所述开关电源，所述开关电源包括：控制电路、变压器、第一开关管、第一二极管、反馈电路，所述控制电路包括：谷底检测电路、谷底判断电路、osc电路、pwm电路，其中，所述谷底检测电路连接所述谷底判断电路、所述pwm电路和所述控制电路的第一引脚，所述谷底判断电路连接所述osc电路和所述pwm电路，所述pwm电路连接所述控制电路的第二引脚、第三引脚和第四引脚，所述osc电路连接所述控制电路的第四引脚；其中，所述变压器包括辅助绕组、初级绕组和次级绕组，所述辅助绕组的一端连接所述第一引脚和另一端接地；所述初级绕组的一端接入外部电源且另一端连接所述第一开关管的第一端；所述次级绕组的一端连接所述第一二极管的阳极和另一端接地；所述第一二极管的阴极接入负载；所述pwm电路通过所述第二引脚连接所述第一开关管的第二端，所述pwm电路通过所述第三引脚连接所述第一开关管的第三端和采样电阻的一端以及采样电阻的另一端接地；所述反馈电路通过光耦实现初次级的隔离，所述初级光耦的一端连接所述控制电路的第四引脚以及另一端接地。
5.第二方面，本技术实施例提供一种充电器，所述充电器包括如第一方面所描述的开关电源。
6.实施本技术实施例，具备如下有益效果：可以看出，本技术实施例中所描述的开关电源和充电器，其中，开关电源包括：控制电路、变压器、第一开关管、第一二极管、反馈电路，控制电路包括：谷底检测电路、谷底判断电路、osc电路、pwm电路，其中，谷底检测电路连接谷底判断电路、pwm电路和控制电路的第一引脚，谷底判断电路连接osc电路和pwm电路，pwm电路连接控制电路的第二引脚和第三引脚；其中，变压器包括辅助绕组、初级绕组和次级绕组，辅助绕组的一端连接第一引脚和另一端接地；初级绕组的一端接入外部电源且另一端连接第一开关管的第一端；次级绕组
的一端连接第一二极管的阳极和另一端接地；第一二极管的阴极接入负载；pwm电路通过第二引脚连接第一开关管的第二端，pwm电路通过第三引脚连接第一开关管的第三端和通过采样电阻接地，本技术实施例不仅限制了开关电源的最大工作频率，而且实现了开关电源的谷底数锁定，提升了开关电源的工作稳定性。
附图说明
7.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
8.图1是本技术实施例提供的一种开关电源的结构示意图；图2是本技术实施例提供的另一种开关电源的结构示意图；图3是本技术实施例提供的一种开关管的结构示意图；图4是本技术实施例提供的一种谷底判断电路的结构示意图；图5是本技术实施例提供的一种工作时的波形示意图。
具体实施方式
9.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
10.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
11.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
12.下面对本技术实施例进行详细介绍。
13.相关技术中，工作在谐振模式（quasi-resonant，qr）下的开关电源的工作频率与负载成反比，请查阅图1，图1为相关技术中的一种开关电源，该开关电源包括控制电路，该控制电路包括谷底检测电路、振荡器（oscillator，osc）和脉冲宽度调制电路（pulse width modulation，pwm）。谷底检测电路可以用以实现开关电源谷底导通，osc则可以用以根据fb引脚电压限制开关电源的最大工作频率，pwm电路用以产生驱动开关管的pwm脉冲。
14.其中，振荡器也可以称之为osc电路，脉冲宽度调制电路也可以称之为pwm电路。
15.具体实现中，单独使用上述这种方法，当工作频率处于最大钳位频率附近时，开关电源通常会在两个甚至多个谷底之间跳跃，这会导致开关电源的工作频率剧烈波动，影响
环路稳定性和产生可听噪声。
16.为了解决上述缺陷，请参阅图2，图2是本技术实施例提供的一种开关电源的结构示意图，如图所示，本技术实施例中，所述开关电源包括：控制电路、变压器、第一开关管q1、第一二极管d1、反馈电路，所述控制电路包括：谷底检测电路、谷底判断电路、osc电路、pwm电路，其中，所述谷底检测电路连接所述谷底判断电路、所述pwm电路和所述控制电路的第一引脚vs，所述谷底判断电路连接所述osc电路和所述pwm电路，所述pwm电路连接所述控制电路的第二引脚vg、第三引脚cs和第四引脚fb，所述osc电路连接所述控制电路的第四引脚fb；其中，所述变压器包括辅助绕组、初级绕组和次级绕组，所述辅助绕组的一端连接所述第一引脚和另一端接地；所述初级绕组的一端接入外部电源且另一端连接所述第一开关管q1的第一端；所述次级绕组的一端连接所述第一二极管d1的阳极和另一端接地；所述第一二极管d1的阴极接入负载，即通过v
out
连接负载；所述pwm电路通过所述第二引脚vg连接所述第一开关管q1的第二端，所述pwm电路通过所述第三引脚cs连接所述第一开关管q1的第三端和采样电阻r
sense
的一端以及采样电阻r
sense
的另一端接地。
17.所述反馈电路通过光耦实现初次级的隔离，所述初级光耦opto的一端连接所述控制电路的第四引脚fb以及另一端接地，反馈电路通过初级光耦opto将负载反馈信号即第四引脚fb电压传入所述osc电路和所述pwm电路，所述osc电路根据第四引脚fb电压产生相应的频率信号，所述pwm电路根据第四引脚fb电压得到第三引脚cs对应的反馈电压。
18.其中，反馈电路还包括次级光耦opto，该次级光耦opto的一端通过第一电阻r1连接第一二极管d1的阴极，次级光耦opto的另一端通过精密基准源tl431接地，该反馈电路通过精密基准源tl431、第三电阻r3和第四电阻r4实现稳压功能，第三电阻r3一端连接第四电阻r4且另一端接地，第四电阻r4的另一端连接第一二极管d1的阴极，另外，第二电阻r2并联连接在次级光耦opto的两端，次级光耦opto的一端通过补偿组件且通过第三电阻r3接地，补偿组件包括串行连接的一个电阻r
comp
和一个电容c
comp
。反馈电路通过光耦实现初级和次级的反馈功能。
19.其中，第一引脚vg用于驱动第一开关管q1，第二引脚vs用于检测辅助绕组的电压变化，第三引脚cs用于检测流经第一开关管q1的电流，第四引脚fb用于检测反馈电路的初级光耦的电压。
20.具体实现中，osc电路的输入电压越高即第四引脚fb电压越高，则频率越快。
21.具体实现中，辅助绕组的同名端连接第一引脚vs，辅助绕组的异名端接地；初级绕组的同名端连接第一开关管q1的第一端，初级绕组的异名端连接外部电源；次级绕组的同名端连接第一二极管的阳极，次级绕组的异名端接地。
22.可选的，所述第一开关管包括一个nmos管和一个寄生二极管组成，或者，所述第一开关管包括一个nmos管。
23.具体实现中，如图3所示，第一开关管q1可以包括nmos管和一个寄生二极管组成，第一开关管q1的第一端和第三端之间连接一个寄生二极管。第一开关管q1的第一端为漏极、第二端为栅极和第三端为源极。寄生二极管的正级连接第一开关管q1的第三端，寄生二极管的负极连接第一开关管q1的第一端。
24.当然，第一开关管q1也可以仅由一个nmos管构成，该nmos管的第一端为漏极、第二
端为栅极和第三端为源极。
25.可选的，所述外部电源通过第一电容接地，所述第一二极管通过第二电容接地。
26.其中，外部电源v
in
通过第一电容c
in
接地，第一二极管d1的阴极通过第二电容co接地。
27.可选的，所述谷底检测电路用于检测所述开关电源工作过程中的谷底，并产生谷底信号，以及将所述谷底信号传递给所述谷底判断电路和所述pwm电路；所述osc电路，用于在每次开关管开通后根据第四引脚fb的电压产生第一频率信号和第二频率信号，将所述第一频率信号和所述第二频率信号传递给所述谷底判断电路；所述谷底判断电路，用于根据所述第一频率信号、所述第二频率信号和所述谷底信号产生使能信号，将所述使能信号传递给所述pwm电路；所述pwm电路，用于根据所述使能信号、所述谷底信号、所述第三引脚cs电压和所述第四引脚fb电压产生驱动开关管的pwm脉冲，所述pwm脉冲用于控制所述第一功率管来产生输出电压。
28.具体实现中，谷底检测电路可以用于检测开关电源工作过程中的谷底并产生一谷底信号valley，然后将产生的谷底信号传递给pwm电路和谷底判断电路。
29.另外，osc电路，则可以用以在每次开关管开通后根据第四引脚fb电压产生两个钳位频率信号：第一频率信号osc1和第二频率信号osc2，并再将钳位频率信号osc1和osc2传递给谷底判断电路；两个钳位频率信号osc1和osc2则可以用于根据负载反馈信息即第四引脚fb电压来限制开关电源的最大工作频率。
30.其中，谷底判断电路，可以用以产生使能信号en，并将使能en信号传递给pwm电路。该谷底判断电路可以将两个钳位频率信号osc1和osc2与开关电源工作过程中的谷底数结合起来输出使能en信号，使能en信号用以使能pwm电路，使其在谷底到来时能输出高电平脉冲，使能en信号限制了开关电源的最大工作频率。
31.具体实现中，pwm电路用以产生驱动开关管的pwm脉冲，该pwm脉冲用以控制一主功率管即第一开关管q1来产生输出电压。当pwm电路接收到的谷底判断电路的使能信号en为高时，pwm电路会在谷底信号来到时立刻输出高电平脉冲。
32.可选的，所述pwm电路，用于在所述使能信号为高时，在所述谷底信号来到时立刻输出高电平脉冲；具体实现中，当pwm电路接收到的谷底判断电路的使能信号en为高时，pwm电路会在谷底信号来到时立刻输出高电平脉冲。
33.可选的，所述pwm电路，用于在采样到所述第三引脚的电压达到所述第四引脚对应的反馈电压时，立刻输出低电平脉冲。
34.具体实现中，当pwm电路采样到第三引脚cs的电压达到第四引脚fb对应的反馈电压时，pwm电路会立刻输出低电平脉冲。
35.可选的，所述谷底判断电路包括：计数器、数据寄存器、比较器、与门电路和或门电路；所述计数器，用于在每个开关周期初始时清零并计数每个开关周期内的谷底数；所述数据寄存器，用于在每个开关周期初始时将上一周期的谷底数减一的值更新到所述数据寄存器中并保持；
所述比较器，用于比较所述计数器中的第一值和所述数据寄存器中的第二值的大小，得到比较结果；所述与门电路，用于根据所述比较结果和所述第一频率信号进行逻辑与运算，得到第一运算结果；所述或门电路，用于根据所述第二频率信号和所述第一运算结果进行逻辑或运算，得到第二运算结果，根据所述第二运算结果生成所述使能信号。
36.具体实现中，如图4所示，谷底判断电路可以包括计数器、数据寄存器、比较器、与门电路and和或门电路or。计数器在每个开关周期初始时清零并计数每个开关周期内的谷底数，数据寄存器在每个开关周期初始时将上一周期的谷底数减一的值更新到数据寄存器中并保持。比较器用以比较当前计数器和数据寄存器中值的大小，与门and用以实现比较器和osc1的逻辑与运算，得到第一运算结果，或门电路or用以实现osc2和与门电路and输出的第一运算结果进行逻辑或运算，得到第二运算结果，根据第二运算结果则可以生成使能信号。
37.可选的，所述数据寄存器中值的更新先于所述计数器被清零。
38.具体实现中，数据寄存器中值的更新应先于计数器被清零。
39.具体实现中，假设上一周期开关电源工作谷底数为n，则当前周期开始时数据寄存器中的值被更新为n-1并保存，然后，计数器中的值被清零。当pwm电路采样到第三引脚cs的电压达到第四引脚fb对应的反馈电压时时，pwm电路立刻输出低电平脉冲，谷底检测电路开始检测谷底，当第二频率信号osc2为高，或者计数器计数得到的谷底数m≥n-1（即比较器输出为高）且第一频率信号osc1为高时，或门电路or的输出使能信号en为高电平，即谷底判断电路输出的使能信号en为高电平，则pwm电路会在下一谷底信号来到时立刻输出高电平脉冲，此时，下一开关周期开始，数据寄存器中的值被更新，计数器中的值被清零，电路如此进行开关循环。
40.进一步的，如图5所示，图5为本技术实施例中，控制器工作过程中各个部分的具体波形，其中，钳位频率信号osc1的频率高于osc2的频率。
41.假设前一个周期开关电源工作在第n谷底，则在此周期初始阶段数据寄存器中的值在t0被更新为n-1。计数器的值在t1时刻被清零为0。在t2时刻第三引脚cs的电压达到第四引脚fb对应的反馈电压时，第二引脚vg信号变为低电平，谷底检测电路可以检测谷底信号，计数器根据谷底信号计数当前周期的谷底数，其中，图5中省略了计数至第n-1谷底前的波形图。
42.进一步的，第一频率信号osc1和第二频率信号osc2则会根据负载反馈信息即第四引脚fb电压大小动态变化，对于负载功率减小而引起谷底数增加的情况：第一频率信号osc1高电平的到来时间会在第n谷底即图中t4时刻后，如图5中，osc1在t5时刻变为高电平，osc2在t6时刻变为高电平，此时谷底判断电路会在t5时刻输出高电平，故在t7时刻即下一谷底到来时pwm电路会输出高电平脉冲，计数器在t8时刻记录到当前工作谷底数为n 1，数据寄存器中的值在t9时刻被更新为n，随后计数器中的值在t
10
时刻被清零，此时实现了此周期工作过程中谷底数的增加；对于负载功率增加而引起谷底数减少的情况，第二频率信号osc2高电平到来的时间会在第n-1谷底即图中t3时刻前，此时在osc2高电平到来后谷底判断电路会输出高电平，pwm电路会在下一谷底到来时立刻输出高电平，以此实现了此周期工
作过程中谷底数的减少。因为谷底数增加与谷底数减少需满足上述所述的条件，故本技术实施例中，电路可在负载稳定时将谷底数锁定，只有当输出功率发生显著的变化，引起第四引脚fb电压大小也发生显著变化，钳位频率信号osc1和osc2也随之显著变化而达到了使谷底数增加或者减小的条件时，开关电源才会出现谷底数切换。
43.具体实现中，本技术实施例中，谷底判断电路可以根据两个钳位频率信号osc1和osc2与当前周期和上一周期谷底数的关系，实现了谷底锁定，同时，限制了开关电源的最大工作频率，提高了变换器的工作效率，降低了工作时的可听噪声。
44.可以看出，本技术实施例中所描述的开关电源，其中，开关电源包括：控制电路、变压器、第一开关管、第一二极管，反馈电路，控制电路包括：谷底检测电路、谷底判断电路、osc电路、pwm电路，其中，谷底检测电路连接谷底判断电路、pwm电路和控制电路的第一引脚，谷底判断电路连接osc电路和pwm电路，pwm电路连接控制电路的第二引脚、第三引脚和第四引脚，osc电路连接控制电路的第四引脚；其中，变压器包括辅助绕组、初级绕组和次级绕组，辅助绕组的一端连接第一引脚和另一端接地；初级绕组的一端接入外部电源且另一端连接第一开关管的第一端；次级绕组的一端连接第一二极管的阳极和另一端接地；第一二极管的阴极接入负载；pwm电路通过第二引脚连接第一开关管的第二端，pwm电路通过第三引脚连接第一开关管的第三端和采样电阻的一端以及采样电阻的另一端接地；反馈电路通过光耦实现初次级的隔离，初级光耦的一端连接所述控制电路的第四引脚以及另一端接地。
45.进而，通过谷底判断电路产生使能信号en，并将使能en信号传递给pwm电路。该谷底判断电路可以将两个钳位频率信号osc1和osc2与开关电源工作过程中的谷底数结合起来输出使能en信号，使能en信号用以使能pwm电路，使其在谷底到来时能输出高电平脉冲，使能en信号限制了开关电源的最大工作频率，即将最大工作频率限制在osc1或osc2以下，同时通过谷底判断电路解决了开关电源的跳谷问题，保证了开关电源工作的稳定性。
46.具体实现中，可以预先在osc电路中设置第一频率信号osc1和第二频率信号osc2与第四引脚电压的对应关系，同时可通过设置osc1和osc2的差值大小来调节开关电源的切换灵敏度。
47.即本技术实施例，能够实现开关电源的谷底数锁定，同时限制了开关电源的最大工作频率，提升了开关电源的工作稳定性。
48.本技术实施例中，还可以提供一种充电器，其包括上述开关电源，开关电源实现了谷底锁定，而且限制了开关电源的最大工作频率，保证充电器的稳定性。
49.以上是本技术实施例的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本技术的保护范围。