[发明专利]开关电源变换器的电源电路

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源变换器，尤其是涉及开关电源变换器的电源电路的设计。

背景技术

由于和传统线性电源相比具有的多方面优点，例如更高的效率、更低的待机功耗、更低的成本、更小的体积和更轻的重量等，开关电源被越来越广泛地应用于各种电子设备中。

图1示出目前应用最广泛的电流模式开关电源系统的基本原理框图。该系统包括开关功率转换器101、开关电源控制器102、以及反馈网络103。开关功率转换器101具有功率输入端口IN和功率输出端口OUT。开关电源控制器102向开关功率转换器101输出开关控制信号，开关功率转换器101向开关电源控制器102输出电流控制信号。反馈网络103则向开关电源控制器102输出反馈信号。该系统的功能是：把从功率输入端口输入的交流（AC）电源或直流(DC)电源转换成满足特定规格要求的直流（DC）或交流（AC）电源并从功率输出端口输出。

图1中的开关功率转换器101一般包括磁性储能元件，如电感或变压器；功率开关器件，如功率MOS开关或功率三极管开关；功率二极管和滤波电容等。功率开关器件受到开关控制信号的控制，周期性地导通或关断。其中，开关控制信号一般是脉宽被调制（PWM）或频率被调制（PFM）的脉冲信号，也可能是PWM,PFM的混合调制信号。开关控制信号的脉冲宽度决定功率开关在一个周期内的导通时间，它和开关频率一起控制功率输入端口传递到功率输出端口的功率，即输出功率。在通常的描述中，也把开关控制信号统称为PWM信号。

以AC-DC电流模式开关电源系统为例，为了能够在不同的负载条件下都能获得恒定的电压输出，则需要根据输出负载的大小来实时调节开关控制信号的频率和（或）脉冲宽度，进而控制输出功率的大小。如图1所示，反馈网络从输出功率信号取样，并且产生反馈信号输入到开关电源控制器。同时，由开关功率转换器输出的电流控制信号也输入到开关电源控制器中。在反馈信号和电流控制信号的共同作用下，开关控制信号的脉冲宽度或（和）频率被调制，从而得到与输出负载相匹配的输出功率。

为了能够更清楚地描述电流模式开关电源的工作原理，图2示例了一种副边反馈的反激式（Flyback）开关电源系统和它的控制芯片简图，这种反激式（Flyback）开关电源系统广泛应用于输入、输出需要隔离的电子设备中，例如AC-DC或DC-DC适配器，便携式电子设备（如平板电脑等）的充电器等。图2中的开关电源系统包括：输入EMI滤波器201、输入整流器（Rectifier）202、开关功率转换器203、反馈网络204、开关电源控制芯片205、RCD电路、芯片供电整流二极管D1、芯片电源退耦电容C2、电流控制信号的感应电阻Rs、和输出负载RL。反馈网络204可包含光耦204a、TL431、电阻分压网络R4、R5，补偿电阻电容R3、C5等。

图2中的开关功率转换器203为反激式开关功率转换器(flyback converter)，其包括：一个隔离变压器TX、一个功率整流二极管D2、一个滤波电容C4和一个功率开关SW。变压器初级侧线圈的一端与LINE电压相连，另一端和一个功率开关SW相连，其中LINE电压是交流输入电压经过EMI滤波器201、输入整流器202整流后的电压。功率开关SW的另一端通过一个电阻Rs连接到地（GND）。电阻Rs的作用是把变压器初级侧线圈的电流信号转换成电压信号，并把它输入到开关电源控制芯片205作为电流控制信号。当功率开关SW导通时，LINE电压施加在变压器TX的初级侧，变压器初级侧线圈的电流开始线性增长，变压器处于储能阶段；当开关SW断开时，初级侧线圈存储的能量被转移到次级侧线圈，进而传递到输出负载。反激式开关功率转换器包括两种工作模式：非连续式（DCM）和连续式（CCM）。其中，DCM模式指功率开关导通期间初级侧线圈存储的能量将在功率开关截止期间全部转移到变压器次级侧的负载；而CCM模式中，功率开关截止期间，变压器初级侧线圈的能量只有部分转移到次级侧的输出负载。本发明的上下文中，开关功率转换器均适用于DCM和CCM模式。

为了确保在负载R_L变化的情况下，输出电压仍然可以在可控的条件下保持恒定，需要对输出电压取样。通过分压网络R4和R5，把输出电压采样结果传送给TL431，并通过光耦器件，把运放输出结果传递到开关电源控制芯片205的FB引脚。该信号与初级侧的电流控制信号经过开关电源控制芯片205的处理，产生控制功率开关的信号V_GATE。通过以上的反馈方式，实现变压器原副两端隔离。