一种提高原边反馈反激电源在恒压状态下采样精度的方法

摘要

本发明公开了一种提高原边反馈反激电源恒压采样精度的方法，针对大功率下原边反馈反激电源传统的恒压采样策略存在的缺陷，放弃传统的模拟方式的CCM(电流连续模式)定点采样策略和数字逼近式的DCM(电流断续模式)采样策略，提出一种数字斜坡采样方法，结合比较器，在DCM工作模式下用锯齿波进行采样；在CCM工作模式下用单斜坡数字波进行采样，并结合参考电压调整，通过插入DCM周期，不断更新CCM模式下的参考电压，提高采样精度和恒压特性。本发明采用灵活的数字采样策略，能够得到恒压精度为±2％的效果，从而提高了大功率下原边反馈反激变换器的恒压特性。

权利要求

1.一种提高原边反馈反激电源大功率工作恒压采样精度的方法，其特征在于：在原边反馈主拓扑结构下，设置信息采集模块、模式判断模块、数字斜坡发生模块、比较器模块、斜坡采样模块、参考电压调整模块及驱动模块与被控的开关电源构成闭环系统；信息采集模块对原边辅助绕组上的电阻分压进行信息采集；模式判断模块根据信息采集模块采集到的辅助绕组上的电压波形信息进行模式判断，判断出当前系统工作在DCM模式还是CCM模式；

数字斜坡发生模块根据模式判断模块判断出的不同的工作模式产生相应的数字斜坡，DCM模式下产生锯齿波，CCM模式下产生单斜坡数字波；比较器模块将信息采集模块采集到的辅助绕组上的电压波形Vsense和数字斜坡发生模块产生的数字斜坡进行比较，并将比较过后得到的方波信息传送到斜坡采样模块，斜坡采样模块根据比较器模块、模式判断模块以及信息采集模块输出的信息，在不同的工作模式下采用相对应的方法进行采样，得到高精度的采样值；在DCM模式下将该采样值直接传送到驱动模块，参考电压调整模块不工作；在CCM模式下将该采样值传送到参考电压调整模块，参考电压调整模块通过插入DCM周期，不断更新CCM模式下的参考电压，最终通过驱动模块得到调控开关电源主开关管的PWM波形，实现恒压输出。

2.根据权利要求1所述的提高原边反馈反激电源大功率工作恒压采样精度的方法，包括以下步骤：

1)信息采集模块对原边辅助绕组上的电阻分压进行信息采集，得到电阻分压后的电压波形Vsense；

2)模式判断模块接收由信息采集模块采集到的电压波形，判断系统的工作模式：若输出电压大于设定的参考值，说明系统工作在CCM模式，否则认为系统工作在DCM模式；

3)数字斜坡发生模块接收模式判断模块发出的模式信息，根据系统当下的工作模式产生相应的数字斜坡：DCM模式下产生锯齿波；CCM模式下产生单斜坡数字波；

4)比较器模块接收信息采集模块输出的电压波形Vsense和数字斜坡发生模块输出的数字斜坡，利用比较器进行比较，电压波形Vsense接比较器“+”端，数字斜坡接比较器“—”端，比较后得到方波，将方波输出；

5)斜坡采样模块接收比较器模块输出的比较信息和信息采集模块输出的电压波形Vsense信息以及模式判断模块输出的模式判断信息，得到当前的采样值：DCM模式下，电压波形Vsense的拐点值最能够精确地反映出当前的输出电压值，采样时要争取得到电压波形Vsense的拐点值，因此，取锯齿波上升沿与电压波形Vsense的交点中最靠近电压波形Vsense拐点位置的交点值为采样值，进而得到当前的输出电压值；

CCM模式下，取单斜坡数字波与电压波形Vsense的唯一交点值为采样值，进而得到当前的输出电压值；

6)CCM模式下，参考电压调整模块接收斜坡采样模块输出的采样值信息，将插入的DCM周期的采样值与设定的参考值进行对比，根据所得的误差对当下CCM模式的参考电压值进行调整；

7)CCM模式下，参考电压调整模块输出更新后的参考电压值，通过驱动模块输出调控开关电源主开关的Duty波形；DCM模式下，斜坡采样模块输出采样值信息直接给驱动模块，输出调控开关电源主开关的Duty波形。

说明书

一种提高原边反馈反激电源在恒压状态下采样精度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隔离式开关电源变换器，尤其涉及一种提高原边反馈反激电源在恒压状态下的数字采样方法，适用于大功率工作时的原边反馈反激电源。

背景技术

[0002] 随着家用电子设备的迅猛发展，对高效电源的需求也日益提高，引起了AC-DC电源变换器的快速发展。电子设备的发展对于AC-DC电源变换器提出了新的指标，设备的能耗和控制精度成为当前电源产业的关注点。在电源设计领域，反激式拓扑结构由于结构简单，成本低，宽输入范围等优点，被广泛应用于电源变换器。随着反激电源输出功率的提高，大功率下反激电源恒压模式下的采样问题逐渐凸显出来。首先，在大功率下必须引入CCM(电流连续模式)，而传统的CCM模式下的采样多采用ADC定点采样与参考电压调整相结合的策略，这种模拟的采样方式负载调整率较大，反应速度慢，成本高，存在漂移，且不灵活。其次，现有的大功率下DCM(电流断续模式)模式的采样方式多采用数字双线采样策略，由于大功率下原边辅助绕组波形的斜坡平缓、而拐点后的波形过于陡直，导致采样的斜率条件不理想，可调范围窄，精度不高。

[0003] 参看图1，所示为现有技术中一种常见的采用双线采样策略的原边反馈反激式电源变换器。所述的开关电源变换器首先采集原边辅助绕组经过电阻分压后的电压波形Vsense，再将此电压波形与有固定压差的Vref1(参考电压1)和Vref2(参考电压2)结合比较器进行比较，计算得到对应的间隙时间tgap，通过与参考值tref比对得到误差值，再通过控制模块进行修正，最终采样得到拐点电压值。

[0004] 如图2，在低电压低功率的DCM状态采样情况下，图2所示的采样策略方便适用。利用拐点位置的特殊性，通过设定双线间隙压差，在拐点前后由于采样波形斜率不同，能够采样到间隙时间的差别，从而上下移动双线，保持始终在拐点位置附近，而拐点处在DCM状态下能精确得到输出电压值，因此方案合适。但在高电压大功率情况下，该采样策略不再适用。如图3，所示为高电压大功率情况下，DCM模式下采用双线采样策略的波形图。此时采样波形平缓、斜率小，而拐点之后波形陡直，斜率很大，双线采样策略的斜率条件不理想，导致采样精度不高、拐点跟随效果差，导致系统的闭环稳定性和稳压性能差。

发明内容

[0005] 针对现有的高电压大功率情况下，反激电源在恒压状态下采样精度差的缺陷，本发明提供了一种提高原边反馈反激电源在恒压状态下的数字采样方法，通过分析影响采样精度的因素，在DCM工作模式下用锯齿波进行采样；在CCM工作模式下用单斜坡数字波进行采样并结合参考电压调整，通过插入DCM周期，不断更新CCM模式下的参考电压，提高了大功率反激电源恒压下的采样精度和恒压特性。通过最终仿真和测试、比较发现，能够得到恒压精度为±2％的效果，从而提高了大功率下反激式变换器的恒压特性，进一步扩大了原边反馈反激式开关电源在大功率下的应用。

[0006] 为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种提高原边反馈反激电源大功率工作恒压采样精度的方法，其特征在于：在原边反馈主拓扑结构下，设置信息采集模块、模式判断模块、数字斜坡发生模块、比较器模块、斜坡采样模块、参考电压调整模块及驱动模块与被控的开关电源构成闭环系统；信息采集模块对原边辅助绕组上的电阻分压进行信息采集；模式判断模块根据信息采集模块采集到的辅助绕组上的电压波形信息进行模式判断，判断出当前系统工作在DCM模式还是CCM模式；数字斜坡发生模块根据模式判断模块判断出的不同的工作模式产生相应的数字斜坡，DCM模式下产生锯齿波，

[0007] CCM模式下产生单斜坡数字波；比较器模块将信息采集模块采集到的辅助绕组上的电压波形Vsense和数字斜坡发生模块产生的数字斜坡进行比较，并将比较过后得到的方波信息传送到斜坡采样模块，斜坡采样模块根据比较器模块、模式判断模块以及信息采集模块输出的信息，在不同的工作模式下采用相对应的方法进行采样，得到高精度的采样值；在DCM模式下将该采样值直接传送到驱动模块，参考电压调整模块不工作；在CCM模式下将该采样值传送到参考电压调整模块，参考电压调整模块通过插入DCM周期，不断更新CCM模式下的参考电压，最终通过驱动模块得到调控开关电源主开关管的PWM波形，实现恒压输出。

[0008] 包括以下步骤：

[0009] 1)信息采集模块对原边辅助绕组上的电阻分压进行信息采集，得到电阻分压后的电压波形Vsense；

[0010] 2)模式判断模块接收由信息采集模块采集到的电压波形，判断系统的工作模式：若输出电压大于设定的参考值，说明系统工作在CCM模式，否则认为系统工作在DCM模式；

[0011] 3)数字斜坡发生模块接收模式判断模块发出的模式信息，根据系统当下的工作模式产生相应的数字斜坡：DCM模式下产生锯齿波；CCM模式下产生单斜坡数字波；

[0012] 4)比较器模块接收信息采集模块输出的电压波形Vsense和数字斜坡发生模块输出的数字斜坡，利用比较器进行比较，电压波形Vsense接比较器“+”端，数字斜坡接比较器“—”端，比较后得到方波，将方波输出；

[0013] 5)斜坡采样模块接收比较器模块输出的比较信息和信息采集模块输出的电压波形Vsense信息以及模式判断模块输出的模式判断信息，得到当前的采样值：

[0014] DCM模式下，电压波形Vsense的拐点值最能够精确地反映出当前的输出电压值，采样时要争取得到电压波形Vsense的拐点值，因此，取锯齿波上升沿与电压波形Vsense的交点中最靠近电压波形Vsense拐点位置的交点值为采样值，进而得到当前的输出电压值；

[0015] CCM模式下，取单斜坡数字波与电压波形Vsense的唯一交点值为采样值，进而得到当前的输出电压值；

[0016] 6)CCM模式下，参考电压调整模块接收斜坡采样模块输出的采样值信息，将插入的DCM周期的采样值与设定的参考值进行对比，根据所得的误差对当下CCM模式的参考电压值进行调整；

[0017] 7)CCM模式下，参考电压调整模块输出更新后的参考电压值，通过驱动模块输出调控开关电源主开关的Duty波形；DCM模式下，斜坡采样模块输出采样值信息直接给驱动模块，输出调控开关电源主开关的Duty波形。

[0018] 本发明的优点及显著效果：大功率下传统的DCM多采用数字逼近式采样策略，采样精度低。传统的CCM多采用ADC定点采样策略，成本高、反应慢、可调性差、存在漂移，受环境因素影响大。本发明针对大功率下原边反馈反激电源传统的恒压采样策略存在的缺陷，放弃传统的模拟方式的CCM(电流连续模式)定点采样策略和数字逼近式的DCM(电流断续模式)采样策略，提出一种数字斜坡采样方法，结合比较器，在DCM工作模式下用锯齿波进行采样；在CCM工作模式下用单斜坡数字波进行采样，并与参考电压调整有机结合，结合参考电压调整，通过插入DCM周期，不断更新CCM模式下的参考电压，提高了采样精度和恒压特性。本发明采用的数字采样策略，速度快且非常灵活，有效地提高了采样精度，能够得到恒压精度为±2％的效果，从而提高了大功率下原边反馈反激变换器的恒压特性。

附图说明

[0019] 图1为现有技术中一种常见的原边反馈反激式电源变换器的系统图；

[0020] 图2为现有技术中一种常见的低功率反激电源恒压下DCM双线采样策略波形图；

[0021] 图3为现有技术中一种常见的大功率反激电源恒压下DCM双线采样策略波形图；

[0022] 图4为本发明原边反馈反激电源大功率工作时恒压采样的整体实现系统图；

[0023] 图5为本发明中DCM模式下数字采样的关键波形图；

[0024] 图6为本发明中CCM模式下数字采样的关键波形图；

[0025] 图7为本发明中CCM模式下参考电压调整的关键波形图；

[0026] 图8为本发明数字采样策略的整体流程图。

具体实施方式

[0027] 从以下讨论应当注意的是，这里所公开的结构和方法的可替换实施例将容易被识别为在不背离本公开的原则的情况下可能被利用的可行的替换物。

[0028] 现在将详细参考本公开的若干实施例，其示例在附图中进行图示。注意到，只要可行，可以在图中使用相似或相同附图标记并且其可以指示相似或相同的功能。附图仅出于说明的目的描绘本公开的实施例。本领域技术人员从以下描述将会容易地认识到，并不背离这里所描述实施例的原则的情况下可以采用这里所图示的结构和方法的可替换实施例。

[0029] 下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

[0030] 如图1，给出了反激式电源的主拓扑结构和采样模块的结构图。首先采集原边辅助绕组经过电阻分压后的电压波形，再将此电压波形与固定压差的Vref1(参考电压1)和Vref2(参考电压2)通过比较器进行比较，将两组比较器的输出信号输入到时间计算模块，进而得到间隙时间tgap；再将tgap输入到误差产生模块，通过与间隙时间的参考值Δtref比对得到误差值，再由控制模块进行误差修正，输出修正后的Vref1(参考电压1)和Vref2(参考电压2)，同时计算得到所需的原边峰值限定电压Vpeak以及开关周期Ts，最终由驱动模块得到调控开关电源主开关的PWM波形，从而实现恒压输出的目的。

[0031] 图2为现有技术中一种常见的低功率反激电源恒压下DCM双线采样策略波形图。利用拐点位置的特殊性，设定双线Vref1(参考电压1)和Vref2(参考电压2)之间的间隙压差Vgap，在拐点前后由于采样波形斜率不同，因而能够采样到间隙时间Tgap，从而上下移动双线，使双线保持始终在拐点位置附近，而拐点处在DCM状态下能精确得到输出电压值，因而在低功率下该采样策略十分适用。

[0032] 图3为现有技术中一种常见的大功率反激电源恒压下DCM双线采样策略波形图。与图2所示低功率下的情况相比，大功率下的电压波形平缓、斜率小，而拐点之后波形陡直，斜率很大，双线采样策略的斜率条件不理想，从而导致采样精度不高、拐点跟随效果差，致使系统的闭环稳定性和稳压性能差。

[0033] 图4为本发明原边反馈反激电源大功率工作时恒压采样的整体实现系统图。在原边反馈主拓扑结构下，信息采集模块对原边辅助绕组上的电阻分压进行信息采集，模式判断模块利用采集到的电压波形信息进行模式判断，判断出当前系统工作在DCM模式还是CCM模式；数字斜坡发生模块根据不同的工作模式产生相应的数字斜坡，DCM模式下产生锯齿波，CCM模式下产生单斜坡数字波；比较器模块将电压波形和数字斜坡进行比较，并将比较过后得到的信息传送到斜坡采样模块；斜坡采样模块根据比较器模块、模式判断模块以及信息采集模块提供的信息，在不同的工作模式下采用相对应的方法进行采样，得到高精度的采样值，在DCM模式下将该采样值直接传送到驱动模块，参考电压调整模块不工作；在CCM模式下将该采样值传送到参考电压调整模块，参考电压调整模块通过插入DCM周期，不断更新CCM模式下的参考电压；最终通过驱动模块得到调控开关电源主开关管的PWM波形，实现恒压输出。

[0034] 如图5，针对采样波形在拐点前斜率小和在拐点后波形陡直、斜率很大的问题，提出一种数字斜坡采样策略。DCM模式下，Vsense的拐点值最能够精确地反映出当前的输出电压值，因而采样时要尽可能得到Vsense的拐点值。所以，DCM模式下取锯齿波上升沿与原边辅助绕组电压波形Vsense的交点中最靠近Vsense拐点位置的交点值为采样值。

[0035] 利用图4中的数字斜坡发生模块产生一个如图5所示的逐级递减的锯齿波，锯齿波的幅度ΔV是固定的。电压波形Vsense接比较器“+”端，数字斜坡接比较器“—”端，锯齿波在上升过程中会与Vsense的波形有交点，锯齿波与Vsense的每一个交点都会引起比较器输出值Vref_comp的跳变，锯齿波的上升沿与Vsense的交点令比较器输出值Vref_comp由0变为1，锯齿波的下降沿与Vsense的交点令比较器输出值Vref_comp由1变为0。根据比较器的输出0→1的跳变沿可以捕捉到锯齿波的上升沿与Vsense的交点，并将各交点值保存在寄存器中，V[1]为第一个交点的值，V[2]为第二个交点的值，依次类推，V[n]为最后一个交点的值。

[0036] 采样开始后，在比较器的输出值Vref_comp的下降沿，即每当比较器的输出Vref_comp从1→0时，计数器开始从0计数，在Vref_comp＝0的时间内计数，每当Vref_comp的值从0→1跳变时则将计数值存入寄存器中，分别为：T[1],T[2],T[3],…,T[n]。其中，T[1]为第一个Vref_comp＝0的时段的计数值，T[2]为第二个Vref_comp＝0的时段的计数值，依次类推，T[n]为最后一个Vref_comp＝0的时段的计数值。

[0037] 如图5的采样情况1所示，如果T[n-1]＝T[n]或者两者的值相差很小，则说明最后一个交点最靠近拐点，取最后一个交点的值V[n]为采样值；如图5中采样情况2所示，如果T[n]与T[n-1]之间相差较大，则说明最后一个交点处于拐点之下，而且由于拐点之后Vsense波形陡直，斜率很大，导致最后一个交点的值偏离拐点值较大。此时，倒数第二个交点最靠近拐点，所以取倒数第二个交点的值V[n-1]为采样值。具体的判断规则为：如果T[n-1]≥2*T[n]，则取倒数第二个交点的值V[n-1]为采样值；如果T[n-1]＜2*T[n]，则取最后一个交点的值V[n]为采样值，进而得到当前的输出电压值。

[0038] 通过选取合适的锯齿波的斜率和ΔV，选取如图中箭头所指向的最靠近拐点的交点值为采样值，即得到准确的DCM拐点位置的数字值，进而得到当前的输出电压值，从而克服斜率小、陡直带来的采样精度不高的问题。

[0039] 图6为本发明中CCM模式下数字采样的关键波形图，CCM模式下采用单斜坡数字波采样方法，利用图4中的数字斜坡发生模块产生一个如图6所示的单斜坡数字波形，通过比较器模块可以得到数字斜坡与采样波形的交点，且该交点唯一，作为最终的采样值。这种采样方法简单，而且可以提高采样的精确度，方便结合后面的参考电压调整模块，提高CCM下的恒压效果。

[0040] 图7为本发明中CCM模式下参考电压调整的关键波形图，本发明在CCM模式下将数字斜坡采样与参考电压调整结合在了一起。如图所示，虚线部分为实际波形，实线部分为理想波形。在CCM模式下插入一个DCM周期，该DCM周期是先前的CCM周期将自身周期延长后得到的，所以该DCM周期的拐点电压值对应输出电压值。通过锯齿波采样得到该DCM周期的拐点电压值，而在恒压模式下的拐点电压值有一个理想值，即参考值VREF。将采样值与参考值进行比对，并根据两者的差值对CCM模式下的参考电压进行调整。进而通过控制算法改变调控开关电源主开关的PWM波形，使接下来的CCM采样值逼近更新后的参考电压值，实现恒压稳定输出。

[0041] 如图所示，实际波形高于理想波形，则插入的DCM周期的拐点电压值高于参考值VREF，而这就说明CCM下的参考电压过高，需要将其调低，而调低的幅度即为实际采样值与参考值的之间的差值。通过控制算法改变调控开关电源主开关的PWM波形，使采样值逐步降低，逼近新的参考电压，实现恒压稳定输出。

[0042] 图8为本发明数字采样策略的整体流程图，如图所示，首先采集辅助绕组上的电压波形，接下来进行模式判断，判断系统当前的工作模式是CCM还是DCM。

[0043] 如果系统当下工作在DCM模式，则产生数字锯齿波，进而与采集到的电压波形Vsense通过比较器进行比较，将比较后的信息与电压波形一起送到采样模块，取锯齿波上升沿与电压波形Vsense的交点中最靠近电压波形Vsense拐点位置的交点值为采样值，最终驱动模块根据采样电压值进行相应的调整，输出调控开关电源主开关的Duty波形。

[0044] 如果系统当下工作在CCM模式，则产生单斜坡数字波，进而与采集到的电压波形Vsense通过比较器进行比较，将比较后的信息与电压波形一起送到采样模块，得到唯一交点的电压值，即为采样值。将采样值送入参考电压调整模块，对现有的CCM的参考电压进行调整，然后将采样值和更新后的参考电压值送入驱动模块。最终驱动模块根据采样值和更新后的参考电压值进行相应的调整，输出调控开关电源主开关的Duty波形。