一种反激变换器输出电流估算电路及其使用装置
阅读说明：本技术 一种反激变换器输出电流估算电路及其使用装置 (Flyback converter output current estimation circuit and using device thereof ) 是由 谢小高 张佳豪 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种无需原边采样电阻的反激变换器输出电流估算电路,通过对变压器绕组电压进行积分、处理和滤波,即可在变压器原边侧估算出输出电流信息,进而实现输出恒流。本发明省去了原边采样电阻,降低变换器复杂性及损耗,可适用于临界断续或断续的反激变换器或者非隔离的buckboost变换器。(The invention provides an output current estimation circuit of a flyback converter without a primary sampling resistor, which can estimate output current information on the primary side of a transformer by integrating, processing and filtering the voltage of a winding of the transformer so as to output a constant current. The invention saves a primary sampling resistor, reduces the complexity and the loss of the converter, and is suitable for a critical discontinuous or discontinuous flyback converter or a non-isolated buck boost converter.)
技术领域
本发明涉及电力电子
技术领域
中的开关电源技术，特别涉及一种适用于反激变换器的无原边采样电阻的输出电流估算电路。背景技术
随着电力电子技术应用的快速发展，人们对开关变换器的小体积、高效率和高可靠性要求越来越高。与此同时，出于对安全性的考虑，其输入和输出之间端通常需要电气隔离以避免由于故障而导致触电的隐患。反激变换器拓扑是在Buck-Boost拓扑的基础上加入隔离变压器，不仅实现了输入输出的电气隔离，而且通过增加次级绕组和电路可轻易的实现多路输出。除此之外，由于其拓扑结构简单，元器件少，易控制等特点，在中小功率开关电源中被广泛运用。
对于LED驱动电源或者是蓄电池恒流充电等应用，需要对负载实现精确的恒流控制。根据输出电流采样方式的不同，恒流型反激式变换器的控制架构可分为原边反馈控制和副边反馈控制。其中副边反馈控制一般直接采样输出电流，然后通过光耦或其他隔离器件用以实现控制电路与输出的隔离，此种方式由于是对输出电信号直接采样，可以实现较高的输出电信号精度以及快速的动态性能。但是由于引入了光耦或其它隔离器件，必然会增加控制电路的成本和复杂性，系统成本升高的同时其可靠性也大大降低。采用原边反馈控制方式，通常通过采样电阻采样隔离变换器的原边电流信号来推算出输出电流信息，从而实现输出电流的精确稳定。原边反馈控制方式可以在保证输出电流精度的同时，去掉光耦等隔离器件，简化了系统外围控制电路的复杂性，降低了系统体积和成本。
基于原边侧串联采样电阻来实现的原边恒流反激变换器的原理框图如图1所示，其中模块101为原边恒流控制芯片。此种原边绕组电流变化信息的获取方式虽然实现简单，但采样电阻上带来的损耗会降低系统整机的效率，而且采样电阻的精度会影响到输出恒流的精度。
因此，如何不通过在原边侧串联采样电阻的方式去获取到反激变压器输出电流的信息，消除原边侧串联采样电阻带来的损耗，从而进一步提高原边反馈恒流反激变换器的效率，是一项非常具有实际意义和挑战性的工作。
发明内容
针对反激变换器采用原边恒流控制时存在的问题，本发明提出一种反激变换器输出电流估算电路，无需原边采样电阻采样原边电流，即可在变压器原边侧估算出输出电流信息，进而实现输出恒流。
具体而言，一种反激变换器输出电流估算电路，包括：开关积分电路、开关控制信号产生电路和滤波电路；
所述的开关积分电路，包括：积分电路和开关S1；开关S1与积分电路中的积分电容并联，所述开关积分电路接收变压器绕组Wt两端的电压信息，所述开关S1接收开关控制信号产生电路产生的控制信号VG_S1，输出三角波信号Vs；
所述的开关控制信号产生电路，根据变压器绕组Wt两端的电压信息产生开关S1的控制信号VG_S1，控制信号VG_S1的开关频率与反激变换器原边开关管开关频率一致，其低电平区间与反激变换器副边整流管续流区间相同；
所述的滤波电路，接收开关积分电路输出的三角波信号Vs，对其进行滤波后输出反映反激变换器输出电流信息的电压信号Vio_est。
作为优选，所述的积分电路为电阻R3和积分电容C1构成的无源积分电路；
电阻R3的一端连接变压器绕组Wt的异名端，电阻R3的另一端接积分电容C1的一端，积分电容C1的另一端接变压器绕组Wt的同名端和控制地，积分电容C1与开关S1并联，电阻R3和积分电容C1的连接点输出三角波信号Vs。
作为优选，所述开关控制信号产生电路，包括：电阻R1和电阻R2构成的分压网络、比较器Uc1及基准电压Vref；电阻R1的一端连接变压器绕组Wt的异名端，电阻R1的另一端接电容R2的一端和比较器Uc1的负输入端,电阻R2的另一端接变压器绕组Wt的同名端，比较器Uc1的正输入端接基准电压Vref，比较器Uc1的输出端输出控制信号VG_S1。
作为优选，基准电压Vref是固定的电压值。基准电压Vref是根据变压器绕组Wt的绕组电压产生的电压。
作为优选，所述滤波电路为电阻R4和和电容C2构成的RC滤波器，电阻R4的一端接收开关积分电路输出的三角波信号Vs，电阻R4的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接控制地，电阻R4和电容C2的连接点输出反映反激变换器输出电流信息的直流电压信号Vio_est。
作为优选，所述反激变换器输出电流估算电路，还包括：放大电路；所述放大电路输入端与开关积分电路的输出端电连接，所述放大电路输出端与滤波电路的输入端电连接，放大电路对开关积分电路输出三角波信号Vs进行放大。
作为优选，所述反激变换器输出电流估算电路，还包括：跟随电路；所述的跟随电路输入端与开关积分电路的输出端电连接，所述的跟随电路与滤波电路的输入端电连接，跟随电路对开关积分电路输出三角波信号Vs进行跟随。
一种原边恒流控制装置，包括：反激变换器、恒流控制电路和反激变换器输出电流估算电路；
所述反激变换器包括原边开关管Q1、变压器T、副边整流管Do、输出电容Co；其中，原边开关管Q1是单个半导体元件或者多个半导体元件构成的复合开关管；原边开关管Q1的一端连接输入电压Vin的正端，另一端连接控制地和变压器T的原边绕组Wt的同名端，变压器T的原边绕组Wt的异名端接输入电压Vin的负端，变压器T的副边绕组的异名端接副边整流管Do的阳极，副边整流管Do的阴极接输出电容Co的正端，输出电容Co的负端接变压器T的副边绕组的同名端；所述反激变换器输出电流估算电路的一个输入端接变压器T的原边绕组Wt的异名端，另一个输入端接控制地，反激变换器输出电流估算电路的输出端接恒流控制电路的输入端，恒流控制电路的输出端输出原边开关管Q1的驱动信号VGS；
所述恒流控制电路根据接收的反映反激变换器输出电流信息的电压信号Vio_est，与内部恒流基准进行比较，二者之间的误差经放大之后对产生的原边开关管Q1的驱动信号VGS进行调制，控制反激变换器输出电流恒定。
一种原边恒流控制装置，包括：反激变换器输出电流估算电路、准单级反激变换器、恒流控制电路；
所述准单级反激变换器，包括：输入整流桥B1、输入电容Cin、二极管D1～D4、电感L1、变压器T、母线电容Cbus、原边开关管Q1、副边整流管Do、输出电容Co；
所述输入整流桥B1的两个输入端连接输入交流电压源Vac的两端，其正输出端连接输入电容Cin的一端、电感L1的一端和二极管D1的阳极，电感L1的另一端连接二极管D2的阴极、二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接原边开关管Q1的一端、二极管D4的阳极和变压器T原边绕组的异名端，二极管D4的阴极接二极管D1的阴极、母线电容Cbus的正端和变压器T原边绕组的同名端，母线电容Cbus的负端、原边开关管Q1的另一端、二极管D2的阳极、输入电容Cin的另一端和输入整流桥B1的负输出端接控制地，变压器T的副边绕组的异名端接副边整流管Do的阳极，副边整流管Do的阴极接输出电容Co的正端，输出电容Co的负端接变压器T的副边绕组的同名端；所述反激变换器输出电流估算电路的一个输入端接变压器T的辅助绕组Wt的异名端，另一个输入端和变压器T的辅助绕组Wt的同名端接控制地，反激变换器输出电流估算电路的输出端接恒流控制电路的一个输入端，恒流控制电路的输出端输出原边开关管Q1的驱动信号VGS；
所述恒流控制电路根据接收的反映反激变换器输出电流信息的电压信号Vio_est，与内部恒流基准进行比较，二者之间的误差经放大之后对产生的原边开关管Q1的驱动信号VGS进行调制，控制准单级反激变换器输出电流恒定。
作为优选，所述的反激变换器输出电流估算电路中的滤波器，复用误差放大器的积分网络为滤波器。
本发明的有益效果在于：本发明电路无需原边采样电阻采样原边电流，通过对变压器绕组电压进行积分、处理和滤波，即可在变压器原边侧估算出输出电流信息，进而实现输出恒流，从而省却原边采样电阻，降低变换器复杂性及损耗。本发明适应与临界断续或断续的反激变换器或者非隔离的buck-boost变换器。
附图说明
图1所示为有原边采样电阻的原边恒流反激变换器的基本原理框图；
图2所示为本发明提出的反激变换器输出电流估算电路；
图3所示为本发明提出的反激变换器输出电流估算电路关键波形图；
图4所示为基于本发明提出的反激变换器输出电流估算电路构成的原边恒流反激变换器具体实施例；
图5所示为基于本发明提出的反激变换器输出电流估算电路构成的准单级原边恒流反激变换器具体实施例；
图中：101、原边恒流控制芯片，100、反激变换器输出电流估算电路，1001、开关积分电路，1002、开关脉冲产生电路，1003、滤波电路，200、恒流控制电路。
具体实施方式
为使本发明的技术方案，优点更加明确，下面结合附图对本发明的细节做进一步详细的阐述，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
图2示出了本发明的反激变换器输出电流估算电路。本发明的反激变换器输出电流估算电路100包括：开关积分电路1001、开关脉冲产生电路1002和滤波电路1003。其中，
开关积分电路1001，包括电阻R3和积分电容C1构成的积分电路以及开关S1。电阻R3的一端连接变压器绕组Wt的异名端，电阻R3的另一端接积分电容C1的一端，积分电容C1的另一端接变压器绕组Wt的同名端和控制地，积分电容C1与开关S1并联，电阻R3和积分电容C1的连接点输出三角波信号Vs。
开关控制信号产生电路1002，包括电阻R1和电阻R2构成的分压网络，比较器Uc1。电阻R1的一端连接变压器绕组Wt的异名端，电阻R1的另一端接电阻R2的一端和比较器Uc1的负输入端,电阻R2的另一端接变压器绕组Wt的同名端，比较器Uc1的正输入端接基准电压Vref。
滤波电路1003，接收开关积分电路1001输出的三角波信号Vs，对其进行滤波后输出反映反激变换器输出电流信息的电压信号Vio_est。
图3示出了本发明的反激变换器输出电流估算电路的关键波形图，为了方便说明，图中还给出了反激变换器工作在电流断续模式时的主要波形。其中，VGS为反激变换器原边开关管Q1的驱动波形，ip为原边电流波形，Ip-pk为原边电流峰值，is为副边整流管电流波形，Is-pk为副边整流管电流峰值，Vwt为变压器绕组波形，Vs-pk为开关积分电路1001输出的三角波信号Vs的峰值，Io为输出电流，Ton为原边开关管导通时间，Toff为原边开关管关断时间，Toff1为副边整流管续流时间。
假设反激变换器原边绕组匝数为Np，副边绕组匝数为Ns，变压器绕组Wt的匝数为Nt，变压器原边励磁电感量为Lp。当反激变换器工作在断续或者临界断续状态，可以求出变压器副边整流管电流峰值Is-pk为：
其中，VO为反激变换器输出电压，Toff1为副边整流管续流时间。
设计R3，C1参数应满足：
R3＞＞1/2πfsC1 (2)
当控制信号VG_S1的开关频率与反激变换器原边开关管开关频率一致，其低电平区间与反激变换器副边整流管续流区间相同，则可以求出开关积分电路1001输出的三角波信号Vs的峰值Vs-pk为：
其中，Vwt为变压器绕组Wt在反激变换器副边整流管续流区间的幅值。联立(1)和(3)可以得到：
由(4)可见，当反激变换器电路参数和开关积分电路1001的参数都确定，Vs-pk与Is-pk成线性比例关系。而副边整流管电流is与开关积分电路1001输出的三角波信号Vs的波形皆为直角三角形，且具有相同的宽度，因此二者平均值也成线性比例关系，即，Vs的平均值与Io成线性比例关系。因此，本发明的反激变换器输出电流估算电路可以估算出输出电流值。进一步，将经滤波器1003滤波后的电压信号Vio_est送予恒流控制电路，可以实现原边恒流控制。
图4示出了本发明的反激变换器输出电流估算电路与反激变换器、恒流控制电路200构成反激变换器原边恒流控制装置的示意图。
参见图4，所述反激变换器包括原边开关管Q1、变压器T、副边整流管Do、输出电容Co。其中，原边开关管Q1可以是单个半导体元件或者多个半导体元件构成的复合开关管。原边开关管Q1的一端连接输入电压Vin的正端，另一端连接控制地和变压器T的原边绕组Wt的同名端，变压器T的原边绕组Wt的异名端接输入电压Vin的负端，变压器T的副边绕组的异名端接副边整流管Do的阳极，副边整流管Do的阴极接输出电容Co的正端，输出电容Co的负端接变压器T的副边绕组的同名端；所述反激变换器输出电流估算电路100的一个输入端接变压器T的原边绕组Wt的异名端，另一个输入端接控制地，反激变换器输出电流估算电路100的输出端接恒流控制电路200的一个输入端，恒流控制电路200的输出端输出原边开关管Q1的驱动信号VGS。所述恒流控制电路200根据接收的反映反激变换器输出电流信息的电压信号Vio_est，与内部恒流基准进行比较，二者之间的误差经放大之后对产生的原边开关管Q1的驱动信号VGS进行调制，控制反激变换器输出电流恒定。所述恒流控制电路为本专业领域现有技术，这里不再详细描述。
图5示出了本发明的反激变换器输出电流估算电路与一种准单级反激变换器、恒流控制电路200构成准单级反激变换器原边恒流控制装置的示意图。
参加图5，所述准单级反激变换器包括输入整流桥B1、输入电容Cin、二极管D1～D4、电感L1、变压器T、母线电容Cbus、原边开关管Q1、副边整流管Do、输出电容Co。所述输入整流桥B1的两个输入端连接输入交流电压源Vac的两端，其正输出端连接输入电容Cin的一端、电感L1的一端和二极管D1的阳极，电感L1的另一端连接二极管D2的阴极、二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接原边开关管Q1的一端、二极管D4的阳极和变压器T原边绕组的异名端，二极管D4的阴极接二极管D1的阴极、母线电容Cbus的正端和变压器T原边绕组的同名端，母线电容Cbus的负端、原边开关管Q1的另一端、二极管D2的阳极、输入电容Cin的另一端和输入整流桥B1的负输出端接控制地，变压器T的副边绕组的异名端接副边整流管Do的阳极，副边整流管Do的阴极接输出电容Co的正端，输出电容Co的负端接变压器T的副边绕组的同名端；所述反激变换器输出电流估算电路100的一个输入端接变压器T的辅助绕组Wt的异名端，另一个输入端和变压器T的辅助绕组Wt的同名端接控制地，反激变换器输出电流估算电路100的输出端接恒流控制电路200的一个输入端，恒流控制电路200的输出端输出原边开关管Q1的驱动信号VGS。所述恒流控制电路200根据接收的反映反激变换器输出电流信息的电压信号Vio_est，与内部恒流基准进行比较，二者之间的误差经放大之后对产生的原边开关管Q1的驱动信号VGS进行调制，控制准单级反激变换器输出电流恒定。
本发明的反激变换器输出电流估算电路还可以与非隔离的buck-boost变换器构成恒流装置，其原理与反激变换器原边恒流装置的实现原理基本相同，这里不再详细描述。
本发明的权利要求书主要是用于限定和保护提出的主电路结构。对于本发明提出的电路结构，本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。本说明书选取并具体描述的实施例，是为了更好地阐释本发明的原理和实际应用，使得本领域技术人员可以很好地利用本发明并在本发明基础上进行修改使用。本发明实施例的上述详细说明并不是穷举的或者用于将本发明限制在上述明确的形式上。上述电路结构及其控制方式的细节在其实际实施过程中可以进行相应的变化，然而其仍然包含在本发明中。
如上述一样应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之中。
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