一种采用线补偿技术的原边反馈AC／DC控制器

摘要：基于1 μm 40V BCD工艺，使用Cadence软件对原边反馈AC／DC控制器进行仿真和分析。线补偿技术可以使原边反馈AC／DC电路获得很好的负载调整率，抵消电感上所消耗的电压和整流二极管上的压降，使输出达到的最佳值。在输入加220 V交流电压时，输出结果最大值为5．09 V，最小值为5 V，最大负栽调整率为9．609％。
关键词：原边反馈；交流／直流；线补偿；负载调整率

    任何电子产品都离不开电源，电源设计的好坏直接决定电子产品的性能和寿命，AC／DC在电源设计领域应用广泛。AG／DC电路结构主要有隔离式AC／DC结构和原边反馈AC／DC结构。隔离式AC／DC结构中，由于加入了光电耦合元件使整体电路变得复杂，并且电路对光电耦合器件要求高进而增加了电路设计成本。在此基础上发展的原边反馈AC／DC电路省去光电耦合器件，简化电路结构进一步降低电路成本，由于去掉了光电耦合器件，会大大降低输出电压的精度，故需要在电路中加入线补偿技术。文中以输入交流电压为220 V，输出电压为5 V的原边反馈AC／DC芯片为基础，给出一种能够提高输出精度的线补偿技术。
    文中第1部分首先介绍了原边反馈AC／DC转换器的结构。第2部分析了造成AC／DC电路输出不精确的原因，给出了采用线补偿技术提高输出精确度的原理和实现方法。在论文的最后给出了仿真结果和结论。

1 原边反馈AC／DC控制器介绍
    原边反馈AC／DC控制器去掉了光电耦合器件，其电路如图1所示，首先输入的交流电压经过电桥整流后给电容C1充电，提供芯片所需的正常工作电压，当电容C1和电阻R1选取不合理时，电容上的电压将不能保证芯片正常工作，电路不能正常上电，这里一般电阻R1会设计在十兆欧以上。当芯片正常工作后，BASE产生控制信号，在功率管导通时初级线圈Np通过感应把能量传给次级线圈Ns，使Ns储存能量，这时负载由电容Co提供能量，峰值电流Ipeak由公式(1)给出
   

    Lp为Np的电感量。如图2所示Ton为开关导通时间，CS检测初级线圈峰值电流，当达到峰值电流值时，功率管断开，初级线圈Np中电流为零，次级线圈Ns反向释放能量，整流二极管导通，给负载提供能量，同时对电容Co充电。这时辅助线圈Naux通过感应检测输出电压，与内部基准比较，控制下一次BASE经过多长时间提供使功率管导通的信号。辅助线圈反馈回来的电压也会给C1电容充电，保证芯片正常工作。其中Vaux可由公式(2)导出
   
    其中Naux／Ns为变压器辅助线圈与次级线圈的线圈匝数比；Vo为输出电压；△V为次级端整流二极管的正向导通压降。

    采样VAUX点的选择如图2所示，选择在PWM关断，线圈去磁结束后，在这样采样时间点，输出电压与辅助绕组具有很好的线性关系。在采样点时刻有公式(2)可以近似表示为公式(3)：
   
    在理想情况下，只要采样此点的辅助线圈的电压，并与精确的参考电压比较形成反馈控制Base信号，就可以得到稳定输出电压Vo。

2 线补偿电路
    理想情况下，VFB的大小由公式(4)所示
   
    实际上由于辅助线圈不是完全理想的，存在内阻，辅助线圈的等效电路如图3所示，这使VFB与公式(4)不相符。则有实际VFB的大小由公式(5)表示
   
    其中Ro为辅助线圈的内阻。由于这个内阻的存在，使得VFB'<VFB，造成采样不准确，进而导致输出偏离所要求的值。所以需要内部芯片提供一个补偿电路，使VFE'更接近VFB，使输出电压在没有其他外部器件的情况下更准确。

    如图4所示文中设计的线补偿电路由芯片内部数字时钟分频电路，开关控制电路和精密电流源构成。

    其中Icomp_cable通过采样点时刻控制开关对FB端进行补偿，其补偿率▽V／Vout的表达式如图公式(6)给出，其中Icomp_cable为芯片内部补偿的电流。
   
    数字时钟分频电路如图5所示，OSC为内部振荡器信号，当功率关断时，分频器开始计数，分频器为12分频，最大周期为4 096倍Tosc。功率管关断的时间越长，分频器分出的频率越多；当功率管导通时，分频器输出数据存到寄存器中，经过译码后，控制电流源。由于关断的时间越长，负载放电时间也随之越长，电压降就越大，这就需要一个大的补偿电流，所以上一次关断的时间越长，对本次的补偿电流就越大。

    恒流源控制电路如图6所示，其中或非门控制PMOS管，三输入或门控制NMOS管，它们通过控制MOS管开关，来控制恒流源电路。可以看出分频输出越高，控制恒流源的开关开的就越多。

    恒流源电路如图7所示，其中图中表示的是部分恒流源电路，图6控制电路的输出控制图7中的控制管，CS电流信号控制给FB反馈端的补偿。

    Ibias电流源由图8的带隙基准电路产生，其中Vref的大小由公式(7)给出，而Ibias大小由公式(8)推出：
   

3 仿真结果
    线补偿电路仿真如图9所示，其中补偿电流随开关控制时间的增加而上升。当开关时间最长时，其最大补偿电流为40．89μA。最大补偿率由公式(6)可得9．609％。图10为加线补偿电路时仿真结果，稳压后输出的范围为5～5．09 V，电路的输出纹波变小。

4 结论
    线补偿技术可以在不增加外部元器件的基础上提原边反馈AC／DC输出电压精度。文中给出的线补偿电路的最大补偿率是9．609％。由原边反馈AC／DC整体电路的仿真结果可以降低输出纹波，大幅提高电路的输出电压精度。