CN101425754B - 一种控制开关电源输出电流的方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制开关电源输出电流的方法及实现该方法的控制器，属于开关电源领域，包括步骤为：在变压器的初级边采样开关电源的输出电压或者其等效信号，得到输出电压的缩放信号，同时，采样初级线圈电流或其等效信号，得到初级线圈电流的缩放信号后对其进行平方处理，得到待比较电流平方信号；对输出电压的缩放信号与待比较电流平方信号进行比较，得到电流使能控制信号，如果待比较电流平方信号小于或等于输出电压的缩放信号，则电流使能控制信号不关断所述功率开关，否则，电流使能控制信号关断所述的功率开关。所述控制器包括对初级线圈电流进行平方处理的乘法器或者平方电路，以及进行比较的比较器。本发明具有结构简单、成本低的特性。

Description

一种控制开关电源输出电流的方法及控制器

技术领域

本发明属于开关电源领域，尤其涉及开关电源输出电流的控制方法，及实现该方法的控制器。

背景技术

随着开关电源效率的提高，体积的减小和成本的降低，开关电源越来越被广泛地应用到电子产品中。在实际应用中，不仅仅需要控制开关电源的输出电压，也常常要求控制开关电源的输出电流，比如控制恒定的输出电流驱动LED等。

目前，在反激型开关电源(反激型交流-直流变换器)应用中，有两种常见的恒定输出电流的控制方法。最常见的方法是利用变压器次级边(开关电源的二次侧)输出电流的反馈信号参与调制，以控制输出电流。该方法可通过在变压器的次级输出端串联一个电阻来检测输出电流，控制该串联电阻两端的电压就可以控制输出电流。由于控制信号必须反馈到初级边(开关电源的一次侧)控制芯片，所以必须在初级边和次级边之间增加隔离器件，这样不仅提高了系统成本，也降低了效率。

另一种技术是利用变压器初级边反馈信号参与PWM(Pulse-WidthModulation，脉宽调制控制)，在恒定电流控制上，利用输出电压的反馈信号控制调制器IC的频率，使其频率与输出电压保持线形关系，并且控制变压器初级边电流恒定，从而控制输出电流恒定，这种方法的基本原理是：

P_in*Eff＝P_out＝I_OUT*(V_OUT+V_D)    (1)

其中，P_in，P_out分别是输入功率、输出功率；I_OUT和V_OUT分别是输出电流和负载电压；V_D是整流二极管的导通压降；Eff是功率转换效率，在一个电源系统中，功率转换效率是相对固定的。

又由于反激开关电源在DCM(Discontinuous Conduction Mode，断续工作模式)时：

$P_{\mathrm{ind}}=\frac{1}{2}*L_P*I_P^2*f---\left(2\right)$

其中，

P_ind是电感中存储的能量；

L_P是初级线圈的电感量；

f是功率开关的开关频率；

由于电感中存储的能量P_ind与输出功率P_out相等，因此，上述公式(1)、(2)可以得出：

$I_{\mathrm{OUT}}=\frac{L_p\×I_P^2\×f}{2\×(V_{\mathrm{OUT}}+V_D)}---\left(3\right)$

由于工作温度、工作电源等条件的影响，初级线圈电流I_P的值很难保持恒定，并且当批量生产时，由于制造工艺的影响，系统分立器件(如检测电阻)存在不一致性，如此，初级线圈电流I_P很难保持一致，这就需要增加补偿电路对初级线圈电流I_P进行补偿，使其保持一致。因此，利用输出电压的反馈信号控制调制系统的频率，并同时使初级线圈电流I_P保持恒定的方法，使得控制电路变得复杂，增大了芯片和系统的成本。

发明内容

本发明的目的是针对在控制开关电源输出电流恒定时存在的成本偏高的问题，提供结构简单、成本较低的控制开关电源输出电流的方法，以及能够实现该方法的控制器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种控制开关电源输出电流的方法，所述开关电源包括变压器，在该变压器的初级边具有控制开关电源输出电流的功率开关，该方法包括以下步骤：

在所述变压器的初级边对开关电源的输出电压或者其等效信号进行采样，得到输出电压的缩放信号，同时，对初级线圈电流或其等效信号进行采样，得到初级线圈电流的缩放信号；

对采样到的初级线圈电流的缩放信号进行平方处理，得到待比较电流平方信号；

对输出电压的缩放信号与待比较电流平方信号进行比较，得到电流使能信号，如果待比较电流平方信号小于或等于输出电压的缩放信号，则电流使能信号不关断所述功率开关，否则，电流使能信号关断所述的功率开关。

优选的是，得到输出电压的缩放信号后，还包括对其进行滤波和放大处理的步骤，得到待比较电压信号，再与所述的待比较电流平方信号进行比较而得到所述的电流使能信号，如果待比较电流平方信号小于或等于待比较电压信号，电流使能信号不关断所述功率开关，否则，电流使能信号关断所述功率开关。

优选的是，在得到所述输出电压的缩放信号和初级线圈电流的缩放信号后还包括以下步骤：

对输出电压的缩放信号进行另一滤波和放大处理，得到输出电压的第一缩放信号；

对输出电压的第一缩放信号和初级线圈电流的缩放信号进行比较，得到脉宽控制信号；如果初级线圈电流的缩放信号小于或等于输出电压的第一缩放信号，脉宽控制信号不关断所述功率开关，否则，脉宽控制信号关断所述功率开关；

将所述的脉宽控制信号和电流使能信号进行数字逻辑处理后共同控制所述功率开关的导通与截止，进而保持开关电源的输出电流恒定。

优选的是，还包括以下步骤：

对所述开关电源进行欠压检测、过压检测，以及过温检测的处理过程，检测后输出保护使能信号，如果检测到欠压、过压，或者过温现象，则保护使能信号关断所述功率开关，否则不关断所述功率开关；

将所述的脉宽控制信号、电流使能信号，以及保护使能信号进行数字逻辑处理后共同控制所述功率开关的导通与截止，进而保持开关电源的输出电流恒定。

一种控制器，其对外端口包括电压采样端口，接入采样到的输出电压的缩放信号；电流采样端口，接入采样到的初级线圈电流的缩放信号；以及，控制输出端口，与所述功率开关的控制端连接；控制器的内部包括电流控制模块，该电流控制模块包括：

乘法器或者平方电路，其输入端与所述的电流采样端口电连接，对采样到的初级线圈电流的缩放信号进行平方处理，得到待比较电流平方信号；以及，

比较器，其两个输入端分别与电压采样端口和乘法器或者平方电路的输出端连接，对输出电压的缩放信号与待比较电流平方信号进行比较，输出电流使能信号，比较器的输出端与所述的控制输出端口电连接。

一种控制器，其对外端口包括电压采样端口，接入采样到的输出电压的缩放信号；电流采样端口，接入采样到的初级线圈电流的缩放信号；以及，控制输出端口，与所述功率开关的控制端连接；控制器的内部包括电流控制模块，该电流控制模块包括

增益滤波器，其输入端与所述的电压采样端口电连接，对采样到的输出电压的缩放信号进行滤波和放大处理，得到待比较电压信号；

乘法器或者平方电路，其输入端与所述的电流采样端口电连接，对采样到的初级线圈电流的缩放信号进行平方处理，得到待比较电流平方信号；以及，

比较器，其两个输入端分别与增益滤波器和乘法器或者平方电路的输出端连接，对待比较电压信号和待比较电流平方信号进行比较，输出电流使能信号，比较器的输出端与所述的控制输出端口电连接。

一种控制器，其对外端口包括电压采样端口，接入采样到的输出电压的缩放信号；电流采样端口，接入采样到的初级线圈电流的缩放信号；以及，控制输出端口，与所述功率开关的控制端连接；控制器的内部包括

电流控制模块，包括增益滤波器，其输入端与所述的电压采样端口电连接，对采样到的输出电压的缩放信号进行滤波和放大处理，得到待比较电压信号；乘法器或者平方电路，其输入端与所述的电流采样端口电连接，对采样到的初级线圈电流的缩放信号进行平方处理，得到待比较电流平方信号；以及，比较器，其两个输入端分别与增益滤波器和乘法器或者平方电路的输出端连接，对待比较电压信号和待比较电流平方信号进行比较，比较器的输出端与控制输出端口电连接，输出电流使能信号；

时钟电路，为所述控制器的内部提供时钟信号；

PWM脉宽调制电路，包括第一增益滤波器和第一比较器，其中，第一增益滤波器的输入端与电压采样端口电连接，对输出电压的缩放信号进行另一滤波和放大处理，得到输出电压的第一缩放信号；第一增益滤波器的输出端和电流采样端口分别与所述的第一比较器的两个输入端电连接，第一比较器对输出电压的第一缩放信号和初级线圈电流的缩放信号进行比较，通过第一比较器的输出端输出脉宽控制信号；

保护电路，对所述控制器进行电源的欠压保护、过压保护，以及过温保护，其输出端输出保护使能信号；以及，

数字逻辑处理电路，接收所述的时钟信号、脉宽控制信号、保护使能信号，以及电流使能信号，并进行逻辑处理；所述数字逻辑处理电路的输出端与控制输出端口电连接，通过时钟信号、脉宽控制信号、保护使能信号，和所述的电流使能信号共同控制功率开关的导通与截止。

本发明所述方法的有益之处是：一方面，在开关电源的变压器初级边检测输出电压或者输出电压等效信号的变化，所以不必在初级边和次级边之间增加隔离器件，降低了系统成本，也提高了效率；另一方面，当设计的开关电源的变压器确定了，则初级线圈的电感量L_P是恒定的，将开关电源的功率开关的开关频率f保持恒定，由公式(3)可知，如果有：

$\frac{I_P^2}{(V_{\mathrm{OUT}}+V_D)}=\mathrm{\κ}---\left(4\right)$

其中，κ为初级线圈电流I_P的平方与输出电压V_OUT和变压器次级边上整流二极管的导通压降V_D之和的比值。

如果比值κ为一个恒定的常数，即保持初级线圈电流的平方或者初级线圈电流等效信号的平方与输出电压或者输出电压等效信号为线形关系，即可保持开关电源的输出电流I_OUT恒定；此种方法不需要增加补偿电路对初级线圈电流I_P进行补偿，因此，可以简化电路，降低系统成本。

本发明所述控制器的有益之处是：该控制器可对外部输入的电压通过增益器进行滤波、采样和放大处理，对外部输入的电流通过乘法器或者平方电路进行平方处理，并对增益器和乘法器或者平方电路的输出信号进行比较后输出对外的控制信号，能够较好地实现本发明所述的控制开关电源输出电流的方法，并且具有结构简单、成本低的特点。

附图说明

图1为实现本发明所述的方法的电路原理图；

图2为图1中所述控制器的结构框图。

具体实施方式

图1所示为反激型开关电源的应用示意图，反激型开关电源由功率开关105、反激型变压器104、电阻器102，201、202、106，电容器101、110，二极管103、109和控制器200组成。由图1可知，变压器104的输出电压，即负载电压V_OUT与整流二极管的导通压降V_D的和，与初级边辅助线圈的感应电压V_a之间为线性关系，即：

V_a＝n(V_OUT+V_D)    (5)

其中，n为次级线圈与辅助线圈的匝数比。

而电阻器201与电阻器202对辅助线圈的感应电压V_a进行分压，所以，通过检测电阻器202的电压，即可检测到输出电压V_s的缩放信号，检测到的电阻器202两端的电压输入至控制器200的电压采样端口VFB。通过检测电阻器106(电阻器106可以集成到控制器200的内部)两端的电压，即可检测到初级线圈电流I_P的值，电阻器106两端的电压作为初级线圈电流I_P的等效信号，即初级线圈电流I_P的缩放信号(经过处理可以得到缩放比例为1的初级线圈电流I_P的信号)，输入至控制器200的电流采样端口VS。

由图2可知，控制器200包括电流控制模块21，其包括增益滤波器2102，增益滤波器的输入端与电压采样端口VFB电连接。乘法器2102(或者平方电路)的输入端与电流采样端口VS电连接。

比较器2103，其两个输入端分别与增益滤波器2102和乘法器2101(或者平方电路)的输出端连接。电阻器202两端的电压通过电压采样端口VFB输入至增益滤波器2102的输入端，由增益滤波器2102对电阻器202两端的电压进行滤波、采样和放大处理，得到待比较电压信号k₂*(V_OUT+V_D)。而电阻器106两端的电压通过电流采样端口VS输入至乘法器2101的输入端，经过乘法器2102处理后得到待比较电流平方信号k₁*I_P ²。待比较电压信号k₂*(V_OUT+V_D)和待比较电流平方信号k₁*I_P ²(该待比较电流平方信号k₁*I_P ²实际为可以表示初级线圈电流平方信号的电压信号)分别输入至比较器2103的两个输入端，经比较器2103的比较产生电流使能信号I_en。

如果待比较电流平方信号k₁*I_P ²小于或等于待比较电压信号k₂*(V_OUT+V_D)，则电流使能信号I_en为高电平(也可以设置为低)，则不关断功率开关105(在本例中可以选择MOS管或者三极管)，如果待比较电流平方信号k₁*I_P ²大于待比较电压信号k₂*(V_OUT+V_D)，则电流使能信号I_en为低电平(也可以设置为高电平)，则关断功率开关105。

由图2还可知，控制器200内部还可以包括PWM脉宽调制电路23，其包括第一增益滤波器2301和第一比较器2302。第一增益滤波器2301的输入端与所述的电压采样端口VFB电连接，对检测到的电阻器202两端的电压进行滤波，采样，放大处理，得到输出电压的第一缩放信号k₀*(V_OUT+V_D)。第一比较器2302的一个输入端接入输出电压的第一缩放信号k₀*(V_OUT+V_D)，另一个输入端接入初级线圈电流I_P的缩放信号，如果初级线圈电流I_P的缩放信号小于或等于输出电压的第一缩放信号k₀*(V_OUT+V_D)，第一比较器2302输出的脉宽控制信号PWM为高电平(也可以设置为低电平)，不关断功率开关105，否则，脉宽控制信号PWM为低电平(也可以设置为高电平)，关断功率开关105。

所述的脉宽控制信号PWM可以与电流使能信号I_en输入至数字逻辑处理电路22进行数字逻辑处理后共同控制功率开关105的导通与截止，进而保持开关电源的输出电流恒定。

同时，控制器200的内部，除了设置有电流控制模块21、PWM脉宽调制电路23、数字逻辑处理电路22之外，还可以设置电源产生模块27、基准电路26、时钟电路24、保护电路25等。

其中，电源产生模块27用来产生控制器200内部电路的工作电压，控制器200通过其电源输入端口VCC接入外部电源(电容器101两端的电压)，一般是12V以上的直流电压，电源产生模块27利用电压VCC，产生控制器200内部电路的工作电压(如5V)。内部的基准电路26，时钟电路24，保护电路25，PWM脉宽调制电路23，数字逻辑处理电路22和电流控制模块21等都使用电源产生模块27产生的电源。控制器200的内部电路通过其接地端口GND接地。

基准电路26产生内部电路需要的基准电压和基准电流，如比较器2103和第一比较器2302的偏置电流等。

时钟电路24产生控制器200和系统的工作时钟。

保护电路25对通过电源输入端口VCC接入的外部电源进行电源欠压保护、过压保护以及过温保护，输出保护使能信号P_en，当电源发生过压或欠压或过温时，保护使能信号P_en输出为逻辑低电平(也可以为高电平)，控制功率开关105截止，从而保护控制器200和整个系统。

数字逻辑处理电路22接收时钟信号F_OSC、脉宽控制信号PWM、保护使能信号P_en，和所述的电流使能信号I_en，并进行逻辑处理，通过控制输出端口OUT输出功率开关控制信号至功率开关105的控制端，通过时钟信号F_OSC、电流使能信号I_en、脉宽控制信号PWM，和保护使能信号P_en，共同控制功率开关105的导通与截止，实现对系统的调制。如果时钟信号F_OSC、电流使能信号I_en、脉宽控制信号PWM，和保护使能信号P_en之一出现低电平时(也可以为高电平，通过数字逻辑处理电路22进行转换处理)，功率开关105关断，否则功率开关105导通。

另外，为了能够更好地恒定输出电流，可以加入一些补偿电路，补偿系统的寄生参数等。

随着集成度的提高和工艺的发展，功率开关105同样可以集成到控制器200的内部。

综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种控制开关电源输出电流的方法，所述开关电源包括变压器，在该变压器的初级边具有控制开关电源输出电流的功率开关，其特征在于：该方法包括以下步骤：

在所述变压器的初级边对开关电源的输出电压或者其等效信号进行采样，得到输出电压的缩放信号，同时，对初级线圈电流或其等效信号进行采样，得到初级线圈电流的缩放信号；

对采样到的初级线圈电流的缩放信号进行平方处理，得到待比较电流平方信号；

对输出电压的缩放信号与待比较电流平方信号进行比较，得到电流使能信号，如果待比较电流平方信号小于或等于输出电压的缩放信号，则电流使能信号不关断所述功率开关，否则，电流使能信号关断所述的功率开关。

2.根据权利要求1所述的控制开关电源输出电流的方法，其特征在于：得到输出电压的缩放信号后，还包括对其进行滤波和放大处理的步骤，得到待比较电压信号，再与所述的待比较电流平方信号进行比较而得到所述的电流使能信号，如果待比较电流平方信号小于或等于待比较电压信号，电流使能信号不关断所述功率开关，否则，电流使能信号关断所述功率开关。

3.根据权利要求2所述的一种控制开关电源输出电流的方法，其特征在于：在得到所述输出电压的缩放信号和初级线圈电流的缩放信号后还包括以下步骤：

对输出电压的缩放信号进行另一滤波和放大处理，得到输出电压的第一缩放信号；

对输出电压的第一缩放信号和初级线圈电流的缩放信号进行比较，得到脉宽控制信号；如果初级线圈电流的缩放信号小于或等于输出电压的第一缩放信号，脉宽控制信号不关断所述功率开关，否则，脉宽控制信号关断所述功率开关；

将所述的脉宽控制信号和电流使能信号进行数字逻辑处理后共同控制所述功率开关的导通与截止，进而保持开关电源的输出电流恒定。

4.根据权利要求3所述的控制开关电源输出电流的方法，其特征在于：还包括以下步骤：

对所述开关电源进行欠压检测、过压检测，以及过温检测的处理过程，检测后输出保护使能信号，如果检测到欠压、过压，或者过温现象，则保护使能信号关断所述功率开关，否则不关断所述功率开关；

将所述的脉宽控制信号、电流使能信号，以及保护使能信号进行数字逻辑处理后共同控制所述功率开关的导通与截止，进而保持开关电源的输出电流恒定。

5.实现权利要求1所述控制开关电源输出电流的方法的一种控制器，其特征在于：控制器的对外端口包括电压采样端口，接入采样到的输出电压的缩放信号；电流采样端口，接入采样到的初级线圈电流的缩放信号；以及，控制输出端口，与所述功率开关的控制端连接；控制器的内部包括电流控制模块，该电流控制模块包括：

乘法器或者平方电路，其输入端与所述的电流采样端口电连接；以及，

比较器，其两个输入端分别与电压采样端口和乘法器或者平方电路的输出端连接，其输出端与所述的控制输出端口电连接。

6.实现权利要求2所述控制开关电源输出电流的方法的一种控制器，其特征在于：控制器的对外端口包括电压采样端口，接入采样到的输出电压的缩放信号；电流采样端口，接入采样到的初级线圈电流的缩放信号；以及，控制输出端口，与所述功率开关的控制端连接；控制器的内部包括电流控制模块，该电流控制模块包括

增益滤波器，其输入端与所述的电压采样端口电连接；

乘法器或者平方电路，其输入端与所述的电流采样端口电连接；以及，

比较器，其两个输入端分别与增益滤波器和乘法器或者平方电路的输出端连接，其输出端与所述的控制输出端口电连接。

7.实现权利要求4所述控制开关电源输出电流的方法的一种控制器，其特征在于：控制器的对外端口包括电压采样端口，接入采样到的输出电压的缩放信号；电流采样端口，接入采样到的初级线圈电流的缩放信号；以及，控制输出端口，与所述功率开关的控制端连接；控制器的内部包括：

电流控制模块，包括

增益滤波器，其输入端与所述的电压采样端口电连接；

乘法器或者平方电路，其输入端与所述的电流采样端口电连接；以及，

比较器，其两个输入端分别与增益滤波器和乘法器或者平方电路的输出端连接，比较器的输出端与所述控制输出端口电连接，输出所述的电流使能信号；

时钟电路，为所述控制器的内部提供时钟信号；

PWM脉宽调制电路，包括第一增益滤波器和第一比较器，其中，第一增益滤波器的输入端与电压采样端口电连接，第一增益滤波器的输出端和电流采样端口分别与所述的第一比较器的两个输入端电连接；第一比较器的输出端输出所述的脉宽控制信号；

保护电路，对所述控制器进行电源的欠压保护、过压保护，以及过温保护，其输出端输出保护使能信号；以及，

数字逻辑处理电路，接收所述的时钟信号、脉宽控制信号、保护使能信号，以及电流使能信号，并进行逻辑处理；所述数字逻辑处理电路的输出端与控制输出端口电连接，通过时钟信号、脉宽控制信号、保护使能信号，和所述的电流使能信号共同控制功率开关的导通与截止。

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