CN101489336B - 一种恒流源控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恒流源控制电路，包括主电路、基准电容电路、压控电流源电路、开关管控制电路，其特征在于所述的主电路为包括电感L1、电感电流检测电阻SR1和第一开关管SQ1的功率变换电路；所述的基准电容电路包括基准电容SC3和第二开关管SQ3；所述的压控电流源电路，用于给基准电容SC3充电，其电流大小与输出电压UO成正比；所述的开关管控制模块同步控制第一开关管SQ1和第二开关管SQ3的通断，并控制输出电压UO与开关管的关断时间toff的乘积为常数。本发明具有结构简单、成本低、效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种恒流源的控制电路。更具体地说，本发明涉及一种驱动LED的恒流源的控制和驱动电路。
背景技术
随着大功率LED技术的发展与成熟，照明用LED的性能指标日益大幅度提高。目前产业化的白光LED的光效已经达到(70-90)lm/W，远远超过普通白炽灯的光效水平，大功率LED将在照明领域得到越来越广泛的应用，人们把它誉为21世纪代替荧光灯和白炽灯的第四代照明光源。
由于LED灯根据其LED数量的不同，电压变化范围较大，且LED的驱动电流要是恒流才能获得很高的光效和很长的寿命，因此对驱动LED灯的电流波动范围的限制要求较高(一般5％)。
现有的恒流功率变换电路效率低、电路复杂、不易于控制、使用范围不广等，影响了它的使用。在现有技术中，如图1所示为恒流装置(US.Patent NO.6954058B2，On OCt，11，2005)，电路复杂，实现困难，成本高。如图2所示为反馈电压和参考输出电压的变换器(US.Patent NO.7317302 B1，On Jan，8，2008)，为恒压输出，限制了其使用范围。
对于输出浮地的Buck变流器，其一般的恒流控制方式都需要通过采样输出电流来获得恒定的输出电流，而且需要增加光耦等隔离放大电路将电流信号放大，这些都会增加成本和电路的复杂程度，降低了可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足而提供一种简单的无需输出采样电阻的恒流控制方式。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种CCM模式的恒流源控制电路，包括主电路、基准电容电路、电压控制电流源电路、开关管控制电路，其特征在于所述的主电路为包括电感L1、电感电流检测电阻SR1和第一开关管SQ1的功率变换电路；所述的基准电容电路包括基准电容SC3和第二开关管SQ3；所述的电压控制电流源电路，用于给基准电容SC3充电，其电流大小与输出电压UO成正比；所述的开关管控制电路同步控制第一开关管SQ1和第二开关管SQ3的通断，并控制输出电压UO与开关管的关断时间toff的乘积为常数；所述的主电路可以是符合条件的任何一种功率变换电路，一个优选的实施方式是：包括二极管SD1、检测电流电阻SR1、电感L1、电容SC1、电容SC2和第一开关管SQ1，所述的第一开关管SQ1为MOS管，二极管SD1的阴极接电容SC1的一端和电容SC2的一端，阳极接电感L1的一端；电容SC1一端接输入正端A，另一端接地；电阻SR1的一端接MOS管SQ1的源极，另一端接地；MOS管的漏极接电感L1的一端和二极管SD1的阳极；电容SC2的另一端接电感L1的另一端；根据本发明，所述的基准电容电路可以是任何一种条件的电路，一个优选的实施方式是包括二极管SD2、电阻SR3、电容SC3和第二开关管SQ3，所述的第二开关管SQ3为MOS管，二极管SD2的阴极接MOS管SQ3的漏极、电阻SR3的一端和电压控制电流源电路的输出D，阳极接电容SC3的一端和电阻SR3的另一端；电容SC3的另一端和MOS管SQ3的源极接地；所述的电压控制电流源电路可以是任何一种符合条件的电路，一个优选的实施方式是包括三极管SQ2和电阻SR2，所述的三极管SQ2为PNP型管，三极管SQ2的基极接输出负端B，三极管SQ2的发射极接电阻SR2的一端，三极管SQ2的集电极接基准电容电路；电阻SR2的另一端接输入正端A；所述的开关管控制电路可以是任何一种符合条件的电路，一个优选的实施方式是包括比较器、振荡器、控制电路和驱动电路，比较器的输入负端接检测电流电阻SR1的正端，比较器的输入正端接设定电压Vref，输出接控制器输入；振荡器的输入接电压控制电流源电路与基准电容电路的连接点D，振荡器的输出接控制电路输入；控制电路的输出接驱动电路；驱动电路的输出C接第一开关管SQ1和第二开关管SQ2的门极。开关管控制电路可为具有相同功能的PWM控制功能块。
本发明使电感峰值电流恒定，并且控制电感电流纹波量恒定来达到使输出电流恒定的目的。电流纹波控制恒流控制电路，主要通过检测输出电压，产生一个控制信号，这个控制信号用来使主电路中开关的关断时间与输出电压的乘积为一个常数，从而获得恒定的电流变化量。在这个基础上，采用峰值电流模式控制，就能够获得相对恒定的平均电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、恒流控制电路结构简单，降低了成本，提高效率。
2、无须电流采样就可以获得恒定电感电流，降低成本。
3、可以用于开关管接地的Buck拓扑直接实现恒流输出，无须隔离电流信号采样，特别适合于高压应用场合。
如图3所示，恒流控制电路的算法框图，电压控制电流源
给基准电容电路充电，当电容电压达到基准值UC时，触发开关管开通，充电时间即为开关管关断时间
BUCK电路中电感电流即为输出电流，所以
将式(1)(2)代入式(3)中，得
(4)，其中UC为基准电容基准电压值，C为基准电容值，R为电压控制电流源中电阻值，L为BUCK电路电感值。所以当C、R、L确定后，ΔIO为定值。再加上峰值电流控制Ipeak恒定，即实现了恒流。
本发明还要提供一种BCM模式的恒流源控制电路，包括主电路、零电流检测电路、开关管控制电路，其特征在于所述的主电路为包括电感L1、电感电流检测电阻SR1和第一开关管SQ1的功率变换电路；当零电流检测电路检测电感中的电流为零时，所述的开关管控制电路控制所述的第一开关管SQ1开通；当电感流检测电阻SR1的电压达到设定值时，信号控制第一开关管SQ1关断，从而控制输出电流峰值恒定；所述的主电路包括二极管SD1、检测电流电阻SR1、电感L1、电容SC1、电容SC2和第一开关管SQ1，所述的第一开关管SQ1为MOS管，二极管SD1的阴极接电容SC1的一端和电容SC2的一端，阳极接电感L1的一端；电容SC1一端接输入正端A，另一端接地；电阻SR1的一端接MOS管SQ1的源极，另一端接地；MOS管的漏极接电感L1的一端和二极管SD1的阳极；电容SC2的另一端接电感L1的另一端；所述的开关管控制电路包括滞回比较器、比较器、控制电路和驱动电路，比较器的负端接检测电流电阻SR1的一端；滞回比较器的负端接电阻SR5的一端；滞回比较器的输出和比较器的输出接控制电路；控制电路的输出接驱动电路；驱动电路的输出接MOS管SQ1的门极。开关管控制电路可为具有相同功能的PWM控制功能块；所述的零电流检测电路包括与电感L1耦合的电感辅助绕组L2和电阻SR5，电感辅助绕组L2的一端接电阻SR5的一端，另一端接地；电阻SR5的另一端接开关管控制电路的滞回比较器的负端。
与CCM模式的恒流源控制电路相比，BCM模式的恒流源控制电路，只需控制电感峰值电流恒定来达到使输出电流恒定的目的。
参照图3，当主电路工作在临界断续时，则可以将检测电路简化为本发明BCM模式的恒流源控制电路，只需要保持峰值恒定就可以获得恒定的平均电流。如图4b所示，连续电流模式CCM，在峰值电流恒定的条件下，通过控制ΔIo恒定来使平均电流Io恒定。因为
若UO*toff恒定即可保证Io恒定。如图4d所示，临界连续电流模式BCM，控制ΔIo大小恒定来使Io恒定。因为
若Ipeak恒定即可保证Io恒定。当Io上升至Ipeak时，通过检测电流电阻上的电压来控制开关管关断，从而实现Ipeak恒定。
本发明可以应用于Boost和Buck-boost等拓扑，同样可以实现电感电流恒定，与Buck相比的差别在于电感电流不等于输出电流。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为现有技术中恒流装置电路图。
图2为现有技术中恒压输出变换器电路图。
图3为电流纹波控制恒流控制电路的算法框图。
图4a-4d为本发明控制恒流运行的时序图。
图5为本发明CCM电流纹波控制恒流功率变换器电路框图。
图6为本发明BCM电流纹波控制恒流功率变换器电路框图。
图7为图5实施方式在BUCK应用的电路图。
图8为图6实施方式在BUCK应用的电路图。
具体实施方式
参照附图4(a)-4(d)，曲线4(a)为开关管门极电压波形，曲线4(b)为CCM下电感电流波形，曲线4(c)为基准电容电压波形，曲线4(d)为BCM下电感电流波形。其中Io为输出电流平均值，Ipeak为输出电流最大值，Ival为输出电流最小值，ΔIo为输出电流纹波量。在ton时间内，开关管开通，基准电容放电，其电压迅速下降，同时电感电流上升至Ipeak时，开关管关断。此时，开关管由开通转为关断，输出电流达到峰值Ipeak。在toff时间内，电压控制电流源给基准电容充电，基准电容电压上升至UC(UC为基准电容电压基准值)，开关管再次开通，同时，电感电流下降至Ival，ΔIo＝Ipeak-Ival。此时，开关管由关断转为开通。控制ΔIo和Ipeak恒定则Io恒定。在临界连续电流模式(BCM)下，输出电流最小值为零。在ton时间内，开关管开通，电感电流上升。上升至Ipeak时，开关管关断。电感电流下降，下降至零时，开关管再次开通，
ΔIo恒定则Io恒定。
参照附图5，应用本发明的控制的恒流功率变换器电路框图，包括主电路、电压控制电流源电路、基准电容电路、开关管控制电路。
所述的主电路，为带有电感电流检测电阻的功率变换电路。
所述的电压控制电流源电路，其电流大小与UO成正比。电压控制电流源的电流给基准电容充电来控制开关管关断的时间toff。UO越大，基准电容充电时间越短，即toff越小，反之亦然。从而实现UO*toff恒定。
所述的基准电容模块，基准电容与另一开关管并联，此开关管与主电路的开关管均由开关管控制电路控制。开关管关断的时间toff内，电压控制电流源的电流给基准电容充电。开关管开通的时间ton内，基准电容放电。
所述的开关管控制电路，将振荡器信号与检测电流电阻信号处理，来控制开关管的通断。基准电容的电压达到设定值时，触发振荡器，振荡器的信号控制开关管开通。检测电流电阻的电压达到设定值时，触发比较器，比较器的信号控制开关管关断。开关管控制电路可为具有相同功能的PWM控制功能块。
参照附图6，应用本发明在BCM方式下恒流功率变换器电路框图，包括主电路、零电流检测电路、开关管控制电路。
所述的主电路，为带有电感电流检测电阻的功率变换电路。
所述的开关管控制电路，将滞回比较器信号与检测电流电阻信号处理，来控制开关管的通断。当零电流检测电路检测电感中的电流为零时，触发滞回比较器，滞回比较器的信号控制开关管开通。检测电流电阻的电压达到设定值时，触发比较器，比较器的信号控制开关管关断。开关管控制电路可为具有相同功能的PWM控制功能块。
参照附图7，本发明的CCM实施方式在BUCK应用的电路图，包括主电路、电压控制电流源电路、基准电容电路、开关管控制电路。
所述的主电路由二极管SD1，检测电流电阻SR1，电感L1，电容SC1、电容SC2和MOS管SQ1组成。二极管SD1的阴极接电容SC1的一端和电容SC2的一端，阳极接电感L1的一端；电容SC1一端接输入正端A点，另一端接地；电阻SR1的一端接MOS管SQ1的源极，另一端接地；MOS管的漏极接电感L1的一端和二极管SD1的阳极；电容SC2的另一端接电感L1的另一端。
驱动信号开通MOS管SQ1时，电流经电容SC2、电感L1、MOS管SQ1和电阻SR1流过，电感L1中电流上升；驱动信号关断MOS管SQ1时，电流流经电容SC2、电感L1、和二极管SD1，电感L1中电流下降。电感电流即为输出电流。
所述的电压控制电流源电路由三极管SQ2和电阻SR2组成。所述的三极管SQ2为PNP型管，三极管SQ2的基极接电容SC2的一端即B点，三极管SQ2的发射极接电阻SR2的一端，三极管SQ2的集电极接电阻SR3的一端即D点；电阻SR2的另一端接输入即A点。
当输出电压UO变化时，B点电压值的变化，引起流过电阻SR2和三极管SQ2发射极的电流IC变化，
IC即为给基准电容充电电流。
所述的基准电容电路包括二极管SD2、电阻SR3、电容SC3和MOS管SQ3。二极管SD2的阴极接MOS管SQ3的漏极和电阻SR3的一端，阳极接电容SC3的一端；电容SC3的另一端接地；电阻SR3的一端接D点；MOS管SQ3的漏极接D点，源极接地。
开关管关断的时间toff内，电压控制电流源的电流IC给基准电容SC3充电。开关管开通的时间ton内，基准电容SC3放电。
UC为基准电容电压基准值。
所述的开关管控制电路包括比较器、振荡器、控制电路和驱动电路。比较器的负端接检测电流电阻SR1的一端；振荡器接D点；振荡器的输出和比较器的输出接控制电路；控制电路的输出接驱动电路；驱动电路的输出接MOS管SQ1和MOS管SQ2的门极即C点。基准电容的电压达到基准值时，触发振荡器，振荡器的信号控制开关管开通。检测峰值电流电阻的电压达到基准值时，触发比较器，比较器的信号控制开关管关断。
参照附图8，本发明的BCM实施方式在BUCK应用的电路图，包括主电路、零电流检测电路、开关管控制电路。与图6实施方式的CCM实施方式在BUCK应用的电路相比主要是控制开关管开通的模块进行了调整，其余结构不变。
所述的零电流检测电路包括电感辅助绕组L2和电阻SR5。电感辅助绕组L2的一端接电阻SR5的一端，另一端接地；电阻SR5的另一端接开关管控制电路的滞回比较器的负端。
所述的开关管控制电路包括滞回比较器、比较器、控制电路和驱动电路。开关管控制电路可为具有相同功能的IC。比较器的负端接检测电流电阻SR1的一端；滞回比较器的负端接电阻SR5的一端；滞回比较器的输出和比较器的输出接控制电路；控制电路的输出接驱动电路；驱动电路的输出接MOS管SQ1的门极。当零电流检测电路检测电感中的电流为零时，触发滞回比较器，滞回比较器的信号控制开关管开通。检测电流电阻的电压达到设定值时，触发比较器，比较器的信号控制开关管关断。Usense＝RSR1*Ipeak＝2*RSR1*Io
本发明的发明点是：通过控制输出电流纹波量ΔIo恒定和峰值电流Ipeak恒定来实现输出电流平均值恒定。本发明电路相对简单、体积小、效率高，成本低，实现容易，使用方便，是一个非常有实用价值和经济效益的发明。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是发明的保护范围。
应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种CCM模式的恒流源控制电路，包括主电路、基准电容电路、电压控制电流源电路、开关管控制电路，其特征在于所述的主电路为包括电感L1、电感电流检测电阻SR1和第一开关管SQ1的功率变换电路；所述的基准电容电路包括基准电容SC3和第二开关管SQ3；所述的电压控制电流源电路，用于给基准电容SC3充电，其电流大小与输出电压UO成正比；所述的开关管控制电路同步控制第一开关管SQ1和第二开关管SQ3的通断，并控制输出电压UO与开关管的关断时间toff的乘积为常数；
所述的主电路包括二极管SD1、检测电流电阻SR1、电感L1、电容SC1、电容SC2和第一开关管SQ1，所述的第一开关管SQ1为MOS管，二极管SD1的阴极接电容SC1的一端和电容SC2的一端，阳极接电感L1的一端；电容SC1一端接输入正端A，另一端接地；电阻SR1的一端接MOS管SQ1的源极，另一端接地；MOS管的漏极接电感L1的一端和二极管SD1的阳极；电容SC2的另一端接电感L1的另一端；所述的基准电容电路包括二极管SD2、电阻SR3、电容SC3和第二开关管SQ3，所述的第二开关管SQ3为MOS管，二极管SD2的阴极接MOS管SQ3的漏极、电阻SR3的一端和电压控制电流源电路的输出D，阳极接电容SC3的一端和电阻SR3的另一端；电容SC3的另一端和MOS管SQ3的源极接地；
所述的电压控制电流源电路包括三极管SQ2和电阻SR2，所述的三极管SQ2为PNP型管，三极管SQ2的基极接输出负端B，三极管SQ2的发射极接电阻SR2的一端，三极管SQ2的集电极接基准电容电路；电阻SR2的另一端接输入正端A；
所述的开关管控制电路包括比较器、振荡器、控制电路和驱动电路，比较器的输入负端接检测电流电阻SR1的正端，比较器的输入正端接设定电压Vref，输出接控制器输入；振荡器的输入接电压控制电流源电路与基准电容电路的连接点D，振荡器的输出接控制电路输入；控制电路的输出接驱动电路；驱动电路的输出C接第一开关管SQ1和第二开关管SQ2的门极。
2.一种BCM模式的恒流源控制电路，包括主电路、零电流检测电路、开关管控制电路，其特征在于所述的主电路为包括电感L1、电感电流检测电阻SR1和第一开关管SQ1的功率变换电路；当零电流检测电路检测电感中的电流为零时，所述的开关管控制电路控制所述的第一开关管SQ1开通；当电感流检测电阻SR1的电压达到设定值时，信号控制第一开关管SQ1关断，从而控制输出电流峰值恒定；
所述的主电路包括二极管SD1、检测电流电阻SR1、电感L1、电容SC1、电容SC2和第一开关管SQ1，所述的第一开关管SQ1为MOS管，二极管SD1的阴极接电容SC1的一端和电容SC2的一端，阳极接电感L1的一端；电容SC1一端接输入正端A，另一端接地；电阻SR1的一端接MOS管SQ1的源极，另一端接地；MOS管的漏极接电感L1的一端和二极管SD1的阳极；电容SC2的另一端接电感L1的另一端；所述的开关管控制电路包括滞回比较器、比较器、控制电路和驱动电路，比较器的负端接检测电流电阻SR1的一端；滞回比较器的负端接电阻SR5的一端；滞回比较器的输出和比较器的输出接控制电路；控制电路的输出接驱动电路；驱动电路的输出接MOS管SQ1的门极；
所述的零电流检测电路包括与电感L1耦合的电感辅助绕组L2和电阻SR5，电感辅助绕组L2的一端接电阻SR5的一端，另一端接地；电阻SR5的另一端接开关管控制电路的滞回比较器的负端。
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| PB01 | Publication | ||
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Owner name: SHENZHEN MOSO POWER SUPPLY TECHNOLOGY CO., LTD Free format text: FORMER OWNER: INVENTRONICS (HANGZHOU) CO., LTD. Effective date: 20100330 Free format text: FORMER OWNER: HANGZHOU SHUOMAO POWER SOURCE TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD. |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 310053 309, TOWER B, DONGFANG COMMUNICATIONS CITY, NO.66, DONGXIN AVENUE, BINJIANG DISTRICT, HANGZHOU CITY, ZHEJIANG PROVINCE TO: 310053 MAOSHUO SCIENCE AND TECHNOLOGY PARK, XILI TOWN, NANSHAN DISTRICT, SHENZHEN CITY |
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