CN101511141B - 开关电源电感电流控制技术 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种开关电源电感电流控制技术，采用智能关断时间控制器自动调整功率开关的关断时间以控制功率级中电感开启时刻的电流，智能关断时间控制器的输入端连接功率开关的漏端，智能关断时间控制器的输出端连接驱动单元的使能端，利用电感开启时刻的电流大小控制电感的关断时间，通过反馈最终将电感开启时刻的电流控制在指定值。其优点是：既控制了功率开关开启期间的电流，也控制了其关断时期的电流；电流检测电阻只在功率开启期间流过电流，提高了系统效率；控制机构不与输入电压直接连接，从根本上改善了系统的输入电压适用范围，降低了成本，同时也方便地补偿了输入电压对平均电流的影响，使发光二极管在不同输入电压下保持恒定的亮度。

Description

开关电源电感电流控制技术

技术领域

本发明属于一种开关电源技术，具体地说是一种开关电源电感电流控制技术。

背景技术

开关电源能量转换效率高，性能可靠，控制灵活，在电源应用中占据着越来越重要的位置。在开关电源的控制方法中，对电感电流的控制相当重要，尤其是在电感直接作为电流驱动器件的时候，比如LED(发光二极管)驱动。图1是LED驱动中常用的一种结构，由功率开关M1，发光二极管，电感L1，续流二极管D3组成功率级，由电流检测电阻R2，振荡器I3，电流限制比较器I2和功率开关驱动单元I4组成控制机构，其中振荡器I3的输出连接驱动单元I4的使能端，电流限制比较器I2的输出连接驱动单元I4的复位端，驱动单元I4连接功率开关M1的控制端，功率开关M1的漏端连接电流检测电阻R2，并输入到电流限制比较器I2；功率开关M1的源端连接发光二极管，电感L1和续流二极管D3。功率开关M1在振荡器I3的上升沿开启，电感L1的电流在输入电压V的作用下不断升高，当电感电流上升到一定程度，电流检测电阻R2上的电压达到电流限制比较器I2设置的阈值VTH的时候，功率开关M1被关断。功率开关M1关断后，电感L1中的电流继续流动，功率开关M1的漏端电压不断升高，使续流二极管开始工作，这样电感L1中的电流逐渐减小，直到下一个振荡器I3的上升沿到来，开始周期运转。

在图1的控制方法下，控制机构只通过电流检测电阻R2检测电感电流。当功率开关M1关闭后，电感L1的电流通过续流二极管D3回流，不经过检测电阻R2，因此控制机构无法检测到电感电流，失去了对电感电流的控制，只能被动的等待下一个振荡周期的到来。这引起了系统设计对元器件参数非常敏感，引起了发光二极管亮度随输入电压V、LED数量和电感感量等参数的变化而剧烈变化。

为了更好的控制电感电流，出现了另一种控制方法，如图2所示，其功率级和图1一样，由功率开关M0，发光二极管，电感L0，续流二极管D1构成。控制机构由电流检测电阻R0，电流转化装置I0和R1，滞回比较器I1组成。电流检测电阻R0和电感、发光二极管串联以检测电感电流，电流转化装置I0和R1以电流检测电阻R0的两端为输入，输出连接到滞回比较器I1，滞回比较器I1的输出驱动功率开关M0的控制端，功率开关的源端直接接地，漏端连接发光二极管和续流二极管D1。在这种控制方法中，电感L0和电流检测电阻R0串联，当R0检测到电感电流不高于滞回比较器I1的初始阈值VTH时，滞回比较器I1输出控制信号开启功率开关M0，电感电流逐渐上升，到达滞回比较器的初始阈值VTH时关断功率开关M0，电感L0中的电流继续流动，使续流二极管开始导通后，电感电流开始下降；在电感电流下降过程中，电流检测电阻R0始终检测着电感电流，当电感电流下降到滞回比较器I1的新阈值时，功率开关再一次开启，开始周期运转。

在图2的控制方法下，电感电流在功率开关M0开启期间和关断期间都得到控制，但出现了新的缺点：

1)检测电阻始终与电感串联，导致功率损失，降低了效率；

2)检测电阻与输入电压直接相连，使具体的控制机构只能适用于一定的输入电压范围；同时在输入电压较高的情形下，导致实现控制机构成本较高；

3)由于驱动单元的延迟，在不同输入电压下，电感电流最大、最小值不同，导致发光二极管亮度不一致。

发明内容

本发明的目的在于设计一种开关电源电感电流控制技术，将保持电感电流在功率开关开启期间和关闭期间的控制，提高系统易用性，同时改善系统效率，改善系统适用的输入电压范围，保持在不同输入电压下电感电流的一致性，降低系统成本。

按照本发明提供的技术方案，所述开关电源电感电流控制技术，包括实现功率管理和转换的功率级，检测电感电流的电流检测电阻，当电流检测电阻检测到的电压达到电流限制比较器的阈值时输出控制信号，控制功率开关关断的电流限制比较器，和用于驱动功率开关的驱动单元，所述电流限制比较器的输出连接驱动单元的复位端，驱动单元的输出端连接功率级中功率开关的控制端，功率开关的漏端连接电流检测电阻，并输入到电流限制比较器。其特征是：采用一个智能关断时间控制器自动调整功率开关的关断时间以控制功率级中电感开启时刻的电流，所述智能关断时间控制器的输入端连接功率开关的漏端，智能关断时间控制器的输出端连接驱动单元的使能端，利用电感开启时刻的电流大小控制电感的关断时间，通过反馈最终将电感开启时刻的电流控制在指定值。

所述功率级包括依次连接的功率开关、发光二极管及电感，还包括与发光二极管及电感反向并联的续流二极管，所述发光二极管的负极和功率开关的源端连接。所述发光二极管为一个发光二极管或几个发光二极管的同向串联，其个数只受输入电压限制。当是几个发光二极管的同向串联时，所述发光二极管的负极指同向串联的最外端一个发光二极管的负极。

所述智能关断时间控制器包括依次连接的采样保持单元、积分器和压控延迟单元；其中，采样保持单元的输入端连接功率开关的漏端，用于采样并保持电流检测电阻在功率开关开启时刻检测到的电压；积分器用于把采样保持单元得到的信号和指定阈值电压VTH_MIN的差值转换成电流并作用于积分器中的积分电容；压控延迟单元的输出端连接驱动单元的使能端，用于把积分器的输出电压转换成一个时间延迟，以控制功率开关的关断时间。

所述功率开关在智能关断时间控制器控制下开启，功率开关开启后，电感的电流流经电流检测电阻；智能关断时间控制器在功率开关开启后启动采样保持单元，获得电感的电流的初始数据，并将所述初始数据送入积分器，通过压控延迟单元来控制关断时间。

如果初始数据小于额定值，则积分器输出电压升高，压控延迟单元所控制的延迟时间也增加，相应地，功率管的关闭时间将延长；相反，如果初始数据大于额定值，则积分器输出电压降低，压控延迟单元所控制的延迟时间减少，相应地，功率管的关断时间将缩短；在周期运转中，电感开启时刻的电流将被控制在指定值。电感电流继续上升，电流检测电阻感知的电压也继续上升，到达电流限制比较器指定的阈值时，电流限制比较器发出关断信号，由驱动单元关断功率开关，使电感中的电流的最大值被控制在电流限制比较器指定的阈值电压VTH。

所述智能关断时间控制器有多种实现方式，另一种实现方式为：所述智能关断时间控制器包括依次连接的采样保持单元、给采样保持单元加上某一延迟时间的延迟单元、模数转换器和数控延迟单元；其中，采样保持单元的输入端通过延迟单元连接功率开关的漏端，用于采样并保持电流检测电阻在功率开关开启时刻检测到的电压；模数转换器用于把采样保持单元得到的信号和指定阈值电压VTH_MIN的差值转换成数字信号；数控延迟单元的输出端连接驱动单元的使能端，用于把模数转换器的输出转换成一个时间延迟，以控制功率开关的关断时间。

本发明的优点是：既控制了功率开关开启期间的电流，也控制了功率开关关断时期(即功率开关开启前一时刻)的电流，使得系统设计变得容易；电流检测电阻只在功率开启期间流过电流，因此提高了系统效率；控制机构不与输入电压直接连接，因此从根本上改善了系统的输入电压适用范围，降低了成本，同时也非常方便地补偿了输入电压对平均电流的影响，使发光二极管在不同输入电压下保持恒定的亮度。

附图说明

图1是LED驱动的原理图。

图2是电感电流的另一种控制方法的原理图。

图3是本发明的原理图。

图4是智能关断时间控制器的一种具体实施电路。

图5是本发明的另一种实现。

具体实施方式

本发明采用独特的控制机构来控制电感电流，基本原理是：基于电感固有特性，电感在开启时刻的电流等于开启前一时刻的电流，而控制开启前一时刻的电流的是功率开关的关断时间、电感值和输入电压。因此，检测开启时刻的电流，并使用这个电流去控制关断时间，就可以控制电感在开启时刻的电流。

如图3所示，功率级和LED驱动的控制方法相同，包括功率开关M3，发光二极管，电感L3，续流二极管D9。控制机构有电流检测电阻R6，电流限制比较器I11，驱动单元I10和一个智能关断时间控制器组成。其中智能关断时间控制器包括依次连接的采样保持单元I90、积分器I91和压控延迟单元I92；其中，采样保持单元I90的输入端连接功率开关M3的漏端，用于采样并保持电流检测电阻R6在功率开关M3开启时刻检测到的电压；积分器I91用于把采样保持单元I90得到的信号和指定阈值电压VTH_MIN的差值转换成电流并作用于积分器I91中的积分电容C1；压控延迟单元I92的输出端连接驱动单元I10的使能端，用于把积分器I91的输出电压转换成一个时间延迟，以控制功率开关M3的关断时间。

智能关断时间控制器的输出端连接驱动单元I10的使能端，电流限制比较器I11的输出连接驱动单元I10的复位端，驱动单元I10连接功率开关M3的控制端，功率开关M3的漏端连接电流检测电阻R6，并输入到电流限制比较器I11。功率开关M3在智能关断时间控制器控制下开启，功率开关M3开启后，电感L3的电流流经电流检测电阻R6；智能关断时间控制器在功率开关M3开启后启动采样保持单元I90，获得电感L3的电流的初始数据，并将所述初始数据送入积分器I91，通过压控延迟单元I92来控制关断时间。如果该数据小于额定值，则积分器I91输出电压升高，压控延迟单元I92所控制的延迟时间也增加，相应地，功率管M3的关闭时间将延长；相反，如果该数据大于额定值，则积分器I91输出电压降低，压控延迟单元I92所控制的延迟时间减少，相应地，功率管M3的关断时间降缩短。这样，在周期运转中，电感L3中的电流的初始值将被控制在额定值。电感电流继续上升，电流检测电阻R6感知的电压也继续上升，到达电流限制比较器I11指定的阈值电压VTH时，电流限制比较器I11发出关断信号，由驱动单元I10关断功率开关M3。这样，电感L3中的电流的最大值也被控制在电流限制比较器I11指定的数值。

在以上过程中，控制机构本身存在延迟，电流限制比较器I11发出关断指令，到功率开关真正关断有一段时间，记为Td，在这段时间，电感电流将继续上升，上升幅度为 $I=\frac{V*\mathrm{Td}}{L},$ 其中V为输入电压，L为电感量。可见随着输入电压的不同，上升幅度不一样，导致实际的电感电流最大值在不同电压下的不一致。但在本发明中，不仅控制电感电流最大值，还控制电感电流的初始值，输入电压的延迟就容易通过初始值和最大值相互抵消。本特性独立于上述控制方法，但上述控制方法给本特性提供了便利。

图4给出了智能关断时间控制器的一种具体实施电路。所述采样保持单元I90包括采样开关S2和保持电容C0，采样保持单元I90用于采样并保存电流检测电阻R6在功率开关M3开启时刻检测到的电压；所述积分器I91包括电流源I0和电容C1及MOS管M4、M5、M6、M7，用于把采样保持单元得到的信号和指定数值VTH_MIN的差值转换成电流并作用于积分电容；所述压控延迟单元I92包括：电流源I1、I2、I3、I4、I5、开关S0、S1和电容C2及MOS管M0、M1、M2、M3、M8、M9、M10，用于把积分器的输出电压转换成一个时间延迟，以控制功率开关的关断时间。

压控延迟单元I92的输出信号控制功率管的关断时间，这样，当检测到的电流大于或者小于指定值时，关断时间通过反馈不断调整，最终使得功率开关开启时刻的电流被控制在指定值，由于功率开关开启前后的电流相等，这样功率开关开启前的电流也被控制在指定值。

本发明的另一种实施方式如图5所示。所述智能关断时间控制器包括依次连接的采样保持单元I90、给采样保持单元I90加上某一延迟时间的延迟单元、模数转换器I93和数控延迟单元I94；其中，采样保持单元I90的输入端通过延迟单元连接功率开关M3的漏端，用于采样并保持电流检测电阻R6在功率开关M3开启时刻检测到的电压；模数转换器I93用于把采样保持单元I90得到的信号和指定电压阈值VTH_MIN的差值转换成数字信号；数控延迟单元I94的输出端连接驱动单元I10的使能端，用于把模数转换器I93的输出转换成一个时间延迟，以控制功率开关M3的关断时间。

以上给出了本发明的具体实现方法，本发明的具体实施方式很多：如电感元件变化为变压器元件；积分器单元变化为数模、模数转换器；压控延迟单元变化为其他形式的受控延迟单元；采样保持单元和积分器合二为一；采样保持单元、积分器、压控延迟单元改变成其他等效电路形式等。

所述电感元件变化为变压器元件是指将各电感L0、L1、L3等替换成变压器，变压器件分为原边和副边，都是电感；可以用原边电感来替换各图中的电感，效果不变。

本发明的特点是：

1本发明在电流检测装置只能检测到功率开关开启期间的电流的情况下，实现在功率开关关断期间对电感电流的控制。

2本发明用电感在开启时刻的电流大小来控制电感的关断时间，通过反馈最终将电感开启电流控制在指定值。

Claims (4)

1.一种开关电源电感电流控制装置，包括实现功率管理和转换的功率级，检测电感电流的电流检测电阻(R6)，当电流检测电阻检测到的电压达到电流限制比较器的阈值时输出控制信号，控制功率开关关断的电流限制比较器(I11)，和用于驱动功率开关的驱动单元(I10)，所述电流限制比较器(I11)的输出连接驱动单元(I10)的复位端，驱动单元(I10)的输出端连接功率级中功率开关(M3)的控制端，功率开关(M3)的漏端连接电流检测电阻(R6)，并输入到电流限制比较(I11)，其特征是：采用一个智能关断时间控制器自动调整功率开关(M3)的关断时间以控制功率级中电感(L3)开启时刻的电流，所述智能关断时间控制器的输入端连接功率开关(M3)的漏端，智能关断时间控制器的输出端连接驱动单元(I10)的使能端，利用电感(L3)开启时刻的电流大小控制电感的关断时间，通过反馈最终将电感(L3)开启时刻的电流控制在指定值；

所述功率级包括依次连接的功率开关(M3)、发光二极管及电感(L3)，还包括与发光二极管及电感(L3)反向并联的续流二极管(D9)，所述发光二极管的负极和功率开关(M3)的源端连接；

所述智能关断时间控制器包括依次连接的采样保持单元(I90)、积分器(I91)和压控延迟单元(I92)；其中，采样保持单元(I90)的输入端连接功率开关(M3)的漏端，用于采样并保持电流检测电阻(R6)在功率开关(M3)开启时刻检测到的电压；积分器(I91)用于把采样保持单元(I90)得到的信号和指定阈值电压(VTH_MIN)的差值转换成电流并作用于积分器(I91)中的积分电容(C1)；压控延迟单元(I92)的输出端连接驱动单元(I10)的使能端，用于把积分器(I91)的输出电压转换成一个时间延迟，以控制功率开关(M3)的关断时间。

2.如权利要求1所述的开关电源电感电流控制装置，其特征是：所述功率开关(M3)在智能关断时间控制器控制下开启，功率开关(M3)开启后，电感(L3)的电流流经电流检测电阻(R6)；智能关断时间控制器在功率开关(M3)开启后启动采样保持单元(I90)，获得电感(L3)的电流的初始数据，并将所述初始数据送入积分器(I91)，通过压控延迟单元(I92)来控制关断时间。

3.如权利要求2所述的开关电源电感电流控制装置，其特征是：如果初始数据小于额定值，则积分器(I91)输出电压升高，压控延迟单元(I92)所控制的延迟时间也增加，相应地，功率管(M3)的关闭时间将延长；相反，如果初始数据大于额定值，则积分器(I91)输出电压降低，压控延迟单元(I92)所控制的延迟时间减少，相应地，功率管(M3)的关断时间将缩短；在周期运转中，电感(L3)开启时刻的电流将被控制在指定值；

电感电流继续上升，电流检测电阻(R6)感知的电压也继续上升，到达电流限制比较器(I11)指定的阈值电压(VTH)时，电流限制比较器(I11)发出关断信号，由驱动单元(I10)关断功率开关(M3)，使电感(L3)中的电流的最大值被控制在电流限制比较器(I11)指定的数值。

4.一种开关电源电感电流控制装置，包括实现功率管理和转换的功率级，检测电感电流的电流检测电阻(R6)，当电流检测电阻检测到的电压达到电流限制比较器的阈值时输出控制信号，控制功率开关关断的电流限制比较器(I11)，和用于驱动功率开关的驱动单元(I10)，所述电流限制比较器(I11)的输出连接驱动单元(I10)的复位端，驱动单元(I10)的输出端连接功率级中功率开关(M3)的控制端，功率开关(M3)的漏端连接电流检测电阻(R6)，并输入到电流限制比较器(I11)，其特征是：采用一个智能关断时间控制器自动调整功率开关(M3)的关断时间以控制功率级中电感(L3)开启时刻的电流，所述智能关断时间控制器的输入端连接功率开关(M3)的漏端，智能关断时间控制器的输出端连接驱动单元(I10)的使能端，利用电感(L3)开启时刻的电流大小控制电感的关断时间，通过反馈最终将电感(L3)开启时刻的电流控制在指定值；

所述功率级包括依次连接的功率开关(M3)、发光二极管及电感(L3)，还包括与发光二极管及电感(L3)反向并联的续流二极管(D9)，所述发光二极管的负极和功率开关(M3)的源端连接；

所述智能关断时间控制器包括依次连接的采样保持单元(I90)、给采样保持单元(I90)加上某一延迟时间的延迟单元、模数转换器(I93)和数控延迟单元(I94)；其中，采样保持单元(I90)的输入端通过延迟单元连接功率开关(M3)的漏端，用于采样并保持电流检测电阻(R6)在功率开关(M3)开启时刻检测到的电压；模数转换器(I93)用于把采样保持单元(I90)得到的信号和指定电压阈值(VTH_MIN)的差值转换成数字信号；数控延迟单元(I94)的输出端连接驱动单元(I10)的使能端，用于把模数转换器(I93)的输出转换成一个时间延迟，以控制功率开关(M3)的关断时间。

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