CN101777848B - 开关电源及电感电流峰值补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了开关电源，当开关电源的功率开关导通时，开关电源的电感电流流经电感电流检测电路，通过电感电流检测电路提供检测电压；电感电流峰值补偿装置输入基准电压和所述检测电压，并进行比较，输出补偿电压，补偿电压同基准电压和/或检测电压进行叠加后提供给第一比较器；第一比较器的输入端分别输入下列情况中的一种：(1)补偿后的基准电压和补偿后的检测电压；(2)补偿后的基准电压和检测电压；(3)基准电压和补偿后的检测电压；第一比较器的比较结果提供给逻辑控制电路，逻辑控制电路的输出经驱动电路驱动后连接功率开关的栅极。采用本发明使得实际的电感电流峰值保持与基准电流相同，有效控制由电感电流峰值，保护开关电源。

Description

开关电源及电感电流峰值补偿装置
技术领域
本发明涉及开关电源技术，尤其涉及开关电源的电感电流峰值补偿技术。
背景技术
传统的反激式开关电源，如图1所示，包括：比较器、逻辑控制电路、驱动电路、功率开关、电感电流检测电路，所述功率开关的漏极输入开关电源的电感电流，所述功率开关的源极连接电感电流检测电路，功率开关导通时开关电源的电感电流流经电感电流检测电路，通过电感电流检测电路提供检测电压，比较器对检测电压和基准电压进行比较，比较器输出端连接逻辑控制电路，逻辑控制电路的输出经驱动电路驱动后控制功率开关的栅极。
图1所示开关电源的电感电流通常为斜坡电流，当电感电流值达到设定的基准电流时，比较器发生翻转，功率开关动作。由于从比较器发生翻转到功率开关动作存在延迟，导致实际的电感电流关断值与设定的基准电流存在偏差，该偏差与功率开关的延迟时间以及电感电流的上升斜率有关，而电感电流的上升斜率与电感上的电压降落以及电感大小有关，由于电感电流的上升斜率不同，在基准电流恒定的情况下，实际的电感电流峰值也不同。
所述电感电流波形如图2所示，电感电流I1通过采样电阻R1转换成检测电压Vsense，与基准电压VR比较，设定电感电流峰值的基准电流为：
Figure GSB00000736026700011
实际电感电流峰值与设定的基准电流的偏差为ΔIpk，该偏差值可以表示如下：
ΔI pk = V L L · Δt d - - - ( 1 )
其中：VL表示电感两端的电压，Δtd为功率开关的关断延迟时间，L为电感量。
实际的电感电流峰值为：
Ipk＝Ipk0+ΔIpk                                                  (2)
传统的开关电源在固定基准电流的情况下工作，而开关电源的电感电流峰值随电感上的电压降落、电感大小变化，流过开关电源的电感电流峰值不再固定，功率开关可能受过电流的影响而损坏，因此必需有效控制电感电流峰值，从而有效控制输出电压、输出电流或输出功率。
发明内容
本发明提供一种开关电源，该开关电源通过电感电流峰值补偿装置自动检测基准电流与实际电感电流峰值的差值，利用所述差值对基准电压和/或检测电压进行补偿，使得实际的电感电流峰值保持与基准电流相同，从而有效控制由电感电流峰值，保护开关电源，提高开关电源的可靠性和一致性。
本发明还公开了一种可用于开关电源的电感电流峰值补偿装置。
开关电源包括电感电流峰值补偿装置、第一比较器、逻辑控制电路、驱动电路、功率开关、电感电流检测电路：
开关电源的功率开关导通时，开关电源的电感电流流经电感电流检测电路，通过电感电流检测电路提供检测电压；
所述电感电流峰值补偿装置输入基准电压和所述检测电压，并进行比较，输出补偿电压，补偿电压同基准电压和/或检测电压进行叠加后提供给第一比较器；
根据电感电流峰值补偿装置输出的叠加结果，第一比较器的输入端分别输入下列三种情况中的一种：(1)补偿后的基准电压和补偿后的检测电压；(2)检测电压和补偿后的基准电压；(3)基准电压和补偿后的检测电压；
第一比较器的比较结果提供给逻辑控制电路，逻辑控制电路的输出经驱动电路驱动后控制功率开关的栅极，功率开关的源极连接电感电流检测电路，功率开关的漏极输入开关电源的电感电流。
所述开关电源还包括第四开关S54，第四开关S54连接在电流峰值补偿装置的输出端，第四开关S54在第四开关脉冲控制信号SW54作用下，在电路启动时，预设电感电流峰值补偿装置的补偿电压，实现开关电源的软启动。
所述电感电流峰值补偿装置包括差值电路和补偿网络：
所述差值电路，输入基准电压和所述检测电压，并进行比较，得到补偿电压，保存所述补偿电压并输出给补偿网络；
所述补偿网络将补偿电压同基准电压和/或检测电压进行叠加，叠加结果由补偿网络的输出端提供给第一比较器的输入端。
进一步，所述差值电路包括第二比较器、开关网络：
第二比较器的输入端连接补偿网络的输出端，第二比较器输出第一脉冲开关控制信号SW51，在所述第一脉冲开关控制信号SW51的控制下，开关网络的第一开关S51导通，偏置电流对开关网络的第一电容C51进行充电，随后第三脉冲开关控制信号控制开关网络的第三开关S53导通，开关网络的第一电容C51和开关网络的第二电容C52上的电荷进行分配，所述第二电容C52的电压为补偿电压，所述补偿电压提供给补偿网络；
所述开关网络还包括第二开关S52，第二开关S52在第二开关脉冲控制信号作用下，清除第一电容C51上的电荷；
进一步，所述补偿网络采用加/减法器实现，实现方式为下列中的一种：(1)检测电压与补偿电压共同输入第一加/减法器和第二加/减法器进行运算，第一加/减法器的运算结果同基准电压输入到第一比较器的输入端、第二加/减法器的运算结果同基准电压输入到第二比较器的输入端，；(2)基准电压与补偿电压共同输入加/减法器进行运算，第一加/减法器的运算结果同检测电压输入到第一比较器的输入端、第二加/减法器的运算结果同检测电压输入到第二比较器的输入端；(3)检测电压、基准电压与补偿电压共同输入第一加/减法器和第二加/减法器进行运算，运算结果提供给第一比较器的输入端。
所述的补偿网络还可以包括电压/电流变换电路，补偿电压经过电压/电流变换电路后再进入加/减法器运算。
所述开关电源经过一个或多个周期，自动计算补偿电压。
所述开关电源不仅可以对电感电流最大值进行补偿，也可以对电感电流最小值进行补偿。
本发明提供的开关电源及其电感电流峰值补偿装置自动检测基准电流与实际电感电流峰值的差值，利用所述差值对基准电压和/或检测电压进行补偿，使得实际的电感电流峰值保持与基准电流相同，从而有效控制由电感电流峰值，保护开关电源，提高开关电源的可靠性和一致性。同时本发明提供的开关电源还可以进一步在电感电流峰值补偿装置的基础上实现软启动，实现了电感电流峰值补偿装置以及软启动装置的复用，减少开关电源的面积，降低了成本。
附图说明
图1为传统的开关电源的框图
图2为传统的电感电流波形示意图
图3为本发明提出的开关电源的框图
图4为本发明电感电流波形示意图
图5、6、7、8为本发明电感电流峰值补偿装置的框图
图9为本发明的电感电流峰值补偿装置的一种具体实现方式
图10为本发明相应开关控制信号及各点电压的波形示意图
图11为本发明的电感电流峰值补偿装置的另外一种具体实现方式
具体实施方式
以下结合附图对本发明内容进一步说明。
开关电源，如图3所示，包括电感电流峰值补偿装置21、第一比较器22、逻辑控制电路23、驱动电路24、功率开关25、电感电流检测电路26：
所述开关电源的功率开关25导通时，开关电源的电感电流IL流经电感电流检测电路26，通过电感电流检测电路26提供检测电压；
所述电感电流峰值补偿装置21输入基准电压和所述检测电压，并进行比较，输出补偿电压，补偿电压同基准电压和/或检测电压进行叠加后提供给第一比较器22；
根据电感电流峰值补偿装置21输出的叠加结果，第一比较器22的输入端分别输入下列三种情况中的一种：(1)补偿后的基准电压和补偿后的检测电压；(2)检测电压和补偿后的基准电压；(3)基准电压和补偿后的检测电压；
第一比较器22的比较结果提供给逻辑控制电路23，逻辑控制电路23的输出经驱动电路24驱动后控制功率开关25的栅极，功率开关25的源极连接电感电流检测电路26，功率开关25的漏极输入开关电源的电感电流IL。
如图3所示的开关电源经过电感电流峰值补偿装置21补偿后，其输出的电感电流波形如图4所示。
所述电感电流峰值补偿装置21，如图5所示，包括差值电路和补偿网络213：
所述差值电路，输入基准电压和所述检测电压，并进行比较，得到补偿电压，保存所述补偿电压并输出给补偿网络；
所述补偿网络213将补偿电压同基准电压和/或检测电压进行叠加，叠加结果由补偿网络213的输出端提供给第一比较器22的输入端。
进一步，所述差值电路，如图9、图11所示包括第二比较器211、开关网络212：
第二比较器211的输入端连接补偿网络213的输出端，第二比较器211输出第一脉冲开关控制信号SW51，在所述第一脉冲开关控制信号SW51的控制下，开关网络212的第一开关S51导通，偏置电流对开关网络212的第一电容C51进行充电，随后第三脉冲开关控制信号控制开关网络212的第三开关S53导通，开关网络212的第一电容C51和开关网络212的第二电容C52上的电荷进行分配，所述第二电容C52的电压为补偿电压，所述补偿电压提供给补偿网络213；
所述开关网络212还包括第二开关S52，第二开关S52在第二开关脉冲控制信号作用下，清除第一电容C51上的电荷；
进一步，所述补偿网络213采用加/减法器实现，实现方式为下列中的一种：(1)检测电压与补偿电压共同输入第一加/减法器和第二加/减法器进行运算，第一加/减法器的运算结果同基准电压输入到第一比较器22的输入端、第二加/减法器的运算结果同基准电压输入到第二比较器211的输入端，如图6所示；(2)基准电压与补偿电压共同输入加/减法器进行运算，第一加/减法器的运算结果同检测电压输入到第一比较器22的输入端、第二加/减法器的运算结果同检测电压输入到第二比较器211的输入端，如图7所示；(3)检测电压、基准电压与补偿电压共同输入第一加/减法器和第二加/减法器进行运算，运算结果提供给第一比较器22的输入端，如图8所示。
下面以图6为例进行说明：其中Vsense2＝Vsense+K1*VC52，Vsense3＝Vsense-K2*VC52，其中K1、K2为系数。
为方便起见，设置K1＝K2＝1，电路达到平衡以后：
Ipk*Rsense-K2*VC52＝Vsense3＝VB
即：Ipk＝(VB+K2*VC52)/Rsense
当K2＝0时，实现完全补偿。
当K2不为零时为欠补偿。
当第一加/减法器为加法器时，为过补偿。
如图9、图11所示为电流峰值补偿装置的具体实现，其补偿网络213还包括电压/电流变换电路215，补偿电压经过电压/电流变换电路215后再进入加/减法器运算。
当基准电压驱动能力较弱时，基准电压VR输入跟随器27，跟随器27输出电压VB。
如图9所示电流峰值补偿装置的补偿原理为，电阻R52上的电压表示电感电路采样电压，电阻R55的电压为补偿电压。Ib流过电阻R51上的电压补偿与Ia流过电阻R52上的电压。
当电路正常稳定工作以后，有如下关系成立：
VC＝VB+Ib*R51
Vsense＝IL*R52+Ia*R52
使得：Ib*R51＝Ia*R52
当VC＝Vsense时，IL＝Ipk，则Ipk＝VB/R52
电感电流峰值完全由基准电压和采样电阻R52决定。
电阻R55上的补偿电压自动调整，以确保Ipk＝VB/R52成立。
图10给出了电感电流峰值补偿电路相应输入信号的时序图。结合图9、图10，电感电流峰补偿电路工作过程说明如下：
假设初始时，VC51、VC52电压为零，R55、R51上没有电压，由于Vsense2＝Vsense+Ia*R55，Vsense2＝Vsense，电感电流IL逐渐增大：当电感电流IL小于基准电流时，第一比较器的输出电压VA为高不变；当电感电流IL大于设定的基准电流时，第一比较器的输出发生翻转，比较器的输出电压VA为低，经过逻辑控制电路以及驱动电路的控制，关断功率开关，检测电压变小或直接降为零。由于功率控制开关的动作延迟，电感电流峰值Ipk超过基准电流，第一比较器的输出发生翻转的同时，第二比较器也发生翻转，第一开关信号SW51为高脉冲，第一开关S51导通，偏置电流流过第一电容C51从而对第一电容C51充电，而后第三开关信号提供高脉冲信号，第三开关S53导通，将C51电荷转移到C52；
在第二个周期，VC52电压为不再为零，R51、R55就有电压降落，该电压降落用来补偿检测电压。功率开关开通时，电感电流IL逐渐变大，第一比较器控制功率开关动作，第二比较器根据VC和Vsense两点电压控制第一开关S51的动作，如果补偿量不够，偏置电流对第一电容C51再充电，而后第三开关SW3导通，把电荷转移到C52，VC52电压升高，补偿量变大，通过V/I变换器560把VC52电压转换成电流Ia、Ib。
合理设计偏置电流、第一充电电容C51以及第二充电电容C52的大小，就可以达到完全补偿电感电流所需要的开关周期数。
通过选择镜像电流的镜像比，电阻R51、电阻R52的电阻比值，就能够设定补偿量的大小，可以做成完全补偿、欠补偿和过补偿：
取Ib*R51＝Ia*R52，实现完全补偿；
取Ib*R51＞Ia*R52，实现欠补偿，即电感电流峰值不能完全补偿；
取Ib*R51＜Ia*R52，实现过补偿。即电感电流峰值补偿太多，超过所需要的补偿量；
如图5所示，图4中各点的控制波形的一种实现方式。经过几个周期，自动求出了补偿量。在若干个周期后，S42导通一次，补偿量重新计算。
如图11所示，电感电流补偿装置的另一种具体实现。其原理与基本图9相同。所不同的是：补偿网络和V/I变换器稍作变化，其工作过程与图10相同。
当电路正常稳定工作以后，有如下关系成立：
VD＝VB+Ic*R61
Vsense＝IL*R62
令R61＝0，电路电感电流峰值完全补偿时，如下等式成立：VD＝Vsense，此时IL＝Ipk，
即：Ipk＝VB/R62。
电感电流峰值完全由基准电压、采样电阻决定。
电阻R63上的补偿电压自动调整，以确保Ipk＝VB/R62成立。
当R61不为零时，为欠补偿。
如图9、图11所述开关电源还包括第四开关S54，第四开关S54连接在电流峰值补偿装置21的输出端，第四开关S54在第四开关脉冲控制信号SW54作用下，在电路启动时，预设电感电流峰值补偿装置21的补偿电压，实现开关电源的软启动。
本发明公开了开关电源的电感电流峰值比较器比较点补偿的方法及装置，并且参照附图描述了本发明的具体实施方式和效果。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，包括但电感电流与基准电流差值产生/保持电路、补偿网络的修改、控制信号时序的局部修改、对电路的局部构造的变更、对元器件的类型或型号的替换，以及其他非实质性的替换或修改，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.开关电源，其特征在于包括电感电流峰值补偿装置、第一比较器、逻辑控制电路、驱动电路、功率开关、电感电流检测电路：
开关电源的功率开关导通时，开关电源的电感电流流经电感电流检测电路，通过电感电流检测电路提供检测电压；
所述电感电流峰值补偿装置的差值电路输入基准电压和所述检测电压，并进行比较，得到补偿电压，保存所述补偿电压并输出给电感电流峰值补偿装置的补偿网络，所述补偿网络将补偿电压同基准电压和/或检测电压进行叠加，叠加结果提供给第一比较器；
根据电感电流峰值补偿装置的补偿网络输出的叠加结果，第一比较器的输入端分别输入下列情况中的一种：(1)补偿后的基准电压和补偿后的检测电压；(2)检测电压和补偿后的基准电压；(3)基准电压和补偿后的检测电压；
第一比较器的比较结果提供给逻辑控制电路，逻辑控制电路的输出经驱动电路驱动后连接功率开关的栅极，功率开关的源极连接电感电流检测电路，功率开关的漏极输入开关电源的电感电流。
2.如权利要求1所述开关电源，其特征在于开关电源还包括第四开关S54，连接在电流峰值补偿装置的输出，第四开关在第四开关脉冲控制信号作用下，在电路启动时，预设电感电流峰值补偿装置的补偿电压，实现开关电源的软启动。
3.如权利要求1或2所述开关电源，其特征在于所述电感电流峰值补偿装置的差值电路包括第二比较器和开关网络：
所述第二比较器的输入端连接补偿网络的输出端，第二比较器输出第一脉冲开关控制信号SW51，在所述第一脉冲开关控制信号SW51的控制下，开关网络的第一开关S51导通，偏置电流对开关网络的第一电容C51进行充电，随后第三脉冲开关控制信号控制开关网络的第三开关S53导通，开关网络的第一电容C51和开关网络的第二电容C52上的电荷进行分配，所述第二电容C52的电压为补偿电压，所述补偿电压提供给补偿网络。
4.如权利要求3所述开关电源，其特征在于所述电感电流峰值补偿装置的补偿网络采用加/减法器实现，实现方式为下列中的一种：(1)检测电压与补偿电压共同输入加/减法器进行运算；(2)基准电压与补偿电压共同输入加/减法器进行运算；(3)检测电压、基准电压与补偿电压共同输入加/减法器进行运算；上述运算结果提供给第一比较器和第二比较器的输入端。
5.如权利要求3所述开关电源，其特征在于所述开关网络还包括第二开关S52，第二开关S52在第二开关脉冲控制信号作用下，清除第一电容C51上的电荷；
6.如权利要求4所述开关电源，其特征在于所述补偿网络还包括电压/电流变换电路，补偿电压经过电压/电流变换电路后再进入加/减法器运算。
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