CN101976960B - 开关电源峰值电流控制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种开关电源的峰值电流控制装置和方法,该装置包括:基准产生模块,产生开关电源的原边电流采样的基准电压,所述基准电压与开关电源的原边开关晶体管的导通时段有关,使得所述基准电压能够限制开关电源的原边电流的峰值,使电流峰值与原边电流检测电阻之积始终为期望值。利用本发明,避免了栅极控制信号的传输延迟可能造成的峰值电流变动,保证在任何条件下Ipk*RCS=K均成立,从而确保了开关电源的控制精度。此外,电路结构简单,所需元件数目很少,并且容易实现。

Description

开关电源峰值电流控制装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电源控制技术,具体涉及开关电源的峰值电流控制装置和方法。
背景技术
[0002] 针对例如电池充电器和适配器等应用的AC/DC转换,已提出了多种电源控制方案,可以提供精确的恒压(CV)、恒流(CC)等控制,得到所需的电力供应。例如,BCDsemiconductor for ManufacturingLimited提出了多种AC/DC电源控制器,包括原边控制集成电路 AP3708 (Preliminary Datasheet, Rev. I. 0,2008 年 9 月,http: / / www. bcdsemi._)。图I示出了简化的采用AP3708控制的反激式原边控制开关电源,包括电源控制器AP3708、晶体管Q1、电流检测电阻1^和变压器,该变压器由原边线圈Np、副边线圈Ns和辅助线圈Naux组成。如图I所示,在原边恒定峰值电流控制操作中,由电流检测电阻Res感应原 边电流Ip,当电流Ip上升至峰值电流Ipk (Ipk = Vcs/Rcs)时,控制器AP3708通过引脚OUT输出控制信号使得晶体管Ql截止。更具体地,参照图2,示出了原边峰值电流控制操作有关的电路部分,当从引脚OUT输出的晶体管Ql的栅极控制信号Gate为高电平时,晶体管Ql导通时,原边电流Ip的采样值(由图中CS引脚上的电压Vcs体现)会开始上升,当其上升到给定基准Vlimit (如O. 5V)时,栅极控制信号Gate被置为低电平,使晶体管Ql截止。
[0003] 但是,由于控制器AP3708中存在一定的传输延迟,造成截止信号存在延迟td,所以无法在CS引脚上的电压Vcs到达给定值Vlimit时立即给出截止信号。因此,当原边电流Ip达到峰值电流Ipk时,Vcs (为原边电流Ip与采样电阻Res的乘积)会超过给定值Vlimit —定的幅度,幅度的大小的大小与电源的输入电压Vin和励磁电感LJ S卩,图I中Lm)的大小有关,关系如下:
[0004] = tOnp^CS (O
Lm
[0005] tonp表示原边电流Ip的持续时间,即晶体管Ql的导通时间。
[0006] (2)
I j I ί*·/"' ο
^onp CS
[0007] Ipk = Htonp 7%-( ^+1^) = Til+rf-^ ⑶
Lm lOnpis-CS KCS lOnp1^CS
[0008] 从等式(3)可以看出,由于存在截止信号延迟td,即使对于同样的给定值Vlimit(固定参数),超过给定值Vlimit的幅度的大小在Vin和Lm不同时也不同,即,考虑到延迟td,实际Ipk*Rcs存在变化,导致Ipk发生变化,而非恒定。图3示出了在不同Vin和Lm情况下,实际Ipk会发生变化。这影响了恒定原边峰值电流控制操作,降低了预期的控制精度。例如,在电源控制器AP3708中,控制目标是输出电流I0正比于Ipk,如果Ipk随Vin和Lm发生变化,I0也会随Vin和Lm的变化而变化,影响了控制精度。
[0009] 因此,需要一种开关电源的峰值电流控制技术,即使存在信号延迟td,也能够比较精确地确保IpkRra = K,K代表期望值,避免IpkRes发生变化。发明内容
[0010] 鉴于上述问题,提出了开关电源的峰值电流控制技术,通过将峰值电流的基准电压Vlimit设置成原边晶体管导通时间tmp的函数,取代原有方法中的固定的Vlimit,就可以保证在任何条件下Ipk*RK都为期望值K。
[0011] 根据本发明一方面,一种开关电源的峰值电流控制装置,包括:
[0012] 基准产生模块,产生开关电源的原边电流采样的基准电压,所述基准电压与开关电源的原边开关晶体管的导通时段有关,使得所述基准电压能够限制开关电源的原边电流的峰值,使电流峰值与原边电流检测电阻之积始终为期望值。
[0013] 根据本发明实施例,基准电压Vlimit与开关电源的原边开关晶体管的导通时段的关系考虑到由于电路传输延迟的造成、使原边开关晶体管截止的栅极控制信号的延迟。
[0014] 根据本发明实施例,在基准产生模块中,采用指数函数,模拟基准电压Vlimit与开关电源的原边开关晶体管的导通时段tmp的关系,以从导通时段产生基准电压vlimit。
[0015] 根据本发明实施例,根据给定开关电源的规范技术参数,在原边晶体管最小导通时段min与最大导通时段tmp _的范围内,激活基准产生模块从导通时段产生基准电压 Vlimit。
[0016] 根据本发明实施例,采用m个电阻电容RC电路以及(m+1)个电压源来模拟所述指数函数,m为自然数。
[0017] 根据本发明实施例,期望值K为固定值或时变值,其中,当K为固定值时,电压源采用恒定电压源;当K为时变值时,电压源采用与K成固定比例的可调电压源。
[0018] 根据本发明实施例,基准产生模块包括:RC电路,包括电阻器和电容器;第一电压源和第二电压源;开关;
[0019] 其中,电容器的一端与电阻器的一端连接并与开关的非控制端之一连接,电容器的另一端与第一电压源的正极连接并与开关的非控制端中的另一端连接,电阻器的另一端与第二电压源的正极连接,第一和第二电压源的负极连接并接地,开关的非控制端中的所述另一端接地,
[0020] 其中,开关的控制端受到原边晶体管的栅极控制信号的控制,使得在栅极控制信号将原边晶体管导通时,开关断开,RC电路执行充电,以在电容器的所述一端产生基准电压Vlimit。
[0021] 根据本发明实施例,当原边电流的采样电压达到基准电压Vlimit时,栅极控制信号改变为将原边晶体管截止,使开关闭合,RC电路执行放电。
[0022] 根据本发明实施例,峰值电流控制装置还包括:比较器,将开关电源的采样电压与产生的基准电压相比较,并且当采样电压达到基准电压Vlimit时,输出比较结果信号,该比较结果信号用于产生栅极控制信号将原边晶体管截止,该栅极控制信号提供至基准产生模块。
[0023] 根据本发明实施例,比较器的正相输入端连接至开关电源的采样电压输入端,反相输入端连接至基准产生模块中电容器的所述一端,输出端连接至用于产生栅极控制信号的电路。
[0024] 根据本发明另一方面,一种开关电源,包括如上所述的峰值电流控制装置。[0025] 根据本发明又一方面,一种开关电源的峰值电流控制方法,包括:
[0026] 产生开关电源的原边电流采样的基准电压,所述基准电压与开关电源的原边开关晶体管的导通时段有关,使得所述基准电压能够限制开关电源的原边电流的峰值,使电流峰值与原边电流检测电阻之积始终为期望值;
[0027] 将开关电源的采样电压与产生的基准电压相比较;
[0028] 当采样电压达到基准电压时,输出栅极控制信号将原边晶体管截止。
附图说明
[0029] 通过下面结合附图说明本发明的优选实施例,将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚,其中:
[0030] 图I示出了简化的采用AP3708控制的反激式原边控制开关电源;
[0031] 图2示出了原边峰值电流控制操作有关的电路部分;
[0032]图3示出了由于存在截止信号延迟td,实际Ipk*Rcs存在变化在不同Vin和Lm情况下发生变化的示意图;
[0033] 图4a和4b分别示出了峰值电流采样的基准电压Vlimit与导通时间的关系的曲线图以及指数函数拟合的曲线图。
[0034] 图5示出了根据本发明实施例的峰值电流控制装置的结构示意图;
[0035] 图6示出了图5中峰值电流控制装置的示例电路图;
[0036] 图7示出了根据本发明实施例的峰值电流控制装置中有关信号的波形图;
[0037] 图8示出了根据本发明实施例的峰值电流控制方法的流程图。
具体实施方式
[0038] 本申请发明人注意到,参照上述等式(3),如果能够将表示峰值电流采样的Vlimit设置成时间的函数,取代原有方法中的固定的Vlimit,就可以保证在任何条件下Ipk*RK都
为期望值K。由此,根据仏以及等式(3),得到:
^CS
Y _ Ktmp
_] x'mu~ Knp^td (4)
[0040]图4a示出了根据等式⑷得到的Vlimit与的函数关系,具体示出了 Vlimit相对于tmp的值的示例。图4a的曲线理论上是双曲线函数,这在电路中无法直接实现。因此,考虑用指数函数来拟合Vlimit与tmp的函数关系,而指数函数可以用电阻电容构成的RC电路以及电压源来实现,图4b示出了采用指数函数来拟合图4a中的双曲线。为了更加清楚地示出拟合效果,对图4a的曲线进行了一定缩放,以示出了更长的时间段的曲线。在图4b中,实线部分指示图4a中的双曲线,虚线部分示出了拟合的指数函数曲线,稍后将对其进行更加详细的描述。本领域技术人员可以理解,双曲线函数可以用一个或多个指数函数来拟合。如果考虑到电路的复杂程度,可以只用一个指数函数去拟合。但是如果对电路的复杂程度和成本并不敏感,在需要情况下,例如要求更好的精度,可以选用多个指数函数进行拟合,此时可以采用对应的多组RC电路和电压源基准。采用指数函数进行拟合的通式可以表达如下:[0041]
Figure CN101976960BD00071
[0042] 等式(5)中,Ui表示电压源的电压值,Ri和Ci分别表示RC电路中电阻值和电容值。
[0043] 本领域技术人员可以理解,对于开关电源的技术参数而言,原边晶体管Ql的导通
持续时间t_都有一个预定的变化范围,在最小导通时段t_ min与最大导通时段t_ max之间。因此,只要在这个区间内进行函数拟合,就能够保证在任何条件下Ipk*RK都为期望值K,即,可以对等式(5)中的tQnp进行限定,SP,tQnp e [tonp min t_—ΜΧ]。
[0044] 如果考虑到电路的复杂程度,只采用一个指数函数进行拟合,则可以得到:
[0045]
Figure CN101976960BD00072
[0046] 以上说明了本发明的基本构思,其中峰值电流控制的基准Vlimit采用特定的基准曲线,而不是固定值。具体地,将峰值电流控制的基准Vlimit设置成原边晶体管导通时间的函数,取代原有方法中的固定的Vlimit,就可以保证在任何条件下Ipk*Ra = K均成立。在本发明实施例中,利用电路来模拟Vlimit与tmp的函数关系,实现本发明基本构思。
[0047] 此外,本领域技术人员可以理解,期望值K不必要是固定值,而可以是时变值。在K固定的情况下,RC电路的对应电压源也为固定值。而K为时变值时,可以通过将电压源设置成与K成固定比例的可调电压源,来实现本发明构思。此外,公式(5)可知,即使K为时变值,对RC参数选择也是没有影响的。
[0048] 以下参照附图,对本发明的示例实施例进行详细描述,本发明不限于下述示例实施例。为了清楚描述本发明的基本思想,附图中仅示出了与本发明的技术方案密切相关的部件、功能或步骤,并且以下描述中省略了对已知技术、功能、部件或步骤的具体描述。
[0049] 在以下描述中,考虑到电路的复杂程度,只采用一个指数函数来拟合Vlimit与的函数关系,因此仅示出了采用单组RC电路进行拟合的示例。然而,本发明不限于此。
[0050] 图5示出了根据本发明实施例的峰值电流控制装置的结构示意图。相对于图3所示现有的电路部分,除了比较器502之外,峰值电流控制装置50还包括基准产生模块504,用于产生开关电源的原边电流采样的基准电压Vlimit。如上所述,基准电压Vlimit与开关电源的原边开关晶体管的导通时段有关,使得所述基准电压Vlimit能够限制开关电源的原边电流的峰值Ipk,使Ipk*Rcs = K始终成立。
[0051] 不同于图2所示现有的电路部分,比较器502的反相输入端不再输入固定的基准电压(如O. 5V),而是输入基准产生模块504所产生的基准电压。
[0052] 如图5所示,基准产生模块504所产生的基准电压Vlimit被输入至比较器502的反相输入端,比较器502的正相输入端输入开关电源的米样电压比较器502将米样电压Vcs与基准电压Vlimit相比较,当采样电压Vcs等于基准电压Vlimit时,比较器502输出比较结果信号Comp,该比较结果信号Comp提供给产生至原边晶体管Ql的栅极控制信号Gate的电路(如图中虚线框所示),使晶体管Ql截止。同时,该栅极控制信号Gate也被提供至基准产生模块504。本领域技术人员可以理解,可以采用现有技术中多种方法来产生栅极控制信号Gate,同时提供至基准产生模块504的信号也可以不是栅极控制信号Gate,而是与之对应的特定信号。产生栅极控制信号Gate的电路也可以采用多种实现方式。由于这些均与本发明不相关,所以图5仅仅示出了本发明相关部分,仅仅为了清楚示出本发明构思的目的,而本发明不限于图5所示示例。
[0053] 图6示出了图5中峰值电流控制装置50的示例电路图,主要示出了基准产生模块504的示例电路图。如图6所示,基准产生模块504包括电阻器601、电容器602、电压源603和604、以及开关605。电容器602和电阻器601构成RC充电电路。电容器602的一端与电阻器601的一端连接,并且与开关605的非控制端之一连接,电容器602的另一端与电压源603的正极连接并与开关605的非控制端中另一端连接,电阻器601的另一端与电压源604的正极连接,电压源603和604的负极连接并接地,开关605的非控制端中的另一端接地。原边晶体管的栅极控制信号Gate经由反相器连接至开关605的控制端,使得在栅极控制信号Gate将原边晶体管Ql导通时,开关605断开,RC电路执行充电,该充电是按照上述拟合指数函数曲线(例如,等式¢))来进行的,因此,在电容器602的连接至比较器502的一端产生基准电压Vlimit。当原边电流的采样电压Vcs达到基准电压Vlimit时,栅极控制信号 Gate改变为将原边晶体管Ql截止,并且使开关605闭合,RC电路执行放电。
[0054] 开关605可以是PMOS晶体管、NMOS晶体管或双极性晶体管。
[0055] 例如,假定栅极控制信号Gate为高电平时,原边晶体管Ql导通,开关605断开,栅极控制信号Gate为低电平时,原边晶体管Ql截止,开关605闭合。由此,在栅极控制信号Gate的高电平持续时间上,按照上述拟合指数函数曲线,对电容器602进行充电,得到针对当前导通时段的基准电压Vlimit,同时由于原边晶体管Ql导通,原边电流Ip逐渐增加,当Ip逐渐增加到使Vk达到基准电压Vlimit时,栅极控制信号Gate变为低电平,开关605闭合,电容器602迅速放电,同时原边晶体管Ql截止,由此,限制了峰值电流,并且避免了由于电路传输延迟、使原边开关晶体管截止的栅极控制信号的延迟带来的不利影响。
[0056] 再次参见图4b,示出了采用RC电路和电压源模拟指数函数,以拟合Vlimit_tmp曲线的具体示例。可以只根据开关电源中电源控制器的特性参数来设计RC电路和电压源的参数,而与外部电路无关。
[0057] 在图4b中,给定反激式开关电源,延迟td = 150ns, CS期望值K = O. 5,输入交流电压Vin(85V〜265V),额定输出(5V/1A)。本领域技术人员可以理解,这种功率等级的电源中变压器原边电感Lm —般在1-1. 5mH之间,米样电阻Rcs —般在1-1. 5 Ω之间,因此,结合上述等式(4),得到:
Figure CN101976960BD00081
[0061] SP,仅需在0.89-6. 2us内进行函数拟合。按上述等式(6),取R1 = 130k Ω, C1 =IOpF, U0 = O. 4V, U1 = O. 91V,得到图4b虚线所示拟合曲线。[0062] 以上给出了具体计算示例,但是本领域技术人员可以理解,本发明实施例可以应用于多种电源,现有技术中多种电源可以结合本发明的峰值电流控制装置。本发明不限于以上具体示例。
[0063] 图7示出了根据本发明实施例的峰值电流控制装置50中有关信号的波形图,具体示出了基准电压Vlimit、采样电压Vk和栅极控制信号Gate的波形图,其中,采用虚线示出了采样电压I。从图7的波形图可以看出,基准电压Vlimit不再是固定值,而是与开关电源的原边开关晶体管的导通时段存在特定关系,例如满足上述等式(5)或(6)。在栅极控制信号Gate的高电平持续时间上,按照上述拟合指数函数曲线,对电容器602进行充电,得到针对当前导通时段tmp的基准电压Vlimit,同时由于原边晶体管Ql导通,原边电流Ip逐渐增力口,当Ip逐渐增加到使达到基准电压Vlimit时,栅极控制信号Gate变为低电平,开关605闭合,电容器602迅速放电,同时原边晶体管Ql截止。
[0064] 图8示出了根据本发明实施例的峰值电流控制方法的流程图。如图所示,假定方法800开始于栅极控制信号Gate为高电平,将原边晶体管导通时,则在步骤802,产生开关电源的原边电流采样的基准电压Vlimit,所述基准电压Vlimit与开关电源的原边开关晶体管·的导通时段有关,例如满足上述等式(5)或出)。在步骤804,将开关电源的采样电压Vcs与产生的基准电压Vlimit相比较。在步骤806,当采样电压Vcs达到基准电压Vlimit时,输出栅极控制信号Gate将原边晶体管Q I截止。接下来进入下一开关周期循环。由此,限制了峰值电流,并且避免栅极控制信号的传输延迟带来的不利影响。
[0065] 以上结合附图具体描述了根据本发明实施例的针对开关电源的峰值电流控制装置和方法,其通过将峰值电流控制的基准Vlimit设置成原边晶体管导通时间的函数,取代原有方法中的固定的Vlimit,避免了栅极控制信号的传输延迟可能造成的峰值电流变动,保证在任何条件下Ipk*Res = K均成立,从而确保了电源副边输出电流的精度。根据本发明实施例的峰值电流控制装置电路结构简单,所需元件数目很少,并且容易实现。
[0066] 以上描述了根据本发明优选实施例的装置和方法。在以上的描述中,仅以示例的方式,示出了本发明的优选实施例,但并不意味着本发明局限于上述步骤和单元结构。在可能的情形下,可以根据需要对步骤和单元进行调整、取舍和组合。此外,某些步骤和单元并非实施本发明的总体发明思想所必需的元素。因此,本发明所必需的技术特征仅受限于能够实现本发明的总体发明思想的最低要求,而不受以上具体实例的限制。
[0067] 至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解,本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此,本发明的范围不局限于上述特定实施例,而应由所附权利要求所限定。

Claims (11)

1. 一种开关电源的峰值电流控制装置,包括: 基准产生模块,产生开关电源的原边电流采样的基准电压,所述基准电压与开关电源的原边开关晶体管的导通时段有关,使得所述基准电压能够限制开关电源的原边电流的峰值,使电流峰值与原边电流检测电阻之积始终为期望值; 其中,在基准产生模块中,根据如下等式,采用指数函数,模拟基准电压Vlimit与开关电源的原边开关晶体管的导通时段tmp的关系,以从导通时段产生基准电压Vlimit :
Figure CN101976960BC00021
其中,K表示所述期望值,td表示截止信号延迟,指示了由于电路传输延迟造成的、使原边开关晶体管截止的栅极控制信号的延迟,Ui表示电压值,Rj和&分别表示电阻值和电容值,O彡i彡η,I彡j彡η,η为自然数。
2.根据权利要求I所述的峰值电流控制装置,其中,根据给定开关电源的规范技术参数,在原边晶体管最小导通时段min与最大导通时段_的范围内,激活基准产生模块从导通时段产生基准电压Vlimit。
3.根据权利要求I所述的峰值电流控制装置,其中,采用m个电阻电容RC电路以及m+1个电压源来模拟所述指数函数,m为自然数。
4.根据权利要求3所述的峰值电流控制装置,其中,期望值K为固定值或时变值, 其中,当K为固定值时,电压源采用恒定电压源;当K为时变值时,电压源采用与K成固定比例的可调电压源。
5.根据权利要求I所述的峰值电流控制装置,其中,所述指数函数简化为:
Figure CN101976960BC00022
6.根据权利要求5所述的峰值电流控制装置,其中,基准产生模块包括:RC电路,包括电阻器和电容器;第一电压源和第二电压源;开关; 其中,电容器的一端与电阻器的一端连接并与开关的非控制端之一连接,电容器的另一端与第一电压源的正极连接并与开关的非控制端中的另一端连接,电阻器的另一端与第二电压源的正极连接,第一和第二电压源的负极连接并接地,开关的非控制端中的所述另一端接地, 其中,开关的控制端受到原边晶体管的栅极控制信号的控制,使得在栅极控制信号将原边晶体管导通时,开关断开,RC电路执行充电,以在电容器的所述一端产生基准电压Vlimit。
7.根据权利要求6所述的峰值电流控制装置,其中,当原边电流的采样电压达到基准电压Vlimit时,栅极控制信号改变为将原边晶体管截止,使开关闭合,RC电路执行放电。
8.根据权利要求6所述的峰值电流控制装置,还包括: 比较器,将开关电源的采样电压与产生的基准电压相比较,并且当采样电压达到基准电压Vlimit时,输出比较结果信号,该比较结果信号用于产生将原边晶体管截止的栅极控制信号,该栅极控制信号提供至基准产生模块。
9.根据权利要求8所述的峰值电流控制装置,其中,比较器的正相输入端连接至开关电源的采样电压输入端,反相输入端连接至基准产生模块中电容器的所述一端,输出端连接至用于产生栅极控制信号的电路。
10. 一种开关电源,包括根据权利要求I到9之一所述的峰值电流控制装置。
11. 一种开关电源的峰值电流控制方法,包括: 产生开关电源的原边电流采样的基准电压,所述基准电压与开关电源的原边开关晶体管的导通时段有关,使得所述基准电压能够限制开关电源的原边电流的峰值,使电流峰值与原边电流检测电阻之积始终为期望值; 将开关电源的采样电压与产生的基准电压相比较; 当采样电压达到基准电压时,输出栅极控制信号将原边晶体管截止; 其中,根据如下等式,采用指数函数,模拟基准电压Vlimit与开关电源的原边开关晶体管的导通时段t_的关系,以从导通时段t_产生基准电压Vliniit :
Figure CN101976960BC00031
其中,K表示所述期望值,td表示截止信号延迟,指示了由于电路传输延迟造成的、使原边开关晶体管截止的栅极控制信号的延迟,Ui表示电压值,Rj和分别表示电阻值和电容值,O≤i≤η,I≤j≤η,η为自然数。
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