CN102290997B - 一种开关电源控制器的恒压输出控制电路和开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关电源控制器的恒压输出控制电路和开关电源，在开关电源的控制器内部增加了恒压控制模块，通过将控制器FB的电压与设定的第二参考电压进行比较，控制控制器的VCC端的电压反复开启关断，从而控制开关电源输出端的电压。本发明提供的电路可以使得系统在空载状态下，开关信号只在控制器的VCC的有效工作范围内有效，用该方法实现开关电源空载时输出电压的恒定，从而可以有效的降低系统的空载功耗。本发明还提供一种开关电源，可以使得开关电源在空载状态下，具有稳定的电压输出，从而可以降低开关电源的空载损耗。

Description

一种开关电源控制器的恒压输出控制电路和开关电源

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种开关电源控制器的恒压输出控制电路和开关电源。

背景技术

开关电源具有体积小，效率高以及电流大的优点，因此被广泛应用于手机充电器和笔记本电脑适配器等场合。近年来，由于绿色电源概念的兴起，更加强调高转换效率和低待机功耗。

随着LED照明技术的日趋成熟，开关电源也广泛用于驱动LED，使LED灯泡取代白炽灯泡。一般的LED灯是由多个LED串联而成。由开关电源用于驱动LED时，为了使LED发光亮度保持恒定，一般要求开关电源具有恒流输出的功能。特别地，如果当串联的LED个数变化时，开关电源依然能够保持输出电流的恒定，则有利于LED发光亮度保持恒定，可以提高LED灯泡的寿命。

当串联的LED断开，开关电源空载时，对开关电源的空载电压和功耗均有一定的要求。

因此，如何在LED断开，开关电源空载时，降低系统空载损耗是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源控制器的恒压输出控制电路和开关电源，能够在LED开关，开关电源空载时，降低系统的空载损耗。

本发明实施例提供一种开关电源控制器的恒压输出控制电路，包括：第一比较器、副边导通时间控制模块和恒压控制模块；

所述第一比较器的一个输入端连接第一参考电压，第一比较器的另一个输入端连接控制器的FB端，FB端用于反应开关电源输出电压的变化；第一比较器的输出端连接副边导通时间控制模块的第一输入端；

所述副边导通时间控制模块，用于产生反应开关电源中变压器副边导通时间的信号Tons；Tons反应了FB端正电压的时段；

所述恒压控制模块的第一输入端连接所述副边导通时间控制模块的输出端，第二输入端连接Enable信号，Enable为使能信号，在开关电源控制器内部模块启动前，Enable保持为0电平；第三输入端连接FB端，第四输入端连接第二参考电压；开关电源输出电压Vout空载后，FB端电压升高，当FB端的电压在副边导通时段的电压超过第二参考电压后，所述恒压控制模块的输出信号CV_Ctrl被置为高电平，直到控制器的电压VCC降低至UVLO阈值下，控制器重新上电，VCC反复开启关断；其中，UVLO为控制器电压VCC的有效工作范围。

优选地，所述恒压控制模块包括：第四比较器、第一非门、第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门。

其中，第一与非门和第二与非门组成第一RS触发器；第三与非门和第四与非门组成第二RS触发器；

第四比较器的正输入端连接FB，第四比较器的负输入端连接所述第二参考电压；

第四比较器的输出端连接第一与非门；

第一非门的输出端连接第二与非门的一个输入端；

第一与非门的输入信号是Enable和Tons；

第一RS触发器的输出端连接第三与非门的一个输入端；

第四与非门的一个输入端连接Enable；

第二RS触发器的输出端为CV_Ctrl。

优选地，还包括恒流逻辑模块，所述恒流逻辑模块的第一输入端连接第二比较器的输出端，第二比较器的正输入端连接控制器的CS端，第二比较器的负输入端连接第三参考电压；

所述恒流逻辑模块的第二输入端连接第三比较器的输出端，第三比较器的正输入端连接充放电电容的一端，充放电电容的另一端接地，第三比较器的负输入端连接第四参考电压；

所述恒流逻辑模块的输出端和恒压控制模块的输出端作为或非门的输入端，或非门的输出端连接驱动器，驱动器输出PFM信号给开关电源中的原边开关。

本发明实施例还提供一种开关电源，包括变压器、与变压器耦合的功率开关、以及控制功率开关导通及关断的电源控制器，所述电源控制器具有所述的恒压输出控制电路。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用本发明实施例所述电路的实现方法，在开关电源的控制器内部增加了恒压控制模块，通过将控制器FB的电压与设定的第二参考电压进行比较，控制控制器的VCC端的电压反复开启关断，从而控制开关电源输出端的电压。本发明提供的电路可以使得系统在空载状态下，开关信号只在控制器的VCC的有效工作范围内有效，用该方法实现开关电源空载时输出电压的恒定，从而可以有效的降低系统的空载功耗。

附图说明

图1是本发明提供的开关电源的原理图；

图2是本发明提供的开关电源控制器的恒压输出控制电路结构图；

图3是本发明提供的恒压控制模块的电路图；

图4是本发明提供的主要节点的波形图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更好地理解和实施本发明的技术方案，下面首先介绍本发明基于的开关电源的工作原理。

参见图1，该图为本发明提供的开关电源的原理图。

该开关电源采用原边控制架构，通过采样输入线电压的峰值，记为VS，根据VS的电压的波形，来调整开关电源的输出电流Iout跟随VS电压变化。在大时间尺度上得到平均的稳定的输出电流。在原边开关101导通后，原边峰值电流通道电阻111转换成电压信号至CS端，当CS端的电压到达内部设定的基准电压后，内部驱动电路关闭，OUT端停止输出开关控制信号。

FB端电压跟随输出电压的变化，FB端电压经内部电路处理后，产生反映副边整流管115导通情况的时间信号，该时间信号控制内部对应的比例的充放电电流，该比例电流可以直接控制下一次开关控制信号的导通时间，保持开关周期的Tons/Tsw比值跟随VS端电压变化。保证在某个VS电压时，对应的输出电流保持不变。

本发明提供的电路是应用于图1所示的开关电源的拓扑中的控制器110。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参见图2，该图为本发明提供的开关电源控制器的恒压输出控制电路结构图。

本实施例提供的开关电源控制器的恒压输出控制电路，包括：第一比较器IC1、副边导通时间控制模块200、恒压控制模块300。

所述第一比较器IC1的一个输入端连接第一参考电压Vref1，第一比较器IC1的另一个输入端连接控制器的FB端，FB端用于反应开关电源输出电压的变化；第一比较器IC1的输出端连接副边导通时间控制模块200的第一输入端。

第一参考电压Vref1的作用是为了决定FB端的正电压时段，例如，可以选择Vref1为0.1V。Tons反应了FB端正电压的时段。

所述副边导通时间控制模块200，用于产生反应开关电源中变压器副边导通时间的信号Tons；Tons反应了FB端正电压的时段。

所述恒压控制模块300的第一输入端连接所述副边导通时间控制模块200的输出端，第二输入端连接Enable信号，Enable为使能信号，在开关电源控制器内部模块启动前，Enable保持为0电平；第三输入端连接FB端，第四输入端连接第二参考电压Vref2；开关电源输出电压Vout空载后，FB端电压升高，当FB端的电压在副边导通时段的电压超过第二参考电压Vref2后，所述恒压控制模块300的输出信号CV_Ctrl被置为高电平，直到控制器的电压VCC降低至UVLO阈值下，控制器重新上电，VCC反复开启关断。

其中，UVLO为控制器电压VCC的有效工作范围。例如，当VCC上升至18V时，Enable信号为1，控制器内部开始工作；如果VCC下降至8V，则Enable信号变为0，控制器内部各模块关闭。一般，可以设定18V为控制器电压VCC的上限，8V为控制器电压VCC的下限，则(8V，18V)即为控制器电压VCC的有效工作范围UVLO。

CV_Ctrl为恒压控制模块300的输出信号，反应了系统输出电压空载后的输出控制信号。

VCC端在系统启动中，逐渐被充到其启动电压，内部电源以及偏置电压全部建立。FB端是反应系统输出端电压的变化，FB的电压经过内部比较器比较后，送至副边导通时间控制单元，产生反映副边整流管导通情况的时间信号Tons，该时间信号控制内部对应的比例的充放电电流，该比例电流在电容上的电压与内部参考电压比较，产生CC_CTRL信号，该信号与Tons一起送至恒流控制逻辑单元，产生PFM信号，即可以直接控制下一次开关控制信号的导通时间，保持开关周期的Tons/Tsw比值跟随VS端电压变化。

当CS端的到达内部预设的关断电压时，比较器将输出CS_OFF信号，该信号也被送至恒流控制逻辑单元，将关闭PFM信号，OUT端停止输出开关控制信号。

由PSR产生恒流输出的公式可以得到：

$\mathrm{Ipk}=\frac{\mathrm{Vcs}}{\mathrm{Rcs}};$

Ipks＝N*Ipk；

$\mathrm{Io}=\frac{\mathrm{Tons}}{2*\mathrm{Tsw}}*\mathrm{Ipks}=\frac{N*\mathrm{Tons}*\mathrm{Vcs}}{2*\mathrm{Tsw}*\mathrm{Rcs}};$

其中，Vcs为内部峰值比较器的基准电压，Rcs为峰值电流检测电阻，N为变压器的原边绕组与副边绕组的匝比。保持开关周期的Tons/Tsw比值固定，即可得到固定的Io输出电流。

根据VS电压的变化，产生随之变化的Tons/Tsw比值，以及变化的内部峰值比较器的比较电压Vcs_ref，即可产生对应的Io输出电流。

当系统输出空载后，通过反应输出端电压的FB Pin脚，检测到该动作发生，CV模块中将产生CV_CTRL信号，让系统工作在恒压模式。

采用本发明实施例所述电路的实现方法，可以使得系统在空载状态下，开关信号只在VCC电源电压UVLO电压区间内有效，用该方法实现的恒压控制模式，可以有效的降低系统的空载功耗。

如图2所示，所述开关电源控制器的恒压输出控制电路还可以包括恒流逻辑模块400，所述恒流逻辑模块400的第一输入端连接第二比较器IC2的输出端，第二比较器IC2的正输入端连接控制器的CS端，第二比较器IC2的负输入端连接第三参考电压V_{cs_ref}。

所述恒流逻辑模块400的第二输入端连接第三比较器IC3的输出端，第三比较器的输出信号为CC_Ctrl。第三比较器IC3的正输入端连接充放电电容的一端，充放电电容的另一端接地，第三比较器IC3的负输入端连接第四参考电压Vref3。

所述恒流逻辑模块400的输出端和恒压控制模块300的输出端作为或非门500的输入端，或非门500的输出端连接驱动器，驱动器输出PFM信号控制开关电源的原边开关的开通和关断。

采用本发明实施例所述电路的实现方法，在开关电源的控制器内部增加了恒压控制模块，通过将控制器FB的电压与设定的第二参考电压进行比较，控制控制器的VCC端的电压反复开启关断，从而控制开关电源输出端的电压。本发明提供的电路可以使得系统在空载状态下，开关信号只在控制器的VCC的有效工作范围内有效，用该方法实现开关电源空载时输出电压的恒定，从而可以有效的降低系统的空载功耗。

参见图3，该图为本发明提供的恒压控制模块的电路图。

本实施例提供的恒压控制模块300包括：第四比较器301、第一非门302、第一与非门304、第二与非门303、第三与非门305、第四与非门306。

其中，第一与非门304和第二与非门303组成第一RS触发器；第三与非门305和第四与非门306组成第二RS触发器。

第四比较器301的正输入端连接FB，第四比较器301的负输入端连接Vref2。

第四比较器301的输出端连接第一与非门302。

第一非门302的输出端连接第二与非门303的一个输入端。

第一与非门304的输入信号是Enable和Tons。

第一RS触发器的输出端连接第三与非门305的一个输入端。

第四与非门306的一个输入端连接Enable。

第二RS触发器的输出端为CV_Ctrl。

FB信号反应开关电源输出电压的变化，Tons信号反应FB正电压的时段。

CV_Ctrl为恒压控制模块的输出信号，反应了开关电源输出电压空载后的输出控制信号。

Vref2为开关电源控制器内部的第二参考电压。

Enable是使能信号，在内部模块启动前，该信号为0电平。

由于内部模块启动前，Enable为0电平，所以第一与非门304的输出信号CV_ON为1电平，CV_ON作为第二RS触发器的输入信号，因此，当CV_ON为1电平时，第二RS触发器的输出信号CV_Ctrl为0电平。如图2所示，当CV_Ctrl为0电平时，不会将PFM置0。因此，恒压控制模块不动作。

当开关电源空载后，FB在副边导通时间段对应的电压超过第二参考电压Vref2，第四比较器301的输出翻转为1电平，经过第一非门302以后，第一非门302的输出为0电平。该0电平输入第二与非门303，因此，第一RS触发器的输出信号CV_ON为0电平。该0电平经过第二RS触发器以后，第二RS触发器的输出信号CV_Ctrl为1电平。如图2所示，当CV_Ctrl为1电平时，PFM为0电平，PFM信号关闭，开关电源的功率开关断开，直到VCC电源电压降低至UVLO阈值下。

参见图4，该图为本发明提供的主要节点的波形图。

输出电压Vout空载后，电压升高，一旦FB在副边导通时段的电压超过内部基准电压后，CV_Ctrl控制信号被置为1电平，直到VCC降低至其UVLO阈值下。系统重新上电，VCC反复开启关断，靠电源电压的UVLO的循环来达到恒压的目的。

基于上述电路的实现方法，系统在空载状态下，开关信号只在VCC电源电压UVLO电压区间内有效，用该方法实现的恒压控制模式，可以有效的降低系统的空载功耗。

本发明实施例还提供一种开关电源，包括变压器、与变压器耦合的功率开关、以及控制功率开关导通及关断的电源控制器，所述电源控制器具有以上实施例所述的恒压输出控制电路。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种开关电源控制器的恒压输出控制电路，其特征在于，包括：第一比较器、副边导通时间控制模块和恒压控制模块；

所述第一比较器的一个输入端连接第一参考电压，第一比较器的另一个输入端连接控制器的FB端，FB端用于反应开关电源输出电压的变化；第一比较器的输出端连接副边导通时间控制模块的第一输入端；

所述副边导通时间控制模块，用于产生反应开关电源中变压器副边导通时间的信号Tons；Tons反应了FB端正电压的时段；

所述恒压控制模块的第一输入端连接所述副边导通时间控制模块的输出端，第二输入端连接Enable信号，Enable为使能信号，在开关电源控制器内部模块启动前，Enable保持为0电平；第三输入端连接FB端，第四输入端连接第二参考电压；开关电源输出电压Vout空载后，FB端电压升高，当FB端的电压在副边导通时段的电压超过第二参考电压后，所述恒压控制模块的输出信号CV_Ctrl被置为高电平，直到控制器的电压VCC降低至UVLO阈值下，控制器重新上电，VCC反复开启关断；其中，UVLO为控制器电压VCC的有效工作范围。

2.根据权利要求1所述的开关电源控制器的恒压输出控制电路，其特征在于，所述恒压控制模块包括：第四比较器、第一非门、第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门；

其中，第一与非门和第二与非门组成第一RS触发器；第三与非门和第四与非门组成第二RS触发器；

第四比较器的正输入端连接FB，第四比较器的负输入端连接所述第二参考电压；

第四比较器的输出端连接第一非门；

第一非门的输出端连接第二与非门的一个输入端；

第一与非门的输入信号是Enable和Tons；

第一RS触发器的输出端连接第三与非门的一个输入端；

第四与非门的一个输入端连接Enable；

第二RS触发器的输出端为CV_Ctrl。

3.根据权利要求1所述的开关电源控制器的恒压输出控制电路，其特征在于，还包括恒流逻辑模块，所述恒流逻辑模块的第一输入端连接第二比较器的输出端，第二比较器的正输入端连接控制器的CS端，第二比较器的负输入端连接第三参考电压；

所述恒流逻辑模块的第二输入端连接第三比较器的输出端，第三比较器的正输入端连接充放电电容的一端，充放电电容的另一端接地，第三比较器的负输入端连接第四参考电压；

所述恒流逻辑模块的输出端和恒压控制模块的输出端作为或非门的输入端，或非门的输出端连接驱动器，驱动器输出PFM信号给开关电源中的原边开关。

4.一种开关电源，包括变压器、与变压器耦合的功率开关、以及控制功率开关导通及关断的电源控制器，其特征在于：所述电源控制器具有如权利要求1所述的恒压输出控制电路。

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