CN102545631A - 开关电源恒流控制装置 - Google Patents

Abstract

开关电源恒流控制装置，所述斜率检测模块检测电源电路的电流采样电阻上电压的斜率并转换成相应的斜率电压，电压补偿模块将斜率电压和电压补偿模块的Vref0脚的电压相加得到电压补偿模块的Vref脚电压，将电压补偿模块的Vref脚电压作为关断比较器的阀值电压，所述关断比较器的另一端与采样电阻上电压Vcs相连，所述阀值电压和采样电阻上电压Vcs相比较，输出控制信号到R-S触发器的复位信号，以触发驱动电路工作，即关断开关管。它能够降低电路系统的体积，提升系统可靠性。不仅保证不同线电压输入时恒流输出，而且保证电路的变压器Lp变化时输出恒流。

Description

开关电源恒流控制装置

技术领域：

本发明涉及换热器技术领域，更具体地说涉及冷冻冷藏、列车空调、大巴空调所使用的换热器。

背景技术：

见图1，该图为现有技术中没有线补偿的原边控制脉冲频率调制(PFM)模式开关电源原理图。当原边功率开关管102关断时，辅助线圈106上的电压跟随副边电压Vout变化，电压分压器Vfb通过误差控制器120后，产生置位信号，触发器121的输出端Q通过驱动电路DRV 122将102打开。Vref为关断比较器118的阀值电压，当原边电流检测电阻103两端的电压Vcs上升到Vref时，产生关断信号，该信号作为复位信号到121，再通过122关断102，此时能量传递到副边线圈105，直至下一个周期开关导通。

当原边开关导通时，

由该公式可以看出，不同线电压输入时，原边电压的上升斜率不同，线电压越高斜率越大。从118输出关断信号到实际关断102有一个电路延迟时间Td，在Td内原边电流继续上升。Td的大小由电路结构决定，不随线电压的变化而变化。当线电压不同时，经过相同的Td后，实际关断102时原边峰值电流Ipk就会不同。系统输出电流为 $I_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{I}_{\mathrm{PKS}}\frac{T_{\mathrm{ons}}}{T_{\mathrm{off}}}=\frac{1}{2}\frac{N_P}{N_S}{I}_{\mathrm{PK}}\frac{T_{\mathrm{ons}}}{T_{\mathrm{off}}},$ 其中Ipks为副边峰值电流，Tons为副边线圈电流持续时间，Toff为一个周期中除了Tons的部分，Np为原边线圈匝数，Ns为副边线圈匝数，除Ipk外，其余参数都是系统固定值。因此不同线电压输入时，Ipk不同，Iout也就不同。线电压高时，输出电流大；线电压低时，输出电流小，不能达到不同线电压输入时该电路输出恒流的要求。

对于Bipolar功率开关管的驱动电路，在要求功率开关管关闭前，需要切断基极电流，因此需要加入一个预关断信号，先关断基极电流，让开关管中基极-发射极积聚的电荷提供开关管所需的电流，直到关断信号的到来，基极-发射极积聚的电荷放完，开关管瞬时完成关断。同时线电压高时，基极-发射极积聚的电荷多，因此需要更多的预关断时间来放电。

图2是采用NPN开关管且没有线电压补偿时Vcs与预关断比较器117和关断比较器118的阀值电压波形。图中三角波为Vcs波形，实线Vref_Pre和Vref分别为固定的预关断阀值电压和关断阀值电压，虚线Vsd_pre和Vsd分别为经过Td之后的预关断电压和关断电压。从图中可以看出不同线电压时，Vsd_pre和Vsd不同。Vcs从预关断到关断的时间Δt随线电压不同也不同，线电压高时Δt小。但由于线电压高时，需要更多的预关断时间来放电，因此如果关断信号到来前还没有结束放电，NPN管会继续导通，直到放电结束才真正关断，从而高线电压输入时Vpk大于低线电压输入时的Vpk，且Vpk的差异比Td时间产生的ΔV的差异大。即高线电压输入时Ipk大于低线电压输入的Ipk，因此不同线电压输入时输出电流不同，线电压越高，输出电流越大。

图3是采用MOS开关管且没有线电压补偿时Vcs与关断比较器118的阀值电压波形。图中三角波为Vcs波形，实线Vref为固定的关断阀值电压，虚线Vsd分别为经过Td之后的实际的关断电压。从图中可以看出不同线电压时，Vsd不同。高线电压输入时Vpk大于低线电压输入时的Vpk，即高线电压输入时Ipk大于低线电压输入的Ipk，因此不同线电压输入时输出电流不同，线电压越高，输出电流越大。

现有技术中提供了一种通过一个片外的线电压补偿网络来补偿原边线圈峰值电流的电路，可以使不同线电压输入时，经过电路延迟时间Td后实际的原边峰值电路相同，从而使不同的线电压输入时系统的输出电流相同。图4是此技术的原理图。和图1相比，该电路增加了一个片外的线电压补偿网络，由片外电阻203、213、214、215和216组成。Vcs由两部分叠加而成，一部分是线电压Vin通过片外电阻215、216、213、214分配到CS PIN上的电压Vcs_line，另一部分是原边电压通过片外电阻203、213、214、215分配到CS PIN上的电压Vcs_rcs。线电压高时，Vcs_line变大，由于芯片内部关断比较器的阀值电压是固定的，所以Vcs_rcs变小，即203的关断电压变小。因为线电压输入高时，Vcs上升的斜率大，经过Td后，增加的ΔV也就大。调整片外电阻的值和Vre_pre，使不同线电压输入时Vcs_rcs和ΔV之和相等，同时使高线电压时的预关断电压Δt比低线电压时的长，让实际的关断信号到来时基极-发射极积聚的电荷刚好放完，这样经过Td时间后实际的原边峰值电流Ipk就相等，从而系统输出电流Iout相同，即实现了不同线电压输入时输出恒流的要求。

由于现有技术是通过一个片外的线电压补偿网络老补偿原边峰值电流，使不同线电压输入时，实际的原边峰值电流相同，所以这种片外线电压补偿网络将会使整个电路体积变大，在具体实施时成本增加，同时也使整个电路系统的可靠性降低；进一步的，片外补偿电阻消耗一部分电流，使得系统效率降低；另外，从公式

看出，原边电流的斜率不仅和Vin相关，也和Lp相关。小的Lp，斜率大；大的LP，斜率小。这种控制方式，只能补偿Vin所引进的电流控制误差，不能解决Lp的变化导致的原边峰值电流的控制误差。而在系统生产时，Lp存在批量生产误差，不能保证变压器的Lp一定相等，因此利用这种控制方法的系统的恒流精度不高。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术之不足，而提供一种开关电源恒流控制装置，它能够降低电路系统的体积，提升系统可靠性。不仅保证不同线电压输入时恒流输出，而且保证电路的变压器Lp变化时输出恒流。

本发明的技术解决措施如下：

开关电源恒流控制装置，所述斜率检测模块检测电源电路的电流采样电阻上电压的斜率并转换成相应的斜率电压，电压补偿模块将斜率电压和电压补偿模块的Vref0脚的电压相加得到电压补偿模块的Vref脚电压，将电压补偿模块的Vref脚电压作为关断比较器的阀值电压，所述关断比较器的另一端与采样电阻上电压Vcs相连，所述阀值电压和采样电阻上电压Vcs相比较，输出控制信号到R-S触发器的复位信号，以触发驱动电路工作，即关断开关管。

所述触发器的Q端通过所述驱动电路将所述开关管打开。

本发明的有益效果在于：1、减少了片外电阻，简化了外围电路设计和组成，降低了系统成本，提高了系统可靠性。

2、补偿了不同线电压输入下Td带来的误差，使得不同线电压输入时恒流输出。

3、独特的设计，补偿了变压器电感带来的误差，提高了系统的恒流精度。

附图说明：

图1为现有技术没有线补偿的原边控制脉冲频率调制模式开关电源原理图

图2为现有技术中采用NPN开关管且没有线电压补偿时Vcs与预关断比较器和关断比较器的阀值电压波形

图3为现有技术中采用MOS开关管且没有线电压补偿时Vcs与关断比较器的阀值电压波形

图4为通过一个片外的线电压补偿网络来补偿原边线圈峰值电流的电路图

图5为本发明的电路图

图6为本发明斜率检测模块的电路图

图7为时序模块根据PFM信号产生的采样时序信号图

图8为本发明电压补偿模块的电路图

图9为单片集成斜率补偿时与关断比较器的阀值电压波形

具体实施方式：

实施例，见图5所示，开关电源恒流控制装置，所述斜率检测模块317检测电源电路的电流采样电阻309上电压的斜率并转换成相应的斜率电压，电压补偿模块316将斜率电压和电压补偿模块316的Vref0脚的电压相加得到电压补偿模块316的Vref脚电压，将电压补偿模块316的Vref脚电压作为关断比较器315的阀值电压，所述关断比较器315的另一端与采样电阻309上电压Vcs相连，所述阀值电压和采样电阻309上电压Vcs相比较，输出控制信号到R-S触发器313的复位信号，以触发驱动电路312工作，即关断开关管308。

这样就能使不同的原边电流斜率时经过相同的电路延迟时间Td后实际的原边峰值电流Ipk相等。从而通过斜率补偿的方式实现不同线电压、不同变压器电感时系统输出电流相同。

在本实施例中，反馈信号Vfb可以产生R-S触发器的置位信号，使得触发器313的Q端通过所述驱动电路312将所述开关管308打开。

参考图6所示，为本实施例中，所述斜率检测模块317在实际中的一个连接示例。时序模块根据PFM信号产生如图7所示的采样时序信号t1和t2，在t1和t2时刻，分别触发开关402和403，采样t1和t2时刻的Vcs电压，得到采样电压Vcs1和Vcs2。所述电压Vcs1和Vcs2通过差分输入比例放大器404，产生反映所述Vcs斜率的电压Vr。

在本实施例中的电压补偿模块一个示例电路如图8所示。如果取R505＝R506，R501＝R502＝R503，则Vref＝Vref0-Vr。在电路固有延迟时间Td内Vcs增加的值可表示为：

其中Lp原边线圈电感值。经过Td后实际的关断电压为：V_sd＝V_ref+ΔV＝V_ref0-V_r+ΔV，因此只要使补偿的电压阀值Vr和ΔV相等，就可以补偿不同线电压和变压器电感时原边电流斜率不同引起的原边峰值电流的不同，从而实现不同线电压和变压器电感时系统输出恒定电流。

图9为本发明单片集成斜率补偿时Vcs与关断比较器的阀值电压波形。图中三角波为Vcs波形，实线Vref为所述关断比较器315的关断阀值电压，虚线Vsd为经过Td之后实际的关断电压。从图中可以看出，不同原边电流斜率时原边采样电阻309的峰值电压Vpk相同，即原边电流Ipk相同，实现了不同线电压和变压器电感时系统输出恒定电流。

Claims (2)

1.开关电源恒流控制装置，其特征在于：所述斜率检测模块(317)检测电源电路的电流采样电阻(309)上电压的斜率并转换成相应的斜率电压，电压补偿模块(316)将斜率电压和电压补偿模块(316)的Vref0脚的电压相加得到电压补偿模块(316)的Vref脚电压，将电压补偿模块(316)的Vref脚电压作为关断比较器(315)的阀值电压，所述关断比较器(315)的另一端与采样电阻(309)上电压Vcs相连，所述阀值电压和采样电阻(309)上电压Vcs相比较，输出控制信号到R-S触发器(313)的复位信号，以触发驱动电路(312)工作，即关断开关管(308)。

2.根据权利要求1所述的开关电源恒流控制装置，其特征在于：触发器(313)的Q端通过所述驱动电路(312)将所述开关管(308)打开。

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