CN103051220B - 开关电源及其控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关电源及其控制器，该控制器包括：恒流/恒压控制模块，检测开关电源的输出恒流值/输出恒压值，将该输出恒流值/输出恒压值转换为等效值；分段控制误差放大器，与该恒流/恒压控制模块相连，将该等效值与预设的基准值进行误差放大，该分段控制误差放大器的跨导或放大倍数在电路启动后的两个或更多个连续的时间段依次降低；PWM发生器，与该分段控制误差放大器的输出端相连，并根据该分段控制误差放大器的输出信号确定驱动信号的占空比，该驱动信号用于驱动该开关电源的功率管。本发明能够在不加长VCC电容供电时间的前提下实现电路的快速启动，防止输出电压/电流发生过冲，而且不影响电路稳定工作时的特性。

Description

开关电源及其控制器

技术领域

本发明涉及开关电源技术，尤其涉及一种快速启动的开关电源及其控制器。

背景技术

图1示出了传统的带有跨导放大器的反激式单级LED驱动电源，包括：输入整流桥101，交流源102、输入滤波电容103、启动电阻104、VCC电容105、反激变压器T、输出整流二极管107、输出电容114、输出发光二极管112、功率管109、采样电阻Rs、辅助绕组供电整流二极管111，以及控制器120。

其中反激变压器T包括原边绕组106，副边绕组110，辅助绕组108。

控制器120包括：恒流控制模块121，根据采样电阻Rs上的电压和辅助绕组108产生的输出信号FB，检测出输出恒流值，并把输出恒流值计算成等效值Va输出到跨导型误差放大器122；跨导型误差放大器122，将输出恒流值的等效值Va与基准值进行误差放大，转换成误差电流对电容113充电放电，在环路稳定后，输出恒流值的等效值Va的平均值与基准值相同，达到输出恒流的目的；PWM发生器123，根据辅助绕组108产生的输出信号FB和跨导型误差放大器122的输出信号确定驱动信号GD的占空比，驱动信号GD用于驱动功率管109，驱动信号驱动GD的占空比体现了功率管109的的导通时间和关断时间。

其中，控制器120的供电端为端口VCC。电路的启动过程如下：先由输入电压Vin经启动电阻104对VCC电容105充电，由电容105对控制器120供电。VCC电容105充电放电过程的信号波形如图2所示，控制器120的开启电压V2和关闭电压V1之间具有差值V2-V1，即迟滞电压。在输入电压Vin通过启动电阻104将VCC电容105两端的电压充电至开启电压V2时，控制器120开始工作。控制器120工作后开始消耗VCC电容105上的电荷，使得VCC电容105的电压降低，同时开始向输出端传递能量。

如果在VCC电容105降低至关闭电压V1之前，输出电压已经建立，并且通过辅助绕组108产生反激电压给VCC电容105供电，则VCC电容105的电压将能够保持在关闭电压V1之上，使得电路正常启动并且正常工作。如果在VCC电容105的电压降低至关闭电压V1之前，输出电压还没有建立，则无法通过辅助绕组108产生反激电压给VCC电容105供电，导致VCC电容105的电压一直降低至小于关闭电压V1，控制器120停止工作，而后输入电压Vin将又通过启动电阻104对VCC电容105充电，重复以上的过程，这样可能会导致控制器120经过多次反复才能启动或者始终不能启动的情况。

控制器120是否可以正常启动，与VCC电容105的充电电荷有关，也与控制器120的耗电和迟滞电压（开启电压V2和关闭电压V1的差值）相关。假设VCC电容105的电容值为C1，控制器120的耗电电流为I1，则如果完全由VCC电容105供电，可以对控制器120的供电时间t1为：

$t1=\frac{(V2-V1)\·C1}{I1}$

在供电时间t1之内，如果输出能够建立，反激电压就能对VCC电容105供电，电路也就可以一次性启动；否则电路将不能一次性启动。

通常而言，如果供电时间t1足够长，就能保证电路的正常启动。为了加长供电时间t1，需要加大VCC电容105的电容值C1，或加大迟滞电压V2-V1，或减小控制器120的耗电电流I1。VCC电容105加大，会导致启动电阻104对电容105的充电时间变长，导致启动时间变长，而为了减小启动时间，则需要把启动电阻104减小，这又会导致启动电阻104上的功耗变大，影响系统效率。另一方面，迟滞电压V2-V1无法增大至很大，这是由控制器120可以正常工作的供电电压范围决定的；降低控制器120的耗电电流I1也是一种较为可行的方法，但是在控制器120的功耗已经很小的情况下，进一步降低耗电电力I1就变得非常困难。

如果不加长供电时间t1，则为了加快启动过程，一般可以采用初始提高输出能量的方式，这样能快速建立输出电压，缩短所需要的输出电压建立时间。但该方式会带来负作用，特别是在输入电压较高时，容易产生输出电流、输出电压过冲的问题，影响电路的安全。

仍然返回到前述问题，只要在输出电压建立前，VCC电容105的电压没有降低到关闭电压V1，则电路可以一次启动。一般而言，输出电压或电流是由环路控制的，下面以带有功率因数调整的控制器为例来说明，但其结果也适用于其他带环路控制的开关电源控制器。

仍然参考图1，在带环路控制的功率因数调整的电路中，需要快速建立稳定的环路。通常，为了提高响应的速度，一般要求补偿电容113的电容值较小；而为了有较好的功率因数调整功能，则又需要补偿电容113的电容值较大，以滤除输入整流后的脉冲波形，但这又会降低环路响应速度。因此，这两者是相互矛盾的，很难做到两者的兼顾。

如果采用较大的补偿电容113，由于环路控制响应较慢，在输入电压Vin的电压发生变化时，会发生不同的情况。输入电压Vin较低时，由于启动初始输出能量较少，环路响应较慢，启动很慢，启动后VCC电容105放电，VCC电容105放电到关闭电压V1时，如果输出电压还没有建立，则容易出现无法一次启动，导致启动不良。而在输入电压Vin较高时，由于初始输出能量较多，环路响应较慢，容易导致启动时输出电压发生过冲，影响电路的安全性。另一方面，如果采用较小的补偿电容113，虽然可以加快启动时环路的建立过程，但正常工作以后又会导致功率因数较低，而且电路的稳定性变差。

因此，需要一种新的解决方案来加快电路启动过程，而又不影响功耗、电路稳定性等其他性能参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源及其控制器，能够在不加长VCC电容供电时间的前提下实现电路的快速启动，防止输出电压/电流发生过程，而且不影响电路稳定工作时的特性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种开关电源控制器，包括：

恒流/恒压控制模块，检测开关电源的输出恒流值/输出恒压值，将所述输出恒流值/输出恒压值转换为等效值；

分段控制误差放大器，与所述恒流/恒压控制模块相连，将所述等效值与预设的基准值进行误差放大，所述分段控制误差放大器的跨导或放大倍数在电路启动后的两个或更多个连续的时间段依次降低；

PWM发生器，与所述分段控制误差放大器的输出端相连，并根据所述分段控制误差放大器的输出信号确定驱动信号的占空比，所述驱动信号用于驱动所述开关电源的功率管。

根据本发明的一个实施例，所述分段控制误差放大器包括：

启动定时模块，电路启动时开始定时并产生定时信号；

跨导型误差放大器，与所述恒流/恒压控制模块相连，将所述等效值与预设的基准值进行误差放大并转换成误差电流，所述跨导型误差放大器的输出端作为所述分段控制误差放大器的输出端与所述PWM发生器相连；

跨导分段控制模块，与所述启动定时模块和跨导型误差放大器相连，根据所述定时信号调节所述跨导型误差放大器的跨导。

根据本发明的一个实施例，所述跨导型误差放大器包括：

第一三极管，其基极接收所述等效值，其发射极经由第一电阻连接基准电流源；

第二三极管，其基极接收所述预设的基准值，其发射极经由第二电阻连接所述基准电流源；

第一镜像电流源，其输入端连接所述第一三极管的集电极；

第二镜像电流源，其输入端连接所述第二三极管的集电极；

第三镜像电流源，其输入端连接所述第一镜像电流源的输出端，其输出端连接所述第二镜像电流源的输出端并作为所述跨导型误差放大器的输出端。

根据本发明的一个实施例，所述跨导分段控制模块根据所述定时信号调节所述第一镜像电流源、第二镜像电流源、第三镜像电流源的电流镜像比和/或所述第一电阻、第二电阻的电阻值，以调节所述跨导型误差放大器的跨导。

根据本发明的一个实施例，所述分段控制误差放大器包括：

启动定时模块，电路启动时开始定时并产生定时信号；

电压型误差放大器，与所述恒流/恒压控制模块相连，将所述等效值与预设的基准值进行误差放大，所述电压型误差放大器的输出端作为所述分段控制误差放大器的输出端与所述PWM发生器相连；

放大倍数分段控制模块，与所述启动定时模块和电压型误差放大器相连，根据所述定时信号调节所述电压型误差放大器的放大倍数。

本发明还提供了一种开关电源，包括以上任意一项所述的开关电源控制器。

根据本发明的一个实施例，所述开关电源为反激式开关电源、正激式开关电源、降压式开关电源、升压开关电源或升降压开关电源。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的开关电源控制器中，分段控制误差放大器的跨导或放大倍数在电路启动后的两个或多个连续的时间段依次降低，也即在电路刚启动的时间段跨导或放大倍数较大，使得环路响应速度较快，有利于快速建立稳定环路，加快启动速度，防止在输入电压较低时启动不良；而在后续的时间段内，跨导或放大倍数逐渐降低，直至启动后降低至常规的正常跨导或放大倍数，防止在输入电压较高时发生输出过冲。因此，采用本发明实施例的开关电源控制器，既能够实现低输入电压时的快速启动，又不会在高输入电压时发生过冲。

附图说明

图1是现有技术中一种带有跨导放大器的反激式单级LED驱动电路的电路结构示意图；

图2是图1所示LED驱动电路的工作波形图；

图3是本发明第一实施例的开关电源的电路结构示意图；

图4是本发明实施例的跨导型误差放大器的详细电路图；

图5是本发明第二实施例的开关电源的电路结构示意图；

图6是本发明第三实施例的开关电源的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图3，图3示出了第一实施例的反激式开关电源的电路结构，其采用的是恒流控制环路。该开关电源包括：输入整流桥101、交流源102、输入滤波电容103、启动电阻104、VCC电容105、反激变压器T（包括原边绕组106、副边绕组110以及辅助绕组108）、输出整流二极管107、输出电容114、功率管109、采样电阻Rs、输出发光二极管112、输出绕组供电整流二极管111、控制器130。其中，除控制器130之外的其他部件的连接方式和工作原理与背景技术中描述的常规开关电源相同。

其中，控制器130包括：恒流控制模块121、分段控制误差放大器132、PWM发生器123。

其中，恒流控制模块121检测开关电源的输出恒流值，将该输出恒流值转换为等效值Va。进一步而言，恒流控制模块121根据采样电阻Rs上的电压和辅助绕组108产生的反馈信号FB检测出开关电源的输出恒流值，并将该输出恒流值计算转换为等效值Va。

分段控制误差放大器132与恒流控制模块121相连，将等效值Va与预设的基准值进行误差放大，分段控制误差放大器132的跨导在电路启动后的两个或更多个连续的时间段依次降低。进一步而言，在本实施例中，分段控制误差放大器132包括：启动定时模块133，在电路启动时开始定时，并产生定时信号；跨导分段控制模块134，根据启动定时模块133输出的定时信号，控制跨导型误差放大器135的跨导，在电路开始启动的初始时间段，将跨导型误差放大器135的跨导调节为较大，在后续的时间段依次降低跨导型误差放大器135的跨导，直至降低至预设的正常跨导；跨导型误差放大器135，其跨导可调，具体为根据跨导分段控制模块134输出的跨导控制信号选择不同的跨导，对输出恒流值的等效值Va与基准值进行误差放大，转换成误差电流对补偿电容113进行充电放电，在环路稳定后，输出恒流值的等效值Va的平均值与基准值相等，达到输出恒流的目的。

其中，跨导分段控制模块134对跨导型误差放大器135的跨导的控制可以是两段控制，也可以是多段控制。以两段控制为例，在电路启动后的第一时间段，跨导分段控制模块134将跨导型误差放大器135的跨导调节为较大，较大的跨导有利于缩短环路的响应时间，加快启动过程；而在紧随第一时间段之后的第二时间段中，跨导分段控制模块134将跨导型误差放大器135的跨导调小至预设的正常跨导，使得电路正常工作。对于两段控制和多段控制，其中每一时间段的持续时间是任意的，可以根据实际应用的需求进行设定。

PWM发生器123与分段控制误差放大器132的输出端相连，并根据分段控制误差放大器132的输出信号确定驱动信号GD的占空比，该驱动信号GD用于驱动开关电源的功率管109。进一步而言，PWM发生器123根据辅助绕组108产生的反馈信号FB和跨导型误差放大器135的输出信号确定驱动信号GD的占空比，以确定功率管109的导通时间和关断时间。

采用分段控制误差放大器132，通过在启动后的初始时间段加大跨导，使得在启动阶段环路响应速度提高，有利于快速建立环路，防止在较高输入电压下发生输出过冲和在较低输入电压下启动不良；在启动后的后续时间段，跨导逐渐降低至正常跨导。采用该方案，既能够实现在较低输入电压下的快速启动，又不会在较高输入电压下发生过冲。

参考图4，图4示出了本实施例中跨导型误差放大器的详细电路，包括：第一三极管Q₁，其基极接收等效值Va，其发射极经由第一电阻R1连接基准电流源I₀；第二三极管Q₂，其基极接收预设的基准值V_ref1，其发射极经由第二电阻R2连接基准电流源I₀；第一镜像电流源41，其输入端连接第一三极管Q₁的集电极；第二镜像电流源42，其输入端连接第二三极管Q₂的集电极；第三镜像电流源43，其输入端连接第一镜像电流源41的输出端，其输出端连接第二镜像电流源42的输出端并作为整个跨导型误差放大器的输出端，输出误差电流Icomp。

作为一个非限制性的例子，第一镜像电流源41包括MOS晶体管M₁和MOS晶体管M₃，MOS晶体管M₁和M₃的源极相连，MOS晶体管M₁和M₃的栅极相连，MOS晶体管M₁的漏极连接自身的栅极并连接第一三极管Q₁的集电极。

第二镜像电流源42包括MOS晶体管M₂和MOS晶体管M₄，MOS晶体管M₂和M₄的源极相连，MOS晶体管M₂和M₄的栅极相连，MOS晶体管M₂的漏极连接自身的栅极并连接第二三极管Q₂的集电极。

第三镜像电流源43包括MOS晶体管M₅和MOS晶体管M₆，MOS晶体管M₅和M₆的源极相连，MOS晶体管M₅和M₆的栅极相连，MOS晶体管M₅的漏极连接自身的栅极并连接MOS晶体管M₃的漏极，MOS晶体管M₆的漏极连接MOS晶体管M₄的漏极。

假设第二镜像电流源42的镜像电流比为K2，第一镜像电流源41和第三镜像电流源43总计的镜像电流比为K1，则有：I₄=K₂·I₂，I₆=K₁·I₁，其中I₁为流过第一三极管Q₁的电流，I₂为流过第二三极管Q₂的电流，因此，补偿电流I_comp可以采用如下公式计算：I_comp=I₄-I₆=K₂·I₂-K₁·I₁。

将第一电阻R1的电阻值记为R1，将第二电阻R2的电阻值记为R2，将等效值Va的电压记为Va。通常可以假定，K1=K2=K，R1=R2=R，基准电流源I₀输出的电流足够大，保证I1和I2都大于零，则有如下关系：

$I_{\mathrm{comp}}=-K\frac{V_a-V_{\mathrm{ref}1}}{R}$

即跨导Gm为：

$\mathrm{Gm}=\frac{I_{\mathrm{comp}}}{V_a-V_{\mathrm{ref}1}}=-\frac{K}{R}$

由以上公式可知，跨导绝对值的大小与电流镜像比K、电阻值R有关。因此，可以通过控制电流镜像比K和电阻值R来调节跨导。在启动的初始时间段，将电流镜像比调大和/或电阻值R调小，就可以提高启动初始阶段的跨导，从而提高电路的相应速度，加快电路的启动过程。在后续时间段逐渐降低跨导，直至启动结束后恢复至正常的跨导，这样既能保证正常工作，又能加快启动过程。

需要说明的是，以上图3所示的第一实施例是以电流环路为例进行说明的，但是本领域技术人员应当理解，对于电压环路，通过调节分段控制误差放大器的放大倍数，也能够实现快速启动。

图5示出了第二实施例的开关电源的电路结构，其采用的是电压环路，将恒流控制模块替换为恒压控制模块151，用于将开关电源的输出恒压值转换为等效值Va。另外，分段控制误差放大器132更改为包括：启动定时模块133，电路启动时开始定时并产生定时信号；电压型误差放大器135，将等效值Va与预设的基准值进行误差放大，该电压型误差放大器135的输出端作为所述分段控制误差放大器132的输出端与PWM发生器153相连；放大倍数分段控制模块134，与该启动定时模块133和电压型误差放大器135相连，根据所述定时信号调节电压型误差放大器135的放大倍数，在电路启动后的初始时间段放大倍数较大，在后续的一个或多个时间段依次降低电压型误差放大器135的放大倍数，直至降低为正常放大倍数。在图5所示的第二实施例中还包括峰值电流限制模块154，其输入端与采样电阻Rs的第一端相连，用于获取采样电阻Rs两端的电压，其输出端与PWM发生器153相连，将获取的采样电阻Rs两端的电压反馈至PWM发生器153，以限制流过采样电阻Rs的电流。第二实施例中其他部分的电路结构与图3所示的第一实施例相同，这里不再赘述。

另外，图3所示的第一实施例以及图5所示的第二实施例虽然是以反激式开关电源为例进行说明的，但本领域技术人员应当理解，本实施例中的开关电源控制器可以适用于各种类型的开关电源，例如正激式开关电源、降压式开关电源、升压开关电源或升降压开关电源等。对于各种开关电源，都可以采用本实施例的控制器来加快环路的响应速度，加快电路的建立过程，有效防止启动过程中的电压过冲和电流过冲等问题。

参考图6，图6示出了第三实施例的开关电源的电路结构，其具体为降压式开关电源。其中，控制器130的结构与图3所示的第一实施例中的控制器130相同，区别在于主电路为降压式结构。在第三实施例中，主电路具体包括：输入整流桥101、交流源102、输入滤波电容103、启动电阻104、VCC电容105、变压器（包括原边绕组161和辅助绕组163）、二极管162、输出电容114、功率管109、采样电阻Rs、输出发光二极管112、输出绕组供电整流二极管111、控制器130。

本领域技术人员应当理解，图6所示的降压式开关电源的主电路仅为示例，主电路做适当的变更时该控制器130仍然可以适用，也即，控制器130可以适用于各种类型的开关电源。

另外，本实施例还提供了一种加快开关电源启动过程的方法，包括如下步骤：

步骤1，在电路启动后的初始阶段，加大误差放大器的放大倍数或跨导，以加快环路的响应速度；

步骤2，在启动定时到预设时长之后，将误差放大器的放大倍数或跨导恢复至正常的放大倍数或跨导，使得电路正常工作，不影响电路的稳定性和正常工作时的电路参数。

其中，步骤1中加大误差放大器的放大倍数是分段控制的，可以是两段控制或多段控制。

本发明公开了具有启动初始阶段加大误差放大器的放大倍数或跨导以加快环路响应速度，防止输出电流、输出电压发生过冲的结构和方法，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，包括但不限于对跨导放大器结构、启动定时方式局部构造的变更、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 (7)

1.一种适用于开关电源的开关电源控制器，其特征在于，包括：

恒流/恒压控制模块，检测所述开关电源的输出恒流值/输出恒压值，将所述输出恒流值/输出恒压值转换为等效值；

分段控制误差放大器，与所述恒流/恒压控制模块相连，将所述等效值与预设的基准值进行误差放大，所述分段控制误差放大器的跨导或放大倍数在电路启动后的两个或更多个连续的时间段依次降低；

PWM发生器，与所述分段控制误差放大器的输出端相连，并根据所述分段控制误差放大器的输出信号确定驱动信号的占空比，所述驱动信号用于驱动所述开关电源的功率管；

其中，在电路刚启动的时间段，所述分段控制误差放大器的跨导或放大倍数较大，以加快所述开关电源的环路响应速度，快速建立稳定的开关电源环路，在电路启动后的后续时间段，所述分段控制误差放大器的跨导或放大倍数依次降低，直至启动后降低至常规的正常跨导或放大倍数，以防止所述开关电源的输出过冲。

2.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述分段控制误差放大器包括：

启动定时模块，电路启动时开始定时并产生定时信号；

跨导型误差放大器，与所述恒流/恒压控制模块相连，将所述等效值与预设的基准值进行误差放大并转换成误差电流，所述跨导型误差放大器的输出端作为所述分段控制误差放大器的输出端与所述PWM发生器相连；

跨导分段控制模块，与所述启动定时模块和跨导型误差放大器相连，根据所述定时信号调节所述跨导型误差放大器的跨导。

3.根据权利要求2所述的开关电源控制器，其特征在于，所述跨导型误差放大器包括：

第一三极管，其基极接收所述等效值，其发射极经由第一电阻连接基准电流源；

第二三极管，其基极接收所述预设的基准值，其发射极经由第二电阻连接所述基准电流源；

第一镜像电流源，其输入端连接所述第一三极管的集电极；

第二镜像电流源，其输入端连接所述第二三极管的集电极；

第三镜像电流源，其输入端连接所述第一镜像电流源的输出端，其输出端连接所述第二镜像电流源的输出端并作为所述跨导型误差放大器的输出端。

4.根据权利要求3所述的开关电源控制器，其特征在于，所述跨导分段控制模块根据所述定时信号调节所述第一镜像电流源、第二镜像电流源、第三镜像电流源的电流镜像比和/或所述第一电阻、第二电阻的电阻值，以调节所述跨导型误差放大器的跨导。

5.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述分段控制误差放大器包括：

启动定时模块，电路启动时开始定时并产生定时信号；

电压型误差放大器，与所述恒流/恒压控制模块相连，将所述等效值与预设的基准值进行误差放大，所述电压型误差放大器的输出端作为所述分段控制误差放大器的输出端与所述PWM发生器相连；

放大倍数分段控制模块，与所述启动定时模块和电压型误差放大器相连，根据所述定时信号调节所述电压型误差放大器的放大倍数。

6.一种开关电源，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的开关电源控制器。

7.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源为反激式开关电源、正激式开关电源、降压式开关电源、升压开关电源或升降压开关电源。