CN103138573B - 降压式开关电源及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降压式开关电源及其控制电路，降压式开关电源包括具有电感的降压式基本电路，该基本电路具有恒压和恒流两种工作模式；恒压工作模式下,在电感放电期间，依据降压式基本电路的输出电压采样值，控制功率开关管的导通状态，使降压式基本电路的输出电压在第一负载范围内保持恒定；恒流工作模式下,在电感放电电流过零后，控制功率开关管导通，以及，在电感充电期间，检测电感充电电流，并依据输入电压采样值及电感的充电电流，控制功率开关管的关断状态，以使电感的峰值电流是一不跟随输入电压变化的常数，实现降压式基本电路在第二负载范围内的输出电流保持恒定，最终实现在全负载范围内实现恒压和恒流输出。

Description

降压式开关电源及其控制电路
技术领域
本发明涉及降压式开关电源技术领域，特别是涉及一种降压式开关电源及其控制电路。
背景技术
图1所示为现有技术中一种恒压输出的降压式开关电源的电路结构示意图，所谓恒压输出是指，在一定的负载范围内,无论降压式开关电源的输出电流如何变化，输出电压都恒定不变。
该降压式开关电源主要包括：控制芯片10、交流输入电源、降压式基本电路11、分压电阻R1和R2，以及二极管D1，其中：
降压式基本电路11包括电感L1、电容C3、续流二极管D2、负载RL，所述输出电压为负载RL两端的电压。控制芯片包括恒压控制模块101、功率开关102，所述恒压控制模块101通过控制芯片10的FB端采集到的降压式基本电路11的输出电压采样值Vfb，并依据Vfb控制功率开关102的导通/关断状态，实现在一定的负载范围内降压式开关电源的输出电压恒定不变。
图2为现有技术中一种恒流输出的降压式开关电源的电路结构示意图，该降压式开关电源主要包括：控制芯片20、交流输入电源、降压式基本电路21、采样电阻R1，其中：
控制芯片20包括恒流控制模块201、功率开关202，所述恒流控制模块201通过采样电阻R1检测电感L1的充电电流，依据检测到的电感L1的充电电流控制功率开关202的导通/关断状态，实现输出电流恒定。
通过对现有技术的研究，发明人发现：现有的降压式开关电源通过一个控制芯片仅能实现恒压输出或者恒流输出，不能同时实现恒压输出和恒流输出。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种降压式开关电源及其控制电路和控制方法，以实现降压式开关电源恒压和恒流输出，技术方案如下：
本申请提供一种降压式开关电源的控制电路，所述降压式开关电源至少包括具有电感的降压式基本电路，包括：功率开关管、恒压恒流控制模块和输入电压采样电路，其中：
所述输入电压采样电路，用于采集所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值并提供给所述恒压恒流控制模块；
所述恒压恒流控制模块，用于在所述电感放电期间，通过输出电压检测端检测所述降压式基本电路的输出电压，并依据所述输出电压值控制所述功率开关管导通状态，以使所述降压式基本电路的输出电压保持恒定；
所述恒压恒流控制模块，还用于在所述电感放电结束后，控制所述功率开关管导通，并在所述电感充电期间，检测所述电感充电电流，并依据所述输入电压采样值以及所述电感充电电流，控制所述功率开关管的关断状态，以使所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
优选的，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电压保持恒定时，具体用于，在脉冲宽度调制PWM方式下,依据所述输出电压采样值，控制所述功率开关管的导通时间段。
优选的，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电压保持恒定时，具体用于，在脉冲频率调制PFM方式下，依据所述输出电压采样值，控制所述功率开关管在所述电感放电结束后的关断时间。
优选的，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定时，根据输入电压采样值计算得到对应的参考电压，当检测到所述电感的充电电流对应的检测电压降达到所述参考电压时，控制所述功率开关管关断，使流过电感的充电电流的峰值是一个不随所述输入电压变化的常数。
优选的，所述输入电压采样电路通过所述输出电压检测端采样得到所述降压式开关电源的输入电压。
优选的，所述输入电压采样电路包括：第一采样电阻和第一控制开关，其中：
所述第一采样电阻的一端通过所述第一控制开关连接接地端，所述第一控制开关的控制端连接所述恒压恒流控制模块的第二输出端，且所述第一控制开关的控制信号与从所述恒压恒流控制模块的第一输出端输出的控制所述功率开关管的控制信号具有相同的导通与关断控制特性；
所述第一采样电阻的另一端连接所述控制电路的输出电压检测端。
优选的，上述的降压式开关电源的控制电路还包括第一电阻和第二电阻，其中：
所述第一电阻与所述第二电阻串联连接在所述控制电路的输出电压检测端和接地端之间，且所述第一电阻和所述第二电阻的公共接点连接所述恒压恒流模块的第一输入端。
本申请还提供一种降压式开关电源，包括：具有电感的降压式基本电路、输出电压采样电路、电感充电电流检测电路，以及上述的降压式开关电源的控制电路，其中：
所述输出电压采样电路，用于在所述电感放电期间，采样所述降压式基本电路的输出电压，得到输出电压采样值并提供给所述控制电路；
所述电感充电电流检测电路，用于在所述电感充电期间，检测所述电感充电的电流；
所述控制电路包括：输入电压采样电路、功率开关管和恒压恒流控制模块，其中：
所述输入电压采样电路，用于在所述电感充电期间采样所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值并提供给所述控制电路；
所述恒压恒流控制模块，用于依据接收到的所述输出电压采样值控制所述功率开关管导通，以使所述降压式基本电路的输出电压保持恒定；
所述恒压恒流控制模块，还用于在所述电感放电结束后，控制所述功率开关管导通，在所述电感充电期间，检测所述电感充电的电流，并依据所述输入电压采样值以及电感充电电流，控制所述功率开关管的关断，使得所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
优选的，所述降压式基本电路包括：电感、电容、续流二极管和负载；
所述电感的一端连接所述续流二极管的阴极，另一端连接所述电容的一端，所述续流二极管的阳极和所述电容的另一端均连接输出电压的零电位端；
所述负载并联在所述电容的两端，流过所述负载的电流为降压式基本电路的输出电流，所述负载两端的电压为所述降压式基本电路的输出电压。
优选的，所述电感为具有分接头的耦合电感，所述耦合电感的分接头通过第一二极管连接所述控制电路的供电端。
优选的，上述的降压式开关电源，还包括：第二二极管，所述第二二极管的阳极连接所述负载的正极性端，阴极连接所述输出电压采样电路。
优选的，所述输出电压采样电路集成在所述控制电路中，所述输出电压采样电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联后连接在所述控制电路的输出电压检测端与GND端之间。
优选的，所述输入电压采样电路通过所述输出电压检测端采样，得到所述降压式开关电源的输入电压采样值。
本申请还提供一种控制器，应用于降压式开关电源，所述降压式开关电源至少包括降压式基本电路，包括：
交流电源输入端、输出电压检测端、电感充电电流检测端，接地端、功率开关管、输入电压采样电路和恒压恒流控制模块，其中：
所述输出电压检测端用于在所述电感放电期间检测所述降压式基本电路的输出电压，得到输出电压采样值并提供给所述恒压恒流控制模块；以及用于在所述电感充电期间采集所述降压式基本电路的输入电压，得到输入电压采样值并提供给所述恒压恒流控制模块；
所述功率开关管连接在所述交流电源输入端与所述电感充电电流检测端之间；
所述输入电压采样电路的一端连接所述输出电压检测端，另一端连接所述接地端，控制端连接所述恒压恒流控制模块的第二输出端，所述输入电压采样电路用于采集所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值，提供给所述恒压恒流控制模块；
所述恒压恒流控制模块，用于依据接收到的所述输出电压采样值控制所述功率开关管的导通状态，以使所述降压式基本电路的输出电压保持恒定；
所述恒压恒流控制模块，还用于在所述电感放电结束后，控制所述功率开关管导通，在所述电感充电期间，检测所述电感充电电流；并依据所述输入电压采样值以及电感充电电流控制所述功率开关管的关断状态，以使得所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
优选的，上述的控制器，还包括直流供电端，用于将接收到的直流电压提供给所述控制器内部的各个电路。
优选的，所述输入电压采样电路包括：第一采样电阻和第一控制开关，其中：
所述第一采样电阻的一端通过所述第一控制开关连接接地端，所述第一控制开关的控制端连接所述恒压恒流控制模块的第二输出端，且所述第一控制开关的控制信号与所述恒压恒流控制模块的第一输出端输出的控制所述功率开关管的控制信号具有相同的导通与关断控制特性；
所述第一采样电阻的另一端连接所述控制电路的输出电压检测端。
优选的，上述的控制器，还包括第一电阻和第二电阻，其中：
所述第一电阻与所述第二电阻串联连接在所述控制电路的输出电压检测端和接地端之间，且所述第一电阻和所述第二电阻的公共接点连接所述恒压恒流模块的第一输入端。
优选的，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电压保持恒定时，具体用于在脉宽调制PWM控制方式下，所述恒压恒流控制模块依据所述输出电压采样值，控制所述功率开关管的导通时间段。
优选的，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电压保持恒定时，具体用于在脉冲频率调制PFM控制方式下，所述恒压恒流控制模块依据所述输出电压采样值，控制所述功率开关管在所述电感放电结束后的关断时间。
优选的，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定时，具体用于依据输入电压采样值计算得到对应的参考电压，当检测到所述电感的充电电流对应的检测电压达到所述参考电压时，控制所述功率开关管关断，以使流过电感的充电电流的峰值是一个不随所述输入电压变化的常数。
本申请还提供一种降压式开关电源恒流控制电路，所述降压式开关电源包括具有电感的降压式基本电路、用于检测所述降压式基本电路的输出电压的输出电压采样电路、以及检测电感充电电流的电感充电电流检测电路，包括：输入电压采样电路、功率开关管和恒流控制模块，其中：
输入电压采样电路的一端连接所述控制电路的输出电压检测端，另一端连接所述控制电路的接地端，控制端连接所述恒流控制模块的第二输出端，所述输入电压采样电路用于在所述电感的充电期间，采集所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值；
所述恒流控制模块，用于在所述电感放电结束后，控制所述功率开关管导通，在所述电感充电期间，获取所述电感充电电流对应的检测电压；并依据所述输入电压采样值以及电感充电电流控制所述功率开关管的关断状态，以使得所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，最终实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
优选的，所述恒流控制模块包括：关断比较器、输入电压补偿电路、功率开关管驱动电路，其中：
所述输入电压补偿电路的第一输入端为所述降压式开关电源恒流控制电路的输出电压检测端，第二输入端输入一基准电压，输出端连接所述关断比较器的第一输入端，所述输入电压补偿电路用于将所述基准电压与所述通过输出电压检测端得到的输入电压值进行加权相加，得到所述关断比较器的参考电压；
所述关断比较器的第二输入端为所述降压式开关电源恒流控制电路的电感充电电流检测端，所述关断比较器在所述电感充电电流检测端的检测电压降达到所述参考电压时，输出控制所述功率开关管关断的电平信号。
优选的，所述输入电压采样电路包括：第一采样电阻和第一控制开关，其中：
所述第一采样电阻的一端通过所述第一控制开关连接接地端，所述第一控制开关的控制端连接所述恒压恒流控制模块的第二输出端，且所述第一控制开关的控制信号与所述功率开关管的控制信号具有相同的导通与关断控制特性；
所述第一采样电阻的另一端连接所述控制电路的输出电压检测端。
由以上本发明实施例提供的技术方案可见，所述降压式开关电源及其控制电路和控制方法，降压式开关电源至少包括具有电感的降压式基本电路，利用恒压恒流控制模块对功率开关管的导通/关断状态控制，实现降压式开关电源的恒压输出和恒流输出。
具体的，实现恒压输出的过程是：在电感放电期间，依据接收到的降压式基本电路的输出电压采样值，控制功率开关管的导通状态，保证电感获得的能量保持恒定，最终使降压式基本电路的输出电压保持恒定；
实现恒流输出的过程是：在电感放电结束后，控制功率开关管导通，以保证电感的充放电的电流波形为三角波；以及，在所述电感充电期间，检测所述电感的充电电流，并依据所述输入电压采样值，以及所述电感充电电流，控制所述功率开关管的关断状态，以使所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，最终实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种恒压输出的降压式开关电源的电路结构示意图；
图2为现有技术中一种恒流输出的降压式开关电源的电路结构示意图；
图3为本发明实施例一种降压式开关电源的控制电路的电路示意图；
图4为本发明实施例另一种降压式开关电源的控制电路的电路示意图；
图5为本发明实施例另一种降压式开关电源的控制电路的电路示意图；
图6a为本发明实施例一种降压式开关电源的电路示意图；
图6b为本发明实施例恒压控制过程降压式开关电源各关键点的波形图；
图6c为本发明实施例恒流控制过程降压式开关电源各关键点的波形图；
图7为本发明实施例另一种降压式开关电源的电路示意图；
图8为本发明实施例另一种降压式开关电源的电路示意图；
图9为本发明实施例另一种降压式开关电源的电路示意图；
图10为本发明实施例另一种降压式开关电源的电路示意图；
图11a为本发明实施例一种恒流控制电路的电路示意图；
图11b为没有线电压补偿时，Vcs与参考电压Vth的电压波形图；
图11c为设置线电压补偿后，Vcs与参考电压Vth的电压波形图；
图11d为本发明实施例一种恒流控制模块的电路示意图；
图12为本发明实施例另一种降压式开关电源恒流控制电路的电路示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参见图3，示出了本发明实施例一种降压式开关电源的控制电路的电路示意图，所述降压式开关电源至少包括具有电感的降压式基本电路，所述控制电路100包括：功率开关管101、恒压恒流控制模块102和输入电压采样电路103。
功率开关管101的第一端作为所述控制电路的电源输入端HV连接交流输入电源200，第二端连接电感充电电流检测端CS，控制端连接所述恒压恒流控制模块的第一输出端。
所述输入电压采样电路103的一端连接所述输出电压检测端FB，另一端连接GND端，控制端连接恒压恒流控制模块102的第二输出端，该电路用于在所述电感充电期间，采集所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值。
所述恒压恒流控制模块102的第一输入端连接所述控制电路的输出电压检测端FB，第二输入端连接所述控制电路的电感充电电流检测端CS。
恒压恒流控制模块102，用于在所述电感放电期间，依据接收到的所述输出电压采样值，控制所述功率开关管的导通状态，保证所述电感获得的能量保持恒定，最终保证所述降压式基本电路的输出电压保持恒定；
具体实施时，在实现降压式开关电源的恒压输出时，根据恒压恒流控制模块输出的控制信号的类型不同，具体控制功率开关管的状态分以下两种情况：
1)在PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)控制方式下，恒压恒流控制模块依据输出电压采样值，控制功率开关管的导通时间段，即所述功率开关管的开关频率为一固定值，从而保证所述电感获得的能量保持恒定，最终保证所述降压式基本电路的输出电压保持恒定。
2)在PFM(PulseFrequencyModulation，脉冲频率调制)控制方式下，恒压恒流控制模块依据输出电压采样值，控制功率开关管在电感放电结束后的关断时间，即控制所述功率开关管在关断后重新导通的时刻，以使所述功率开关管的的导通时间为不跟随负载变化的固定值，保证所述电感获得的能量保持恒定，最终保证所述降压式基本电路的输出电压保持恒定。
所述恒压恒流控制模块102，还用于在电感放电结束后控制功率开关管导通，以保证电感的充放电的电流波形为三角波；
以及，在所述电感充电期间，检测所述电感充电电流，并依据所述输入电压采样值以及所述电感充电电流，控制所述功率开关管的关断状态，以使所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，最终实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
具体实施时，在实现降压式开关电源的恒流输出时，首先保证降压式基本电路中的电感充放电的电流波形为三角波，因此，在电感放电结束后，立即控制功率开关管导通；
通过采集降压式开关电源的不同数值的输入电压，依据输入电压采样值计算得到一个跟随所输入电压变化的参考电压(具体的，输入电压数值较大时，得到的参考电压的数值较小)，检测所述电感的充电电流，当所述充电电流对应的检测电压降达到所述参考电压时，控制所述功率开关管关断。由于功率开关管存在关断延时，所述参考电压为跟随输入电压变化，而且输入电压越大，参考电压越小，从而保证电感的峰值电流是一个不跟随所述输入电压变化的常数，最终实现恒流输出。
本实施例提供的降压式开关电源的控制电路，既能使降压式开关电源的输出电压保持恒定，又能使其输出电流保持恒定。
请参见图4，示出了本发明实施例另一种降压式开关电源的电路结构示意图，所述降压式开关电源至少包括具有电感的降压式基本电路，所述控制电路100包括：功率开关管101、恒压恒流控制模块102和输入电压采样电路，其中，输入电压检测电路包括第一采样电阻Rline和第一控制开关K1。
所述第一采样电阻Rline的一端连接所述控制电路100的输出电压检测端FB，另一端通过所述第一控制开关K1连接GND端，其中，所述GND端悬空，因此，当功率开关管导通时，GND端的电压始终与HV端的电压近似相等。
所述第一控制开关K1的控制端连接所述恒压恒流控制模块102的第二输出端，其中，所述恒压恒流控制模块的第二输出端输出的控制信号与第一输出端输出的控制信号具有相同的导通/关断控制特性，即当功率开关管101导通时，第一控制开关K1导通；当功率开关管101关断时，第一控制开关K1关断。
需要说明的是，所述恒压恒流控制模块102的第一输出端和第二输出端可以为同一输出端。
所述第一采样电阻Rline与R2分压，由于Rline的阻值较小，因此，Rline上的压降较小，从而使得控制电路的输出电压检测端FB的负压较小，大大降低了输出电压检测端FB的耐压值。并且，由于GND端的电压将跟随HV端的输入电压的变化而变化，进而通过Rline将输入电压的变化情况反馈给恒压恒流控制模块，即通过Rline采样输入电压。
请参见图5，示出了本发明实施例另一种降压式开关电源的控制电路的电路示意图，在图4所示的控制电路的基础上增加第一电阻R2和第二电阻R3；
所述控制电路包括：功率开关管101，恒压恒流控制模块102，第一采样电阻Rline、第一控制开关K1，以及第一电阻R2和第二电阻R3。
第一电阻R2与第二电阻R3串联连接在控制电路100的输出电压检测端FB和接地端GND之间，且第一电阻R2和第二电阻R3的公共连接点连接所述恒压恒流模块的第一输入端，在第二电阻R3上获得降压式基本电路的输出电压采样值。
本实施例提供的降压式开关电源的控制电路内集成有输出电压采集电阻R2和R3，减小了控制电路的外围器件，提高了控制电路的可靠性。
相应于上述的降压式开关电源的控制电路实施例，本发明还提供一种应用于降压式开关电源的控制器，所述控制器包括交流电源输入端、输出电压检测端FB、电感充电电流检测端CS、接地端GND、直流供电端VCC、交流电源输入端HV、功率开关管、和恒压恒流控制模块，其具体的结构与图3-图5对应的实施例相同，此处不再赘述。
相应于上述的降压式开关电源的控制电路，本发明还提供一种降压式开关电源。
请参见图6a，示出了本发明实施例一种降压式开关电源的电路结构示意图。
所述降压式开关电源包括：控制电路100、交流输入电源200、降压式基本电路300、输出电压采样电路、电感充电电流检测电路，二极管D1、电容C1，其中，输出电压采样电路为第一电阻R2和第二电阻R3，电感充电电流检测电路为采样电阻R1。
所述控制电路100包括：功率开关管101、恒压恒流控制模块102，以及输入电压采样电路103。
功率开关管101的第一端作为所述控制电路的电源输入端HV连接交流输入电源200，第二端连接控制电路的电感充电电流检测端CS，控制端连接恒压恒流控制模块102的第一输出端。
所述恒压恒流控制模块102的第一输入端连接所述控制电路的输出电压检测端FB，第二输入端连接所述控制电路的电感充电电流检测端CS。
输入电压采样电路103的控制端连接所述恒压恒流控制模块102的第二输出端，第一端连接输出电压检测端FB，第二端连接接地端GND，该电路用于在降压式基本电路中的电感L1充电时，采集所述控制电路100的输入电压，得到输入电压采样值。
具体的，输入电压采样电路103可以由电阻Rline和控制开关K1实现。
采样电阻R1串联在控制电路100的电感充电电流检测端CS和降压式基本电路300之间，采样电阻R1与所述电感L1串联，因此，在电感L1充电过程中，R1上的电流与L1上的电流相同，将电感L1上的电流通过R1转换成CS管脚的电压，从而通过监控CS管脚的电压信号完成对电感L1的峰值电流的控制。
电容C1连接在控制电路100的供电端VCC和GND之间，为控制电路提供工作电压。
二极管D1串联在供电端VCC和降压式基本电路300的正输出端之间，二D1的阳极连接所述降压式基本电路300的正输出端，阴极连接供电端VCC，在功率开关管导通期间(电感L1充电期间)二极管D1关断，隔断供电端Vcc和降压式基本电路的输出端Vout之间的通路，防止供电端Vcc对Vout端放电；在功率开关管关断期间(电感L1放电期间)，二极管D1导通，使Vout端对Vcc端进行充电，为电容C1补充能量。
第一电阻R2和第二电阻R3连接在降压式基本电路300的正输出端和控制电路100的GND之间，用于将降压式基本电路的输出电压进行分压，并将R3上的压降作为采集到的输出电压采样值，反馈给控制电路100的输出电压检测端FB。
降压式基本电路300包括电感L1、续流二极管D2、电容C2和负载RL。
电感L1的一端连接续流二极管D2的阴极，另一端连接电容C2的一端，续流二极管D2的阳极和电容C2的另一端均连接零电位端；
负载RL并联在电容C2的两端，流过所述负载RL的电流为降压式基本电路的输出电流，负载RL两端的电压为所述降压式基本电路的输出电压。
结合图6b，对降压式开关电源的工作过程进行详细描述：
图6b中，Vout为降压式基本电路的输出电压的波形，GND是控制电路的GND管脚的电压波形，I_L1为电感L1的电流波形，FB-GND为输出电压检测端FB相对于GND的电压波形，CS-GND为电感充电电流检测端CS相对于GND的电压波形，VCC-GND为直流供电端VCC相对于GND的电压波形，Tonp为电感L1充电时间(即功率开关管导通时间)，Tons为电感放电时间(功率开关管关断时间)、Toff为电感电流I_L1为0的时间，即电感L1放电结束后功率开关管的关断时间。
所述降压式开关电源的工作过程如下：
功率开关管导通Tonp阶段：GND管脚的电压与HV管脚的输入电压基本相等，Vgnd-Vout＞0，电感L1储能，电流I_L1线性上升，并为降压式基本电路的输出端供电，电容C2为负载RL供电，同时，此阶段D1关断，电容C1放电，为控制电路100的VCC管脚供电，因此，VCC-Vgnd下降；
此阶段，由于交流输入电源的地电位为绝对0V，而控制电路GND管脚悬空是一个浮空地，该管脚的电压不是固定不变的0V，而是从负压到高压不停的跳变，因此，在功率开关管导通阶段，GND为高压，而Vout较小，由于电阻R2和输入电压采样电路中的小电阻Rline对GND和Vout进行分压，因此FB-GND为一个较小的负压，并且该负压与输入电压成比例。
功率开关管关断Tons阶段：控制电路通过对CS管脚的输入电压采样值的监控，检测到电感L1上的电流峰值达到预设值后，控制功率开关管关断。在功率开关管关断后，电感L1、电容C2、续流二极管D2会形成放电回路，电感L1上的电流I_L1线性下降。此时，GND管脚的电压为负值，且大小基本为续流二极管D2的正向导通压降。此阶段Vout大于VCC管脚的电压，电容C2通过D1为C1充电。
与此同时，降压式基本电路的输出电压Vout通过电阻R2和R3分压，将输出电压采样值提供给FB管脚，控制电路对FB管脚的电压进行采样，并计算出Toff阶段的时间。
功率开关管关断Toff阶段：电感L1放电结束时，GND管脚的电压由于寄生参数影响，将产生一个阻尼振荡过程，此阶段的时间由控制电路通过公式1计算得到。
I o = 1 2 V 0 u t L · I p k 2 . 1 T o n p + T o n s + T o f f · η (公式1)
公式1中Vout为降压式基本电路的输出电压，Io为降压式基本电路的输出电流，L为电感L1的感抗值，Ipk为电感L1的峰值电流，Tonp为电感L1充电时间，Tons为电感L1放电时间，Toff为电感L1电流为0的时间，η为系统转换效率。
需要说明的是，本实施例中的恒压恒流控制模块为PFM控制方式。
降压式开关电源在恒流阶段的各关键点的波形图如图6c所示，与图6b不同的是，恒流控制阶段，不存在电感电流为0的阶段，即不存在Toff阶段，其他工作方式与恒压控制阶段相同，此处不再赘述。
功率开关管101的导通关断状态由恒压恒流控制模块102控制，具体的控制过程如下：
1)恒压输出控制过程：
在降压式基本电路103中的电感L1放电(Tons阶段)期间，通过所述输出电压检测端FB连接的电阻R2和R3，采集所述降压式基本电路的输出电压，得到输出电压采样值。并依据所述输出电压采样值控制所述功率开关管101在电感L1放电结束后的关断时间，以使所述降压式基本电路103的输出电压保持恒定。
2)恒流输出控制过程：
通过输出电压检测端FB接收到的输出电压采样值检测到所述电感L1放电结束时，控制功率开关管101导通；并在电感L1充电期间，即功率开关管101导通期间，通过输出电压检测端FB采集输入电压，得到输入电压采样值Vfb，依据Vfb计算得到参考电压Vth，当电感充电电流检测端CS端接收到的电压达到参考电压Vth时，控制功率开关管关断，保证在不同的输入电压的情况下，电感L1的峰值电流均相同，最终使降压式基本电路的输出电流保持恒定。
本实施例提供的降压式开关电源的控制电路，通过恒压恒流控制模块控制功率开关管的导通/关断状态，从而控制降压式基本电路中电感L1的充放电过程，进而使降压式基本电路的输出电压保持恒定，输出电流保持恒定，利用一个控制模块实现了降压式基本电路的恒压恒流输出。
请参见图7，示出了本发明实施例另一种降压式开关电源的电路示意图，图6所示电路中的输入电压采样电路具体通过第一采样电阻Rline和第一控制开关K1实现，同时能够降低输出电压检测端FB的耐压值。
所述第一采样电阻Rline的一端连接所述控制电路100的输出电压检测端FB，另一端通过所述第一控制开关K1连接控制电路100的GND端，其中，所述GND端悬空。
所述第一控制开关K1的控制端连接所述恒压恒流控制模块102的第二输出端，其中，所述恒压恒流控制模块的第二输出端输出的控制信号与第一输出端输出的控制信号相同，即第一控制开关K1的导通/关断状态与功率开关管101的导通/关断状态相同，具体的，当功率开关管导通时，第一控制开关K1导通；功率开关管关断时，第一控制开关断开。
需要说明的是，所述恒压恒流控制模块102的第一输出端和第二输出端可以为同一输出端。
功率开关管101导通时相当于一个开关，内阻忽略不计，因此，控制电路100的电感充电电流检测端CS的电压近似等于交流输入电源200的线电压。又由于输出线电压CS端与GND端之间连接有阻值较小的采样电阻R1，因此，GND端的电压为略小于交流输入电源200的电压。而FB端采集降压式基本电路的输出电压，该输出电压的数值较小，一般在十几伏左右，因此，在FB端和GND端之间形成负压，即Vfb-Vgnd为负值。
在功率开关管101导通时，第一控制开关K1闭合，所述第一采样电阻Rline的阻值较小，一般在200Ω左右，由于R2和R3的阻值一般在几十KΩ左右，因此，Rline短路R3，相当于第一采样电阻Rline和R2串联连接在将降压式基本电路的正输出端和控制电路100的GND之间，由Rline和R2对FB端和GND端之间形成负压进行分压，在FB端得到一个较小的负压值，一般在-50mV～-400mV之间，因此第一采样电阻Rline降低了FB端的耐压值。
同时，由于交流输入电源200的输入电压变化时，Rline上的压降也会发生变化，因此，Rline还用于采集到输入电压的变化情况，并提供给恒压恒流控制模块102。
恒压恒流控制模块102根据FB端采集到的输入电压的变化情况后，经过线电压补偿，具体的，将FB端采集到的输入电压采样值Vfb与一个基准电压进行加权相加后，得到参考电压Vth，该参考电压Vth随输入电压的变化而变化。当电感充电电流检测端CS端的接收到的电压Vcs达到参考电压Vth时，关断功率开关管101，从而保证在不同的输入电压的情况下，电感L1的峰值电流均相同，进而实现了降压式基本电路的恒流输出。
本实施例提供的降压式开关电源，通过电阻Rline降低了控制电路FB端的耐压值，并且，通过Rline将输入电压的变化情况反馈给恒压恒流控制模块。
请参见图8，示出了本发明实施例另一种降压式开关电源的电路示意图，与图6a对应的实施例不同的是，增设二极管D3，以降低输出电压检测端FB管脚的耐压值。
二极管D3的阳极连接降压式基本电路300的正输出端，阴极连接二极管D1的阳极。
由于控制电路100中的GND管脚是悬空地，不是绝对0V电位，因此，功率开关管导通时，GND管脚的电位与交流输入电源200的电压相差不大，由于输出电压检测端FB管脚通过电阻R3连接GND端，若没有二极管D3，在R2和R3上流过图中箭头所示方向的电流，FB端的电压即电阻R3上的压降，由于电流很大，因此R3上的压降也很大，导致FB端的电压很高。
增加二极管D3后，由于D3具有单向导通特性，R2和R3上没有大电流流过，又由于D3的反向击穿电压很高，能够保证GND端的高电压加在二极管D3上，这样，FB端不存在高电压，因此，降低了FB端的耐压值。
请参见图9，示出了本发明实施例另一种降压式开关电源的电路示意图，与图6a所示的电路不同的是，所述降压式基本电路300中的电感采用具有分接头的耦合电感实现，降低了控制电路100的VCC管脚的耐压值。
具体的，耦合电感L1的分接头连接二极管D1的阳极，耦合电感L1的一端连接续流二极管D2的阴极，另一端连接电容C2。这样，通过耦合电感L1的部分电感为电容C1充电，从而降低了VCC管脚的耐压值。
请参见图10示出了本发明另一种降压式开关电源的电路示意图，与图6a所示的电路不同的是，将用于采集降压式基本电路的输出电压的第一电阻R2和第二电阻R3集成于控制电路100内部。
第一电阻R2与第二电阻R3串联连接在控制电路100的输出电压检测端FB和接地端GND之间，且第一电阻R2和第二电阻R3的公共接点连接所述恒压恒流模块的第一输入端。在第二电阻R3上获得降压式基本电路的输出电压采样值。
本实施例提供的降压式开关电源的控制电路内集成有输出电压采集电阻R2和R3，减小了控制电路的外围器件，提高了控制电路的可靠性。
相应于上面的降压式开关电源的控制电路的实施例，本发明还提供一种应用于降压式开关电源的恒流控制电路，所述降压式开关电源至少包括具有电感的降压式基本电路，用于检测所述降压式基本电路的输出电压的输出电压采样电路，其中：
如图11a所示，所述恒流控制电路包括：功率开关管110、恒流控制模块120和输入电压采样电路130，其中：
输入电压采样电路130的一端连接所述控制电路的输出电压检测端FB，另一端连接所述控制电路的接地端GND，控制端连接恒流控制模块120的第二输出端，该电路用于在所述电感的充电期间，采集所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值。
所述恒流控制模块120，用于在所述电感放电结束时，控制所述功率开关管110导通，并在电感L1充电期间(即功率开关管导通期间)，采集输入电压，得到输入电压采样值，依据输入电压采样值计算得到参考电压Vth；
当电感充电电流检测端CS端的电压(即电感L1的充电电流在R1上的电压降，反映了L1的充电电流的大小)达到参考电压Vth时，控制所述功率开关管110关断，从而保证在不同的输入电压的情况下，电感L1的峰值电流均相同，进而实现了降压式基本电路的恒流输出。
当降压式开关电源的输入电压不相同时，电感L1的充电电流的斜率就不相同，而且功率开关管存在关断延时，因此，若在所有输入电压的情况下，都将所述峰参考电压Vth设定成同一个数值，经过相同的关断延时Td，实际在功率开关管关断时，电感L1对应的峰值电流将不同，如图11b所示，图中Vref即预设值，Vsd为电感L1的实际峰值电流对应的电压值，由图可知，输入电压的数值越大，对应的Vsd的数值越大，因此，需要进行线电压补偿，使得所述参考电压Vth跟随输入电压Vin变化，其变化趋势是输入电压Vin越大，对应的Vth越小，具体如图11c所示。
具体的，请参见图11d，所述恒流控制模块120包括关断比较器121、输入电压补偿电路123、功率开关管驱动电路124和输入电压采样电路125其中：
所述输入电压补偿电路123的第一输入端为所述恒流控制电路的输出电压检测端FB，第二输入端输入一基准电压Vref，输出端连接关断比较器121的第一输入端，用于将所述基准电压Vref与所述输出电压检测端的输出电压采样值Vfb进行加权相加，得到所述关断比较器的参考电压Vth。
所述关断比较器121的第二输入端为所述电感充电电流检测端CS，所述关断比较器121在所述电感充电电流检测端接收到的电压(电感L1的充电电流对应的检测电压，即电感充电电流检测端的电压Vcs)达到所述参考电压Vth时，输出相应的电平信号，所述电平信号用于控制功率开关管110关断。
所述功率开关管驱动电路124的输入端连接所述关断比较器121的输出端，用于接收所述关断比较器的输出电压信号，进行相应的处理后，控制后级的功率开关管的状态。
所述输入电压采样电路125的一端连接所述输出电压检测端FB，另一端连接GND端，控制端连接功率开关管驱动电路124的输出端，该电路用于采集降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值。
本实施例提供的降压式开关电源恒流控制电路，利用恒流控制模块在电感放电结束时，控制所述功率开关管导通，并在电感充电期间采集得到输入电压采样值，依据输入电压采样值计算得到参考电压Vth，当电感的充电电流对应的检测电压(电感充电电流检测端CS端的电压)达到参考电压Vth时，控制所述功率开关管关断，从而保证在不同的输入电压的情况下，电感的峰值电流均相同，进而实现了降压式基本电路的恒流输出。
请参见图12，示出了本发明实施例另一种降压式开关电源恒流控制电路的电路示意图。输入电压采样电路通过第一采样电阻Rline和第一控制开关K1实现。通过Rline检测输入电压的变化情况，同时降低了输出电压检测端FB管脚的耐压值。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (23)

1.一种降压式开关电源的控制电路，所述降压式开关电源至少包括具有电感的降压式基本电路，其特征在于，包括：功率开关管、恒压恒流控制模块和输入电压采样电路，其中：
所述降压式基本电路包括电感、电容、续流二极管、负载，输出电压为负载两端的电压；
所述输入电压采样电路，用于采集所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值并提供给所述恒压恒流控制模块；
所述恒压恒流控制模块，用于在所述电感放电期间，通过输出电压检测端检测所述降压式基本电路的输出电压，并依据所述输出电压值控制所述功率开关管导通状态，以使所述降压式基本电路的输出电压保持恒定；
所述恒压恒流控制模块，还用于在所述电感放电结束后，控制所述功率开关管导通，并在所述电感充电期间，检测所述电感充电电流，并依据所述输入电压采样值以及所述电感充电电流，控制所述功率开关管的关断状态，以使所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
2.根据权利要求1所述的降压式开关电源的控制电路，其特征在于，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电压保持恒定时，具体用于，在脉冲宽度调制PWM方式下,依据所述输出电压采样值，控制所述功率开关管的导通时间段。
3.根据权利要求1所述的降压式开关电源的控制电路，其特征在于，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电压保持恒定时，具体用于，在脉冲频率调制PFM方式下，依据所述输出电压采样值，控制所述功率开关管在所述电感放电结束后的关断时间。
4.根据权利要求1所述的降压式开关电源的控制电路，其特征在于，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定时，根据输入电压采样值计算得到对应的参考电压，当检测到所述电感的充电电流对应的检测电压降达到所述参考电压时，控制所述功率开关管关断，使流过电感的充电电流的峰值是一个不随所述输入电压变化的常数。
5.根据权利要求1所述的降压式开关电源的控制电路，其特征在于，所述输入电压采样电路通过所述输出电压检测端采样得到所述降压式开关电源的输入电压。
6.根据权利要求1-5任一项所述的降压式开关电源的控制电路，其特征在于，所述输入电压采样电路包括：第一采样电阻和第一控制开关，其中：
所述第一采样电阻的一端通过所述第一控制开关连接接地端，所述第一控制开关的控制端连接所述恒压恒流控制模块的第二输出端，且所述第一控制开关的控制信号与从所述恒压恒流控制模块的第一输出端输出的控制所述功率开关管的控制信号具有相同的导通与关断控制特性；
所述第一采样电阻的另一端连接所述控制电路的输出电压检测端。
7.根据权利要求6所述的降压式开关电源的控制电路，其特征在于，还包括第一电阻和第二电阻，其中：
所述第一电阻与所述第二电阻串联连接在所述控制电路的输出电压检测端和接地端之间，且所述第一电阻和所述第二电阻的公共接点连接所述恒压恒流模块的第一输入端。
8.一种降压式开关电源，其特征在于，包括：具有电感的降压式基本电路、输出电压采样电路、电感充电电流检测电路，以及权利要求要求1-7任一项所述的降压式开关电源的控制电路，其中：
所述输出电压采样电路，用于在所述电感放电期间，采样所述降压式基本电路的输出电压，得到输出电压采样值并提供给所述控制电路；
所述电感充电电流检测电路，用于在所述电感充电期间，检测所述电感充电的电流；
所述控制电路包括：输入电压采样电路、功率开关管和恒压恒流控制模块，其中：
所述降压式基本电路包括电感、电容、续流二极管、负载，输出电压为负载两端的电压；
所述输入电压采样电路，用于在所述电感充电期间采样所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值并提供给所述控制电路；
所述恒压恒流控制模块，用于依据接收到的所述输出电压采样值控制所述功率开关管导通，以使所述降压式基本电路的输出电压保持恒定；
所述恒压恒流控制模块，还用于在所述电感放电结束后，控制所述功率开关管导通，在所述电感充电期间，检测所述电感充电的电流，并依据所述输入电压采样值以及电感充电电流，控制所述功率开关管的关断，使得所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
9.根据权利要求8所述的降压式开关电源，其特征在于，所述降压式基本电路包括：电感、电容、续流二极管和负载；
所述电感的一端连接所述续流二极管的阴极，另一端连接所述电容的一端，所述续流二极管的阳极和所述电容的另一端均连接输出电压的零电位端；
所述负载并联在所述电容的两端，流过所述负载的电流为降压式基本电路的输出电流，所述负载两端的电压为所述降压式基本电路的输出电压。
10.根据权利要求8所述的降压式开关电源，其特征在于，所述电感为具有分接头的耦合电感，所述耦合电感的分接头通过第一二极管连接所述控制电路的供电端。
11.根据权利要求8或10所述的降压式开关电源，其特征在于，还包括：第二二极管，所述第二二极管的阳极连接所述负载的正极性端，阴极连接所述输出电压采样电路。
12.根据权利要求8或10所述的降压式开关电源，其特征在于，所述输出电压采样电路集成在所述控制电路中，所述输出电压采样电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻串联后连接在所述控制电路的输出电压检测端与GND端之间。
13.根据权利要求8或10所述的降压式开关电源，其特征在于，所述输入电压采样电路通过所述输出电压检测端采样，得到所述降压式开关电源的输入电压采样值。
14.一种控制器，应用于降压式开关电源，所述降压式开关电源至少包括降压式基本电路，其特征在于，包括：
交流电源输入端、输出电压检测端、电感充电电流检测端，接地端、功率开关管、输入电压采样电路和恒压恒流控制模块，其中：
所述降压式基本电路包括电感、电容、续流二极管、负载，输出电压为负载两端的电压；
所述输出电压检测端用于在所述电感放电期间检测所述降压式基本电路的输出电压，得到输出电压采样值并提供给所述恒压恒流控制模块；以及用于在所述电感充电期间采集所述降压式基本电路的输入电压，得到输入电压采样值并提供给所述恒压恒流控制模块；
所述功率开关管连接在所述交流电源输入端与所述电感充电电流检测端之间；
所述输入电压采样电路的一端连接所述输出电压检测端，另一端连接所述接地端，控制端连接所述恒压恒流控制模块的第二输出端，所述输入电压采样电路用于采集所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值，提供给所述恒压恒流控制模块；
所述恒压恒流控制模块，用于依据接收到的所述输出电压采样值控制所述功率开关管的导通状态，以使所述降压式基本电路的输出电压保持恒定；
所述恒压恒流控制模块，还用于在所述电感放电结束后，控制所述功率开关管导通，在所述电感充电期间，检测所述电感充电电流；并依据所述输入电压采样值以及电感充电电流控制所述功率开关管的关断状态，以使得所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
15.根据权利要求14所述的控制器，其特征在于，还包括直流供电端，用于将接收到的直流电压提供给所述控制器内部的各个电路。
16.根据权利要求14所述的控制器，其特征在于，所述输入电压采样电路包括：第一采样电阻和第一控制开关，其中：
所述第一采样电阻的一端通过所述第一控制开关连接接地端，所述第一控制开关的控制端连接所述恒压恒流控制模块的第二输出端，且所述第一控制开关的控制信号与所述恒压恒流控制模块的第一输出端输出的控制所述功率开关管的控制信号具有相同的导通与关断控制特性；
所述第一采样电阻的另一端连接所述控制电路的输出电压检测端。
17.根据权利要求14所述的控制器，其特征在于，还包括第一电阻和第二电阻，其中：
所述第一电阻与所述第二电阻串联连接在所述控制电路的输出电压检测端和接地端之间，且所述第一电阻和所述第二电阻的公共接点连接所述恒压恒流模块的第一输入端。
18.根据权利要求14-16任一项所述的控制器，其特征在于，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电压保持恒定时，具体用于在脉宽调制PWM控制方式下，所述恒压恒流控制模块依据所述输出电压采样值，控制所述功率开关管的导通时间段。
19.根据权利要求14-16任一项所述的控制器，其特征在于，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电压保持恒定时，具体用于在脉冲频率调制PFM控制方式下，所述恒压恒流控制模块依据所述输出电压采样值，控制所述功率开关管在所述电感放电结束后的关断时间。
20.根据权利要求14-16任一项所述的控制器，其特征在于，所述恒压恒流控制模块实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定时，具体用于依据输入电压采样值计算得到对应的参考电压，当检测到所述电感的充电电流对应的检测电压达到所述参考电压时，控制所述功率开关管关断，以使流过电感的充电电流的峰值是一个不随所述输入电压变化的常数。
21.一种降压式开关电源恒流控制电路，所述降压式开关电源包括具有电感的降压式基本电路、用于检测所述降压式基本电路的输出电压的输出电压采样电路、以及检测电感充电电流的电感充电电流检测电路，其特征在于，包括：输入电压采样电路、功率开关管和恒流控制模块，其中：
所述降压式基本电路包括电感、电容、续流二极管、负载，输出电压为负载两端的电压；
输入电压采样电路的一端连接所述控制电路的输出电压检测端，另一端连接所述控制电路的接地端，控制端连接所述恒流控制模块的第二输出端，所述输入电压采样电路用于在所述电感的充电期间，采集所述降压式开关电源的输入电压，得到输入电压采样值；
所述恒流控制模块，用于在所述电感放电结束后，控制所述功率开关管导通，在所述电感充电期间，获取所述电感充电电流对应的检测电压；并依据所述输入电压采样值以及电感充电电流控制所述功率开关管的关断状态，以使得所述电感的峰值电流是一不跟随所述输入电压变化的常数，最终实现所述降压式基本电路的输出电流保持恒定。
22.根据权利要求21所述的降压式开关电源恒流控制电路，其特征在于，所述恒流控制模块包括：关断比较器、输入电压补偿电路、功率开关管驱动电路，其中：
所述输入电压补偿电路的第一输入端为所述降压式开关电源恒流控制电路的输出电压检测端，第二输入端输入一基准电压，输出端连接所述关断比较器的第一输入端，所述输入电压补偿电路用于将所述基准电压与通过输出电压检测端得到的输入电压值进行加权相加，得到所述关断比较器的参考电压；
所述关断比较器的第二输入端为所述降压式开关电源恒流控制电路的电感充电电流检测端，所述关断比较器在所述电感充电电流检测端的检测电压降达到所述参考电压时，输出控制所述功率开关管关断的电平信号。
23.根据权利要求21或22所述的降压式开关电源恒流控制电路，其特征在于，所述输入电压采样电路包括：第一采样电阻和第一控制开关，其中：
所述第一采样电阻的一端通过所述第一控制开关连接接地端，所述第一控制开关的控制端连接恒压恒流控制模块的第二输出端，且所述第一控制开关的控制信号与所述功率开关管的控制信号具有相同的导通与关断控制特性；
所述第一采样电阻的另一端连接所述控制电路的输出电压检测端。
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