CN103151924A - 一种高精度恒流恒功率自适应补偿电路 - Google Patents

Abstract

一种高精度恒流恒功率自适应补偿电路，包括功率管、与功率管连接的功率管电流采样电路和功率管驱动电路，还包括负载反馈电路、模拟加法器和第一比较器；还包括第二比较器和与其输出端连接的电压调节器，所述第二比较器的第一输入端和第二输入端分别连接功率管电流采样电路的输出端和预设的电流基准电压源；所述电压调节器的输出端连接所述模拟加法器的第二输入端；所述电压调节器根据第二比较器的输出逻辑信号，增大或者减小电压调节器的输出模拟电压。本发明避免了由于环路传递延时造成的脉冲宽度调制信号误差，使反馈调节量不再受应用条件参数，例如电感、输入电压和系统延时等的影响，实现高精度的恒流恒功率自适应补偿。

Description

一种高精度恒流恒功率自适应补偿电路

技术领域

本发明属于电子电力领域，涉及一种高精度恒流恒功率自适应补偿电路。

背景技术

随着开关电源需求量的日益增加，电源主控芯片对于降低成本、增加功能以及优化性能等各方面的要求也更加严格。针对某一些特定应用，比如笔记本适配器等，要求在全范围交流输入（90V/60Hz～264V/50 Hz）条件下，保证输出功率具有比较高的一致性；又比如LED驱动等，要求在全范围交流输入（90V/60Hz～264V/50 Hz）条件下，要求输出电流保证较高的精度，一般偏差必须小于额定值的                                               。在全范围交流输入条件下，不管是高精度的输出功率，还是高精度的输出电流，都要求在高或者低的交流输入条件下流过变压器初级电感峰值电流差异必须尽量小。

开关电源通常包括一个开关器件和外围拓扑元件，例如电感、二极管、电容、互感线圈等。根据不同的应用情况，选择不同的元件按照不同的连接关系搭建外围拓扑结构。但基本实现原理相同或类似，都是将输出量或输入量反馈到环路中，根据输出或输入量变化调节开关器件的占空比，所谓输出量和输入量，即指系统工作时的输入电压，输出电压，输出电流和输入电流等参数。

根据上述原理，一种常见的实现方式是对负载和开关器件的电流进行采样，反馈到控制环路中，调节开关器件的占空比。实现这种调节方式的控制电路通常包括功率管电流采样电路、功率管驱动电路、负载反馈电路以及一个电压比较器，电压比较器比较负载反馈电路和功率管电流采样电路采集的信号，输出一个方波信号经过功率管驱动电路进行逻辑运算和整形放大后驱动功率管并调节功率管的开关占空比。

为了方便说明，假设系统工作在非连续模式（DCM）。以如图1所示的AC/DC转换拓扑结构为例，在理想状态下，变压器初级电感电流流过导通的功率管以后，经功率管电流采样电阻103将反映功率管102电流的电压传输到主控电路101用于接收功率管电流采样信号的ICS端口，当ICS端口检测到阈值电压Vpeak以后，马上控制功率管关断，变压器初级电感峰值电流由如下公式决定：

                --------------------------------------------（1）

实际工作中，当ICS检测到阈值电压Vpeak以后，内部控制信号关断功率管是存在延迟时间的，该延迟时间由多种因素造成，例如用于驱动功率管开关的功率管驱动电路延迟以及信号传输过程中寄生因素造成的片上延迟等；所以实际的变压器初级电感峰值电流和输出功率分别由如下公式决定：

--------------------------------（2）

-----（3）

Vpeak：芯片内部设定的用于控制变压器初级电感峰值电流的阈值电压；

：功率管电流采样电阻103阻值；

Vin：交流输入电压经过桥式整流电路以后的电压值；

Lp：变压器初级电感量；

Ton：功率管开始导通到ICS端电压达到Vpeak电压所对应的时间；

Td：ICS端口电压达到Vpeak以后，从发出控制信号到关断功率管的延迟时间；

：实际的变压器初级电感峰值电流；

：系统输出功率；

：控制芯片工作频率；

：系统工作效率；

从公式（2）和（3）中可以看出：变压器初级电感峰值电流和系统输出功率都随着Lp、Vin和Td的变化而变化。现有技术一般采用两种方式来补偿上述的变化：一种采用在阈值电压Vpeak上叠加一个随着Ton时间变化的固定斜率的斜坡电压；另一种利用一个芯片引脚外接一个电阻到Vin，通过采样不同的Vin电压值来补偿Vpeak电压值。上述的两种补偿方式都只能在特定的Lp和Td条件下实现最佳的补偿效果，但是不同的用户或者不同的应用中

值的选取都是变化的，而且不同的芯片Td也是有差异的，所以现有技术不能根据Lp、Vin和Td的变化做出自适应的调整，也就不能始终保证高精度的恒流恒功率输出。

发明内容

为克服现有技术中对功率管开关占空比不能根据具体应用情况中的各种器件和输入参数做出调整，难以保证始终保持高精度恒流恒功率输出的技术缺陷，本发明提供一种高精度恒流恒功率自适应补偿电路。

本发明所述一种高精度恒流恒功率自适应补偿电路，包括功率管、与功率管连接的功率管电流采样电路和功率管驱动电路，还包括负载反馈电路、模拟加法器和第一比较器；

所述第一比较器的输出端与功率管驱动电路连接，第一比较器的第一输入端和第二输入端分别与功率管电流采样电路和模拟加法器的输出端连接；模拟加法器的第一输入端连接负载反馈电路的输出端；

还包括第二比较器和与其输出端连接的电压调节器，所述第二比较器的第一输入端和第二输入端分别连接功率管电流采样电路的输出端和预设的电流基准电压源；所述电压调节器的输出端连接所述模拟加法器的第二输入端；所述电压调节器根据第二比较器的输出逻辑信号，增大或者减小电压调节器的输出模拟电压。

优选的，所述电压调节器具有与功率管驱动电路输出端连接的周期使能端。

进一步的，所述电压调节器包括逻辑电路和与逻辑电路连接并受其控制开关的直流充电支路与直流放电支路；

所述逻辑电路输入端与第二比较器输出端连接；所述直流充电支路和直流放电支路的输出端与电压调节器的输出端连接。

更进一步的，所述电压调节器还包括与其输出端连接的电容。

优选的，所述电压调节器在每个功率管开关周期内，增大或者减小电压比较器的输出模拟电压值为5-20毫伏。

优选的，所述第二比较器的输出端还与所述功率管驱动电路连接。

进一步的，所述功率管驱动电路包括或逻辑电路和与或逻辑电路输出端连接的后续电路，所述或逻辑电路的输入端分别与第一比较器和第二比较器的输出端连接。

优选的，所述负载反馈电路为输入端与输出电压分压电阻网络连接的误差电压放大器。

采用本发明所述的高精度恒流恒功率自适应补偿电路，利用功率管采样电流和第二比较器对控制环路中反映电路负载的误差放大电压进行提前调整后输入到第一比较器，通过第一比较器将调整后的电压与功率管电流采样电压信号进行比较输出脉冲宽度调制信号调节功率管的开关占空比，避免了由于环路传递延时造成的脉冲宽度调制信号误差，使反馈调节量不再受应用条件参数，例如电感，输入电压和系统延时等的影响，实现高精度的恒流恒功率自适应补偿。

附图说明

图1示出本发明一种具体实施方式的电路结构框图；

图2示出本发明一种具体实施方式的外围元件连接关系图；

图3示出本发明一种具体实施方式的各个电压信号时序图；

图4示出本发明所述电压调节器的一种具体实施方式示意图；

图5示出本发明所述模拟加法器的一种具体实施方式示意图；

各图中附图标记名称为：1.第一比较器 2.第二比较器 3.功率管驱动电路 4.外围电路 5.电压调节器 6.模拟加法器 7.功率管电流采样电路 8.负载反馈电路 9.电流基准电压源 101.主控电路102.功率管 103.功率管电流采样电阻 104.第一反馈分压电阻 105.第二反馈分压电阻 106.变压器 107.输出整流二极管 108. 输入整流二极管 201.充电电流源 202.充电MOS管 203.放电MOS管 204.放电电流源 205.逻辑电路 206.调节电容 207.周期使能端 208.逻辑电路输入端 209.电压调节器输出端 301.模拟加法器第一输入端 302.模拟加法器第二输入端 303.第一NMOS管 304.第二NMOS管 305.加法器电阻 306.模拟加法器输出端。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

一种高精度恒流恒功率自适应补偿电路，包括功率管102、与功率管连接的功率管电流采样电路7和功率管驱动电路3，还包括负载反馈电路8、模拟加法器6和第一比较器1；

所述第一比较器1的输出端与功率管驱动电路3连接，第一比较器1的第一输入端和第二输入端分别与功率管电流采样电路7和模拟加法器6的输出端连接；模拟加法器6的第一输入端连接负载反馈电路8的输出端；

其特征在于：

 还包括第二比较器2和与其输出端连接的电压调节器，所述第二比较器的第一输入端和第二输入端分别连接功率管电流采样电路的输出端和预设的电流基准电压源9；所述电压调节器5的输出端连接所述模拟加法器的第二输入端；所述电压调节器根据第二比较器的输出逻辑信号，增大或者减小电压调节器的输出模拟电压。

 本发明所述高精度恒流恒功率自适应补偿电路，采用电流反馈控制方式，如图1所示，功率管电流采样电路对功率管电流进行采样，采样后的信号输入到第一比较器中，第一比较器的另一输入端对与模拟加法器的输出电压连接，模拟加法器采集负载反馈电路反馈的负载信号，与电压调节器的输出电压相加后输出到第二比较器的输入端。第一比较器比较功率管电路采样信号和模拟加法器的输出电压，输出用于调整功率管占空比的占空比调制信号，该信号输入到功率管驱动电路中，经过缓冲放大后驱动功率管开关。

本发明所述电压调节器5与第二比较器2的输出端连接，根据第二比较器的输出逻辑信号，增大或减小电压调节器5的输出模拟电压，例如当输出逻辑信号为高电平时，增大输出模拟电压，反之为低电平时，减小模拟电压，根据电路的实际情况，上述设定也可以相反方式实施。第二比较器的输入端连接功率管电流采样电路的输出端和预设的电流基准电压源，将功率管电流采样电压信号比较后输出逻辑信号控制电压调节器的输出模拟电压，实现了对第一比较器输入电压的提前调整，通过第一比较器将调整后的电压与功率管电流采样电压信号进行比较输出脉冲宽度调制信号调节功率管的开关占空比，避免了由于环路传递延时造成的脉冲宽度调制信号误差，使反馈调节量不再受应用条件参数，例如电感、输入电压和系统延时等的影响，实现高精度的恒流恒功率自适应补偿。所谓预设的电流基准电压源可以采用本领域技术人员公知的实现方式，例如带隙基准电压源、稳压二极管电压源或可以调节放大比例的电压运算放大器等实现一个稳定的直流电压源。

  如图1至2所示，负载反馈电路可以对输出电压进行采样，通过从输出电压端到地串联连接的第一反馈分压电阻104和第二反馈分压电阻105构成的输出电压分压电阻网络对输出电压采样，负载反馈电路可以为输入端与输出电压分压电阻网络连接的误差电压放大器，在图2中，连接点为第一反馈分压电阻104和第二反馈分压电阻105的公共端。输出电压分压电阻网络可以有多种实现方式，上述串联连接方式为最简单的一种。

  在图1中给出的本发明一种具体实施方式中，功率管102为NMOS，源级到地串联有功率管电流采样电流103，功率管电流采样电阻103与功率管102的公共端与功率管电流采样电路的输入端连接，则功率管电流采样电路的输入信号实际是功率管电流流过该电阻103产生的电压信号，功率管电流采样电路可以是一个电压放大器。实际上，也可以采用一个与功率管102漏级和栅极分别对应连接的宽长比远小于功率管的同类器件，该器件的源级输出的电流信号作为功率管电流采样电路的输入信号，则此时功率管电流采样电路可以为一个将输入电流信号转化为电压信号的跨导放大器。本领域技术人员根据不同的电流采样形式，选择合适的功率管电流采样电路实现方式。

  电压调节器根据第二比较器的输出逻辑信号调整输出的模拟电压值，本发明提供一种具体实施方式，所述电压调节器包括逻辑电路205和与逻辑电路连接并受其控制开关的直流充电支路、直流放电支路；

所述逻辑电路输入端208与第二比较器输出端连接；所述直流充电支路和直流放电支路的输出端与电压调节器输出端209连接。

 直流充电支路和直流放电支路分别包括一个电流源和控制该电流源的开关，该开关可以直接控制电流源的开关，例如电流源为一个MOS管时，开关器件以下拉或上拉方式连接在该MOS管的栅极，通过控制栅极电压控制电流源的开关。也可以与电流源串联在充电或放电支路中，如图4所示，逻辑电路205的输出端分别连接串联在直流充电支路和直流放电支路的充电MOS管202和放电MOS管203栅极，逻辑电路根据输入信号输出控制这两个MOS管的开启与关闭，从而使充电电流源201和放电电流源204可以对电压调节器输出端209的电压进行调整。

 电压调节器输出端的直流电压根据直流充电支路和直流放电支路的工作状态上升或者下降，输出端的全部寄生电容和充电或放电时的电流及时间决定了输出端的电压变化幅度，寄生电容值不稳定且容值很小，优选的可以在输出端连接一个调节电容206，该调节电容容值可以远大于寄生电容，使得寄生电容值可以被忽略。例如可以是集成在常见集成电路工艺中的多晶电容或MOS电容等。设置调节电容和电流的大小匹配，使得在开关电源的一个开关周期，即每个功率管开关周期内，电压调节器增大或减小输出模拟电压值为5至20毫伏，对环路调整可以达到较好的调节效果。

 所述电压调节器对功率管开启时的电流进行检测比较输出控制信号，因此只需要在功率管开启时工作,优选的，所述电压调节器具有与功率管驱动电路输出端连接的周期使能端207。使电压调节器只在功率管开启时工作，功率管关闭时，电压调节器不工作或者保持电压调节器的输出端悬浮使输出电压维持。例如在图4所示的电压调节器的实施例中，周期使能端207上接收的信号表示功率管关闭时，则电压调节器的直流充电支路和直流放电支路均关闭，使得电压调节器的输出端悬浮，电压值维持不变。

第二比较器的输出端可以与所述功率管驱动电路连接，将输出的逻辑信号直接参与控制功率管的开关，由于第二比较器对功率管电流进行采样，当功率管电流大于预先设定值时输出的逻辑信号翻转，将第二比较器的输出信号输入到功率管驱动电路中进行逻辑运算控制功率管的开关，实际起到了对功率管电流的限流作用，即当功率管电流大于预先设定值时，直接关闭功率管。

例如功率管驱动电路可以包括或逻辑电路与或逻辑电路输出端连接的后续电路，所述或逻辑电路可以是一个或门或实现或计算的其他电路，或逻辑电路的两个输入端分别与第一比较器和第二比较器的输出端连接，第一比较器输入的实际是功率管开关占空比调制信号，第二比较器输入的是功率管电流限流信号，但在对功率管开关逻辑的计算上，这两个信号的运算方式可以直接采用或运算即可同时实现功率管开关占空比调制和限流功能。所谓后续电路最简单的实现方式可以是本领域人员公知的反相器级联形式的驱动放大电路，也可以根据实际需要，加入其它逻辑电路以实现其它逻辑功能。

图5示出本发明所述模拟加法器的一种具体实施方式，所谓模拟加法器实现的功能是将两个输出的模拟电压信号相加后输出，如图5所示，两个模拟电压分别输入到模拟加法器第一输入端301和模拟加法器第二输入端302，通过第一NMOS管303和第二NMOS管304将电压信号转化为电流，两个NMOS管的漏电流均流过加法器电阻305，加法器电阻305上产生的电压实际等于两个电流相加后产生的电压，本领域技术人员通过调节上述两个NMOS管的跨导值和电阻值，可以实现在一定的输入范围内，在模拟加法器输出端306输出的模拟电压等于两个输入的模拟电压值。

图2示出本发明的一种具体应用方式，图2 为典型的反激原边反馈检测电源转换器系统应用结构框图。在PWM信号控制功率管102导通期间，变压器106初级绕组电感和交流输入电压整流后的直流电源电压

一起控制流过变压器初级绕组的电流上升斜率，该电流流过连接在功率管到地的限流电阻103，并在ICS端产生一个固定斜率上升的电压信号，当ICS端电压被电源转换器主控电路101内部电路检测到达预先设定的电压值以后，PWM端输出信号控制关断功率管102；在功率管102关断期间，变压器106次级绕组和与之相连的输出整流二极管107一起对输出电压提供能量，同时变压器106辅助绕组和与之相连的输入整流二极管108一起对VDD提供能量，同时变压器106辅助绕组和与之相连的对原边输出进行的采样第一反馈分压电阻104和第二反馈分压电阻105一起对主控电路101的负载反馈端FB端提供负载反馈电压信号。

图1为本发明的一种高精度恒流恒功率的自适应补偿电路的一种具体实施方式的内部电路原理结构图包括：第二比较器2输入端分别连接到电路内部预设的电流基准电压源9和功率管电流采样端CS端，在功率NMOS管导通期间，第二比较器2检测变压器初级电流所产生的CS三角波电压与预设的电流基准电压源9的直流电压Vpeak比较，并输出控制逻辑信号ctr1；第一比较器1的输入端分别连接到负载反馈电路的输出端Vc（后续描述并以Vc表示该端的直流电压值）和CS端，在功率管102导通期间，第一比较器1检测变压器初级电流所产生的CS三角波电压与电压Vc比较，并输出控制逻辑信号ctr2；功率管驱动电路3输入端分别与第一比较器的输出端和第二比较器的输出端相连，在功率管导通期间，当第二比较器2检测到CS端三角波电压大于电流基准电压源9的直流电压值Vpeak并发出ctr1使能信号或者第一比较器1检测到CS端三角波电压大于电压Vc并发出ctr2使能信号，功率管驱动电路经过芯片系统延迟时间Td以后传输到功率管驱动电路，并控制功率管关断；电压调节器输入端分别与驱动功率管开关的PWM控制端和第二比较器2的输出端ctr1相连；模拟加法器输入端分别与电压调节器的输出端Vp和检测负载状态的负载反馈电路输出端连接，模拟加法器电路实时检测Vp电压和负载反馈电路输出端COMP电压之和，并输出电压Vc。

参见图3，为对应图2的具体实施方式的主要电压信号调节原理图。在功率管导通期间，如果第二比较器检测到CS端三角波电压大于直流电压Vpeak，那么降低电压调节器的输出端电压Vp，使得反映COMP端电压与Vp之和的Vc电压值也减小，在下一个功率管导通周期内，CS端三角波电压提前达到电压Vc的限制点，则第二比较器提前发出ctr2信号，功率管驱动电路经过芯片系统延迟时间Td以后控制功率管关断。在Td延迟时间内，由于功率管还没有关断，所以CS端的三角波电压继续上升，如果第二比较器在Td延迟时间内仍然检测到CS端三角波电压大于直流电压Vpeak，那么继续降低电压调节器的输出端电压

，重复上述的调节步骤；在功率管导通期间，如果第二比较器2检测到CS端三角波电压始终小于直流电压Vpeak，那么增大电压调节器的输出端电压Vp，反映COMP与Vp之和的Vc电压值也增大，在下一个功率管导通周期内，CS端三角波电压延后达到电压Vc的限制点，即第二比较器延后发出ctr2，功率管驱动电路发出经过芯片系统延迟时间Td以后控制功率管关断。在每一个功率管开关周期内根据第二比较器的输出逻辑信号ctr1自动调节Vp电压大小，从而调节Vc电压大小，然后在下一个功率管导通周期内提前或者延后发出控制逻辑信号ctr2，再经过延迟时间Td以后关断功率管，从而使得变压器初级电感峰值电流最终稳定为：

，

而不是原来补偿前的

。这样变压器初级电感峰值电流大小就不再受到变压器初级电感量Lp、交流输入电压经过桥式整流电路以后的电压值Vin和Td 等参数的影响，上述各式中Rcs为功率管电流采样电阻103的阻值。从而实现高精度恒流恒功率的自适应补偿。

上述描述中对各个比较器正向反向输入端连接关系、开关器件的开关逻辑电平未作具体限定，本领域技术人员根据本领域公知技术结合实际电路的逻辑需要自由选择连接即可。

采用本发明所述的高精度恒流恒功率自适应补偿电路，利用功率管采样电流和第二比较器对控制环路中反映电路负载的误差放大电压进行提前调整后输入到第一比较器，通过第一比较器将调整后的电压与功率管电流采样电压信号进行比较输出脉冲宽度调制信号调节功率管的开关占空比，避免了由于环路传递延时造成的脉冲宽度调制信号误差，使反馈调节量不再受应用条件参数，例如电感，输入电压和系统延时等的影响，实现高精度的恒流恒功率自适应补偿。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。 

Claims (8)

1.一种高精度恒流恒功率自适应补偿电路，包括功率管（102）、与功率管（102）连接的功率管电流采样电路（7）和功率管驱动电路（3），还包括负载反馈电路（8）、模拟加法器（6）和第一比较器（1）；

所述第一比较器（1）的输出端与功率管驱动电路（3）连接，第一比较器（1）的第一输入端和第二输入端分别与功率管电流采样电路（7）和模拟加法器（6）的输出端连接；模拟加法器（6）的第一输入端连接负载反馈电路（8）的输出端；

其特征在于：

 还包括第二比较器（2）和与其输出端连接的电压调节器（5），所述第二比较器的第一输入端和第二输入端分别连接功率管电流采样电路（7）的输出端和预设的电流基准电压源（9）；所述电压调节器（5）的输出端连接所述模拟加法器的第二输入端；所述电压调节器（5）根据第二比较器（2）的输出逻辑信号，增大或者减小电压调节器的输出模拟电压。

2.如权利要求1所述高精度恒流恒功率自适应补偿电路，其特征在于：所述电压调节器（5）具有与功率管驱动电路输出端连接的周期使能端（207）。

3.如权利要求2所述高精度恒流恒功率自适应补偿电路，其特征在于：所述电压调节器包括逻辑电路（205），和与逻辑电路（205）连接并受其控制开关的直流充电支路与直流放电支路；

所述逻辑电路输入端（208）与第二比较器输出端连接；所述直流充电支路和直流放电支路的输出端与电压调节器的输出端连接。

4.如权利要求3所述高精度恒流恒功率自适应补偿电路，其特征在于：所述电压调节器（5）还包括与电压调节器输出端（209）连接的调节电容（206）。

5.如权利要求1-4任意一项所述高精度恒流恒功率自适应补偿电路，其特征在于：所述电压调节器（5）在每个功率管开关周期内，增大或者减小电压比较器的输出模拟电压值为5-20毫伏。

6.如权利要求1所述高精度恒流恒功率自适应补偿电路，其特征在于：所述第二比较器（2）的输出端还与所述功率管驱动电路（3）连接。

7.如权利要求6所述高精度恒流恒功率自适应补偿电路，其特征在于：所述功率管驱动电路（3）包括或逻辑电路和与或逻辑电路输出端连接的后续电路，所述或逻辑电路的输入端分别与第一比较器和第二比较器的输出端连接。

8.如权利要求1所述高精度恒流恒功率自适应补偿电路，其特征在于：所述负载反馈电路（8）为输入端与输出电压分压电阻网络连接的误差电压放大器。

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