CN103259408B - 开关电源及实现恒定输出电流的开关电源控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关电源及实现恒定输出电流的开关电源控制器，该控制器包括：振荡器，产生开通信号，该开通信号用于确定开关电源中功率开关的开关周期；比较器，其第一输入端接收第一基准电压，其第二输入端接收外部输入的采样电压，其输出端产生关断信号；逻辑和驱动电路，根据开通信号和关断信号产生驱动信号，该驱动信号用于控制功率开关的导通和关断；环路控制模块，其输入端接收采样电压，其输出端与所述振荡器的输入端相连，用于调节该开关周期以使功率开关导通期间采样电压的平均值与第二基准电压相等，其中，第一基准电压小于第二基准电压的2倍。本发明能够精确控制输出电流，使得输出电流不受输出电压、输入电压等参数的影响。

Description

开关电源及实现恒定输出电流的开关电源控制器

技术领域

本发明涉及开关电源技术，尤其涉及一种开关电源及实现恒定输出电流的开关电源控制器。

背景技术

参考图1，传统的降压结构的LED驱动电路中，功率开关M1导通时，导通时间为Ton，输入电流流经功率开关M1、采样电阻Rcs、电感L1和输出负载电容C1，电感L1上的电流增加，电感L1存储能量，此时，流经输出负载电容C1、输出端的电流与流过采样电阻Rcs的电流相同。当电流达到设定值Vr1/Rcs时，比较器113的输出信号翻转，经逻辑和驱动电路112生成相应的触发信号Reset，使得功率开关M1关断。关断时间Toff由关断时间控制电路111决定，通过外置的电阻R1调节关断时间Toff。在功率开关M1关断后，电感L1上的电流经续流二极管D1续流，流经续流二极管D1以及输出负载电容C1、输出端，电感L1上的电流减小，电感L1释放能量到输出负载电容C1和输出端。

如图2，功率开关M1导通时，假设流经输出负载电容C1、输出端的平均电值为Iout1；上功率开关M1关断时，假设流经输出负载电容C1、输出端的平均电流值为Iout2，当电路处于电感电流连续模式时，Iout1和Iout2相同。当输出电压固定，由于峰值电流固定为Vr1/Rcs，且关断时间Toff固定，在Toff时间内电感电流下降值就是固定的，从而电流的纹波是确定的，进而可以做到输出电流固定。

图1中的开关电源实现了输出电流控制，电路简单、成本较低，但是也有缺点。当输出电压变化时，关断时间Toff不变，相同的关断时间Toff内的电感电流下降值就发生了变化，从而平均输出电流发生变化，导致输出电流的负载调整率较差。并且图1的电路中，由于不可避免的电路延迟，从比较器113的输出信号翻转到功率开关M1关断有一段关断延迟时间，而在该关断延迟时间内峰值电流会继续增加，从而导致输入电压变化时，输出电流也会发生变化，即电路的恒流特性不够好，恒流控制的精度不足。另外，该电路稳定工作后关断时间固定，导通时间固定，导致工作频率固定，由于开关电源的开关频率较高，因此会产生较大的电磁干扰（EMI）。

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实现恒定输出电流的开关电源控制器，能够精确控制输出电流，使得输出电流不受输出电压、输入电压等参数的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种实现恒定输出电流的开关电源控制器，包括：

振荡器，产生开通信号，该开通信号用于确定开关电源中功率开关的开关周期；

比较器，其第一输入端接收第一基准电压，其第二输入端接收外部输入的采样电压，其输出端产生关断信号；

逻辑和驱动电路，根据所述开通信号和关断信号产生驱动信号，该驱动信号用于控制所述功率开关的导通和关断；

环路控制模块，其输入端接收所述采样电压，其输出端与所述振荡器的输入端相连，用于调节所述开关周期以使所述功率开关导通期间所述采样电压的平均值与第二基准电压相等，其中，所述第一基准电压小于所述第二基准电压的2倍。

根据本发明的一个实施例，所述环路控制模块包括：跨导放大器，在所述功率开关导通期间，其输出电流与所述第二基准电压和采样电压的差值成正比，并且该输出电流用于向补偿电路充放电，在所述功率开关关断期间，所述跨导放大器的输出电流停止向所述补偿电路充放电，所述补偿电路上的电压用于调节所述振荡器确定的开关周期。

根据本发明的一个实施例，所述跨导放大器的第一输入端接收所述采样电压，所述跨导放大器的第二输入端接收所述第二基准电压，所述跨导放大器的输出端连接第一开关的第一端，所述第一开关的第二端连接所述补偿电路和所述振荡器的输入端，所述第一开关的控制端接收所述驱动信号，在所述功率开关导通期间所述第一开关导通，在所述功率开关关断期间所述第一开关关断。

根据本发明的一个实施例，所述跨导放大器的第一输入端连接第二开关的第一端和第三开关的第一端，所述跨导放大器的第二输入端接收所述第二基准电压，所述跨导放大器的输出端连接所述补偿电路和所述振荡器的输入端，所述第二开关的第二端接收所述采样电压，所述第二开关的控制端接收所述驱动信号，所述第三开关的第二端接收所述第二基准电压，所述第三开关的控制端接收所述驱动信号的反相信号，在所述功率开关导通期间，所述第二开关导通且所述第三开关关断，在所述功率开关关断期间，所述第二开关关断且所述第三开关导通。

根据本发明的一个实施例，该开关电源控制器还包括：最小关断时间控制电路，连接所述逻辑和驱动电路，在所述功率开关关断时开始计时并判断是否到达预设的最小关断时间，所述逻辑和驱动电路还根据最小关断时间控制电路的输出信号产生所述驱动信号，所述功率开关关断后，如果所述开通信号先于所述最小关断时间到达，则所述逻辑和驱动电路根据该最小关断时间产生用于导通该功率开关的驱动信号，如果所述开通信号后于所述最小开关时间到达，则所述逻辑和驱动电路根据该开通信号产生用于导通该功率开关的驱动信号。

根据本发明的一个实施例，在所述采样电压达到所述第一基准电压时，所述比较器产生所述关断信号使得所述逻辑和驱动电路产生的驱动信号关断该功率开关。

根据本发明的一个实施例，该开关电源控制器还包括：频率抖动电路，与所述振荡器相连，用于控制所述振荡器的震荡周期使其按照预设规律变动，以减小电磁干扰。

本发明还提供了一种开关电源，包括：

以上任一项所述的开关电源控制器；

续流二极管，其负极接收输入电压；

串联的输出电容和电感，与所述续流二极管并联；

功率开关，其第一端连接所述续流二极管的正极，其第二端输出所述采样电压至所述开关电源控制器，其控制端接收所述开关电源控制器输出的驱动信号；

采样电阻，其第一端连接所述功率开关的第二端，其第二端接地。

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在开关电源的功率开关导通器件采样获取采样电阻上的采样电压，并通过环路控制模块对功率开关的开关周期进行环路调节，控制该采样电压的平均值保持不变，利用降压结构的开关电源处于电感电流连续模式时的特点，达到输出电流恒定的目的。

进一步而言，本发明实施例的环路控制模块主要包括跨导放大器，其对采样电阻上的采样电压和第二基准电压进行误差放大，其输出端连接补偿电路，补偿电路上的电压传输至振荡器用以确定开关周期，在环路稳定后，功率开关导通期间采样电阻上的采样电压的平均值与该第二基准电压相同，输出电流由该第二基准电压与采样电阻的电阻值决定。

另外，本发明实施例的开关电源控制器还包括频率抖动电路，控制振荡器的震荡频率按照预设的规律抖动，从而分散电磁干扰能量。

本发明实施例的开关电源及其控制器电路简单，输出电流与输入电压、输出电压、电感量等参数都没有关系，能够实现精确的恒流特性。

附图说明

图1是现有技术中一种降压结构连续工作模式的开关电源的结构示意图；

图2是图1所示开关电源的信号时序图；

图3是本发明第一实施例的开关电源的结构示意图；

图4是本发明第二实施例的开关电源的结构示意图；

图5是图3和图4所示开关电源的信号时序图；

图6是本发明实施例的开关电源控制器中的跨导放大器的电路结构示意图。

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，第一实施例中的开关电源主要包括：功率开关M1、电感L1、采样电阻Rcs、续流二极管D1、输出电容C1和开关电源控制器300。

其中，续流二极管D1的负极接收输入电压Vin，输出电容C1的第一端连接续流二极管D1的负极，电感L1的第一端连接续流二极管D1的正极，电感L1的第二端连接输出电容C1的第二端，功率开关M1的第一端连接续流二极管D1的正极，功率开关M1的第二端连接采样电阻Rcs的第一端，功率开关M1的控制端接收开关电源控制器300输出的驱动信号GT，采样电阻Rcs的第一端连接功率开关M1的第二端，采样电阻Rcs的第二端接地，开关电源控制器300接收采样电阻Rcs上的采样电压并输出驱动信号GT至功率开关M1的控制端，用以控制功率开关M1的导通和关断。

进一步而言，输出电容C1主要起到输出电流滤波的作用，减小输出电流和输出电压的纹波。而电感L1和输出电容C1之间串联，二者的连接位置可以互换，二者串联之后的整体与续流二极管D1并联。此外，输出电容C1可以配置为与负载并联。

功率开关M1导通时，电感L1存储能量，此时流经电感L1的电流与流经输出电容C1和输出端Vout的电流相同，输出电流与流经采样电阻Rcs的电流相同。功率开关M1关断时，流经电感L1的电流经过续流二极管D1到输出电容C1和输出端Vout续流，向负载继续传递能量。当电感L1的电流始终大于零，功率开关M1导通时流经电感L1的平均电流与功率开关M1关断时流经电感L1的平均电流相同，也与流经输出电容C1、输出端Vout的电流相同。

开关电源控制器300主要包括：振荡器311、逻辑和驱动电路312、比较器313、环路控制模块310、频率抖动电路315以及最小关断时间控制电路316。

进一步而言，比较器电路313的第一输入端接收第一基准电压Vr1，第二输入端连接采样电阻Rcs的第一端，当采样电阻Rcs上的采样电压高于预设的第一基准电压Vr1时，比较器313的输出信号翻转，输出关断信号Reset至逻辑和驱动电路312。

振荡器311根据环路控制模块310输出的控制电压Vc确定功率开关M1的开关周期，并相应地产生开通信号Set，控制电压Vc的高低决定了功率开关M1的开关周期。

最小关断时间控制电路316与逻辑和驱动电路312相连，内部设定有预设的最小关断时间Toffmin，其接收驱动信号GT并在功率开关M1关断时开始计时，当计时达到该最小关断时间Toffmin时，其输出信号EN有效，当震荡器311确定的开关周期小于比较器313决定的导通时间时，由最小关断时间控制电路316的输出信号EN决定下一个开关周期的功率开关导通时刻。

环路控制模块310的输入端接收采样电阻Rcs上的采样电压，其输出端产生控制电压Vc，控制电压Vc用于调节振荡器311确定的开关周期，以使功率开关M1导通期间的采样电压的平均值和第二基准电压Vr2相等，其中第一基准电压Vr1小于第二基准电压Vr2的2倍。

具体而言，逻辑和驱动电路312根据震荡器311输出的开通信号Set、比较器313输出的关断信号Reset以及最小关断时间控制电路316的输出信号EN产生驱动信号GT，用于切换功率开关M1的导通和关断状态。在最小关断时间Toffmin到达之前（即输出信号EN无效），如果开通信号Set已经到来，则等待最小关断时间Toffmin到达时再产生用于导通功率开关M1的驱动信号GT；如果在最小关断时间Toff到达之后（即输出信号EN有效），开通信号Set才到来，则等待开通信号Set到来时再产生用于导通功率开关M1的驱动信号GT；在关断信号Reset到来时，逻辑和驱动电路312产生用于关断功率开关M1的驱动信号GT。

需要说明的是，由于实际电路中的关断时间延迟，导致实际的功率开关M1关断时的采样电压要稍高于第一基准电压Vr1。

在第一实施例中，环路控制模块310包括跨导放大器314和第一开关S1。其中，跨导放大器314的第一输入端接收采样电压，跨导放大器314的第二输入端接收第二基准电压Vr2，跨导放大器的输出端连接第一开关S1的第一端，第一开关S1的第二端连接补偿电容C2的第一端和关断时间控制电路311的输入端，第一开关S1的控制端接收驱动信号GT，补偿电容C2的第二端接地。在功率开关M1导通期间第一开关S1导通，在功率开关M1关断期间第一开关S1关断。

进一步而言，在功率开关M1导通期间跨导放大器314正常工作，跨导放大器314的输出电流Igm是与跨导放大器314的输入电压差值成正比的电流，即与（Vr2-Vcs）成正比的值，具体表示为Igm=Gm*（Vr2-Vcs），其中，Gm是跨导放大器314的跨导，对于确定的电路而言Gm是一个恒定值，Vr2是第二基准电压Vr2的电压值，Vcs是采样电压的电压值。在功率开关M1关断期间，跨导放大器314与补偿电容C2的连接断开。跨导放大器314的输出电流Igm用于向补偿电容C2充放电，从而产生用于调节开关周期的控制电压Vc。

另外，本领域技术人员应当理解，补偿电容C2可以采用电阻电容的串并联等其他形式的补偿电路来替换，以调节电路的稳定性和动态特性。

该开关电源的工作原理如下：功率开关M1导通期间，采样电阻Rcs上具有采样电压Vcs，采样电压Vcs输入到跨导放大器314的一个输入端，跨导放大器314的另一输入端连接第二基准电压Vr2，跨导放大器具有如下特性：跨导放大器的输出电流Igm与跨导放大器314的输入差值电压（Vr2-Vcs）成正比，即Igm=Gm*（Vr2-Vcs），Gm即跨导放大器314的跨导，对于确定的电路而言是一个恒定值，跨导放大器314的输出端连接到补偿电路；在功率开关M1关断期间，跨导放大器314的输出端与补偿电路之间的通路断开；采样电压达到设定的第一基准电压Vr1时，功率开关M1关断；补偿电路上的控制电压Vc决定了功率开关M1的开关周期，开关周期的最小值为导通时间加上最小关断时间；为了保证开关电源处于电感电流连续模式，要求第一基准电压Vr1小于2倍的第二基准电压Vr2，环路稳定后，跨导放大器314的输出电流Igm的平均值为零，整个开关电源的恒定输出电流就是第二基准电压Vr2与采样电阻Rcs的比值。

另外，作为一个优选的实施例，该开关电源控制器300还可以包括频率抖动电路315，可以采用数字或模拟方式控制振荡器311的震荡周期，使得振荡器311的震荡周期随时间按照预设的规律变动，以减小电磁干扰。

图4示出了第二实施例的开关电源的结构，其与图3所示的开关电源类似，仅仅是环路控制模块的具体结构作了调整。如图4所示，第二实施例中的环路控制模块包括跨导放大器314、第二开关S2和第三开关S3。其中，跨导放大器314的第一输入端连接第二开关S2的第一端和第三开关S3的第一端，跨导放大器314的第二输入端接收第二基准电压Vr2，跨导放大器314的输出端连接补偿电路和振荡器311的输入端，第二开关S2的第二端接收采样电压，第二开关S2的控制端接收驱动信号GT，第三开关S3的第二端接收第二基准电压Vr2，第三开关的控制端接收驱动信号GT的反相信号，在功率开关M1导通期间，第二开关S2导通且第三开关S3关断，在功率开关M1关断期间，第二开关S2关断且第三开关S3导通。更加具体而言，驱动信号GT的反相信号是由反相器317产生的。

从效果上看，在功率开关M1导通期间，跨导放大器314的负输入端连接采样电阻Rcs，跨导放大器314的正输入端接收第二基准电压Vr2。在功率开关M1关断期间，跨导放大器314的正输入端和负输入端都接收第二基准电压Vr2（当然，这个电位也可以是其他任意电位），由跨导放大器314的特性可以知道，此时跨导放大器314的输出电流为零，相当于断开了跨导放大器314与补偿电容C2之间的连接，因此其电路功能与第一实施例中的环路控制模块等效。

需要说明的是，图3和图4中给出的仅是示例，实际上只要能够满足跨导放大器314在功率开关M1导通期间向补偿电路充放电，在功率开关M1关断期间停止向补偿电路充放电即可。

参考图5，图5示出了图3和图4所示开关电源的工作信号波形图。功率开关M1导通时，假设流经输出电容C1、输出端Vout的平均电值为Iout1；功率开关M1关断时，假设流经输出电容C1、输出端Vout的平均电流值为Iout2。当电路处于电感电流连续模式，Iout1和Iout2应当相同，因此本发明中通过控制Iout1，相应地控制了整个开关周期的输出电流。

在电感电流处于连续模式下，假设输出电流Iout的电流纹波为Ib-Ia，其中Ib为峰值电流，Ia为最小电流，有Ib大于Vr1/Rcs，又有Vr2/Rcs=(Ib+Ia)/2，显然有Vr2/Rcs=(Ib+Ia)/2>Ib/2>Vr1/(2*Rcs)，也即可以得到Vr2>1/2*Vr1。因此，本实施例中用作峰值电流比较点的第一基准电压Vr1要小于2倍的用作平均电流控制点的第二基准电压Vr2，以保证电路工作在电流连续模式。

图6示出了本实施例采用的跨导放大器的具体电路结构，主要包括：电流镜61、电流镜62、电流镜63、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2以及电流源I₀。

其中，电流镜61包括MOS晶体管M3和MOS晶体管M7，电流镜62包括MOS晶体管M2和MOS晶体管M4，电流镜63包括MOS晶体管M5和M6。采样电压Vcs输入至三极管Q1的基极，第二基准电压Vr2输入至三极管Q2的基极。假设MOS晶体管M2到MOS晶体管M4的镜像电流比为K2，MOS晶体管M7经由MOS晶体管M3、M5到MOS晶体管M6的镜像比为K1，则流经MOS晶体管M4的电流I4为：I₄=K₂·I₂，流经MOS晶体管M6的电流I6为：I₆=K₁·I₁。整个跨导放大器的输出电流Icomp为：

I_comp=I₄-I₆=K₂·I₂-K₁·I₁

一般要求K1=K2=K，R1=R2=R，电流源I₀提供的电流I₀足够大，保证I1和I2都大于零，则有以下关系成立：

$I_{\mathrm{comp}}=K\frac{V_{\mathrm{rl}}-V_{\mathrm{cs}}}{R}$

即跨导Gm为：

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

在电路稳定以后，输出电流Icomp的电流平均值Icompavg为零，即

I_compavg=0

因此有输入的采样电压Vcs的平均值与第二基准电压Vr2的平均值相同，采样电压Vcs的平均值除以采样电阻Rcs的电阻值就是开关电源输出电流的平均值，由此开关电源的输出电流的电流值为Vr2/Rcs。

图6所示仅是示例，本领域技术人员应当理解，跨导放大器还可以采用其他任何适当的结构。

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。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，只是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种实现恒定输出电流的开关电源控制器，其特征在于，包括：

振荡器，产生开通信号，该开通信号用于确定开关电源中功率开关的开关周期；

比较器，其第一输入端接收第一基准电压，其第二输入端接收外部输入的采样电压，当所述采样电压高于所述第一基准电压时，所述比较器的输出端产生关断信号，所述采样电压反映所述功率开关导通时流过所述功率开关的电流；

逻辑和驱动电路，根据所述开通信号和关断信号产生驱动信号，该驱动信号用于控制所述功率开关的导通和关断；

环路控制模块，其输入端接收所述采样电压，其输出端与所述振荡器的输入端相连，用于调节所述开关周期以使所述功率开关导通期间所述采样电压的平均值与第二基准电压相等，其中，所述第一基准电压小于所述第二基准电压的2倍以保证所述开关电源工作在电流连续模式；

其中，所述环路控制模块包括：跨导放大器，在所述功率开关导通期间，该跨导放大器的输出电流与所述第二基准电压和采样电压的差值成正比，并且该输出电流用于向补偿电路充放电，在所述功率开关关断期间，所述跨导放大器的输出电流停止向所述补偿电路充放电，所述补偿电路上的电压用于调节所述振荡器确定的开关周期。

2.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述跨导放大器的第一输入端接收所述采样电压，所述跨导放大器的第二输入端接收所述第二基准电压，所述跨导放大器的输出端连接第一开关的第一端，所述第一开关的第二端连接所述补偿电路和所述振荡器的输入端，所述第一开关的控制端接收所述驱动信号，在所述功率开关导通期间所述第一开关导通，在所述功率开关关断期间所述第一开关关断。

3.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述跨导放大器的第一输入端连接第二开关的第一端和第三开关的第一端，所述跨导放大器的第二输入端接收所述第二基准电压，所述跨导放大器的输出端连接所述补偿电路和所述振荡器的输入端，所述第二开关的第二端接收所述采样电压，所述第二开关的控制端接收所述驱动信号，所述第三开关的第二端接收所述第二基准电压，所述第三开关的控制端接收所述驱动信号的反相信号，在所述功率开关导通期间，所述第二开关导通且所述第三开关关断，在所述功率开关关断期间，所述第二开关关断且所述第三开关导通。

4.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，还包括：

最小关断时间控制电路，连接所述逻辑和驱动电路，在所述功率开关关断时开始计时并判断是否到达预设的最小关断时间，所述逻辑和驱动电路还根据最小关断时间控制电路的输出信号产生所述驱动信号，所述功率开关关断后，如果所述开通信号先于所述最小关断时间到达，则所述逻辑和驱动电路根据该最小关断时间产生用于导通该功率开关的驱动信号，如果所述开通信号后于所述最小关断时间到达，则所述逻辑和驱动电路根据该开通信号产生用于导通该功率开关的驱动信号。

5.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，在所述采样电压达到所述第一基准电压时，所述比较器产生所述关断信号使得所述逻辑和驱动电路产生的驱动信号关断该功率开关。

6.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，还包括：

频率抖动电路，与所述振荡器相连，用于控制所述振荡器的震荡周期使其按照预设规律变动，以减小电磁干扰。

7.一种开关电源，其特征在于，包括：

权利要求1至6中任一项所述的开关电源控制器；

续流二极管，其负极接收输入电压；

串联的输出电容和电感，与所述续流二极管并联；

功率开关，其第一端连接所述续流二极管的正极，其第二端输出所述采样电压至所述开关电源控制器，其控制端接收所述开关电源控制器输出的驱动信号；

采样电阻，其第一端连接所述功率开关的第二端，其第二端接地。