CN103269161A

CN103269161A - 恒流输出buck电源电路

Info

Publication number: CN103269161A
Application number: CN2013102100014A
Authority: CN
Inventors: 方健; 赵前利; 王贺龙; 李源; 彭宜建; 潘华; 谷洪波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: CN103269161B

Abstract

本发明涉及一种工作于BUCK模式的开关电源电路。本发明针对现有技术中存在的输出电流不恒定的问题，公开了一种恒流输出BUCK电源电路。本发明的技术方案是，恒流输出BUCK电源电路，包括控制芯片、开关管、续流二极管、输出电感、输出电容和采样电阻，所述控制芯片由脉冲电路、控制单元和驱动单元构成，用于产生控制所述开关管导通和关断的信号，并根据采样电阻的反馈信号调整输出电压和电流，其特征在于，还包括恒流控制电路，所述恒流控制电路包括，第一运放、第二运放、反相器、与门、第二晶体管、第三晶体管和第二电容。本发明解决了输出电流受输入电压、输出电压以及输出电感取值影响的问题，大幅度提高了输出电流的稳定性。

Description

恒流输出BUCK电源电路

技术领域

本发明涉及DC-DC（直流-直流）变换器，特别涉及一种工作于BUCK模式（降压变换模式）的开关电源电路。主要用于LED光源的驱动电源。

背景技术

当今，高效能、节能、环保的光源已成为社会的普遍要求。LED是近年来应用广泛的一种新型节能光源。由于LED是特性敏感的半导体器件，所以LED对驱动电源的要求近乎苛刻。目前常用的驱动电路是基于BUCK电路，通过控制芯片来控制BUCK电路中的开关管开启和关闭时间来控制输出电流并使其稳定。

如图1所示：一种传统的基于开关电源BUCK拓扑的输出恒流电路。该BUCK电路包括控制芯片、续流二极管D1、开关管Q1（通常为功率场效应管）、输出电感L1、输出电容C1和采样电阻R1。其中，控制芯片通常由脉冲电路、控制单元和驱动单元等构成，其主要作用是提供系统正常工作所需的各种基准电压、电流（源），并根据采样电阻的反馈信号与这些基准电压和/或电流的比较结果，控制开关管Q1的开启和关闭，当开关管Q1开启时，电源VDD提供的电流通过负载、输出电感L1和开关管Q1，此时输出电感L1开始储能，当开关管Q1关闭时，输出电感L1通过续流二极管D1放电，继续为负载提供电流。

图2是图1所示电路的主要电流波形图。IL为输出电感L1的电流，Iav为流过输出电感L1的平均电流，Ipk为流过输出电感L1的峰值电流，Ib为电流IL的最低值。平均电流Iav就是输出电流。其中Ipk与控制芯片产生的电流峰值基准电压Vr1以及开关管Q1源级的采样电阻R1等有关。其控制原理可以简述为：当控制芯片内部信号使开关管Q1开启的Ton时间内，输出电感L1的电流IL线性上升，此时输出电感L1的电流IL同时流过采样电阻R1。当输出电感L1的电流IL在采样电阻R1上产生的电压达到Vr1时，控制芯片中的比较器翻转，输出控制信号关断开关管Q1。在开关管Q1关断的Toff时间段，输出电感L1的电流IL线性下降直到内部时钟信号再次开启开关管Q1为止。如此反复。当Vr1和采样电阻R1确定后Ipk也就确定了。Iw为流过输出电感L1的纹波电流幅度，它受输入电压VDD、输出电压Vo（负载两端的电压）、输出电感L1的电感量以及内部时钟信号控制。当输入电压、输出电压确定，输出电感L1设定后，由于内部时钟信号固定，纹波电流Iw的幅度也就恒定了。这样，输出电流Iav也就恒定了。

这种恒流控制方式由于电路结构简单，成本低，所以在LED恒流驱动电源中应用广泛。但是也同样存在明显的缺点，当输出电压变化或者输出电感值偏差，Iw就会变化，因而输出电流就不再是恒定的。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的输出电流不恒定的问题，提出了一种恒流输出BUCK电源电路，使得输出电流在输入输出电压以及输出电感变化时保持不变。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，恒流输出BUCK电源电路，包括控制芯片、开关管、续流二极管、输出电感、输出电容和采样电阻，所述控制芯片由脉冲电路、控制单元和驱动单元构成，用于产生控制所述开关管导通和关断的信号，并根据采样电阻的反馈信号调整输出电压和电流，其特征在于，还包括恒流控制电路，所述恒流控制电路包括，第一运放、第二运放、反相器、与门、第二晶体管、第三晶体管和第二电容，所述第一运放的反相输入端和第二运放的正相输入端通过采样电阻接地，第一运放的正相输入端接峰值电流基准电压，第一运放输出端接控制单元，第二运放的反相输入端接纹波电流基准电压，第二运放输出端接反相器的输入端和第二晶体管的栅极，反相器的输出端接与门的一个输入端，与门的另一个输入端接开关管的控制极和驱动单元的输出端，与门的输出端接第三晶体管的栅极，第二晶体管的漏极接第一电流源，第二晶体管的源极接第三晶体管的漏极、第二电容的一端和脉冲电路的输入端，第三晶体管的源极接第二电流源，第二电容的另一端接基准电压，脉冲电路的输出接控制单元的输入端，控制单元的输出接驱动单元的输入端。

具体的，所述开关管为功率场效应管。

更具体的，所述功率场效应管为VDMOS管或LDMOS管。

或者，所述开关管为IGBT。

进一步的，所述开关管、续流二极管、控制芯片和恒流控制电路集成在同一半导体基片中。

本发明的有益效果是，解决了输出电流受输入电压、输出电压以及输出电感取值影响的问题，大幅度提高了输出电流的稳定性。

附图说明

图1为现有BUCK电源电路结构示意图；

图2为图1所示电路主要电流波形示意图；

图3为本发明的电流波形示意图；

图4为实施例电路结构示意图；

图5为图4所示电路电流波形及关键脉冲时序关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的恒流输出BUCK电源电路，采用输出电感电流IL上升时间监测控制电路和峰值电流Ipk控制电路共同实现恒流输出。且输出电流不受输入、输出电压以及输出电感的影响。

如图3所示，本发明的电流控制原理是：当输出电感电流IL在检测电阻R1上产生的电压达到电流峰值电压Vr1时，开关管Q1关断。此后输出电感电流IL下降。当内部时钟信号再次使开关管Q1开启时，输出电感电流IL上升，从此时开始检测输出电感电流IL从最低值Ib上升到Im的时间T1和输出电感电流从Im上升到Ipk的时间T2。由于输出电感电流IL是线性上升的，所以输出电感电流IL的上升幅度与上升时间T2成正比。由于上升时间T2对应的电流上升幅度为Is1（Is1=Ipk-Im）。当T1和T2的关系确定后，则输出电感电流IL的上升幅度Is1和Is2也就确定了。也即是输出电感电流的纹波幅度Iw就确定了。BUCK电路中当输出电感电流的峰值电流纹波幅Iw度确定后，输出电流Iav就会恒定。

实施例

本例恒流输出BUCK电源电路结构如图4所示，包括脉冲电路、控制单元、驱动单元、开关管Q1、续流二极管D1、输出电感L1、输出电容C1、采样电阻R1和恒流控制电路。其中，脉冲电路、控制单元、驱动单元具有传统BUCK电源电路控制芯片的功率，用于产生控制所述开关管导通和关断的信号，并根据采样电阻的反馈信号调整输出电压和电流。本例恒流控制电路包括，第一运放A1、第二运放A2、反相器U1、与门U2、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第二电容C2。本例中，开关管为功率场效应管，可以采用VDMOS管（垂直双扩散场效应晶体管）或LDMOS管（横向双扩散场效应晶体管）等，也可以采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等大功率器件。

本例电路具体连接关系如图4所示，第一运放A1的反相输入端和第二运放A2的正相输入端通过采样电阻R1接地，第一运放A1的正相输入端接峰值电流基准电压Vr1，第一运放A1输出端接控制单元。第二运放A2的反相输入端接纹波电流基准电压Vr2，第二运放A2输出端接反相器U1的输入端和第二晶体管Q2的栅极。反相器U1的输出端接与门U2的一个输入端，与门U2的另一个输入端接开关管Q1的控制极和驱动单元的输出端，与门U2的输出端接第三晶体管Q3的栅极。第二晶体管Q2的漏极接第一电流源I1，第二晶体管Q2的源极接第三晶体管Q3的漏极、第二电容C2的一端以及脉冲电路的输入端。第三晶体管的源极接第二电流源I2，第二电容C2的另一端接基准电压V1，脉冲电路的输出接控制单元的输入端，控制单元的输出接驱动单元的输入端。

参见图5，本例电路原理如下：

当开关管Q1开启时，输出电感L1电流IL流过采样电阻R1，第二运放A2根据采样电阻R1上的采样电压fb与纹波电流基准电压Vr2比较结果，产生反映输出电感电流IL从Im上升到Ipk所用时间的脉冲波G2，该脉冲波G2通过反相器U1后与开关管Q1的栅信号VG相与，产生反映输出电感电流IL从最低点Ib上升到设定值Im所用时间的脉冲波G3。脉冲波G2和G3又分别控制晶体管Q2和Q3对第二电容C2进行充电和放电。由于设定第二电容C2的冲放电电流I1与I2相等，当脉冲波G2的脉宽小于脉冲波G3的脉宽时，即放电时间大于冲电时间，第二电容C2的电压V2就会降低。V2的降低会反馈回脉冲电路，进而减小开关管Q1的关断时间，使得脉冲波G2的脉宽增加并最终与G3的脉宽趋于相等。对应的，当脉冲波G2的脉宽大于G3的脉宽时，第二电容C2的充电时间大于放电时间，于是V2升高。V2的升高反馈回脉冲电路，进而增加开关管Q1的关断时间，使得脉冲波G3脉宽增加，最终G2和G3的脉宽趋于相等。当G2和G3的脉宽相等时，相应的Is1=Is2。即输出电感电流纹波幅度Iw确定。当峰值电流Ipk和纹波幅度Iw确定后。输出电流就恒定了。

可以看出，本发明的恒流控制电路检测输出电感电流上升量和上升时间，通过对输出电感电流上升时间的控制来达到稳定输出电感电流纹波幅度Iw的目的，进而稳定输出电流。本发明的恒流控制电路使得输出电流与输出输入电压和输出电感的取值无关，具有宽泛的的应用领域。

本发明的恒流输出BUCK电源电路，通常除了输出电感、输出电容等当前技术条件下不便于集成的元件需要外接，其他元器件，包括开关管、续流二极管、控制芯片和恒流控制电路都可以采用目前成熟的集成电路工艺，集成在同一半导体基片中，构成具有恒流输出功能的DC-DC集成电路产品。

本领域的普通技术人员应当意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.恒流输出BUCK电源电路，包括控制芯片、开关管、续流二极管、输出电感、输出电容和采样电阻，所述控制芯片由脉冲电路、控制单元和驱动单元构成，用于产生控制所述开关管导通和关断的信号，并根据采样电阻的反馈信号调整输出电压和电流，其特征在于，还包括恒流控制电路，所述恒流控制电路包括，第一运放、第二运放、反相器、与门、第二晶体管、第三晶体管和第二电容，所述第一运放的反相输入端和第二运放的正相输入端通过采样电阻接地，第一运放的正相输入端接峰值电流基准电压，第一运放输出端接控制单元，第二运放的反相输入端接纹波电流基准电压，第二运放输出端接反相器的输入端和第二晶体管的栅极，反相器的输出端接与门的一个输入端，与门的另一个输入端接开关管的控制极和驱动单元的输出端，与门的输出端接第三晶体管的栅极，第二晶体管的漏极接第一电流源，第二晶体管的源极接第三晶体管的漏极、第二电容的一端和脉冲电路的输入端，第三晶体管的源极接第二电流源，第二电容的另一端接基准电压，脉冲电路的输出接控制单元的输入端，控制单元的输出接驱动单元的输入端。

2.根据权利要求1所述的恒流输出BUCK电源电路，其特征在于，所述开关管为功率场效应管。

3.根据权利要求2所述的恒流输出BUCK电源电路，其特征在于，所述功率场效应管为VDMOS管或LDMOS管。

4.根据权利要求1所述的恒流输出BUCK电源电路，其特征在于，所述开关管为IGBT。

5.根据权利要求1所述的恒流输出BUCK电源电路，其特征在于，所述开关管、续流二极管、控制芯片和恒流控制电路集成在同一半导体基片中。