CN103414357B - 一种受负载电压调节的源端控制恒流输出电源的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种受负载电压调节的源端控制恒流输出电源的驱动电路，所述电路包含有电压采样保持器（1）、误差放大器（2）、电流估计器（3）、电压比较器（4）、锯齿波发生器（5）、触发器（6）、补偿电路（7）、多路开关（8）、开关管驱动器（9）、谐振器（10）、稳压器（11）和启动电路（12）。本发明涉及一种受负载电压调节的源端控制恒流输出电源的驱动电路，通过辅助绕组上的负载镜像电压信号，对源端电流控制信号进行修正，实现对负载电流的闭环恒流控制。

Description

一种受负载电压调节的源端控制恒流输出电源的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种电源驱动控制电路，尤其是涉及一种应用于LED照明专用电源上进行源端控制恒流输出的驱动控制电路，属于交直流电源转换的电子技术领域。
背景技术
通用型的单级功率因数校正(PFC)反激隔离式交直流变换器(电源模块)的驱动系统(芯片)由五大子系统构成：自供电系统，自启动系统，保护系统，功率因数校正系统和恒压恒流控制系统；如图2所示
这种电源模块在其驱动系统(芯片)的控制下具备两个最关键的功能：一是通过反激式变压器实现输出可控的交直流能量转换，二是保证交直流能量转换时的功率因数接近于一。除去上述的关键功能之外，此类驱动芯片还要具备两个基本功能：自供电启动功能和负载及电源的保护功能,从而构成一个完整的电源系统。
传统的单级功率因数校正(PFC)反激隔离式交直流变换器的驱动芯片（如图1），利用辅助端负载镜像电压的反馈信号，控制变压器源端电流脉冲的占空比(改变充电时间Ton的长短)实现输出端的恒压控制。如果每一次开关导通时间(充电时间Ton)在一个正弦波周期内保持相等，即可实现电源的功率因数校正。但是为了实现负载电流的恒流控制，还需在恒压控制的基础上，利用光电耦合器件(实现高压隔离)将通过负载串联电阻测得的负载电流信号经过数字化处理，再对芯片的控制(Ton时间的)电压进行调制，以实现对负载电流的开关式恒流控制。这种恒流控制技术将随机地改变源端充电时间Ton，破坏了功率因数校正系统所需的必要条件，降低了功率因数校正的效果。同时这种间接恒流控制技术仅适用于固定的输入电压和负载的工作条件，控制范围有限。
为此，近年来开发出一种具有功率因数校正(PFC)功能的，利用控制源端电流直接实现负载恒流控制的结构，该结构简化了驱动电源模块的制作，并且输出动态范围也有所提高。但是由于缺少负载端的信号反馈，该源端电流控制是一种开环控制，无法纠正反激式变压器在能量转换中存在的个体差异，恒流控制的精度和一致性很难保证。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于负载端信号反馈，多变量的源端控制恒流输出的电路结构，在实现了功率因数校正(PFC)的同时，利用负载端的电压信号，对源端电流的控制信号进行调制，补偿个体反激式变压器的输出电流偏差，实现输出电流的闭环恒流控制，保证驱动电源恒流控制的一致性和稳定性。
本发明的目的是这样实现的：一种基于负载电压反馈的源端控制恒流输出的电路结构，该结构包含有电压采样保持器、误差放大器、电流估计器、电压比较器、锯齿波发生器、触发器、补偿电路、多路开关、开关管驱动器、谐振器、稳压器和启动电路，所述电压采样保持器将从芯片的CS端口输入的信号输入误差放大器的反相输入端，所述电流估计器将从芯片的ZCD端口输入的信号输入误差放大器的正相输入端，所述误差放大器的输出端连接至COMP端口，所述的ZCD端口输入的信号输入至补偿电路，所述补偿电路的输出端将信号经锯齿波发生器输入电压比较器正相输入端，且补偿电路的输出端信号输入触发器的S端口，所述误差放大器的输出端连接至电压比较器的反相输入端，所述电压比较器的输出端连接至触发器的R端口，所述触发器的端口连接至补偿电路，所述触发器的Q端口连接至多路开关的一输入端，所述的VIN端口输入的信号经稳压器和谐振器后输入多路开关的另一输入端，所述稳压器的输出端经启动电路后连接至多路开关的控制端，所述多路开关的输出端经开关驱动器后连接至DRV端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过补偿电路和电流估计器实现的恒定脉宽充电时间补偿技术能够确保，无论输入电压如何波动，其功率因数校正系统的调整，在一个完整的正弦波周期内，不会改变源端充电脉冲的总量，因此，只要恒流控制的信号保持不变，负载电流的平均值就不会改变，该技术的应用，不仅保证了功率因数校正系统与恒流控制系统之间的独立性，而且扩大了整个电源控制系统应对输入电压变化的动态范围；
本发明涉及的源端电流正弦波峰谷补偿技术（该技术是利用充电脉宽补偿电路通过变压器对负载的放电时间T dis 长短与正弦波成正比的特性来实现的）通过调整源端充电脉冲在一个完整的正弦波周期内的分布(非均匀分布)，改善功率因数校正(PFC)系统的大动态范围补偿的相对一致性。
本发明涉及的源端电流监测的负载电流估计算法能够通过对源端电流的监测信号以及负载电压信号的估算，得到负载端电流的平均值。该算法是由理论计算得到，虽然这种理论推演是在给定功率因数校正(PFC)模式的条件下得到的，但是这种负载电流估计算法对于任何一种功率因数校正(PFC)模式都是成立的，均在本发明的保护范围之内。这里仅给出(与恒流控制系统相互)独立的功率因数校正(PFC)模式的恒流控制电路，其恒流控制参数完全独立于功率因数校正系统的参数，实现了功率因数校正(PFC)与恒流控制相互独立的电路结构。
本发明涉及的负载镜像电压信号非线性调制技术通过估算得到的负载端电流的平均值对检测到的负载电压信号进行非线性的调制(一种逆函数运算)，得到即时负载电压所对应的源端电流控制信号，经过与源端电流的检测信号比较，产生控制误差信号，通过对源端电流充电时间的调节，实现大范围负载波动时的负载电流连续式恒流控制。
附图说明
图1为常规的LED驱动电路。
图2为本发明一种负载电压调节的源端控制恒流输出电源的驱动电路的最小化的电路框图。
图3为本发明一种负载电压调节的源端控制恒流输出电源的驱动电路的应用状态示意图。
其中：
电压采样保持器1、误差放大器2、电流估计器3、电压比较器4、锯齿波发生器5、触发器6、补偿电路7、多路开关8、开关管驱动器9、谐振器10、稳压器11、启动电路12。
具体实施方式
参见图2~3，本发明涉及的一种负载电压调节的源端控制恒流输出电源的驱动电路，所述电路包含有电压采样保持器1、误差放大器2、电流估计器3、电压比较器4、锯齿波发生器5、触发器6、补偿电路7、多路开关8、开关管驱动器9、谐振器10、稳压器11和启动电路12，所述电压采样保持器1将从芯片的CS端口输入的信号输入误差放大器2的反相输入端，所述电流估计器3将从芯片的ZCD端口输入的信号输入误差放大器2的正相输入端，所述误差放大器2的输出端连接至芯片的COMP端口，所述芯片的ZCD端口输入的信号输入至补偿电路7，所述补偿电路7的输出端将信号经锯齿波发生器5输入电压比较器4正相输入端，且补偿电路7的输出端将信号输入触发器6的S端口，所述误差放大器2的输出端连接至电压比较器4的反相输入端，所述电压比较器4的输出端连接至触发器6的R端口，所述触发器6的端口连接至补偿电路7，所述触发器6的Q端口连接至多路开关8的一输入端，所述芯片的VIN端口输入的信号经稳压器11和谐振器10后输入多路开关8的另一输入端，所述稳压器11的输出端经启动电路12后连接至多路开关8的控制端，所述多路开关8的输端经开关管驱动器9后连接至芯片的DRV端。
参见图3，使用时：
ZCD负载镜像电压瞬时值，分别为电流估计器3和补偿电路7提供电压和时间信息；
CS 源端电流瞬时值信息，经过电压采样保持器1的处理，得到电流的峰值包络线信号，用作源端电流的反馈信号与电流估计器3计算输出控制信号同时输入到误差放大器2；
误差放大器2，通过电压采样保持器1处理电流的峰值包络线信号与电流估计器3计算输出控制信号比较，产生误差并放大，向芯片外部电容CCOMP充放电(误差信号大于零时充电，小于零时放电)，产生直流电压，作为电压比较器4的参考电压，用其控制开关导通时间Ton，实现恒流控制；
锯齿波发生器5，当其控制端从低电平转为高电平(即Ton时间开始)，锯齿波发生器5的输出电压从零开始线性上升，直至达到COMP上的电压，电压比较器4输出从低电平反转为高电平，使触发器6反转(被设置为零)，导致锯齿波发生器5的控制端为低电平，锯齿波发生器5输出端上的电压即时为零！其电压的上升时间Ton与COMP的电压成正比；
补偿电路7起到充电脉宽补偿作用，其充电脉宽补偿的时间脉冲控制驱动系统的开关周期，保证每一个正弦波周期内的充电脉冲数量相等，并且按照正弦波电压的瞬时值呈反比分布，实现封闭式的功率因数校正；
因此，本发明的工作原理如下：
1. 在电源模块接通交流输入电压之前，电源模块的所有电容上的电压初始值均为零。
2. 电源模块接通交流电压，经过整流的交流电通过RVIN开始向储能电容CVIN充电，驱动芯片处于零电流自启动状态，直到VIN端电压达到驱动芯片的启动预设值；
3. VIN端电压达到驱动芯片的启动预设值，驱动芯片开始进入软启动工作模式，谐振器开始工作，驱动开关管驱动器输出脉冲电压，通过电源模块的开关管为变压器充电，逐步建立负载端和辅助端的直流电压，同时为电容CCOMP进行预充电，建立恒流控制的直流电压，期间，驱动芯片的唯一的电能来源是累计在储能电容CVIN上的电荷；驱动芯片务必在VIN电压下降到系统预设的欠压保护值之前，在负载端和辅助端建立起足够的直流电压，维持驱动芯片的正常工作；
4. 负载端和辅助端的直流电压达到驱动芯片正常工作的预设值，驱动芯片的自启动系统关闭，软启动工作模式结束，驱动芯片将开关管驱动器的输入信号从谐振器切换为受控于电容CCOMP直流电压的锯齿波发生器的输出，开始进入连续式恒流控制模式；
5. 源端充电电流通过串联在开关管源极和电源模块的直流地线之间产生脉冲电压，经过CS端的电压采样保持器得到正比于源端峰值电流的包络线电压馈送到误差放大器反相输入端，与馈送到误差放大器正相输入端的经过对负载电压非线性调制后得到的恒流控制电压比较，产生误差电流，通过误差放大器的输出端向稳压电容CCOMP充放电(误差为正：充电，反之亦然)；
6. 稳压电容CCOMP的电压连接到检测锯齿波发生器输出的电压比较器的反相输入端，锯齿波发生器的输出则连接到电压比较器的正相输入端，充电脉宽补偿电路的输出信号触发锯齿波发生器产生线性上升的电压输出，同时输入到触发器的S端，通过开关管驱动器驱动开关管导通，使源端绕组充电，当输出电压超过稳压电容CCOMP上的电压，电压比较器输出信号到触发器的归零端(R)端，通过开关管驱动器使开关管截至，终止源端充电电流脉冲，因此，源端充电电流的大小正比于稳压电容CCOMP上的电压，从而实现连续式的恒流控制。

Claims (1)

1.一种受负载电压调节的源端控制恒流输出电源的驱动电路，其特征在于：所述电路包含有电压采样保持器（1）、误差放大器（2）、电流估计器（3）、电压比较器（4）、锯齿波发生器（5）、触发器（6）、补偿电路（7）、多路开关（8）、开关管驱动器（9）、谐振器（10）、稳压器（11）和启动电路（12），所述电压采样保持器（1）将从CS端口输入的信号输入误差放大器（2）的反相输入端，所述电流估计器（3）将从ZCD端口输入的信号输入误差放大器（2）的正相输入端，所述误差放大器（2）的输出端连接至芯片的COMP端口，所述ZCD端口输入的信号输入至补偿电路（7），所述补偿电路（7）的输出端将信号经锯齿波发生器（5）输入电压比较器（4）正相输入端，且补偿电路（7）的输出端将信号输入触发器（6）的S端口，所述误差放大器（2）的输出端连接至电压比较器（4）的反相输入端，所述电压比较器（4）的输出端连接至触发器（6）的R端口，所述触发器（6）的端口连接至补偿电路（7），所述触发器（6）的Q端口连接至多路开关（8）的一输入端， VIN端口输入的信号经稳压器（11）和谐振器（10）后输入多路开关（8）的另一输入端，所述稳压器（11）的输出端经启动电路（12）后连接至多路开关（8）的控制端，所述多路开关（8）的输出端经开关管驱动器（9）后连接至芯片的DRV端，所述补偿电路（7）为充电脉宽补偿电路，即无论输入电压如何波动，在一个完整的正弦波周期内，通过该补偿电路的功率因数校正系统的调整，皆可确保源端充电脉冲的总量不变，即只要恒流控制的信号保持不变，负载电流的平均值就不会改变，实现了与功率因数校正相互独立的恒流控制，所述电流估计器（3）根据由ZCD端口输入的负载镜像电压，经过估算，产生源端电流的控制信号，输入到所述的误差放大器(2)的正向输入端，实现以控制源端电流，进而实现输出电流的恒流控制；
VIN端电压达到驱动芯片的启动预设值，驱动芯片开始进入软启动工作模式，谐振器开始工作，驱动开关管驱动器输出脉冲电压，通过电源模块的开关管为变压器充电，逐步建立负载端和辅助端的直流电压，同时为电容CCOMP进行预充电，建立恒流控制的直流电压，期间，驱动芯片的唯一的电能来源是累计在储能电容CVIN上的电荷；驱动芯片在VIN电压下降到系统预设的欠压保护值之前，在负载端和辅助端建立起足够的直流电压，维持驱动芯片的正常工作。
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