CN103516200A - 降压型电源电路及零磁通高压开关的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种降压型电源电路及零磁通的控制方法，包括：检测电阻，其与该电感电容低通滤波器的电感串联，并位于该电感的靠该有源可控开关一侧，用以检测流过该电感的电流的大小；辅助控制单元，其与该控制电路及检测电阻，用以根据该控制电路提供的第一PWM信号和该检测电阻给出的信号而产生第二PWM信号来控制该有源可控开关的通断；其中，该辅助控制单元仅在该检测电阻给出的信号下降到一个设定低值时，才允许该有源可控开关由截止状态转换为导通状态。本发明可以将续流二极管，有源可控开关以及电感等元器件需要承受的最大工作电流能力控制在较低的范围，从而可以降低成本，提升降压型电源电路的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电源电路，尤其与降压型电源电路的有源可控开关的控制有关。
背景技术
现有的降压型电源电路，参见图1，通常包括有源可控开关K1，用以控制该有源可控开关K1动作的控制单元KC0，与该有源可控开关K1相连的由电感L1和电容C1构成的低通滤波器以及电感电流泄放管D1。该控制单元KC0则进一步包括控制电路和与该控制电路相连的触发器，该控制电路能够提供复位控制信号和脉宽控制信号给该触发器进而控制该有源可控开关K1的通断。其中，有源可控开关K1可以是高压三极管、高压MOS管、IGBT等开关器件。该降压型电源电路的基本工作原理大致包括：有源可控开关K1工作在脉宽调整状态，电感L1和电容C1组成低通滤波器。电容C1的设计原则是确保电容C1上的纹波电压小到一定程度。由于开关工作频率很高，电路稳态工作时，电容C1上的电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，考虑到一个开关周期内电容充放电引起的纹波远小于电容C1上输出的直流电压Uo，因此电容C1上电压基本可以视为恒定直流。电感L1上的电流iL在时间上的变化量为ΔiL=(UL/L1)* Δt，在有源可控开关K1处于导通状态时，电感L1上的电压UL=Ud-Uo，在有源可控开关K1处于截止状态时，电感L1上的电压UL=-Uo。
参见图2，当有源可控开关K1导通时，电感L1上的电压UL>0，电感L1上的电流iL增大，电感L1储能，参见图3，当有源可控开关K1截止时，电感L1上的电压UL<0，电感L1上的电流iL减小，电感L1释能。如果在电感L1上的电流iL减小到0之前使有源可控开关K1切换到导通状态，则电感L1上会一直有电流流过，这种工作模式称为CCM模式(连续电流模式)。
从理论而言，电感上的电流会在电感上产生磁链，磁链的大小为ψ=L*i，磁链是电感的储能形式，其储能的能量大小为 W=L*i*i/2.(J)，对于确定的电感L，磁链有个最高值，如果电感上的磁链超过这个值，电感的电感量将急剧下降，从而可以使系统失控。也就是说，对确定的电感，磁链大小由其上流过的电流决定，对应于某个确定的电感，其有个最大电流值的限制，一旦超出这个限制的电流值，电感量会急剧下降，使系统失控。
参见图4，在CCM模式下的稳态工作过程大致包括：在一个周期内电感L1上的电流iL在T1阶段上升和T2阶段下降的量是相等的，也就是，(VI-VO)/L1*T1= VO/L1*T2 。其中，忽略了续流二极管D1和有源可控开关K1的正向导通压降；T1+T2=T，TI是开关周期中的导通时间段，T2是开关周期中的关闭时间段，T是开关周期；D=T1/T，D为开关周期的占空比。由上述公式变换可以得到: VO=VI*D，该公式是控制有源可控开关K1动作以输出稳定电压的基本原理，也就是说，根据确定的VI和占空比D，就可以得到确定的输出电压VO。
该电路应对电流iRL变化的调整过程大致包括：如果输出电流iRL突然增加，则输出电压VO会下降，这样一来，T1时间内（VI-VO）值会上升，从而，ΔiL（T1）=(（VI-VO）/L1)* T1会增加；由于T2时间内VO下降，ΔiL（T2）=(-VO/L1)* T2，电流下降量减小，这就导致一个周期T内电感L1上的电流iL变化量ΔiL（T1）+ΔiL（T2）>0，进而导致下个周期T电感L1上的电流iL从一个新的更高的基础上开始变化，使得电感L1在后一个周期里的平均电流大于前个周期的平均电流。只要输出电压VO达不到设定值，这个过程会不停地进行下去，直到电感L1的平均电流提高到足以弥补输出电流增加而引起的输出电压VO下降，使输出电压VO重新回到设定的VO值，达到一个新的平衡。反之，如果输出电流iRL突然将小，也会出现类似上述的不断震荡并提升电感L1的平均电流，直至达到一个新的平衡。参见图5，在输出电压VO<设定的VI*D的情况下，电感L1上的电流iL会持续上升。
另外，在电路启动阶段，电容C1上的初始电压为0,在VO由0V上升到设置值的过程中，参照上述的电路应对电流iRL变化的调整过程中所描述的电感中的电流在达到平衡之前会越来越高，甚至要超出稳定状态下的电感上最大平均电流好几倍。这个比例由电容C1，负载电流iRL的峰值ILOADMAX，输入电压VI,占空比D等参数决定，而所谓稳态下的最大平均电流就是输出要求的最大负载电流，也就是说，在启动过程中，降压型电源电路要承受比正常工作状态下高几倍的峰值电流。这样一来，为了确保降压型电源电路的稳定可靠，就要求续流二极管D1，有源可控开关K1以及电感L1具有承受电路所有工作过程中的最大工作电流能力。同样，在电路输出短路状态时，输出电压VO一直为0，这会导致电路输出电流一直上升，而输出电压VO始终得不到平衡，最后甚至会导致降压型电源电路的失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种降压型电源电路的有源可控开关的控制技术，可以将续流二极管，有源可控开关以及电感等元器件需要承受的最大工作电流能力控制在较低的范围，从而可以降低成本，提升降压型电源电路的可靠性。
本发明的发明人经过研究发现，通过在降压型电源电路工作的全过程对电感电流进行监测，并控制迫使电感在释能周期中使电感的电流下降到一个设定低值才允许再次导通，就是说使系统工作于DCM模式（断续电流工作模式，该设定低值为零），或工作于浅CCM模式（该设定低值为一个大于零的值）。
采用DCM/浅CCM模式，可以解决降压型电源电路在开启过程以及输出短路等过程所要求的很高的最大工作电流承受能力。不同于现有的CCM模式，本发明使电感工作在DCM模式或浅CCM，也就是说，后一个周期开关导通前，需要确保电感上储能已经泄放完毕或泄放到一定程度，也就是说，电感上的电流减小为0或一个设定值。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种降压型电源电路的零磁通控制方法，该降压型电源电路包括控制电路、有源可控开关、电感电容低通滤波器以及续流二极管，该控制电路能够提供第一PWM信号来控制该有源可控开关的通断，该控制方法包括：设置检测电阻，使其与该电感电容低通滤波器的电感串联，并位于该电感的靠该有源可控开关一侧，用以检测流过该电感的电流的大小；设置辅助控制单元，使其与该控制电路及检测电阻，用以根据该控制电路提供的第一PWM信号和该检测电阻给出的信号而产生第二PWM信号来控制该有源可控开关的通断；其中，该辅助控制单元仅在该检测电阻给出的信号下降到一个设定低值时，才允许该有源可控开关由截止状态转换为导通状态。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种降压型电源电路，包括控制电路、有源可控开关、电感电容低通滤波器以及续流二极管，该控制电路能够提供第一PWM信号来控制该有源可控开关的通断，其特征在于，该降压型电源电路还包括：
检测电阻，其与该电感电容低通滤波器的电感串联，并位于该电感的靠该有源可控开关一侧，用以检测流过该电感的电流的大小；
辅助控制单元，其与该控制电路及检测电阻，用以根据该控制电路提供的第一PWM信号和该检测电阻给出的信号而产生第二PWM信号来控制该有源可控开关的通断；其中，该辅助控制单元仅在该检测电阻给出的信号下降到一个设定低值时，才允许该有源可控开关由截止状态转换为导通状态。
该控制电路包括用以输出该第二PWM信号的触发器；该辅助控制单元包括比较器和逻辑组合，该比较器用以将该检测电阻上的电压降与设定参考电压相比较而给出一调节信号，该逻辑组合用以对该第一PWM信号和该调节信号进行逻辑运算得到该第二PWM信号。
当流经该电感的电流上升到一设定高值和/或该有源可控开关维持导通状态达到一设定时长，该控制电路能够迫使该有源可控开关由导通状态转换为截止状态。
该控制电路、有源可控开关、比较器以及辅助控制单元是封装在一颗集成电路中的，该检测电阻外接于该集成电路。
该有源可控开关为三极管。
与现有技术相比，本发明的降压型电源电路及零磁通的控制方法，通过使电感工作在DCM模式，可以克服电感上的电流会持续上升的现象，可以将续流二极管，有源可控开关以及电感等元器件需要承受的最大工作电流能力控制在较低的范围，从而可以降低成本，提升降压型电源电路的可靠性。
附图说明
图1是现有的降压型电源电路的基本工作原理图。
图2是现有的降压型电源电路处于开关导通状态时的等效电路图。
图3是现有的降压型电源电路处于开关截止状态时的等效电路图。
图4是现有的降压型电源电路的工作波形图。
图5是现有的降压型电源电路的电感上的电流会持续上升的示意图。
图6是本发明的降压型电源电路的基本工作原理图。
图7是本发明的降压型电源电路中控制模块的基本工作原理图。
图8是本发明的降压型电源电路的效果说明示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。
本发明提出一种降压型电源电路的零磁通控制方法，该降压型电源电路包括控制电路、有源可控开关、电感电容低通滤波器以及续流二极管，该控制电路能够提供第一PWM信号来控制该有源可控开关的通断，该控制方法包括：设置检测电阻，使其与该电感电容低通滤波器的电感串联，并位于该电感的靠该有源可控开关一侧，用以检测流过该电感的电流的大小；设置辅助控制单元，使其与该控制电路及检测电阻，用以根据该控制电路提供的第一PWM信号和该检测电阻给出的信号而产生第二PWM信号来控制该有源可控开关的通断；其中，该辅助控制单元仅在该检测电阻给出的信号下降到一个设定低值时，才允许该有源可控开关由截止状态转换为导通状态。
更具体的，当流经该电感的电流上升到一设定高值和/或该有源可控开关维持导通状态达到一设定时长，该控制电路能够迫使该有源可控开关由导通状态转换为截止状态。
优选地，该设定高值的范围为最大输出电流（负载电流）的1.5倍-2.5倍。更优选地，该设定高值为最大输出电流的2倍左右。
优选地，该设定时长的范围为5uS-20uS。更优选地，该设定时长为设定时长的10uS左右。
优选地，该设定低值不超过最大输出电流（负载电流）的1倍。更优选地，该设定低值不超过最大输出电流的0.5倍。该设定低值可以为零。
本发明的上述方法适用于开关电源芯片，尤其是高压降压芯片，特别是使用电感的降压型电源电路。
本发明方法，在每个开关周期均是在电感磁通完全复位，也就是是，流经电感的电流变为零时动作；有源可控开关导通时，本发明的降压型电源电路会根据电感电流上升到指定值时实施截止动作；有源可控开关截止后，本发明的降压型电源电路会检测电感电流下降到零时实施再次导通的动作；本发明，在降压型电源电路工作的全过程，无论是启动、短路还是正常工作状态，均采用上述的检测和开关控制方式。
参见图6所示的本发明的降压型电源电路实施例，其是在图1所示的现有的基本工作原理图基础上进行改进：在电感L1的接有源可控开关K1侧串接一个检测电阻Risense，用以检测流过电感L1的电流，同时把该检测电阻Risense两端的电压降信号引入到控制单元KC1参与到对有源可控开关K1的控制。
参见图7，控制单元KC1的框图结构是在现有的控制单元KC0基础上进行改进：在现有的控制单元KC0的控制电路1和与该控制电路1相连的触发器2之间，将控制电路1输出给触发器2的设定端S的脉宽控制信号割断，使原有的脉宽控制信号与检测电阻Risense给出的检测判断信号逻辑相与后再送给控制用触发器2的设定端S。为获取该检测判断信号，本发明是通过在该控制单元KC1内设置了比较器3，为了实现将该检测判断信号用于对有源可控开关K1进行控制，本发明进一步增设了逻辑组合4，比较器3和逻辑组合4共同构成前述的辅助控制单元。其中，比较器3的两个比较输入端中的一个与设定的参考电压vref相接、另一个与该检测电阻Risense两端的电压降信号相接，从而，不管是在T1还是在T2工作状态下，电感L1和检测电阻Risense串联，当电感电流值iL>vref/Risense时，比较器3输出低电平，逻辑组合单元4也输出低电平，控制用触发器2就不会再次导通。直到电感电流值iL下降到vref/Risense以下，比较器3输出高电平，才允许再次导通，这样电感L1上的电流iL在每个开关周期T里面都要求泄放到一个设定值才重新启动，那么系统工作中的ipeak值也是可以控制的，这样可以解决在启动以及短路等情况下出现电感电流iL不可控的情况出现。
需要说明的是，考虑到比较器3本身的特性及电路中存在的噪声信号等因素，虽然在理论上，本发明要求有源可控开关K1的导通是在电感电流为零时进行，实际，则允许有一定的残差，比如，只要电感电流下降到小于0.01毫安，即视为电感电流下降到零了。
参见图8，为本发明的降压型电源电路和现有的降压型电源电路在启动情况下的电感电流工作波形的比较示意，其中虚线部分为本发明的电流波形，ipeak值被限制。
上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种降压型电源电路的零磁通控制方法，该降压型电源电路包括控制电路、有源可控开关、电感电容低通滤波器以及续流二极管，该控制电路能够提供第一PWM信号来控制该有源可控开关的通断，其特征在于，该控制方法包括：
设置检测电阻，使其与该电感电容低通滤波器的电感串联，并位于该电感的靠该有源可控开关一侧，用以检测流过该电感的电流的大小；
设置辅助控制单元，使其与该控制电路及检测电阻，用以根据该控制电路提供的第一PWM信号和该检测电阻给出的信号而产生第二PWM信号来控制该有源可控开关的通断；
其中，该辅助控制单元仅在该检测电阻给出的信号下降到一个设定低值时，才允许该有源可控开关由截止状态转换为导通状态。
2.依据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当流经该电感的电流上升到一设定高值和/或该有源可控开关维持导通状态达到一设定时长，该控制电路能够迫使该有源可控开关由导通状态转换为截止状态。
3.依据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，该设定高值的范围为最大输出电流的1.5倍-2.5倍。
4.依据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，该设定时长的范围为5uS-20uS。
5.依据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，该设定低值的范围为最大输出电流的0倍-1倍。
6.一种降压型电源电路，包括控制电路、有源可控开关、电感电容低通滤波器以及续流二极管，该控制电路能够提供第一PWM信号来控制该有源可控开关的通断，其特征在于，该降压型电源电路还包括：
检测电阻，其与该电感电容低通滤波器的电感串联，并位于该电感的靠该有源可控开关一侧，用以检测流过该电感的电流的大小；
辅助控制单元，其与该控制电路及检测电阻，用以根据该控制电路提供的第一PWM信号和该检测电阻给出的信号而产生第二PWM信号来控制该有源可控开关的通断；
其中，该辅助控制单元仅在该检测电阻给出的信号下降到一个设定低值时，才允许该有源可控开关由截止状态转换为导通状态。
7.依据权利要求6所述的降压型电源电路，其特征在于，该控制电路包括用以输出该第二PWM信号的触发器；该辅助控制单元包括比较器和逻辑组合，该比较器用以将该检测电阻上的电压降与设定参考电压相比较而给出一调节信号，该逻辑组合用以对该第一PWM信号和该调节信号进行逻辑运算得到该第二PWM信号。
8.依据权利要求6所述的降压型电源电路，其特征在于，当流经该电感的电流上升到一设定高值和/或该有源可控开关维持导通状态达到一设定时长，该控制电路能够迫使该有源可控开关由导通状态转换为截止状态。
9.依据权利要求6所述的降压型电源电路，其特征在于，该控制电路、有源可控开关、比较器以及辅助控制单元是封装在一颗集成电路中的，该检测电阻外接于该集成电路。
10.依据权利要求6所述的降压型电源电路，其特征在于，该有源可控开关为三极管。
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