CN103872921B - 恒流开关电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种恒流开关电源及控制方法，该恒流开关电源包括：变压模块、控制器、控制器供电单元、第三开关单元以及储能单元，所述控制器包括第一比较模块、控制模块以及为所述控制模块和所述第一比较模块供电的供电输入端；所述供电输入端通过所述控制器供电单元连接在所述变压模块的原边输入端与供电模块之间，所述储能单元的一端连接在所述供电输入端与所述第一控制器供电单元之间，所述储能单元的另一端接预定电势点，所述第三开关单元连接在所述供电输入端与所述变压模块的原边输出端之间，所述第三开关单元的控制端与所述控制模块连接。本发明具有给控制器提供稳定的工作电压，在更换负载时无需对电路进行调试具有节约时间、提高效率的有益效果。

Description

恒流开关电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及电源管理领域，尤其涉及恒流开关电源及其控制方法。

背景技术

如图1所示，现有恒流开关电源由控制芯片70、电阻Rst、储能单元65，续流二极管60和变压器辅助绕组NA组成。其工作原理为：电源系统开启，储能单元通过电阻Rst充电，此时芯片处于停机状态；当VCC端的电压上升到控制器内部设定的某一电压时，控制器开始工作，导通三极管20，变压器原边电感开始充电，当原边电感电流到达某一设定值后，控制器关闭三极管20，原边电感存储的能量将转换到输出绕组电感和辅助绕组电感上，分别为输出负载和为控制器供电。控制器根据输出电压情况决定下一次打开三极管20的时间或原边电流的峰值，周而复始。由于变压器的非理想因素，VCC端的电压不但随输出电压的变化而变化，还随输出电流的增大而增大，随着输出电流的减小而减小。

这导致VCC端的电压在不同负载下大幅度变化，而控制器的工作电压范围往往不会太大。当VCC端的电压低于控制器的额定电压时影响控制器的正常工作，这使得该供电电路的设计需要多次尝试调整才能达到较好的效果。

发明内容

针对现有技术的缺陷，提供一种能够保持控制器的供电输入端的电压稳定的恒流开关电源及其控制方法。

本发明解决技术问题采用的技术方案是：提供一种恒流开关电源，包括：

变压模块、控制器、控制器供电单元、第三开关单元以及储能单元，所述控制器包括第一比较模块、控制模块以及为所述控制模块和所述第一比较模块供电的供电输入端；

所述供电输入端通过所述控制器供电单元连接在所述变压模块的原边输入端与供电模块之间，所述储能单元的一端连接在所述供电输入端与所述第一控制器供电单元之间，所述储能单元的另一端接预定电势点，所述第三开关单元连接在所述供电输入端与所述变压模块的原边输出端之间，所述第三开关单元的控制端与所述控制模块连接；

所述第一比较模块将所述供电输入端的第二电压与第二电压预设值比较，所述控制模块用于在所述第二电压小于所述第二电压预设值时控制所述第三开关单元导通，使得所述变压模块为所述储能单元充电；所述控制模块还用于控制所述变压模块对外输出电压。

在本发明提供的恒流开关电源中，还包括检测单元，所述控制器还包括第二比较模块，所述变压模块包括变压器和第一开关单元；

所述第一开关单元的输入端与所述变压器的原边输出端连接，所述第一开关单元的输出端与所述第三开关单元的输入端连接，所述检测单元的一端连接在所述第三开关单元的输入端与所述第一开关单元的输出端之间，所述检测单元的另一端与所述供电模块的负极连接，所述第二比较模块的输入端连接在所述检测单元与所述供电模块的负极之间以采集第一电压并根据所述第一电压输出比较结果信号给所述控制模块，所述控制模块根据所述比较结果信号控制所述第一开关单元导通或截止。

在本发明提供的恒流开关电源中，还包括第二开关单元，所述第三开关单元和所述检测单元通过所述第二开关单元连接，所述第二开关单元的控制端与所述控制模块连接；

所述第二电压大于或等于所述第二电压预设值时，所述控制模块控制所述第二开关单元导通，并控制所述第三开关单元截止。

在本发明提供的恒流开关电源中，所述储能单元为电容，所述储能单元的一端连接在所述控制器供电单元与所述供电输入端之间，另一端连接在所述第二开关单元与所述检测单元之间。

在本发明提供的恒流开关电源中，还包括第四开关单元、第五开关单元以及恒流源，所述恒流源与所述供电输入端以及所述第四开关单元的输入端连接，所述第四开关单元的输出端以及所述第五开关单元的输入端均与所述第一开关单元的控制端连接，所述第五开关单元的输出端接地；所述第一开关单元为NPN三极管；

所述第二比较模块设置有依次减小的第一电压预设值和第三电压预设值，所述第一电压小于所述第一电压预设值而大于所述第三电压预设值时，所述第二比较模块发送第二电平信号给所述控制模块，所述控制模块根据所述第二电平信号控制所述第四开关单元断开；当所述第一电压小于所述第三电压预设值时，所述第二比较模块发送第三电平信号给所述控制模块，所述控制模块根据所述第三电平信号控制所述第五开关单元导通。

在本发明提供的恒流开关电源中，所述第一比较模块包括一第一比较器，所述第一比较器的输入端与所述供电输入端连接。

在本发明提供的恒流开关电源中，所述第二比较单元包括两个第二比较器，所述两个第二比较器的输入端分别与所述第一电压采集端连接。

在本发明提供的恒流开关电源中，所述控制器供电单元为电阻。

本发明提供还提供了一种恒流开关电源的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：实时检测控制器的供电输入端的第二电压并将所述第二电压与第二电压预设值进行比较；

S2：当所述第二电压小于所述第二电压预设值时控制第三开关单元导通，以使得所述变压模块的原边输出端为储能单元充电。

实施本发明提供的恒流开关电源及其控制方法具有以下有益效果：由于采用实时检测控制器的供电输入端的电压，当供电输入端的电压下降到接近控制器的最小工作电压时，通过控制第三开关单元导通使得变压模块为储能单元充电，以保证控制器的正常工作，不用每更换一次负载都对整个电路进行调试，可以节约时间、提高效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中的恒流开关电源的电路原理图；

图2是本发明第一实施例中的恒流开关电源的原理框图；

图3是本发明第二实施例中的恒流开关电源的电路原理图；

图4是图3所示实施例中的各个节点的波形图。

具体实施方式

本发明中，控制器20通过一控制器供电单元30从供电模块的电压作为自身的工作电压，但是当变压模块10所接的负载发生变化时，采集到的电压可能为降至控制器20的额定工作电压以下。因此，本发明采用实时检测控制器20的供电输入端Vcc的电压，当供电输入端Vcc的电压下降到低于一预定电压时，该预定电压大于控制器20的最小工作电压，通过控制三开关单元K3导通，使得变压模块10为储能单元C0充电，以保证控制器20的正常工作，不用每更换一次负载都对整个电路进行调试，可以节约时间、提高效率。下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图2示出了本发明第一实施例中的恒流开关电源，包括：变压模块10、控制器20、控制器供电单元30、第三开关单元K3以及储能单元C0，控制器20包括第一比较模块201、控制模块20a以及为控制模块20a和第一比较模块201供电的供电输入端Vcc。供电输入端Vcc通过控制器供电单元30连接在变压模块10的原边输入端与供电模块之间，储能单元C0的一端连接在供电输入端Vcc与第一控制器供电单元30之间，储能单元C0的另一端接预定电势点，第三开关单元K3连接在供电输入端Vcc与变压模块10的原边输出端之间，第三开关单元K3的控制端与控制模块20a连接。

第一比较模块201将供电输入端Vcc的第二电压与第二电压预设值比较并输出比较结果给控制模块20a，控制模块20a用于在第二电压小于第二电压预设值时控制第三开关单元K3导通，使得变压模块10为储能单元C0充电；控制模块20a还用于控制变压模块10对输出电压以为负载提供恒流电。这样，可以防止因负载变化导致控制器20的供电输入端Vcc采集到的电压降低到额定电压以下影响其正常工作，也避免每次更换负载都要对整个电路进行调试。

该控制器供电单元30可以为电阻，储能单元C0优选为电容。

图3示出了本发明第二实施例中的恒流开关电源。在第一实施例的基础上，在本实施例中，还包括第二开关单元K2、恒流源Ibase、第四开关单元K4以及第五开关单元K5。其中，控制器20还包括第二比较模块203。控制模块20a包括控制单元202和驱动单元U1。变压模块10包括变压器11和第一开关单元40。

具体地，第一比较模块201的输入端与供电输入端Vcc连接，输出端与控制单元202连接。第一比较单元201实时采集供电输入端Vcc的第二电压，并将该第二电压与预先设置的第二电压预设值进行比较，并在第二电压小于该第二电压预设值时输出第一电平信号给控制单元202。在本实施例中，第一比较单元201为第一比较器，第二电压预设值即为该第一比较器的基准电压，该第一电平信号为低电平。第一比较单元201在第二电压大于或等于第二电压预设值时，发出第四电平号给控制单元202，第四电平信号为高电平，控制单元202根据第四电平信号控制驱动单元U1驱动第三开关单元K3截止并驱动第二开关单元K2导通。

第二比较单元203包括两个第二比较器，该两个第二比较器的输入端分别与第一电压采集端Vcs连接，该第一电压采集端Vcs连接在检测单元Rcs与供电模块的负极之间。该其中一个第二比较器设置有第一电压预设值作为基准电压，另一个第二比较器以第三电压预设值为基准电压。该两个第二比较器的输出端分别与控制单元202连接。第一电压预设值大于第三电压预设值。当第一电压小于第一电压预设值而大于第三电压预设值时，第二比较单元203发送第二电平信号给控制单元202，控制单元202根据第二电平信号控制驱动单元U1驱动第四开关单元K4断开，当第一电压小于第三电压预设值时，第二比较单元203发送第三电平信号给控制单元202，控制单元202根据第三电平信号控制驱动单元U1驱动第五开关单元K5导通。

该控制单元202的输出端与驱动单元U1连接。该第二开关单元K2的输入端与第一开关单元40的输出端连接，第二开关单元K2的输出端与检测单元Rcs以及储能单元C0的一端连接，也即是该储能单元C0所接的接预定电势点位于连接在检测单元Rcs与第二开关单元K2的输出端之间。第三开关单元K3的输出端与供电输入端Vcc连接，第三开关单元K3的输入端连接在第一开关单元40的输出端和第二开关单元K2的输入端之间。恒流源Ibase与第四开关单元K4的输入端以及供电输入端Vcc连接。第四开关单元K4的输出端与第五开关单元K5的输入端连接，第五开关单元K5的输出端接地。第二开关单元K2、第三开关单元K3、第四开关单元K4以及第五开关单元K5的控制端均分别与驱动单元U1连接。

在本实施例中，第一开关单元40采用NPN三极管。第二开关单元K2、第三开关单元K3、第四开关单元K4可采用常见的开关元件，如晶体三极管，场效应三极管等。控制单元202为常见的逻辑控制电路即可实现，而驱动单元U1采用常见的驱动单元或驱动电路即可。检测单元Rcs为电阻。

当然，可以理解地，该恒流开关电源还可包括上述两个实施例中的供电模块。该供电模块包括供桥式整流电路D2以及输入电容Cin。桥式整流电路D2的输入端接市电，输入电容Cin的两端与桥式整流电路D2的输出端连接。该输入电容Cin的一端为供电模块的正极，一端为供电模块的负极。

同时参照图4，工作原理描述如下：在Von1引脚的电压信号的上升沿，根据第一比较单元201输出的电平信号VCC_S的电平决定本周期是否需要对储能单元C0进行充电。在Von1引脚的第一个周期的上升沿，此时电平信号VCC_S为高电平表示第二电压VCC大于或等于控制器20的最低工作电压Vref_vcc，故本周期无需充电。对于这种非充电周期，控制单元202控制驱动单元U1的Von0引脚和Von1引脚同时为高电平，第一开关单元40导通，原边电流Ip进入第二开关单元K2的输入端，从第二开关单元K2的输出端流出后，再流至检测单元Rcs的一端，并从检测单元Rcs的另一端流入供电模块的负极。并在BJ节点产生一大小与原边电流Ip成正比，相对控制器20的接地端的地为负值的电压。原边电流Ip以某一斜率增大，而第一电压采集端Vcs采集到的第一电压VCS将以某一固定斜率减小。当原边电流Ip增大到使得第一电压VCS小于第一比较单元201内部设定的负参考电压Vref0也即是第一电压预设值时，Von1引脚输出低电平使得第四开关单元K4关闭，第一开关单元40的基极电流变为0，但是由于NPN三极管的关闭延时特性，在此后的数微秒时间内第一开关单元40将保持导通状态，原边电流Ip保持原来的流通路径继续增大，当原边电流Ip增大到使得第一电压VCS小于第二比较单元203的负参考电压Vref也即是第三电压预设值时，Voff引脚输出高电平使得第五开关单元K5导通，迅速泄放存储在第一开关单元40的基极的电荷，导致第一开关单元40马上关闭；然后把原边上的能量转换到输出负载上。

Von1引脚的第二个周期Von1上升沿，此时第一电平信号VCC_S为低电平表示第二电压VCC接近控制器20的最小工作电压，故本周期需要充电。对于这种充电周期，Von0引脚和Von1引脚同时为高电平，第一开关单元40导通。原边电流Ip第二开关单元K2的输入端流入，并从第二开关单元203的输出端流进检测单元Rcs的一端，并从检测单元Rcs的另一端流入供电模块的负极，并在该节点BJ产生一大小与原边电流Ip成正比，相对控制器20的地为负值的电压；原边电流Ip以某一斜率增大，而第一电压VCS将以某一固定斜率减小，当原边电流Ip增大到使得第一电压VCS小于控制器20内部设定的第一预定值Vref0时，Von1输出低电平使得流进第一开关单元40的基极的电流从大小变为0，但是由于NPN三极管的关闭延时特性，在此后的数微秒时间内第一开关单元40将保持开通状态，到这一步为止，充电周期与非充电周期工作流程相同。

但是在充电周期，在Von1引脚关闭第四开关单元K4的同时，需要通过Von0引脚把第二开关单元K2关闭，通过Vch引脚把第三开关单元K3导通，阻止原边电流Ip从第二开关单元K2通过，使其原边电流Ip流过第三开关K3流入供电输入端Vcc，并为储能单元C0充电，然后经过检测单元Rcs流入供电模块的负极。电流Ip为C0充电导致供电输入端Vcc的第二电压上升。原边电流Ip增大到使得第一电压VCS小于第二比较单元203设定的负参考电压Vref时，Voff引脚输出高电平，使得第五开关单元K5导通，迅速泄放存储在第一开关单元40的基极的电荷，导致第一开关单元40马上关闭；然后把原边上的能量转换到输出负载上，同时关闭第三开关单元K3，导通第二开关单元K2，为下一个开关周期做好准备。

本发明还提供了一种恒流开关电源的控制方法，包括以下步骤：

S1：第一比较模块201实时检测控制器20的供电输入端Vcc的第二电压并将第二电压与第二电压预设值进行比较；

S2：当第二电压小于第二电压预设值时，控制模块20a控制第三开关单元K3导通，以使得变压模块10的原边输出端为储能单元C0充电。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种恒流开关电源，其特征在于，包括：变压模块(10)、控制器(20)、控制器供电单元(30)、第三开关单元(K3)以及储能单元(C0)，所述控制器(20)包括第一比较模块(201)、控制模块(20a)以及为所述控制模块(20a)和所述第一比较模块(201)供电的供电输入端(Vcc)；

所述供电输入端(Vcc)通过所述控制器供电单元(30)连接在所述变压模块(10)的原边输入端与供电模块之间，所述储能单元(C0)的一端连接在所述供电输入端(Vcc)与所述控制器供电单元(30)之间，所述储能单元(C0)的另一端接预定电势点，所述第三开关单元(K3)连接在所述供电输入端(Vcc)与所述变压模块(10)的原边输出端之间，所述第三开关单元(K3)的控制端与所述控制模块(20a)连接；

所述第一比较模块(201)将所述供电输入端(Vcc)的第二电压与第二电压预设值比较，所述控制模块(20a)用于在所述第二电压小于所述第二电压预设值时控制所述第三开关单元(K3)导通，使得所述变压模块(10)为所述储能单元(C0)充电；所述控制模块(20a)还用于控制所述变压模块(10)对外输出电压。

2.根据权利要求1所述的恒流开关电源，其特征在于，还包括检测单元(Rcs)，所述控制器(20)还包括第二比较模块(203)，所述变压模块(10)包括变压器(11)和第一开关单元(40)；

所述第一开关单元(40)的输入端与所述变压器(11)的原边输出端连接，所述第一开关单元(40)的输出端与所述第三开关单元(K3)的输入端连接，所述检测单元(Rcs)的一端连接在所述第三开关单元(K3)的输入端与所述第一开关单元(40)的输出端之间，所述检测单元(Rcs)的另一端与所述供电模块的负极连接，所述第二比较模块(203)的输入端连接在所述检测单元(Rcs)与所述供电模块的负极之间以采集第一电压并根据所述第一电压输出比较结果信号给所述控制模块(20a)，所述控制模块(20a)根据所述比较结果信号控制所述第一开关单元(40)导通或截止。

3.根据权利要求2所述的恒流开关电源，其特征在于，还包括第二开关单元(K2)，所述第三开关单元(K3)和所述检测单元(Rcs)通过所述第二开关单元(K2)连接，所述第二开关单元(K2)的控制端与所述控制模块(20a)连接；

所述第二电压大于或等于所述第二电压预设值时，所述控制模块(20a)控制所述第二开关单元(K2)导通，并控制所述第三开关单元(K3)截止。

4.根据权利要求3所述的恒流开关电源，其特征在于，所述储能单元(C0)为电容，所述储能单元(C0)的一端连接在所述控制器供电单元(30)与所述供电输入端(Vcc)之间，另一端连接在所述第二开关单元(K2)与所述检测单元(Rcs)之间。

5.根据权利要求4所述的恒流开关电源，其特征在于，还包括第四开关单元(K4)、第五开关单元(K5)以及恒流源(Ibase)，所述恒流源(Ibase)与所述供电输入端(Vcc)以及所述第四开关单元(K4)的输入端连接，所述第四开关单元(K4)的输出端以及所述第五开关单元(K5)的输入端均与所述第一开关单元(40)的控制端连接，所述第五开关单元(K5)的输出端接地；所述第一开关单元(40)为NPN三极管；

所述第二比较模块(203)设置有依次减小的第一电压预设值和第三电压预设值，所述第一电压小于所述第一电压预设值而大于所述第三电压预设值时，所述第二比较模块(203)发送第二电平信号给所述控制模块(20a)，所述控制模块(20a)根据所述第二电平信号控制所述第四开关单元(K4)断开；当所述第一电压小于所述第三电压预设值时，所述第二比较模块(203)发送第三电平信号给所述控制模块(20a)，所述控制模块(20a)根据所述第三电平信号控制所述第五开关单元(K5)导通。

6.根据权利要求5所述的恒流开关电源，其特征在于，所述第一比较模块(201)包括一第一比较器，所述第一比较器的输入端与所述供电输入端(Vcc)连接。

7.根据权利要求4所述的恒流开关电源，其特征在于，所述第二比较模块(203)包括两个第二比较器，所述两个第二比较器的输入端分别与第一电压采集端(Vcs)连接。

8.根据权利要求7所述的恒流开关电源，其特征在于，所述控制器供电单元(30)为电阻。

9.一种如权利要求1所述的恒流开关电源的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：实时检测控制器(20)的供电输入端(Vcc)的第二电压并将所述第二电压与第二电压预设值进行比较；

S2：当所述第二电压小于所述第二电压预设值时控制第三开关单元(K3)导通，以使得所述变压模块(10)的原边输出端为储能单元(C0)充电。