CN103956899A - 恒流控制器和buck恒流电路 - Google Patents

Abstract

一种恒流控制器及BUCK恒流电路，该恒流控制器应用于BUCK恒流电路，接入直流电源并输出恒流电到负载，所述BUCK恒流电路包括第一电阻、第一电容、续流二极管、第一电感；所述恒流控制器包括开关管、峰值限制模块以及消磁检测模块，所述峰值限制模块通过所述电压采样端检测流过第一电阻的电流大小，根据该电流大小控制所述开关管关断；所述消磁检测模块通过所述消磁检测端检测所述第一电感的消磁时间，根据该消磁时间控制所述开关管的导通。改变目前的电流检测和消磁检测形式，电路无需电流检测端口以及反馈电路，省去外部分压电阻，避免了电阻受潮带来的不良影响，也节省了成本。

Description

恒流控制器和BUCK恒流电路

技术领域

本发明属于恒流驱动电源技术领域，尤其涉及一种BUCK恒流电路和应用于BUCK（降压式变换）恒流电路的恒流控制器。

背景技术

LED照明光源具有环保、节能、寿命长等优点，被视为二十一世纪最具前景的照明光源。近年来，随着LED照明技术发展，LED照明光源已开始取代传统光源在各种照明灯具中大量应用，为获得理想的照明效果，LED需要恒流驱动电源。

目前，市面上常用的带FB（FeedBack）反馈的BUCK恒流电路结构如图1所示，此结构需要FB反馈端口来采样输出电压信息；同时需要CS（currentsampling，电流采样）脚采样输出电流信息。此结构在分压电阻R1、R2确定时，输出过压的保护阈值也被确定为一个定值，不能灵活调节；另外，分压电阻R1、R2是外部的，若受潮，可能会带来一些不良影响。

发明内容

基于此，有必要针对外部分压电阻容易受潮、输出过压保护阈值不能灵活可调的问题，提供一种省去电流检测端口、反馈端口、外部分压电阻的恒流控制器。

一种恒流控制器，应用于BUCK恒流电路，接入直流电源并输出恒流电到负载，所述BUCK恒流电路包括第一电阻、第一电容、续流二极管、第一电感，其中，所述恒流控制器具有输入端、参考地端、消磁检测端以及电压采样端；

所述恒流控制器的输入端接入所述直流电源，所述参考地端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一电容的第一端以及所述第一电感的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述恒流控制器的电压采样端连接，所述续流二极管的阳极连接系统地、阴极连接所述第一电阻的第二端，所述第一电感的第二端与所述负载的正端连接；

所述恒流控制器包括峰值限制模块、消磁检测模块以及设置在所述输入端和参考地端之间的开关管，所述峰值限制模块的输出端与所述开关管的控制端电连接，通过所述电压采样端检测流过第一电阻的电流大小，根据该电流大小控制所述开关管关断；所述消磁检测模块的输出端与所述开关管的控制端电连接，通过所述消磁检测端检测所述第一电感的消磁时间，根据该消磁时间控制所述开关管的导通。

此外，还提供了一种BUCK恒流电路，包括上述的恒流控制器。

上述恒流控制器及BUCK恒流电路通过改变目前的电流检测和消磁检测形式，电路无需电流检测端口以及反馈电路，省去外部分压电阻，避免了电阻受潮带来的不良影响，也节省了成本。

附图说明

图1是现有技术提供的BUCK恒流电路；

图2是本发明实施例提供的BUCK恒流电路的模块示意图；

图3是本发明实施例提供的BUCK恒流电路的电路原理图；

图4是本发明提供的BUCK恒流电路峰值电流控制示意图；

图5是本发明提供的BUCK恒流电路各主要电流波形及其关系图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图2、3，一种应用于BUCK恒流电路100的恒流控制器U1，接入直流电源并输出恒流电到负载300，直流电源由对交流市电AC进行整流滤波的整流滤波模块200提供，BUCK恒流电路100包括第一电阻Rs、第一电容C1、续流二极管D1、第一电感L1。恒流控制器U1具有输入端D、参考地端GND、消磁检测端CA以及电压采样端VDD。

恒流控制器U1的输入端D接入直流电源，恒流控制器U1的参考地端GND与第一电阻Rs的第一端连接，第一电阻Rs的第二端与第一电容C1的第一端以及第一电感L1的第一端连接，第一电容C1的第二端与恒流控制器U1的电压采样端VDD连接，续流二极管D1的阳极连接系统地GND1，续流二极管D1的阴极连接第一电阻Rs的第二端，第一电感L1的第二端与负载300的正端连接。

参考图3，恒流控制器U1包括峰值限制模块110、消磁检测模块120以及设置在输入端D和参考地端GND之间的开关管Q1。开关管Q1可以是N型MOS管。

峰值限制模块110的输出端与开关管Q1的控制端电连接，通过电压采样端VDD检测流过第一电阻Rs的电流大小，根据该电流大小控制开关管Q1关断。实际上，电压采样端VDD是串接的第一电容C1以及第一电阻Rs到参考地端GND，电压采样端VDD可通过检测第一电容C1和第一电阻Rs上实际电压大小来计算流过第一电阻Rs的电流大小。

消磁检测模块120的输出端与开关管Q1的控制端电连接，通过消磁检测端CA检测第一电感L1的消磁时间，根据该消磁时间控制开关管Q1的导通。消磁检测端CA可通过典型的检测电路来检测第一电感L1两端的电压，以相对的高低电平信号表示电感消磁与消磁结束。

而实际上，恒流控制器U1还包括逻辑控制电路130，该逻辑控制电路130的输入端与峰值限制模块110的输出端和消磁检测模块120的输出端连接，该逻辑控制电路130的输出端与开关管Q1的控制端连接，该逻辑控制电路130接收由各模块（峰值限制模块110和消磁检测模块120等）产生用于控制开关管Q1通断的控制信号进行逻辑运算后，产生开关信号控制开关管Q1的关断或导通。

在进一步的实施例中，恒流控制器U1还包括用于对BUCK恒流电路100的输出电压进行保护的过压保护模块140，过压保护模块140的输入端与消磁检测模块120的输出端连接，过压保护模块140的输出端与逻辑控制电路130的输入端连接。

参考图3，逻辑控制电路130包括触发器U2和具有两个输入端的或非门G1，消磁检测模块120的输出端接入触发器U2的第一输入端，峰值限制电路110的输出端接入触发器U2的第二输入端，触发器U2的输出端接入或非门G1的第一输入端，过压保护模块140的输出端接入或非门G1的第二输入端，或非门G1的输出端与开关管Q1的控制端连接。

在一个实施例中，峰值限制模块110包括第一比较器COMP1和用于输出一稳定电压的稳压电路112，稳压电路112的输出端作为电压采样端VDD与第一电容C1的第二端以及第一比较器COMP1的正输入端连接，第一比较器COMP1的负输入端接入第一比较电压Vref1，该第一比较电压Vref1由内部电路产生，第一比较器COMP1的输出端作为峰值限制模块110的输出端通过逻辑控制电路130与开关管Q1的控制端连接。更具体地，第一比较器COMP1的输出端是与逻辑控制电路130的触发器U2的第二输入端相连接。峰值限制模块110是用于限制流过第一电阻Rs的电流峰值，并且决定何时关断开关管Q1。

在一个实施例中，消磁检测模块120包括第二电容C2和第二比较器COMP2，第二电容C2的第一端作为恒流控制器U1的输入端D，第二电容C2的第二端作为消磁检测端CA接收消磁检测信号，且第二电容C2的第二端与第二比较器COMP2的正输入端连接，第二比较器COMP2的负输入端接入第二比较电压Verf2，该第二比较电压Verf2由内部电路产生，第二比较器COMP2的输出端作为消磁检测模块120的输出端通过逻辑控制电路130与开关管Q1的控制端连接。更具体地，第二比较器COMP2的输出端是与逻辑控制电路130的触发器U2的第一输入端相连接。

消磁检测端CA可通过典型的检测电路来检测第一电感L1两端的电压，以相对的高低电平信号表示电感消磁与消磁结束。具体为，电感消磁阶段，第一电感L1第一端为低电位，第一电感L1第二端为高电位，消磁结束后，第一电感L1两端电压为0；相应的，第一电感L1消磁阶段，输入端D相对于参考地端GND而言，是高电位，消磁结束时，输入端D相对于参考地端GND端而言，电位降低，利用第二电容C2的保持电容本身两端电压不能突变的特性，可知消磁检测端CA端电位具有与输入端D端电位相同的变化趋势，第一电感L1消磁阶段，消磁检测端CA端为高电位，消磁结束时，消磁检测端CA端电位降低。消磁检测模块120是检测第一电感L1的消磁时间，并且决定何时导通开关管Q1。

进一步地，BUCK恒流电路100还包括滤波电路101，滤波电路101的输入端与第一电感L1的第二端连接，输出端接系统地GND1，滤波电路101可以是滤波电容。BUCK恒流电路100还包括与滤波电路101并联的第二电阻R1。

下面结合图3、4详细说明恒流控制器U1实现恒流驱动的原理：

从图3中可以看出，正常情况下，电压采样端VDD端口电压应为一稳定值，而在开关管Q1导通时，有电流流过第一电阻Rs（该电流与流过开关管Q1的电流是同一个电流，以下简称开关管电流）并产生压降，由于第一电容C1能保持自身两端电压不能突变，于是第一电阻Rs上的压降会被反应到电压采样端VDD，相对于图3所示的参考地端GND而言，电压采样端VDD就会产生同样的压降，由于第一电感L1的存在，开关管电流会按一定斜率增加，当开关管电流达到设定的峰值IPK时，第一电阻Rs上压降达到最大，电压采样端VDD的电压同时达到最低值，将电压采样端VDD的电压值与第一比较电压Vref1进行比较，当电压采样端VDD电压值低于第一比较电压Vref1时，第一比较器COMP1输出低电平信号（控制信号），该控制信号输入逻辑控制电路130，产生开关管Q1关断信号（具体见附图4）。开关管Q1截止后，第一电感L1释放能量，为负载300提供能量，消磁检测模块120检测第一电感L1的消磁时间，当第一电感L1释放完全部能量并回到初始状态时，恒流控制器U1内部第二电容C2的消磁检测端CA（即第二电容C2的第二端）电位降低，当该电位低于第二比较电压Verf2时，第二比较器COMP2输出低电平信号（控制信号），该信号传入逻辑控制电路130后，产生开关管Q1导通信号，控制开关管Q1导通。这样，系统工作于临界导通模式（Boundary-conduction Mode，BCM）。

参考图5，系统工作于临界导通模式，在一个开关周期内，流过第一电感L1的电流初始值为0，峰值为IPK，末态电流回到0，因此平均电流可以表示为I_L,avg=I_PK/2；在一个开关周期内，滤波电路101充放电平衡，净消耗能量为0；如果忽略第二电阻R1（第二电阻R1阻值很大，流过的电流很小）消耗的能量，那么，流过负载300的电流（即输出电流）就等于第一电感L1平均电流；因此，输出电流可以表示为：

I_out=I_L,avg=I_PK/2   （1）

由于峰值控制模块110确定了开关管Q1电流峰值恒定，因此输出电流也恒定。

恒流控制器U1除了能使BUCK恒流电路100实现恒流外，另一个功能是省去本身的反馈端口后，实现BUCK恒流电路100的输出过压保护功能，并且输出过压保护阈值灵活可调。

参考图3，在进一步的实施例中，恒流控制器U1还包括过压保护模块140，过压保护模块140根据消磁时间得到BUCK恒流电路100的输出电压，且在输出电压大于预设电压阈值时在输出端向逻辑控制电路130输出控制信号控制开关管Q1的关断。

优选地，过压保护模块140包括计时器142和信号产生电路144，计时器142的输入端与第二比较器COMP2的输出端连接，计时器142对第一电感L1电感的消磁时间进行计时，信号产生电路144接入消磁时间和与上述预设电压阈值对应的预设基准时间信息，并将这两个时间（消磁时间和预设基准时间）信息进行比较后输出上述用于控制开关管Q1的关断或导通的控制信号，信号产生电路144的输出端作为过压保护模块140的输出端通过逻辑控制电路130与开关管Q1的控制端连接，更具体地，信号产生电路144的输出端接入逻辑控制电路130的或非门G1的第二输入端。

在进一步的实施例中，恒流控制器U1还包括用于接收外部输入的逻辑信号的信号输入端，信号输入端至少为一个；过压保护模块140还包括选择器146，选择器146的输入端作为信号输入端，选择器146根据该逻辑信号改变与上述预设电压阈值对应的预设基准时间并输出至信号产生电路144。参考图3，选择器146上的t1、t2、t3、t4四个预设基准时间由恒流控制器U1内部电路产生。

实际上，对于设定不同的预设电压阈值（即过压保护阈值），由于一个阈值对应一个确定的消磁时间，于是可以将此阈值转换为对应的基准时间。那么，应用的过程中，比较两个时间的长短，可以先将时间信号转为电压信号后再比较，也可以不转为电压而直接进行比较，实现形式可以是多样的。

优选地，参考图3，在一个实施例中，信号输入端为两个，分别为OP1、OP2，即选择器146的输入端为两个。

需要说明的是，上述实施例中，恒流控制器U1的输入端D、参考地端GND、消磁检测端CA、电压采样端VDD、信号输入端OP1和信号输入端OP2等端口即是恒流控制器U1的各个引脚名称。

下面结合附图2和3详细叙述如何实现输出过压保护阈值灵活可调功能。在一个具体的实例中，如图2所示，恒流控制器U1有8个封装引脚（其中两个输入端D相同并短接、两个参考地端GND相同并短接），其中信号输入端OP1和OP2就是为了实现该功能，具体如下：

针对临界导通模式的BUCK恒流电路100，可以得到消磁时的电感方程：

$\frac{V_L}{L}=\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}\⇒\frac{V_{\mathrm{out}}}{L}=\frac{I_{\mathrm{PK}}}{t_D}---\left(2\right)$

其中，V_out为输出电压，I_PK为开关管Q1的峰值电流（也是第一电感L1的峰值电流），t_D为第一电感L1消磁时间。

从上式可以看出：第一电感L1消磁时间t_D与输出电压V_out成反比关系，检测第一电感L1的消磁时间t_D就可以得到输出电压信息。

当给信号输入端OP1和OP2置不同的电位（逻辑信号）时，选择器146就会从t1、t2、t3和t4中选择对应的预设基准时间（如表1所示）传送到信号产生电路144中，不同的预设基准时间，对应不同的输出过压保护阈值（预设电压阈值）；计时器142会对消磁时间t_D计时，并将消磁时间信号传入信号产生电路144，信号产生电路144将输入的两个时间进行比较，当由计时器142传入的消磁时间小于选择器146传入的基准时间时，系统会判断为输出过压，信号产生电路144就会输出高电平信号（过压保护信号），该信号输入逻辑控制电路130，逻辑控制电路130输出低电平信号的开关信号控制开关管Q1截止。

具体的输出过压保护阈值（预设电压阈值）和对应的预设基准时间关系以及调节方式如下表：

表1输出过压保护阈值调节方式列表

OP1	OP2	消磁时间tD	输出过压保护阈值Vref
				0	0	tD＜t1	V1
0	1	tD＜t2	V2
				1	0	tD＜t3	V3
1	1	tD＜t4	V4

注：OP1和OP2脚置“1”，表示信号输入端OP1/OP2与电压采样端VDD连接；置“0”表示信号输入端OP1/OP2与参考地端GND端口相连。

OP1和OP2脚都置“0”，当输出电压高于V₁（对应检测到消磁时间t_D＜t₁）时，触发输出过压保护。

OP1脚置“0”，OP2脚置“1”，当输出电压高于V₂（对应检测到消磁时间t_D＜t₂）时，触发输出过压保护。

OP1脚置“1”，OP2脚置“0”，当输出电压高于V₃（对应检测到消磁时间t_D＜t₃）时，触发输出过压保护。

OP1和OP2脚都置“1”，当输出电压高于V4（对应检测到消磁时间t_D＜t₄）时，触发输出过压保护。

BUCK恒流驱动电路改变了目前的电流检测和消磁检测形式，电路无需电流检测端口、反馈电路，省去外部分压电阻，避免了电阻受潮带来的不良影响，也节省了成本，同时，利用OP1和OP2端口同时实现输出过压保护功能多级可调，扩大了应用范围。

此外，还提供了一种BUCK恒流电路，包括上述的恒流控制器U1。

上述恒流控制器U1及BUCK恒流电路通过改变目前的电流检测和消磁检测形式，电路无需电流检测端口以及反馈电路，省去外部分压电阻，避免了电阻受潮带来的不良影响，也节省了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种恒流控制器，应用于BUCK恒流电路，接入直流电源并输出恒流电到负载，所述BUCK恒流电路包括第一电阻、第一电容、续流二极管、第一电感，其特征在于，所述恒流控制器具有输入端、参考地端、消磁检测端以及电压采样端；

所述恒流控制器的输入端接入所述直流电源，所述参考地端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一电容的第一端以及所述第一电感的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述恒流控制器的电压采样端连接，所述续流二极管的阳极连接系统地、阴极连接所述第一电阻的第二端，所述第一电感的第二端与所述负载的正端连接；

所述恒流控制器包括峰值限制模块、消磁检测模块以及设置在所述输入端和参考地端之间的开关管，所述峰值限制模块的输出端与所述开关管的控制端电连接，通过所述电压采样端检测流过第一电阻的电流大小，根据该电流大小控制所述开关管关断；所述消磁检测模块的输出端与所述开关管的控制端电连接，通过所述消磁检测端检测所述第一电感的消磁时间，根据该消磁时间控制所述开关管的导通。

2.根据权利要求1所述的恒流控制器，其特征在于，所述恒流控制器还包括逻辑控制电路，该逻辑控制电路的输入端与所述峰值限制模块的输出端和所述消磁检测模块的输出端连接，该逻辑控制电路的输出端与所述开关管的控制端连接，该逻辑控制电路接收用于控制所述开关管通断的控制信号进行逻辑运算后，产生开关信号控制所述开关管的关断或导通。

3.根据权利要求2所述的恒流控制器，其特征在于，所述峰值限制模块包括第一比较器和用于输出一稳定电压的稳压电路，所述稳压电路的输出端作为所述电压采样端与所述第一电容的第二端以及所述第一比较器的正输入端连接，所述第一比较器的负输入端接入第一比较电压，所述第一比较器的输出端作为峰值限制模块的输出端通过所述逻辑控制电路与所述开关管的控制端连接。

4.根据权利要求2所述的恒流控制器，其特征在于，所述消磁检测模块包括第二电容和第二比较器，所述第二电容的第一端作为所述恒流控制器的输入端，第二端作为所述消磁检测端接收消磁检测信号，且与所述第二比较器的正输入端连接，所述第二比较器的负输入端接入第二比较电压，所述第二比较器的输出端作为所述消磁检测模块的输出端通过所述逻辑控制电路与所述开关管的控制端连接。

5.根据权利要求2至4任一项所述的恒流控制器，其特征在于，所述恒流控制器还包括过压保护模块，所述过压保护模块的输入端与所述消磁检测模块的输出端连接，输出端与所述逻辑控制电路的输入端连接，所述过压保护模块根据所述消磁时间得到所述BUCK恒流电路的输出电压，且所述过压保护模块在所述输出电压大于预设电压阈值时在输出端输出所述控制信号控制所述开关管的关断。

6.根据权利要求5所述的恒流控制器，其特征在于，所述过压保护模块包括计时器和信号产生电路，所述计时器的输入端与所述第二比较器的输出端连接，所述计时器对所述消磁时间计时，所述信号产生电路接入所述消磁时间和与所述预设电压阈值对应的预设基准时间，并将这两个时间信息进行比较后输出所述控制信号，所述信号产生电路的输出端作为所述过压保护模块的输出端通过所述逻辑控制电路与所述开关管的控制端连接。

7.根据权利要求6所述的恒流控制器，其特征在于，所述恒流控制器还包括用于接收外部输入的逻辑信号的信号输入端，所述过压保护模块还包括选择器，所述选择器的输入端作为所述信号输入端，所述选择器根据该逻辑信号改变所述预设基准时间并输出至所述信号产生电路。

8.根据权利要求7所述的恒流控制器，其特征在于，所述信号输入端至少为一个。

9.根据权利要求5所述的恒流控制器，其特征在于，所述逻辑控制电路包括触发器和具有两个输入端的或非门，所述消磁检测模块的输出端接入所述触发器的第一输入端，所述峰值限制电路的输出端接入所述触发器的第二输入端，所述触发器的输出端接入所述或非门的第一输入端，所述过压保护模块的输出端接入所述或非门的第二输入端，所述或非门的输出端与所述开关管的控制端连接。

10.一种BUCK恒流电路，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的恒流控制器。