CN104716836B - 开关电源变换器的控制电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了开关电源变换器的控制电路及控制方法。开关电源变换器可包括功率转换电路、采样电阻和开关电源控制器，开关电源变换器经由功率转换电路提供输出电流，该开关电源控制器包括：功率开关，用于控制对功率转换电路的供电，其中采样电阻耦合至该功率开关并提供采样电压信号；误差放大器，用于接收开关电源变换器的输出电流等效值和预设阈值以产生误差电压，其中该输出电流等效值指示该开关电源变换器的输出电流的大小；比较器电路，用于比较该采样电压信号和误差电压并产生比较输出信号；以及逻辑和驱动电路，用于产生驱动信号，其中在比较器电路产生的比较输出信号指示该采样电压信号超过该误差电压时，该驱动信号关断该功率开关。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源，尤其涉及开关电源变换器的控制电路及控制方法。
背景技术
图1A示出了传统的源极驱动式降压结构的驱动电路，其可在连续工作模式中操作，并且包括开关电源控制器100。图1B示出了如图1A中所示的驱动电路的时序图。当第一功率开关M1导通并且第二功率开关M2也相应地导通时，由输入电压Vin产生的输入电流流经输出电容C1以及在输出端Vout与输出电容C1并联的负载（例如，LED），再流经电感L1、第二功率开关M2、第一功率开关M1、以及采样电阻Rcs，其中电感L1上的电流将逐渐增大，并且电感L1存储能量。此时，流经输出电容C1和负载两者的输出电流Iout与流过采样电阻Rcs的电流相同。比较器电路103获取流经采样电阻Rcs的电流信息（例如，采样电阻Rcs两端的采样电压Vcs），并将其与预设的基准电压Vr1作比较，以相应地控制第一功率开关M1（以及第二功率开关M2）的导通时间。其中当采样电阻Rcs的电流达到设定值Vr1/Rcs时，比较器电路103的输出信号翻转，从而经RS触发器电路104、逻辑和驱动电路102来关断第一功率开关M1，第二功率开关M2也相应地关断。如图1B中在时间Ton期间的波形所示，其中GT表示用于第一功率开关M1的驱动信号，VDRAIN表示第二功率开关M2的漏极电压。
在功率开关M1、M2关断后，电感L1上的电流Iout经续流二极管D1续流，电感L1释放能量到输出电容C1和负载，电感L1上的电流Iout逐渐减小，如图1B中在时间Tdis期间的波形所示。当电感L1上的电流Iout降为零时，过零检测电路101检测到输出电流Iout的过零，从而产生过零检测信号ZCD给RS触发器电路104，经逻辑和驱动电路102来导通第一功率开关M1，从而再次进入如图1B中所示的Ton期间。
功率开关M1、M2重复上面描述的开关动作，电路持续工作，始终处于电感电流临界导通状态。如图1B中所示，在电感电流临界导通模式下，输出平均电流基本上是电感L1的电流峰值的一半。由于电感L1的峰值电流固定为Vr1/Rcs，这样就可以控制输出到负载（例如，LED）上的电流为恒定的，从而达到恒流目的。
图1A中实现输出电流控制的电路简单且成本较低，但是也存在缺点。首先，比较器电路103所采用的基准电压Vr1可能与采样电阻Rcs上的实际峰值电流所产生的峰值电压有偏差。这种偏差可能是由于从比较器103开始翻转到功率开关M1、M2完全关断之间有延迟时间，电流Iout在此期间会继续增大到大于Vr1/Rcs，从而导致输出电流的控制精度不够。其次，如图1A中所示，过零检测电路101检测的是第一功率开关M1的漏极电压是否过零，而不是电感L1上的电流Iout是否过零，其间存在偏差时间Toff-Tdis，其中Toff是第一功率开关M1的关断时间，Tdis是电感L1的去磁时间。偏差时间Toff-Tdis与外围设置的电感L1大小、寄生电容大小有关，电感L1的去磁时间Tdis与输出电压Vout有关。在不同的输出电压下，偏差时间Toff-Tdis与去磁时间Tdis的比值是变化的，使得输出电流的输出电压调整率变差，即在不同的输出电压下，输出电流是不同的，同样也影响了输出电流的控制精度。
发明内容
本发明提供一种开关电源变换器，其可提供恒定电流输出，利用输出电流等效值或输出电流采样电压值与基准信号之间的偏差来控制峰值电流，实现精确的输出恒流，线路简单，实现方便。
本发明提供了一种开关电源变换器，其可包括功率转换电路、采样电阻和开关电源控制器，所述开关电源变换器经由所述功率转换电路提供输出电流，所述开关电源控制器包括：功率开关，用于控制对所述功率转换电路的供电，其中所述采样电阻耦合至所述功率开关并提供采样电压信号；误差放大器，用于接收所述开关电源变换器的输出电流等效值和预设阈值，以产生误差电压，其中所述输出电流等效值指示所述开关电源变换器的输出电流的大小；比较器电路，用于比较所述采样电压信号和所述误差电压并产生比较输出信号；以及逻辑和驱动电路，用于产生驱动信号，其中在所述比较器电路产生的比较输出信号指示所述采样电压信号超过所述误差电压时，所述驱动信号关断所述功率开关。
在另一个实施例中，所述开关电源控制器还包括：过零检测电路，用于在检测到所述开关电源变换器的输出电流过零时发出过零检测信号，使得所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号导通所述功率开关。
在另一个实施例中，所述开关电源控制器还包括：输出等效电流计算电路，用于根据所述过零检测信号、所述采样电压信号和所述驱动信号来计算所述开关电源变换器的所述输出电流等效值。
在另一个实施例中，所述输出等效电流计算电路包括：采样保持和叠加电路，用于在所述功率开关导通期间采样并保持所述采样电阻上的电压峰值；以及开关传递电路，用于在所述功率开关导通和关断的每个周期中，在第一时间区间内把所述电压峰值作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器，而在第二时间区间内把零作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器。
在一个实施例中，所述第一时间区间是所述开关电源变换器输出电流不为零的时间区间、且所述第二时间区间是所述开关电源变换器输出电流为零的时间区间。
在另一个实施例中，所述第二时间区间是所述功率开关导通和关断的每个周期中的预定时长、且所述第一时间区间是所述功率开关导通和关断的每个周期中的剩余时长。
在另一个实施例中，所述采样保持和叠加电路在所述功率开关将要关断时采样并保持所述采样电阻上的第一采样电压，在所述功率开关导通后的预设时间处采样并保持所述采样电阻上的第二采样电压，然后将所述第一采样电压和第二采样电压叠加以得到所述电压峰值。
在另一个实施例中，所述开关传递电路包括：连接至所述采样保持和叠加电路的第一开关；以及接地的第二开关，其中所述第一开关闭合且所述第二开关断开时所述采样保持和叠加电路产生的所述电压峰值作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器，而所述第一开关断开且所述第二开关闭合时零作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器。
在另一个实施例中，所述采样保持和叠加电路包括：连接至所述采样电阻的第一采样开关以及连接至所述第一采样开关的第一电容器，所述第一采样开关闭合时在所述第一电容器上保存所述采样电阻上的第一采样电压；连接至所述采样电阻的第二采样开关以及连接至所述第二采样开关的第二电容器，所述第二采样开关闭合时在所述第二电容器上保存所述采样电阻上的第二采样电压；以及加法器，其将所述第一采样电压和所述第二采样电压叠加以得到所述电压峰值。
在另一个实施例中，所述输出等效电流计算电路还包括：信号产生器电路，用于根据所述驱动信号和所述过零检测信号来产生控制信号，以控制所述采样保持和叠加电路和所述开关传递电路的操作。
在另一个实施例中，所述误差放大器电路是跨导型误差放大器，所述开关电源控制器还包括：补偿网络，其耦合至所述误差放大器电路的输出端以产生所述误差电压。
在另一个实施例中，所述采样电阻耦合在所述功率开关与所述开关电源变换器的输出端之间，使得所述开关电源变换器的输出电流流经所述采样电阻，从而所述采样电阻上的采样电压信号提供所述开关电源变换器的所述输出电流等效值。
在另一个实施例中，所述开关电源控制器还包括：门电路，其接收所述比较器电路产生的比较输出信号和所述过零检测电路发出的过零检测信号，并提供触发信号给所述逻辑和驱动电路以控制所述驱动信号。
在另一个实施例中，所述开关电源控制器还包括以下至少一者：最长导通时间控制电路，用于在所述功率开关的导通时间超过预设最长导通时间时，使所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号关断所述功率开关；最长关断时间控制电路，用于在所述功率开关的关断时间超过预设最长关断时间时，使所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号导通所述功率开关；最大峰值限流比较器电路，用于在所述采样电阻上的电压高于预设最大峰值时使所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号关断所述功率开关；和最低峰值限流比较器电路，用于在没有达到预设最长导通时间的情况下，若所述采样电阻上的电压小于预设最低峰值，则即使所述比较输出信号指示所述采样电压信号超过所述误差电压，所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号也不会关断所述功率开关。
本发明还提供了一种用于控制开关电源变换器的方法，所述开关电源变换器包括功率开关、功率转换电路和采样电阻，所述功率开关用于控制对所述功率转换电路的供电，所述采样电阻耦合至所述功率开关，所述开关电源变换器经由所述功率转换电路提供输出电流，所述方法可包括：接收所述开关电源变换器的输出电流等效值和预设阈值，以产生误差电压，其中所述输出电流等效值指示所述开关电源变换器的输出电流的大小；对所述采样电阻上的电压进行采样以提供采样电压信号；比较所述采样电压信号和所述误差电压并产生比较输出信号；以及产生驱动信号，其中在所述比较输出信号指示所述采样电压信号超过所述误差电压时，所述驱动信号关断所述功率开关。
在另一个实施例中，所述方法还包括：在检测到所述开关电源变换器的输出电流过零时发出过零检测信号，使得所述驱动信号导通所述功率开关。
在另一个实施例中，所述方法还包括：根据所述过零检测信号、所述采样电压信号和所述驱动信号来计算所述开关电源变换器的所述输出电流等效值。
在另一个实施例中，所述方法还包括：在所述功率开关导通期间采样并保持所述采样电阻上的电压峰值；以及在所述功率开关导通和关断的每个周期中，在第一时间区间内把所述电压峰值作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器，而在第二时间区间内把零作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器。
在一个实施例中，所述第一时间区间是所述开关电源变换器输出电流不为零的时间区间、且所述第二时间区间是所述开关电源变换器输出电流为零的时间区间。
在另一个实施例中，所述第二时间区间是所述功率开关导通和关断的每个周期中的预定时长、且所述第一时间区间是所述功率开关导通和关断的每个周期中的剩余时长。
在另一个实施例中，所述方法还包括：在所述功率开关将要关断时采样并保持所述采样电阻上的第一采样电压，在所述功率开关导通后的预设时间处采样并保持所述采样电阻上的第二采样电压，然后将所述第一采样电压和第二采样电压叠加以得到所述电压峰值。
在另一个实施例中，所述方法还包括：根据所述驱动信号和所述过零检测信号来产生控制信号，以控制所述采样、保持和传递操作。
在另一个实施例中，所述方法还包括：利用补偿网络来产生所述误差电压。
在另一个实施例中，所述采样电阻耦合在所述功率开关与所述开关电源变换器的输出端之间，使得所述开关电源变换器的输出电流流经所述采样电阻，从而所述采样电阻上的采样电压信号提供所述开关电源变换器的所述输出电流等效值。
在另一个实施例中，所述方法还包括：接收所述比较输出信号和所述过零检测信号，并提供触发信号以控制所述驱动信号。
在另一个实施例中，所述方法还包括以下至少一者：在所述功率开关的导通时间超过预设最长导通时间时，使所述驱动信号关断所述功率开关；在所述功率开关的关断时间超过预设最长关断时间时，使所述驱动信号导通所述功率开关；在所述采样电阻上的电压高于预设最大峰值时使所述驱动信号关断所述功率开关；和在没有达到最长导通时间的情况下，若所述采样电阻上的电压小于预设最低峰值，则即使所述比较输出信号指示所述采样电压信号超过所述误差电压，所述驱动信号也不会关断所述功率开关。
本发明将输出电流等效值VCSPK-AVG输入到误差放大器，使得误差电压Vc控制峰值电流，既保证了恒定输出电流，又保正了恒定峰值电流，从而降低了输出电流纹波。输出电流值完全由误差放大器的基准电压Vr2与采样电阻Rcs的比值决定，电路实现简单，输出电流与输入电压、输出电压、电感大小都没有关系，能实现很好的恒流特性。
附图说明
图1A示出了传统的源极驱动式降压结构的驱动电路。
图1B示出了如图1A中所示的驱动电路的时序图。
图2示出了根据本发明一实施例的开关电源变换器的简化框图。
图3示出了根据本发明一实施例的开关电源变换器的一种具体实现的电路图。
图4示出了图3中的输出等效电流计算电路的一种实现方式。
图5示出了图3和图4的开关电源变换器中相关的控制信号时序图。
图6示出了根据本发明另一实施例的开关电源变换器的一种具体实现的电路图。
图7示出了根据本发明另一实施例的开关电源变换器的一种具体实现的电路图。
图8示出了根据本发明另一实施例的开关电源变换器的一种具体实现的电路图。
图9示出了根据本发明另一实施例的开关电源变换器的一种具体实现的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图2示出了根据本发明一实施例的开关电源变换器的简化框图。该开关电源变换器包括功率转换电路302、开关电源控制器300和采样电阻Rcs，该开关电源变换器的输入电压Vin经由功率转换电路302来向负载提供输出电流Iout。功率转换电路302可以是可用于将输入电流/电压转换成所需的目标电流/电压的任何适当的功率转换电路，例如变压器、电感等。开关电源控制器300用于控制功率转换电路302的工作状态。开关电源控制器300可包括：
第一功率开关M1（例如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），其一端连接至功率转换电路302以用于控制对功率转换电路302的供电（例如，控制输入电压Vin的通断），第一功率开关M1的另一端耦合至采样电阻Rcs，其中采样电阻Rcs在第一功率开关M1导通期间采样流经采样电阻Rcs的电流，在采样端CS得到采样电压信号Vcs；
误差放大器321，用于在其两个输入端分别接收该开关电源变换器的输出电流等效值VCSPK-AVG和预设阈值Vr2，以在其输出端产生误差电压Vc，其中输出电流等效值VCSPK-AVG指示该开关电源变换器的输出电流Iout的大小，并且可以是例如平均输出电压值；
比较器电路320，用于在其两个输入端分别接收经由采样电阻Rcs在CS端获得的采样电压信号Vcs和由误差放大器321输出的误差电压Vc，比较该采样电压信号Vcs与该误差电压Vc并在其输出端产生比较输出信号；
过零检测电路311，用于在检测到该开关电源变换器的输出电流Iout过零时发出过零检测信号ZCD；
门电路314（图中示为RS触发器作为示例），用于接收由比较器电路320输出的比较输出信号和由过零检测电路311发出的过零检测信号ZCD（以及可能还有其他输入信号），对各种输入信号进行合理的逻辑运算并输出控制信号；以及
逻辑和驱动电路316，其根据门电路314所提供的控制信号产生相应的驱动信号GT至第一功率开关M1的栅极，以控制第一功率开关M1的导通和关断。
根据本发明一个实施例，当第一功率开关M1导通时，输入电压Vin向功率转换电路302供电，功率转换电路302提供的输出电流Iout将逐渐增大，同时功率转换电路302中的储能元件（例如变压器、电感等）将存储能量。输出电流Iout的至少一部分（或者输出信号Iout的感应电流）将流经采样电阻Rcs，从而随着输出电流Iout增大，经由采样电阻Rcs在CS端获得的采样电压信号Vcs也将增大。当比较器电路320产生的比较输出信号指示采样电压信号Vcs超过误差电压Vc时（即采样电压信号Vcs过高时），门电路314输出的控制信号翻转，使得逻辑和驱动电路316的驱动信号GT关断第一功率开关M1，从而停止输入电压Vin向功率转换电路302的供电。此后，功率转换电路302中存储的能量继续提供输出电流Iout，并且输出电流Iout将逐渐减小。当过零检测电路311检测到输出电流Iout过零时将发出过零检测信号ZCD，其使门电路314的输出的控制信号再次翻转，使得逻辑和驱动电路316的驱动信号GT导通第一功率开关M1，从而输入电压Vin再次向功率转换电路302供电。以此方式，第一功率开关M1循环地导通和关断，使功率转换电路302接收输入电压Vin并提供所需的输出电压Vout和/或输出电流Iout。
在本发明中，误差放大器321可以是一种跨导型误差放大器，误差放大器321的输出电流Igm与误差放大器321的输入差值电压（Vr2-VCSPK-AVG）成正比，即Igm=Gm*（Vr2-VCSPK-AVG），Gm即设定的误差放大器321的跨导，是一个恒定值，该误差放大器321的输出端可连接到补偿网络（例如，补偿电容C3），实现环路补偿，得到误差电压Vc作为比较器电路320的基准电压。如上所述，由于输出电流等效值VCSPK-AVG指示该开关电源变换器的输出电流Iout的大小，因此误差放大器321提供的误差电压Vc动态地反映了该开关电源变换器的输出电流Iout的大小（也即反映了实际的峰值输出电压）。采用该动态的误差电压Vc作为比较器电路320的基准电压来决定是否断开第一功率开关M1（从而决定了输出峰值电流的大小），避免了现有技术中比较器电路103（见图1）所采用的基准电压Vr1可能与采样电阻Rcs上的实际峰值电压有偏差带来的控制精度问题。
图3示出了根据本发明一实施例的开关电源变换器的一种具体实现的电路图。类似地，该开关电源变换器包括功率转换电路302、开关电源控制器300和采样电阻Rcs。功率转换电路302被示为包括电感L1、续流二极管D1、输出电容C1、输出端Vout。在一个实施例中，该开关电源变换器可包括第二功率开关M2，第二功率开关M2的漏极连接至续流二极管D1的正端、并且连接至电感L1的第一端；第二功率开关M2的栅极连接至电阻R1的一端；续流二极管D1的负端连接至输出电容C1的第一端、和输入电压Vin正端。在其他实施例中，第二功率开关M2可被省略。输入电压Vin的负端可为接地。输出电容C1两端可与负载并联，其中输出电容C1起到输出电流滤波的作用，从而减小输出电流和输出电压的纹波。电感L1与输出电容C1和负载串联。本领域技术人员可以明白，功率转换电路302可以采用任何恰当的形式，而不限于本发明附图中所示的具体电路结构。
开关电源控制器300可包括：
第一功率开关M1，第一功率开关M1的漏极连接至第二功率开关M2的源极，第一功率开关M1的源极经采样电阻Rcs接地，其中采样电阻Rcs在第一功率开关M1（以及第二功率开关M2）导通期间采样流经采样电阻Rcs的电流，在采样端CS得到采样电压信号Vcs；
过零检测电路311，用于检测电感L1上的电流Iout的过零，并在电感L1上的电流Iout过零时发出过零检测信号ZCD；
输出等效电流计算电路322，用于根据过零检测信号ZCD、采样电阻Rcs上的采样电压信号Vcs和驱动信号GT来计算该开关电源变换器的输出电流等效值VCSPK-AVG；
误差放大器电路321，其正输入端接收基准电压Vr2，其负输入端接收由输出等效电流计算电路322输出的输出电流等效值VCSPK-AVG，其输出端连接至补偿网络（例如电容C3）以得到误差电压Vc，其中误差放大器电路321可以是一个跨导型误差放大器；
比较器电路320，比较器电路320的第一输入端连接至采样电阻Rcs的采样端CS以接收采样电压信号Vcs，比较器电路320的另一输入端连接至误差放大器321的输出端以接收误差电压Vc；以及
逻辑和驱动电路316，其接收过零检测电路311发出的过零检测信号ZCD，在有过零检测信号ZCD到来时，使驱动信号GT导通第一功率开关M1；逻辑和驱动电路316还接收比较器电路320的输出信号，在采样电压信号Vcs超过误差电压Vc时，使驱动信号GT关断第一功率开关M1。
在开关电源变换器的开关电源控制器300的上述实施例中，可通过采样电阻Rcs来采样电感L1上的电流Iout。在第一功率开关M1（以及第二功率开关M2）导通期间，采样电阻Rcs上的电流与电感L1上的电流Iout相同。随着电感L1上电流Iout逐渐增大，采样电阻Rcs上的采样电压信号Vcs升高，当采样电压信号Vcs升高到误差放大器321输出端的误差电压Vc时，比较器320的输出翻转，从而经门电路313和315、逻辑和驱动电路316来关断第一功率开关M1，第二功率开关M2也相应地关断。
在功率开关M1、M2关断期间，电感L1经续流二极管D1续流，电感L1上的电流Iout逐渐降低直至零。此时电路产生谐振，第二功率开关M2的漏极电压过零。过零检测电路311检测第二功率开关M2的漏极电压过零，产生过零检测信号ZCD，过零检测信号ZCD经门电路314、逻辑和驱动电路316来导通第一功率开关M1，第二功率开关M2也相应地导通。在其他实施例中，过零检测电路311也可检测第二功率开关M2的栅极电压和源极电压，从而得到电感L1上的电流Iout的过零检测信号ZCD。过零检测电路311也可通过其他方式来检测开关电源变换器的输出电流过零，例如检测第一功率开关M1的漏极电压是否过零（例如，第二功率开关M2可被省略），也可通过本领域已知的任何其他方式来检测电感L1上的电流Iout是否过零。在使用变压器将输入电压Vin转换成输出电压Vout的场合，也可以通过变压器的辅助绕组得到过零检测信号ZCD。本发明不限于以上描述的具体实现方式。
此后，第一功率开关M1（以及第二功率开关M2）重复上面的关断和导通动作，电路就始终工作在临界导通状态。
在进一步的实施例中，开关电源控制器300还可包括最长导通时间控制电路317，用于限制第一功率开关M1的最长导通时间，其可在第一功率开关M1的导通时间超过预设最长导通时间时，使逻辑和驱动电路316产生的驱动信号GT关断第一功率开关M1；和/或最长关断时间控制电路318，用于限制第一功率开关M1的最长关断时间，其可在第一功率开关M1的关断时间超过预设最长关断时间时，使逻辑和驱动电路316产生的驱动信号GT导通第一功率开关M1。在一个实施例中，最长导通时间控制电路317耦合至逻辑和驱动电路316并且包括第一时间比较器（未示出），该第一时间比较器接收逻辑和驱动电路316产生的驱动信号GT以及预设最长导通时间，并在驱动信号GT的导通时间超过预设最长导通时间时使逻辑和驱动电路316产生的驱动信号GT关断第一功率开关M1。最长关断时间控制电路318耦合至逻辑和驱动电路316并且包括第二时间比较器（未示出），该第二时间比较器接收逻辑和驱动电路316产生的驱动信号GT以及预设最长关断时间，并在驱动信号GT的关断时间超过预设最长关断时间时使逻辑和驱动电路316产生的驱动信号GT导通第一功率开关M1。
在进一步的实施例中，开关电源控制器300还可包括最大峰值限流比较器电路319，用于在采样电阻Rcs上的采样电压Vcs高于设定的电压Vr4时快速使逻辑和驱动电路316关断第一功率开关M1，以保护功率开关M1、M2。例如，最大峰值限流比较器电路319耦合至采样电阻Rcs以接收采样电阻Rcs上的电压Vcs以及预设最大峰值Vr4，并在采样电阻Rcs上的电压Vcs高于预设最大峰值Vr4时产生控制信号至逻辑和驱动电路316以使逻辑和驱动电路316产生的驱动信号GT关断第一功率开关M1。比较器电路319限定了流经采样电阻Rcs的最大电流，此举在保护功率开关M1、M2的同时，也限定了最大的电感峰值电流Iout。一般要求Vr4要高于正常工作时的误差放大器321的输出电压值Vc，以免影响电路的正常工作。
在进一步的实施例中，开关电源控制器300还可包括最低峰值限流比较器电路312，用于在第一功率开关M1的导通时间小于最长导通时间的情况下，若采样电阻Rcs上的采样电压Vcs小于预设最低峰值Vr3，则即使比较器电路320的输出翻转，逻辑和驱动电路316产生的驱动信号GT也不会关断第一功率开关M1，从而限制最小的峰值电流。例如，最低峰值限流比较器电路312耦合至采样电阻Rcs以接收采样电阻Rcs上的采样电压信号Vcs以及预设最低峰值Vr3，比较器电路320产生的比较输出信号和最低峰值限流比较器电路312的输出被连接至与门313，与门313在比较输出信号指示采样电压信号Vcs超过误差电压Vc并且采样电阻Rcs上的采样电压信号Vcs高于预设最低峰值Vr3时才使逻辑和驱动电路316产生的驱动信号GT关断第一功率开关M1。
在图3中作为示例，门电路313被示为与门，门电路314和315被示为或门。本领域技术人员可以明白，门电路313、314、315可包括其他门电路来对各种输入控制信号进行合理的逻辑运算，以产生合适的触发信号给逻辑和驱动电路316。所列举的各种信号电平也是示例性的，可以设计和使用不同的信号电平。功率开关M1和M2可以是例如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等。
图4示出了图3中的输出等效电流计算电路322的一种示例性实现方式。输出等效电流计算电路322包括信号产生器电路402，用于根据驱动信号GT和过零检测信号ZCD来产生控制信号SW1、SW2、SW3、SW4、SW5。
输出等效电流计算电路322还可包括采样保持和叠加电路401，其使用信号产生器电路402所产生的控制信号在第一功率开关M1（以及第二功率开关M2）导通期间采样并保持该采样电阻Rcs上的电压峰值VCSPK。在一个实施例中，采样保持和叠加电路401在第一功率开关M1快要关断时，采样并保持采样电阻Rcs上的采样电压Vcs1；在第一功率开关M1（以及第二功率开关M2）导通后的预设时间处，采样并保持采样电阻Rcs上的采样电压Vcs2；然后使用采样电压Vcs1和采样电压Vcs2的叠加得到采样电阻上的电压峰值VCSPK。
在一个实施例中，同时参见图5，信号SW1（例如，可与GT信号相同）控制开关K1，在第一功率开关M1（以及第二功率开关M2）将要关断时采样Rcs上的电压，并把这个电压保存到电容C41上，得到电压VC41；信号SW2控制开关K2，在第一功率开关M1（以及第二功率开关M2）导通之后的预设时间处（例如，SW2的下降沿）采样Rcs上的电压，并把这个电压保存到电容C42上，得到电压VC42；信号SW3控制开关K3、K4，在开关K1、K2断开的时候，把电压VC41、电压VC42分别传递到电容C43、C44上，得到电压VC43、VC44；然后电压VC43、VC44在加法器404中叠加，得到VCSPK，其中VCSPK表示实际的电感峰值电流在采样电阻Rcs上产生的峰值采样电压。
由于第一功率开关M1（以及第二功率开关M2）关断延迟时间的影响，使用信号SW1控制开关K1采样得到的Rcs电压与实际的电感峰值电流产生的电压有一个偏差，这个偏差与关断延迟时间有关。而使用信号SW2控制开关K2在导通之后的预设时间处采样得到的峰值电流恰好可以补偿这个与关断延迟时间有关的偏差，通过加法器404的叠加作用，能较好的得到实际的电感峰值电流所产生的峰值采样电压VCSPK。本领域技术人员可以理解，信号SW2所使用的在导通之后的预设时间可以根据具体实现来设置或调整。
输出等效电流计算电路322还可包括开关传递电路403，用于在第一功率开关M1导通和关断的每个周期中，在第一时间区间T1内，信号SW4控制开关K5导通且信号SW5控制开关K6关断，从而把峰值采样电压VCSPK作为输出电流等效值VCSPK-AVG传递到误差放大器321，而在第二时间区间T2内，信号SW4控制开关K5关断且信号SW5控制开关K6导通，从而把零作为输出电流等效值VCSPK-AVG传递到误差放大器321。
参见图5，其示出了图3和图4的开关电源变换器中相关的控制信号时序图，其中GT表示用于第一功率开关M1的栅极的驱动信号，Vcs表示采样电阻Rcs两端的采样电压，Iout表示流经电感L1的输出电流，VDRAIN表示第二功率开关M2的漏极电压，ZCD表示过零检测信号，SW1～SW5是信号产生器电路402产生的控制信号。
在一个实施例中，第一时间区间T1是开关电源变换器输出电流Iout不为零的时间区间、且第二时间区间T2是开关电源变换器输出电流Iout为零的时间区间。例如，在电感L1上有电流时，信号SW4控制开关K5导通，信号SW5控制开关K6关断，把电压峰值VCSPK传递到输出端VCSPK-AVG；在电感L1上没有电流时，信号SW4控制开关K5关断，信号SW5控制开关K6导通，把零传递到输出端VCSPK-AVG。因此，VCSPK-AVG就是该开关电源变换器的输出电流等效值。
在另一个实施例中，第二时间区间T2是第一功率开关M1导通和关断的每个周期中的预定时长、且第一时间区间T1是第一功率开关M1导通和关断的每个周期中的剩余时长。例如，在第一功率开关M1导通和关断的每个周期中，在第二时间区间T2的预定时长期间，信号SW5控制开关K6导通（且信号SW4控制开关K5关断），从而将零传递到输出端作为输出电流等效值VCSPK-AVG，而在剩余时长即第一时间区间T1期间，信号SW4控制开关K5导通（且信号SW5控制开关K6关断），从而把电压峰值VCSPK传递到输出端作为输出电流等效值VCSPK-AVG。
本领域技术人员可以明白，第二时间区间T2的预定时长可以在具体电路配置、仿真测试、实验测量等基础上进行设置，本发明不限于任何具体的设置方式。例如，在开关电源电路配置完成的情况下，由于其电容、电感等值是固定的，因此电路谐振时间将是固定的，从而第二时间区间T2的预定时长可被设置为电路谐振时长的1/4（等于Toff-Tdis）。
在该实施例中，第二时间区间T2的位置不会影响最终所得的输出电流等效值VCSPK-AVG。因此，第二时间区间T2可以位于第一功率开关M1导通和关断的每个周期中的任何地方，并且可以是连续或不连续的。第二时间区间T2的开始可以与过零检测信号ZCD、驱动信号GT、或其他波形信号的跳变沿对准或不对准。例如，第二时间区间T2的开始可与过零检测信号ZCD的下降沿对准，并在第二时间区间T2的预定时长里把零作为输出电流等效值VCSPK-AVG传递到误差放大器321，在第二时间区间T2的预定时长结束后进入第一时间区间T1，把电压峰值VCSPK作为输出电流等效值VCSPK-AVG传递到误差放大器321。将理解，在第一功率开关M1导通和关断的各个周期中，第一时间区间T1和第二时间区间T2相继循环出现。
在该实施例中，VCSPK-AVG的值不受电感L1的去磁时间Tdis的影响，即在不同的输出电压下，对输出电流的控制精度不受影响，从而改善了输出电流的输出电压调整率。
在以上实施例中描述了提供源极驱动式开关电源变换器。在其他实施例中，功率转换电路302可以连接至采样电阻Rcs，构成浮地结构的源极驱动式开关电源变换器，如以下所描述的。出于简洁起见，与以上实施例中相同的结构和操作将不再赘述。
图6示出了根据本发明另一实施例的开关电源变换器的一种具体实现的电路图，其是与图3等效的电路拓扑变化，并且采用了浮地结构。图6的驱动电路与图3的差别在于将功率转换电路302移到采样电阻Rcs的一端，并且把采样电阻Rcs与续流二极管D1的共同端作为该控制电路的接地（GND2）。
图7示出了根据本发明另一实施例的开关电源变换器的一种具体实现的电路图，其在图6的基础上，使用在输出端Vout与接地之间的分压电阻R2、R3来作为一个输入信号ZCS。信号ZCS能用来做精确的输出过压保护，也能用作产生过零检测信号ZCD的输入。
图8和图9分别示出了根据本发明其他实施例的开关电源变换器的具体实现的电路图。作为浮地结构的一些变化，其中采样电阻Rcs耦合在第一功率开关M1与开关电源变换器的输出端Vout之间，使得开关电源变换器的输出电流Iout流经采样电阻Rcs，从而采样电阻Rcs上的采样电压信号Vcs提供该开关电源变换器的输出电流等效值VCSPK-AVG，所以省去了输出等效电流计算电路322。在图8中，在第一功率开关M1导通时，在采样电阻Rcs上的压降是正电压，故误差放大器321的基准电压Vr2、比较器312的预设最低峰值Vr3、比较器320的误差电压Vc、比较器319的基准电压Vr4都是正电压。而在图9中，在第一功率开关M1导通时，在采样电阻Rcs上的压降是负电压，故误差放大器321的基准电压Vr2、比较器312的预设最低峰值Vr3、比较器320的误差电压Vc、比较器319的基准电压Vr4都是负电压。
本发明将输出电流等效值VCSPK-AVG输入到误差放大器，使得误差电压Vc控制峰值电流，既保证了恒定输出电流，又保证了恒定峰值电流，从而降低了输出电流纹波。输出电流值完全由误差放大器的基准电压Vr2与采样电阻Rcs的比值决定，电路实现简单，输出电流与输入电压、输出电压、电感大小都没有关系，能实现很好的恒流特性。
本发明公开了开关电源恒流控制结构，并且参照附图描述了本发明的具体实施方式和效果。应该理解到的是上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，本发明可应用于任何其他可能的开关电源变换器，包括降压、升压开关电源变换器，隔离系统、非隔离系统等。任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，包括但不限于对局部构造的变更、对元器件的类型或型号的替换，以及其他非实质性的替换或修改，均落入本发明保护范围之内。
Claims (20)
1.一种开关电源变换器，包括功率转换电路、采样电阻和开关电源控制器，所述开关电源变换器经由所述功率转换电路提供输出电流，所述开关电源控制器包括：
功率开关，用于控制对所述功率转换电路的供电，其中所述采样电阻耦合至所述功率开关并提供采样电压信号；
误差放大器，用于接收所述开关电源变换器的输出电流等效值和预设阈值，以产生误差电压，其中所述输出电流等效值指示所述开关电源变换器的输出电流的大小；
比较器电路，用于比较所述采样电压信号和所述误差电压并产生比较输出信号；
逻辑和驱动电路，用于产生驱动信号，其中在所述比较器电路产生的比较输出信号指示所述采样电压信号超过所述误差电压时，所述驱动信号关断所述功率开关；以及
输出等效电流计算电路，所述输出等效电流计算电路包括：
采样保持和叠加电路，用于在所述功率开关导通期间采样并保持所述采样电阻上的电压峰值；以及
开关传递电路，用于在所述功率开关导通和关断的每个周期中，在第一时间区间内把所述电压峰值作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器，而在第二时间区间内把零作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器。
2.如权利要求1所述的开关电源变换器，其特征在于，所述开关电源控制器还包括：
过零检测电路，用于在检测到所述开关电源变换器的输出电流过零时发出过零检测信号，使得所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号导通所述功率开关。
3.如权利要求2所述的开关电源变换器，其特征在于：
所述输出等效电流计算电路进一步根据所述过零检测信号和所述驱动信号来计算所述开关电源变换器的所述输出电流等效值。
4.如权利要求1所述的开关电源变换器，其特征在于：
所述第一时间区间是所述开关电源变换器输出电流不为零的时间区间、且所述第二时间区间是所述开关电源变换器输出电流为零的时间区间；或者
所述第二时间区间是所述功率开关导通和关断的每个周期中的预定时长、且所述第一时间区间是所述功率开关导通和关断的每个周期中的剩余时长。
5.如权利要求1所述的开关电源变换器，其特征在于，所述采样保持和叠加电路在所述功率开关将要关断时采样并保持所述采样电阻上的第一采样电压，在所述功率开关导通后的预设时间处采样并保持所述采样电阻上的第二采样电压，然后将所述第一采样电压和第二采样电压叠加以得到所述电压峰值。
6.如权利要求1所述的开关电源变换器，其特征在于，所述开关传递电路包括：
连接至所述采样保持和叠加电路的第一开关；以及
接地的第二开关，
其中所述第一开关闭合且所述第二开关断开时所述采样保持和叠加电路产生的所述电压峰值作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器，而所述第一开关断开且所述第二开关闭合时零作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器。
7.如权利要求1所述的开关电源变换器，其特征在于，所述采样保持和叠加电路包括：
连接至所述采样电阻的第一采样开关以及连接至所述第一采样开关的第一电容器，所述第一采样开关闭合时在所述第一电容器上保存所述采样电阻上的第一采样电压；
连接至所述采样电阻的第二采样开关以及连接至所述第二采样开关的第二电容器，所述第二采样开关闭合时在所述第二电容器上保存所述采样电阻上的第二采样电压；以及
加法器，其将所述第一采样电压和所述第二采样电压叠加以得到所述电压峰值。
8.如权利要求2所述的开关电源变换器，其特征在于，所述输出等效电流计算电路还包括：
信号产生器电路，用于根据所述驱动信号和所述过零检测信号来产生控制信号，以控制所述采样保持和叠加电路和所述开关传递电路的操作。
9.如权利要求1所述的开关电源变换器，其特征在于，所述误差放大器是跨导型误差放大器，所述开关电源控制器还包括：
补偿网络，其耦合至所述误差放大器的输出端以产生所述误差电压。
10.如权利要求2所述的开关电源变换器，其特征在于，所述开关电源控制器还包括：
门电路，其接收所述比较器电路产生的比较输出信号和所述过零检测电路发出的过零检测信号，并提供触发信号给所述逻辑和驱动电路以控制所述驱动信号。
11.如权利要求1-10中任一项所述的开关电源变换器，其特征在于，所述开关电源控制器还包括以下至少一者：
最长导通时间控制电路，用于在所述功率开关的导通时间超过预设最长导通时间时，使所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号关断所述功率开关；
最长关断时间控制电路，用于在所述功率开关的关断时间超过预设最长关断时间时，使所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号导通所述功率开关；
最大峰值限流比较器电路，用于在所述采样电阻上的电压高于预设最大峰值时使所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号关断所述功率开关；和
最低峰值限流比较器电路，用于在没有达到预设最长导通时间的情况下，若所述采样电阻上的电压小于预设最低峰值，则即使所述比较输出信号指示所述采样电压信号超过所述误差电压，所述逻辑和驱动电路产生的所述驱动信号也不会关断所述功率开关。
12.一种用于控制开关电源变换器的方法，所述开关电源变换器包括功率开关、功率转换电路和采样电阻，所述功率开关用于控制对所述功率转换电路的供电，所述采样电阻耦合至所述功率开关，所述开关电源变换器经由所述功率转换电路提供输出电流，所述方法包括：
由误差放大器接收所述开关电源变换器的输出电流等效值和预设阈值，以产生误差电压，其中所述输出电流等效值指示所述开关电源变换器的输出电流的大小；
对所述采样电阻上的电压进行采样以提供采样电压信号；
比较所述采样电压信号和所述误差电压并产生比较输出信号；
产生驱动信号，其中在所述比较输出信号指示所述采样电压信号超过所述误差电压时，所述驱动信号关断所述功率开关；
在所述功率开关导通期间采样并保持所述采样电阻上的电压峰值；以及
在所述功率开关导通和关断的每个周期中，在第一时间区间内把所述电压峰值作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器，而在第二时间区间内把零作为所述输出电流等效值传递到所述误差放大器。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
在检测到所述开关电源变换器的输出电流过零时发出过零检测信号，使得所述驱动信号导通所述功率开关。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述过零检测信号和所述驱动信号来计算所述开关电源变换器的所述输出电流等效值。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于：
所述第一时间区间是所述开关电源变换器输出电流不为零的时间区间、且所述第二时间区间是所述开关电源变换器输出电流为零的时间区间；或者
所述第二时间区间是所述功率开关导通和关断的每个周期中的预定时长、且所述第一时间区间是所述功率开关导通和关断的每个周期中的剩余时长。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述功率开关将要关断时采样并保持所述采样电阻上的第一采样电压，在所述功率开关导通后的预设时间处采样并保持所述采样电阻上的第二采样电压，然后将所述第一采样电压和第二采样电压叠加以得到所述电压峰值。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述驱动信号和所述过零检测信号来产生控制信号，以控制所述采样、保持和传递操作。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
利用误差放大器接收所述开关电源变换器的输出电流等效值和预设阈值，以产生误差电压；
利用耦合至所述误差放大器的输出端的补偿网络来产生所述误差电压。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
接收所述比较输出信号和所述过零检测信号，并提供触发信号以控制所述驱动信号。
20.如权利要求12-19中任一项所述的方法，其特征在于，还包括以下至少一者：
在所述功率开关的导通时间超过预设最长导通时间时，使所述驱动信号关断所述功率开关；
在所述功率开关的关断时间超过预设最长关断时间时，使所述驱动信号导通所述功率开关；
在所述采样电阻上的电压高于预设最大峰值时使所述驱动信号关断所述功率开关；和
在没有达到最长导通时间的情况下，若所述采样电阻上的电压小于预设最低峰值，则即使所述比较输出信号指示所述采样电压信号超过所述误差电压，所述驱动信号也不会关断所述功率开关。
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