CN105245112B - 一种自适应高精度恒流电路及开关电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应高精度恒流电路，包括采样保持电路、峰值计算电路、退磁时间检测电路、比较器、前沿消隐电路和RS触发器；采样保持电路的输入端与CS端连接，采样保持电路的输出端与峰值计算电路的第一输入端连接；退磁时间检测电路的输入端与FB端连接，退磁时间检测电路的输出端与峰值计算电路的第二输入端连接；峰值计算电路的输出端与比较器的第一输入端连接；前沿消隐电路的输入端与CS端连接，前沿消隐电路的输出端与比较器的第二输入端连接；比较器的输出端与RS触发器的R端连接；所述RS触发器的输出端用于输出控制功率管开启或关断的PWM信号，RS触发器的S端连接PWM_ON信号。本发明能够保持高精度的恒流输出。
Description
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，特别是涉及一种自适应高精度恒流电路及开关电源。
背景技术
随着对开关电源需求量的日益增加，对电源主控芯片的功能和性能的要求也越来越高，在一些特别应用中，对电源主控芯片性能的要求更高；例如在LED驱动器中，要求在全范围交流输入(90V/60Hz～264V/50Hz)条件下，输出电流具有较高的精度。在全范围交流输入条件下输出高精度的电流，要求流过变压器初级电感峰值电流的差异尽量小。为了方便说明，假设系统工作在非连续模式(DCM)，在理想状态下，变压器初级电感电流流过开启的功率管后，经采样电阻将动作电压传输到电源主控芯片的CS端(变压器初级峰值电流检测端)，当CS端电压达到阈值电压Vref_cc后，马上控制功率管关断，变压器初级峰值电流上升斜率由如下公式决定：
实际工作中，当CS端电压达到阈值电压Vref_cc后，电源主控芯片内部控制信号关断功率管是存在延迟时间Td的，所述CS端的峰值电压比阈值电压Vref_cc要高。
Iout＝k1*n*Ipeak (3)
式中：-内部设定的固定峰值；Vin-交流输入电压经过桥式整流电路后的电压值；Lp-变压器初级电感量；n-变压器安匝比；Ton-功率管开始开启到主控芯片CS端电压达到Vpeak电压所对应的时间；Td-在PWM发出关断信号到功率管关断之间的系统延迟时间；Ipeak-实际的变压器初级电感峰值电流；Iout-系统输出电流；K-初级峰值电流上升斜率；K1-常数值，通常用控制芯片内部设定。
从公式(4)可以看出输出电流受到输入电压、初级电感量以及系统延迟的影响，而系统延迟对不同电源主控芯片来说，偏差是不可量化的，所以无法控制系统的精度，难以保持高精度的恒流输出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自适应高精度恒流电路及开关电源，能够保持高精度的恒流输出。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种自适应高精度恒流电路，集成在电源的主控芯片内，包括采样保持电路、峰值计算电路、退磁时间检测电路、比较器、前沿消隐电路和RS触发器。
所述采样保持电路的输入端与主控芯片的变压器初级峰值电流检测端连接，采样保持电路的输出端与峰值计算电路的第一输入端连接。
所述退磁时间检测电路的输入端与主控芯片的输出负载状态调节端连接，退磁时间检测电路的输出端与峰值计算电路的第二输入端连接。
所述峰值计算电路的输出端与比较器的第一输入端连接。
所述前沿消隐电路的输入端与主控芯片的变压器初级峰值电流检测端连接，前沿消隐电路的输出端与比较器的第二输入端连接。
所述比较器的输出端与RS触发器的R端连接。
所述RS触发器的输出端用于输出控制功率管开启或关断的PWM信号，RS触发器的S端连接PWM_ON信号。
所述RS触发器在功率管开启期间，检测比较器输出的逻辑控制信号ocp，当主控芯片的变压器初级峰值电流检测端电压达到预设的峰值电压使逻辑控制信号ocp翻转时，RS触发器输出的PWM信号翻转为低电平，功率管关断；在功率管关断期间，RS触发器检测PWM_ON信号，当检测到需要开启功率管的PWM_ON信号时，RS触发器输出的PWM信号翻转为高电平。
所述峰值计算电路包括放大器A1、放大器A2、第一电流镜、第二电流镜、开关管M1、电容C5、电容C6和传输门。
所述放大器A1的同相输入端与主控芯片内部的基准电压连接，放大器A1的反相输入端与第一电流镜的第一输出端连接，放大器A1的输出端与第一电流镜的输入端连接，第一电流镜的第二输出端分别与开关管M1的漏极、电容C5的第一端和传输门连接；
所述放大器A2的同相入端与采样保持电路的输出端连接，放大器A2的反相输入端与第二电流镜的第一输出端连接，放大器A2的输出端与第二电流镜的输入端连接，第二电流镜的第二输出端与开关管M1的源极连接。
所述开关管M1的栅极与退磁时间检测电路的输出端连接。
所述传输门分别与电容C6的第一端和比较器的第一输入端连接。
所述电容C5和电容C6的第二端均接地。
所述第一电流镜包括N沟道结型场效应晶体管M2、P沟道结型场效应晶体管M3、P沟道结型场效应晶体管M4和电阻R6，N沟道结型场效应晶体管M2的栅极与放大器A1的输出端连接，N沟道结型场效应晶体管M2的源极与放大器A1的反相输入端连接，N沟道结型场效应晶体管M2的源极通过电阻R6接地，N沟道结型场效应晶体管M2的漏极与P沟道结型场效应晶体管M3的源极连接，P沟道结型场效应晶体管M3的栅极分别与P沟道结型场效应晶体管M3的源极和P沟道结型场效应晶体管M4的栅极连接，P沟道结型场效应晶体管M3和P沟道结型场效应晶体管M4的漏极均接电源，P沟道结型场效应晶体管M4的源极分别与开关管M1的漏极、电容C5的第一端和传输门连接。
所述第二电流镜包括N沟道结型场效应晶体管M5、P沟道结型场效应晶体管M6、P沟道结型场效应晶体管M7、N沟道结型场效应晶体管M8、N沟道结型场效应晶体管M9和电阻R7，N沟道结型场效应晶体管M5的栅极与放大器A2的输出端连接，N沟道结型场效应晶体管M5的源极与放大器A2的反相输入端连接，N沟道结型场效应晶体管M5的源极通过电阻R7接地，N沟道结型场效应晶体管M5的漏极与P沟道结型场效应晶体管M6的源极连接，P沟道结型场效应晶体管M6的栅极分别与P沟道结型场效应晶体管M6的源极和P沟道结型场效应晶体管M7的栅极连接，P沟道结型场效应晶体管M6和P沟道结型场效应晶体管M7的漏极均接电源，P沟道结型场效应晶体管M7的源极分别与N沟道结型场效应晶体管M8的漏极、N沟道结型场效应晶体管M8的栅极和N沟道结型场效应晶体管M9的栅极连接，N沟道结型场效应晶体管M8和N沟道结型场效应晶体管M9的源极均接地，N沟道结型场效应晶体管M9的漏极与开关管M1的源极连接。
一种开关电源，包括上述自适应高精度恒流电路。
本发明的有益效果是：本发明在PWM信号控制功率管开启期间，检测主控芯片的CS端电压，当该电压达到峰值时，主控芯片的PWM端发出关断信号，同时通过采样保持电路采样CS端到达的峰值电压，然后通过采样到的CS端的峰值电压和退磁时间计算出功率管下一开周期的CS端的峰值电压，从而形成一个负反馈，自动调节CS端的峰值电压，这样变压器初级电感峰值电流就不再受到变压器初级电感量Lp、交流输入电压经过桥式整流电路后的电压值Vin、PWM发出关断信号到功率管关断之间的系统延迟时间Td的影响，从而实现高精度恒流恒功率的自适应补偿。
附图说明
图1为本发明一种自适应高精度恒流电路的一种实施例的示意图；
图2为电源的主控芯片的外围电路的一种实施例的示意图；
图3为本发明中峰值计算电路的一种实施例的示意图；
图中，1-采样保持电路，2-峰值计算电路，3-退磁时间检测电路，4-比较器，5-前沿消隐电路，6-RS触发器，7-主控芯片，8-变压器，9-第一电流镜，10-第二电流镜。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种自适应高精度恒流电路，集成在电源的主控芯片7内，包括采样保持电路1、峰值计算电路2、退磁时间检测电路3、比较器4、前沿消隐电路5和RS触发器6。
所述采样保持电路1的输入端与主控芯片7的变压器初级峰值电流检测端连接，采样保持电路1的输出端与峰值计算电路2的第一输入端连接。所述采样保持电路1用于在功率管关断前一瞬间采样到CS端电压的最大值Vcs_p。
所述退磁时间检测电路3的输入端与主控芯片7的输出负载状态调节端连接，退磁时间检测电路3的输出端与峰值计算电路2的第二输入端连接。所述退磁时间检测电路3用于在功率管关断期间检测变压器8辅助绕组上的能量是否释放完，在变压器8辅助绕组上的能量释放完后输出退磁时间信号Tdemg。
所述峰值计算电路2的输出端与比较器4的第一输入端连接。所述峰值计算电路2用于根据CS端电压的最大值Vcs_p和退磁时间信号Tdemg计算下一周期CS端应达到的峰值电压。
所述前沿消隐电路5的输入端与主控芯片7的变压器8初级峰值电流检测端连接，前沿消隐电路5的输出端与比较器4的第二输入端连接。所述前沿消隐电路5用于在功率管开启瞬间，屏蔽CS端的尖峰。
所述比较器4的输出端与RS触发器6的R端连接。所述比较器4在功率管开启期间比较检测变压器初级电流产生的CS三角波电压与峰值计算电路输出的直流电压Vref_cc，并输出逻辑控制信号ocp到RS触发器6。
所述RS触发器6的输出端用于输出控制功率管开启或关断的PWM信号，RS触发器6的S端连接PWM_ON信号。
所述RS触发器6在功率管开启期间，检测比较器4输出的逻辑控制信号ocp，当主控芯片7的变压器初级峰值电流检测端电压达到预设的峰值电压使逻辑控制信号ocp翻转时，RS触发器6输出的PWM信号翻转为低电平，经过系统延时后，功率管关断；在功率管关断期间，RS触发器6检测PWM_ON信号，当检测到需要开启功率管的PWM_ON信号时，RS触发器6输出的PWM信号翻转为高电平。
如图2所示，为了方便解释，本实施例参考原边反馈反激拓扑AC/DC开关电源，但本领域技术人员将了解到，本发明还可以应用于其他类型的PWM模式AC/DC开关电源。
图2为典型的原边反馈反激检测电源转换器系统应用结构框图。电源转换器的主控芯片7包括VDD端、GND端、BD端(功率管驱动开关)、CS端(变压器初级峰值电流检测端)、FB端(输出负载状态调节端)和COMP端(环路补偿端)，在主控芯片7上电后，通过启动电阻R1给启动电容C1充电，当电容C1的电压达到主控芯片7内部预设的启动电压时，主控芯片7启动。在功率管开启期间，变压器初级绕组电感和交流输入电压整流后的直流电压源Vin一起控制流过变压器8初级绕组的电流上升斜率，该电流流过连接在功率管到地的限流电阻R5，并在CS端产生一个固定斜率上升的电压信号，当CS端电压被主控芯片7内部电路检测到达预设的电压值以后，PWM端输出信号控制关断功率管，在功率管关断期间，变压器8次级绕组和与之相连的输出整流二极管一起对输出电压提供能量，同时变压器8辅助绕组和与之相连的输入整流二极管一起对VDD提供能量，同时变压器8辅助绕组和与之相连的第一原边采样分压电阻R2和第二原边采样分压电阻R3一起对主控芯片的FB端提供采样电压。
如图3所示，所述峰值计算电路2包括放大器A1、放大器A2、第一电流镜9、第二电流镜10、开关管M1、电容C5、电容C6和传输门。
所述放大器A1的同相输入端与主控芯片内部的基准电压连接，放大器A1的反相输入端与第一电流镜9的第一输出端连接，放大器A1的输出端与第一电流镜9的输入端连接，第一电流镜9的第二输出端分别与开关管M1的漏极、电容C5的第一端和传输门连接。
所述放大器A2的同相入端与采样保持电路的输出端连接，放大器A2的反相输入端与第二电流镜10的第一输出端连接，放大器A2的输出端与第二电流镜10的输入端连接，第二电流镜10的第二输出端与开关管M1的源极连接。
所述开关管M1的栅极与退磁时间检测电路的输出端连接。
所述传输门分别与电容C6的第一端和比较器的第一输入端连接。
所述电容C5和电容C6的第二端均接地。
所述第一电流镜9包括N沟道结型场效应晶体管M2、P沟道结型场效应晶体管M3、P沟道结型场效应晶体管M4和电阻R6，N沟道结型场效应晶体管M2的栅极与放大器A1的输出端连接，N沟道结型场效应晶体管M2的源极与放大器A1的反相输入端连接，N沟道结型场效应晶体管M2的源极通过电阻R6接地，N沟道结型场效应晶体管M2的漏极与P沟道结型场效应晶体管M3的源极连接，P沟道结型场效应晶体管M3的栅极分别与P沟道结型场效应晶体管M3的源极和P沟道结型场效应晶体管M4的栅极连接，P沟道结型场效应晶体管M3和P沟道结型场效应晶体管M4的漏极均接电源，P沟道结型场效应晶体管M4的源极分别与开关管M1的漏极、电容C5的第一端和传输门连接。
所述第二电流镜10包括N沟道结型场效应晶体管M5、P沟道结型场效应晶体管M6、P沟道结型场效应晶体管M7、N沟道结型场效应晶体管M8、N沟道结型场效应晶体管M9和电阻R7，N沟道结型场效应晶体管M5的栅极与放大器A2的输出端连接，N沟道结型场效应晶体管M5的源极与放大器A2的反相输入端连接，N沟道结型场效应晶体管M5的源极通过电阻R7接地，N沟道结型场效应晶体管M5的漏极与P沟道结型场效应晶体管M6的源极连接，P沟道结型场效应晶体管M6的栅极分别与P沟道结型场效应晶体管M6的源极和P沟道结型场效应晶体管M7的栅极连接，P沟道结型场效应晶体管M6和P沟道结型场效应晶体管M7的漏极均接电源，P沟道结型场效应晶体管M7的源极分别与N沟道结型场效应晶体管M8的漏极、N沟道结型场效应晶体管M8的栅极和N沟道结型场效应晶体管M9的栅极连接，N沟道结型场效应晶体管M8和N沟道结型场效应晶体管M9的源极均接地，N沟道结型场效应晶体管M9的漏极与开关管M1的源极连接。
图3中，第一电流镜9的电流为其中电压Vref1和电阻R6由主控芯片7内部设定；第二电流镜10的电流为其中电阻R7由主控芯片7内部设定，且电阻R6和电阻R7匹配，电压Vcs_p为采样保持电路2采集到的CS端的峰值电压。在整个PWM周期，第一电流镜都在给电容C5充电，由于退磁时间控制开关管M1，所以只有在退磁时间内，第二电流镜10在给电容C6放电；在PWM关周期，电容C5上的电传到电容C6上，并在整个PWM开周期保持住。如果当前周期CS的峰值电压偏小，则采样到的CS端的峰值电压Vcs_p也就相应偏小，则在退磁时间内，第二电流镜的放电电流也就相应减小，从而电容C5上的电压上升，也会导致其输出电压Vref_cc增加，使下一周期的CS端的峰值电压上升；同理如果当前周期的CS端的峰值电压偏大，采样到的CS端的峰值电压Vcs_p也就相应偏大，那么第二电流镜10的放电电流也会相应增加，从而电容C5上的电压下降，导致其输出电压Vref_cc变低，使下一周期CS端的峰值电压降低，从而完成自适应峰值电压。
上述推到过程如下：
系统稳定时，电容C5的电压恒定，则有：
而
而采样到的峰值电压为
Vcs_p＝Vref_cc (8)
由公式(5)～公式(8)可得
式中，Vref1为主控芯片7内部的基准电压，电阻R6和电阻R7匹配，所以输出的电流精度极高，电阻R5和安匝比n用于调节输出电流大小以便用于不同环境。这样变压器初级电感峰值电流的大小就不再受到变压器初级电感量Lp、交流输入电压经过桥式整流电路后的电压值Vin、PWM发出关断信号到功率管关断之间的系统延迟时间Td的影响，从而实现高精度恒流恒功率的自适应补偿。
本发明还提供了一种开关电源，包括上述自适应高精度恒流电路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.一种自适应高精度恒流电路，集成在电源的主控芯片(7)内，包括采样保持电路(1)、峰值计算电路(2)、退磁时间检测电路(3)、比较器(4)、前沿消隐电路(5)和RS触发器(6)；
所述采样保持电路(1)的输入端与主控芯片(7)的变压器初级峰值电流检测端连接，采样保持电路(1)的输出端与峰值计算电路(2)的第一输入端连接；
所述退磁时间检测电路(3)的输入端与主控芯片(7)的输出负载状态调节端连接，退磁时间检测电路(3)的输出端与峰值计算电路(2)的第二输入端连接；
所述峰值计算电路(2)的输出端与比较器(4)的第一输入端连接；
所述前沿消隐电路(5)的输入端与主控芯片(7)的变压器初级峰值电流检测端连接，前沿消隐电路(5)的输出端与比较器(4)的第二输入端连接；
所述比较器(4)的输出端与RS触发器(6)的R端连接；
所述RS触发器(6)的输出端用于输出控制功率管开启或关断的PWM信号，RS触发器(6)的S端连接PWM_ON信号；
所述RS触发器(6)在功率管开启期间，检测比较器(4)输出的逻辑控制信号ocp，当主控芯片(7)的变压器初级峰值电流检测端电压达到预设的峰值电压使逻辑控制信号ocp翻转时，RS触发器(6)输出的PWM信号翻转为低电平，功率管关断；在功率管关断期间，RS触发器(6)检测PWM_ON信号，当检测到需要开启功率管的PWM_ON信号时，RS触发器(6)输出的PWM信号翻转为高电平，其特征在于：
所述峰值计算电路(2)包括放大器A1、放大器A2、第一电流镜(9)、第二电流镜(10)、开关管M1、电容C5、电容C6和传输门；
所述放大器A1的同相输入端与主控芯片内部的基准电压连接，放大器A1的反相输入端与第一电流镜(9)的第一输出端连接，放大器A1的输出端与第一电流镜(9)的输入端连接，第一电流镜(9)的第二输出端分别与开关管M1的漏极、电容C5的第一端和传输门连接；
所述放大器A2的同相入端与采样保持电路的输出端连接，放大器A2的反相输入端与第二电流镜(10)的第一输出端连接，放大器A2的输出端与第二电流镜(10)的输入端连接，第二电流镜(10)的第二输出端与开关管M1的源极连接；
所述开关管M1的栅极与退磁时间检测电路的输出端连接；
所述传输门分别与电容C6的第一端和比较器的第一输入端连接；
所述电容C5和电容C6的第二端均接地；
所述第一电流镜(9)包括N沟道结型场效应晶体管M2、P沟道结型场效应晶体管M3、P沟道结型场效应晶体管M4和电阻R6，N沟道结型场效应晶体管M2的栅极与放大器A1的输出端连接，N沟道结型场效应晶体管M2的源极与放大器A1的反相输入端连接，N沟道结型场效应晶体管M2的源极通过电阻R6接地，N沟道结型场效应晶体管M2的漏极与P沟道结型场效应晶体管M3的源极连接，P沟道结型场效应晶体管M3的栅极分别与P沟道结型场效应晶体管M3的源极和P沟道结型场效应晶体管M4的栅极连接，P沟道结型场效应晶体管M3和P沟道结型场效应晶体管M4的漏极均接电源，P沟道结型场效应晶体管M4的源极分别与开关管M1的漏极、电容C5的第一端和传输门连接；
所述第二电流镜(10)包括N沟道结型场效应晶体管M5、P沟道结型场效应晶体管M6、P沟道结型场效应晶体管M7、N沟道结型场效应晶体管M8、N沟道结型场效应晶体管M9和电阻R7，N沟道结型场效应晶体管M5的栅极与放大器A2的输出端连接，N沟道结型场效应晶体管M5的源极与放大器A2的反相输入端连接，N沟道结型场效应晶体管M5的源极通过电阻R7接地，N沟道结型场效应晶体管M5的漏极与P沟道结型场效应晶体管M6的源极连接，P沟道结型场效应晶体管M6的栅极分别与P沟道结型场效应晶体管M6的源极和P沟道结型场效应晶体管M7的栅极连接，P沟道结型场效应晶体管M6和P沟道结型场效应晶体管M7的漏极均接电源，P沟道结型场效应晶体管M7的源极分别与N沟道结型场效应晶体管M8的漏极、N沟道结型场效应晶体管M8的栅极和N沟道结型场效应晶体管M9的栅极连接，N沟道结型场效应晶体管M8和N沟道结型场效应晶体管M9的源极均接地，N沟道结型场效应晶体管M9的漏极与开关管M1的源极连接。
2.一种开关电源，其特征在于：包括如权利要求1所述的自适应高精度恒流电路。
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