CN105403753A - 一种开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，包括PWM反相电路，第一采样电路，微调电路，延时电路和第二采样电路，所述微调电路对第一采样电路获得的第一采样电压进行微调，补偿由于电源控制器芯片内部传输延时造成的误差；延时电路保证二次采样电路开始采样时，电源控制器芯片内部传输延时已完成，保证第二采样电路最终采样电压为已经达到峰值的开关电源初级峰值电压，从而实现了对开关电源真实初级峰值电压的采样。该初级峰值电压通过取样电阻即可获得精准的开关电源初级电感峰值电流，从而避免了由于传输延迟等因素导致的开关电源初级电感峰值电流采样不准确，保证了采样精度，进而提高了开关电源控制器芯片的稳定性，一致性。

Description

一种开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路。

背景技术

随着集成电路的高速发展，开关电源作为集成电路领域必不可少的一部分得到越来越多的应用，而开关电源初级电感峰值电流作为开关电源的一项重要技术参数,其采样精度将大大影响开关电源控制器芯片的整体性能。传统的采样电路在PWM信号关断时即对开关电源初级电感的峰值电流进行采样。然而，由于开关电源控制器芯片内部存在传输延迟等不可预知因素，PWM信号关断到开关电源控制器芯片BD端口真正关断之间存在时间延迟，故在PWM信号关断至开关电源控制器芯片BD端口真正关断过程中，开关电源的初级峰值电压继续上升，从而导致采样的开关电源初级峰值电压与开关电源真实峰值电压之间存在偏差，进而导致开关电源初级电感峰值电流采样数值与真实数值之间存在偏差，以致内部运算时出现误差，从而导致控制器芯片整体性能降低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，将该电路应用于开关电源中，能够更加精准的采样到开关电源真实的初级峰值电压，进而通过取样电阻可以获得精准的开关电源初级电感峰值电流，避免由于传输延迟等因素导致的采样电流不准确，从而提高开关电源控制器芯片的稳定性，一致性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，包括：PWM反相电路，第一采样电路，微调电路，延时电路和第二采样电路；

所述PWM反相电路外接开关电源的控制单元输出的PWM信号，同时与第一采样电路和延时电路电连接，用于将PWM信号反相，并将其输出到第一采样电路和延时电路；

所述第一采样电路，外接初级峰值电压输出端口，同时与PWM反相电路、微调电路和第二采样电路电连接，用于对开关电源初级峰值电压进行采样并保持，获得第一采样电压；

所述微调电路，外接初级峰值电压输出端口，同时与第一采样电路和第二采样电路电连接，用于比较当前开关电源实时初级峰值电压与第一采样电压，根据比较结果对第一采样电压进行微调；

所述延时电路，与PWM反相电路和第二采样电路电连接，用于控制第二采样电路开始采样的时间；

所述第二采样保持电路，用于对微调后的采样电压进行采样并保持，获得第二采样电压；

其中，所述初级峰值电压输出端口具体为开关电源初级电感峰值电流流过取样电阻产生的初级峰值电压输出端口。

特别地，所述PWM反相电路包括非门，所述非门输入端外接开关电源的控制单元输出的PWM信号，输出端连接第一采样电路和延时电路。

特别地，所述第一采样电路包括第一电容和传输门，所述传输门输入端外接初级峰值电压输出端口，输出端连接微调电路和第二采样电路，控制端连接PWM反相电路；所述第一电容一端连接传输门输出端，另一端接地。

特别地，所述微调电路包括比较器和PMOS晶体管，所述比较器负输入端外接初级峰值电压输出端口，正输入端连接PMOS晶体管漏极，输出端连接PMOS晶体管栅极；所述PMOS晶体管源极外接电源，漏极连接第一采样电路和第二采样电路。

特别地，所述延时电路包括延时器，所述延时器输入端连接PWM反相电路，输出端连接第二采样电路。

特别地，所述第二采样电路包括NMOS晶体管和第二电容，所述NMOS晶体管栅极连接延时电路，源极经第二电容接地，漏极连接微调电路和第一采样电路。

本发明提出的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路应用于开关电源中，第一采样电路采样并保持PWM信号关断瞬间开关电源初级峰值电压，获得第一采样电压，第一微调电路比较第一采样电压与开关电源实时初级峰值电压，并根据比较结果对第一采样电压进行微调，使微调后的采样电压跟随开关电源实时初级峰值电压，当PWM信号关断时间达到延时电路设定时间时，第二采样电路对微调后的采样电压进行采样并保持，获得第二采样电压，将其作为开关电源初级峰值电压输出。所述延时电路延时时间大于或等于PWM信号关断至开关电源控制器芯片BD端口真正关断所需时间，从而保证第二采样电路采样到的电压已经达到开关电源真正的初级峰值电压。该初级峰值电压通过取样电阻即可获得精准的开关电源初级电感峰值电流，从而避免由于传输延迟等因素导致的开关电源初级电感峰值电流采样不准确的问题，提高开关电源控制器芯片的稳定性，一致性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的结构框图。

图2是本发明实施例提供的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的电路结构示意图。

图3是采用本发明实施例提供的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的控制器芯片应用于开关电源的电路结构示意图。

图4是本发明实施例提供的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的时序信号关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

请参照图1、2所示，图1为本发明实施例提供的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的结构框图。图2为本发明实施例提供的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的电路结构示意图。

本实施例中，开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路包括PWM反相电路101、第一采样电路102、微调电路103、延时电路104和第二采样电路105。

所述PWM反相电路101包括非门A21，所述非门A21输入端外接开关电源的控制单元输出的PWM信号，输出端连接第一采样电路102和延时电路104，将PWM信号反相后输出到第一采样电路102和延时电路104。

所述第一采样电路102外接开关电源初级电感峰值电流流过取样电阻产生的初级峰值电压输出端口，以下简称为初级峰值电压输出端口，同时与PWM反相电路101、微调电路103和第二采样电路105电连接，用于对开关电源初级峰值电压进行采样并保持，获得第一采样电压，具体包括：第一电容C21和传输门TG21，所述传输门TG21输入端外接初级峰值电压输出端口，输出端连接微调电路103和第二采样电路105，两个控制端分别连接PWM和PWM反相信号；所述第一电容C21一端连接传输门TG21输出端，另一端接地。

第一采样电路102中，当PWM导通、PWM反相信号关断时，传输门TG21导通，开关电源初级峰值电压Vcs经传输门TG21输入端传递到传输门TG21输出端，进而传递到第一电容C21。当Vcs电压上升到芯片内部设定值时，PWM关断，传输门TG21关断，第一电容C21上的电压作为第一采样电压保持PWM关断前的Vcs电压数值。

所述微调电路103外接初级峰值电压输出端口，同时与第一采样电路102和第二采样电路105电连接，用于比较当前开关电源实时初级峰值电压与第一采样电压，根据比较结果对第一采样电压进行微调，具体包括：比较器COMP21和PMOS晶体管P21，所述比较器COMP21负输入端外接初级峰值电压输出端口，正输入端连接PMOS晶体管P21漏极，输出端连接PMOS晶体管P21栅极；所述PMOS晶体管P21源极外接电源，漏极同时连接第一采样电路102中传输门TG21输出端和第二采样电路105。

微调电路103中，比较器COMP21比较第一采样电压未达到当前开关电源初级峰值实时电压数值时，则PMOS晶体管P21导通，第一电容C21充电，第一采样电压上升，直至第一采样电压达到当前开关电源初级峰值实时电压数值，则PMOS晶体管P21关断，第一电容C21停止充电，第一采样电压保持当前开关电源峰值实时电压数值。

所述延时电路104包括延时器T21，所述延时器T21输入端连接PWM反相信号，输出端连接第二采样电路105，当PWM关断时，延时器T21开始计时，计时时间到，延时器T21输出端输出高电平，触发第二采样电路105开始采样。所述延时器T21设定的延时时间大于或等于PWM信号关断至开关电源控制器芯片BD端口真正关断所需时间，从而保证第二采样电路采样到的电压已经达到开关电源真正的初级峰值电压。

所述第二采样电路105包括NMOS晶体管N21和第二电容C22，所述NMOS晶体管N21栅极连接延时电路104中延时器T21输出端，源极经第二电容C22接地，漏极同时连接微调电路103中PMOS晶体管P21漏极和第一采样电路102中传输门TG21输出端。NMOS晶体管N21漏极作为第二采样电路105输出端。

第二采样电路电路105中，当延时电路104延时时间到、输出端输出高电平时，NMOS晶体管N21导通，微调后的采样电压经NMOS晶体管N21输出到第二电容C22上，直至PWM再次导通，NMOS晶体管N21关断，第二电容C22上电压保持微调后的采样电压，并作为第二采样电压输出。

本实施例中，开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的工作原理为：

开关电源控制器芯片通电，PWM导通，使芯片BD端口发出开启控制管信号，开关电源初级峰值电压Vcs线性上升。此时，传输门TG21导通，同时，PWM反向信号关断，延时器T21关断，NMOS晶体管N21关断，故第一电容C21充电，第一电容C21上电压也线性上升，第一电容C21上电压作为第一采样电压定义为Vcs_s。直至开关电源初级峰值电压上升到设定阈值，则PWM关断，此时，传输门TG21关断,第一电容C21上电压保持PWM关断前一刻的峰值电压Vcs值。由于芯片内部传输延迟等因素，PWM关断时，芯片BD端口还未真正关断，在PWM关断至BD端口真正关断期间，开关电源初级峰值电压Vcs仍然线性上升，直至BD端口真正关断前一刻，Vcs达到峰值Vcs_max。比较器COMP21比较当前开关电源实时初级峰值电压Vcs和第一采样电压Vcs_s，在Vcs_s未达到Vcs时，PMOS晶体管P21导通，第一电容C21继续充电,让Vcs_s电压跟随Vcs电压。当BD端口真正关断前一刻，Vcs达到峰值Vcs_max，则Vcs_s也等于Vcs_max。随后，PMOS晶体管P21关断，Vcs_s电压保持Vcs_max。

同时，当PWM关断时，延时器T21开始计时，计时时间到，延时器T21输出端输出高电平，NMOS晶体管N21导通，第一采样电压Vcs_s经NMOS晶体管N21输出到第二电容C22上，第二电容C22上的电压作为第二采样电压定义为Vc_sp。延时器T21设定的延时时间大于或等于PWM信号关断至开关电源控制器芯片BD端口真正关断所需时间，从而保证第二采样电路开始采样时，第一采样电压已经达到峰值Vcs_max，进而保证第二采样电压Vcsp达到开关电源真正的初级峰值电压。当PWM再次导通时，PWMN反相信号关断，延时器T21关断，NMOS晶体管N21关断，第二电容C22上的电压保持Vcs_max，此电压真实反应开关电源初级峰值电压，可以作为后续电路的输入源，更加准确。

将上述实施例所述开关电源峰值采样电路应用于开关电源控制器芯片中，进而应用于开关电源中，如图3所示，图3为采用上述实施例提供的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的控制器芯片应用于开关电源的电路结构示意图。

图3中，A31为采用上述实施例提供的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的控制器芯片，电阻R31和电容C31构成整个环路的启动网络；电阻R32、R33和电容C33构成整个应用电路的反馈网络；三极管T31作为环路的控制管，电阻R35作为取样电阻检测环路初级电感峰值电流，电容C35作为环路补偿电容，电阻R34、C34和二极管D31构成环路RCD吸收网络。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路的时序信号关系图。

图4中，控制器芯片A31上电后，当C31上电压上升到控制器芯片A31启动电压后，控制器芯片A31发出启动信号，PWM信号使控制器芯片A31的BD端口开始发出开启控制管、即三极管T31的信号，三极管T31导通，在BD端口开启期间，开关电源的变压器初级电感电流线性上升，则电阻R35上的电压Vcs也线性上升，当Vcs上升到控制器芯片A31设定值时，A31发出PWM关断信号，然而在A31发出PWM关断信号到BD端口真正关断之间存在一定的延迟(Td)，当这个延迟时间过后，BD端口发出关断信号，三极管T31关断，Vcs电压则为0。上述延迟时间跟芯片的布局，寄生参数有很大的关系，其时间不受控，故实际上在控制器芯片A31发出PWM关断信号后Vcs电压还在继续上升，并且上升时间（Td）受芯片内部传输延时等因素影响，所以真实的开关电源峰值电压不定。传统的开关电源峰值采样电路在控制器芯片A31发出PWM关断信号时即采样Vcs数值,作为开关电源峰值电压，这样就造成一定的偏差。而上述实施例所述开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，微调电路补偿由于芯片内部传输延时等造成的误差，延时电路保证最终采样时芯片内部传输延时已经完成，保证最终采样到的初级峰值电压已经达到Vcs峰值电压。

将本实施例所述辅助采样电路获得的开关电源初级峰值电压通过取样电阻R35，即可实现对真实的开关电源峰值电流的采样，保证了采样的精度。

本发明的技术方案应用于开关电源，即可获得开关电源真正的初级峰值电压，该初级峰值电压通过取样电阻即可获得精准的开关电源初级电感峰值电流，从而避免由于传输延迟等因素导致的开关电源初级电感峰值电流采样不准确的问题，提高开关电源控制器芯片的稳定性，一致性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，包括：PWM反相电路，第一采样电路，微调电路，延时电路和第二采样电路；

所述PWM反相电路外接开关电源的控制单元输出的PWM信号，同时与第一采样电路和延时电路电连接，用于将PWM信号反相，并将其输出到第一采样电路和延时电路；

所述第一采样电路，外接初级峰值电压输出端口，同时与PWM反相电路、微调电路和第二采样电路电连接，用于对开关电源初级峰值电压进行采样并保持，获得第一采样电压；

所述微调电路，外接初级峰值电压输出端口，同时与第一采样电路和第二采样电路电连接，用于比较当前开关电源实时初级峰值电压与第一采样电压，根据比较结果对第一采样电压进行微调；

所述延时电路，与PWM反相电路和第二采样电路电连接，用于控制第二采样电路开始采样的时间；

所述第二采样保持电路，用于对微调后的采样电压进行采样并保持，获得第二采样电压；

其中，所述初级峰值电压输出端口具体为开关电源初级电感峰值电流流过取样电阻产生的初级峰值电压输出端口。

2.根据权利要求1所述的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，其特征在于，所述PWM反相电路包括非门，所述非门输入端外接开关电源的控制单元输出的PWM信号，输出端连接第一采样电路和延时电路。

3.根据权利要求1所述的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，其特征在于，所述第一采样电路包括第一电容和传输门，所述传输门输入端外接初级峰值电压输出端口，输出端连接微调电路和第二采样电路，控制端连接PWM反相电路；所述第一电容一端连接传输门输出端，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，其特征在于，所述微调电路包括比较器和PMOS晶体管，所述比较器负输入端外接初级峰值电压输出端口，正输入端连接PMOS晶体管漏极，输出端连接PMOS晶体管栅极；所述PMOS晶体管源极外接电源，漏极连接第一采样电路和第二采样电路。

5.根据权利要求1所述的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，其特征在于，所述延时电路包括延时器，所述延时器输入端连接PWM反相电路，输出端连接第二采样电路。

6.根据权利要求1所述的开关电源初级电感峰值电流辅助采样电路，其特征在于，所述第二采样电路包括NMOS晶体管和第二电容，所述NMOS晶体管栅极连接延时电路，源极经第二电容接地，漏极连接微调电路和第一采样电路。