CN106026619B - 限流峰值调整电路、限流单元、控制电路及功率变换器 - Google Patents

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Abstract

提出了一种限流峰值调整电路、限流单元及包含该限流峰值调整电路的控制电路和功率变换器。根据本公开各实施例的限流峰值调整电路用于为功率变换器提供限流阈值以限定允许流过其主开关的最大电流。该限流峰值调整电路在所述功率变换器的输出电压恒定模式使该限流阈值在开关切换频率从第一设定频率降低至第二设定频率的过程随开关切换频率的减小而减小。从而可以控制功率变换器在进入例如休眠状态时，功耗进一步降低，以满足在线下电源应用中对于低功耗的要求。

Description

限流峰值调整电路、限流单元、控制电路及功率变换器
技术领域
本公开的实施例涉及功率变换器，尤其涉及开关型功率变换器及其限流峰值调整电路。
背景技术
反激式功率变换器是在工业电子设备及消费电子设备中常用的功率变换器类型之一。反激式功率变换器可以采用原边反馈控制技术以降低成本。
在线下电源应用中，为了尽量减少休眠状态的功耗，通常需要将反激式功率变换器的开关切换频率降低至100HZ以下。然而对于很多线下的低功耗应用，仅降低开关切换频率还是不能满足休眠状态的低功耗及低噪要求。因而还需要减小允许流过反激式功率变换器的原边侧(初级侧)的功率开关的最大电流。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本公开的实施例提供一种限流峰值调整电路、限流单元及包含该限流峰值调整电路的控制电路和功率变换器。
在本公开的一个方面，提出了一种用于调节允许流过功率变换器的主开关的开关电流的峰值最大值的限流峰值调整电路。该限流峰值调整电路具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其第一输入端用于接收表征所述功率变换器的开关切换频率的频率表征信号，其第二输入端用于接收表征第一设定频率的第一参考信号，其第三输入端用于接收表征第二设定频率的第二参考信号，该限流峰值调整电路被构建以基于该频率表征信号、该第一参考信号和该第二参考信号在其输出端提供限流阈值，该限流阈值表征了所述开关电流的峰值最大值。该限流峰值调整电路还被构建以在所述功率变换器的输出电压恒定模式使该限流阈值受所述开关切换频率调制，在该开关切换频率等于第一设定频率时将该限流阈值设定在限流阈值最大值，在该开关切换频率大于第一设定频率时将该限流阈值保持在该限流阈值最大值，在该开关切换频率从第一设定频率降低至第二设定频率的过程中使该限流阈值随开关切换频率的减小而减小，在该开关切换频率降至等于第二设定频率时使该限流阈值减小至限流阈值最小值，并在该开关切换频率小于第二设定频率且大于允许的最小开关切换频率时将该限流阈值保持在该限流阈值最小值。
在本公开的另一方面，提出了一种用于功率变换器的限流单元。该限流单元包括限流比较器和限流峰值调整电路。该限流比较器用于分别接收表征流过该功率变换器的主开关的开关电流的电流采样信号和表征所述开关电流的峰值最大值的限流阈值，并将该电流采样信号与该限流阈值比较以提供关断控制信号，当该电流采样信号达到该限流阈值时，该关断控制信号触发所述主开关关断。该限流峰值调整电路用于接收表征所述功率变换器的开关切换频率的频率表征信号，并基于该频率表征信号在所述功率变换器的输出电压恒定模式调节所述限流阈值，以使该限流阈值在开关切换频率大于等于第一设定频率时被设定并保持在限流阈值最大值、在开关切换频率从第一设定频率降低至第二设定频率的过程中随开关切换频率的减小而减小并从所述限流阈值最大值减小至限流阈值最小值、在开关切换频率小于等于该第二设定频率并且大于允许的最小开关切换频率时被设定并保持在该限流阈值最小值。
在本公开的又一方面提出了一种用于功率变换器的控制电路。该控制电路包括所述限流单元和恒压控制单元。该恒压控制单元用于接收表征所述功率变换器的输出电压的反馈信号和表征该输出电压的期望值的参考信号，将该反馈信号与该参考信号进行运算以提供表征该反馈信号与该参考信号之差值的差值放大信号，并将该差值放大信号与锯齿波信号比较以输出恒压导通控制信号，若该锯齿波信号达到所述差值放大信号，则该恒压导通控制信号触发功率变换器的主开关导通；该恒压控制单元还用于接收所述关断控制信号，以控制所述主开关的关断。
在本公开的再一方面提出了一种功率变换器，包括所述限流峰值调整电路。
利用上述方案，可以控制功率变换器在进入例如休眠状态时，降低开关切换频率的同时还使允许流过其主开关的最大电流随开关切换频率降低而减小，从而进一步降低功耗，以满足在线下电源应用中对于低功耗的要求。
附图说明
下面的附图有助于更好地理解接下来对本公开不同实施例的描述。这些附图并非按照实际的特征、尺寸及比例绘制，而是示意性地示出了本公开一些实施方式的主要特征。这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本公开的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
图1示出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路架构示意图；
图2示出了根据本公开一个实施例的可以用于功率变换器100的控制电路103的电路架构示意图；
图3示出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的限流阈值VCS_LIM随开关切换频率fs变化的波形示意图；
图4示出了根据本公开一个实施例的可用作图2中示意的限流峰值调整电路2022的一种更详细的电路架构示意图。
具体实施方式
下面将详细说明本公开的一些实施例。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如实施例中的具体电路结构和这些电路元件的具体参数，都用于对本公开的实施例提供更好的理解。本技术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况下，本公开的实施例也可以被实现。
在本公开的说明书中，提及“一个实施例”时均意指在该实施例中描述的具体特征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本公开的一个实施例中。因而，在本公开的说明书中，若采用了诸如“根据本公开的一个实施例”、“在一个实施例中”等用语并不用于特指在同一个实施例中，若采用了诸如“在另外的实施例中”、“根据本公开的不同实施例”、“根据本公开另外的实施例”等用语，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的实施例中。本领域的技术人员应该理解，在本公开说明书的一个或者多个实施例中公开的各具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。另外，在本公开的说明书及权利要求中，“耦接”一词意指通过电气或者非电气的方式实现直接或者间接的连接。“一个”并不用于特指单个，而是可以包括复数形式。“在……中”可以包括“在……中”和“在……上”的含义。除非特别明确指出，“或”可以包括“或”、“和”及“或/和”的含义，并不用于特指只能选择几个并列特征中的一个，而是意指可以选择其中的一个或几个或其中某几个特征的组合。除非特别明确指出，“基于”一词不具有排它性，而是意指除了基于明确描述的特征之外，还可以基于其它未明确描述的特征。“电路”意指至少将一个或者多个有源或无源的元件耦接在一起以提供特定功能的结构。“信号”至少可以指包括电流、电压、电荷、温度、数据、压力或者其它类型的信号。若“晶体管”的实施例可以包括“场效应晶体管”或者“双极结型晶体管”，则“栅极/栅区”、“源极/源区”、“漏极/漏区”分别可以包括“基极/基区”、“发射极/发射区”、“集电极/集电区”，反之亦然。本领域的技术人员应该理解，以上罗列的对本公开中描述用语的解释仅仅是示例性的，并不用于对各用语进行绝对的限定。
图1示出了根据本公开一个实施例的功率变换器100的电路架构示意图。该功率变换器100可以包括：输入端IN，用于接收输入电压Vin；输出端OUT，用于提供输出电压Vo，以为负载105供电；开关单元，至少包括一主开关，例如图1中示意的主开关101，该开关单元被配置为基于驱动信号DRV进行导通和关断切换，以将输入电压Vin转换为合适的输出电压Vo；以及控制电路103，至少具有第一控制输入端FB、第二控制输入端CS、接地端GND和第一控制输出端DRV，其中该第一控制输入端FB检测/接收表征输出电压Vo的反馈信号Vfb，该第二控制输入端CS检测/接收反映流过主开关101的开关电流的电流采样信号VCS，该控制电路103被构建用于至少基于反馈信号Vfb、电流采样信号VCS、参考信号Vref和限流阈值VCS_LIM(参见图2示意)在该第一控制输出端DRV提供驱动信号DRV至所述开关单元。其中参考信号Vref表征了输出电压Vo的期望值，限流阈值VCS_LIM表征了允许流过主开关101的开关电流的峰值最大值(以下称为限流峰值)Ipk。该参考信号Vref和该限流阈值VCS_LIM均可以由功率变换器100的相应内部电路单元产生。
根据本公开的一个示例性实施例，功率变换器100的开关单元还可以包括从开关，例如图1中示意的从开关102。在图1的示例性实施例中，主开关101包括可控开关元件，例如示意为MOSFET，具有第一端SW、第二端和控制端。从开关102示例性地包括二极管。从开关102进行与主开关101互补的导通和关断切换，即主开关101导通时从开关102关断，主开关101关断时从开关102导通。在其它实施例中，从开关102可以为其它可控开关元件，例如MOSFET，其同样受驱动信号DRV的控制，以进行与主开关101互补的导通和关断切换。
根据本公开的一个示例性实施例，功率变换器100还可以包括感性储能元件104，用于在开关单元的主开关101导通时耦接至输入端IN并储存能量，并在主开关101关断时耦接至输出端OUT以释放能量至负载105。在图1示意的实施例中，感性储能元件104示例性地包括变压器，具有第一绕组N1和第二绕组N2，其中第一绕组N1为原边绕组，耦接输入端IN和主开关101的第一端SW，第二绕组N2为副边绕组，经从开关102耦接至负载105。功率变换器100还可以包括容性输出滤波元件Co，耦接输出端OUT，用于对开关单元的输出滤波(或者可以看作对输出电压Vo滤波)以使输出端OUT提供平滑的输出电压Vo。因此，图1示意的示例性实施例中，功率变换器100具有反激式变换器(flyback converter)拓扑结构，也可以称为反激式功率变换器100。该反激式反激式功率变换器100的输入端IN接收的输入电压Vin为未经调整的直流(DC)电压。如图1中示意，该直流电压Vin例如可以将交流供电电压(AC IN)经整流桥107整流后并由简单的输入输入滤波电路(例如包括输入电感Lin、第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2)滤波得到。这种可以实现AC-DC转换的反激式功率变换器100有着广泛的应用市场，并由于其感性储能元件104采用变压器而能够实现输出电压Vo与供电电压AC IN隔离。根据本公开的一个示例性实施例，反激式功率变换器100的感性储能元件104还具有第三绕组N3，作为辅助绕组，用于通过反馈电路耦接至所述第一控制输入端FB。本领域的普通技术人员应该理解图1中将功率变换器100示意为反激式AC-DC功率变换器并不用于对本公开进行限定，而仅提供示例以方便说明与理解，在其它实施例中功率变换器100可以为任何合适的其它类型的功率变换器，例如具有升压型、升压-降压型、降压型等不同拓扑结构的功率变换器，以及直流-直流型(DC-DC)功率变换器等。
根据本公开的一个示例性实施例，功率变换器100还包括输入缓冲电路，耦接于输入端IN和主开关101的第一端SW之间，用于为原边绕组N1提供漏感电流通路。在图1中输入缓冲电路示意为包括电阻R1、电容C1以及快速恢复二极管D1，其中电阻R1和电容C1并联耦接后再与二极管D1串联耦接。
根据本公开的一个示例性实施例，反馈电路示例性地包括串联耦接于第三绕组N3的高电位端和接地端GND之间的第一反馈电阻Rfb1和第二反馈电阻Rfb2，第一反馈电阻Rfb1和第二反馈电阻Rfb2的公共端耦接至所述第一控制输入端FB以提供表征输出电压Vo的反馈信号Vfb。在其它实施例中也可以采用任何其它合适的反馈电路用于检测输出电压Vo以提供反馈信号Vfb。
图2示出了根据本公开一个实施例的可以用于功率变换器100的控制电路103的电路架构示意图。以下结合图1和图2对根据本公开实施例的功率变换器100和控制电路103进行进一步说明。
根据本公开的一个示例性实施例，控制电路103可以包括恒压控制单元201。恒压控制单元201被构建用于将反馈信号Vfb与参考信号Vref进行运算，以提供表征该反馈信号Vfb与该参考信号Vref之差值的差值放大信号Vcomp；并将差值放大信号Vcomp与锯齿波信号Vsaw比较以输出恒压导通控制信号CV_ON，若锯齿波信号Vsaw达到所述差值放大信号Vcomp，则恒压导通控制信号CV_ON触发所述驱动信号DRV将主开关101导通。恒压控制单元201还被构建用于接收关断控制信号OFFCTL，若流经主开关101的开关电流达到限流峰值Ipk，则该关断控制信号OFFCTL触发所述驱动信号DRV将主开关101关断。从开关102则进行与主开关互补的导通和关断切换。如此，恒压控制单元201通过控制开关单元中主开关101及从开关102进行周期性导通和关断切换使功率变换器100工作于输出电压恒定模式。因此，在输出电压恒定模式，功率变换器100的开关切换频率fs，亦即开关单元(主开关101及从开关102)的导通和关断切换频率可以认为由所述差值放大信号Vcomp决定。
根据本公开的一个示例性实施例，控制电路103还可以包括限流单元202。限流单元202被构建用于将电流采样信号VCS与限流阈值VCS_LIM比较以提供所述关断控制信号OFFCTL，若电流采样信号VCS达到所述限流阈值VCS_LIM，则关断控制信号OFFCTL触发所述驱动信号DRV将主开关101关断。所述电流采样信号VCS可以通过对流经主开关101的开关电流进行采样获得，返回参考图1，示例性地示出了一种简单的电流采样电路，包括第一采样电阻RS1和第二采样电阻RS2，该第一采样电阻耦接于主开关101的第二端和接地端GND之间，该第二采样电阻RS2耦接于控制电路103的第二控制输入端CS和主开关101的第二端之间。限流单元202还被构建用于在输出电压恒定模式基于功率变换器100的开关切换频率fs调节所述限流峰值Ipk，例如可以通过调整所述限流阈值VCS_LIM实现，以使该限流阈值VCS_LIM在开关切换频率fs大于(包括等于)第一设定频率f1时被设定并保持在限流阈值最大值VIpk-max(则相应地所述限流峰值Ipk保持在限流峰值最大值Ipk-max)，在开关切换频率fs从第一设定频率f1降低至第二设定频率f2的过程中，随开关切换频率fs的减小而减小并从所述限流阈值最大值VIpk-max减小至限流阈值最小值VIpk-min(则相应地所述限流峰值Ipk随开关切换频率fs的减小而从限流峰值最大值Ipk-max减小至限流峰值最小值Ipk-min)，在开关切换频率fs小于(包括等于)第二设定频率f2并且大于允许的最小开关切换频率fmin时被设定并保持在该限流阈值最小值VIpk-min(则相应地所述限流峰值Ipk保持在所述限流峰值最小值Ipk-min)。请参考图3示意出的限流阈值VCS_LIM随开关切换频率fs变化的波形示意图。如此，根据本公开实施例的限流单元202及包含该限流单元202的控制电路103可以基于所述限流阈值VCS_LIM调整所述限流峰值Ipk(即所述主开关101的开关电流的峰值最大值)在开关切换频率fs从第一设定频率f1降低至第二设定频率f2的过程中随开关切换频率fs减小而减小，以使功率变换器100在进入例如休眠状态时，降低开关切换频率fs的同时还使允许流过其主开关101的最大电流随开关切换频率fs降低而减小，从而进一步降低功耗，以满足在线下电源应用中对于低功耗的要求。
继续参考图2示意，根据本公开的一个示例性实施例，控制电路103还可以包括恒流控制单元203。恒流控制单元203被构建用于基于表征从开关102的导通时间tons的时间反馈信号Stons通过调节恒流控制电容2032的充放电以调节从开关102的导通时间tons和关断时间toffs的比(以下称为从开关导通关断时间比)保持在设定值Ds。该设定值Ds可以根据不同的应用环境对输出电压Vo的需求而选取不同的值。根据本公开的一个示例性实施例，恒流控制单元203可以通过将恒流控制电容2032上的电压VC与设定的电压阈值Vth比较以将从开关导通关断时间比保持在该设定值Ds，并基于比较结果提供恒流导通控制信号CC_ON。若恒流控制电容2032上的电压VC大于该设定的电压阈值Vth，则恒流导通控制信号CC_ON触发所述驱动信号DRV将主开关101导通。恒流控制单元203还被构建用于接收关断控制信号OFFCTL，若流经主开关101的开关电流达到限流峰值Ipk，则该关断控制信号OFFCTL触发所述驱动信号DRV将主开关101关断。从开关102则进行与主开关互补的导通和关断切换。如此，恒流控制单元203通过控制开关单元中主开关101及从开关102进行周期性导通和关断切换使功率变换器100工作于输出电流恒定模式。
根据本公开的一个示例性实施例，在输出电流恒定模式，限流单元202还被构建用于调节所述限流阈值VCS_LIM保持在所述限流阈值最大值VIpk-max。在这种情况下，输出电流Io与流经从开关102的开关电流的峰值Ipks之间的关系可以用下式(1)表达：
当从开关102导通时，流经从开关102的开关电流的峰值Ipks可以用下式(2)表达：
其中N1、N2分别表示原边绕组N1和副边绕组N2的匝数。将式(2)代入式(1)可得：
在输出电流恒定模式，由于表征流过主开关101的开关电流的限流峰值Ipk的限流阈值VCS_LIM被保持在所述限流阈值最大值VIpk-max，因此该限流峰值Ipk也保持恒定。所以，由上式(3)可见，输出电流Io保持恒定。
以下将仍参考图2示意，对根据本公开实施例的恒压控制单元201、限流单元202和恒流控制单元203进行进一步描述。
根据本公开的一个示例性实施例，恒压控制单元201可以包括恒压控制运算放大器2011、第一比较器(恒压控制比较器)2012和第一触发器2013。其中，恒压控制运算放大器2011的第一输入端(图2中示意为“+”输入端)用于接收反馈信号Vfb，其第二输入端(图2中示意为“-”输入端)用于接收参考信号Vref，其输出端则用于提供所述差值放大信号Vcomp。第一比较器2012的第一输入端(图2中示意为“-”输入端)用于接收差值放大信号Vcomp，其第二输入端(图2中示意为“+”输入端)用于接收锯齿波信号Vsaw，其输出端用于提供所述恒压导通控制信号CV_ON。第一触发器2013的复位端R用于接收所述恒压导通控制信号CV_ON，其置位端S用于接收来自限流单元202的关断控制信号OFFCTL，其输出端Q用于提供恒压控制信号CVCTL。
根据本公开的一个示例性实施例，恒压控制单元201还可以包括锯齿波发生电路2014用于产生所述锯齿波信号Vsaw，并在所述主开关101被关断时将所述锯齿波信号Vsaw重置。例如，该锯齿波发生电路2014可以具有重置输入端用于接收重置信号Rst。在一个实施例中，该重置信号Rst可以采用所述驱动信号DRV或者该驱动信号DRV及表征从开关102的导通时间tons的时间反馈信号Stons的或逻辑信号。
根据本公开的一个示例性实施例，恒压控制单元201还可以包括采样保持电路2015。该采样保持电路2015的输入端可以耦接至控制电路103的第一控制输入端FB以采样来自反馈电路的反馈信号并进行采样保持以在其输出端提供经采样保持的反馈信号Vfb至恒压控制运算放大器2011的第一输入端。
根据本公开的一个示例性实施例，限流单元202可以包括第二比较器(限流比较器)2021。该第二比较器2021的第一输入端(图2中示意为“+”输入端)用于接收所述电流采样信号VCS，其第二输入端(图2中示意为“-”输入端)用于接收所述限流阈值VCS_LIM，其输出端用于提供所述关断控制信号OFFCTL，其中当所述电流采样信号VCS达到所述限流阈值VCS_LIM时，所述关断控制信号OFFCTL触发所述驱动信号DRV将所述主开关101关断。
根据本公开的一个示例性实施例，限流单元202还可以包括限流峰值调整电路2022，用于在输出电压恒定模式基于功率变换器100的开关切换频率fs调节所述限流峰值Ipk，即使该限流峰值Ipk受开关切换频率fs调制。根据本公开的一个示例性实施例，该限流峰值调整电路2022通过采用开关切换频率fs调制所述限流阈值VCS_LIM实现对限流峰值Ipk的调制。在一个实施例中，限流峰值调整电路2022具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其第一输入端用于接收表征表征所述开关切换频率fs的频率表征信号F(fs)，其第二输入端用于接收表征第一设定频率f1的第一参考信号Vref_f1，其第三输入端用于接收表征第二设定频率f2的第二参考信号Vref_f2，该限流峰值调整电路2022用于基于该频率表征信号F(fs)、该第一参考信号Vref_f1和该第二参考信号Vref_f2在其输出端提供所述限流阈值VCS_LIM。该限流峰值调整电路2022还用于使该限流阈值VCS_LIM受所述开关切换频率fs的调制，在开关切换频率fs等于第一设定频率f1时被设定在限流阈值最大值VIpk-max，在开关切换频率fs大于第一设定频率f1时被保持在该限流阈值最大值VIpk-max，在开关切换频率fs从第一设定频率f1降低至第二设定频率f2的过程中，随开关切换频率fs的减小而减小，在开关切换频率fs降至等于第二设定频率f2时，减小至限流阈值最小值VIpk-min，并在开关切换频率fs小于第二设定频率f2且大于允许的最小开关切换频率fmin时被保持在该限流阈值最小值VIpk-min。根据本公开的一个实施例，由于在输出电压恒定模式，开关切换频率fs可以认为由所述差值放大信号Vcomp决定，因而可以将所述差值放大信号Vcomp用作表征所述开关切换频率fs的频率表征信号F(fs)。
图4示出了根据本公开一个实施例的限流峰值调整电路2022的电路架构示意图。在图4的例子中，限流峰值调整电路2022可以包括第一电流设定电路401、第二电流设定电路402和电流叠加及转换电路403。在一个实施例中，限流峰值调整电路2022还可以包括第一电流镜404和第二电流镜405。第一电流设定电路401用于分别接收所述频率表征信号F(fs)(例如所述差值放大信号Vcomp)、所述第一参考信号Vref_f1和所述第二参考信号Vref_f2，并基于该频率表征信号F(fs)(例如所述差值放大信号Vcomp)、该第一参考信号Vref_f1和该第二参考信号Vref_f2产生第一电流I1，使该第一电流I1在该频率表征信号F(fs)大于等于该第二参考信号Vref_f2时为零、在该频率表征信号大于等于该第一参考信号Vref_f1并且小于该第二参考信号Vref_f2时与该第二参考信号Vref_f2和该频率表征信号F(fs)的差值(即：Vref_f2-F(fs))成第一比例K1、并在该频率表征信号F(fs)小于等于该第一参考信号Vref_f1时与该第二参考信号Vref_f2和该第一参考信号Vref_f1的差值(即：Vref_f2-Vref_f1)成所述第一比例K1。也就是说，使该第一电流I1可以由下式(4)表达：
其中，所述第一比例K1可以根据实际应用需求合适选取，例如在一个实施例中可以设定该第一比例K1为第一阻性器件的阻值R1的倒数，即K1＝1/R1。在一个实施例中，第一电流设定电路401可以包括第一运算放大器4011、第一晶体管4012、第一阻性器件4013(其阻值用R1表示)、第二晶体管4014和第二运算放大器4015。第一运算放大器4011的第一输入端(图4中示意为“+”输入端)用于接收所述第一参考信号Vref_f1，其第二输入端(图4中示意为“-”输入端)耦接至第一晶体管4012的第二端，其输出端耦接至第一晶体管4012的控制端。第一晶体管4012的第一端则用于提供所述第一电流I1。第一阻性器件4013的第一端耦接至第一晶体管4012的第二端，其第二端耦接至第二晶体管4014的第一端。第二晶体管4014的第二端耦接至参考地GND。第二运算放大器4015的第一输入端(图4中示意为“+”输入端)用于接收表征所述开关切换频率fs的频率表征信号F(fs)(例如所述差值放大信号Vcomp)，其第二输入端(图4中示意为又一“+”输入端)用于接收所述第二参考信号Vref_f2，其第三输入端耦接至第二晶体管4014的第二端，其输出端则耦接至第二晶体管4014的控制端。在一个实施例中，第一晶体管4011和第二晶体管4014均可以是N沟道晶体管。应该理解图4示意出的第一电流设定电路401的具体器件及连接关系仅为示例性的，本领域的技术人员还可以基于本公开列举的实施例构建其它实现电路。
第二电流设定电路402用于接收所述第二参考信号Vref_f2，并基于该第二参考信号Vref_f2产生第二电流I2，使该第二电流I2与该第二参考信号Vref_f2成第二比例K2。也就是说，使该第二电流I2可以由下式(5)表达：
I2＝K2*Vref_f2 (5)
其中，所述第二比例K2可以根据实际应用需求合适选取，例如在一个实施例中可以设定该第二比例K2为第二阻性器件的阻值R2的倒数，即K2＝1/R2。在一个实施例中，第二电流设定电路402可以包括第三运算放大器4021、第三晶体管4022和第二阻性器件4023(其阻值用R2表示)。第三运算放大器4021的第一输入端(图4中示意为“+”输入端)用于接收所述第二参考信号Vref_f2，其第二输入端(图4中示意为“-”输入端)耦接至第三晶体管4022的第二端，其输出端耦接至第三晶体管4022的控制端。第三晶体管4022的第一端则用于提供所述第二电流I2。第二阻性器件4023的第一端耦接至第三晶体管4022的第二端，其第二端耦接至参考地GND。应该理解图4示意出的第二电流设定电路401的具体器件及连接关系仅为示例性的，本领域的技术人员还可以基于本公开列举的实施例构建其它实现电路。
第一电流镜404的输入端用于接收所述第一电流I1，该第一电流镜404将该第一电流I1复制并在其输出端输出。在图4中，所述第一电流镜404示意为包括第四晶体管4041和第五晶体管4042，它们的第一端均耦接内部电压Vdd(由功率变换器100内部的其它模块提供，该内部电压Vdd相对稳定并且具有相对较低的值，例如5V或者3V等，适合为功率变换器100内部的低压器件供电)，第四晶体管4041的控制端连接第四晶体管4041的第二端和第五晶体管4042的控制端，第四晶体管4041的第二端用作第一电流镜404的输入端以接收所述第一电流I1，第五晶体管4042的第二端用作第一电流镜404的输出端以提供经复制的第一电流I1。
第二电流镜405的输入端用于接收所述第二电流I2，该第二电流镜405将该第二电流I2复制并在其输出端输出。在图4中，所述第二电流镜405示意为包括第六晶体管4051和第七晶体管4052，它们的第一端均耦接所述内部电压Vdd，第六晶体管4051的控制端连接第六晶体管4051的第二端和第七晶体管4052的控制端，第六晶体管4051的第二端用作第二电流镜405的输入端以接收所述第二电流I2，第七晶体管4052的第二端用作第二电流镜405的输出端以提供经复制的第二电流I2。
电流叠加及转换电路403的第一输入端用于接收所述第一电流I1(图4的例子示意为接收经复制的第一电流I1)，其第二输入端用于接收所述第二电流I2(图4的例子示意为接收经复制的第二电流I2)，该电流叠加及转换电路403用于将所述第一电流I1和所述第二电流I2叠加产生叠加电流，并将该叠加电流以第三比例K3转换为所述限流阈值VCS_LIM在其输出端输出。也就是说，使该限流阈值VCS_LIM可以由下式(6)表达：
VCS_LIM＝K3*(I1+I2) (6)
其中，所述第三比例K3可以根据实际应用需求合适选取，例如在一个实施例中可以设定该第三比例K3为第三阻性器件的阻值R3，即K3＝R3。在一个实施例中，电流叠加及转换电路403可以简单地由第三阻性器件4031(其阻值用R3表示)实现。该第三阻性器件4031的第一端耦接至电流叠加及转换电路403的第一输入端和第二输入端，其第二端耦接至参考地GND。该第三阻性器件4031的第一端接收所述第一电流I1和所述第二电流I2从而实现将所述第一电流I1和所述第二电流I2叠加产生叠加电流，并且该叠加电流流经该第三阻性器件4031被转换为电压信号，该第三阻性器件4031的第一端被引出同时作为电流叠加及转换电路403的输出端以提供所述限流阈值VCS_LIM。本领域的技术人员应该理解，本公开的电流叠加及转换电路403并不限于此，而是可以选用其它电流电压转换电路实现。由式(4)、(5)和(6)可以推导得出：
由上式(7)可见，所述限流阈值最大值VIpk-max设定为所述第二参考信号Vref_f2与所述第一参考信号Vref_f1之差值(Vref_f2-Vref_f1)的第一倍数倍加所述第二参考信号Vref_f2的第二倍数倍，其中该第一倍数为所述第一比例K1和所述第三比例K3之积K3*K1，该第二倍数为所述第二比例K2和所述第三比例K3之积K3*K2；所述限流阈值最小值VIpk-min设定为所述第二参考信号Vref_f2的第二倍数倍；在所述开关切换频率fs从第一设定频率f1降低至第二设定频率f2的过程中，所述限流阈值VCS_LIM为所述第二参考信号Vref_f2与所述频率表征信号F(fs)之差值的第一倍数倍加所述第二参考信号Vref_f2的第二倍数倍，这里频率表征信号F(fs)选用了所述差值放大信号Vcomp。合理选择第一参考信号Vref_f1和第二参考信号Vref_f2的值以及所述第一比例K1、所述第二比例K2和所述第三比例K3的值可以将所述限流阈值VCS_LIM设定在合适的范围内，即大于等于所述限流阈值最小值VIpk-min且小于等于所述限流阈值最大值VIpk-max，并在所述开关切换频率fs从第一设定频率f1(由所述第一参考信号Vref_f1表征)降低至第二设定频率f2(由所述第二参考信号Vref_f2表征)的过程中随所述开关切换频率fs(在图4实施例中由所述差值放大信号Vcomp表征)减小而减小。从而相应地，根据本公开实施例的限流峰值调整电路2022和限流单元202可以基于所述限流阈值VCS_LIM调整所述限流峰值Ipk(即所述主开关101的开关电流的峰值最大值)受开关切换频率fs调制，可以随开关切换频率fs减小而减小。因此，包含本公开实施例的限流峰值调整电路2022和限流单元202的功率变换器100可以在进入例如休眠状态时，降低开关切换频率fs的同时还使允许流过其主开关101的最大电流随开关切换频率fs降低而减小，从而进一步降低功耗，以满足在线下电源应用中对于低功耗的要求。
当所述第一比例K1、所述第二比例K2和所述第三比例K3分别选取第一阻性器件4013的阻值R1的倒数、第二阻性器件4023的阻值R2的倒数和第三阻性器件403的阻值R3时，可得：
根据本公开的一个示例性实施例，返回参考图2，限流单元202还可以包括最大导通时间限制电路2023，耦接于第二比较器2021的输出端与限流单元202的输出端之间，以调整关断控制信号OFFCTL从而将主开关101的最大导通时间限制为设定的导通时间tONmax。若主开关101的导通时间达到该设定的导通时间tONmax，则功率变换器100进入保护模式，这样可以防止由于电流采样电路短路等引起的故障。
根据本公开的一个示例性实施例，仍参考图2，限流单元202还可以包括前沿消隐电路2024。该前沿消隐电路2024的输入端可以耦接至控制电路103的第二控制输入端CS以接收来自电流采样电路的电流采样信号并将该电流采样信号进行前沿消隐(例如将该电流采样信号的前沿部分进行的屏蔽)后在其输出端提供经消隐的电流采样信号VCS至第二比较器2021的第一输入端。这样有助于防止电流采样信号前沿部分的毛刺引起限流单元202的误触发。
接下来仍参考图2对恒流控制单元203进行进一步说明。根据本公开的一个示例性实施例，恒流控制单元203可以包括第三比较器(恒流控制比较器)2031、恒流控制电容2032、第一可控电流源、第二可控电流源以及第二触发器2033。第三比较器2031的第一输入端(图2中示意为“+”输入端)用于接收恒流控制电容2032上的电压VC，其第二输入端(图2中示意为“-”输入端)用于接收设定的电压阈值Vth，其输出端用于提供所述恒流导通控制信号CC_ON。第一可控电流源用于基于所述时间反馈信号Stons在从开关102关断的时间内提供充电电流Itons对恒流控制电容2032进行充电。在一个实施例中，第一可控电流源可以包括第一电流源2034和第一开关元件2035。该第一电流源2034提供所述充电电流Itons，并且耦接于内部电压Vdd和第一开关元件2035的第一端之间。第一开关元件2035的第二端耦接恒流控制电容2032的第一端，其控制端接收所述时间反馈信号Stons的反相信号。在一个实施例中，所述反相信号可以由反相器2038对所述时间反馈信号Stons进行运算得到。第二可控电流源用于基于所述时间反馈信号Stons在从开关102导通的时间内提供放电电流Itoffs对恒流控制电容2032进行放电。在一个实施例中，第二可控电流源可以包括第二电流源2036和第二开关元件2037。该第二电流源2036提供所述放电电流Itoffs，并且耦接于恒流控制电容2032的第一端和第二开关元件的第一端之间。第二开关元件2037的第二端耦接至参考地GND，其控制端接收所述时间反馈信号Stons。第二触发器2033的复位端R用于接收所述恒流导通控制信号CC_ON，其置位端S用于接收来自限流单元202的关断控制信号OFFCTL，其输出端Q用于提供恒流控制信号CCCTL。
根据本公开的一个示例性实施例，控制电路103还可以包括逻辑运算单元204，用于接收所述恒压控制信号VCCTL和所述恒流控制信号CCCTL，并对该恒压控制信号VCCTL和该恒流控制信号CCCTL进行逻辑运算以提供所述驱动信号DRV。
以上通过几个实施例对根据本公开的用于开关型功率变换器的限流峰值调整电路2022、及包括该限流峰值调整电路2022的限流单元202和控制电路103进行了说明。但本公开不限于此。据本公开各实施例及其变形实施方式的控制电路103、限流峰值调整电路限流单元202、限流峰值调整电路2022及包括控制电路103和/或限流单元202、限流峰值调整电路2022的功率变换器100的有益效果也不应该被认为仅仅局限于以上所述的。根据本公开各实施例的这些及其它有益效果可以通过阅读本公开的详细说明及研究各实施例的附图被更好地理解。
虽然本说明书中以反激式拓扑结构的功率变换器100为例对根据本公开各实施例的控制电路、限流峰值调整电路及包括该控制电路和/或该限流峰值调整电路的开关型功率变换器进行了示意与描述，但这并不意味着对本公开的限定，本领域的技术人员应该理解这里给出的结构及原理也可以适用于具有其它拓扑结构的电压转换电路，例如：升压型电压转换电路、降压-升压型电压转换电路等等。
因此，上述本公开的说明书和实施方式仅仅以示例性的方式对本公开实施例的控制电路、限流峰值调整电路及包括该控制电路和/或该限流峰值调整电路的功率变换器进行了说明，并不用于限定本公开的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本公开所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本公开的精神和保护范围。

Claims (20)

1.一种限流峰值调整电路，用于调节允许流过功率变换器的主开关的开关电流的峰值最大值，其中
该限流峰值调整电路具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其第一输入端用于接收表征所述功率变换器的开关切换频率的频率表征信号，其第二输入端用于接收表征第一设定频率的第一参考信号，其第三输入端用于接收表征第二设定频率的第二参考信号，该限流峰值调整电路被构建以基于该频率表征信号、该第一参考信号和该第二参考信号在其输出端提供限流阈值，该限流阈值表征了所述开关电流的峰值最大值；其中
该限流峰值调整电路还被构建以在所述功率变换器的输出电压恒定模式使该限流阈值受所述开关切换频率调制，在该开关切换频率等于第一设定频率时将该限流阈值设定在限流阈值最大值，在该开关切换频率大于第一设定频率时将该限流阈值保持在该限流阈值最大值，在该开关切换频率从第一设定频率降低至第二设定频率的过程中使该限流阈值随开关切换频率的减小而减小，在该开关切换频率降至等于第二设定频率时使该限流阈值减小至限流阈值最小值，并在该开关切换频率小于第二设定频率且大于允许的最小开关切换频率时将该限流阈值保持在该限流阈值最小值。
2.根据权利要求1所述的限流峰值调整电路，包括：
第一电流设定电路，用于分别接收所述频率表征信号、所述第一参考信号和所述第二参考信号，并基于该频率表征信号、该第一参考信号和该第二参考信号产生第一电流，使该第一电流在该频率表征信号大于等于该第二参考信号时为零、在该频率表征信号大于等于该第一参考信号并且小于该第二参考信号时与该第二参考信号和该频率表征信号的差值成第一比例、并在该频率表征信号小于等于该第一参考信号时与该第二参考信号和该第一参考信号的差值成所述第一比例；
第二电流设定电路，用于接收所述第二参考信号，并基于该第二参考信号产生第二电流，使该第二电流与该第二参考信号成第二比例；和
电流叠加及转换电路，用于接收所述第一电流和所述第二电流，将所述第一电流和所述第二电流叠加产生叠加电流，并将该叠加电流以第三比例转换为所述限流阈值。
3.根据权利要求2所述的限流峰值调整电路，其中，所述限流阈值最大值设定为所述第二参考信号与所述第一参考信号之差值的第一倍数倍加所述第二参考信号的第二倍数倍，其中该第一倍数为所述第一比例和所述第三比例之积，该第二倍数为所述第二比例和所述第三比例之积；
所述限流阈值最小值设定为所述第二参考信号的第二倍数倍；
在所述开关切换频率从第一设定频率降低至第二设定频率的过程中，所述限流阈值为所述第二参考信号与所述频率表征信号之差值的第一倍数倍加所述第二参考信号的第二倍数倍。
4.根据权利要求2所述的限流峰值调整电路，其中，所述第一电流设定电路包括：
第一运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端用于接收所述第一参考信号；
第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端用于提供所述第一电流，其第二端耦接至第一运算放大器的第二输入端，其控制端耦接至第一运算放大器的输出端；
第一阻性器件，具有第一端和第二端，其第一端耦接至第一晶体管的第二端；
第二晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至第一阻性器件的第二端，其第二端耦接至参考地；以及
第二运算放大器，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其第一输入端用于接收所述频率表征信号，其第二输入端用于接收所述第二参考信号，其第三输入端耦接至第二晶体管的第二端，其输出端则耦接至第二晶体管的控制端。
5.根据权利要求4所述的限流峰值调整电路，其中所述第一比例设定为所述第一阻性器件的阻值的倒数。
6.根据权利要求2所述的限流峰值调整电路，其中，所述第二电流设定电路包括：
第三运算放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端用于接收所述第二参考信号；
第三晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端则用于提供所述第二电流，其第二端耦接至第三运算放大器的第二输入端，其控制端耦接至第三运算放大器的输出端；以及
第二阻性器件，具有第一端和第二端，其第一端耦接至第三晶体管的第二端，其第二端耦接至参考地。
7.根据权利要求6所述的限流峰值调整电路，其中所述第二比例设定为所述第二阻性器件的阻值的倒数。
8.根据权利要求2所述的限流峰值调整电路，其中所述电流叠加及转换电路包括第三阻性器件，该第三阻性器件的第一端接收所述第一电流和所述第二电流以将所述第一电流和所述第二电流叠加，该第三阻性器件的第一端同时被引出以提供所述限流阈值，该第三阻性器件的第二端耦接至参考地。
9.根据权利要求8所述的限流峰值调整电路，其中所述第三比例设定为所述第三阻性器件的阻值。
10.根据权利要求2所述的限流峰值调整电路，还包括:
第一电流镜，其输入端用于接收所述第一电流，该第一电流镜将该第一电流复制并在其输出端提供复制的第一电流；和
第二电流镜，其输入端用于接收所述第二电流，该第二电流镜将该第二电流复制并在其输出端提供复制的第二电流；其中，
所述电流叠加及转换电路的第一输入端用于接收所述复制的第一电流，其第二输入端用于接收所述复制的第二电流，该电流叠加及转换电路将所述复制的第一电流和所述复制的第二电流叠加产生所述叠加电流。
11.根据权利要求1所述的限流峰值调整电路，其中所述频率表征信号包括表征所述功率变换器的输出电压的反馈信号与表征该输出电压的期望值的参考信号之差值的差值放大信号。
12.一种用于功率变换器的限流单元，包括:
限流比较器，用于分别接收表征流过该功率变换器的主开关的开关电流的电流采样信号和表征所述开关电流的峰值最大值的限流阈值，并将该电流采样信号与该限流阈值比较以提供关断控制信号，当该电流采样信号达到该限流阈值时，该关断控制信号触发所述主开关关断；和
限流峰值调整电路，用于接收表征所述功率变换器的开关切换频率的频率表征信号，并基于该频率表征信号在所述功率变换器的输出电压恒定模式调节所述限流阈值，以使该限流阈值在开关切换频率大于等于第一设定频率时被设定并保持在限流阈值最大值、在开关切换频率从第一设定频率降低至第二设定频率的过程中随开关切换频率的减小而减小并从所述限流阈值最大值减小至限流阈值最小值、在开关切换频率小于等于该第二设定频率并且大于允许的最小开关切换频率时被设定并保持在该限流阈值最小值。
13.根据权利要求12所述的限流单元，其中所述限流峰值调整电路包括如权利要求1至11其中之一所述的限流峰值调整电路。
14.根据权利要求12所述的限流单元，还包括：
最大导通时间限制电路，耦接于所述限流比较器的输出端与该限流单元的输出端之间，以调整所述关断控制信号将所述主开关的最大导通时间限制为设定的导通时间。
15.一种用于功率变换器的控制电路，包括：
如权利要求12所述的限流单元；以及
恒压控制单元，用于接收表征所述功率变换器的输出电压的反馈信号和表征该输出电压的期望值的参考信号，将该反馈信号与该参考信号进行运算以提供表征该反馈信号与该参考信号之差值的差值放大信号，并将该差值放大信号与锯齿波信号比较以输出恒压导通控制信号，若该锯齿波信号达到所述差值放大信号，则该恒压导通控制信号触发功率变换器的主开关导通；该恒压控制单元还用于接收所述关断控制信号，以控制所述主开关的关断。
16.根据权利要求15所述的控制电路，其中，所述恒压控制单元包括：
恒压控制运算放大器，其第一输入端用于接收所述反馈信号，其第二输入端用于接收所述参考信号，其输出端则用于提供所述差值放大信号；
恒压控制比较器，其第一输入端用于接收所述差值放大信号，其第二输入端用于接收所述锯齿波信号，其输出端用于提供所述恒压导通控制信号；
第一触发器，其复位端用于接收所述恒压导通控制信号，其置位端用于接收所述关断控制信号，其输出端用于提供恒压控制信号。
17.根据权利要求16所述的控制电路，其中，所述恒压控制单元还包括：
锯齿波发生电路，用于产生所述锯齿波信号，并在所述主开关被关断时将所述锯齿波信号重置。
18.根据权利要求15所述的控制电路，还包括：
恒流控制单元，用于基于表征所述功率变换器的从开关的导通时间的时间反馈信号调节恒流控制电容的充放电，将该恒流控制电容上的电压与设定的电压阈值比较以调节该从开关的导通时间和关断时间的比保持在设定值，并基于比较结果提供恒流导通控制信号，若该恒流控制电容上的电压大于该设定的电压阈值，则该恒流导通控制信号触发所述主开关导通；该恒流控制单元还用于接收所述关断控制信号，以控制所述主开关的关断。
19.根据权利要求18所述的控制电路，其中，所述恒流控制单元包括：
恒流控制比较器，其第一输入端用于接收所述恒流控制电容上的电压，其第二输入端用于接收所述设定的电压阈值，其输出端用于提供所述恒流导通控制信号；
所述恒流控制电容；
第一可控电流源，用于基于所述时间反馈信号在从开关关断的时间内提供充电电流对所述恒流控制电容充电；
第二可控电流源，用于基于所述时间反馈信号在从开关导通的时间内提供放电电流对所述恒流控制电容放电；
第二触发器，其复位端用于接收所述恒流导通控制信号，其置位端S用于接收所述关断控制信号，其输出端用于提供恒流控制信号。
20.一种功率变换器，包括如权利要求1至11其中之一所述的限流峰值调整电路。
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