CN107367700B - 一种led开关电源的检测电路及检测方法 - Google Patents

一种led开关电源的检测电路及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种LED开关电源的检测电路及检测方法，其中该电路包括：功率开关管、第一比较器、关断时间单元和脉宽调制控制器。第一比较器用于将第一电压与第一参考电压进行比较，输出第一比较结果；关断时间单元用于根据第一比较结果，输出第一关断时间至脉宽调制控制器；脉宽调制控制器用于根据第一关断时间，开启所述功率开关管。本发明实施例提供的LED开关电源的检测电路，在输入电压接近波谷时通过检测电路使LED开关电源工作在最小关断时间模式下，实现了开关电源电路在不增加短路功耗的基础上解决输入电压波谷时输出电流不稳定的问题。

Description

一种LED开关电源的检测电路及检测方法
技术领域
本发明涉及集成电路应用领域，尤其涉及一种LED开关电源的检测电路及检测方法。
背景技术
当LED开关电源电路工作在大功率因数应用时且在输入电压波谷时，由于储能电感压差逐渐减小，导致该电感储能随之降低，以至于电源电路中的退磁检测器不能检测到电感退磁结束，即不能检测到电感电流为零的时候，从而使其继续工作在最大关断时间工作模式下。一旦这种情况发生，将导致开关电源电路输出电流不稳定。
现有技术针对该情况通常是将最大退磁时间适当减小，然而该做法会导致开关电源电路在输出短路时功耗过大。
发明内容
本申请提供的一种LED开关电源的检测电路及检测方法，实现了对输入电压的波谷检测，并且保证当输入电压为波谷时，LED开关电源工作在最小关断时间。
一方面，本申请提供的一种LED开关电源的检测电路，该电路包括：功率开关管、第一比较器、关断时间单元和脉宽调制控制器，第一比较器用于将第一电压与第一参考电压进行比较，输出第一比较结果；关断时间单元用于根据第一比较器输出的第一比较结果，输出第一关断时间至脉宽调制控制器；脉宽调制控制器用于根据关断时间单元输出的第一关断时间，开启功率开关管。
可选地，该电路还包括：触发器用于根据第一比较器输出的第一比较结果，输出选择控制信号；当第一比较器检测到第一电压小于所述第一参考电压时，触发器根据第一比较器输出的第一比较结果，输出第一选择控制信号至关断时间单元；当第一比较器检测到第一电压不小于第一参考电压时，触发器根据第一比较器输出的第一比较结果，输出第二选择控制信号至关断时间单元。
可选地，电路还包括：最大开启时间单元和第一或门。最大开启时间单元用于决定功率开关管的最大开启时间。当功率开关管开启时间超过最大开启时间单元输出的最大开启时间时，最大开启时间通过与第一或门连接的脉冲控制器控制功率开关管关断。
可选地，该电路还包括：电阻、驱动器和第二或门。其中，电感的一端接第一输入电压，电感的另一端与功率开关管的漏极相连，功率开关管的源极与电阻的一端相连，第一电阻的另一端接地；功率开关管的栅极通过驱动器与脉宽调制控制器的输出端相连。第一比较器的第一输入端接入第一参考电压，第一比较器的第二输入端分别与功率开关管的源极和第一电阻的一端相连；第一比较器的输出端与触发器的输入端相连，触发器的输出端与关断时间单元的输入端相连，关断时间单元的输出端通过第二或门的第二输入端与脉冲控制器的第一输入端相连。
可选地，关断时间单元包括：最小关断时间单元、最大关断时间单元和选择器。最小关断时间单元用于提供第一关断时间；最大关断时间单元用于提供第二关断时间；选择器用于根据触发器输出的第一选择控制信号，输出第一关断时间，或根据触发器输出的第二选择控制信号，输出第二关断时间至脉宽调制控制器。其中，第一关断时间小于所述第二关断时间；最小关断时间单元与最大关断时间单元分别与选择器的第一输入端和第二输入端相连，选择器的输出端为关断时间单元的输出端，选择器的控制端为关断时间单元的输入端。
可选地，该电路还包括：第二比较器。第二比较器用于将所述第一电压与第二参考电压进行比较，输出第二比较结果至脉宽调制控制器；脉宽调制控制器用于根据第二比较器输出的第二比较结果，关闭功率开关管；当第一电压等于第二参考电压时，脉宽调制控制器关闭功率开关管；第二参考电压大于第一参考电压。
可选地，该电路还包括：第二或门。电感的一端接输入电压，电感的另一端与功率开关管的漏极相连，功率开关管的源极与电阻的一端相连，第一电阻的另一端接地；功率开关管的栅极通过驱动器与脉宽调制控制器的输出端相连；第二比较器的第一输入端接入第二参考电压，第二比较器的第二输入端分别与功率开关管的源极和第一电阻的一端相连；第二比较器的输出端通过第二或门的第一输入端与脉冲控制器的第一输入端相连相连。
可选地，该电路还包括：参考电压产生电路用于产生第一参考电压与第二参考电压，第二参考电压大于第一参考电压。参考电压产生电路的输入端接入第二输入电压，参考电压产生电路的输出端接地。
另一方面，本申请提供的一种LED开关电源的检测方法，该方法包括
将第一电压与第一参考电压进行比较，输出第一比较结果；
根据第一比较结果，输出第一关断时间；
根据第一关断时间，开启功率开关管(M1)。
可选地，该方法还包括：当第一电压小于第一参考电压时，根据第一比较结果，输出第一选择控制信号；当第一电压不小于第一参考电压时，接收第一比较器输出的第一比较结果，输出第二选择控制信号。
本申请提供的LED开关电源的检测电路与检测方法，在输入电压接近波谷时，通过检测电路使LED开关电源工作在最小关断时间模式下，实现了开关电源电路在不增加短路功耗的基础上解决输入电压波谷时输出电流不稳定的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的LED开关电源电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的检测电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的关断时间单元结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种输入电压波谷处的电感电流波形示意图；
图5为本发明实施例提供的LED开关电源检测电路的工作模式示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种输入电压波谷处的电感电流波形示意图；
图7为本发明实施例提供的一种LED开关电源电路的检测方法流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的LED开关电源电路结构示意图，如图1所示，该电路包括：输入电路101、电感L1、检测电路102和LED输出电路103。输入电路101与电感L1的一端相连，电感L1的另一端分别与检测电路102和LED输出电路103相连.该LED开关电源电路可以是隔离型电路，也可以是非隔离型电路。
输入电路101可以包括桥式整流器、电容C1。桥式整流器的输入端接入市电，其第一输出端与电感L1相连，第二输出端接地，电容C1的上极板与桥式整流器的第一输出端相连，电容C1的下极板与桥式整流器的第二输出端相连，即电容C1并联在桥式整流器两端。输入电路101输出电压VM(第一输入电压)。
检测电路102用于对整流后的输入电压VM的高低情况进行检测，即对输入电压的波谷进行检测，从而稳定LED开关电源电路的输出电流。
需要说明的是，下面本发明实施例均以非隔离升降压BUCK—BOOST架构为例进行说明，但本发明并不仅限于该架构。
图2为本发明实施例提供的检测电路结构示意图。如图2所示，检测电路102包括参考电压产生电路200、功率开关管M1、采样电阻R1、比较器201、比较器202、最大开启时间单元205、关断时间单元204、退磁检测器210、或门206、或门207、脉冲控制器208、触发器203和驱动器209。
参考电压产生电路200用于产生第一参考电压VREF1和第二参考电压VREF2，且第一参考电压VREF1小于第二参考电压VREF2。该参考电压产生电路200可以是电阻分压电路。
参考电压产生电路200的输入端接入电压(第二输入电压)VBG，其输出端接地。
比较器202用于将电阻电压VR(第一电压)与参考电压VREF2进行比较，将比较结果通过或门207输出至脉冲控制器208，再通过驱动器209控制功率开关管M1关断。该比较结果用于决定电感L1的峰值电流。
比较器201用于将电阻电压VR与参考电压VREF1进行比较，并将比较结果通过触发器203发送至关断时间单元204。该比较结果用于对输入电压VM的波谷进行检测，该触发器203可以是RS触发器。
触发器203用于根据比较器201输出的比较结果，输出选择控制信号至关断时间单元204。
关断时间单元204用于控制功率开关管M1的关断时间，也就是说，若超过了该关断时间，则关断时间单元204将控制功率开关管M1开启。该关断时间是电感L1的放电时间。
如图3所示，关断时间单元204包括最小关断时间单元301、最大关断时间单元302和选择器303。选择器303可以是二选一数据选择器。
最小关断时间单元301与最大关断时间单元302分别与选择器303的第一输入端和第二输入端相连，选择器303的输出端为关断时间单元204的输出端，选择器303的控制端为关断时间单元204的输入端。
最小关断时间单元301用于提供检测电路102的最小关断时间，该时间可以设为小于5us。
最大关断时间单元302用于提供检测电路102的最大关断时间，该时间可以设为大于200us。
选择器303用于根据触发器203输出的选择控制信号，输出最小关断时间或最大关断时间。
可选地，当比较器201检测到电阻电压VR小于参考电压VREF1时，触发器203输出的选择控制信号控制关断时间单元204输出最小关断时间。当比较器201检测到输入电压不小于参考电压VREF1时，触发器203输出的选择控制信号控制关断时间单元204输出最大关断时间。
最大开启时间单元205用于控制功率开关管M1的开启时间，也就是说，若超过了该最大开启时间，则最大开启时间单元205将控制功率开关管M1关断。该最大开启时间是电感L1的最大充电时间。
退磁检测器210可以是储能电感退磁检测(英文：zero current detection，ZCD)电路，用于检测流经电感L1的电流，当退磁检测器210检测到电感L1的电流为零时，输出退磁控制信号，退磁控制信号通过或门206来控制功率开关管M1开启。
电感L1的一端接输入电压VM，电感L1的另一端与功率开关管M1的漏极相连，功率开关管M1的源极与采样电阻R1的一端相连，采样电阻R1的另一端接地；功率开关管M1的栅极通过驱动器209与脉宽控制器208的输出端相连。
比较器201的第一输入端接入参考电压VREF1，比较器201的第二输入端分别与功率开关管M1的源极和采样电阻R1的一端相连；比较器201的输出端与触发器203的输入端相连，触发器203的输出端与关断时间单元204的输入端相连，关断时间单元204的输出端通过或门206的第一输入端与脉冲控制器208的第二输入端相连。
比较器202的第一输入端接入参考电压VREF2，比较器202的第二输入端分别与功率开关管M1的源极和采样电阻R1的一端相连；比较器202的输出端通过或门207的第一输入端与脉冲控制器208的第一输入端相连。
最大开启时间单元205的输出端通过或门207的第二输入端与脉冲控制器208的第一输入端相连。
退磁检测器210的输入端与功率开关管M1的栅极连接，其输出端通过或门206的第二输入端与脉冲控制器208的第二输入端相连。退磁检测器210的输入端还与功率开关管M1的寄生电容C3的一端连接，寄生电容C3的另一端与功率开关管M1的漏极相连，退磁检测器210通过寄生电容C3检测电感L1上的电流。
当功率开关管M1导通时，电感L1充电，此时采样电阻R1与比较器202对电感L1充电时的电流进行采样，比较器202的第一输入端接入VREF2，第二输入端接入VR。
若当电感电流达到设定值VREF2/R1时，即此时VREF2与VR相等，比较器202输出第一控制信号，该第一控制信号通过或门207的第一输入端控制脉冲控制器208关断功率开关管M1，电感L1开始放电。
当电感L1放电结束时，此时电感L1的电流为零，在功率开关管M1的漏极上会产生电压震荡，即振铃信号，退磁检测器210的输入端通过寄生电容C3检测到此振铃信号后，输出退磁控制信号，该退磁控制信号通过或门206的第二输入端控制脉冲控制器208再次开启功率开关管M1，从而进入下一个周期，电感L1开始充电，此时检查电路102工作在最大关断时间模式。
可选地，若上述过程中LED输出电路103发生短路，退磁检测器210不工作，比较器201通过比较VR与VREF1，输出第二控制信号，该第二控制信号通过触发器203发送至关断时间单元204，关断时间单元204中的选择器303选择最大关断时间单元302的最大关断时间，该最大关断时间通过或门206的第一输入端控制脉冲控制器208开启功率开关管M1，从而进入下一个周期，电感L1开始充电。
在输入电压接近波谷的情况下，若电感L1充电过程中，由于电感L1两端压差减小，电感L1充电时间增大，此时最大开启时间单元205设定了电感L1最大开启时间，即L1的最大充电时间，并输出最大开启时间。在最大开启时间内，若电感电流小于设定值VREF2/R1，则最大开启时间通过或门207的第二输入端控制脉冲控制器208关闭功率开关管M1，电感L1开始放电。
需要说明的是，在最大开启时间内，采样电阻R1与比较器201对电感L1充电时的电流进行采样，比较器201的第一输入端接入VREF1，第二输入端接入VR。
当比较器201检测到电感电流大于VREF1/R1，且小于VREF2/R1时，比较器201输出第二控制信号，该第二控制信号通过触发器203发送至关断时间单元204，关断时间单元204中的选择器303选择最大关断时间单元302的最大关断时间，该最大关断时间通过或门206的第一输入端控制脉冲控制器208开启功率开关管M1，从而进入下一个周期，电感L1开始充电。
当比较器201检测到电感电流小于VREF1/R1时，比较器201输出第三控制信号，该第三控制信号通过触发器203发送至关断时间单元204，关断时间单元204中的选择器303选择最小关断时间单元301的最小关断时间，该最小关断时间通过或门206的第一输入端控制脉冲控制器208开启功率开关管M1，从而进入下一个周期，电感L1开始充电。此时检查电路102工作在最小关断时间模式，最小关断时间模式可以使输出电流达到稳定。
图4为本发明实施例提供的一种输入电压波谷处的电感电流波形示意图。如图4所示，设最大开启时间单元205设定的最大开启时间为TMAXON，则根据电感L1充电公式：
Figure BDA0000986716700000091
其中，VM为电感两端的压差。可知，通过设定ΔIMAXON的值，可判定此时的电感电压差VM。
t0-t1时刻，功率开关管M1导通，电感L1充电，
t1时刻，电感电流达到VREF2/R1，即此时VREF2与VR相等，该过程中，电感L1的ΔIMAXON为VREF2/R1。
此时，输入电压VM即为：
Figure BDA0000986716700000092
t1-t2时刻，功率开关管M1关断，电感L1放电。当电感L1放电结束时，此时电感L1的电流为零，退磁检测器210输出退磁控制信号，控制脉冲控制器208再次开启功率开关管M1，从而进入下一个周期。此过程中，检查电路102工作在最大关断时间模式。
t2-t3时刻，功率开关管M1导通，电感L1充电。
t3时刻，在最大开启时间内，电感电流小于VREF2/R1，大于VREF1/R1。即此时与VR小于VREF2，大于VREF1。该过程中，电感L1的ΔIMAXON小于VREF2/R1，大于VREF1/R1。
t3-t4时刻，电感L1放电。当电感L1放电结束时，此时电感L1的电流为零，退磁检测器210输出退磁控制信号，控制脉冲控制器208再次开启功率开关管M1，从而进入下一个周期。此过程中，检查电路102仍然工作在最大关断时间模式。
t4-t5时刻，功率开关管M1导通，电感L1充电。
t5时刻，在最大开启时间内，比较器201检测到电感电流达到VREF1/R1，即此时VREF1与VR相等。该过程中，电感L1的ΔIMAXON为VREF1/R1。
此时，输入电压VM即为：
Figure BDA0000986716700000101
t5-t6时刻，功率开关管M1关断，电感L1放电。当电感L1放电结束时，关断时间单元204中的选择器303选择最小关断时间单元301的最小关断时间，控制脉冲控制器208开启功率开关管M1，从而进入下一个周期。
t6-t7时刻，功率开关管M1导通，电感L1充电。
t7时刻，在最大开启时间内，电感电流小于VREF1/R1，即此时VR小于VREF1。该过程中，电感L1的ΔIMAXON小于VREF1/R1。
t7-t8时刻，功率开关管M1关断，电感L1放电。当电感L1放电结束时，关断时间单元204中的选择器303选择最小关断时间单元301的最小关断时间，控制脉冲控制器208开启功率开关管M1，从而进入下一个周期。
由此可知，t5-t8时刻，检测电路102工作在最小关断时间模式。
如图5所示的LED开关电源检测电路的工作模式示意图，在一个输入电压VM周期内，当输入电压VM小于
Figure BDA0000986716700000102
时，该输入电压VM是波谷电压，工作在最小关断时间模式；当输入电压VM大于
Figure BDA0000986716700000103
时，该输入电压VM是非波谷电压，工作在最大关断时间模式。
需要说明的是，图4所示为连续导通模式(英文：continuous conduction mode，CCM)，并且上述过程还可以应用于图6所示的另一种输入电压波谷处的电感电流波形示意图中，即非连续导通模式(英文：discontinuous conduction mode，DCM)。
本发明实施例提供的LED开关电源的检测电路，在输入电压接近波谷时，通过该检测电路使LED开关电源工作在最小关断时间模式，由此实现了LED开关电源在不增加短路功耗的基础上，解决了输入电压接近波谷时输出电流不稳定的问题。
图7为本发明实施例提供的一种LED开关电源电路的检测方法流程图。如图7所示，该检测方法包括：
步骤701、将第一电压与第一参考电压进行比较，输出第一比较结果；
可选地，当第一电压小于第一参考电压时，根据第一比较结果，输出第一选择控制信号；
当第一电压不小于第一参考电压时，接收第一比较器输出的第一比较结果，输出第二选择控制信号。
步骤702、根据第一比较结果，输出第一关断时间；
步骤703、根据第一关断时间，开启功率开关管。
本发明实施例提供的LED开关电源的检测方法，在输入电压接近波谷时，通过该检测方法使LED开关电源工作在最小关断时间模式，由此实现了LED开关电源在不增加短路功耗的基础上，解决了输入电压接近波谷时输出电流不稳定的问题。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED开关电源的检测电路，所述电路包括：功率开关管(M1)，其特征在于，第一比较器、关断时间单元和脉冲控制器，
所述第一比较器，用于将第一电压与第一参考电压进行比较，输出第一比较结果；所述第一电压为采样电阻电压(VR)；
所述关断时间单元，用于根据所述第一比较器输出的所述第一比较结果，输出第一关断时间至所述脉冲控制器；当第一电压小于第一参考电压时，输出最小关断时间至所述脉冲控制器；当第一电压不小于第一参考电压时，输出最大关断时间至所述脉冲控制器；
所述关断时间单元，包括最小关断时间单元、最大关断时间单元和选择器，所述最小关断时间单元与所述最大关断时间单元分别与所述选择器的第一输入端和第二输入端相连，所述选择器的输出端为所述关断时间单元的输出端，所述选择器的控制端为所述关断时间单元的输入端；
所述脉冲控制器，用于根据所述关断时间单元输出的所述第一关断时间，开启所述功率开关管(M1)。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：
触发器，用于根据所述第一比较器输出的所述第一比较结果，输出选择控制信号；
当所述第一比较器检测到所述第一电压小于所述第一参考电压时，所述触发器根据所述第一比较器输出的所述第一比较结果，输出第一选择控制信号至所述关断时间单元；
当所述第一比较器检测到所述第一电压不小于第一参考电压时，所述触发器根据所述第一比较器输出的所述第一比较结果，输出第二选择控制信号至所述关断时间单元。
3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：最大开启时间单元和第一或门，
所述最大开启时间单元，用于决定所述功率开关管(M1)的最大开启时间；
当所述功率开关管(M1)开启时间超过所述最大开启时间单元输出的所述最大开启时间时，所述最大开启时间通过与所述第一或门连接的所述脉冲控制器控制所述功率开关管(M1)关断。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：电阻(R1)、驱动器和第二或门，
电感(L1)的一端接第一输入电压，所述电感(L1)的另一端与所述功率开关管(M1)的漏极相连，所述功率开关管(M1)的源极与所述电阻(R1)的一端相连，所述第一电阻(R1)的另一端接地；所述功率开关管(M1)的栅极通过所述驱动器与所述脉冲控制器的输出端相连；
所述第一比较器的第一输入端接入所述第一参考电压，所述第一比较器的第二输入端分别与所述功率开关管(M1)的源极和所述第一电阻(R1)的一端相连；所述第一比较器的输出端与触发器的输入端相连，触发器的输出端与所述关断时间单元的输入端相连，所述关断时间单元的输出端通过第二或门的第二输入端与所述脉冲控制器的第一输入端相连。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述关断时间单元还包括：
所述选择器用于根据触发器输出的第一选择控制信号，输出所述第一关断时间，或根据触发器输出的第二选择控制信号，输出第二关断时间至所述脉冲控制器，其中，所述第一关断时间小于所述第二关断时间。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：第二比较器，
所述第二比较器，用于将所述第一电压与第二参考电压进行比较，输出第二比较结果至所述脉冲控制器；
所述脉冲控制器，用于根据所述第二比较器输出的所述第二比较结果，关闭所述功率开关管(M1)；
当所述第一电压等于所述第二参考电压时，所述脉冲控制器关闭所述功率开关管(M1)；
所述第二参考电压大于所述第一参考电压。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：第二或门，
电感(L1)的一端接第一输入电压，所述电感(L1)的另一端与所述功率开关管(M1)的漏极相连，所述功率开关管(M1)的源极与电阻(R1)的一端相连，所述第一电阻(R1)的另一端接地；所述功率开关管(M1)的栅极通过驱动器与所述脉冲控制器的输出端相连；
所述第二比较器的第一输入端接入所述第二参考电压，所述第二比较器的第二输入端分别与所述功率开关管(M1)的源极和所述第一电阻(R1)的一端相连；所述第二比较器的输出端通过所述第二或门的第一输入端与所述脉冲控制器的第一输入端相连相连。
8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：
参考电压产生电路，用于产生所述第一参考电压与所述第二参考电压，所述第二参考电压大于所述第一参考电压；
所述参考电压产生电路的输入端接入第二输入电压，所述参考电压产生电路的输出端接地。
9.一种LED开关电源检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
将第一电压与第一参考电压进行比较，输出第一比较结果，其中，第一电压为采样电阻电压(VR)；
根据所述第一比较结果，输出第一关断时间；所述第一关断时间包括：最小关断时间和最大关断时间；当第一电压小于第一参考电压时，输出最小关断时间至脉冲控制器；当第一电压不小于第一参考电压时，输出最大关断时间至所述脉冲控制器；
根据所述第一关断时间，开启功率开关管(M1)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述第一电压小于所述第一参考电压时，根据所述第一比较结果，输出第一选择控制信号；
当所述第一电压不小于第一参考电压时，接收所述第一比较器输出的所述第一比较结果，输出第二选择控制信号。
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