CN109149935A - 一种开关电源不同工作模式自由切换的控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及开关电源控制领域，具体公开了一种开关电源不同工作模式自由切换的控制电路，包括恒流转换模块、输出电压采样模块、恒压转换模块、负载采样电流Is、采样电阻R2、基准电流源IREF和误差放大器；所述恒流转换模块的一端引入阈值电压VTH2，恒流转换模块的另一端连接输出电压采样模块，所述电压采样模块的另一端连接误差放大器的负极端；所述恒压转换模块的一端引入阈值电压VTH1，恒压转换模块的另一端误差放大器的正极端，误差放大器输出调节电压Vcomp；所述负载采样电流Is、采样电阻R2和基准电流源IREF分别连接恒压转换模块，所述负载采样电流Is和采样电阻R2的另一端分别接地，本发明实现自由切换开关电源的恒流、恒压和恒功率三种工作模式。

Description

一种开关电源不同工作模式自由切换的控制电路
技术领域
本发明涉及开关电源控制领域，尤其涉及一种开关电源不同工作模式自由切换的控制电路。
背景技术
随着快充市场对开关电源宽电压、大电流需求的提出，开关电源恒功率控制技术应运而生。当负载增大时，输出电流随着增大，输出电压保持不变，系统进入恒压模式；若负载进一步增大时，达到恒功率控制点时，系统进入恒功率控制，随着负载的持续增大，输出电流随着增大，输出电压减小，保持输出功率不变，进而控制芯片工作温度在合理的范围内，保证系统安全可靠供电。若负载继续增大，触发恒流控制点时，系统进入恒流控制阶段，此时，输入电压下降，输出电流保持不变。
专利CN2010105401151公开了一种开关电源近似恒功率控制的装置及方法，通过将输出电压的采样信号送给比例电路，比例电路对采样电压和基准电压进行比较，将运算结果送给叠加电路，叠加电路接收输出电流采样信号，根据叠加公式对比例电路运算结果和采样电流进行叠加，将叠加结果送给限流电路，通过调节限流电路输出电压实现恒功率控制，但是其在箝位电路中的二极管在导通压降时会引入误差，且比例电路引入零极点，环路补偿困难，精度差。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种结构简单、精度高以及三切换平滑的开关电源不同工作模式自由切换的控制电路。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种开关电源不同工作模式自由切换的控制电路，包括恒流转换模块、输出电压采样模块、恒压转换模块、负载采样电流Is、采样电阻R2、基准电流源IREF和误差放大器；
所述恒流转换模块的一端引入阈值电压VTH2，恒流转换模块的另一端连接输出电压采样模块，所述电压采样模块的另一端连接误差放大器的负极端；
所述恒压转换模块的一端引入阈值电压VTH1，恒压转换模块的另一端误差放大器的正极端，误差放大器输出调节电压Vcomp；
所述负载采样电流Is、采样电阻R2和基准电流源IREF分别连接恒压转换模块，所述负载采样电流Is和采样电阻R2的另一端分别接地。
优选的，所述恒压转换模块包括运算放大器和功率管MN1，所述运算放大器的正极端引入阈值电压VTH1，运算放大器的负极端分别连接负载采样电流Is、采样电阻R2、功率管MN1的源极和误差放大器的正极端，运算放大器的输出端连接功率管MN1的栅极，功率管MN1的源极连接基准电流源IREF。
优选的，所述恒流转换模块包括运算放大器和功率管MP1，所述运算放大器的负极端引入阈值电压VTH2，运算放大器的正极端分别连接功率管MP1的漏极和输出电压采样模块，运算放大器的输出端连接功率管MP1的栅极，功率管MP1的源极连接电源VDD。
优选的，所述输出电压采样模块包括电阻R3和电阻R4，所述电阻R3的一端分别连接电阻R4和误差放大器的负极端，电阻R3的另一端采样输出电压VOUT，电阻R4的另一端接地。
优选的，所述阈值电压VTH1大于阈值电压VTH2。
优选的，所述恒压转换模块连接有基准电路，所述基准电流源IREF由基准电路产生。
优选的，所述恒压转换模块连接有电流采样电路，所述负载采样电流Is由电流采样电路采样负载电流产生。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明实现自由切换开关电源的恒流、恒压和恒功率三种工作模式，无需开关切换电路和乘法器，各模式的切换平滑，结构简单，同时没有二极管引入误差，提高了电路的控制精度高。
附图说明
图1为本发明的具体电路连接图；
图2为三种工作模式下输出电压与输出电流的关系曲线。
具体实施方式
为了详细说明本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，本发明提供了一种开关电源不同工作模式的自由切换的控制电路，包括恒流转换模块、输出电压采样模块、恒压转换模块、负载采样电流Is、采样电阻R2、基准电流源IREF和误差放大器；恒流转换模块的一端引入阈值电压VTH2，恒流转换模块的另一端连接输出电压采样模块，电压采样模块的另一端连接误差放大器的负极端；恒压转换模块的一端引入阈值电压VTH1，恒压转换模块的另一端误差放大器的正极端，误差放大器输出调节电压Vcomp；负载采样电流Is、采样电阻R2和基准电流源IREF分别连接恒压转换模块，负载采样电流Is和采样电阻R2的另一端分别接地，采样电阻R2根据基准电流IREF和负载采样电流Is之差流过采样电阻R2产生补偿电压VP，误差放大器根据输出采样电压VN和补偿电压VP之差产生输出调节电压Vcomp，输出电压采样模块用于对输出电压采样，将获得的采样电压VN送给误差放大器；恒流转换模块用于输出采样电压VN低于阈值电压VTH2时，将输出采样电压VN箝位至VTH2，实现恒流模式控制；基准电流源IREF减去负载采样电流Is后流过采样电阻生成补偿电压VP送给误差放大器，恒压转换模块用于补偿电压VP高于阈值电压VTH1时，将补偿电压VP箝位至VTH1，实现恒压模式控制，误差放大器用于根据输出采样电压VN和补偿电压VP之差产生输出调节电压Vcomp，其中，阈值电压VTH1大于阈值电压VTH2，本发明实现了自由切换开关电源的恒流、恒压和恒功率三种工作模式，无需开关切换电路和乘法器，各模式的切换平滑，结构简单，同时没有二极管引入误差，提高了电路的控制精度高。
具体的，恒压转换模块包括运算放大器和功率管MN1，运算放大器的正极端引入阈值电压VTH1，运算放大器的负极端分别连接负载采样电流Is、采样电阻R2、功率管MN1的源极和误差放大器的正极端，运算放大器的输出端连接功率管MN1的栅极，功率管MN1的源极连接基准电流源IREF，当补偿电压VP高于阈值电压VTH1时，运算放大器根据阈值电压VTH1和补偿电压VP大小，输出低电平关闭功率管MN1，将补偿电压VP箝位至VTH1，进入恒压控制；否则，恒压转换模块不使能。
恒流转换模块包括运算放大器和功率管MP1，运算放大器的负极端引入阈值电压VTH2，运算放大器的正极端分别连接功率管MP1的漏极和输出电压采样模块，运算放大器的输出端连接功率管MP1的栅极，功率管MP1的源极连接电源VDD，当输出采样电压VN低于阈值电压VTH2时，运算放大器根据阈值电压VTH2和输出采样电压VN大小，输出低电平开启功率管MP1，将输出采样电压箝位至VTH2，进入恒流控制；否则，恒流转换模块不使能。
输出电压采样模块包括电阻R3和电阻R4，电阻R3的一端分别连接电阻R4和误差放大器的负极端，电阻R3的另一端采样输出电压VOUT，电阻R4的另一端接地，采样输出电压VOUT，通过电阻R3和R4分压，产生输出采样电压VN。
其中，恒压转换模块连接有基准电路，基准电流源IREF由基准电路产生；恒压转换模块连接有电流采样电路，负载采样电流Is由电流采样电路采样负载电流Io产生，假设采样倍率为K，则满足Is*K=Io。
在具体实施过程中，当负载电流Io比较小时，对于节点VP，由KCL定律有，VP=(IREF-Is)*R2，随着负载电流Io的减小，负载采样电流Is随着减小，由公式 VP=(IREF-Is)*R2，可知，VP电压升高，当VP电压高于阈值VTH1时，恒压转换模块中的放大器输出低电平，减小流过功率管MN1的电流，从而减小节点电压VP，经过负反馈多周期调节后，节点电压VP被箝位至VTH1,即VP=VTH1，系统稳定工作后，误差放大器输入端VP=VN=VTH1，由于VN=VTH1>VTH2,恒流转换模块的放大器输出高电平，关断功率管MP1，此时，有VN=α*VOUT(其中分压系数α=R4/(R3+R4))，即VP=VN=VTH1=α*VOUT与负载电流Io无关，系统进入恒压模式。
随着负载电流Io增大，负载采样电流Is随着增大，由公式 VP=(IREF-Is)*R2，可知，VP电压减小，当VP<VTH1时，恒压转换模块中的放大器输出高电平，增大流过功率管MN1的电流，直至流过功率管MN1的电流等于IREF，此时，满足节点 VP=(IREF-Is)*R2<VTH1，系统稳定工作后，误差放大器输入端VP=VN<VTH1，当满足VTH2<VN=VP<VTH1时，恒流转换模块的放大器输出高电平，关断功率管MP1，此时，有VN=α*VOUT，故，VP=VN=α*VOUT=(IREF-Is)*R2，将公式Is*K=Io代入上述公式,简化得α*VOUT+R2/K*Io=IREF*R2，用该直线公式近似拟合恒定功率Pout=VOUT*Io曲线，在开关电源特定的应用限制条件下，可实现±5%恒功率控制精度。当满足VN=VP<VTH2<VTH1时，恒流转换模块的放大器输出低电平，开启功率管MP1，对节点VN充电，节点电压VN升高,经过负反馈多周期调节后，节点电压VN被箝位至VTH2,即VN=VTH2，故，VP=VN=VTH2=(IREF-Is)*R2，将公式Is*K=Io代入上述公式，简化得Io=(IREF-VTH2/R2)*K与输出电压VOUT无关，系统进入恒流模式，如图2所示，为三种工作模式下输出电压与输出电流的关系曲线。
综上所示，本发明实现自由切换开关电源的恒流、恒压和恒功率三种工作模式，无需开关切换电路和乘法器，各模式的切换平滑，结构简单，同时没有二极管引入误差，提高了电路的控制精度高。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种开关电源不同工作模式自由切换的控制电路，其特征在于：包括恒流转换模块、输出电压采样模块、恒压转换模块、负载采样电流Is、采样电阻R2、基准电流源IREF和误差放大器；
所述恒流转换模块的一端引入阈值电压VTH2，恒流转换模块的另一端连接输出电压采样模块，所述电压采样模块的另一端连接误差放大器的负极端；
所述恒压转换模块的一端引入阈值电压VTH1，恒压转换模块的另一端误差放大器的正极端，误差放大器输出调节电压Vcomp；
所述负载采样电流Is、采样电阻R2和基准电流源IREF分别连接恒压转换模块，所述负载采样电流Is和采样电阻R2的另一端分别接地。
2.根据权利要求1所述的开关电源不同工作模式自由切换的控制电路，其特征在于：所述恒压转换模块包括运算放大器和功率管MN1，所述运算放大器的正极端引入阈值电压VTH1，运算放大器的负极端分别连接负载采样电流Is、采样电阻R2、功率管MN1的源极和误差放大器的正极端，运算放大器的输出端连接功率管MN1的栅极，功率管MN1的源极连接基准电流源IREF。
3.根据权利要求2所述的开关电源不同工作模式自由切换的控制电路，其特征在于：所述恒流转换模块包括运算放大器和功率管MP1，所述运算放大器的负极端引入阈值电压VTH2，运算放大器的正极端分别连接功率管MP1的漏极和输出电压采样模块，运算放大器的输出端连接功率管MP1的栅极，功率管MP1的源极连接电源VDD。
4.根据权利要求1所述的开关电源不同工作模式自由切换的控制电路，其特征在于：所述输出电压采样模块包括电阻R3和电阻R4，所述电阻R3的一端分别连接电阻R4和误差放大器的负极端，电阻R3的另一端采样输出电压VOUT，电阻R4的另一端接地。
5.根据权利要求3所述的开关电源不同工作模式自由切换的控制电路，其特征在于：所述阈值电压VTH1大于阈值电压VTH2。
6.根据权利要求1所述的开关电源不同工作模式自由切换的控制电路，其特征在于：所述恒压转换模块连接有基准电路，所述基准电流源IREF由基准电路产生。
7.根据权利要求1所述的开关电源不同工作模式自由切换的控制电路，其特征在于：所述恒压转换模块连接有电流采样电路，所述负载采样电流Is由电流采样电路采样负载电流产生。
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Denomination of invention: A Control Circuit for Free Switching of Different Operating Modes in Switching Power Supplies

Effective date of registration: 20230710

Granted publication date: 20201023

Pledgee: Industrial and Commercial Bank of China Limited Huizhou Branch

Pledgor: HUIZHOU DESAY PRECISION PARTS CO.,LTD.

Registration number: Y2023980047865