CN112953213A - 开关电源及其控制电路、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种开关电源及其控制电路、控制方法，其中，开关电源为降压型开关电源，开关电源的控制电路包括电感电流采样电路、恒流控制电路、信号转换电路和开关管控制电路。电感电流采样电路用以实时采样电感电流。恒流控制电路的输入端耦接电感电流采样电路，用以根据电感电流采样电路实时采样的电感电流生成第一控制信号。信号转换电路的输入端耦接恒流控制电路，用以将恒流控制电路输出的第一控制信号进行电平转换生成电平转换信号。开关管控制电路的输入端耦接信号转换电路，用以根据电平转换信号控制开关电源中的开关管的开关状态。本发明提出的开关电源及其控制电路、控制方法，可实时采样电感电流，从而实现高精度的恒流控制。

Description

开关电源及其控制电路、控制方法

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及一种开关电源，尤其涉及一种开关电源及其控制电路、控制方法。

背景技术

图1为现有降压型开关电源的控制电路的电路示意图；请参阅图1，现有部分开关电源电路采用低端驱动的降压型控制方式，实现恒流是通过采样电感电流CS峰值，通过内部恒流算法估算电感电流平均值，存在电感电流峰值采样误差以及恒流算法理论误差，电感平均电流控制精度较差；当输入电压、输出电压以及电感变化时，电感电流均会出现偏差，无法实时监测电感电流实现高精度恒流控制。

此外，由于无电感无辅组绕组监测输出电压，无法实现输出的恒压控制或者高精度过压保护。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的开关电源，以便克服现有的开关电源存在的上述至少部分缺陷。

发明内容

本发明提供一种开关电源及其控制电路、控制方法，可实现高精度恒流控制。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

本发明公开了一种开关电源的控制电路，所述开关电源为降压型开关电源，所述开关电源的控制电路包括：

电感电流采样电路，用以实时采样电感电流；

恒流控制电路，其输入端耦接所述电感电流采样电路，用以根据所述电感电流采样电路实时采样的电感电流生成第一控制信号；

信号转换电路，其输入端耦接所述恒流控制电路，用以将所述恒流控制电路输出的第一控制信号进行电平转换生成电平转换信号；以及

开关管控制电路，其输入端耦接所述信号转换电路，用以根据所述电平转换信号控制开关电源中的开关管的开关状态。

作为本发明的一实施方式，所述电感电流采样电路的参考地为浮地，所述开关管控制电路的参考地为输入地；所述信号转换电路将参考地为浮地的第一控制信号进行电平转换生成参考地为输入地的电平转换信号。

作为本发明的一实施方式，所述控制电路进一步包括：

输出电压采样电路，用以实时采样输出电压；以及

电压控制电路，其输入端耦接所述输出电压采样电路，其输出端耦接所述信号转换电路，用以根据所述输出电压采样电路实时采样的输出电压生成第二控制信号。

作为本发明的一实施方式，所述输出电压采样电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端分别耦接第二电阻的第二端和电压控制电路的输入端，所述第一电阻的第二端耦接浮地端，所述第二电阻的第一端耦接输入电压。

作为本发明的一实施方式，所述开关电源包括电感、第一电容、第一二极管、开关管，所述电感电流采样电路包括采样电阻；所述第一二极管的阴极耦接输入电压，所述电感的第一端耦接第一二极管的阳极，所述电感的第二端耦接采样电阻的第一端，所述第一电容的第一端耦接第一二极管的阴极，所述第一电容的第二端分别耦接采样电阻的第二端和浮地端，所述采样电阻的第一端还耦接恒流控制电路的输入端。

作为本发明的一实施方式，所述开关管控制电路包括：

第三电阻，其第一端耦接所述信号转换电路的输出端，其第二端耦接输入地端；以及

驱动信号产生电路，其输入端耦接所述第三电阻的第一端，其输出端耦接所述开关管的控制端。

作为本发明的一实施方式，所述信号转换电路包括：

晶体管，其漏极耦接所述恒流控制电路的输出端，其栅极耦接浮地端；以及

第四电阻，其第一端耦接所述晶体管的源极，其第二端耦接输入地端。

作为本发明的一实施方式，所述电压控制电路包括恒压控制电路、过压保护控制电路中的至少一种。

本发明公开了一种开关电源，所述开关电源为降压型开关电源，所述开关电源包括如上任一所述的开关电源的控制电路及开关管，所述开关电源的控制电路耦接所述开关管。

本发明公开了一种开关电源的控制方法，所述开关电源为降压型开关电源，所述控制方法包括：

实时采样所述开关电源的电感电流；

根据实时采样的电感电流和第一预设参考信号生成第一控制信号；

将所述第一控制信号进行电平转换生成电平转换信号；以及

根据所述电平转换信号控制开关电源中的开关管的开关状态，从而控制输出电流。

作为本发明的一实施方式，所述控制方法还包括：

实时采样开关电源中的输出电压；

根据实时采样的输出电压和第二预设参考信号生成第二控制信号；

将所述第一控制信号和第二控制信号进行电平转换生成电平转换信号；以及

根据所述电平转换信号控制开关电源中的开关管的开关状态，从而控制输出电流和输出电压。

本发明的有益效果在于：本发明提出的开关电源及其控制电路、控制方法，可实时采样电感电流，可实现高精度恒流控制。

附图说明

图1为现有开关电源的控制电路的电路示意图。

图2为本发明一实施例中开关电源的控制电路的组成示意图。

图3为本发明一实施例中开关电源的控制电路的组成示意图。

图4为本发明一实施例中开关电源的控制电路的组成示意图。

图5为本发明一实施例中恒流控制电路的电路示意图。

图6为本发明一实施例中电压控制电路的电路示意图。

图7为本发明一实施例中信号转换电路的电路示意图。

图8为本发明一实施例中开关电源的控制电路的电路示意图。

图9为本发明一实施例中开关电源的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过一些有源器件、无源器件或电传导媒介进行的连接；还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

本发明揭示了一种开关电源的控制电路，开关电源为降压型开关电源，图2为本发明一实施例中开关电源的控制电路的组成示意图；在本发明的一实施例中，开关电源的控制电路包括：电感电流采样电路1、恒流控制电路2、信号转换电路3及开关管控制电路4。电感电流采样电路1用以实时采样电感电流，电感电流为流过降压型开关电源中的电感的电流。恒流控制电路2耦接电感电流采样电路1，恒流控制电路2用以根据电感电流采样电路1实时采样的电感电流生成第一控制信号。信号转换电路3的输入端耦接恒流控制电路2，信号转换电路3用以将恒流控制电路2输出的第一控制信号进行电平转换生成电平转换信号。开关管控制电路4耦接信号转换电路3，开关管控制电路4的输出端能耦接开关管5，开关管控制电路4用以根据电平转换信号控制开关管5的开关状态，从而控制电感电流的平均值，以实现开关电源的恒流输出。

图5为本发明一实施例中恒流控制电路的电路示意图；请参阅图5，恒流控制电路2采用图5所示的电路原理。在一实施例中，恒流控制电路根据表征电感电流的电压信号Vcs和第一预设参考信号Vref1生成第一控制信号。恒流控制电路包括第一比较器和第一补偿电容，第一比较器的同相输入端耦接第一预设参考信号Vref1，第一比较器的反相输入端耦接电压信号Vcs，第一比较器的输出端耦接第一补偿电容的第一端，第一补偿电容的第二端耦接浮地端，第一补偿电容的第二端输出第一控制信号。

在本发明的一种使用场景中，本发明通过电感电流采样电阻Rcs全周期实时采样电感电流值，通过恒流控制环路实现对电感电流的平均值的精准控制，与输入电压、输出电压以及电感值没有关系。

在本发明的一实施例中，降压型开关电源的控制电路进一步包括输出电压采样电路和电压控制电路。输出电压采样电路用以实时采样输出电压。电压控制电路耦接输出电压采样电路，电压控制电路用以根据输出电压采样电路实时采样的输出电压生成第二控制信号。开关管控制电路用以根据恒流控制电路的第一控制信号和电压控制电路输出的第二控制信号控制开关管的开关状态，从而控制电感电流的平均值及输出电压。

图3为本发明一实施例中降压型开关电源的控制电路的组成示意图；请参阅图3，在本发明的一实施例中，降压型开关电源的控制电路包括输出电压采样电路10、电压控制电路20、信号转换电路3及开关管控制电路4。输出电压采样电路10用以实时采样输出电压。电压控制电路20的输入端耦接输出电压采样电路10的输出端，电压控制电路20用以根据输出电压采样电路10实时采样的输出电压生成第二控制信号。信号转换电路3将电压控制电路20输出的第二控制信号进行电平转换生成电平转换信号。开关管控制电路4的输入端耦接信号转换电路3的输出端，开关管控制电路4的输出端能耦接开关管5，开关管控制电路4用以根据电压控制电路20输出的第二控制信号控制开关管5的开关状态，从而控制输出电压。

图7为本发明一实施例中信号转换电路的电路示意图。请参阅图7，在本发明的一实施例中，信号转换电路可采用图7所示的电路原理。信号转换电路包括晶体管Q2和第四电阻R4。晶体管Q2的漏极耦接恒流控制电路的输出端，晶体管Q2的栅极耦接浮地端HGND。第四电阻R4的第一端耦接晶体管的源极，第四电阻R4的第二端耦接输入地端GND。第四电阻R4的第一端输出电平转换信号。在一实施例中，晶体管为P沟道MOS晶体管(简称PMOS)，耐压可大于400V。电平转换的过程具体为，将恒流控制电路输出的第一控制信号和/或电压控制电路输出的第二控制信号进行电平转换后输出电平转换信号。在另一实施例中，将参考地为浮地的第一控制信号和第二控制信号转换为参考地为输入地的电平转换信号。在另一实施例中，如图4所示，降压型开关电源的控制电路包括电感电流采样电路1、恒流控制电路2、输出电压采样电路10、电压控制电路20、运算电路6、信号转换电路3和开关管控制电路4。运算电路6的第一输入端耦接恒流控制电路2的输出端和电压控制电路20的输出端，运算电路6的输出端耦接信号转换电路3的输入端。运算电路6将接收到的第一控制信号和第二控制信号进行逻辑运算后输出至信号转换电路3。

在一实施例中，电压控制电路20包括恒压控制电路、过压保护控制电路中的至少一种。当电压控制电路20为恒压控制电路时，降压型开关电源的控制电路实现恒压输出控制。当电压控制电路20为过压保护控制电路时，降压型开关电源的控制电路实现输出过压保护功能。

图6为本发明一实施例中电压控制电路的电路示意图；请参阅图6，在本发明的一实施例中，电压控制电路可采用图6所示的电路原理。在一实施例中，电压控制电路根据表征输出电压的电压信号FB和第二预设参考信号Vref2生成第二控制信号。电压控制电路包括第二比较器和第二补偿电容，第二比较器的同相输入端耦接第二预设参考信号Vref2，第二比较器的反相输入端耦接电压信号FB，第二比较器的输出端耦接第二补偿电容的第一端，第二补偿电容的第二端耦接浮地端，第二补偿电容的第二端输出第二控制信号。

在本发明一实施例中，通过高压侧部分对输出电压全周期实时采样，通过恒压控制电路(或输出过压保护控制电路)实现对输出电压精准控制，其控制的输出电压与电感值等外围条件无关，可以实现高精度恒压控制或者高精度输出过压保护(OVP)控制。

本发明还揭示一种开关电源，开关电源包括：上述的降压型开关电源的控制电路及开关管，降压型开关电源的控制电路的输出端耦接开关管的控制端。如图8所示，在一实施例中，开关电源包括电感L1、第一电容Cout、第一二极管D1和开关管Q1。第一电容Cout为输出电容，负载与第一电容Cout并联。电感电流采样电路包括采样电阻Rcs。第一二极管D1的阴极耦接输入电压Vin，电感L1的第一端耦接第一二极管D1的阳极，电感L1的第二端耦接采样电阻Rcs的第一端，第一电容Cout的第一端耦接第一二极管D1的阴极，第一电容Cout的第二端分别耦接采样电阻Rcs的第二端和浮地端，采样电阻Rcs的第一端还耦接恒流控制电路的输入端。其中，高压侧电路包括恒流控制电路、恒压控制电路、第一稳压源以及运算电路(如加法器)，第一稳压源耦接输入电压，高压侧电路的参考地为浮地。低压侧电路包括开关管控制电路，开关管控制电路包括第三电阻R3、驱动信号产生电路和第二稳压源，第二稳压源耦接输入电压。第三电阻R3的第一端耦接所述信号转换电路的输出端，第三电阻R3的第二端耦接输入地端。驱动信号产生电路的输入端耦接第三电阻R3的第一端，驱动信号产生电路的输出端耦接开关管的控制端。低压侧电路的参考地为输入地。

在本发明的一实施例中，在高压侧能全周期实时采样输出电压，通过恒压控制环精准控制输出电压，实现高精度输出电压控制。开关电源的输出直接对高压侧和低压侧供电，高压侧和低压侧均无需额外增加稳压电容，可减小系统成本。

图8为本发明一实施例中降压型开关电源的控制电路的电路示意图；请参阅图8，在本发明的一种使用场景中，高压侧全周期实时采样电感电流和输出电压，经过恒流控制电路和恒压控制电路处理后输出第一控制信号和第二控制信号，再经信号转换电路将高压侧的第一控制信号和第二控制信号转换到低压侧，通过低压侧控制开关管Q1的开关状态，最终构成一个负反馈环路，实现电感电流的平均值和输出电压的精确控制。高压侧和低压侧之间有最高约400V的电压差，高压侧的第一控制信号和第二控制信号与低压侧开关管的驱动信号不是共地信号，驱动信号产生电路无法直接根据第一控制信号和第二控制信号来驱动开关管，信号转换电路的作用是将高压测的信号转换到低压侧，从而控制开关管的开关状态。

本发明还揭示一种降压型开关电源的控制方法，图9为本发明一实施例中降压型开关电源的控制方法的流程图；请参阅图9，在本发明的一实施例中，所述控制方法包括：

步骤S1、实时采样开关电源中的电感电流；

步骤S2、根据实时采样的电感电流和第一预设参考信号生成第一控制信号；

步骤S3、将第一控制信号进行电平转换生成电平转换信号；以及

步骤S4、根据电平转换信号控制开关电源中的开关管的开关状态，从而控制输出电流。

在本发明的一实施例中，降压型开关电源的控制方法还包括：

步骤1、实时采样开关电源的输出电压；

步骤2、根据实时采样的输出电压和第二预设参考信号生成第二控制信号；

步骤3、将第一控制信号和第二控制信号进行电平转换生成电平转换信号；以及

步骤4、根据电平转换信号控制开关电源中的开关管的开关状态，从而控制输出电流和输出电压。

在一实施例中，步骤2中，可通过恒压控制电路或/和过压保护控制电路实现对第二控制信号的生成。当设置恒压控制电路时，降压型开关电源的控制电路实现恒压输出控制；当设置过压保护控制电路时，降压型开关电源的控制电路实现输出过压保护功能。

有关降压型开关电源的控制方法的具体控制细节的流程可参见有关降压型开关电源的控制系统的描述，这里不做赘述。

综上所述，本发明提出的降压型开关电源及其控制电路、控制方法，可实现高精度恒流或/和高精度恒压控制或/和高精度输出过压保护。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (11)

1.一种开关电源的控制电路，所述开关电源为降压型开关电源，其特征在于，所述开关电源的控制电路包括：

电感电流采样电路，用以实时采样电感电流；

恒流控制电路，其输入端耦接所述电感电流采样电路，用以根据所述电感电流采样电路实时采样的电感电流生成第一控制信号；

信号转换电路，其输入端耦接所述恒流控制电路，用以将所述恒流控制电路输出的第一控制信号进行电平转换生成电平转换信号；以及

开关管控制电路，其输入端耦接所述信号转换电路，用以根据所述电平转换信号控制开关电源中的开关管的开关状态。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述电感电流采样电路的参考地为浮地，所述开关管控制电路的参考地为输入地；所述信号转换电路将参考地为浮地的第一控制信号进行电平转换生成参考地为输入地的电平转换信号。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：

所述控制电路进一步包括：

输出电压采样电路，用以实时采样输出电压；以及

电压控制电路，其输入端耦接所述输出电压采样电路，其输出端耦接所述信号转换电路，用以根据所述输出电压采样电路实时采样的输出电压生成第二控制信号。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于：

所述输出电压采样电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端分别耦接第二电阻的第二端和电压控制电路的输入端，所述第一电阻的第二端耦接浮地端，所述第二电阻的第一端耦接输入电压。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述开关电源包括电感、第一电容、第一二极管、开关管，所述电感电流采样电路包括采样电阻；所述第一二极管的阴极耦接输入电压，所述电感的第一端耦接第一二极管的阳极，所述电感的第二端耦接采样电阻的第一端，所述第一电容的第一端耦接第一二极管的阴极，所述第一电容的第二端分别耦接采样电阻的第二端和浮地端，所述采样电阻的第一端还耦接恒流控制电路的输入端。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述开关管控制电路包括：

第三电阻，其第一端耦接所述信号转换电路的输出端，其第二端耦接输入地端；以及

驱动信号产生电路，其输入端耦接所述第三电阻的第一端，其输出端耦接所述开关管的控制端。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述信号转换电路包括：

晶体管，其漏极耦接所述恒流控制电路的输出端，其栅极耦接浮地端；以及

第四电阻，其第一端耦接所述晶体管的源极，其第二端耦接输入地端。

8.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于：

所述电压控制电路包括恒压控制电路、过压保护控制电路中的至少一种。

9.一种开关电源，所述开关电源为降压型开关电源，其特征在于，所述开关电源包括：权利要求1至8任一所述的开关电源的控制电路及开关管，所述开关电源的控制电路耦接所述开关管。

10.一种开关电源的控制方法，所述开关电源为降压型开关电源，其特征在于，所述控制方法包括：

实时采样所述开关电源的电感电流；

根据实时采样的电感电流和第一预设参考信号生成第一控制信号；

将所述第一控制信号进行电平转换生成电平转换信号；以及

根据所述电平转换信号控制开关电源中的开关管的开关状态，从而控制输出电流。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

实时采样开关电源中的输出电压；

根据实时采样的输出电压和第二预设参考信号生成第二控制信号；

将所述第一控制信号和第二控制信号进行电平转换生成电平转换信号；以及

根据所述电平转换信号控制开关电源中的开关管的开关状态，从而控制输出电流和输出电压。

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