CN113131731A

CN113131731A - 恒流开关电源及其控制芯片

Info

Publication number: CN113131731A
Application number: CN202110370727.9A
Authority: CN
Inventors: 李萌; 刘拓夫; 方倩; 朱力强
Original assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: On Bright Electronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2041-04-07
Also published as: CN113131731B; TW202241022A; TWI809517B

Abstract

提供了一种恒流开关电源及其控制芯片。用于恒流开关电源的控制芯片包括：电流感测模块，被配置为基于表征流过恒流开关电源中的功率开关的电流的开关电流信号，产生电流感测信号；钳位控制模块，被配置为基于电流感测信号和表征功率开关的导通与关断的栅极检测信号，产生钳位控制信号；以及开关控制模块，被配置为：基于表征恒流开关电源的输出电压的输出反馈信号和第一参考电压产生误差放大信号，基于钳位控制信号控制误差放大信号对误差表征电容的充电以产生误差表征信号，以及基于电流感测信号、误差表征信号、及定频振荡信号产生栅极驱动信号。

Description

恒流开关电源及其控制芯片

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其涉及一种恒流开关电源及其控制芯片。

背景技术

开关电源又称交换式电源、开关变换器，是电源供应器的一种。开关电源的功能是通过不同形式的架构(例如，反激(fly-back)架构、降压(BUCK)架构、或升压(BOOST)架构等)将一个位准的电压转换为用户端所需要的电压或电流。

通常，开关电源用于交流到直流(AC/DC)或直流到直流(DC/DC)的转换，并且主要包括以下电路部分：电磁干扰(EMI)滤波电路、整流滤波电路、功率变换电路、脉宽调制(PWM)控制电路、输出整流滤波电路等，其中，PWM控制电路主要由PWM控制芯片实现。

发明内容

根据本发明实施例的用于恒流开关电源的控制芯片，包括：电流感测模块，被配置为基于表征流过恒流开关电源中的功率开关的电流的开关电流信号，产生电流感测信号；钳位控制模块，被配置为基于电流感测信号和表征功率开关的导通与关断的栅极检测信号，产生钳位控制信号；以及开关控制模块，被配置为：基于表征恒流开关电源的输出电压的输出反馈信号和第一参考电压产生误差放大信号，基于钳位控制信号控制误差放大信号对误差表征电容的充电以产生误差表征信号，以及基于电流感测信号、误差表征信号、以及定频振荡信号产生栅极驱动信号。

根据本发明实施例的恒流开关电源，包括如上所述的用于恒流开关电源的控制芯片。

根据本发明实施例的用于恒流开关电源的控制芯片通过基于电流感测信号和栅极检测信号产生钳位控制信号并基于钳位控制信号对误差表征信号进行钳位，可以加快恒流开关电源在负载动态响应过程中的环路响应速度，抑制恒流开关电源在负载动态响应过程中的输出电流的过冲，从而减小或避免对恒流开关电源的负载的损坏。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：

图1示出了传统的工作频率恒定且采用BOOST架构的恒流开关电源的系统控制部分的电路示意图。

图2示出了与图1所示的电路有关的多个信号的时序图。

图3示出了根据本发明实施例的恒流开关电源的系统控制部分的电路示意图。

图4示出了与图3所示的电路有关的多个信号的时序图。

图5示出了图3所示的钳位控制模块的逻辑框图；

图6示出了图3所示的钳位控制模块的示例实现电路图。

图7示出了图3所示的钳位控制模块的示例实现电路图。

图8示出了在图3所示的钳位控制模块采用图7所示的实现电路时，可以包括在图3所示的开关控制模块中的钳位实现电路的示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件、和算法的任何修改、替换、和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。

定频开关电源是一种工作频率恒定的开关电源，其优点包括：功率开关的工作频率不会随电感的变化而变化，方便电感的选取；在用于驱动功率开关的栅极驱动电压的占空比较低的情况下，整个电路系统工作于断续导通模式(DCM)，有效电流小、效率高。但是，在负载动态响应过程中，由于环路响应速度的限制，定频开关电源的输出电压或输出电流容易出现过冲，严重时会导致负载损坏。

图1示出了传统的工作频率恒定且采用升压架构的恒流开关电源100的系统控制部分的电路示意图。如图1所示，当功率开关Q1处于导通状态时，电感L1进行储能；当功率开关Q1处于关断状态时，电感L1储存的能量通过续流二极管D1充能到输出电容C2；反馈检测电阻R1检测表征恒流开关电源100的输出电压Vout的输出反馈信号fb并将检测到的输出反馈信号fb传输到PWM控制芯片102的反馈输入端FB；电流检测电阻R2检测表征流过功率开关Q1的电流的开关电流信号qc并将检测到的开关电流信号qc传输到PWM控制芯片102的电流感测端CS。

在图1所示的PWM控制芯片102中，误差放大器1022基于输出反馈信号fb和参考电压Vref_ea产生误差放大信号comp；电流感测模块1024基于开关电流信号qc产生电流感测信号cs；振荡器1026产生定频振荡信号clk；PWM比较器1028基于定频振荡信号clk、电流感测信号cs、以及误差放大信号comp产生用于控制功率开关Q1的关断的关断控制信号off(例如，定频振荡信号clk与电流感测信号cs叠加产生斜坡补偿信号ramp,误差放大信号comp对误差表征电容C3充电产生误差表征电压comp_d，PWM比较器1028通过对斜坡补偿信号ramp和误差表征电压comp_d进行比较产生关断控制信号off)；控制逻辑模块1030基于关断控制信号off和定频振荡信号clk产生用于控制功率开关Q1的导通与关断的开关控制信号ctl；栅极驱动器1032基于开关控制信号ctl产生用于驱动功率开关Q1的导通与关断的栅极驱动信号gate。

图2示出了与图1所示的电路有关的多个信号的时序图。从图2可以看出，在参考电压Vref_ea从低电压切换到高电压的情况下的负载动态响应过程中：恒流开关电源100的输出电流Iout从小电流向大电流增大，误差表征信号comp_d从低电压向高电压升高，同时电流感测信号cs也从低电压向高电压升高，这会导致恒流开关电源100出现过流保护(OCP)状态或者最大占空比状态(即，用于驱动功率开关Q1的导通与关断的栅极驱动信号gate出现最大占空比)；在误差表征信号comp_d从高电压下降到稳态电压的电压回调过程中，恒流开关电源100仍然处于OCP状态或最大占空比状态，环路响应速度不足会导致该电压回调过程耗时较长，使得恒流开关电源100的输出电流Iout出现严重过冲，甚至有损坏恒流开关电源100的负载的风险。

鉴于恒流开关电源100存在的上述一个或多个问题，提出了一种恒流开关电源及其控制芯片，以在恒流开关电源的负载动态响应过程中抑制恒流开关电源的输出电流的过冲，从而减小或避免对恒流开关电源的负载的损坏。

图3示出了根据本发明实施例的恒流开关电源200的系统控制部分的电路示意图。在图3所示的恒流开关电源200中，当功率开关Q21处于导通状态时，电感L21进行储能；当功率开关Q21处于关断状态时，电感L21储存的能量通过续流二极管D21充能到输出电容C22；反馈检测电阻R21检测表征恒流开关电源200的输出电压VOUT的输出反馈信号FB并将检测到的输出反馈信号FB传输到PWM控制芯片202的反馈输入端FB；电流检测电阻R22检测表征流过功率开关Q21的电流的开关电流信号QC并将检测到的开关电流信号QC传输到PWM控制芯片202的电流感测端CS。

在图3所示的恒流开关电源200中，控制芯片202包括电流感测模块2022、钳位控制模块2024、以及开关控制模块2026。电流感测模块2022被配置为基于开关电流信号QC产生电流感测信号CS。钳位控制模块2024被配置为基于电流感测信号CS和表征功率开关Q21的导通与关断的栅极检测信号GATE_SENSE产生钳位控制信号DCC。开关控制模块2026被配置为基于输出反馈信号FB和第一参考电压VREF_EA产生误差放大信号COMP，基于钳位控制信号DCC控制误差放大信号COMP对误差表征电容C23的充电以产生误差表征信号COMP_D，以及基于电流感测信号DCC、误差表征信号COMP_D、以及定频振荡信号CLK产生栅极驱动信号GATE。

图4示出了与图3所示的电路有关的多个信号的时序图。从图4可以看出，在第一参考电压VREF_EA从低电压切换到高电压的情况下的负载动态响应过程中：随着电流感测信号CS的升高，恒流开关电源200出现OCP或最大占空比状态，此时钳位控制模块2024触发对误差表征信号COMP_D的钳位，使得误差表征信号COMP_D被钳位在OCP或最大占空比状态所决定的电压附近，防止误差表征信号COMP_D继续冲高至更高电压，使得误差表征信号COMP_D在电压回调时可以快速达稳态电压，对恒流开关电源200的输出电流或输出电压的过冲有明显的抑制作用。

从以上所述可以看出，在恒流开关电源200的负载动态响应过程中，控制芯片202通过基于电流感测信号CS和栅极检测信号GATE_SENSE产生钳位控制信号DCC并基于钳位控制信号DCC对误差表征信号COMP_D进行钳位，可以加快恒流开关电源200的环路响应速度，抑制恒流开关电源200的输出电流的过冲，从而减小或避免对恒流开关电源200的负载的损坏。

在一些实施例中，开关控制模块2026可以进一步被配置为：通过将叠加定频振荡信号CLK与电流感测信号CS产生的斜坡补偿信号RAMP和误差表征信号COMP_D进行比较，产生控制功率开关Q21的关断的关断控制信号OFF；基于关断控制信号OFF和定频振荡信号CLK，产生控制功率开关Q21的导通与关断的开关控制信号CTL；以及基于开关控制信号CTL，产生开关驱动信号GATE。

如图3所示，在一些实施例中，开关控制模块2026包括误差放大器2026-1、振荡器2026-2、PWM比较器2026-3、控制逻辑模块2026-4、以及栅极驱动器2026-5，其中：误差放大器2026-1基于输出反馈信号FB和第一参考电压VREF_EA，产生误差放大信号COMP；振荡器2026-2产生定频振荡信号CLK；PWM比较器2026-3通过比较定频振荡信号CLK与电流感测信号CS叠加产生的斜坡补偿信号RAM和误差表征信号COMP_D，产生关断控制信号OFF；控制逻辑模块2026-4基于关断控制信号OFF和定频振荡信号CLK，产生开关控制信号CTL；栅极驱动器2026-5基于开关控制信号CTL产生开关驱动信号GATE。

图5示出了图3所示的钳位控制模块2024的逻辑框图。如图5所示，在一些实施例中，钳位控制模块2024包括最大占空比检测单元、OCP检测单元、以及控制信号生成单元，其中：最大占空比检测单元被配置为基于定频振荡信号CLK和栅极检测信号GATE_SENSE，产生最大占空比指示信号D_max；OCP检测单元被配置为基于电流感测信号CS和第二参考电压OCP_ref，产生过流保护信号OCP_s；控制信号生成单元被配置为基于过流保护信号OCP_s和最大占空比指示信号D_max，产生钳位控制信号DCC。这里，最大占空比检测单元可以检测出恒流开关电源200是否处于最大占空比状态，OCP检测单元可以检测出恒流开关电源200是否处于OCP状态，因此控制信号生成单元可以基于恒流开关电源200是否处于最大占空比状态和/或OCP状态来生成钳位控制信号DCC。

图6示出了图3所示的钳位控制模块2024的示例实现电路图。如图6所示，在一些实施例中，触发器D1在检测到栅极检测信号GATE_SENSE的占空比达到定频振荡信号CLK的占空比时产生最大占空比指示信号D_max。比较器CMP1通过将电流感测信号CS和第二参考电压OCP_ref进行比较生成过流指示信号OCP_i。过流指示信号OCP_i经过前沿消隐(LEB)的屏蔽后产生初始的过流保护信号OCP_p。初始的过流保护信号OCP_p经过触发器D2和D3以及脉冲产生电路P1的处理后产生隔周期的过流保护信号OCP1。隔周期的过流保护信号OCP1和最大占空比指示信号D_max经过逻辑或后产生钳位控制信号DCC。这里，可以将隔周期的过流保护信号OCP1看作过流保护信号OCP_s。

在一些实施例中，当钳位控制信号DCC为高电平时，使能误差放大信号COMP对误差表征电容C23充电；当钳位控制信号DCC为低电平时，禁止误差放大信号COMP对误差表征电容C23充电。这里，误差表征电容C23上的电压即为误差表征信号COMP_D。

图7示出了图3所示的钳位控制模块2024的示例实现电路图。如图7所示，在一些实施例中，触发器D5在检测到栅极检测信号GATE_SENSE的占空比达到定频振荡信号CLK的振荡比时产生最大占空比指示信号D_max。CMP2通过将电流感测信号CS和第二参考电压OCP_ref进行比较生成过流指示信号OCP_i。过流指示信号OCP_i经过前沿消隐(LEB)的屏蔽后产生过流保护信号OCP_s。过流保护信号OCP_s与最大占空比指示信号D_max进行逻辑或后通过触发器D4产生钳位控制信号DCC。

在图6和图7所示的示例实现中，由于钳位控制信号DCC是通过对过流保护信号OCP_s和最大占空比指示信号D_max进行逻辑或产生的，所以无论恒流开关电源200处于OCP状态还是最大占空比状态，钳位控制信道DCC都可以对误差表征信号COMP_D进行钳位。

图8示出了在图3所示的钳位控制模块2024采用图7所示的实现电路时，可以包括在图3所示的开关控制模块2026中的钳位实现电路的示意图。钳位控制信号DCC控制开关SW1对误差放大信号COMP进行采样以产生误差控制信号COMP_p，比较器CMP3对误差表征信号COMP_D和误差控制信号COMP_p进行比较并在误差表征信号COMP_D大于误差控制信号COMP_p时控制开关SW2导通，通过下拉电流源Ib1对误差表征信号COMP_D进行控制。

从图8可以看出，在一些实施例中，开关控制模块2026可以进一步被配置为：基于钳位控制信号DCC对误差放大信号COMP进行控制，以产生误差控制信号COMP_p；通过将误差表征信号COMP_D和误差控制信号COMP_p进行比较，产生误差比较信号COMP_c；以及基于误差比较信号COMP_c控制误差放大信号COMP对误差表征电容C23的充电。

综上所述，与图1所示的恒流开关电源100相比，图3所示的恒流开关电源200增加了对误差表征信号COMP_D进行动态钳位的钳位控制模块2024，其作用是在恒流开关电源200的负载动态响应过程中控制误差表征信号COMP_D的增大，使得误差表征信号COMP_D更容易回调到稳态电压，从而抑制输出电流的过冲、减小对负载的损伤。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims

1.一种用于恒流开关电源的控制芯片，包括：

电流感测模块，被配置为基于表征流过所述恒流开关电源中的功率开关的电流的开关电流信号，产生电流感测信号；

钳位控制模块，被配置为基于所述电流感测信号和表征所述功率开关的导通与关断的栅极检测信号，产生钳位控制信号；以及

开关控制模块，被配置为：

基于表征所述恒流开关电源的输出电压的输出反馈信号和第一参考电压，产生误差放大信号，

基于所述钳位控制信号控制所述误差放大信号对误差表征电容的充电，以产生误差表征信号，以及

基于所述电流感测信号、所述误差表征信号、以及定频振荡信号，产生所述栅极驱动信号。

2.如权利要求1所述的控制芯片，其中，所述钳位控制模块进一步被配置为：

基于所述电流感测信号和第二参考电压，产生过流保护信号；

基于所述定频振荡信号和所述栅极检测信号，产生最大占空比指示信号；以及

基于所述过流保护信号和所述最大占空比指示信号，产生所述钳位控制信号。

3.如权利要求2所述的控制芯片，其中，所述钳位控制模块进一步被配置为：

通过对所述过流保护信号和所述最大占空比指示信号进行逻辑或，产生所述钳位控制信号。

4.如权利要求2所述的控制芯片，其中，所述钳位控制模块进一步被配置为：

通过将所述电流感测信号和所述第二参考电压进行比较，产生过流指示信号；以及

通过对所述过流指示信号进行前沿消隐，产生所述过流保护信号。

5.如权利要求2所述的控制芯片，其中，所述钳位控制模块进一步被配置为：

当检测到所述栅极检测信号的占空比达到所述定频振荡信号的占空比时，产生所述最大占空比指示信号。

6.如权利要求1所述的控制芯片，其中，所述开关控制模块进一步被配置为：

通过将叠加所述定频振荡信号与所述电流感测信号产生的斜坡补偿信号和所述误差表征信号进行比较，产生控制所述功率开关的关断的关断控制信号；

基于所述关断控制信号和所述定频振荡信号，产生控制所述功率开关的导通与关断的开关控制信号；以及

基于所述开关控制信号，产生所述开关驱动信号。

7.如权利要求1所述的控制芯片，其中，所述开关控制模块进一步被配置为：

当所述钳位控制信号为高电平时，使能所述误差放大信号对所述误差表征电容充电；

当所述钳位控制信号为低电平时，禁止所述误差放大信号对所述误差表征电容充电，其中

将所述误差表征电容上的电压作为所述误差表征信号。

8.如权利要求1所述的控制芯片，其中，所述开关控制模块进一步被配置为：

基于所述钳位控制信号对所述误差放大信号进行控制，以产生误差控制信号；

通过将所述误差表征信号和所述误差控制信号进行比较，产生误差比较信号；以及

基于所述误差比较信号，控制所述误差放大信号对所述误差表征电容的充电。

9.如权利要求9所述的控制芯片，其中，所述开关控制模块进一步被配置为：

当所述误差比较信号为高电平时，利用所述误差放大信号的一部分对所述误差表征电容充电；

当所述误差比较信号为低电平时，利用所述误差放大信号的全部对所述误差表征电容充电。

10.一种恒流开关电源，包括权利要求1至9中任一项所述的用于恒流开关电源的控制芯片。