CN114050711B - 一种内置高压功率管电流检测的自供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内置高压功率管电流检测的自供电方法，基于开关电源开关电路，包括变压器、控制芯片、电源储能电容、次级整流二极管、次级储能电容和负载，控制芯片内部包括高压功率管、低压功率管、自供电二极管和控制电路；通过对控制芯片的高压功率管和低压功率管的导通和关断控制，实现非自供电周期和自供电周期的调控和切换，使得每个开关周期在变压器初级侧励磁电感电流到达内部设定高压功率管最大励磁峰值电流时关断功率管，同时满足最大输出功率一致性和自供电的要求。

Description

一种内置高压功率管电流检测的自供电方法

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种内置高压功率管电流检测的自供电方法。

背景技术

开关电源自供电技术是控制芯片在高压功率开关管导通阶段利用变压器励磁电感的部分能量给控制芯片补充供电。采用自供电技术的开关电源在不损失开关电源转换效率的前提下可以省略传统开关电源的辅助供电绕组。现有开关电源自供电技术原理图如图1所示。该图以反激式开关电源为例，由变压器T1、控制芯片、电流检测电阻Rcs、VCC电源储能电容C1、次级整流二极管D2、次级储能电容C2和负载RL组成。Lm为变压器初级侧励磁电感，Vin为输入电压，Vout为输出电压，Ilm为变压器初级侧励磁电感电流，Iout为输出电流。控制芯片由高压功率管Q1、低压功率管M1、自供电二极管D1、控制电路组成。FB为输出电压反馈信号，可以是不带光耦的原边反馈信号，也可以是带光耦的副边反馈信号，送入芯片，控制电路根据FB、检测到的Ilm电流信号，产生信号OB用于控制Q1的导通和关断，产生信号GT用于控制M1的导通与关断。当Q1、M1同时导通时，控制电路由C1提供能量，Ilm呈线性增加，M1上电流Ilm1＝Ilm；当Q1导通，M1关断时，开启自供电，OE端通过二极管D1向外部电容C1充电并使C1储存能量，并且给控制电路提供电源，此时Ilm电流继续线性增加，流经二极管D1的电流Ilm2＝Ilm，Ilm不再流经M1；Q1、M1均关断时，Ilm电流开始往次级传输能量，此时控制电路由C1提供电源。

在固化最大输入功率的应用场合，控制芯片可以根据最大输入功率内部设定高压功率管最大励磁峰值电流，在功率管Q1导通期间，不管是自供电周期还是非自供电周期，都可以通过电流采样电阻Rcs直接测量到励磁电流，保证最大功率的一致性；但是Rcs电阻上一直有能量消耗，其消耗功率为无功功率，影响了开关电源的整体效率，并且控制芯片需要外加CS引脚，增加了硬件成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种内置高压功率管电流检测的自供电方法，解决现有技术中开关电源存在无功功率损耗，以及难以做到最大输出功率一致性和自供电的问题。

为解决本发明的技术问题，提供了一种内置高压功率管电流检测的自供电方法，基于开关电源，包括变压器、控制芯片、电源储能电容、次级整流二极管、次级储能电容和负载，所述变压器初级侧励磁电感与控制芯片的调控端电连接，所述控制芯片的电源端电连接电源储能电容后接地，所述控制芯片的接地端接地，所述控制芯片内部包括高压功率管、低压功率管、自供电二极管和控制电路；当所述控制芯片的高压功率管和低压功率管同时导通时，控制电路由电源储能电容提供能量，流经所述励磁电感的电流呈线性增加，流经低压功率管上电流等于所述励磁电感的电流，控制电路通过内部电流检测模块，检测所述低压功率管的栅极和漏极电压，得到流经低压功率管的电流；当所述控制芯片的高压功率管导通，低压功率管关断时，开启自供电，低压功率管的漏极通过自供电二极管向电源储能电容充电，并且给控制电路供电，此时流经所述励磁电感的电流继续线性增加，当流经自供电二极管的电流等于流经所述励磁电感的电流，电流不再流经所述低压功率管，控制电路无法直接测量到流经所述低压功率管的电流值；当所述控制芯片的高压功率管和低压功率管同时关断时，流经所述励磁电感的电流开始往次级传输能量，此时控制电路由电源储能电容提供电源。

优选的，当高压功率管导通时刻，控制电路检测控制芯片的电源端的VCC电压，当VCC电压大于或等于设定电压参考值Vcc_ref时，判断此周期为非自供电周期，在高压功率管导通期间，低压功率管一直导通，并且启动计时器，当检测到流经低压功率管的电流大于或等于最大设定电流值Ipk时，同时关断高压功率管和低压功率管，并且将此时计时器数值Ton保存下来作为参考值Ton_ref＝Ton。

优选的，当高压功率管导通时刻，控制电路检测控制芯片的电源端的VCC电压，当VCC电压小于设定电压参考值Vcc_ref时，判断此周期为自供电周期，低压功率管同时导通，并且启动计时器，当计时器的当前计时值Ton＝Ton1＝Ton_ref×K时，其中0<K<1，K为内部设定自供电比例系数，K值根据满足自供电需求动态调节，低压功率管提前关断，计时器继续计时，当计时器的当前数值等于参考值时，即Ton＝Ton_ref时，关断高压功率管。

优选的，如果检测到自供电周期连续的个数N达到最大值Nmax，即N＝Nmax，那么下一开关周期强制为非自供电周期。

优选的，如果N＝Nmax后，仍然无法维持VCC电压在Vcc_ref，VCC继续下降，此时就需要减小K值，增加自供电时间；如果N<Nmax，下一周期的导通时刻检测到VCC≥Vcc_ref，此周期为非自供电周期。

优选的，当开关周期计数达到设定的参考值M时，如果

说明自供电不足，则减小K值，增加自供电时间；如果

时，说明自供电周期较长，则增大K值；其他条件下，K值不变。

本发明的技术效果是：本发明涉及一种内置高压功率管电流检测的自供电方法，基于开关电源开关电路，包括变压器、控制芯片、电源储能电容、次级整流二极管、次级储能电容和负载，变压器的初级侧设置有励磁电感，控制芯片内部包括高压功率管、低压功率管、自供电二极管和控制电路；通过对控制芯片的高压功率管和低压功率管的导通和关断控制，实现非自供电周期和自供电周期的调控和切换，使得每个开关周期在变压器初级侧励磁电感电流到达内部设定高压功率管最大励磁峰值电流时关断功率管，同时满足最大输出功率一致性和自供电的要求。

附图说明

图1是现有技术中开关电源一实施例的电路图；

图2是本发明中开关电源一实施例的电路图；；

图3是本发明内置高压功率管电流检测的自供电方法一实施例的流程图；

图4是本发明内置高压功率管电流检测的自供电方法另一实施例的流程图；

图5是本发明内置高压功率管电流检测的自供电方法另一实施例中控制芯片的电路图；

图6是本发明内置高压功率管电流检测的自供电方法另一实施例的周期时序图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

结合图1现有技术的基础，图2为一种内置高压功率管电流检测的带自供电技术的开关电源电路的实施例。图2还是以反激式开关电源为例，其中的电路包括变压器T1、控制芯片、VCC电源储能电容C1、次级整流二极管D2、次级储能电容C2和负载RL。Lm为变压器初级侧励磁电感，Vin为输入电压，Vout为输出电压，Ilm为变压器初级侧励磁电感电流，Iout为输出电流。控制芯片包括的端口有反馈端FB、电源端VCC、接地端PGND和调控端OC，控制芯片内部包括高压功率管Q1、低压功率管M1、自供电二极管D1和控制电路。

优选的，当Q1、M1同时导通时，控制电路由C1提供能量，Ilm呈线性增加，M1上电流Ilm1＝Ilm，控制电路通过内部电流检测模块，检测OE和GT电压，根据镜像电流源原理可以直接检测出Ilm值；当Q1导通，M1关断时，开启自供电，OE端通过二极管D1向外部电容C1充电并使C1储存能量，并且给控制电路提供电源，此时Ilm电流继续线性增加，流经二极管D1的电流Ilm2＝Ilm，Ilm不再流经M1，所以控制电路无法直接测量到Ilm值；Q1、M1均关断时，Ilm电流开始往次级传输能量，此时控制电路由C1提供电源。

优选的，结合图2所示，当检测到VCC电压小于内部设定参考值时，当前Pwm周期定义为自供电周期；当检测到VCC电压大于或等于内部设定参考值时，当前Pwm周期定义为非自供电周期。

本发明要解决的关键问题为在自供电周期，即Q1导通，M1关断时期，如何得到准确的电流Ilm值，使得每个开关周期在变压器初级侧励磁电感电流到达内部设定高压功率管最大励磁峰值电流时关断功率管，同时满足最大输出功率一致性和自供电的要求。

优选的，可以利用在非自供电周期得到的高压功率管的导通时间宽度作为自供电周期的高压功率管的导通宽度，保证非自供电周期的峰值电流和自供电周期相同。

优选的，本发明提出的一种内置高压功率管电流检测的自供电方法实施例，对应的流程图如图3所示。

优选的，在高压功率管导通时刻检测VCC电压，当VCC电压大于或等于设定值Vcc_ref时，判断此周期为非自供电周期，在高压功率管导通期间，低压功率管一直导通，并且启动计时器，当检测到Ilm1大于等于最大设定电流Ipk时，同时关断高、低压功率管，并且将此时计时器的数值Ton值保存下来作为参考值Ton_ref＝Ton。

优选的，在高压功率管导通时刻检测VCC电压，当VCC电压小于设定值Vcc_ref时，判断此周期为自供电周期，低压功率管同时导通，并且启动计时器，当计时器Ton＝Ton1＝Ton_ref×K时(其中，0<K<1，K为内部设定自供电比例系数，K值根据满足自供电需求动态调节)，低压功率管提前关断，计时器Ton继续计时，当计时器的当前数值等于参考值时，即Ton＝Ton_ref时，关断高压功率管。根据

在Vin不变时，自供电周期和非自供电周期的Ipk相同。输入电压Vin为市交流电通过整流得来，如果自供电周期连续时间太长，Vin的工频波动对最大峰值电流产生误差，所以为了消除Vin波动对Ipk的影响，应该限制最大连续自供电周期的个数N不可以太多。优选的，如果检测到自供电周期连续的个数达到最大值，即N＝Nmax，那么下一开关周期强制为非自供电周期。

优选的，如果N＝Nmax后，仍然无法维持VCC电压在Vcc_ref，VCC继续下降，此时就需要减小K值，增加自供电时间；如果N<Nmax，下一周期的高压功率管导通时刻检测到VCC≥Vcc_ref，此周期为非自供电周期；K值如果太小，自供电时间太长，系统稳定时自供电周期占所有周期的比例太小，那么会导致系统效率降低；为了满足效率要求，需要增加K值，减小VCC自供电时长，增加自供电周期占所有周期的比例。

进一步的，如图4所示，针对K值调节，为了保证系统稳定和抗干扰性，K值的动态调整速度不可以太快，所以在计算检测自供电周期占所有周期的比例时需采用较多个开关周期，定义为开关周期设定参考值M，一般取数百至数千个。当开关周期计数到参考值M时，如果

说明自供电不足，要减小K值；如果

时，说明自供电时间太长，要增大K值；其余条件下，K值不变。

进一步的，如图5所示，显示了本发明中控制芯片的内部组成，其中包括MOS管M2～M5、运算放大器OP、以及电阻Rs组成了电感电流Ilm1检测电路，即将电流Ilm1按照一定比例镜像缩小，通过Rs电阻的电压Vcs即可知道当前Ilm1的电流值。参考峰值电流产生器是根据外部输入FB的电压值得到当前系统需要的励磁电感峰值电流Ipk，然后根据Ilm1电流检测电路的比例关系得到对应的Vcs_ref，输入比较器cmp1中，当Vcs>Vcs_ref时，即Ilm>Ipk时，输出信号Ipk_ok为高电平。VBE为OB对OE的压差，Pwm为产生VBE的数字信号，比较器cmp2是将VCC和芯片预设参考VCC电压Vcc_ref进行比较，通过D触发器D-fifo使用Pwm的上升沿采集cmp2的输出信号，D触发器的输出与连续周期计数器Cnt2输出的连续周期个数是否等于Nmax的信号N_equ_Max一起经过或非门产生信号Auto，Auto为低电平时，说明该周期不需要自供电，当检测到Ipk_ok为高电平时，同时关断高低压功率管，此时通过Timer1，得到Pwm的高电平时间Ton_ref；Auto为高电平时，说明该周期需要自供电，根据K值调节模块Cnt1得到K值，然后通过乘法器产生Ton1_ref，接入Timer1，得到控制低压功率管M1关断的Ton1_ok信号和控制高压功率管Q1关断的Tonref_ok信号。通过选择器Mux1和Mux2根据Auto选择使用哪一路信号关断功率管，然后分别通过RS触发器产生用于控制高压功率的Pwm信号和控制低压功率管的Gate信号，最后通过驱动器产生直接驱动功率管的信号OB和GT。

图6为上述电路图的关键信号波形图，由图6可见，Ilm1在非自供电周期，高、低压管同时导通的阶段，Ilm1与Ilm重合，通过Vcs可以测到Ilm电流；自供电周期，在高、低压管同时导通的阶段，Ilm1与Ilm重合，当开始自供电动作后，Ilm不再流经M1管，Vcs则无法测到Ilm电流，流过二极管D1的电流Ilm2＝Ilm。图6是以Nmax＝4为例，第1个Pwm周期为非自供电周期，导通时间计为Ton_ref；第2～5个Pwm周期的上升沿都没检测到VCC≥Vcc_ref，所以都为自供电周期，高压功率管Q1导通时间都强制为Ton_ref，Gate信号会在Ton1时提前关闭，开启自供电动作；第6个Pwm周期的上升沿虽然没检测到VCC≥Vcc_ref，但是因为Nmax已到，所以强制为非自供电周期；第7～9个Pwm周期为自供电周期；第10个Pwm的上升沿检测到VCC≥Vcc_ref，所以为非自供电周期。连续计数M个Pwm周期后，可以根据K值调节策略改变Ton1的时间，以此改变自供电时间，来达到系统要求。

由此可见，本发明涉及一种内置高压功率管电流检测的自供电方法，基于开关电源开关电路，包括变压器、控制芯片、电源储能电容、次级整流二极管、次级储能电容和负载，控制芯片内部包括高压功率管、低压功率管、自供电二极管和控制电路；通过对控制芯片的高压功率管和低压功率管的导通和关断控制，实现非自供电周期和自供电周期的调控和切换，使得每个开关周期在变压器初级侧励磁电感电流到达内部设定高压功率管最大励磁峰值电流时关断功率管，同时满足最大输出功率一致性和自供电的要求。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种内置高压功率管电流检测的自供电方法，其特征在于，基于开关电源，包括变压器、控制芯片、电源储能电容、次级整流二极管、次级储能电容和负载，所述变压器初级侧励磁电感与控制芯片的调控端电连接，所述控制芯片的电源端电连接电源储能电容后接地，所述控制芯片的接地端接地，所述控制芯片内部包括高压功率管、低压功率管、自供电二极管和控制电路；

当所述控制芯片的高压功率管和低压功率管同时导通时，控制电路由电源储能电容提供能量，流经所述励磁电感的电流呈线性增加，流经低压功率管上电流等于所述励磁电感的电流，控制电路通过内部电流检测模块，检测所述低压功率管的栅极和漏极电压，得到流经低压功率管的电流；

当所述控制芯片的高压功率管导通，低压功率管关断时，开启自供电，低压功率管的漏极通过自供电二极管向电源储能电容充电，并且给控制电路供电，此时流经所述励磁电感的电流继续线性增加，当流经自供电二极管的电流等于流经所述励磁电感的电流，电流不再流经所述低压功率管，控制电路无法直接测量到流经所述低压功率管的电流值；

当所述控制芯片的高压功率管和低压功率管同时关断时，流经所述励磁电感的电流开始往次级传输能量，此时控制电路由电源储能电容提供电源；

当高压功率管导通时刻，控制电路检测控制芯片的电源端的VCC电压，当VCC电压大于或等于设定电压参考值Vcc_ref时，判断此周期为非自供电周期，在高压功率管导通期间，低压功率管一直导通，并且启动计时器，当检测到流经低压功率管的电流大于或等于最大设定电流值Ipk时，同时关断高压功率管和低压功率管，并且将此时计时器数值Ton保存下来作为参考值Ton_ref=Ton；

当高压功率管导通时刻，控制电路检测控制芯片的电源端的VCC电压，当VCC电压小于设定电压参考值Vcc_ref时，判断此周期为自供电周期，低压功率管同时导通，并且启动计时器，当计时器的当前计时值

时，其中0<K<1，K为内部设定自供电比例系数，K值根据满足自供电需求动态调节，低压功率管提前关断，计时器继续计时，当计时器的当前数值等于参考值时，即Ton=Ton_ref时，关断高压功率管。

2.根据权利要求1所述的内置高压功率管电流检测的自供电方法，其特征在于，如果检测到自供电周期连续的个数N达到最大值Nmax，即N=Nmax，那么下一开关周期强制为非自供电周期。

3.根据权利要求2所述的内置高压功率管电流检测的自供电方法，其特征在于，如果N=Nmax后，仍然无法维持VCC电压在Vcc_ref，VCC继续下降，此时就需要减小K值，增加自供电时间；如果N<Nmax，下一周期的高压功率管导通时刻检测到VCC≥Vcc_ref，此周期为非自供电周期。

4.根据权利要求3所述的内置高压功率管电流检测的自供电方法，其特征在于，当开关周期计数达到设定的参考值M时，如果自供电周期的个数≥

，说明自供电不足，则减小K值，增加自供电时间；如果自供电周期的个数<

时，说明自供电时间较长，则增大K值；其他条件下，K值不变。

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