CN114188920B - 电流检测电路、控制芯片和开关电源 - Google Patents

Abstract

公开了一种电流检测电路、控制芯片和开关电源，所述开关电源的主开关管连接电感器，通过设置与该电感器互感的辅助绕组，在该辅助绕组上获得辅助电压，提供与该辅助电压正相关的第一电流，第一电流对电容器充电，以获得表征电感器电流的电容电压。其中，采用辅助绕组与电感器的互感进行采样，无需采样电阻，对开关电源的损耗小，提高了开关电源的电源效率。

Description

电流检测电路、控制芯片和开关电源

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，具体地，涉及电流检测电路、控制芯片和开关电源。

背景技术

如图1所示，在现有技术的开关电源10中，整流桥12将输入交流源AC转换为直流输出，整流桥12的输出端与地之间依次串联主开关管M0和电阻器R0，输入电容器Cin连接在整流桥12的输出端与地之间，在输入电容器Cin的两端提供输入电压，在主开关管M0的高电势端与地之间依次串联二极管D0和输出电容器Cout，在输出电容器Cout的两端提供输出电压。

控制芯片11的母线电流采样端CS连接至电阻器R0的高电势端，根据母线电流在其栅极驱动信号输出端GATE提供主开关管M0的栅极驱动信号，根据母线电流控制主开关管M0的开关占空比，控制输入电压Vin至输出电压Vout的转换功率，实现对系统的功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)。

在整流桥12的输出端与主开关管M0之间还设置有变压器T，变压器的主绕组串联在整流桥12的输出端与主开关管M0之间，辅助绕组的第一端接地，第二端通过检测电阻器Rc连接至控制芯片11的检测引脚NC1，用于对检测输入电压的过零点。

其中，在现有技术中，输出电容器Cout的两端还串联有电阻器R1和电阻器R2，以在电阻器R1和电阻器R2的中间节点获得采样电压，并将采样电压提供至控制芯片11的反馈引脚FB，根据该采样电压进行逐周期电流限制，在采样电压超出阈值时关断主开关管M0，实现限流保护。

但在输出电容器Cout的两端串联电阻器R1和电阻器R2会损耗系统的输出功率，尤其是在低输入电压的情况下，其损耗功率占比较大。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种电流检测电路、控制芯片和开关电源，从而降低采样损耗，提高电源效率。

根据本发明的一方面，提供一种电流检测电路，用于开关电源中，所述开关电源的电感器与主开关管连接，所述电流检测电路包括：

辅助绕组，与所述电感器互感，并提供辅助电压；

电流生成单元，与所述辅助绕组连接，用于提供与所述辅助电压正相关的第一电流；

电容器，所述电容器接收所述第一电流，第二端接地，所述电容器电压表征所述电感器的电流。

可选地，还包括：

比较器，用于根据所述电容器的第一端的电压与参考电压的比较提供电流比较信号，所述开关电源在所述电流比较信号有效时关断所述主开关管。

可选地，还包括：

第一开关，连接在所述电容器的两端，

在所述主开关管导通之前，所述第一开关导通；所述主开关管导通时，所述第一开关关断。

可选地，所述电流生成单元包括：

电阻器，连接所述辅助绕组；

流控电流源，包括第一电流路径和第二电流路径，所述第一电流路径包括所述电阻器所在回路，所述第二电流路径与所述第一电流路径耦合以提供所述第一电流。

可选地，还包括：

第二开关，串联在所述电阻器与地之间，

在所述主开关管导通之前，所述第一开关关断；所述主开关管导通时，所述第二开关导通。

可选地，根据所述电阻器的阻值控制所述电感器的峰值电流。

可选地，所述电流生成单元包括压控电流源；

所述辅助绕组的第二端依次通过第一电阻器和第二电阻器接地，所述第一电阻器和所述第二电阻器的中间节点电压为所述压控电流源的控制电压；

所述压控电流源根据所述控制电压获得所述第一电流。

可选地，根据所述第一电阻器和所述第二电阻器的阻值比控制所述电感器的峰值电流。

可选地，根据所述电感器与所述辅助绕组的匝比控制所述电感器的峰值电流。

根据本发明的另一方面，提供一种开关电源，所述开关电源的电感器与主开关管连接，所述开关电源包括根据本发明提供的电流检测电路，

所述电流检测电路用于检测所述电感器的电流信息。

根据本发明的再一方面，提供一种控制芯片，用于控制开关电源的主开关管，所述开关电源设置辅助绕组与所述开关电源的电感器互感，所述辅助绕组提供辅助电压，所述辅助绕组一端通过电阻器连接至所述控制芯片的检测引脚，所述控制芯片包括：

电流生成单元，用于提供与所述辅助电压正相关的第一电流；

电容器，所述电容器接收所述第一电流，第二端接地，所述电容器电压表征所述开关电源的电感器电流。

可选地，还包括：

比较器，用于根据所述电容器的第一端的电压与参考电压的比较提供电流比较信号，所述控制芯片在所述电流比较信号有效时关断所述主开关管。

本发明提供的电流检测电路设置与待测电流的电流路径上的主绕组互感的辅助绕组，根据辅助绕组的电压提供第二电流对电容器进行充电和放电，以在电容器上获得与待测电流的变化量正相关的电容器电压，并根据该电容器电压与参考电压的比较提供电流比较信号，以在该电流比较信号有效时关断待测电流的电流路径，实现过流保护。其中，利用辅助绕组与主绕组的互感获得与待测电流对应的辅助电压，无需采样电阻，对待测电流的损耗小，过流检测可靠性高。

本发明提供的开关电源包括本发明提供的电流检测电路，过流检测对电源的损耗小，电源效率高。

本发明提供的控制芯片用于开关电源的主开关管的控制，设置辅助绕组与开关电源的电感器互感，辅助绕组的一端通过电阻器连接至该控制芯片的检测引脚，该控制芯片根据检测引脚的电压提供与辅助绕组的辅助电压正相关的第一电流，该第一电流对电容器充电，在该电容器上获得表征主绕组电流变化量的电容器电压，并根据该电容器电压与参考电压的比较获得电流比较信号，在该电流比较信号有效时关断主开关管，实现过流保护。其通过变压器获得开关电源的主开关管与整流桥的输出端之间的电流，对开关电源的输入电压无损耗，电源效率高，且该检测引脚的输入信号还可用于过零检测，可减少控制芯片的引脚，降低成本。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据现有技术的开关电源的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的电流检测电路的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的电流检测电路的一种工作模式下的部分信号是时序图；

图4示出了根据本发明实施例的电流检测电路的另一种工作模式下的部分信号的时序图；

图5示出了根据本发明另一实施例的电流检测电路的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图2示出了根据本发明实施例的电流检测电路的结构示意图。其中，开关电源的主要结构与现有技术一致，在此不再详述。

参照图2，本发明实施例的电流检测电路13主要设置在控制芯片的检测引脚NC1，根据检测电压进行过流检测。

本实施例的电流检测电路13主要包括电流生成单元、电容器C1、第一开关Q1、第二开关Q2和比较器U1。电流生成单元包括电阻器Rc和流控电流源A1，所述电阻器Rc连接辅助绕组，流控电流源A1包括第一电流路径和第二电流路径，所述第一电流路径包括所述电阻器所在回路，所述第二电流路径与所述第一电流路径耦合以提供所述第一电流。电阻器Rc和流控电流源A1连接端为检测引脚。第二开关Q2用于控制第一电流路径的开启和关断。在第二开关Q2导通且第一电流路径上具有电流时，第一电流对电容器C1充电，在电容器C1的第一端提供电容器电压VC1。

第一开关Q1连接在电容器C1的第一端与地之间，在第一开关Q1导通时，对电容器C1的第一端进行放电，将电容器电压VC1复位。

比较器U1的同相输入端连接至电容器C1的第一端，反相输入端接收参考电压Vref，在电容器电压VC1大于参考电压Vref时，提供有效的电流比较信号limit，控制芯片根据该有效的电流比较信号limit关断主开关M0。

图3示出了根据本发明实施例的电流检测电路的一种工作模式下的部分信号是时序图。该工作模式对应非连续工作模式(断续工作模式DCM或临界导通模式BCM)，一个工作周期中包括导通时间和关闭时间。

进一步参照图3，在一个工作周期内依次包括第一时间Ton、第二时间Tons和第三时间Toff，在第一时间Ton，主开关管M0的栅极电压Vgs为高电平，主开关管M0导通，在第二时间Tons和第三时间Toff，主开关管M0关断，过流检测主要检测第一时间Ton内的变压器T的主绕组电流，在BCM模式下，第三时间Toff为准谐振时间；在DCM模式下，第三时间Toff为包含准谐振时间和断续时间，即在同步整流管关断，电感电流下降到零时，会有一段时间的谐振，这段时间称为谐振时间，此后电感电流稳定在零电流，这段时间称为断续时间。

在第一时间Ton，主开关管耐压Vds小于输入电压Vin；在第二时间Tons，主开关管耐压Vds大于输入电压Vin；在第三时间Toff，主开关管耐压Vds处于振荡状态。

根据主开关管耐压Vds与输入电压Vin的大小，辅助电压Vaux在第一时间Ton内为正电压，在第二时间Tons内为负电压。

主开关管M0导通时间对应第一时间Ton，在第一时间Ton内，辅助电压Vaux＝Vin/N，N为变压器T的主绕组(电感器)与辅助绕组的线圈匝比，检测电阻器Rc连接辅助绕组，用于提供第二电流，第二电流大小与变压器T的主绕组上的电流大小成正比，第一电流与第二电流成正比，即第一电流与变压器T的主绕组电流成正比。

在本实施例中，第一开关Q1和第二开关Q2为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体)管，在第一时间Ton，第二开关Q2导通，即流控电流源A1的第一电流路径导通，提供第二电流，第二电流路径提供与第二电流同步的第一电流对电容器C1的第一端进行充电，在第一时间Ton内，辅助电压Vaux为正电压，电容器C1的第一端充电，在第一时间后，下个周期主开关管导通之前，第一开关Q1导通一下，电容器C1的第一端放电，电容器C1电压复位。

在断续工作模式或临界导通模式下，变压器T的辅助绕组电流由零开始，对应第二电流从零开始变化，每一个工作周期结束时还将电容器C1的第一端提供的电容器电压VC1置零，使得在每一工作周期的电容器电压VC1对应当前的变压器T的主绕组电流的最大值(起始为零电流，变化量与当前电流一致)，可准确获得开关电源的原边电路的实时电流信息，提供有效的电流比较信号limit，实现限流保护。

其中，只要在第三时间Toff内的任一时间段，复位电容器电压，使得电容器在下个周期主开关管再次导通时可以重新充电即可实现在各周期内对变压器T的主绕组电流的检测。

图4示出了根据本发明实施例的电流检测电路的另一种工作模式下的部分信号的时序图。

参照图4，该工作模式为连续工作模式，无过零信号，系统不进入第三时间Toff的工作状态，即第一开关Q1不会导通，第二开关管Q2持续导通。

在第一时间Ton内对电容器C1充电，在第二时间Tons内对电容器C1放电，但放电量小于充电量，在一个工作周期结束时，电容器电压VC1大于零，并以该状态开始下一工作周期的电流检测，持续监测电容器电压VC1，并在电容器电压VC1大于参考电压Vref时提供有效的电流比较信号limit，关断主开关管M0。

在连续工作模式下，电容器电压VC1对应变压器T的主绕组电流相对检测的起始电流的变化量，起始电流为固定值，且起步电流为零，该变化量同样可表示当前的变压器T的主绕组电流大小，可实现准确的限流保护。

其中，第一电流的斜率与变压器T的绕组匝比和检测电阻器Rc相关，通过调节变压器T的绕组匝比和检测电阻器Rc，可调节电容器电压VC1的变化率，进而可调节限流保护点。

图5示出了根据本发明另一实施例的电流检测电路的结构示意图。

其中，本实施例与图2所示实施例的主要区别在于对电容器C1的第一端充电的电流生成单元与辅助电压Vaux的关联方式不同，在此对其它相同的部分不再详述。

参照图5，在本实施例的电流检测电路131中，采用压控电流源A2对电容器C1充电，检测引脚NC1还通过电阻器R3接地，在检测电阻器Rc和电阻器R3的中间节点提供辅助电压Vaux的分压电压，并将此分压电压作为压控电流源A2的控制电压，使压控电流源A2的输出电流(第一电流)与辅助电压Vaux正相关，进而使压控电流源A2的输出电流与变压器T的主绕组电流正相关，以在电容器C1的第一端获得表征变压器T的主绕组电流变化量的电容器电压VC1。

其中，通过调节变压器T的绕组匝比和检测电阻器Rc与电阻器R3的分压即可调节限流保护点。

本发明提供的电流检测电路设置与待测电流的电流路径上的主绕组互感的辅助绕组，根据辅助绕组的电压提供第二电流对电容器进行充电和放电，以在电容器上获得与待测电流的变化量正相关的电容器电压，并根据该电容器电压与参考电压的比较提供电流比较信号，以在该电流比较信号有效时关断待测电流的电流路径，实现过流保护。其中，利用辅助绕组与主绕组的互感获得与待测电流对应的辅助电压，无需采样电阻，对待测电流的损耗小，过流检测可靠性高。

本发明还提供一种控制芯片，用于开关电源的主开关管的控制，该开关电源的主开关管与整流桥的输出端之间设置有变压器，该变压器的主绕组串联在主开关管与整流桥的输出端之间，辅助绕组的一端通过检测电阻器连接至该控制芯片的检测引脚，该控制芯片根据检测引脚的电压提供与辅助绕组的辅助电压正相关的第一电流，根据该第一电流对电容器充电，在该电容器上获得表征主绕组电流变化量的电容器电压，并根据该电容器电压与参考电压的比较获得电流比较信号，在该电流比较信号有效时关断主开关管，实现过流保护。其通过变压器获得开关电源的主开关管与整流桥的输出端之间的电流，对开关电源的输入电压无损耗，电源效率高，且检测引脚的输入信号还可进行过零检测，可降低控制芯片的引脚，降低成本。且主要结构集成于芯片内，节省了开关电源的外围器件，减小了系统成本和体积。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (11)

1.一种电流检测电路，用于开关电源中，所述开关电源的电感器与主开关管连接，其特征在于，所述电流检测电路包括：

辅助绕组，与所述电感器互感，并提供辅助电压；

电流生成单元，与所述辅助绕组连接，用于提供与所述辅助电压正相关的第一电流；

电容器，所述电容器接收所述第一电流，所述第一电流用于对所述电容器进行充电，以在所述电容器上产生表征所述电感器上电流的电容器电压；

第一开关，连接在所述电容器的两端，其中，

在所述主开关管导通之前，所述第一开关导通；在所述主开关管导通时，所述第一开关关断。

2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，还包括：

比较器，用于根据所述电容器的第一端的电压与参考电压的比较提供电流比较信号，所述开关电源在所述电流比较信号有效时关断所述主开关管。

3.根据权利要求1或2所述的电流检测电路，其特征在于，所述电流生成单元包括：

电阻器，连接所述辅助绕组；

流控电流源，包括第一电流路径和第二电流路径，所述第一电流路径包括所述电阻器所在回路，所述第二电流路径与所述第一电流路径耦合以提供所述第一电流。

4.根据权利要求3所述的电流检测电路，其特征在于，还包括：

第二开关，串联在所述电阻器与地之间，

在所述主开关管导通之前，所述第二开关关断；所述主开关管导通时，所述第二开关导通。

5.根据权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于，

根据所述电阻器的阻值控制所述电感器的峰值电流。

6.根据权利要求1或2所述的电流检测电路，其特征在于，

所述电流生成单元包括压控电流源；

所述辅助绕组的第二端依次通过第一电阻器和第二电阻器接地，所述第一电阻器和所述第二电阻器的中间节点电压为所述压控电流源的控制电压；

所述压控电流源根据所述控制电压获得所述第一电流。

7.根据权利要求6所述的电流检测电路，其特征在于，

根据所述第一电阻器和所述第二电阻器的阻值比控制所述电感器的峰值电流。

8.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，

根据所述电感器与所述辅助绕组的匝比控制所述电感器的峰值电流。

9.一种开关电源，所述开关电源的电感器与主开关管连接，其特征在于，包括根据权利要求1至8任一项所述的电流检测电路，

所述电流检测电路用于检测所述电感器的电流信息。

10.一种控制芯片，用于控制开关电源的主开关管，所述开关电源设置辅助绕组与所述开关电源的电感器互感，所述辅助绕组提供辅助电压，所述辅助绕组一端通过电阻器连接至所述控制芯片的检测引脚，其特征在于，所述控制芯片包括：

电流生成单元，用于提供与所述辅助电压正相关的第一电流；

电容器，所述电容器接收所述第一电流，所述第一电流用于对所述电容器进行充电，以在所述电容器上产生表征所述开关电源的电感器上电流的电容器电压；

第一开关，连接在所述电容器的两端，其中，

在所述主开关管导通之前，所述第一开关导通；在所述主开关管导通时，所述第一开关关断。

11.根据权利要求10所述的控制芯片，其特征在于，还包括：

比较器，用于根据所述电容器的第一端的电压与参考电压的比较提供电流比较信号，所述控制芯片在所述电流比较信号有效时关断所述主开关管。