CN115001267A - 恒流开关电源系统及其控制芯片和控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种恒流开关电源系统及其控制芯片和控制方法，该恒流开关电源系统包括电感和功率开关，该控制芯片被配置为：基于表征电感的退磁情况的退磁检测信号、用于控制功率开关的导通与关断的脉宽调制信号、以及调节参考电压，生成恒流控制参考电压；基于恒流控制参考电压和表征流过电感的电感电流的电流反馈信号，生成用于控制功率开关从导通状态变为关断状态的关断控制信号；基于退磁检测信号，生成用于控制功率开关从关断状态变为导通状态的导通控制信号；以及基于关断控制信号和导通控制信号，生成脉宽调制信号。

Description

恒流开关电源系统及其控制芯片和控制方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种恒流开关电源系统及其控制芯片和控制方法。
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。
发明内容
根据本发明实施例的用于恒流开关电源系统的控制芯片，其中，该恒流开关电源系统包括电感和功率开关，该控制芯片被配置为：基于表征电感的退磁情况的退磁检测信号、用于控制功率开关的导通与关断的脉宽调制信号、以及调节参考电压，生成恒流控制参考电压；基于恒流控制参考电压和表征流过电感的电感电流的电流反馈信号，生成用于控制功率开关从导通状态变为关断状态的关断控制信号；基于退磁检测信号，生成用于控制功率开关从关断状态变为导通状态的导通控制信号；以及基于关断控制信号和导通控制信号，生成脉宽调制信号。
根据本发明实施例的用于恒流开关电源系统的控制方法，其中，该开关电源系统包括电感和功率开关，该控制方法包括：基于表征电感的退磁情况的退磁检测信号、用于控制功率开关的导通与关断的脉宽调制信号、以及调节参考电压，生成恒流控制参考电压；基于恒流控制参考电压和表征流过电感的电感电流的电流反馈信号，生成用于控制功率开关从导通状态变为关断状态的关断控制信号；基于退磁检测信号，生成用于控制功率开关从关断状态变为导通状态的导通控制信号；以及基于关断控制信号和导通控制信号，生成脉宽调制信号。
根据本发明实施例的恒流开关电源系统，包括上述控制芯片。
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示出了根据本发明实施例的用于可调光LED照明的恒流开关电源系统的示例电路图。
图2示出了图1所示的恒流开关电源系统中的多个信号的工作波形图。
图3示出了图1所示的恒流开关电源系统中的多个信号的工作波形图。
图4示出了图1所示的恒流控制模块的示例电路图。
图5是图4所示的参考电压产生单元的示例电路图。
图6示出了根据本发明实施例的用于非调光LED照明的恒流开关电源系统的示例电路图。
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，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
近年来，发光二极管(LED)由于相对于传统白炽灯、卤素灯、或荧光灯等照明产品具有寿命长、成本低、和体积小等特点，被广泛应用在社会生产生活的各个方面，LED自身的亮度主要受流过LED的电流控制，因此高精度的恒流控制是设计用于LED照明的恒流开关电源系统的关键。
图1示出了根据本发明实施例的用于可调光LED照明的恒流开关电源系统100的示例电路图。如图1所示，恒流开关电源系统100采用BUCK架构，主要包括整流器BD1、输入电容C1、二极管D1、电感L1、输出负载电容C2、功率开关Q1、电流侦测电阻R1、以及控制芯片102，其中：线电压VIN经由控制芯片102的HV引脚为控制芯片102供电；控制芯片102基于用于调节LED的发光亮度的调光控制信号DIM和表征流过电感L1的电感电流IL(图中未示出)的电流反馈信号CS，输出用于驱动功率开关Q1的导通和关断的栅极驱动信号Gate。
如图1所示，控制芯片102包括低压降稳压器(LDO)模块1022、调光控制模块1024、退磁检测模块1026、恒流控制模块1028、以及驱动器模块1030，其中：低压降稳压器模块1022基于线电压VIN为控制芯片102的内部电路供电；调光控制模块1024基于调光控制信号DIM和预定参考电压Vref，生成调节参考电压Vdim并将调节参考电压Vdim输出到恒流控制模块1028；退磁检测模块1026基于栅极驱动信号Gate，生成表征电感L1的退磁情况的退磁检测信号Dem并将退磁检测信号Dem输出到恒流控制模块1028(应该理解的是，退磁检测模块1026检测电感L1的退磁情况的方式不限于此，退磁检测模块1026也可以基于经由芯片引脚从外部接收退磁检测相关信号来生成退磁检测信号Dem)；恒流控制模块1028基于调节参考电压Vdim、退磁检测信号Dem、以及电流反馈信号CS，生成用于控制功率开关Q1的导通与关断的脉宽调制信号PWM并将脉宽调制信号PWM输出到驱动器模块1030；驱动器模块1030基于脉宽调制信号PWM，生成栅极驱动信号Gate并将栅极驱动信号Gate输出到功率开关Q1的栅极。这里，调光控制信号DIM可以是直流电压信号也可以是脉宽调制脉冲信号；退磁检测信号Dem参与系统恒流控制，同时控制恒流开关电源系统100工作在断续导通模式(DCM)或准谐振(QR)模式；电流反馈信号CS用于实现恒流开关电源系统100的闭环恒流控制。
在图1所示的恒流开关电源系统100中，由于采用了共地的BUCK架构，电流侦测电阻R1在功率开关Q1处于关断状态期间无法检测流过电感L1的电感电流IL。图2示出了图1所示的恒流开关电源系统100中的多个信号的工作波形图，其中，Gate表示用于驱动功率开关Q1的导通和关断的栅极驱动信号，IL表示流过电感L1的电感电流，CS表示表征流过电感L1的电感电流IL的电流反馈信号(即，电流侦测电阻R1上的电压)。如图2所示，在功率开关Q1处于关断状态期间，电流反馈信号CS为0V。
在图1所示的恒流开关电源系统100中，恒流控制模块1028可以基于功率开关Q1从导通状态变为关断状态之前的电流反馈信号CS的峰值电压和电感L1的退磁时间进行运算来实现系统恒流控制，但是控制芯片102的实际电路在电流反馈信号CS的峰值电压采样和信号运算处理过程中都会产生一定量的误差，特别是采用调节参考电压Vdim进行模拟方式调光时，用于实现LED低亮度照明的电流反馈信号CS的峰值电压较低，容易受控制芯片102的内部电路的输入失调电压影响，导致恒流控制误差进一步变大，进一步影响恒流精度。
图3示出了图1所示的恒流开关电源系统100中的多个信号的工作波形图，其中，Gate表示用于驱动功率开关Q1的导通和关断的栅极驱动信号，Dem表示表征电感L1的退磁情况的退磁检测信号，IL表示流过电感L1的电感电流，CS表示表征流过电感L1的电感电流IL的电流反馈信号(即，电流侦测电阻R1上的电压)。
在图1所示的恒流开关电源系统100中，恒流开关电源系统100的系统输出电流Iout是在功率开关Q1的一个开关周期内流过电感L1的电感电流IL的平均值。如图3所示，假设流过电感L1的电感电流IL在功率开关Q1处于导通状态的时段Ton内的总电流为S1、在电感L1处于退磁状态的时段Tdem内的总电流为S2，则恒流开关电源系统100的系统输出电流Iout满足下面的关系(等式1)，其中，t是功率开关Q1的一个开关周期。
Figure BDA0003652289870000041
根据图3可知，图1所示的恒流开关电源系统100工作在断续工作模式(DCM)或准谐振临界模式(QR)，在功率开关Q1的每个开关周期内流过电感L1的电感电流IL都是从0A开始增加，相应的S1和S2也可以看作流过电感L1的电感电流IL的三角形波形面积的积分，由此得到在功率开关Q1处于导通状态的时段Ton内流过电感L1的电感电流IL的总电流S1和在电感L1处于退磁状态的时段Tdem内流过电感L1的电感电流IL的总电流S2的关系满足等式2，
Figure BDA0003652289870000051
将等式2代入到等式1，可以得到等式3，
Figure BDA0003652289870000052
根据等式3可知，如果在功率开关Q1的整个开关周期内对电流反馈信号CS进行积分，其积分结果为S1/(Ton+Toff)，这个积分结果和系统输出电流Iout的比值为Ton/(Ton+Tdem)，在恒流开关电源系统100中只要将积分放大器的恒流控制参考电压Vref-cc与调节参考电压Vdim之间做等式4变换即可得到系统输出电流Iout(等式5)。
Figure BDA0003652289870000053
在等式5中，Iout是恒流开关电源系统100的系统输出电流，Rcs是电流侦测电阻R1的电阻值。
Figure BDA0003652289870000054
基于上述考虑，提出了用于恒流控制模块1028的恒流控制方法及其具体实施电路，其中，不需要对电流反馈信号CS的峰值电压进行采样，从而避免了信号采样产生的误差，并且通过等效电路简化信号运算过程进一步减少了电路误差，提高了恒流控制精度。
在一些实施例中，恒流控制模块1028可以被配置为：基于表征电感L1的退磁情况的退磁检测信号Dem、用于控制功率开关Q1的导通与关断的脉宽调制信号PWM、以及调节参考电压Vdim，生成恒流控制参考电压Vref-cc；基于恒流控制参考电压Vref-cc和表征流过电感L1的电感电流IL的电流反馈信号CS，生成用于控制功率开关Q1从导通状态变为关断状态的关断控制信号；基于退磁检测信号Dem，生成用于控制功率开关Q1从关断状态变为导通状态的导通控制信号；以及基于关断控制信号和导通控制信号，生成脉宽调制信号PWM。
在一些实施例中，恒流控制模块1028可以进一步被配置为：通过对恒流控制参考电压Vref_cc与电流反馈信号CS进行误差放大，生成误差表征信号；通过在功率开关Q1的一个完整开关周期内对误差表征信号进行积分，生成补偿控制信号；通过将补偿控制信号与电流反馈信号CS进行比较，生成关断控制信号。
在一些实施例中，恒流控制模块1028可以进一步被配置为：在将补偿控制信号与电流反馈信号CS进行比较之前，对补偿控制信号进行电平移位。
在一些实施例中，恒流控制参考电压Vref_cc与调节参考电压Vdim成比例。例如，恒流控制参考电压Vref_cc与调节参考电压Vdim之间的比值等于功率开关Q1处于导通状态的持续时间Ton与以下时间和之间的比值，该时间和是功率开关Q1处于导通状态的持续时间Ton和电感L1处于退磁状态的持续时间Tdem之和。
在一些实施例中，恒流控制模块1028可以进一步被配置为：通过利用脉宽调制信号PWM和退磁检测信号Dem对调节参考电压Vdim进行斩波处理，生成经斩波参考电压；通过对经斩波参考电压进行低通滤波，生成恒流控制参考电压Vref_cc。
图4示出了图1所示的恒流控制模块1028的示例电路图。如图4所示，恒流控制模块1028包括参考电压产生单元402、误差放大器404、电平移位电路406、比较器408、关断时间控制单元410、以及RS触发器412，其中：参考电压产生单元402基于调节参考电压Vdim、脉宽调制信号PWM、和退磁检测信号Dem，按照等式4进行运算并输出恒流控制参考电压Vref-cc；误差放大器对电流反馈信号CS和恒流控制参考电压Vref_cc进行误差放大，以生成误差表征信号；电容C401在功率开关Q1的一个开关周期(Ton+Toff)内对误差表征信号进行积分运算，以生成补偿控制信号CMP；电平移位电路406对补偿控制信号CMP进行电平移位，以调节补偿控制信号CMP的动态范围；比较器408对经电平移位的补偿控制信号CMP和电流反馈信号CS进行电压比较，以生成关断控制信号PWM_F；关断控制信号PWM_F被耦接在RS触发器412的输入端，用于控制RS触发器412输出的脉宽调制信号PWM从逻辑1电平变化到逻辑0电平；关断时间控制单元410基于退磁检测信号Dem生成导通控制信号PWM_R；导通控制信号PWM_R被耦接在RS触发器412的另一输入端，用于控制RS触发器412输出的脉宽调制信号PWM从逻辑0电平变化到逻辑1电平。结合图1可知，脉宽调制信号PWM经过驱动器模块1030驱动后控制功率开关Q1的导通与关断，当脉宽调制信号PWM为逻辑1电平时功率开关Q1处于导通状态，当脉宽调制信号PWM为逻辑0电平时功率开关Q1处于关断状态。图1所示的恒流开关电源系统100通过恒流控制模块1022的控制并结合其他电路和外围器件可使系统输出电流Iout按照等式5进行精确调节。
图5是图4所示的参考电压产生单元402的示例电路图。如图5所示，参考电压产生单元402包括放大器501、开关502和503、电阻504、以及电容505，其中：放大器501的正向输入端与调节参考电压Vdim连接，负向输入端和输出端连接并构成缓冲器结构，放大器501的输出与开关502连接；开关502一端连接放大器501的输出，另一端连接开关503和电阻504，开关502的控制信号是脉宽调制信号PWM，当脉宽调制信号PWM为逻辑1电平时，开关502处于导通状态，当脉宽调制信号PWM为逻辑0电平时，开关502处于关断状态；开关503一端与开关502和电阻504连接，另一端与地连接，开关503的控制信号是退磁检测信号Dem，当退磁检测信号Dem信号为逻辑1电平时，开关503处于导通状态，当退磁检测信号Dem为逻辑0电平时，开关503处于关断状态；电阻504一端连接开关502和503，另一端连接电容505和恒流控制参考电压Vref_cc；电容505一端连接电阻504和恒流控制参考电压Vref_cc，另一端与地连接。在参考电压产生单元402中，调节参考电压Vdim经过缓冲器501后被耦接在开关502一端，通过脉宽调制信号PWM和退磁检测信号Dem控制开关502和503的导通与关断实现对调节参考电压Vdim的斩波处理，电阻504和电容505共同构成低通滤波器将经斩波参考电压Vchop过滤成直流信号，即恒流控制参考电压Vref_cc，从而实现等式2的电路运算。
需要说明的是，以上所述的恒流控制方法和电路实现并不局限于图1所示的恒流开关电源系统100，对用于非调光LED照明的恒流开关电源系统同样适用，只需要将控制芯片内部的调节参考电压Vdim替换成预定参考电压Vref即可。
图6示出了根据本发明另一实施例的恒流开关电源系统600的示例电路图。如图6所示，用于恒流开关电源系统600的控制芯片602包括低压降稳压器(LDO)模块6022、退磁检测模块6026、恒流控制模块6028、以及驱动器模块6030(而不包括调光控制模块)，其中：恒流控制模块6028基于预定参考电压Vref(即，预定参考电压Vref被用作调节参考电压Vdim)、退磁检测信号Dem、以及电流反馈信号CS，生成用于控制功率开关Q1的导通与关断的脉宽调制信号PWM并将脉宽调制信号PWM输出到驱动器模块6030，恒流开关电源系统600的其他模块以及恒流控制模块6028的具体实现与恒流开关电源系统100中的对应部分类似因此不再赘述。
综上所述，根据本发明实施例的用于恒流开关电源系统的控制芯片和控制方法，不需要对电流反馈信号CS的峰值电压进行采样，从而避免了信号采样产生的误差，并且通过等效电路简化信号运算过程进一步减少了电路误差，提高了恒流控制精度。
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 (17)

1.一种用于恒流开关电源系统的控制芯片，其中，所述恒流开关电源系统包括电感和功率开关，所述控制芯片被配置为：
基于表征所述电感的退磁情况的退磁检测信号、用于控制所述功率开关的导通与关断的脉宽调制信号、以及调节参考电压，生成恒流控制参考电压；
基于所述恒流控制参考电压和表征流过所述电感的电感电流的电流反馈信号，生成用于控制所述功率开关从导通状态变为关断状态的关断控制信号；
基于所述退磁检测信号，生成用于控制所述功率开关从关断状态变为导通状态的导通控制信号；以及
基于所述关断控制信号和所述导通控制信号，生成所述脉宽调制信号。
2.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述控制芯片进一步被配置为：
通过对所述恒流控制参考电压与所述电流反馈信号进行误差放大，生成误差表征信号；
通过在所述功率开关的一个完整开关周期内对所述误差表征信号进行积分，生成补偿控制信号；
通过将所述补偿控制信号与所述电流反馈信号进行比较，生成所述关断控制信号。
3.根据权利要求2所述的控制芯片，其中，所述控制芯片进一步被配置为：
在将所述补偿控制信号与所述电流反馈信号进行比较之前，对所述补偿控制信号进行电平移位。
4.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述恒流控制参考电压与所述调节参考电压成比例。
5.根据权利要求4所述的控制芯片，其中，所述恒流控制参考电压与所述调节参考电压之间的比值等于所述功率开关处于导通状态的持续时间与以下时间和之间的比值，所述时间和是所述功率开关处于导通状态的持续时间和所述电感处于退磁状态的持续时间之和。
6.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述控制芯片进一步被配置为：
通过利用所述脉宽调制信号和所述退磁检测信号对所述调节参考电压进行斩波处理，生成经斩波参考电压；
通过对所述经斩波参考电压进行低通滤波，生成所述恒流控制参考电压。
7.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述控制芯片进一步被配置为：
基于用于调节发光二极管的发光亮度的调光控制信号和预定参考电压，生成所述调节参考电压。
8.根据权利要求1所述的控制芯片，其中，所述调节参考电压是预定参考电压。
9.一种用于恒流开关电源系统的控制方法，其中，所述恒流开关电源系统包括电感和功率开关，所述控制方法包括：
基于表征所述电感的退磁情况的退磁检测信号、用于控制所述功率开关的导通与关断的脉宽调制信号、以及调节参考电压，生成恒流控制参考电压；
基于所述恒流控制参考电压和表征流过所述电感的电感电流的电流反馈信号，生成用于控制所述功率开关从导通状态变为关断状态的关断控制信号；
基于所述退磁检测信号，生成用于控制所述功率开关从关断状态变为导通状态的导通控制信号；以及
基于所述关断控制信号和所述导通控制信号，生成所述脉宽调制信号。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其中，生成所述关断控制信号的处理包括：
通过对所述恒流控制参考电压与所述电流反馈信号进行误差放大，生成误差表征信号；
通过在所述功率开关的一个完整开关周期内对所述误差表征信号进行积分，生成补偿控制信号；
通过将所述补偿控制信号与所述电流反馈信号进行比较，生成所述关断控制信号。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其中，生成所述关断控制信号的处理还包括：
在将所述补偿控制信号与所述电流反馈信号进行比较之前，对所述补偿控制信号进行电平移位。
12.根据权利要求9所述的控制方法，其中，所述恒流控制参考电压与所述调节参考电压成比例。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其中，所述恒流控制参考电压与所述调节参考电压之间的比值等于所述功率开关处于导通状态的持续时间与以下时间和之间的比值，所述时间和是所述功率开关处于导通状态的持续时间和所述电感处于退磁状态的持续时间之和。
14.根据权利要求9所述的控制方法，其中，生成所述恒流控制参考电压的处理包括：
通过利用所述脉宽调制信号和所述退磁检测信号对所述调节参考电压进行斩波，生成经斩波参考电压；以及
通过对所述经斩波参考电压进行低通滤波，生成所述恒流控制参考电压。
15.根据权利要求9所述的控制方法，还包括：
基于用于调节发光二极管的发光亮度的调光控制信号和预定参考电压，生成所述调节参考电压。
16.根据权利要求9所述的控制方法，其中，所述调节参考电压是预定参考电压。
17.一种恒流开关电源系统，包括权利要求1至9中任一项所述的用于恒流开关电源系统的控制芯片。
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