CN201122904Y - 开关电源中峰值电流控制的电压前馈电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种开关电源中峰值电流控制的电压前馈电路，其包括开关电源主电路和控制电路，在主电路线圈初级侧串接有功率元件，控制电路主要有采样电路、比较器和驱动器件组成，所述控制电路的比较器与驱动器件间串接有压控延迟单元；所述压控延迟单元按特定算法产生电压前馈的延迟控制信号并输入至驱动器件以控制功率元件的开闭，达到开关电源中峰值电流控制；本电路提高了整个系统的可靠性，简化了系统的设计，降低了对元器件的要求。

Description

开关电源中峰值电流控制的电压前馈电路

技术领域

本实用新型涉及开关电源峰值电流控制的电路，尤其涉及一种开关电源峰值电流控制中电压前馈的电路。

背景技术

在开关电源系统中，一般都包含了峰值电流限制电路。峰值电流限制电路的引入，加强了系统的可靠性，降低了对元器件的要求，使得系统输出的可控性得到提高。

现有的峰值电流限制电路主要有采样电路、比较器、驱动器件组成，其工作原理为：系统通过采样电路实时检测系统电流，并与设定值比较，如果系统电流小于设定值，则允许电流继续增加；如果系统电流大于设定值，则输出控制信号驱动功率管关闭。如图1所示，在功率管100开启期间，电感电流在输入电压作用下逐渐上升，采样电阻Rcs上的电压V cs跟随上升。当V cs电压上升到阈值电压V_th时，比较器101发出控制信号给驱动器件102，驱动器件102按照控制信号的要求关闭功率管100。

在上述方案中，系统设计的初衷是按照下式控制峰值电流： $\mathrm{Ipeak}=\frac{\mathrm{Vth}}{\mathrm{Rcs}},$ 该方案忽略了控制单元的延迟对峰值电流的影响。在功率管100开启期间，V cs电压逐渐上升，当电压上升到阀值电压V_th时，比较器101的输出从高变低，驱动器件102接受到输入信号的变化后开始把GATE电压也从高电平拉到低电平。在这个过程中，比较器101本身有延迟，驱动器件102也有延迟。在延迟的这段时间内，功率管100的栅极电压还没有来得及改变，功率管依然开启，峰值电流会继续增加，直到功率管100栅极电压被拉低关闭为止。

设系统延迟时间为R_D，则 $\mathrm{Ipeak}=\frac{\mathrm{Vth}}{\mathrm{Rcs}}+\frac{\mathrm{Vline}*T_D}{\mathrm{Lpri}}$

其中，Vline是输入电压；T_D是系统延迟时间；Lpri变压器初级线圈的电感量上式中，第一部分

是系统控制目标数值，第二部分

是系统延迟引起的峰值电流偏离控制目标的数值。当输入电压变化范围非常大时，系统延迟引起的峰值电流的偏离量也非常大，以交流/直流转换器为例，通常要求较宽的输入电压范围，如交流85V到265V，输入直流电压变化范围达250V，按照图1的电路，峰值电流在不同输入电压下将发生很大的变化。因此，有必要引入电压前馈功能来补偿输入电压变化对峰值电流的影响。

在图2所示系统中，在系统运行期间，VDD电压基本保持恒定，流过电阻206的电流为

由于Vline远大于VDD，该电流可以近似为

在控制器内部通过放大该电流并把这个电流和现有的阀值电压叠加，产生新的阀值电压来控制峰值电流。这样峰值电流就变成：

$\mathrm{Ipeak}=\frac{\mathrm{Vth}-k*\mathrm{Vline}}{\mathrm{Rcs}}+\frac{\mathrm{Vline}*T_D}{\mathrm{Lpri}}$

由上式可见，要在不同输入电压下获得相等的峰值电流，必须调节外部电路使得等于

也就是说当外部电感量Lpri发生变化或者外部电流取样电阻Rcs发生变化的时候，都必须调节补偿系数k。在图2中，调节补偿系数k就是调节启动电阻206，这将影响系统的启动时间和待机功耗。此外，在现有技术中，为了实现电压前馈，增加了一个管脚Vin，不可避免的增加了系统复杂度和成本。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种开关电源中峰值电流控制的电压前馈电路，该电路在准确的峰值电流限制的同时，提高系统的可靠性，简化系统设计。

为解决上述技术问题，本实用新型开关电源中峰值电流控制的电压前馈电路包括开关电源主电路和控制电路，在主电路线圈初级侧串接有功率元件，控制电路主要有采样电路、比较器和驱动器件组成，所述控制电路的比较器与驱动器件间串接有压控延迟单元。

为实现开关电源中电源峰值电流控制的电压前馈，所述压控延迟单元按下式中的T_VCD产生延迟控制信号，

$\mathrm{Ipeak}=\frac{\mathrm{Vth}}{\mathrm{Rcs}}+\frac{\mathrm{Vline}*T_D}{\mathrm{Lpri}}+\frac{\mathrm{Vline}*T_{\mathrm{VCD}}}{\mathrm{Lpri}}$

其中， $T_{\mathrm{VCD}}=\frac{\mathrm{Lpri}*I_{\mathrm{FIX}}}{\mathrm{Vline}}-T_{\mathrm{FIX}}$

I_FIX是固定电流值T_FIX是固定延迟时间Rcs是采样电路电阻

Vline是输入电压；T_D是系统延迟时间；Lpri变压器初级线圈的电感量

Ipeak是主电路峰值电流。

作为一种实施方式，所述压控延迟单元包括第一比较器、第二比较器、采样电容、电流源、第一偏移电压、第二偏移电压、开关、充电电容和开关管，所述开关与第一偏移电压负极串联后第一偏移电压正极连至第一比较器的正极，开关与第一偏移电压间连接采样电容，第一比较器的负极与开关的另一端相连，所述开关管两端分别连接电流源和充电电容，开关管控制端连接第一比较器的输出端，开关管与充电电容间连接第二偏移电压负极，第二偏移电压正极连接第二比较器的正极，第二比较器的输出端输出压控延迟控制信号，以控制开关电源功率管的开闭。

由于本实用新型采用了上述技术方案，即在开关电源的控制电路中加入压控延迟单元，并按特定的算法实现电压前馈，以达到开关电源中峰值电流控制的目的，提高了整个系统的可靠性，简化了系统的设计，降低了对元器件的要求。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明：

图1为现有开关电源峰值电流控制的原理图，

图2为另一种现有开关电源峰值电流控制的原理图，

图3为本实用新型开关电源峰值电流控制的原理图。

图4为本实用新型开关电源峰值电流控制的电路图。

具体实施方式

如图3所示，本实用新型开关电源中峰值电流控制的电压前馈电路包括开关电源主电路和控制电路，在主电路线圈初级侧串接有功率元件300，控制电路主要有采样电路、比较器301和驱动器件303组成，所述控制电路的比较器301与驱动器件303间串接有压控延迟单元302。

为实现开关电源中电源峰值电流控制的电压前馈，所述压控延迟单元302按下式中的T_VCD产生延迟控制信号，

$\mathrm{Ipeak}=\frac{\mathrm{Vth}}{\mathrm{Rcs}}+\frac{\mathrm{Vline}*T_D}{\mathrm{Lpri}}+\frac{\mathrm{Vline}*T_{\mathrm{VCD}}}{\mathrm{Lpri}}$

其中， $T_{\mathrm{VCD}}=\frac{\mathrm{Lpri}*I_{\mathrm{FIX}}}{\mathrm{Vline}}-T_{\mathrm{FIX}}$

I_FIX是固定电流值T_FIX是固定延迟时间Rcs是采样电路电阻

Vline是输入电压；T_D是系统延迟时间；Lpri变压器初级线圈的电感量

Ipeak是主电路峰值电流。

如图4所示，作为一种具体实施方式，所述压控延迟单元包括第一比较器402、第二比较器407、采样电容401、电流源403、第一偏移电压408、第二偏移电压406、开关400、充电电容405和开关管404，所述开关400与第一偏移电压408负极串联后第一偏移电压408正极连至第一比较器402的正极，开关400与第一偏移电压408间连接采样电容401，第一比较器402的负极与开关400的另一端相连，所述开关管404两端分别连接电流源403和充电电容405，开关管404控制端连接第一比较器402的输出端，开关管404与充电电容405间连接第二偏移电压406负极，第二偏移电压406正极连接第二比较器407的正极，第二比较器407的输出端输出压控延迟控制信号，以控制开关电源功率管的开闭。

上述电路中，开关400和电容401组成采样保持电路，对CS电压进行采样，采样之后电压保持在电容401上，开关管400断开，CS电压继续上升。在CS电压上升过程中，开关管404打开，电流源403对充电电容405充电。当CS电压上升到比电容401上的电压高于偏移电压408的时候，比较器402输出低电平，开关管404关闭，电流源403停止对电容405充电。这样电容405上就保存了一个电压，该电压正比于CS电压上升一个固定电压的时间。在CS上升到电流限制值后，电路可以从电容405上的电压恢复出该时间(该部分电路没有在图4中给出)，并且加入第二偏移电压406代表的延迟时间，最后由第二比较器407给出控制信号驱动驱动器件关闭功率管。

上述具体实施电路是为了实现T_VCD的算法，从上面T_VCD的表达式可以看出，T_VCD分为两部分

和T_FIX；在本具体实施电路中，开关400，电容401，第一比较器402，电流源403，开关管404，充电电容405和第一偏移电压408实现表达式的第一部分，即

充电电容405，第二偏移电压406和第二比较器407实现表达式样的第二部分，即T_FIX；

针对表达式第一部分：在开关管404闭合期间，开关400首先关闭，电容401上将存贮Vcs电压，此时控制第一比较器402的使能端，使得第一比较器402输出低电平，电流源403不向充电电容405充电；然后开关400关闭，同时控制第一比较器402的使能端，打开第一比较器402，开关400关闭的瞬间，由于第一偏移电压408的作用，第一比较器402输出高电平，电流源403开始通过开关管404向充电电容405充电。随后，CS电压继续上升，当CS电压上升到电容401电压加上第一偏移电压408电压的时候，第一比较器402输出低电平，电流源403不再向充电电容405充电。这样，充电电容405存储的电压将正比与上述表达式的第一部分，用公式表达，充电电容405上面电压为：

$V405=\frac{\mathrm{Lpri}*V408*I403}{\mathrm{Vline}*C405*\mathrm{Rcs}}$

而第二部分是为了实现T_FIX，如果用和电流源403电流源同样大小的一个下拉电流源来下拉充电电容405的电压，并把充电电容405的电压一直下拉到零，那么延迟将和上述第一部分一样大。现在加入第二偏移电压406，相当于从第一部分的延迟时间里扣除了一个固定的时间，即T_FIX，用公式表达，在第一部分和第二部分联合实现的延迟时间为：

$T_{\mathrm{VCD}}=\frac{C405*(V405-V406)}{I}$

其中I为恒流源，没有在图中标出。假定I等于电流源403的电流，结合第一部分，可见 $T_{\mathrm{VCD}}=\frac{C405*(V405-V406)}{I403}=\frac{\mathrm{Lpri}*V408}{\mathrm{Vline}*\mathrm{Rcs}}-\frac{C405*V406}{I403},$ 对比原理表达式，应用上述电路实现了该原理。

Claims (3)

1、一种开关电源中峰值电流控制的电压前馈电路，包括开关电源主电路和控制电路，在主电路线圈初级侧串接有功率元件，控制电路主要有采样电路、比较器和驱动器件组成，所述采样电路的信号输入比较器，所述驱动器件连接功率元件并控制其开闭，其特征在于：所述控制电路的比较器与驱动器件间串接有压控延迟单元。

2、根据权利要求1所述的开关电源中峰值电流控制的电压前馈电路，其特征在于：所述压控延迟单元按下式中的T_VCD产生延迟控制信号，

$\mathrm{Ipeak}=\frac{\mathrm{Vth}}{\mathrm{Rcs}}+\frac{\mathrm{Vline}*T_D}{\mathrm{Lpri}}+\frac{\mathrm{Vline}*T_{\mathrm{VCD}}}{\mathrm{Lpri}}$

其中， $T_{\mathrm{VCD}}=\frac{\mathrm{Lpri}*I_{\mathrm{FIX}}}{\mathrm{Vline}}-T_{\mathrm{FIX}}$

I_FIX是固定电流值T_FIX是固定延迟时间Rcs是采样电路电阻

Vline是输入电压；T_D是系统延迟时间；Lpri变压器初级线圈的电感量

Ipeak是主电路峰值电流。

3、根据权利要求1或2所述的开关电源中峰值电流控制的电压前馈电路，其特征在于：所述压控延迟单元包括第一比较器、第二比较器、采样电容、电流源、第一偏移电压、第二偏移电压、开关、充电电容和开关管，所述开关与第一偏移电压负极串联后第一偏移电压正极连至第一比较器的正极，开关与第一偏移电压间连接采样电容，第一比较器的负极与开关的另一端相连，所述开关管两端分别连接电流源和充电电容，开关管控制端连接第一比较器的输出端，开关管与充电电容间连接第二偏移电压负极，第二偏移电压正极连接第二比较器的正极，第二比较器的输出端输出压控延迟控制信号，以控制开关电源功率管的开闭。

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