CN202872629U - 一种开关电源及其恒压输出控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于开关电源领域，提供了一种开关电源及其恒压输出控制器。本实用新型通过在开关电源中采用包括启动模块、电压比较模块、基准电压产生模块、功率开关、电压采样放大模块及脉宽调制模块的恒压输出控制器，简化了开关电源的电路结构，降低了成本，同时能够稳定可靠地对输出级负载驱动电路的输出电压实现周期性调制以对负载实现恒压输出，解决了现有技术存在的系统稳定性和可靠性差、电路结构复杂且成本高的问题。

Description

一种开关电源及其恒压输出控制器

技术领域

本实用新型属于开关电源领域，尤其涉及一种开关电源及其恒压输出控制器。

背景技术

目前，随着开关电源技术的不断发展和更新，开关电源已具备效率高、体积小及成本低的优点，所以其已经被广泛应用于各种电子设备中。特别是在小型家用电器（如电饭煲、豆浆机和电磁炉）中，开关电源一般只需要具备恒压输出功能即可。

为了在小型家用电器中实现恒压输出，现有技术提供了一种BUCK-BOOST（降压-升压式）开关电源系统，其内部的控制器通过对输出级的反馈电压进行检测，根据反馈电压的变化适时调整内部的开关频率，进而实现恒定电压输出。虽然前述的现有技术能够实现恒压输出，但因其需要增加部分电路对输出级的电压进行检测，导致其电路结构相对复杂，且控制器连接脚位多，封装成本高，导致控制器成本增加，同时降低了整个开关电源系统的抗干扰能力，影响了系统稳定性和可靠性差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种开关电源的恒压输出控制器，旨在解决现有技术存在的系统稳定性和可靠性差、电路结构复杂且成本高的问题。

本实用新型是这样实现的，一种开关电源的恒压输出控制器，与开关电源的输入级整流滤波电路及输出级负载驱动电路相连接，所述输入级整流滤波电路的输入端接入交流市电，所述输出级负载驱动电路的输出端与负载连接，所述恒压输出控制器包括：

输入端与所述输入级整流滤波电路的输出端连接，在开关电源上电时从所述输入级整流滤波电路的输出端引入直流电以启动所述恒压输出控制器工作的启动模块；

输入端同时与所述启动模块的输出端及所述输出级负载驱动电路的电压反馈端连接，将所述启动模块所产生的直流电源电压与基准电压进行电压比较后输出相应的比较电压的电压比较模块；

输入端接所述启动模块的输出端，第一输出端和第二输出端分别连接所述启动模块的基准电压端和所述电压比较模块的基准电压端，为所述启动模块和所述电压比较模块提供基准电压的基准电压产生模块；

输入端与所述输入级整流滤波电路的输出端连接，以特定的开关频率对所述输入级整流滤波电路所输出的直流电进行电压调制的功率开关；

输入端与所述功率开关的输出端连接，第一输出端接所述输出级负载驱动电路的输入端，对所述功率开关导通时所输出的导通电流进行电压采样，并将采样到的电压进行放大后输出相应的采样放大电压，且同时将所述导通电流输出至所述输出级负载驱动电路的电压采样放大模块；

第一输入端和第二输入端分别连接所述电压比较模块的输出端和所述电压采样放大模块的第二输出端，输出端连接所述功率开关的控制端，根据所述比较电压、所述采样放大电压及内部的时钟信号输出具有相应的开关占空比的脉冲信号控制所述功率开关的开关频率的脉宽调制模块。

本实用新型的另一目的还在于提供一种开关电源，所述开关电源包括输入级整流滤波电路、输出级负载驱动电路及所述恒压输出控制器；

本实用新型通过在开关电源中采用包括所述启动模块、所述电压比较模块、所述基准电压产生模块、所述功率开关、所述电压采样放大模块及所述脉宽调制模块的恒压输出控制器，简化了开关电源的电路结构，降低了成本，同时能够稳定可靠地对输出级负载驱动电路的输出电压实现周期性调制以对负载实现恒压输出，解决了现有技术存在的系统稳定性和可靠性差、电路结构复杂且成本高的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的开关电源的恒压输出控制器的模块结构图；

图2是本实用新型实施例提供的开关电源的恒压输出控制器的示例电路结构图；

图3是本实用新型实施例提供的开关电源的示例电路结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例通过在开关电源中采用包括启动模块、电压比较模块、基准电压产生模块、功率开关、电压采样放大模块及脉宽调制模块的恒压输出控制器，简化了开关电源的电路结构，降低了成本，同时能够稳定可靠地对输出级负载驱动电路的输出电压实现周期性调制以对负载实现恒压输出。

图1示出了本实用新型实施例提供的开关电源的恒压输出控制器的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分，详述如下：

恒压输出控制器100与开关电源的输入级整流滤波电路200及输出级负载驱动电路300相连接，输入级整流滤波电路200的输入端接入交流市电，输出级负载驱动电路300的输出端与负载400连接，恒压输出控制器100包括：

输入端与输入级整流滤波电路200的输出端连接，在开关电源上电时从输入级整流滤波电路200的输出端引入直流电以启动恒压输出控制器100工作的启动模块101；

输入端同时与启动模块101的输出端及输出级负载驱动电路300的电压反馈端连接，将启动模块101所产生的直流电源电压与基准电压进行电压比较后输出相应的比较电压的电压比较模块102；

输入端接启动模块101的输出端，第一输出端和第二输出端分别连接启动模块101的基准电压端和电压比较模块102的基准电压端，为启动模块101和电压比较模块102提供基准电压的基准电压产生模块103；

输入端与输入级整流滤波电路200的输出端连接，以特定的开关频率对输入级整流滤波电路200所输出的直流电进行电压调制的功率开关104；

输入端与功率开关104的输出端连接，第一输出端接输出级负载驱动电路300的输入端，对功率开关104导通时所输出的导通电流进行电压采样，并将采样到的电压进行放大后输出相应的采样放大电压，且同时将所述导通电流输出至输出级负载驱动电路300的电压采样放大模块105；

第一输入端和第二输入端分别连接电压比较模块102的输出端和电压采样放大模块105的第二输出端，输出端连接功率开关104的控制端，根据电压比较模块102输出的比较电压、电压采样放大模块105输出的采样放大电压及内部的时钟信号输出具有相应的开关占空比的脉冲信号控制功率开关104的开关频率的脉宽调制模块106。

图2示出了本实用新型实施例提供的开关电源的恒压输出控制器的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分，详述如下：

作为本实用新型一优选实施例，启动模块101包括：

第一误差放大器EA1、N沟道结型场效应管J1、电阻R1及电阻R2；

第一误差放大器EA1的同相输入端为启动模块101的基准电压端，第一误差放大器EA1的输出端接N沟道结型场效应管J1的栅极，N沟道结型场效应管J1的漏极和源极分别为启动模块101的输入端和输出端，电阻R1的第一端接N沟道结型场效应管J1的源极，电阻R1的第二端与电阻R2的第一端共接于第一误差放大器EA1的反相输入端，电阻R2的第二端接虚拟信号地。其中，N沟道结型场效应管J1的阈值电压为-9V，其源极为整个恒压输出控制器100的内部电路提供电源。

作为本实用新型一优选实施例，电压比较模块102包括：

电阻R3、电阻R4、第二误差放大器EA2及电容C2；

电阻R3的第一端为电压比较模块102的输入端，电阻R3的第二端与电阻R4的第一端共接于第二误差放大器EA2的反相输入端，电阻R4的第二端接虚拟信号地，第二误差放大器EA2的同相输入端和输出端分别为电压比较模块102的基准电压端和输出端，电容C2连接于第二误差放大器EA2的输出端与虚拟信号地之间。

作为本实用新型一优选实施例，基准电压产生模块103为常用的带隙基准电路。

作为本实用新型一优选实施例，功率开关104为高压NMOS场效应管M1，高压NMOS场效应管M1的栅极、漏极和源极分别为功率开关104的控制端、输入端和输出端。功率开关104在本实用新型其他实施例中还可以是其他具备开关特性的半导体器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGBT,Insulated Gate BipolarTransistor)和结型场效应管（JFET,Junction Field Effect Transistor）。

作为本实用新型一优选实施例，电压采样放大模块105包括电阻R5和放大器OPA1，电阻R5的第一端和第二端分别为电压采样放大模块105的输入端和第一输出端，放大器OPA1的同相输入端接电阻R5的第一端，放大器OPA1的反相输入端与电阻R5的第二端共接于虚拟信号地，放大器OPA1的输出端为电压采样放大模块105的第二输出端。

作为本实用新型一优选实施例，脉宽调制模块106包括：

比较器COMP1、D触发器TRG1、时钟产生电路1061、第一反相器INV1、第二反相器INV2及第三反相器INV3；

比较器COMP1的同相输入端和反相输入端分别为脉宽调制模块106的第一输入端和第二输入端，比较器COMP1的输出端接D触发器TRG1的复位控制端RB，D触发器TRG1的输入端D接第三反相器INV3的输出端，第三反相器INV3的输入端接虚拟信号地，D触发器TRG1的时钟端FOSC连接时钟产生电路1061的输出端，第一反相器INV1的输入端和输出端分别与D触发器TRG1的输出端Q和第二反相器INV2的输入端相连接，第二反相器INV2的输出端为脉宽调制模块106的输出端。其中，时钟产生电路1061可以是环形振荡器或张弛振荡器。

在实际应用中，恒压输出控制器100可以按照上述结构及连接关系集成为一个芯片中，且启动电路101的输入端和输出端以及电压采样放大模块105的第一输出端分别作为恒压控制器的三个引脚，这样能够减少芯片管脚，提高了集成度，可以采用TO92或SOT89-3的三脚封装结构，从而有效地降低封装成本。

本实用新型实施例还提供了一种开关电源，该开关电源包括恒压输出控制器100、输入级整流滤波电路200及输出级负载驱动电路300。

图3示出了本实用新型实施例所提供的开关电源的示例电路结构，其中恒压输出控制器100的电路结构与图2所示的一致，在此不再赘述，而对于输入级整流滤波电路200和输出级负载驱动电路300的电路结构则详述如下：

作为本实用新型一优选实施例，输入级整流滤波电路200包括整流二极管D1和滤波电容C1，整流二极管D1的阳极和阴极分别为输入级整流滤波电路200的输入端和输出端，滤波电容C1连接于整流二极管D1的阴极与地之间。

作为本实用新型一优选实施例，输出级负载驱动电路300包括：

稳压电容C3、续流二极管D2、储能电感L1、续流二极管D3及稳压电容C4；

稳压电容C3的第一端和储能电感L1的第一端分别为输出级负载驱动电路300的电压反馈端和输入端，续流二极管D2的阴极接稳压电容C3的第一端，稳压电容C3的第二端与续流二极管D3的阴极共接于储能电感L1的第一端，续流二极管D3的阳极接稳压电容C4的第一端，且稳压电容C4的第一端为输出级负载驱动电路300的输出端，稳压电容C4的第二端与续流二极管D2的阳极及储能电感L1的第二端共接于地。

在本实用新型实施例中，负载400的输出端与稳压电容C4的第二端连接，且负载400的输入端电压Von与其输出端电压Vop之差即为开关电源所需实现的输出电压Vout。

以下结合工作原理对上述具有恒压输出控制器100的开关电源作进一步说明：

当高压NMOS场效应管M1导通时，通过整流二极管D1和滤波电容C1整流滤波处理后所输出的直流电通过高压NMOS场效应管M1和电阻R5向储能电感L1进行充电储能，此时储能电感L1的第一端的电压VA与整流二极管D1的阴极电压VDC相等（此处忽略高压NMOS场效应管M1的导通压降），且续流二极管D2和续流二极管D3均反向截止，稳压电容C2和稳压电容C3分别向电阻R3的第一端和负载400释放电能；当高压NMOS场效应管M1截止时，储能电感L1释放电能为稳压电容C4和稳压电容C3充电，且续流二极管D2和续流二极管D3均导通，此时，储能电感L1的第一端的电压VA与负载400的输入端电压Von的关系式如下：

VA=Von-Vdf1        （1）

其中，Vdf1为续流二极管D3的导通压降。

稳压电容C3的第一端的电压VB与负载400的输出端电压Vop的关系式如下：

VB=Vop-Vdf2        （2）

其中，Vdf2为续流二极管D2的导通压降，且在本实用新型实施例中，续流二极管D2和续流二极管D3的导通压降是相同的，即Vdf1=Vdf2。

将关系式（1）与关系式（2）进行相减可得到下式：

VB-VA=Vop-Von    （3）

其中，VB-VA就是电阻R3的第一端与电阻R5的第二端（即是虚拟信号地）之间的电压差VDD，Vop-Von就是开关电源所需实现的输出电压Vout，因此，输出电压Vout与VDD之间的关系如下式：

VDD=Vout    （4）

则只需要通过恒压输出控制器100控制电压差VDD恒定，即可对输出级电压差Vout实现恒定控制，从而达到向负载400实现恒压输出的目的。

在开关电源上电之初，N沟道结型场效应管J1的源极的电压近似为零，第一误差放大器EA1的输出端输出低电平至N沟道结型场效应管J1的栅极，则N沟道结型场效应管J1导通，N沟道结型场效应管J1的漏极从整流二极管D1的阴极引入直流电使其源极的电压升高（实际上就是提升了电压差VDD，此端也是恒压控制器100的内部电源端和反馈端），此时恒压输出控制器100开始启动工作；当N沟道结型场效应管J1的源极的电压通过电阻R1和电阻R2分压后所得到的电压高于第一误差放大器EA1的同相输入端所接入的参考电压VJ时，第一误差放大器EA1输出零电平（即相对于虚拟信号地为零电平）至N沟道结型场效应管J1的栅极，N沟道结型场效应管J1的源极电压等于电压差VDD（即相对于虚拟信号地为VDD），则N沟道结型场效应管J1因其栅极-源极电压差的绝对值小于结型场效应管J1的阈值电压的绝对值而截止，此时恒压输出控制器100完成上电启动。

恒压输出控制器100在上电启动后，N沟道结型场效应管J1的源极电压（即VDD）通过电阻R3和电阻R4分压后得到的电压VI输入至第二误差放大器EA2的反相输入端，则VI与VDD的关系式如下：

$V1=\frac{R4}{R3+R4}\·\mathrm{VDD}---\left(5\right)$

同时，基准电压产生模块103输出基准电压VR至第二误差放大器EA2的同相输入端。当VI大于VR时，第二误差放大器EA2的输出电压VF为低电平，且随着VI的减小，VF会逐渐增大，当开关电源的输出电压趋于稳定时，则VI=VR，由关系式（4）和关系式（5）可得到输出电压Vout与VR的关系如下：

$\mathrm{VR}=\frac{R4}{R3+R4}\·\mathrm{Vout}---\left(6\right)$

从关系式（6）可知，当开关电源实现恒压输出时，输出电压Vout如下式所示：

$\mathrm{Vout}=(\frac{R3}{R4}+1)\·\mathrm{VR}---\left(7\right)$

从关系式（7）可以看出，输出电压Vout是恒定的。

同时，电阻R5的两端在高压NMOS场效应管M1导通时会形成采样电压，电阻R5两端的采样电压通过放大器OPA1放大后输出比较电压VS至比较器COMP1的反相输入端，则比较器COMP1通过对其同相输入端的输入电压VF和反相输入端的输入电压VS进行比较后输出相应的电平信号控制D触发器TRG1的工作状态；当VS大于VF时，比较器COMP1输出低电平至D触发器TRG1的复位控制端RB；当VS小于VF时，比较器COMP1输出高电平至D触发器TRG1的复位控制端RB；因此，VS与VF两者的大小不同使比较器COMP1输出一具有高低电平变化的脉冲信号ON，当D触发器TRG1的时钟端FOSC所输入的时钟信号的下降沿到来且脉冲信号ON为高电平时，D触发器TRG1的输出端Q输出高电平经过第一反相器INV1和第二反相器INV2进行双重反相后驱动高压NMOS场效应管M1导通；NMOS场效应管M1导通后，流过电阻R5的电流逐渐增大，因此电压采样放大模块105产生的VS电压也逐渐增大，当VS大于VF时，比较器COMP1输出低电平至D触发器TRG1的复位控制端RB，则D触发器TRG1直接从其输出端Q输出低电平经过第一反相器INV1和第二反相器INV2进行双重反相后使高压NMOS场效应管M1关闭，因此，通过脉冲信号ON和由D触发器TRG1、第一反相器INV1及第二反相器INV2构成的逻辑驱动电路多周期地反复控制高压NMOS场效应管M1的开关占空比，实现周而复始地调制以使整个开关电源的输出电压趋于稳定，最终实现对负载的恒压输出。

本实用新型实施例通过在开关电源中采用包括启动模块、电压比较模块、基准电压产生模块、功率开关、电压采样放大模块及脉宽调制模块的恒压输出控制器，简化了开关电源的电路结构，降低了成本，同时能够稳定可靠地对输出级负载驱动电路的输出电压实现周期性调制以对负载实现恒压输出，解决了现有技术存在的系统稳定性和可靠性差、电路结构复杂且成本高的问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种开关电源的恒压输出控制器，与开关电源的输入级整流滤波电路及输出级负载驱动电路相连接，所述输入级整流滤波电路的输入端接入交流市电，所述输出级负载驱动电路的输出端与负载连接，其特征在于，所述恒压输出控制器包括：

输入端与所述输入级整流滤波电路的输出端连接，在开关电源上电时从所述输入级整流滤波电路的输出端引入直流电以启动所述恒压输出控制器工作的启动模块；

输入端同时与所述启动模块的输出端及所述输出级负载驱动电路的电压反馈端连接，将所述启动模块所产生的直流电源电压与基准电压进行电压比较后输出相应的比较电压的电压比较模块；

输入端接所述启动模块的输出端，第一输出端和第二输出端分别连接所述启动模块的基准电压端和所述电压比较模块的基准电压端，为所述启动模块和所述电压比较模块提供基准电压的基准电压产生模块；

输入端与所述输入级整流滤波电路的输出端连接，以特定的开关频率对所述输入级整流滤波电路所输出的直流电进行电压调制的功率开关；

输入端与所述功率开关的输出端连接，第一输出端接所述输出级负载驱动电路的输入端，对所述功率开关导通时所输出的导通电流进行电压采样，并将采样到的电压进行放大后输出相应的采样放大电压，且同时将所述导通电流输出至所述输出级负载驱动电路的电压采样放大模块；

第一输入端和第二输入端分别连接所述电压比较模块的输出端和所述电压采样放大模块的第二输出端，输出端连接所述功率开关的控制端，根据所述比较电压、所述采样放大电压及内部的时钟信号输出具有相应的开关占空比的脉冲信号控制所述功率开关的开关频率的脉宽调制模块。

2.如权利要求1所述的恒压输出控制器，其特征在于，所述启动模块包括：

第一误差放大器、N沟道结型场效应管J1、电阻R1及电阻R2；

第一误差放大器的同相输入端为所述启动模块的基准电压端，所述第一误差放大器的输出端接所述N沟道结型场效应管J1的栅极，所述N沟道结型场效应管J1的漏极和源极分别为所述启动模块的输入端和输出端，所述电阻R1的第一端接所述N沟道结型场效应管J1的源极，所述电阻R1的第二端与所述电阻R2的第一端共接于所述第一误差放大器的反相输入端，所述电阻R2的第二端接虚拟信号地。

3.如权利要求1所述的恒压输出控制器，其特征在于，所述电压比较模块包括：

电阻R3、电阻R4、第二误差放大器及电容C2；

所述电阻R3的第一端为所述电压比较模块的输入端，所述电阻R3的第二端与所述电阻R4的第一端共接于所述第二误差放大器的反相输入端，所述电阻R4的第二端接虚拟信号地，所述第二误差放大器的同相输入端和输出端分别为所述电压比较模块的基准电压端和输出端，所述电容C2连接于所述第二误差放大器的输出端与虚拟信号地之间。

4.如权利要求1所述的恒压输出控制器，其特征在于，所述功率开关为高压NMOS场效应管M1，所述高压NMOS场效应管M1的栅极、漏极和源极分别为所述功率开关的控制端、输入端和输出端。

5.如权利要求1所述的恒压输出控制器，其特征在于，所述电压采样放大模块包括电阻R5和放大器，所述电阻R5的第一端和第二端分别为所述电压采样放大模块的输入端和第一输出端，所述放大器的同相输入端接所述电阻R5的第一端，所述放大器的反相输入端与所述电阻R5的第二端共接于虚拟信号地，所述放大器的输出端为所述电压采样放大模块的第二输出端。

6.如权利要求1所述的恒压输出控制器，其特征在于，所述脉宽调制模块包括：

比较器、D触发器、时钟产生电路、第一反相器、第二反相器及第三反相器；

所述比较器的同相输入端和反相输入端分别为所述脉宽调制模块的第一输入端和第二输入端，所述比较器的输出端接所述D触发器的复位控制端，所述D触发器的输入端接所述第三反相器的输出端，所述第三反相器的输入端接虚拟信号地，所述D触发器的时钟端连接所述时钟产生电路的输出端，所述第一反相器的输入端和输出端分别与所述D触发器的输出端和第二反相器的输入端相连接，所述第二反相器的输出端为所述脉宽调制模块的输出端。

7.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括输入级整流滤波电路、输出级负载驱动电路以及如权利要求1至6任一项所述的恒压输出控制器。

8.如权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述输入级整流滤波电路包括整流二极管D1和滤波电容C1，所述整流二极管D1的阳极和阴极分别为所述输入级整流滤波电路的输入端和输出端，所述滤波电容C1连接于所述整流二极管D1的阴极与地之间。

9.如权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述输出级负载驱动电路包括：

稳压电容C3、续流二极管D2、储能电感L1、续流二极管D3及稳压电容C4；

所述稳压电容C3的第一端和所述储能电感L1的第一端分别为所述输出级负载驱动电路的电压反馈端和输入端，所述续流二极管D2的阴极接所述稳压电容C3的第一端，所述稳压电容C3的第二端与所述续流二极管D3的阴极共接于所述储能电感L1的第一端，所述续流二极管D3的阳极接所述稳压电容C4的第一端，且所述稳压电容C4的第一端为所述输出级负载驱动电路的输出端，所述稳压电容C4的第二端与所述续流二极管D2的阳极及所述储能电感L1的第二端共接于地。

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