CN203072221U - 原边反馈恒流控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种原边反馈恒流控制电路，包括变压器、功率开关管、恒流控制器以及采样电阻。变压器包括原边绕组和副边绕组，原边绕组的一端与功率开关管的漏极连接；采样电阻的一端接地，另一端与功率开关管的源极连接；恒流控制器的原边电流检测端与功率开关管的源极连接，通过获取采样电阻两端的采样电压与预设的参考电压的比较结果来关断功率开关管，以控制原边电流的峰值；恒流控制器的次级电流检测和输出复用端与功率开关管的栅极连接，通过检测功率开关管的栅极电流来控制次级电流的导通或关断时长。通过检测栅极电流Ig来获得次级电流Is为零的时间点，省去了变压器的辅助绕组和FB脚，减少了成本和芯片面积。

Description

原边反馈恒流控制电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路领域，尤其涉及一种原边反馈恒流控制电路。

背景技术

在集成电路领域，很多应用中需要实现恒流。例如，对于发光二极管（LED：Light Emitting Diode）照明，因为LED的电压-电流特性与二极管类似，LED电流对两端所加的电压特别敏感，非常微小的电压变化都会引起很大的电流变化。电流变化过大不但会影响LED的寿命，甚至会造成LED烧毁。为了很好地控制流经LED的电流，显然用一个恒压源来驱动LED是不合适的，而恒流源才是合适的选择。

为了实现恒流，需要对输出电流进行检测，并把信息反馈回到控制芯片，芯片根据该信息对输出功率进行控制，从而实现恒流。最简单的方法，就是在输出回路中串联一个电流采样电阻，将电阻两端的压差与参考电压进行比较，产生一个误差信号，该误差信号通过光耦反馈到芯片。该控制模式的优点是，输出电流的精度较高，但是缺点是由于在输出回路中串联电阻，会造成损耗增大，降低了整个系统的效率，另外，需要较多的外围元件，例如光耦和次级恒流控制电路，不但成本高，而且需要较大的印刷电路板的面积，这将造成无法与现有的灯具的尺寸兼容。

为了降低成本以及节省印刷电路板的面积，需要省去次级电流采样电阻、光耦以及次级恒流控制电路。由此，次级的电流信息通过变压器反馈到原边的控制芯片，图1示出了现有技术中原边反馈恒流控制电路的示意图。如图1所示，变压器100除了包括原边绕组和副边绕组之外，还包括反馈绕组101，反馈绕组101的主要功能有两个：一是给控制芯片供电，二是反馈次级电流信息。芯片的FB脚102为次级的电流信息反馈的接收脚。

为了实现输出恒流，控制芯片103需要得到的信息为原边功率开关管106的峰值电流Ipk，次级电流Is的峰值电流以及次级电流的导通时间Tons。图2a示出了次级二极管107的电流Is以及输出电流Iout，Iout为Is的平均电流，可以通过下面的公式（1）计算获得：

$\mathrm{Iout}=\frac{1}{2}\×\mathrm{Ispk}\×\frac{\mathrm{Tons}}{\mathrm{Tons}+\mathrm{Toffs}};---\left(1\right)$

从公式（1）中可以看出，只要保证Ispk（次级电流的峰值）和Tons/(Tons+Toff)为恒定值，那就可以实现输出电流Iout恒定了。而次级电流Is的峰值Ispk与原边电流Is的峰值Ipk的关系如公式（2）所示：

$\mathrm{Ispk}=\mathrm{Ipk}\×\frac{\mathrm{Np}}{\mathrm{Ns}};---\left(2\right)$

因此控制芯片103的功能就是为了保证Ipk和Tons/(Tons+Toff)为恒定值。

图2b示出了功率开关管的驱动信号OUT的波形200、次级电流Is的波形201、功率开关管的漏端电压Vds的波形202、以及辅助绕组101的分压FB的波形203。

结合图1所示，控制芯片103通过CS脚104对原边电流Ip进行检测，控制芯片103把Ip与一个固定的参考电压进行比较，当Ip大于参考电压，控制芯片103关断原边功率开关管106，因此就保证了原边电流Ip的峰值为固定值。

为了控制Tons/(Tons+Toff)为固定值，控制芯片103必须获知两个信息，即驱动信号关断的时间点和次级电流Is等于0的时间点，这两个时间点之间的时间差为次级导通时间Tons。由于驱动信号OUT（图2a中的波形200）是控制芯片103产生的信号，因此该信号关断的时间点很容易得到。对于次级电流Is等于0的时间点的检测，控制芯片103必须根据反馈脚FB的波形203、功率开关管的漏极电压Vds的波形202和次级电流Is的波形201的关系才可获得。当Is等于0时，功率开关管的漏极电压Vds的波形202中出现谐振的波形，控制芯片103通过辅助绕组101对该谐振波形进行检测，即控制芯片103把FB信号203与内部的预设的阈值电压信号（例如，0.1V的信号）进行比较，FB信号203的波形小于0.1V时即为Is等于0的时间点。严格来说，从图2a也可以看出，虽然FB信号203的波形小于0.1V的时间点与Is等于0的时间点存在一个时间差Td204，但是，只要控制芯片103对该时间差进行补偿，就不会影响电流的精度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中需要使用变压器的辅助反馈绕组来获得次级电流的缺陷，提供一种原边反馈恒流控制电路。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种原边反馈恒流控制电路，包括变压器、功率开关管、恒流控制器以及采样电阻；其中，

所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组的一端与所述功率开关管的漏极连接，所述副边绕组的两端连接负载电路；

所述采样电阻的一端接地，另一端与所述功率开关管的源极连接；

所述恒流控制器的原边电流检测端与所述功率开关管的源极连接，通过获取所述采样电阻两端的电压与预设的参考电压的比较结果来关断所述功率开关管，以控制原边电流的峰值；所述恒流控制器的次级电流检测和输出复用端与所述功率开关管的栅极连接，通过检测所述功率开关管的栅极电流来控制所述次级电流的导通或关断时长。

在依据本实用新型实施例的原边反馈恒流控制电路中，所述恒流控制器包括：

限流比较模块，所述限流比较模块的正输入端与所述原边电流端连接，所述限流比较模块的负输入端接收所述参考电压；

电流检测模块，所述电流检测模块的输入端与所述次级电流检测和输出复用端连接，以接收和检测所述功率开关管的栅极电流；

恒流控制模块，所述恒流控制模块的输入端与所述电流检测模块的输出端连接，通过所述栅极电流的检测结果生成次级电流的导通或关断时长；

开关信号生成模块，所述开关信号生成模块的第一输入端与所述限流比较模块的输出端连接，第二输入端与所述恒流控制模块的输出端连接；以通过获取所述采样电压与所述参考电压的比较结果、以及所述次级电流的导通或关断时长来生成所述功率开关管的导通或关断信号；

输出驱动模块，所述输出驱动模块的输入端与所述开关信号生成模块的输出端连接；所述输出驱动模块的输出端与所述次级电流检测和输出复用端连接；以基于从所述开关信号生成模块接收的所述导通或关断信号来导通或关断所述功率开关管。

在依据本实用新型实施例的原边反馈恒流控制电路中，所述电流检测模块包括：

电流比较单元，所述电流比较单元的第一端接收预设的参考电流，第二端与所述次级电流和输出复用端连接以接收所述功率开关管的栅极电流，以在所述栅极电流大于所述参考电流时在所述第二端处产生电压降；

信号锁定单元，所述信号锁定单元的输入端与所述第二端连接，以检测所述第二端处的电压变化。

在依据本实用新型实施例的原边反馈恒流控制电路中，所述电流比较单元包括相同的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管；

其中，所述第一和第二场效应晶体管的两个源极短接以及两个栅极短接，所述第一场效应晶体管的漏极与所述次级电流和输出复用端连接，所述第二场效应晶体管的漏极接收参考电流；

所述信号锁定单元的输入端与所述第一场效应晶体管的漏极连接，输出端与所述恒流控制模块的输入端连接。

在依据本实用新型实施例的原边反馈恒流控制电路中，所述电流检测模块包括：

检测电容，所述检测电容的第一端连接所述次级电流和输出复用端，第二端接地；

信号锁定单元，所述信号锁定单元的输入端与所述检测电容的第一端连接，输出端与所述恒流控制模块的输入端连接，以通过检测接收的电压的变化来检测所述栅极电流。

在依据本实用新型实施例的原边反馈恒流控制电路中，所述电流检测模块进一步包括限压二极管，所述限压二极管的正极接地，负极与所述次级电流和输出复用端连接。

在依据本实用新型实施例的原边反馈恒流控制电路中，所述电流检测模块进一步包括用于对所述检测电容进行复位的复位开关，所述复位开关的漏极与所述检测电容的第一端连接，其源极和栅极悬空。

本实用新型产生的有益效果是：不再通过变压器额外的辅助绕组反馈获得次级电流Is的信息，而是根据功率开关管的栅极电流Ig与次级电流Is的对应关系，通过检测栅极电流Ig来获得次级电流Is为零的时间点，从而控制Tons/(Tons+Toff)为固定值，以获得恒流。在这个过程中，一方面，变压器只有原边绕组和副边绕组，辅助绕组被省去。由于变压器只有两个绕组，简化了变压器的制作工序，降低了变压器的成本。另一方面，栅极电流的输入和驱动控制信号的输出利用脚位复用，省去了现有技术中的FB脚，继而省去了与该FB脚连接的分压电阻，减少了外围元器件，从而降低了成本和减少了芯片面积。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1示出了现有技术中原边反馈恒流控制电路的示意图；

图2a示出了次级电流Is以及输出电流Iout的波形图；

图2b示出了功率开关管的驱动信号OUT、次级电流Is、功率开关管的漏端电压Vds、以及辅助绕组101的分压FB的波形图；

图3示出了依据本实用新型实施例的原边反馈恒流控制电路的示意图；

图4示出了具有寄生电容的功率开关管的示意图；

图5示出了图3中功率开关管320的驱动信号OUT、次级电流Is、功率开关管320的漏端电压Vds、以及栅极电流Ig的波形图；

图6示出了图3中恒流控制器330的逻辑框图；

图7示出了采用图6中的恒流控制器330的原边反馈恒流控制电路的示例电路图；

图8示出了依据本实用新型第一实施例的电流检测模块332的电路示意图；

图9a示出了依据本实用新型第二实施例的电流检测模块332的电路示意图；

图9b示出了图9a中的功率开关管320的驱动信号的波形以及节点905处的电压波形。

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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图3示出了依据本实用新型实施例的原边反馈恒流控制电路的示意图，如图3所示，该原边反馈恒流控制电路包括变压器310、功率开关管320、恒流控制器330以及采样电阻340。其中，变压器310包括原边绕组和副边绕组，原边绕组的一端与功率开关管320的漏极连接，另一端接电源Vin；副边绕组的两端连接负载电路。采样电阻340的一端接地，另一端与功率开关管320的源极连接。恒流控制器330包括四个引脚：原边电流检测端CS、次级电流检测和输出复用端OUT、接地端Gnd以及电源端Vcc。其中，原边电流检测端CS与功率开关管320的源极连接，次级电流检测和输出复用端OUT与功率开关管320的栅极连接，接地端Gnd接地，电源端Vcc接电源Vin。

对于功率开关管320，其栅极（Gate）G与漏极（Drain）D之间存在一个寄生电容401，如图4所示。当流过副边绕组的次级电流Is等于0时，功率开关管320的漏极的电压Vds出现谐振的波形，该Vds电压的变化将引起有栅极电流Ig流经功率开关管320的寄生电容401，如图5所示，图5示出了图3中功率开关管320的驱动信号OUT的波形500、次级电流Is的波形501、功率开关管320的漏端电压Vds的波形502、以及栅极电流Ig的波形503。现有技术中，通过变压器310的辅助绕组反馈的电压信号（图2b中的FB信号）来检测次级电流Is等于零的时间点。但是从图5的波形图可以看出，次级电流Is与功率开关管320的栅极电流Ig同样有对应关系，如果在工作中检测到栅极电流Ig产生的时间点，同样可以获得次级电流Is等于零的时间点。

具体操作中，图3中的原边反馈恒流控制电路的恒流控制器330可通过原边电流检测端CS测得加载在采样电阻340两端的电压（可称之为采样电压），该采样电压的大小为原边电流Ip（功率开关管320导通时流过功率开关管320的源漏电流）与采样电阻340的阻值的乘积，其直接反映了原边电流Ip的大小。随后可根据采样电压与预设的参考电压的比较结果来关断功率开关管320，以控制原边电流Ip的峰值。例如，将该采样电压与预设的参考电压比较，当采样电压大于参考电压时，恒流控制器330关断功率开关管320，从而保证原边电流Ip的峰值为固定值。

为了控制Tons/(Tons+Toff)为固定值，恒流控制器330可通过次级电流检测和输出复用端OUT测得功率开关管320的栅极电流Ig，例如获得栅极电流Ig产生的时间点，从而获得次级电流Is为零的时间点，结合功率开关管320的驱动信号，获得次级的导通时长Tons或关断时长Toff，由此通过调节次级（或次级电流）的导通或关断时长，使得Tons/(Tons+Toff)为固定值。一旦原边电流Ip的峰值以及Tons/(Tons+Toff)为固定值，即可获得理想的恒流。

图6示出了图3中恒流控制器330的逻辑框图，图7示出了采用图6中的恒流控制器330的原边反馈恒流控制电路的示例电路图，其中，图7中的负载电路为LED，副边绕组通过整流滤波电路与LED连接。

如图6和图7所示，恒流控制器330包括：限流比较模块331、电流检测模块332、恒流控制模块333、开关信号生成模块334、输出驱动模块335。其中，限流比较模块331的正输入端与原边电流检测端CS连接，限流比较模块331的负输入端接收参考电压，例如图7中的Vcs。电流检测模块332的输入端与次级电流检测和输出复用端OUT连接，以接收和检测功率开关管320的栅极电流。恒流控制模块333的输入端与电流检测模块332的输出端连接，通过栅极电流的检测结果生成次级电流的导通或关断时长。开关信号生成模块334的第一输入端与限流比较模块331的输出端连接，第二输入端与恒流控制模块333的输出端连接，从而通过获取采样电压与参考电压的比较结果、以及次级电流的导通或关断时长来生成功率开关管320的导通或关断信号。输出驱动模块335的控制输入端与开关信号生成模块334的输出端连接，电压输入端与电源端连接，其输出端与次级电流检测和输出复用端OUT连接；从而基于从开关信号生成模块334接收的导通或关断信号来导通或关断功率开关管320。

具体而言，限流比较模块331将采样电阻340两端的电压（可称之为采样电压）与参考电压比较，例如与参考电压Vcs比较，该采样电压反映了原边电流Ip的大小。当采样电压大于参考电压时，开关信号生成模块334生成关断功率开关管320的控制信号，并通过输出驱动模块335关断功率开关管320，从而确保原边电流Ip的峰值Ipk为固定值。

电流检测模块332检测流过功率开关管320的栅极电流Ig，获取栅极电流Ig产生出现的时间点，该时间点即为次级电流Is为零的时间点，并将该时间点信息发送至恒流控制模块333。恒流控制模块333根据该时间点，并结合功率开关管320的控制驱动信号，可获次级电流的导通时长Tons或关断时长Toff，并将获得的时长信息发送至开关信号生成模块334。为了确保Tons/(Tons+Toff)为固定值，开关信号生成模块334根据上述导通时长Tons或关断时长Toff生成导通或关断功率开关管320的控制信号，并通过输出驱动模块335关断功率开关管320。

从以上可以看出，采用依据本实用新型实施例的恒流控制器330，可以同时将次级电流Is的峰值、以及Tons/(Tons+Toff)控制为固定值，从而获得较为理想的恒流。在具体实施中，不再通过变压器310额外的辅助绕组反馈获得次级电流的信息，而是根据功率开关管320的栅极电流Ig与次级电流Is的对应关系，通过检测栅极电流Ig来获得次级电流Is为零的时间点，从而控制Tons/(Tons+Toff)为固定值，以获得恒流。

在这个过程中，一方面，变压器310只有原边绕组和副边绕组，辅助绕组被省去。由于变压器310只有两个绕组，简化了变压器310的制作工序，降低了变压器310的成本，对降低成本起到积极的作用。另一方面，栅极电流的输入和驱动控制信号的输出利用脚位复用，省去了现有技术中的FB脚。由于省去了FB脚，图1中与之相连的分压电阻108和109也被省去。同时，由于省去了FB脚，控制芯片可以用更小的封装格式，这对减小系统尺寸也是有所帮助的。例如，在现有灯具的尺寸的限制下，LED驱动电源的尺寸非常重要。这不但可以更好地兼容了现有灯具的尺寸，而且降低了驱动电源的成本，对LED照明的普及起到积极的作用。与此同时，省去了反馈电阻108和109、FB脚以及变压器310的辅助绕组，印刷电路板上的元器件减小，可以留出足够的安全距离，这对提高LED驱动电源的可靠性非常有用。

图8示出了依据本实用新型第一实施例的电流检测模块332的电路示意图，如图8所示，该电流检测模块332包括电流比较单元801和信号锁定单元802。其中，电流比较单元801的第一端接收预设的参考电流803，第二端与次级电流检测和输出复用端OUT连接以接收功率开关管320的栅极电流Ig，以在栅极电流Ig大于参考电流时在第二端处产生电压降。信号锁定单元的输入端与第二端连接，以检测第二端处的电压变化。

例如，在本实用新型的优选实施例中，该电流比较单元包括相同的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管。其中，第一和第二场效应晶体管的两个源极短接以及两个栅极短接，第一场效应晶体管的漏极与次级电流检测和输出复用端OUT连接，第二场效应晶体管的漏极接收参考电流。信号锁定单元的输入端与第一场效应晶体管的漏极连接，输出端与恒流控制模块333的输入端连接。工作中，当栅极电流产生并大于参考电流时，节点804处将出现电压降。信号锁定单元802检测到该电压降后，将该信息发送至恒流控制模块333。恒流控制模块333根据该该信息和功率开关管320的驱动信号的下降沿计算出次级导通时间Tons，并根据Tons计算出Toffs和生成功率开关管320控制驱动信号。

图9a示出了依据本实用新型第二实施例的电流检测模块332的电路示意图，图9b示出了图9a中的功率开关管320的驱动信号的波形907以及节点905处的电压波形908。如图9a所示，该电流检测模块332包括检测电容901和信号锁定单元902。其中，检测电容901的第一端连接次级电流检测和输出复用端OUT，第二端接地；信号锁定单元902的输入端与检测电容901的第一端连接，输出端与恒流控制模块333的输入端连接，以通过检测接收的电压的变化来检测栅极电流。

优选地，电流检测模块332进一步包括限压二极管904，限压二极管904的正极接地，负极与次级电流检测和输出复用端OUT连接。其主要的功能是限制次级电流检测和输出复用端OUT的电压不会出现过低，以免引起闩锁效应。

优选地，电流检测模块332进一步包括复位开关903，复位开关903的漏极与检测电容901的第一端连接，其源极和栅极悬空。如图9b所示，复位开关的控制信号为波形906，该控制信号由功率开关管320的驱动信号（波形907）的下降沿触发而产生的一个窄脉冲。该窄脉冲出现在功率开关管320的驱动信号（波形907）的下降沿之后。复位开关管的作用是，在新一个周期开始之前把检测电容复位，准备对电流Ig进行检测。

工作中，当Vds出现谐振时，即Is等于0时，在次级电流检测和输出复用端OUT出现一个流经功率开关管320的寄生电容401的电流Ig，该电流Ig同时流经检测电容。由于原边功率开关管320的面积远远大于检测电容的面积，因此原边功率开关管320的寄生电容401远远大于检测电容，并且检测电容非常小，所以根据电容串联的特性，栅极电流lg的出现会引起节点905处电压的下降。信号锁定电路对节点905处的电压进行检测，并将输出信号输入到恒流控制模块333用于计算Toffs和生成功率开关管320控制驱动信号。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种原边反馈恒流控制电路，其特征在于，包括变压器、功率开关管、恒流控制器以及采样电阻；其中，

所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组的一端与所述功率开关管的漏极连接，所述副边绕组的两端连接负载电路；

所述采样电阻的一端接地，另一端与所述功率开关管的源极连接；

所述恒流控制器的原边电流检测端与所述功率开关管的源极连接，通过获取所述采样电阻两端的电压与预设的参考电压的比较结果来关断所述功率开关管，以控制原边电流的峰值；所述恒流控制器的次级电流检测和输出复用端与所述功率开关管的栅极连接，通过检测所述功率开关管的栅极电流来控制所述次级电流的导通或关断时长。

2.根据权利要求1所述的原边反馈恒流控制电路，其特征在于，所述恒流控制器包括：

限流比较模块，所述限流比较模块的正输入端与所述原边电流端连接，所述限流比较模块的负输入端接收所述参考电压；

电流检测模块，所述电流检测模块的输入端与所述次级电流检测和输出复用端连接，以接收和检测所述功率开关管的栅极电流；

恒流控制模块，所述恒流控制模块的输入端与所述电流检测模块的输出端连接，通过所述栅极电流的检测结果生成次级电流的导通或关断时长；

开关信号生成模块，所述开关信号生成模块的第一输入端与所述限流比较模块的输出端连接，第二输入端与所述恒流控制模块的输出端连接；以通过获取所述采样电压与所述参考电压的比较结果、以及所述次级电流的导通或关断时长来生成所述功率开关管的导通或关断信号；

输出驱动模块，所述输出驱动模块的输入端与所述开关信号生成模块的输出端连接；所述输出驱动模块的输出端与所述次级电流检测和输出复用端连接；以基于从所述开关信号生成模块接收的所述导通或关断信号来导通或关断所述功率开关管。

3.根据权利要求2所述的原边反馈恒流控制电路，其特征在于，所述电流检测模块包括：

电流比较单元， 所述电流比较单元的第一端接收预设的参考电流，第二端与所述次级电流和输出复用端连接以接收所述功率开关管的栅极电流，以在所述栅极电流大于所述参考电流时在所述第二端处产生电压降；

信号锁定单元，所述信号锁定单元的输入端与所述第二端连接，以检测所述第二端处的电压变化。

4.根据权利要求3所述的原边反馈恒流控制电路，其特征在于，所述电流比较单元包括相同的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管；

其中，所述第一和第二场效应晶体管的两个源极短接以及两个栅极短接，所述第一场效应晶体管的漏极与所述次级电流和输出复用端连接，所述第二场效应晶体管的漏极接收参考电流；

所述信号锁定单元的输入端与所述第一场效应晶体管的漏极连接，输出端与所述恒流控制模块的输入端连接。

5.根据权利要求2所述的原边反馈恒流控制电路，其特征在于，所述电流检测模块包括：

检测电容，所述检测电容的第一端连接所述次级电流和输出复用端，第二端接地；

信号锁定单元，所述信号锁定单元的输入端与所述检测电容的第一端连接，输出端与所述恒流控制模块的输入端连接，以通过检测接收的电压的变化来检测所述栅极电流。

6.根据权利要求5所述的原边反馈恒流控制电路，其特征在于，所述电流检测模块进一步包括限压二极管，所述限压二极管的正极接地，负极与所述次级电流和输出复用端连接。

7.根据权利要求5所述的原边反馈恒流控制电路，其特征在于，所述电流检测模块进一步包括用于对所述检测电容进行复位的复位开关，所述复位开关的漏极与所述检测电容的第一端连接，其源极和栅极悬空。

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