CN210776358U - 一种恒流控制电路和恒流控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及集成电路技术领域，具体涉及一种恒流控制电路，以及采用了所述恒流控制电路的恒流控制装置。所述恒流控制电路包括：储能电感，功率开关，检测电阻，退磁时间检测模块，基准电压调制模块和电流峰值控制模块；所述恒流控制电路通过采用脉冲宽度调制信号调制基准电压实现临界导通模式下的恒流控制，使得所述恒流控制电路性能和成本得到优化。

Description

一种恒流控制电路和恒流控制装置

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，具体涉及一种恒流控制电路，以及采用了所述恒流控制电路的恒流控制装置。

背景技术

图1A为现有的一种恒流控制电路，储能电感L1第一端与输入电压VIN电耦接，第二端与开关管M1的输入端耦接，同时还与续流二极管D1的阳极电耦接，开关管M1的控制端与断续恒流控制模块输出端电耦接，开关管M1的输出端与电流检测电阻Rcs的第一端电耦接，电流检测电阻Rcs的第二端接地，续流二极管D1的阴极与输出电容C1第一端和负载第一端电耦接，所述输出电容C1第二端和负载第二端与输入电压VIN电耦接，所述断续恒流控制模块的第一输入端与退磁时间检测模块输出端电耦接，所述断续恒流控制模块的第二输入端与电流峰值控制模块输出端电耦接，所述电流峰值控制模块的第一输入端与一基准电压电耦接，第二输入端与所述检测电阻Rcs的第一端电耦接。

结合图1B所示的现有恒流控制电路典型工作波形图可知，现有的恒流控制电路，存在两个不足的地方，首先是现有恒流控制电路要实现恒流控制，只能工作在储能电感电流断续模式下。通过检测储能电感退磁结束时间点ZXC得到储能电感的退磁时间Tdemg，检测储能电感的峰值电流关断信号OFF得到储能电感的导通充电时间Ton，同时结合断续恒流控制模块内部的计时电路去实现Tdemg＝Ton+Tfree，让储能电感的退磁时间Tdemg等于储能电感的导通充电时间Ton和断续自由振荡时间Tfree之和。从图1B工作波形上可以得出，平均负载电流Iout＝0.5*Ipk*(Tdemg/T)＝0.5*(Vref/Rcs)*(Tdemg/T)。当Tdemg＝Ton+Tfree时， T＝2Tdemg，所以平均负载电流Iout＝0.25*(Vref/Rcs)，为了实现不同输入电压VIN下的恒流控制，Tfree时间不能等于零，所以恒流控制电路只能工作在储能电感电流断续模式下，导致了储能电感电流峰值变大，要求更大尺寸的开关管M1，增加了系统的成本；其次是所述恒流控制电路工作在储能电感电流断续模式下，会导致开关管M1开启时刻不受控，导致系统的EMI性能变差，因此有必要解决现有恒流控制电路所带来的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种恒流控制电路，以及采用了所述恒流控制电路的恒流控制装置。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路，具有一负载，还包括一储能电感，具有第一端和第二端，其中第一端与电源输入电压电耦接；一功率开关，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述储能电感第二端电耦接；一检测电阻，具有第一端和第二端，其中第一端与所述功率开关输出端电耦接，第二端与地电耦接，所述检测电阻检测流过所述功率开关的电流，产生一电压检测信号；一临界恒流控制模块，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中输出端与所述功率开关控制端电耦接；一退磁时间检测模块，与所述临界恒流控制模块第一输入端电耦接，检测所述储能电感退磁结束的时间点，输出一退磁结束信号；一基准电压调制模块，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端电耦接第一基准电压，第二输入端电耦接所述功率开关控制端信号，输出端输出受到控制信号调制的第二基准电压；一电流峰值控制模块，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述基准电压调制模块输出端电耦接，接收所述第二基准电压，第二输入端与所述检测电阻第一端电耦接，接收所述电压检测信号，输出端与所述临界恒流控制模块第二输入端电耦接，输出端输出一电流峰值结束信号；所述临界恒流控制模块基于所述退磁时间检测模块对所述储能电感退磁结束时间点的检测结果和所述电流峰值控制模块对所述储能电感电流峰值的检测结果，控制所述储能电感工作在临界导通模式，在所述功率开关导通时，让电源输入电压的能量转移到所述储能电感，在所述功率开关断开时，使得所述储能电感存储的能量转移到负载。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路，所述基准电压调制模块，包括：第一开关，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述第二基准电压电耦接，控制端与一反相器输出端电耦接，所述反相器输入端与所述功率开关控制端信号电耦接；第二开关，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述第一开关输出端电耦接，控制端与所述功率开关控制端信号电耦接，输出端与地电耦接；一误差放大器，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述第一基准电压电耦接，第二输入端与一电阻的第一端和一电容的第一端电耦接，所述电阻的第二端与所述第一开关的输出端和所述第二开关的输入端电耦接，所述电容的第二端与所述误差放大器的输出端电耦接。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路，所述基准电压调制模块，还包括：一钳位场效应管，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述误差放大器的输出端电耦接，输出端与地电耦接，控制端与第三基准电压电耦接；或一钳位三极管，具有发射极，集电极和基极，其中发射极与所述误差放大器的输出端电耦接，集电极与地电耦接，基极与第三基准电压电耦接；所述钳位场效应管或钳位三极管的作用是让所述第二基准电压受到第三基准电压的控制。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路，所述电流峰值控制模块，包括：一比较器，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述电流检测电阻第一端电耦接，接收所述电压检测信号，第二输入端与所述第二基准电压电耦接，输出端输出一电流峰值结束信号。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路，所述功率开关为NMOS管，所述NMOS 管的栅极与所述临界恒流控制模块的输出端电耦接，源极与所述采样电阻第一端电耦接，漏极与所述储能电感第二端电耦接；或所述功率开关为NPN三极管，所述NPN三极管的基极与所述临界恒流控制模块的输出端电耦接，发射极与所述采样电阻第一端电耦接，集电极与所述储能电感第二端电耦接。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路，所述恒流控制电路还包括：一续流二极管，具有阳极和阴极，其中阳极与所述储能电感第二端和所述功率开关输入端电耦接，阴极与输出电容第一端和负载第一端电耦接，所述输出电容第二端和所述负载第二端与所述储能电感第一端电耦接。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路，所述恒流控制电路的储能电感为一变压器的主级绕组，所述变压器次级绕组具有第一端和第二端，其中第一端与一续流二极管阳极电耦接，所述续流二极管阴极与输出电容第一端和负载第一端电耦接，所述变压器次级绕组第二端与所述输出电容第二端和所述负载第二端电耦接。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制装置，包括有所述的任一种恒流控制电路。

本实用新型所提出的恒流控制电路，通过对基准电压的调制，让恒流控制电路能够实现恒流控制的同时，储能电感还工作在临界导通模式，可以很好地解决现有恒流控制电路中所涉及的复杂算法以及储能电感只能工作在断续模式才能实现恒流控制的问题，节约了成本，提升了系统的性能和可靠性。

附图说明

图1A所示为现有恒流控制电路示意图；

图1B所示为现有恒流控制电路典型工作波形图；

图2A所示为本实用新型一实施例的恒流控制电路示意图；

图2B所示为本实用新型一实施例的基准电压调制模块示意图；

图2C所示为本实用新型一实施例的电流峰值控制模块示意图；

图2D所示为本实用新型一实施例的典型工作波形图；

图3A所示为本实用新型另一实施例的恒流控制电路示意图；

图3B所示为本实用新型另一实施例的典型工作波形图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路、材料。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图2A所示为根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路200，具有一负载204，还包括一储能电感201，具有第一端和第二端，其中第一端与电源输入电压VIN电耦接；一功率开关205，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述储能电感201第二端电耦接；一检测电阻206，具有第一端和第二端，其中第一端与所述功率开关205输出端电耦接，第二端与地电耦接，所述检测电阻206检测流过所述功率开关205的电流，产生一电压检测信号Vcs；一临界恒流控制模块240，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中输出端与所述功率开关205控制端电耦接；一退磁时间检测模块220，与所述临界恒流控制模块240 第一输入端电耦接，检测所述储能电感201退磁结束的时间点，输出一退磁结束信号ZXC；一基准电压调制模块210，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端电耦接第一基准电压Vref1，第二输入端电耦接所述功率开关205控制端信号PWM，输出端输出受到控制信号PWM调制的第二基准电压Vref2；一电流峰值控制模块230，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述基准电压调制模块210输出端电耦接，接收所述第二基准电压Vref2，第二输入端与所述检测电阻206第一端电耦接，接收所述电压检测信号Vcs，输出端与所述临界恒流控制模块240第二输入端电耦接，输出端输出一电流峰值结束信号OFF；所述临界恒流控制模块240基于所述退磁时间检测模块220对所述储能电感 201退磁结束时间点的检测产生的ZXC信号，和居于所述电流峰值控制模块230对所述储能电感201电流峰值Ipk的检测产生的OFF信号，控制所述储能电感201工作在临界导通模式，在所述功率开关205导通时，让电源输入电压VIN的能量转移到所述储能电感201，在所述功率开关205断开时，使得所述储能电感201存储的能量转移到负载204。结合图2D所示本实用新型一实施例的典型工作波形图，当控制信号PWM变成高电平以后，功率开关205 导通，DRAIN电压变成低电平，输入电压VIN经过功率开关205和检测电阻206对储能电感201充电，电感电流IL线性升高，检测电压Vcs也线性升高，此时经过续流二极管202 流到负载204上的电流Iout＝0，当检测电压Vcs达到受调制的第二基准电压Vref2时，电流峰值控制模块230输出的电流峰值结束信号OFF变成高电平，临界恒流控制模块240输出控制信号PWM将功率开关205断开，DRAIN电压变成高电平，此阶段的电感电流IL＝Iout通过续流二极管202流到负载，电感电流IL线性降低，当IL线性降低到零电流时，DRAIN电压开始产生LC谐振，退磁时间检测模块220通过检测DRAIN电压的LC谐振状态，检测到电感201电流IL变成零以后，输出的电感退磁结束信号ZXC变成高电平，临界恒流控制模块240输出控制信号PWM将功率开关205再次导通，继续循环下一个周期。因此当恒流控制电路200工作在临界导通模式时，负载平均输出电流

Iout＝0.5*Ipk*(Tdemg/T)＝0.5*(Vref2/Rcs)*(Tdemg/T)-----(1)。

图2B所示为根据本实用新型一实施例的基准电压调制模块210，包括：第一开关212，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述第二基准电压Vref2电耦接，控制端与一反相器211输出端电耦接，所述反相器211输入端与所述功率开关控制端信号PWM电耦接；第二开关213，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述第一开关212输出端电耦接，控制端与所述功率开关控制端信号PWM电耦接，输出端与地电耦接；一误差放大器216，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述第一基准电压Vref1电耦接，第二输入端与一电阻214的第一端和一电容215的第一端电耦接，所述电阻214的第二端与所述第一开关212的输出端和所述第二开关213的输入端电耦接，所述电容215的第二端与所述误差放大器216的输出端电耦接。

在本实用新型一实施例中，如图2B所示，当控制信号PWM为低电平时，第一开关212导通，第二开关213断开，第二基准电压Vref2*Tdmeg传递到电阻214的第二端；当控制信号PWM为高电平时，第一开关212断开，第二开关213导通，零电压传递到电阻214的第二端。由于电阻214、电容215和误差放大器216组成了一阶RC低通滤波器，误差放大器同相端输入电压等于反相端输入电压，在临界导通模式的稳态条件下，

Vref1*(Ton+Tdemg)＝Vref1*T＝Vref2*Tdemg-----(2)

Vref2＝Vref1*T/Tdemg-----(3)

结合公式(1)和公式(3)

Iout＝0.5*(Vref1/Rcs)-----(4)

从公式(4)可以看出，在临界导通模式下，采用受到控制信号PWM调制的基准电压控制电感电流的峰值，可以实现恒流控制。

根据本实用新型一实施例的基准电压调制模块，如图2B所示，还包括：一钳位场效应管217，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述误差放大器216的输出端电耦接，输出端与地电耦接，控制端与第三基准电压Vref3电耦接，因此Vref2电压会被最大限制为 Vref3+Vth，其中Vth电压为场效应管217的导通开启电压；或一钳位三极管217，具有发射极，集电极和基极，其中发射极与所述误差放大器216的输出端电耦接，集电极与地电耦接，基极与第三基准电压Vref3电耦接，因此Vref2电压会被最大限制为Vref3+Vbe，其中Vbe电压为三极管217的导通开启电压；所述钳位场效应管217或钳位三极管217的作用是让所述第二基准电压Vref2受到第三基准电压Vref3的钳位控制，让第二基准电压Vref2在控制信号PWM占空比较大时不会失控。

根据本实用新型一实施例的电流峰值控制模块，如图2C所示包括：一比较器231，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述电流检测电阻206第一端电耦接，接收所述电压检测信号Vcs，第二输入端与所述第二基准电压Vref2电耦接，输出端输出一电流峰值结束信号OFF。当所述电压检测信号Vcs高于所述第二基准电压Vref2时，比较器 231输出高电平，反之，输出低电平。

根据本实用新型一实施例的功率开关205为NMOS管，所述NMOS管的栅极与所述临界恒流控制模块240的输出端电耦接，源极与所述采样电阻206第一端电耦接，漏极与储能电感201第二端电耦接；或所述功率开关205为NPN三极管，所述NPN三极管的基极与所述临界恒流控制模块240的输出端电耦接，发射极与所述采样电阻206第一端电耦接，集电极与储能电感201第二端电耦接。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路，如图2A所示，所述恒流控制电路200 还包括：一续流二极管202，具有阳极和阴极，其中阳极与所述储能电感201第二端和所述功率开关205输入端电耦接，阴极与输出电容203第一端和负载204第一端电耦接，所述输出电容203第二端和所述负载204第二端与所述储能电感201第一端电耦接。所述恒流控制电路200构成了一种升降压电路结构，其典型的工作波形图如图2D所示，所述升降压电路结构所产生的平均输出电流为Iout＝0.5*Vref1/Rcs。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制电路，如图3A所示，所述恒流控制电路300 的储能电感301为一变压器T1的主级绕组，所述变压器T1次级绕组具有第一端和第二端，其中第一端与一续流二极管202阳极电耦接，所述续流二极管202阴极与输出电容203第一端和负载204第一端电耦接，所述变压器T1次级绕组第二端与所述输出电容203第二端和所述负载204第二端电耦接。所述恒流控制电路300构成了一种反激电路结构，其典型的工作波形图如图3B所示，所述反激电路结构所产生的平均输出电流为Iout＝0.5*Nps*Vref1/Rcs，其中Nps为变压器T1的匝数比。所述反激电路300的恒流原理和所述升降压电路200的恒流原理类似，就不再重复说明。

根据本实用新型一实施例的一种恒流控制装置，包括有如所述的任一种恒流控制电路。虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种恒流控制电路，具有一负载，其特征在于，包括：

一储能电感，具有第一端和第二端，其中第一端与电源输入电压电耦接；

一功率开关，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述储能电感第二端电耦接；

一检测电阻，具有第一端和第二端，其中第一端与所述功率开关输出端电耦接，第二端与地电耦接，所述检测电阻检测流过所述功率开关的电流，产生一电压检测信号；

一临界恒流控制模块，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中输出端与所述功率开关控制端电耦接；

一退磁时间检测模块，与所述临界恒流控制模块第一输入端电耦接，检测所述储能电感退磁结束的时间点，输出一退磁结束信号；

一基准电压调制模块，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端电耦接第一基准电压，第二输入端电耦接所述功率开关控制端信号，输出端输出受到控制信号调制的第二基准电压；

一电流峰值控制模块，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述基准电压调制模块输出端电耦接，接收所述第二基准电压，第二输入端与所述检测电阻第一端电耦接，接收所述电压检测信号，输出端与所述临界恒流控制模块第二输入端电耦接，输出端输出一电流峰值结束信号；

所述临界恒流控制模块基于所述退磁时间检测模块对所述储能电感退磁结束时间点的检测结果和所述电流峰值控制模块对所述储能电感电流峰值的检测结果，控制所述储能电感工作在临界导通模式，在所述功率开关导通时，电源输入电压的能量转移到所述储能电感，在所述功率开关断开时，所述储能电感存储的能量转移到负载。

2.如权利要求1所述的一种恒流控制电路，其特征在于，所述基准电压调制模块，包括：

第一开关，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述第二基准电压电耦接，控制端与一反相器输出端电耦接，所述反相器输入端与所述功率开关控制端信号电耦接；

第二开关，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述第一开关输出端电耦接，控制端与所述功率开关控制端信号电耦接，输出端与地电耦接；

一误差放大器，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述第一基准电压电耦接，第二输入端与一电阻的第一端和一电容的第一端电耦接，所述电阻的第二端与所述第一开关的输出端和所述第二开关的输入端电耦接，所述电容的第二端与所述误差放大器的输出端电耦接。

3.如权利要求2所述的一种恒流控制电路，其特征在于，所述基准电压调制模块，还包括：

一钳位场效应管，具有输入端，输出端和控制端，其中输入端与所述误差放大器的输出端电耦接，输出端与地电耦接，控制端与第三基准电压电耦接；或

一钳位三极管，具有发射极，集电极和基极，其中发射极与所述误差放大器的输出端电耦接，集电极与地电耦接，基极与第三基准电压电耦接；所述钳位场效应管或钳位三极管的作用是让所述第二基准电压受到第三基准电压的控制。

4.如权利要求1所述的一种恒流控制电路，其特征在于，所述电流峰值控制模块，包括：

一比较器，具有第一输入端，第二输入端和输出端，其中第一输入端与所述检测电阻第一端电耦接，接收所述电压检测信号，第二输入端与所述第二基准电压电耦接，输出端输出一电流峰值结束信号。

5.如权利要求1所述的一种恒流控制电路，其特征在于，所述功率开关为NMOS管，所述NMOS管的栅极与所述临界恒流控制模块的输出端电耦接，源极与采样电阻第一端电耦接，漏极与所述储能电感第二端电耦接；或所述功率开关为NPN三极管，所述NPN三极管的基极与所述临界恒流控制模块的输出端电耦接，发射极与采样电阻第一端电耦接，集电极与所述储能电感第二端电耦接。

6.如权利要求1所述的一种恒流控制电路，其特征在于，所述恒流控制电路还包括：

一续流二极管，具有阳极和阴极，其中阳极与所述储能电感第二端和所述功率开关输入端电耦接，阴极与输出电容第一端和负载第一端电耦接，所述输出电容第二端和所述负载第二端与所述储能电感第一端电耦接。

7.如权利要求1所述的一种恒流控制电路，其特征在于，所述恒流控制电路的储能电感为一变压器的主级绕组，所述变压器次级绕组具有第一端和第二端，其中第一端与一续流二极管阳极电耦接，所述续流二极管阴极与输出电容第一端和负载第一端电耦接，所述变压器次级绕组第二端与所述输出电容第二端和所述负载第二端电耦接。

8.一种恒流控制装置，其特征在于，包括有如权利要求1至6任一所述的恒流控制电路。

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