TWI836571B - 恒流開關電源系統及其控制晶片和控制方法 - Google Patents

恒流開關電源系統及其控制晶片和控制方法 Download PDF

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Abstract

提供了一種恒流開關電源系統及其控制晶片和控制方法，該恒流開關電源系統包括電感和功率開關，該控制晶片被配置為：基於表徵電感的退磁情況的退磁檢測信號、用於控制功率開關的導通與關斷的脈寬調變信號、以及調節參考電壓，生成恒流控制參考電壓；基於恒流控制參考電壓和表徵流過電感的電感電流的電流回饋信號，生成用於控制功率開關從導通狀態變為關斷狀態的關斷控制信號；基於退磁檢測信號，生成用於控制功率開關從關斷狀態變為導通狀態的導通控制信號；以及基於關斷控制信號和導通控制信號，生成脈寬調變信號。

Description

恒流開關電源系統及其控制晶片和控制方法
本發明涉及積體電路領域，更具體地涉及一種恒流開關電源系統及其控制晶片和控制方法。
開關電源又稱交換式電源、開關變換器，是電源供應器的一種。開關電源的功能是通過不同形式的架構(例如，返馳(fly-back)架構、降壓(BUCK)架構、或升壓(BOOST)架構等)將一個位準的電壓轉換為使用者端所需要的電壓或電流。
根據本發明實施例的用於恒流開關電源系統的控制晶片，其中，該恒流開關電源系統包括電感和功率開關，該控制晶片被配置為：基於表徵電感的退磁情況的退磁檢測信號、用於控制功率開關的導通與關斷的脈寬調變信號、以及調節參考電壓，生成恒流控制參考電壓；基於恒流控制參考電壓和表徵流過電感的電感電流的電流回饋信號，生成用於控制功率開關從導通狀態變為關斷狀態的關斷控制信號；基於退磁檢測信號，生成用於控制功率開關從關斷狀態變為導通狀態的導通控制信號；以及基於關斷控制信號和導通控制信號，生成脈寬調變信號。
根據本發明實施例的用於恒流開關電源系統的控制方法，其中，該開關電源系統包括電感和功率開關，該控制方法包括：基於表徵電感的退磁情況的退磁檢測信號、用於控制功率開關的導通與關斷的脈寬調變信號、以及調節參考電壓，生成恒流控制參考電壓；基於恒流控制參考電壓和表徵流過電感的電感電流的電流回饋信號，生成用於控制功率開關從導通狀態變為關斷狀態的關斷控制信號；基於退磁檢測信號，生成用於 控制功率開關從關斷狀態變為導通狀態的導通控制信號；以及基於關斷控制信號和導通控制信號，生成脈寬調變信號。
根據本發明實施例的恒流開關電源系統，包括上述控制晶片。
100,600:恒流開關電源系統
102:控制晶片
1022,6022:低壓降穩壓器模組
1024:調光控制模組
1026,6026:退磁檢測模組
1028,6028:恒流控制模組
1030,6030:驅動器模組
402:電壓產生單元
404:誤差放大器
406:位準移位電路
408:比較器
410:關斷時間控制單元
412:RS觸發器
501:放大器
502,503:開關
504:電阻
505,C401:電容
602:控制晶片
BD1:整流器
C1:輸入電容
C2:輸出負載電容
CMP:補償控制信號
CS:電流回饋信號
D1:二極體
Dem:退磁檢測信號
Gate:閘極驅動信號
HV:引腳
IL:電感電流
L1:電感
PWM:脈寬調變信號
PWM_F:關斷控制信號
Q1:功率開關
R1:電流偵測電阻
Tdem:退磁狀態的時段/退磁狀態的持續時間
Ton:導通狀態的時段/導通狀態的持續時間
Vdim:調節參考電壓
VIN:線電壓
Vref:預定參考電壓
Vref_cc:恒流控制參考電壓
從下面結合圖式對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明，其中：
圖1示出了根據本發明實施例的用於可調光發光二極體(Light Emitting Diode,LED)照明的恒流開關電源系統的示例電路圖。
圖2示出了圖1所示的恒流開關電源系統中的多個信號的工作波形圖。
圖3示出了圖1所示的恒流開關電源系統中的多個信號的工作波形圖。
圖4示出了圖1所示的恒流控制模組的示例電路圖。
圖5是圖4所示的參考電壓產生單元的示例電路圖。
圖6示出了根據本發明實施例的用於非調光LED照明的恒流開關電源系統的示例電路圖。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在圖式和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
近年來，發光二極體(LED)由於相對於傳統白熾燈、鹵素燈、或螢光燈等照明產品具有壽命長、成本低、和體積小等特點，被廣泛應用在社會生產生活的各個方面，LED自身的亮度主要受流過LED的電流控制，因此高精度的恒流控制是設計用於LED照明的恒流開關電源系統的 關鍵。
圖1示出了根據本發明實施例的用於可調光LED照明的恒流開關電源系統100的示例電路圖。如圖1所示，恒流開關電源系統100採用BUCK架構，主要包括整流器BD1、輸入電容C1、二極體D1、電感L1、輸出負載電容C2、功率開關Q1、電流偵測電阻R1、以及控制晶片102，其中：線電壓VIN經由控制晶片102的HV引腳為控制晶片102供電；控制晶片102基於用於調節LED的發光亮度的調光控制信號DIM和表徵流過電感L1的電感電流IL(圖中未示出)的電流回饋信號CS，輸出用於驅動功率開關Q1的導通和關斷的閘極驅動信號Gate。
如圖1所示，控制晶片102包括低壓降穩壓器(Low dropout regulator,LDO)模組1022、調光控制模組1024、退磁檢測模組1026、恒流控制模組1028、以及驅動器模組1030，其中：低壓降穩壓器模組1022基於線電壓VIN為控制晶片102的內部電路供電；調光控制模組1024基於調光控制信號DIM和預定參考電壓Vref，生成調節參考電壓Vdim並將調節參考電壓Vdim輸出到恒流控制模組1028；退磁檢測模組1026基於閘極驅動信號Gate，生成表徵電感L1的退磁情況的退磁檢測信號Dem並將退磁檢測信號Dem輸出到恒流控制模組1028(應該理解的是，退磁檢測模組1026檢測電感L1的退磁情況的方式不限於此，退磁檢測模組1026也可以基於經由晶片引腳從外部接收退磁檢測相關信號來生成退磁檢測信號Dem)；恒流控制模組1028基於調節參考電壓Vdim、退磁檢測信號Dem、以及電流回饋信號CS，生成用於控制功率開關Q1的導通與關斷的脈寬調變信號PWM並將脈寬調變信號PWM輸出到驅動器模組1030；驅動器模組1030基於脈寬調變信號PWM，生成閘極驅動信號Gate並將閘極驅動信號Gate輸出到功率開關Q1的閘極。這裡，調光控制信號DIM可以是直流電壓信號也可以是脈寬調變脈衝信號；退磁檢測信號Dem參與系統恒流控制，同時控制恒流開關電源系統100工作在斷續導通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)或準諧振(Quasi-Resonant,QR)模式；電流回饋 信號CS用於實現恒流開關電源系統100的閉環恒流控制。
在圖1所示的恒流開關電源系統100中，由於採用了共地的BUCK架構，電流偵測電阻R1在功率開關Q1處於關斷狀態期間無法檢測流過電感L1的電感電流IL。圖2示出了圖1所示的恒流開關電源系統100中的多個信號的工作波形圖，其中，Gate表示用於驅動功率開關Q1的導通和關斷的閘極驅動信號，IL表示流過電感L1的電感電流，CS表示表徵流過電感L1的電感電流IL的電流回饋信號(即，電流偵測電阻R1上的電壓)。如圖2所示，在功率開關Q1處於關斷狀態期間，電流回饋信號CS為0V。
在圖1所示的恒流開關電源系統100中，恒流控制模組1028可以基於功率開關Q1從導通狀態變為關斷狀態之前的電流回饋信號CS的峰值電壓和電感L1的退磁時間進行運算來實現系統恒流控制，但是控制晶片102的實際電路在電流回饋信號CS的峰值電壓採樣和信號運算處理過程中都會產生一定量的誤差，特別是採用調節參考電壓Vdim進行類比方式調光時，用於實現LED低亮度照明的電流回饋信號CS的峰值電壓較低，容易受控制晶片102的內部電路的輸入失調電壓影響，導致恒流控制誤差進一步變大，進一步影響恒流精度。
圖3示出了圖1所示的恒流開關電源系統100中的多個信號的工作波形圖，其中，Gate表示用於驅動功率開關Q1的導通和關斷的閘極驅動信號，Dem表示表徵電感L1的退磁情況的退磁檢測信號，IL表示流過電感L1的電感電流，CS表示表徵流過電感L1的電感電流IL的電流回饋信號(即，電流偵測電阻R1上的電壓)。
在圖1所示的恒流開關電源系統100中，恒流開關電源系統100的系統輸出電流Iout是在功率開關Q1的一個開關週期內流過電感L1的電感電流IL的平均值。如圖3所示，假設流過電感L1的電感電流IL在功率開關Q1處於導通狀態的時段Ton內的總電流為S1、在電感L1處於退磁狀態的時段Tdem內的總電流為S2，則恒流開關電源系統100的系統輸 出電流Iout滿足下面的關係(等式1)，其中，t是功率開關Q1的一個開關週期。
Figure 111132128-A0101-12-0005-1
根據圖3可知，圖1所示的恒流開關電源系統100工作在斷續工作模式(DCM)或準諧振臨界模式(QR)，在功率開關Q1的每個開關週期內流過電感L1的電感電流IL都是從0A開始增加，相應的S1和S2也可以看作流過電感L1的電感電流IL的三角形波形面積的積分，由此得到在功率開關Q1處於導通狀態的時段Ton內流過電感L1的電感電流IL的總電流S1和在電感L1處於退磁狀態的時段Tdem內流過電感L1的電感電流IL的總電流S2的關係滿足等式2，
Figure 111132128-A0101-12-0005-2
將等式2代入到等式1，可以得到等式3，
Figure 111132128-A0101-12-0005-3
根據等式3可知，如果在功率開關Q1的整個開關週期內對電流回饋信號CS進行積分，其積分結果為S1/(Ton+Toff)，這個積分結果和系統輸出電流Iout的比值為Ton/(Ton+Tdem)，在恒流開關電源系統100中只要將積分放大器的恒流控制參考電壓Vref_cc與調節參考電壓Vdim之間做等式4變換即可得到系統輸出電流Iout(等式5)。
Figure 111132128-A0101-12-0005-5
在等式5中，Iout是恒流開關電源系統100的系統輸出電流，Rcs是電流偵測電阻R1的電阻值。
Figure 111132128-A0101-12-0005-7
基於上述考慮，提出了用於恒流控制模組1028的恒流控制 方法及其具體實施電路，其中，不需要對電流回饋信號CS的峰值電壓進行採樣，從而避免了信號採樣產生的誤差，並且通過等效電路簡化信號運算過程進一步減少了電路誤差，提高了恒流控制精度。
在一些實施例中，恒流控制模組1028可以被配置為：基於表徵電感L1的退磁情況的退磁檢測信號Dem、用於控制功率開關Q1的導通與關斷的脈寬調變信號PWM、以及調節參考電壓Vdim，生成恒流控制參考電壓Vref_cc；基於恒流控制參考電壓Vref_cc和表徵流過電感L1的電感電流IL的電流回饋信號CS，生成用於控制功率開關Q1從導通狀態變為關斷狀態的關斷控制信號；基於退磁檢測信號Dem，生成用於控制功率開關Q1從關斷狀態變為導通狀態的導通控制信號；以及基於關斷控制信號和導通控制信號，生成脈寬調變信號PWM。
在一些實施例中，恒流控制模組1028可以進一步被配置為：通過對恒流控制參考電壓Vref_cc與電流回饋信號CS進行誤差放大，生成誤差表徵信號；通過在功率開關Q1的一個完整開關週期內對誤差表徵信號進行積分，生成補償控制信號；通過將補償控制信號與電流回饋信號CS進行比較，生成關斷控制信號。
在一些實施例中，恒流控制模組1028可以進一步被配置為：在將補償控制信號與電流回饋信號CS進行比較之前，對補償控制信號進行位準移位。
在一些實施例中，恒流控制參考電壓Vref_cc與調節參考電壓Vdim成比例。例如，恒流控制參考電壓Vref_cc與調節參考電壓Vdim之間的比值等於功率開關Q1處於導通狀態的持續時間Ton與以下時間和之間的比值，該時間和是功率開關Q1處於導通狀態的持續時間Ton和電感L1處於退磁狀態的持續時間Tdem之和。
在一些實施例中，恒流控制模組1028可以進一步被配置為：通過利用脈寬調變信號PWM和退磁檢測信號Dem對調節參考電壓Vdim進行斬波處理，生成經斬波參考電壓；通過對經斬波參考電壓進行低通濾 波，生成恒流控制參考電壓Vref_cc。
圖4示出了圖1所示的恒流控制模組1028的示例電路圖。如圖4所示，恒流控制模組1028包括參考電壓產生單元402、誤差放大器404、位準移位電路406、比較器408、關斷時間控制單元410、以及RS觸發器412，其中：參考電壓產生單元402基於調節參考電壓Vdim、脈寬調變信號PWM、和退磁檢測信號Dem，按照等式4進行運算並輸出恒流控制參考電壓Vref_cc；誤差放大器對電流回饋信號CS和恒流控制參考電壓Vref_cc進行誤差放大，以生成誤差表徵信號；電容C401在功率開關Q1的一個開關週期(Ton+Toff)內對誤差表徵信號進行積分運算，以生成補償控制信號CMP；位準移位電路406對補償控制信號CMP進行位準移位，以調節補償控制信號CMP的動態範圍；比較器408對經位準移位的補償控制信號CMP和電流回饋信號CS進行電壓比較，以生成關斷控制信號PWM_F；關斷控制信號PWM_F被耦接在RS觸發器412的輸入端，用於控制RS觸發器412輸出的脈寬調變信號PWM從邏輯1位準變化到邏輯0位準；關斷時間控制單元410基於退磁檢測信號Dem生成導通控制信號PWM_R；導通控制信號PWM_R被耦接在RS觸發器412的另一輸入端，用於控制RS觸發器412輸出的脈寬調變信號PWM從邏輯0位準變化到邏輯1位準。結合圖1可知，脈寬調變信號PWM經過驅動器模組1030驅動後控制功率開關Q1的導通與關斷，當脈寬調變信號PWM為邏輯1位準時功率開關Q1處於導通狀態，當脈寬調變信號PWM為邏輯0位準時功率開關Q1處於關斷狀態。圖1所示的恒流開關電源系統100通過恒流控制模組1022的控制並結合其他電路和週邊器件可使系統輸出電流Iout按照等式5進行精確調節。
圖5是圖4所示的參考電壓產生單元402的示例電路圖。如圖5所示，參考電壓產生單元402包括放大器501、開關502和503、電阻504、以及電容505，其中：放大器501的正向輸入端與調節參考電壓Vdim連接，負向輸入端和輸出端連接並構成緩衝器結構，放大器501的輸出與 開關502連接；開關502一端連接放大器501的輸出，另一端連接開關503和電阻504，開關502的控制信號是脈寬調變信號PWM，當脈寬調變信號PWM為邏輯1位準時，開關502處於導通狀態，當脈寬調變信號PWM為邏輯0位準時，開關502處於關斷狀態；開關503一端與開關502和電阻504連接，另一端與地連接，開關503的控制信號是退磁檢測信號Dem，當退磁檢測信號Dem信號為邏輯1位準時，開關503處於導通狀態，當退磁檢測信號Dem為邏輯0位準時，開關503處於關斷狀態；電阻504一端連接開關502和503，另一端連接電容505和恒流控制參考電壓Vref_cc；電容505一端連接電阻504和恒流控制參考電壓Vref_cc，另一端與地連接。在參考電壓產生單元402中，調節參考電壓Vdim經過由放大器501組成的緩衝器後被耦接在開關502一端，通過脈寬調變信號PWM和退磁檢測信號Dem控制開關502和503的導通與關斷實現對調節參考電壓Vdim的斬波處理，電阻504和電容505共同構成低通濾波器將經斬波參考電壓Vchop過濾成直流信號，即恒流控制參考電壓Vref_cc，從而實現等式2的電路運算。
需要說明的是，以上所述的恒流控制方法和電路實現並不局限於圖1所示的恒流開關電源系統100，對用於非調光LED照明的恒流開關電源系統同樣適用，只需要將控制晶片內部的調節參考電壓Vdim替換成預定參考電壓Vref即可。
圖6示出了根據本發明另一實施例的恒流開關電源系統600的示例電路圖。如圖6所示，用於恒流開關電源系統600的控制晶片602包括低壓降穩壓器(LDO)模組6022、退磁檢測模組6026、恒流控制模組6028、以及驅動器模組6030(而不包括調光控制模組)，其中：恒流控制模組6028基於預定參考電壓Vref(即，預定參考電壓Vref被用作調節參考電壓Vdim)、退磁檢測信號Dem、以及電流回饋信號CS，生成用於控制功率開關Q1的導通與關斷的脈寬調變信號PWM並將脈寬調變信號PWM輸出到驅動器模組6030，恒流開關電源系統600的其他模組以及恒 流控制模組6028的具體實現與恒流開關電源系統100中的對應部分類似因此不再贅述。
綜上所述，根據本發明實施例的用於恒流開關電源系統的控制晶片和控制方法，不需要對電流回饋信號CS的峰值電壓進行採樣，從而避免了信號採樣產生的誤差，並且通過等效電路簡化信號運算過程進一步減少了電路誤差，提高了恒流控制精度。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附請求項而非上述描述定義，並且，落入請求項的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的範圍之中。
100:恒流開關電源系統
102:控制晶片
1024:調光控制模組
1028:恒流控制模組
BD1:整流器
C1:輸入電容
C2:輸出負載電容
CS:電流回饋信號
D1:二極體
Dem:退磁檢測信號
HV:引腳
L1:電感
PWM:脈寬調變信號
Q1:功率開關
R1:電流偵測電阻
Vdim:調節參考電壓
VIN:線電壓
Vref:預定參考電壓

Claims (17)

  1. 一種用於恒流開關電源系統的控制晶片，其中，所述恒流開關電源系統包括電感和功率開關，所述控制晶片被配置為：
    基於表徵所述電感的退磁情況的退磁檢測信號、用於控制所述功率開關的導通與關斷的脈寬調變信號、以及調節參考電壓，生成恒流控制參考電壓；
    基於所述恒流控制參考電壓和表徵流過所述電感的電感電流的電流回饋信號，生成用於控制所述功率開關從導通狀態變為關斷狀態的關斷控制信號；
    基於所述退磁檢測信號，生成用於控制所述功率開關從關斷狀態變為導通狀態的導通控制信號；以及
    基於所述關斷控制信號和所述導通控制信號，生成所述脈寬調變信號。
  2. 如請求項1所述的控制晶片，其中，所述控制晶片進一步被配置為：
    通過對所述恒流控制參考電壓與所述電流回饋信號進行誤差放大，生成誤差表徵信號；
    通過在所述功率開關的一個完整開關週期內對所述誤差表徵信號進行積分，生成補償控制信號；
    通過將所述補償控制信號與所述電流回饋信號進行比較，生成所述關斷控制信號。
  3. 如請求項2所述的控制晶片，其中，所述控制晶片進一步被配置為：
    在將所述補償控制信號與所述電流回饋信號進行比較之前，對所述補償控制信號進行位準移位。
  4. 如請求項1所述的控制晶片，其中，所述恒流控制參考電壓與所述調節參考電壓成比例。
  5. 如請求項4所述的控制晶片，其中，所述恒流控制參考電壓與所述調節參考電壓之間的比值等於所述功率開關處於導通狀態的持續時間與以下時間和之間的比值，所述時間和是所述功率開關處於導通狀態的持續時間和所述電感處於退磁狀態的持續時間之和。
  6. 如請求項1所述的控制晶片，其中，所述控制晶片進一步被配置為：
    通過利用所述脈寬調變信號和所述退磁檢測信號對所述調節參考電壓進行斬波處理，生成經斬波參考電壓；
    通過對所述經斬波參考電壓進行低通濾波，生成所述恒流控制參考電壓。
  7. 如請求項1所述的控制晶片，其中，所述控制晶片進一步被配置為：
    基於用於調節發光二極體的發光亮度的調光控制信號和預定參考電壓，生成所述調節參考電壓。
  8. 如請求項1所述的控制晶片，其中，所述調節參考電壓是預定參考電壓。
  9. 一種用於恒流開關電源系統的控制方法，其中，所述恒流開關電源系統包括電感和功率開關，所述控制方法包括：
    基於表徵所述電感的退磁情況的退磁檢測信號、用於控制所述功率開關的導通與關斷的脈寬調變信號、以及調節參考電壓，生成恒流控制參考電壓；
    基於所述恒流控制參考電壓和表徵流過所述電感的電感電流的電流回饋信號，生成用於控制所述功率開關從導通狀態變為關斷狀態的關斷控制信號；
    基於所述退磁檢測信號，生成用於控制所述功率開關從關斷狀態變為導通狀態的導通控制信號；以及
    基於所述關斷控制信號和所述導通控制信號，生成所述脈寬調變信號。
  10. 如請求項9所述的控制方法，其中，生成所述關斷控制信號的處理包括：
    通過對所述恒流控制參考電壓與所述電流回饋信號進行誤差放大，生成誤差表徵信號；
    通過在所述功率開關的一個完整開關週期內對所述誤差表徵信號進行積分，生成補償控制信號；
    通過將所述補償控制信號與所述電流回饋信號進行比較，生成所述關斷控制信號。
  11. 如請求項10所述的控制方法，其中，生成所述關斷控制信號的處理還包括：
    在將所述補償控制信號與所述電流回饋信號進行比較之前，對所述補償控制信號進行位準移位。
  12. 如請求項9所述的控制方法，其中，所述恒流控制參考電壓與所述調節參考電壓成比例。
  13. 如請求項12所述的控制方法，其中，所述恒流控制參考電壓與所述調節參考電壓之間的比值等於所述功率開關處於導通狀態的持續時間與以下時間和之間的比值，所述時間和是所述功率開關處於導通狀態的持續時間和所述電感處於退磁狀態的持續時間之和。
  14. 如請求項9所述的控制方法，其中，生成所述恒流控制參考電壓的處理包括：
    通過利用所述脈寬調變信號和所述退磁檢測信號對所述調節參考電壓進行斬波，生成經斬波參考電壓；以及
    通過對所述經斬波參考電壓進行低通濾波，生成所述恒流控制參考電壓。
  15. 如請求項9所述的控制方法，還包括：
    基於用於調節發光二極體的發光亮度的調光控制信號和預定參考電壓，生成所述調節參考電壓。
  16. 如請求項9所述的控制方法，其中，所述調節參考電壓是預定參考電壓。
  17. 一種恒流開關電源系統，包括請求項1至9中任一項所述的用於恒流開關電源系統的控制晶片。
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