开关电源的控制器以及开关电源的制作方法与工艺

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种开关电源控制器以及开关电源。

背景技术：
带可控硅调光器的开关电源由于具有体积小、价格合理和调光功率范围宽的优点，被广泛应用与舞台照明和环境照明领域，以驱动如LED灯串等光电器件的亮度。可控硅调光器一般可分为前沿调光器和后沿调光器，这两种调光器分别将输入至开关电源的市电进行前沿与后沿斩波以调节输入电压的有效值，最终实现调光的目的。然后，由于可控硅的发明时间远早于LED灯串的发明时间，在当初设计可控硅时并未考虑到为LED的特性而进行相应的设计。因此，现有的这种带可控硅调光器的开关电源在驱动小功率的LED时，会面临以下问题。前沿调光器一般有一个维持电流特性(一般在25mA到30mA左右)，当输入电流(即开关电源的输入电流)小于维持电流Iref-hold时，前沿调光器就会关断。只有输入电流重新大于维持电流时才会再度开通。由此可以得出在调光全角度下220V输入时，最少需要6W左右的功率才能保证一直有30mA以上的输入电流。这会给6W以下的LED应用提出极大的挑战。后沿调光器虽然没有维持电流特性，但是如果调光器关断以后，没有足够大的功率将开关电源的输入电容上的电压消耗，使得输入电容上的电压下降缓慢，这不仅会对后沿的相角检测带来困难，还可能使得后沿调光器丢失整个周期。为了解决上述问题，现有技术中通常采用固定导通时间和最低峰值电流混合控制模式来控制开关电源，从而可保证输入值均在其可控硅调光器的维持电流之上。然而，这种混合控制模式仍然无法实现前沿调光时的最小功率设计，且输入电压的线性调整率较差，同时输入由于这种混合控制模式下的输入电流的波形过于不规则，使得开关电源的PF性能较差。

技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种开关电源的控制器以及开关电源，以降低开关电源的最低功率应用门槛、提高了输入电压线性调整率、提高开关电源的PF性能以及使所述控制器的外围电路参数设计更加趋于简化。一种开关电源的控制器，其特征在于，包括：输入电流采样电路，用于采样所述开关电源的输入电流，以产生第一采样信号，第一误差补偿电路，用于根据所述第一采样信号产生表征所述输入电流与预定值电流之间误差的第一误差补偿信号，所述第一误差补偿信号用于控制所述开关电源的功率级电路中的主功率管的开关状态，以控制所述输入电流的值维持为所述预定值电流的值。优选地，所述的控制器还包输入采样引脚，所述输入电流由所述功率级电路流向所所述控制器的接地引脚后，再经过所述输入电流采样电路，最后通过所述输入采样引脚流向所述开关电源的整流桥的负端。优选地，所述接地引脚与所述功率级电路的参考地端相连，并通过所述输入电流采样电路与所述输入采样引脚相连，所述输入采样引脚与所述整流桥的负端相连。优选地，所述第一误差补偿电路包括：反向电路，用于将所述第一采样信号的极性取反，以输出第二采样信号，第一误差放大器，同相端接收表征所述预定值电流的第一表征信号，反向端接收所述第二采样信号，输出端与第一补偿电路相连并输出所述第一误差补偿信号。优选地，所述的控制器还包括：输出电流反馈电路，用于产生所述开关电源的输出电流的反馈信号，第二误差补偿电路，用于产生所述反馈信号与输出参考信号之间误差的第二误差补偿信号，选择电路，用于选择所述第一误差补偿信号与第二误差补偿信号之间的较大者作为补偿控制信号，开关信号产生电路，用于根据所述补偿控制信号产生所述主功率管的开关控制信号，使得所述补偿控制信号的值越大，所述功率级电路的输出功率越大。优选地，所述开关电源为带可控硅调光器的调光驱动电路，所述第二误差补偿电路包括：相角检测电路，用于检测输入至所述功率级电路的缺相直流输入电压的导通相角，以产生相角检测信号，参考产生电路，用于根据所述相角检测信号产生所述输出参考信号，使得当所述导通相角大于阈值相角时，所述输出参考信号的值为预设值，当所述导通相角小于所述阈值相角时，所述输出参考信号随所述导通相角的增大而增大，第二误差放大器，同相端接收所述输出参考信号，反向端接收所述输出反馈信号，输出端与第二补偿电路相连并输出所述第二误差补偿信号。优选地，所述输出电流反馈电路包括：电感电流采样电路，用于采样流过所述主功率管的电感电流，并输出第三采样信号，反馈生成电路，根据所述第三采样信号获取所述电感电流的峰值，并根据所述峰值生成所述反馈信号。优选地，所述的控制器还包括电感电流采样引脚，所述第三采样信号通过所述电感电流采样引脚分别输入至所述反馈生成电路和所述相角检测电路，所述相角检测电路根据所述第三采样信号产生所述相角检测信号。优选地，所述的控制器还包括补偿引脚，所述第二误差放大器的输出端通过所述补偿引脚与所述第二补偿电路相连。优选地，所述开关信号产生电路包括：导通时间产生电路，用于根据所述补偿控制信号产生控制所述主功率管导通时间的导通时间控制信号，逻辑电路，用于根据所述导通时间控制信号产生用于控制所述主功率管开关状态的脉宽调制信号，开关驱动电路，用于根据所述脉宽调制信号产生所述开关控制信号，使得所述补偿控制信号的值越大，所述主功率管的导通时间越长。优选地，所述的控制器还包括：开关端子引脚，与所述主功率管的电流输入端相连，供电引脚，与所述控制器的供电电路相连，为所述控制器提供供电电压。一种开关电源，包括上述任意一项所述的控制器。由上可见，依据本发明实施例提供的开关电源的控制器，增加了输入电流采样电路，并将输入电流引入开关电源的控制环路形成输入最低限制环路，使得开关电源在工作过程中的输入电流维持为预定值电流，从而既可保证可控硅调光器的正常工作，又可满足负载功率的最低化设计。此外，所述控制器综合输入最低限制环路与恒定导通控制环路来控制所述开关电源，使得开关电源在满足功率最小化设计时，还具有较高的PF性能，且使得开关电源的外围器件的参数设计趋于简单化。附图说明通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：图1为依据本发明实施例的开关电源的结构示意图；图2为图1中的控制集成芯片2的电路结构示意图；图3为依据本发明实施例的前沿调光开关电源的工作波形图；图4为依据本发明实施例的后沿调光开关电源的工作波形图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1为依据本发明实施例的开关电源的结构示意图。开关电源主要包括功率级电路和控制器两部分，而控制器可由控制集成芯片和位于该集成芯片的外围电路构成。如图1所示，开关电源的功率级电路1包括电感Lo、整流器件Do、输出电容Co以及集成在所述控制器的控制集成芯片2中的主功率管(图1中未画出)构成。在其它实施例中，所述主功率管也可以位于集成控制芯片2的外围。功率级电路1的功率拓扑类型在本实施例中为非隔离式的Buck-Boost(降压-升压)型，然而在其它实施例中，功率级电路1的功率拓扑类型也可以为隔离式的Buck-Boost型，隔离或非隔离式的Buck(降压)型、Boost(升压)型以及Flyback(反激式)型。在本实施例中，开关电源为带可控硅调光器3的调光驱动电路，用于驱动LED灯串并调节LED灯串的亮度。此外，如图1所示，开关电源还进一步包括整流桥4、滤波电路5以及供电电路6。滤波电路5包括电容Ca、电感La、电容Cb、电阻Ra以及电容Cc，这些器件的连接方式图1所示。供电电路6包括依次连接在输入端和参考地端的Rb与Cd构成，Cd上的电压用于给控制集成芯片2供电。交流市电依次见过可控硅调光器3、整流桥4、滤波电路5后形成缺相的直流输入电压VBUS，以作为功率级电路2的输入电压。整流桥4的负端(与其电流输出端相反的一端)通过控制集成芯片2与功率级电路的参考地端相连。图2为图1中的控制集成芯片2的电路结构示意图。参考图2所示，控制集成芯片2包括输入采样电路21和第一误差补偿电路22。输入电流采样电路21用于采样所述开关电源的输入电流IIBUS，以产生第一采样信号VIBUS1。第一误差补偿电路22用于根据第一采样信号VIBUS1产生表征输入电流IIBUS与预定值电流之间误差的第一误差补偿信号VC。第一误差补偿信号VC功率级电路中的主功率管Q的开关状态，以控制输入电流IIBUS维持为所述预定值电流的值。如图2所示，主功率管Q集成在控制集成芯片2的内部，其电流输入端(与电感Lo相连的一端)与控制集成芯片2的开关端子SW引脚相连。控制集成芯片2还包输入采样引脚IBUS，输入电流IIBUS由功率级电路1流向控制集成芯片2的接地引脚GND后，再经过输入电流采样电路21，使得输入电流采样电路21实现了对输入电流IIBUS的采样，最后通过输入采样引脚IBUS流向图1中的整流桥4的负端(与整流桥4的电流输出端相反的一端)。即输入电流IIBUS接地引脚GND流进控制集成芯片2中，最终通过输入采样引脚IBUS流出控制集成芯片2。具体的，如图1与图2所示，接地引脚GND与功率级电路1的参考地端gnd相连，并通过输入采样电路21连接到输入采样引脚IBUS，而输入采样引脚IBUS则与整流桥4的负端相连。因此，则整流桥4、电感La、功率级电路1、接地引脚GND、输入电流采样电路21以及输入采样引脚IBUS形成一个回路，该回路中流过的电流就为输入电流IIBUS。因此，在本发明中，整流桥的负端不是像现有技术那样与功率级电路1的参考地端gnd相连，而是通过控制集成芯片2连接到参考地端gnd，即在本发明中，整流桥负端的电压与参考地端gnd之间的电压差的绝对值输入采样电路21上的压降。参考图2所示，第一误差补偿电路22具体包括反向电路221、第一误差放大器222以及第一补偿电路223构成。由于第一采样信号VIBUS1为负的电压，为了便于比较，需要用反向电路221将第一采样信号VIBUS1的极性取反，并输出正值的第二采样信号VIBUS2，第二采样信号VIBUS2与第一采样信号VIBUS1的绝对值相等。反向电路221具体可以为反向器-K。第一误差放大器222可以为跨导放大器GM1，其同相端接收表征所述预定值电流的第一表征信号Vref_hold，反向端接收第二采样信号VIBUS2，输出端与第一补偿电路223相连并输出第一误差补偿信号VC。所述预定值电流可等于或者稍微大于可控硅调光器3的维持电流Iref_hold，第一表征信号Vref_hold与维持电流Iref_hold成第一比例，第二VIBUS2与输入电流IIBUS成第二比例，第一比例与第二比例为相同的比例。第一补偿电路223可以为补偿电容Cf，补偿电容Cf连接在参考地与夸导放大器GM1的输出端。则当输入电流IIBUS小于所述预定值电流时，夸导放大器输出的夸导电流使得补偿电容Cf上的电压增加，即第一误差补偿信号VC增加，并控制主功率管Q进行开关动作，使得输入电流IIBUS增加，最终控制输入电流IIBUS的值维持为所述预定值电流的值。开关电源的控制器还包括输出电流反馈电路，其用于产生开关电源的输出电流的反馈信号。所述输出电流反馈电路可以位于控制集成芯片2外围，也可以集成在控制集成芯片2的内部，或者部分集成在控制集成芯片2的内部。在本实施例中，输出电流反馈电路包括如图1中所示的电感电流采样电路8(位于控制集成芯片2的外围)和如图2中所示的反馈生成电路23(集成在控制集成芯片2中)。电感电流采样电路8，用于采样流过所述主功率管的电感电流，并输出第三采样信号。反馈生成电路23根据所述第三采样信号获取所述电感电流的峰值，并根据所述峰值生成反馈信号VIO-FB。其中，电感电流采样电路可以由采样电阻RS构成，其连接在参考地端gnd与所述主功率管的的电流输出端之间，以在所述主功率管导通时，采样电感电流。电感电流采样电路8与主功率管相连的一端的电压为所述第三采样信号。控制集成芯片2还包括电感电流采样引脚ISEN，第三采样信号VS通过电感电流采样引脚ISEN输入至反馈生成电路23。此外，如图2所示，开关电源的控制器还包括第二误差补偿电路24、选择电路25以及开关信号产生电路26。其中，第二误差补偿电路24用于产生反馈信号VIO-FB与输出参考信号VIO-REF之间误差的第二误差补偿信号VCOMP，选择电路25用于选择第一误差补偿信号VC与第二误差补偿信号VCOMP之间的较大者作为补偿控制信号VT，开关信号产生电路26用于根据补偿控制信号VT产生主功率管Q的开关控制信号VG，使得补偿控制信号VT的值越大，主功率级电路1的输出功率越大。例如，补偿控制信号VT可以用于控制电感电流的峰值，使得补偿控制信号VT的值越大，电感电流的峰值也越大，从而使得功率级电路1的输出功率增加，或者补偿控制信号VT还可以用于控制主功率管Q的导通时间，使得补偿控制信号VT的值越大，主功率管Q的导通时间越长，从而使得功率级电路1的输出功率增加。其中，主功率管Q的导通时间是指每个开关周期(主功率管的开关周期)中，主功率管Q的导通时间。由于本实施例中的开关电源为带可控硅调光器的调光驱动电路，则第二误差补偿电路24又可包括相角检测电路241、参考产生电流242以及第二误差放大器243。相角检测电路241用于检测输入至功率级电路1的缺相直流输入电压VBUS的导通相角，以产生相角检测信号Vangle，参考产生电路242用于根据相角检测信号Vangle产生输出参考信号VIO-REF，使得当所述导通相角大于阈值相角(设计是预定的参考值)时，输出参考信号VIO-REF的值为预设值，当所述导通相角小于所述阈值相角时，输出参考信号VIO-REF随所述导通相角的增大而增大。第二误差放大器243的同相端接收输出参考信号VIO-REF，反向端接收输出反馈信号VIO-FB，输出端与第二补偿电路相连并输出第二误差补偿信号VCOMP。如图1所示，在本实施例中，第二补偿电路7位于控制集成芯片2的外围，其可由补偿电容Ce构成。在本实施例中，所述控制器还包括补偿引脚COMP，则第二误差放大器243的输出端通过补偿引脚COMP与第二补偿电路7相连。当VIO-FB小于输出参考信号VIO-REF时，且第二误差补偿信号VCOMP大于第一误差补偿信号VC时，以第二误差补偿信号VCOMP作为补偿控制信号VT，当VIO-FB的值比输出参考信号VIO-REF的值小得越多，补偿控制信号VT越大，则可控制功率级电路1的输出功率越大，如通过增加主功率管Q的导通时间，或者增加电感电流的峰值来增加输出功率，当VIO-FB的值慢慢升到VIO-REF的值，从而控制开关电源的输出电流维持为设定的值。在本实施例中，相角检测电路241可以根据第三采样信号VS产生相角检测信号Vangle，则第三检测信号VS还也可以通过电感电流检测引脚ISEN传输至相角检测电路中，即电感电流检测引脚ISEN可复用为相角检测引脚，替控制集成芯片2节约了一个引脚。在其它实施例中，相角检测电路241还可通过采样输入电压VBUS来获取相角检测信号Vangle。在带可控硅调光器的开关电源中，输出参考信号VIO-REF可通过本实施例的方式产生，而在不带可控硅调光器的开关电源中，输出参考信号VIO-REF可直接设置为一预设的固定值。开关信号产生电路26包括导通时间产生电路261、逻辑电路262以及开关驱动电路263。导通时间产生电路261用于根据补偿控制信号VT产生控制主功率管Q导通时间的导通时间控制信号VTON，及导通时间控制信号VTON表征主功率管Q的导通时间。导通时间261可以包括充电电路、充电电容和比较电路构成，当主功率管Q开始导通时，所述充电电路开始给所述充电电容充电，所述比较电路用于比较所述充电电容上的电压与控制补偿信号VT的大小，当所述充电电容上的电压大于控制补偿电压VT时，导通时间控制信号VTON发生跳变，并指示主功率管Q关断。由此可见，控制补偿信号VT越大，主功率管Q的导通时间也越长。逻辑电路262根据导通时间控制信号VTON产生用于控制主功率管Q开关状态的脉宽调制信号VPWM，而开关驱动电路263根据脉宽调制信号VPWM产生直接控制主功率管Q导通与关断状态的开关控制信号VG，即主功率管Q的驱动控制信号。图3为依据本发明实施例的前沿调光开关电源的工作波形图，图4为依据本发明实施例的后沿调光开关电源的工作波形图，下面结合图1、图2、3及图4来具体阐述依据本发明实施例的开关电源的控制原理。输入电流采样电路21、第一误差补偿电路22及开关信号产生电路26构成第一控制环路，电感电流采样电路8、反馈生成电路23、第二误差补偿电路24以及开关信号产生电路26构成第二控制环路。当第一误差补偿信号VC大于第二误差补偿信号VCOMP时，由第一控制环路控制主功率管Q，以控制输入电流IIBUS维持为可控硅的维持电流Iref_hold的值或稍微大于可控硅的维持电流Iref_hold，使得开关电源的输入电流能满足可控硅维持导通的最低电流，又可满足最低负载功率的设计，因此，第一控制环路实则输入最低限制环路。当第一误差补偿信号VC小于第二误差补偿信号VCOMP时，由第二控制环路控制主功率管Q，由于第二补偿电路7中的补偿电容Ce的容值非常大，因此第二误差补偿信号VCOMP在开关电源的半工频周期中基本保持不变，则在第二环路控制下，主功率管Q几乎处于恒定导通时间工作模式，有利于提高开关电源的PF性能，因此，第二控制环路实则恒定导通控制环路。具体的在图3与图4中，t0至t1之间的实线、t1至t2之间的虚线以及t2至t3之间的实线构成了只有在所述第一控制环路控制下的输入电流IIBUS的曲线，由此可见，不管是在图3所示的前沿调光中还是图4所示的后沿调光中，输入电流IIBUS的曲线大部分时间都是维持为可控硅的维持电流Iref_hold。此外，在图3与图4中，t0至t1之间的点划线、t1至t2之间的实线以及t2至t3之间的点划线构成了只有在所述第二控制环路控制下的输入电流IIBUS的曲线，由此可见，在只有第二控制环路控制下，开关电源的输入电流IIBUS曲线几乎完全跟随输入电压VBUS的变化，具有非常高的PF性能。本发明实施例提供的开关电源的控制器，采用了上述第一控制环路和第二控制环路的混合控制方式对开关电源进行控制，选择误差补偿信号值较大者作为控制补偿信号VT(图3与图4示出了其波形图)控制主功率管，从而使得开关电源的输入电流在前沿调光中如图3中第二个坐标中实线所示，在后沿调光中如图4中第二个坐标中实线所示。由此，可见，依据本发明实施例的开关电源的输入电流的电流波形失真小，PF性能高，且能满足功率最小化设计。且由图1可以看出，依据本发明提供的开关电源的控制器只需要增加一个输入电流采样引脚即可，无需额外的增加外围器件，在提高开关电源性能的同时几乎不会引起制造成本的增加。综上所述，依据本发明实施例提供的开关电源的控制器，增加了输入电流采样电路，并将输入电流引入开关电源的控制环路形成输入最低限制环路，使得开关电源在工作过程中的输入电流维持为预定值电流，从而既可保证可控硅调光器的正常工作，又可满足负载功率的最低化设计。此外，所述控制器综合输入最低限制环路与恒定导通控制环路来控制所述开关电源，使得开关电源在满足功率最小化设计时，还具有较高的PF性能，且使得开关电源的外围器件的参数设计趋于简单化。以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。