一种开关电源小电流检测电路及开关电源小电流控制方法与流程

1.本发明涉及开关电源技术领域，具体为一种开关电源小电流检测电路及开关电源小电流控制方法。


背景技术：

2.在移动电源和蓝牙耳机充电盒等电池供电的开关电源应用中，由于电池容量有限，就需要在输出负载电流减小到一定值后，关闭开关电源系统，降低系统功耗，以延长此类产品的待机时间。
3.现有技术一般有两种方式来检测开关电源负载电流是否低于设定的临界值，第一种方式是直接在负载通路中串一个精密功率电阻，直接检测功率电阻上的电压来实现，此方法有几个弊端，一是精密功率电阻价格昂贵，增加了系统成本，二是功率电阻会有较大功率损耗，降低了系统效率，三是在小电流情况下，功率电阻的压降很小，需要高精度的比较器来检测电阻的电压，增加了检测电路的设计难度和成本。第二种方式是通过检测开关电源在burst模式下，关断周期toff内输出电压下降的速率来判断,即其中δv是轻载模式下输出电压纹波的峰峰值，cout是开关电源输出滤波电容，toff是关断周期的时间，此方式的弊端在于，电流临界值与电容cout的容值大小成正比，当在不同的应用方案中根据方案特性需要选用不同的cout容值时，电流临界值也不得不随着cout容值的变化而变化。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种开关电源小电流检测电路及开关电源小电流控制方法，以解决电流临界值与电容cout的容值大小成正比，当在不同的应用方案中根据方案特性需要选用不同的cout容值时，电流临界值也不得不随着cout容值的变化而变化的问题。
5.为实现上述目的，本发明广泛应用于小电流检测的技术方案，特别是提供如下技术方案：一种开关电源小电流检测电路，包括；
6.滤波电容cout，所述滤波电容cout连接开关电源的两端；
7.电压采样电路，所述电压采压电路连接滤波电容cout的两端，用于采集电压信号；
8.第一比较器comp1，所述第一比较器comp1的一输入端与电压采样电路的fb信号端连接，所述第一比较器comp1的另外两输入端分别连接对应的参考电压refh和refl端；
9.脉冲转换电路，所述脉冲转换电路与第一比较器comp1的输出端连接，且脉冲转换电路用于将第一比较器comp1输出的pulse脉冲信号转换成ramp电压信号；
10.第二比较器comp2，所述第二比较器comp2的一输出端与脉冲转换电路的一输出端连接，另一输出端连接另一参考电压ref3；
11.延时电路，所述延时电路与第二比较器comp2的输出端连接，且用于输出低电流信号。
12.优选的，所述电压采样电路包括电阻r1、电阻r2组成的电路或集成电路构成的采样电路。
13.优选的，所述脉冲转换电路包括电流源i1、电流源i2、pmos晶体管mp1、nmos晶体管mn1、电容c1组成的脉冲转换电路。
14.优选的，所述电流源i2的一端与外部电源vdd连接，所述电流源i2的另一端与pmos晶体管mp1的源极连接，所述pmos晶体管mp1的漏极与nmos晶体管mn1的源极连接，且分别与电容c1的一端、第二比较器comp2的一输入端连接；所述nmos晶体管mn1漏极分别与电容c1的另一端连接，且经电流源i1接地，所述pmos晶体管mp1的栅极、nmos晶体管mn1的栅极均与第一比较器comp1的输出端连接。
15.优选的，所述电流源i1、电流源i2的电流大小比例设置，用于调节所需的小电流检测临界值。
16.根据以上电路所述小电流的控制方法包括以下步骤：
17.步骤s1；通过设定电流源i1、电流源i2的比例，来调节所需的小电流检测的临界值；
18.步骤s2；当开关电源输出负载电流较小时，开关电源工作在burst模式中，且开关电源工作周期为正常开关周期ton、关断周期toff；
19.其中在ton阶段，电流源i1对电容c1放电使得ramp电压减小值为：
20.在toff阶段，电流源i2对电容c1充电使得ramp电压增大值为：
21.步骤s3；在负载小电流阶段，根据不同的负载电流大小，对小电流进行小电流阶段一、小电流阶段二进行设置；
22.步骤s4；在小电流阶段一时，当开关电源ton>toff，即k＝ton/toff>1,由δv1和δv2的计算公式可知，每个周期ramp电压减小值δv1大于ramp电压增大值δv2，所以ramp电压一直低于参考电压ref3，第二比较器comp2输出低电平，则开关电源继续工作在当前状态；
23.步骤s5；在小电流阶段二时，当开关电源ton<toff，即k＝ton/toff<1,由上面δv1和δv2的计算公式可知，每个周期ramp电压减小值δv1小于ramp电压增大值δv2，所以ramp电压逐渐升高，当ramp电压大于参考电压ref3后，第二比较器comp2输出高电平，则小电流信号输出有效，且控制开关电源关机。
24.优选的，在步骤s3中，小电流阶段一的负载电流大于电流检测的临界值，小电流阶段二中负载电流小于电流检测的临界值，则电流源i1与电流源i2的电流相等；
25.反之小电流阶段一的负载电流小于电流检测的临界值，小电流阶段二中负载电流大于电流检测的临界值时，则电流源i1与电流源i2的电流不相等。
26.优选的，在所述步骤s4中，第二比较器comp2输出低电平，经延时电路过滤短时间的负载电流变化影响，且经延时电路延时后，低电流信号也输出为低，即低电流信号为无效。
27.优选的，在所述步骤s5中，第二比较器comp2输出高电平，经延时电路延时后，低电流信号输出为高，即低电流信号有效。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.本发明通过将开关电源的输出电压波形转换成比例为k＝ton/toff的pulse脉冲信号，再通过判断k值的大小，来判断开关电源输出电流大小是否低于设定的临界值；该方法不需要传统的精密功率检测电阻和高精度的比较器，且检测电流临界值也与开关电源输出滤波电容的容值大小无关，同时也可以通过小电流控制方法，来控制开关电源的工作状态。
附图说明
30.图1为本发明的开关电源小电流检测电路原理图：
31.图2为本发明的小电流控制方法流程示意图；
32.图3为本发明的小电流阶段一、小电流阶段二示意图。
具体实施方式
33.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。
34.请参阅图1
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图3，本发明提供的一种实施例：
35.一种开关电源小电流检测电路开关电源输出滤波电容cout 1，小电流检测单元2；
36.电压采样电路201，所述电压采压电路连接滤波电容cout的两端，用于采集电压信号；
37.第一比较器comp1 202，所述第一比较器comp1 202的一输入端与电压采样电路201的fb信号端连接，所述第一比较器comp1 202的另外两输入端分别连接对应的参考电压refh和refl端；
38.脉冲转换电路203，所述脉冲转换电路203与第一比较器comp1 202的输出端连接，且脉冲转换电路203用于将第一比较器comp1 202输出的pulse脉冲信号转换成ramp电压信号；
39.第二比较器comp2 204，所述第二比较器comp2 204的一输出端与脉冲转换电路203的一输出端连接，另一输出端连接另一参考电压ref3；
40.延时电路205，所述延时电路205与第二比较器comp2 204的输出端连接，且用于输出低电流信号。
41.所述电压采样电路201包括电阻r1、电阻r2组成的电路或集成电路构成的采样电路。
42.所述脉冲转换电路203包括电流源i1、电流源i2、pmos晶体管mp1、nmos晶体管mn1、电容c1组成的脉冲转换电路203。
43.所述电流源i2的一端与外部电源vdd连接，所述电流源i2的另一端与pmos晶体管mp1的源极连接，所述pmos晶体管mp1的漏极与nmos晶体管mn1的源极连接，且分别与电容c1的一端、第二比较器comp2 204的一输入端连接；所述nmos晶体管mn1漏极分别与电容c1的另一端连接，且经电流源i1接地，所述pmos晶体管mp1的栅极、nmos晶体管mn1的栅极均与第一比较器comp1 202的输出端连接。
44.所述电流源i1、电流源i2的电流大小比例设置，用于调节所需的小电流检测临界值。
45.其中在电流源i1等于电流源i2为例进行说明，参照图1和图3，当开关电源输出负载电流较大时，输出电压vout为一直流电压，无低频三角波，采样电路检测到的fb电压始终低于第一比较器comp1 202的输入参考电压refh和refl，pulse始终为高电平，nmos晶体管mn1导通，pmos晶体管mp1关闭，电流源i1通过mn1对电容c1的正极ramp放电，ramp一直为低电平，第二比较器comp2 204输出低电平，延时电路205的输出低电流信号也一直为低电平，低电流信号无效，系统一直处于工作状态。
46.参考图2、图3所示一种开关电源小电流控制方法包括以下步骤：
47.步骤s1；通过设定电流源i1、电流源i2的比例，来调节所需的小电流检测的临界值；
48.步骤s2；当开关电源输出负载电流较小时，开关电源工作在burst模式中，且开关电源工作周期为正常开关周期ton、关断周期toff；
49.其中在ton阶段，电流源i1对电容c1放电使得ramp电压减小值为：
50.在toff阶段，电流源i2对电容c1充电使得ramp电压增大值为：
51.步骤s3；在负载小电流阶段，根据不同的负载电流大小，对小电流进行小电流阶段一、小电流阶段二进行设置；
52.步骤s4；在小电流阶段一时，当开关电源ton>toff，即k＝ton/toff>1,由δv1和δv2的计算公式可知，每个周期ramp电压减小值δv1大于ramp电压增大值δv2，所以ramp电压一直低于参考电压ref3，第二比较器comp2 204输出低电平，则开关电源继续工作在当前状态；
53.步骤s5；在小电流阶段二时，当开关电源ton<toff，即k＝ton/toff<1,由上面δv1和δv2的计算公式可知，每个周期ramp电压减小值δv1小于ramp电压增大值δv2，所以ramp电压逐渐升高，当ramp电压大于参考电压ref3后，第二比较器comp2 204输出高电平，则小电流信号输出有效，且控制开关电源关机。
54.在步骤s3中，小电流阶段一的负载电流大于电流检测的临界值，小电流阶段二中负载电流小于电流检测的临界值，则电流源i1与电流源i2的电流相等；
55.反之小电流阶段一的负载电流小于电流检测的临界值，小电流阶段二中负载电流大于电流检测的临界值时，则电流源i1与电流源i2的电流不相等。
56.在所述步骤s4中，第二比较器comp2 204输出低电平，经延时电路205过滤短时间的负载电流变化影响，且经延时电路205延时后，低电流信号也输出为低，即低电流信号为无效。
57.在所述步骤s5中，第二比较器comp2 204输出高电平，经延时电路205延时后，低电流信号输出为高，即低电流信号有效。
58.参考图3，具体的当开关电源输出负载电流较小时，开关电源工作在burst模式，开关电源工作周期分为正常开关周期ton和关断周期toff，输出电压vout为三角波，采样电路采样到vout电压后经电阻r1和r2分压后，fb电压也为三角波。
59.在ton周期内，开关电源正常开关动作，由于负载电流很小，输出电压vout逐渐升
高，采样电压fb也跟随升高，当fb电压高于第一比较器comp1 202的输入参考电压refh时，开关电源由ton周期转入toff周期，pulse变为低电平，nmos晶体管mn1关闭，pmos晶体管mp1导通，电流源i2通过，pmos晶体管mp1对电容c1的正极ramp充电，ramp电压逐渐升高；
60.同时在toff周期内，开关电源停止开关动作，输出电压vout由电容cout维持，vout电压逐渐下降，采样电压fb也跟随下降；
61.当fb电压低于第一比较器comp1 202的输入参考电压refl时，开关电源由toff周期转入ton周期，pulse变为高电平，nmos晶体管mn1导通，pmos晶体管mp1关闭，电流源i1通过mn1对电容c1的正极ramp放电。
62.在ton阶段，i1对电容c1放电使得ramp电压减小值为：
63.在toff阶段，i2对电容c1充电使得ramp电压增大值为：
64.在负载小电流阶段，根据不同的负载电流大小，ton和toff的比值不同，电流越小，ton越小，toff越大，为了更好的说明本发明的检测原理，在此将负载小电流阶段分成2个阶段来说明；
65.小电流阶段一的负载电流大于电流检测临界值，小电流阶段二的负载电流小于电流检测临界值，由于在此设定电流源i1的电流等于电流源i2的电流，
66.在小电流阶段一；ton>toff，即k＝ton/toff>1,由上面δv1和δv2的计算公式可知，每个周期ramp电压减小值δv1大于ramp电压增大值δv2，所以ramp电压一直低于参考电压ref3，第二比较器comp2 204输出低电平，为了过滤掉短时间的负载电流变化影响，这里加入了延时电路205，经延时电路205延时后，低电流信号也输出低，即低电流信号无效，开关电源继续工作在当前状态。
67.在小电流阶段一，ton<toff，即k＝ton/toff<1,由上面δv1和δv2的计算公式可知，每个周期ramp电压减小值δv1小于ramp电压增大值δv2，所以ramp电压逐渐升高，当ramp电压大于参考电压ref3后，第二比较器comp2 204输出高电平，经延时电路205延时后，低电流信号输出高，即低电流信号有效，该信号控制开关电源系统关机。
68.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。