专利名称：反激式开关电源系统及其恒流控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源系统，尤其是涉及一种反激式开关电源系统以及该反激式开关电源系统的恒流控制器。
背景技术：
目前，小瓦数的反激式(flyback)交直流变换(AC-DC)开关电源系统，正逐渐由传统的使用光耦和431 (431是一种通用的三端稳压器集成电路)的次级侧控制架构向初级侧控制架构过渡。初级侧控制架构通过辅助绕组反馈次级侧信息，不需要光耦和431等次级侧反馈器件。图I示出一个传统的初级侧反馈的反激式开关电源系统，它可用于LED的恒流驱动。该开关电源系发统100包括输入整流器(input rectifier) 110、功率转换器120、 反馈网络130和脉冲宽度调制(PWM)控制器140。
如图I所示，输入交流电压Vac首先经过输入输入整流器110的全桥整流和滤波电容Cl变换成近似直流的电压Vin，为功率转换器120提供电源。功率开关Ml的漏极连接变压器TX的初级侧绕组PRI，栅极在PWM控制器140的控制下以一定的频率和占空比在导通和关断之间切换。当功率Ml导通时，能量被存储在变压器TX的初级侧绕组PRI ;当功率Ml关断时，存储在初级侧的能量被转移到变压器次级侧的输出负载上，从而实现了功率的转换。公式(I)表示由变压器初级侧转移到输出负载上的功率即输出功率
P0=-Lp-I2p-f-ηCl)
其中，Lp是变压器初级侧的感量；Ip是变压器初级侧线圈导通时的峰值电流，它和功率开关Mi的导通时间成正比，f是功率开关的工作频率，η代表功率转换器的转换效率。 对于一个给定的功率转换器，Lp和I!都是常数，所以输出功率是Ip和f的函数。在图I所示的开关电源系统中，需要为LED负载提供一个和负载电压无关的恒定输出电流。当前，初级侧控制的反激式开关电源系统通常所采用的技术方案是通过辅助绕组和反馈电阻R2，R3 组成的反馈网络获得变压器次级侧绕组的退磁时间信息，通过功率转换器120中的电流侦测电阻Rs采样变压器的峰值电流信息。这样，以前述两个信息作为PWM控制器140的输入信号去调制PWM输出脉冲，从而控制输出电流的恒流输出。
上述系统虽然比传统的光耦二次侧反馈系统更简单，但是仍然需要一个额外的辅助绕组、反馈电阻网络及供电整流二极管来实现反馈和对控制芯片供电，这无疑增加了电源系统的成本和尺寸。发明内容
本发明的一个目的是提供一种恒流控制器，可从省去了变压器的辅助绕组和反馈网络的反激式开关电源系统中获取反映退磁时间信息的电流反馈信号。
本发明的另一目的是提供一种反激式开关电源系统，省去了变压器的辅助绕组和反馈网络以简化结构。
本发明的一个方面提出一种恒流控制器，用于反激式交流到直流开关电源系统， 该开关电源系统包括一功率转换器，该功率转换器包括一变压器、一功率开关、以及一初级侧电流侦测电阻，该变压器由初级侧绕组和次级侧绕组构成，该功率开关为MOS场效应管， 该功率开关的漏极连接该初级侧绕组，该功率开关的源极经由该初级侧电流侦测电阻接地。该恒流控制器包括一退磁检测器，该退磁检测器的一输入端连接该功率开关的栅极以引入一电流反馈信号，该电流反馈信号是由该功率开关的栅极寄生电容将耦合到该初级侧绕组的退磁耦合信号转换而成，其中该电流反馈信号作为该退磁检测器的退磁结束指示信号。
在本发明的一实施例中，该退磁检测器包括电流比较器及前沿消隐模块。该电流比较器具有一输入端、一输出端及一控制端，该电流比较器的输入端连接该功率开关的栅极，该电流比较器比较该电流反馈信号与一阈值电流，并据此经该输出端输出一逻辑电平。 该前沿消隐模块具有一输入端及一输出端，该前沿消隐模块输入一脉冲宽度调制信号，并输出一前沿消隐信号至该控制端以使能该电流比较器。
在本发明的一实施例中，该电流比较器包括第一恒流源、第二恒流源、第一 NMOS 管、第二 NMOS管和第三NMOS管，该第一 NMOS管的漏极和栅极短接，且漏极连接该第一恒流源及电流比较器的输入端，源极接地，该第二 NMOS管的漏极连接该第二恒流源及电流比较器的输出端，源极接地，该第一 NMOS管的栅极连接该第二 NMOS管的栅极，该第三NMOS管的漏极连接该第二 NMOS管的漏极，该第三NMOS管的源极连接该第二 NMOS管的源极，该第三 NMOS管的栅极连接该电流比较器的控制端。
在本发明的一实施例中，该电流比较器包括第一恒流源、第二恒流源、第一 NMOS 管、第二 NMOS管、第一 PMOS管和第二 PMOS管；该第一 PMOS管的源极连接一电源，漏极和栅极短接，且漏极连接该第二 NMOS管的漏极，该第二 NMOS管的源极连接该第一恒流源及电流比较器的输入端；该第二 PMOS管的源极连接该电源，漏极连接该第二恒流源及该电流比较器的输出端；该第一 PMOS管的栅极和该第二 PMOS管的栅极连接；该第一 NMOS管的漏极连接该第一 PMOS管的漏极，源极接地，栅极连接该电流比较器的控制端。
在本发明的一实施例中，该恒流控制器还包括一功率开关驱动器，该功率开关驱动器的输出端连接该功率开关的栅极，其中该功率开关驱动器的输出端在该功率开关被关断之后至退磁结束时刻被设置为高阻态。
本发明的另一方面提出一种反激式交流到直流开关电源系统，包括输入整流器、 功率变换器及恒流控制器。该功率转换器包括一变压器、一功率开关、以及一初级侧电流侦测电阻，该变压器由初级侧绕组和次级侧绕组构成，该初级侧绕组连接至该输入整流器，该功率开关为MOS场效应管，该功率开关的漏极连接该初级侧绕组，该功率开关的源极经由该初级侧电流侦测电阻接地。该恒流控制器具有一输入/输出引脚，该输入/输出引脚连接该功率开关的栅极；该恒流控制器包括一退磁检测器，该退磁检测器的一输入端连接该输入/输出引脚，以经由该输入/输出引脚引入一电流反馈信号，该电流反馈信号是由该功率开关的栅极寄生电容将耦合到该初级侧绕组的退磁耦合信号转换而成，其中该电流反馈信号作为该退磁检测器的退磁结束指示信号。
在本发明的一实施例中，该退磁检测器包括电流比较器和前沿消隐模块。该电流比较器具有一输入端、一输出端及一控制端，该电流比较器的输入端连接该功率开关的栅极，该电流比较器比较该电流反馈信号与一阈值电流，并据此经该输出端输出一逻辑电平。 该前沿消隐模块具有一输入端及一输出端，该前沿消隐模块输入一脉冲宽度调制信号，并输出一前沿消隐信号至该控制端以使能该电流比较器。
在本发明的一实施例中，该电流比较器包括第一恒流源、第二恒流源、第一 NMOS 管、第二 NMOS管和第三NMOS管，该第一 NMOS管的漏极和栅极短接，且漏极连接该第一恒流源及电流比较器的输入端，源极接地，该第二 NMOS管的漏极连接该第二恒流源及电流比较器的输出端，源极接地，该第一 NMOS管的栅极连接该第二 NMOS管的栅极，该第三NMOS管的漏极连接该第二 NMOS管的漏极，该第三NMOS管的源极连接该第二 NMOS管的源极，该第三 NMOS管的栅极连接该电流比较器的控制端。
在本发明的一实施例中，该电流比较器包括第一恒流源、第二恒流源、第一 NMOS 管、第二 NMOS管、第一 PMOS管和第二 PMOS管；该第一 PMOS管的源极连接一电源，漏极和栅极短接，且漏极连接该第二 NMOS管的漏极，该第二 NMOS管的源极连接该第一恒流源及电流比较器的输入端；该第二 PMOS管的源极连接该电源，漏极连接该第二恒流源及该电流比较器的输出端；该第一 PMOS管的栅极和该第二 PMOS管的栅极连接；该第一 NMOS管的漏极连接该第一 PMOS管的漏极，源极接地，栅极连接该电流比较器的控制端。
在本发明的一实施例中，该恒流控制器还包括一功率开关驱动器，该功率开关驱动器的输出端连接该功率开关的栅极，其中该功率开关驱动器的输出端在该功率开关被关断之后至退磁结束时刻被设置为高阻态。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有如下显著优点
I、由于去除了变压器的辅助绕组、反馈网络和控制芯片的供电整流二极管，使系统成本更低，系统结构更加简化，更适用于对成本和驱动器尺寸有较高要求的LED驱动应用；
2、由于通过电阻直接从高压为芯片供电，避免了输入浪涌对控制芯片造成损伤的风险(在用辅助绕组供电的传统结构中，输入浪涌电压有可能通过辅助绕组直接耦合到控制芯片的电源)；
3、由于去除了辅助绕组，变压器设计加工更简单，同样规格的变压器可带的功率更大。
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明，其中
图I是传统的反激式开关电源系统电路图。
图2示出本发明一实施例的开关电源系统电路图。
图3示出图2所示开关电源系统的时序图。
图4示出开关电源系统的次级侧绕组电流和输出电流关系。
图5示出本发明另一实施例的开关电源系统电路图。
图6示出图5所示开关电源系统的时序图。
图7是本发明一实施例的退磁检测器电路图。
图8示出图7中退磁检测器的工作时序图。
图9是本发明另一实施例的退磁检测器电路图。
具体实施方式
本发明下面要描述的各个实施例涉及省略了辅助绕组的开关电源系统的控制方法和实现原理。
图2示出本发明一实施例的开关电源系统电路图。图2中与图I相同的元器件采用相同的标号。该开关电源系统200为反激式系统，包括桥式整流器210、反激式功率转换器220和恒流控制器230。桥式整流器210的输入端连接交流输入电压，输出端输出一输入整流电压。反激式功率转换器220具有变压器TX、功率开关Ml、控制器供电电阻Rl、供电电容C2、初级侧电流侦测电阻Rs、次级侧整流二极管D2和滤波电容C3。变压器TX包含初级侧绕组PRI和次级侧绕组SEC。变压器TX的初级侧绕组PRI —端连接桥式整流器210的输出端，以引入输入整流电压。恒流控制器230包含正电源引脚VDD、输入/输出引脚⑶、 电流采样输入引脚CS和负电源引脚VSS四个引脚。VSS引脚连接开关电源系统200的初级侧“地”电位。VDD引脚连接功率转换器220中的供电电阻Rl和供电电容C2，为恒流控制器230提供电源。功率开关Ml连接初级侧绕组PRI的另一端和恒流控制器230的引脚 CS，初级侧电流侦测电阻Rs连接引脚CS和接地点，以取得一电流采样信号作为第一输入信号。在本实施例中，功率开关Ml可为M0SFET。功率开关Ml的控制端被连接到恒流控制器 230的引脚GD, —方面该GD引脚作为一个输出引脚输出脉冲控制信号以驱动功率开关Ml。 另一方面，次级侧绕组SEC的退磁信号被耦合到初级侧绕组PRI与功率开关Ml的连接点， 该退磁耦合信号经由功率开关Ml的栅漏寄生电容CeD转换为一电流反馈信号Ieil输入恒流控制器230的⑶引脚作为第二输入信号。
恒流控制器230通常实施为集成电路芯片。然而，恒流控制器230也可以由相互分离的电路模块组成。
恒流控制器230包括退磁检测器231、PWM (脉冲宽度调制)比较器232、时钟发生器233、PWM控制器234、参考源235以及功率开关驱动器236。参考源235输出一参考电压 Vref作为PWM比较器232的阈值电压。PWM比较器232有两个输入端和一个输出端。PWM 比较器232的第一输入端连接参考源235的输出端用于接收上述参考电压，PWM比较器232 的第二输入端与恒流控制器230的CS引脚相连用于接收第一输入信号。PWM比较器232的输出信号为一关断信号Sp,它输入至PWM控制器234用于控制PWM信号关断。PWM控制器 234包括两个输入端和两个输出端。PWM控制器234的第一输入端与时钟发生器233的输出端连接，用于接收时钟发生器的时钟信号CLK，该时钟信号触发PWM信号开启，PWM控制器 234的第二输入端与PWM比较器232的输出端连接，用来接收PWM关断信号Sp, Sp的作用是关断PWM信号。PWM控制器234的第一输出端分别连接到功率开关驱动器236和退磁检测器231，PWM控制器234的第二输出端输出一个高阻控制信号DSB至功率开关驱动器236。 退磁检测器231有两个输入端和一个输出端。退磁检测器231的第一输入端连接到恒流控制器230的⑶引脚用来对第二输入信号采样，退磁检测器231的第二输入端连接PWM控制器234的第一输出端用来接收PWM控制信号,退磁检测器23 I的输出端输出一个退磁宽度采样信号DM，并被连接到时钟发生器233。时钟发生器233的输入端连接到退磁检测器231 的输出端用来接收退磁宽度采样信号，其输出端输出一个时钟信号，并与PWM控制器234连接。功率开关驱动器236有两个输入端和一个输出端。功率开关驱动器236的第一输入端与PWM控制器234的第一输出端连接，用来接收PWM信号，功率开关驱动器236的第二输入端与PWM控制器234的第二输出端连接用来接收高阻控制信号DSB。
图3反映出了恒流控制器中各个信号之间的相互作用关系。如图3所示，时钟信号CLK的下降沿触发PWM信号导通(由低变高)，这个PWM信号输入至功率开关驱动器236 产生一个同步的功率开关驱动信号GT使功率开关Ml导通(由低变高)。随后，变压器TX的初级侧线圈开始储能，流过它的电流线性增加，并在电流侦测电阻Rs上形成一电流采样信号，该信号作为第一输入信号输入恒流控制器，并与一参考电压Vref比较形成PWM关断信号Sp。信号Sp的下降沿触发PWM信号关断(由高变低)，PWM信号的下降沿触发退磁宽度采样信号DM由低变高，同时控制开关驱动信号GT关断(由高变低)，从而导致功率开关Ml关断。功率开关Ml的关断导致上述的第一输入信号归零，进而导致关断信号复位。在PWM信号关断一段时间(Λ D后，会产生一个高阻控制信号DSB，该信号控制功率开关驱动器236 的输出为高阻态。这一高阻态降低功率开关驱动器236对输入的影响。在功率开关Ml关断后，功率开关Ml的漏极会感应次级侧绕组上退磁信号的波形，其波形如图3中的VD。在功率开关驱动器236的输出进入高阻态到退磁结束之前，Vd基本上是一个斜率很小的近似平台信号。一旦退磁结束，功率开关Ml的漏极和初级侧绕组连接的节点进入谐振，Vd的斜率迅速变大，并在功率开关的漏栅寄生电容(^上产生一个电流Ieil，该电流近似等于
J — ^ Drp(O)丄 GD — L 丄 GDv ^ 7at
该电流的一部分作为第二输入信号输入恒流控制器230的⑶引脚，被退磁检测器 231采样，形成退磁采样电流ISK。该电流Isk的另一部分被功率开关管Ml的栅源寄生电容 Ces吸收。退磁采样电流Isk用来作为退磁检测器的退磁结束时刻指示信号。当退磁结束时， Isk信号触发退磁宽度采样信号DM由高变低。显然，信号DM反映了次级侧绕组电流的退磁宽度。另外，在退磁结束时，可解除功率开关驱动器236的输出端的高阻状态。在PWM信号开启之前一段时间(Λ t2)触发DSB信号由高变低进而使功率开关驱动器236的输出脱离高阻态。脱离高阻态的时刻大致为退磁结束时刻，但可以更迟。DM信号输入时钟发生器233， 并对时钟频率进行调制，使时钟周期和退磁时间的比例为常数。另一方面，第一输入信号的峰值被内部PWM比较器232限定在一个常数(近似等于参考阈值Vref)，因此，变压器初次级侧的电流峰值都被限定为正比于Vref的常数。
本实施例的优势在于，通过功率开关Ml的漏栅寄生电容CeD引入了反映退磁结束时间的退磁采样电流Isk，这就省略了以往引入退磁时间信息的额外的变压器辅助绕组及反馈网络，从而简化了电路结构。功率开关驱动器的输出端至少在该功率开关被关断之后至退磁结束时刻被设置为高阻态，降低了对从GD引脚引入的退磁采样电流Isk的影响。
图4进一步说明了该开关电源系统的恒流控制原理。图中Ipk2表示次级侧绕组的峰值电流，I0表示输出电流的平均值，由于次级侧绕组的平均电流等于输出电流I。，因此图中三角型和矩形的面积相等。
所以平均输出电流可表示为
ΙοΛ.Ιψ.Ιρ 1(3)
公式(3)反映了输出电流I。与变压器次级侧线圈的退磁时间TDM，时钟周期T，以及次级侧线圈的峰值电流Ipk2之间的关系。
公式(3)可进一步表示为
权利要求
1.ー种恒流控制器，用于反激式交流到直流开关电源系统，该开关电源系统包括一功率转换器，该功率转换器包括ー变压器、一功率开关、以及一初级侧电流侦测电阻，该变压器由初级侧绕组和次级侧绕组构成，该功率开关为MOS场效应管，该功率开关的漏极连接该初级侧绕组，该功率开关的源极经由该初级侧电流侦测电阻接地，其中， 该恒流控制器包括一退磁检测器，该退磁检测器的一输入端连接该功率开关的栅极以引入ー电流反馈信号，该电流反馈信号是由该功率开关的栅极寄生电容将耦合到该初级侧绕组的退磁耦合信号转换而成，其中该电流反馈信号作为该退磁检测器的退磁结束指示信号。
2.如权利要求I所述的恒流控制器，其特征在于，该退磁检测器包括 电流比较器，具有ー输入端、ー输出端及ー控制端，该电流比较器的输入端连接该功率开关的栅极，该电流比较器比较该电流反馈信号与一阈值电流，并据此经该输出端输出ー逻辑电平；以及 前沿消隐模块，具有一输入端及ー输出端，该前沿消隐模块输入ー脉冲宽度调制信号，并输出一前沿消隐信号至该控制端以使能该电流比较器。
3.如权利要求2所述的恒流控制器，其特征在于，该电流比较器包括第一恒流源、第二恒流源、第一 NMOS管、第二 NMOS管和第三NMOS管，该第一 NMOS管的漏极和栅极短接，且漏极连接该第一恒流源及该电流比较器的该输入端，源极接地，该第二 NMOS管的漏极连接该第二恒流源及该电流比较器的该输出端，源极接地，该第一 NMOS管的栅极连接该第二 NMOS管的栅极；该第三NMOS管的漏极连接该第二 NMOS管的漏扱，该第三NMOS管的源极连接该第二 NMOS管的源扱，该第三NMOS管的栅极连接该电流比较器的控制端。
4.如权利要求2所述的恒流控制器，其特征在于，该电流比较器包括第一恒流源、第二恒流源、第一 NMOS管、第二 NMOS管、第一 PMOS管和第二 PMOS管；该第一 PMOS管的源极连接ー电源，漏极和栅极短接，且漏极连接该第二 NMOS管的漏极，该第二 NMOS管的源极连接该第一恒流源及该电流比较器的该输入端；该第二 PMOS管的源极连接该电源，漏极连接该第二恒流源及该电流比较器的该输出端；该第一 PMOS管的栅极和该第二 PMOS管的栅极连接；该第一 NMOS管的漏极连接该第一 PMOS管的漏极，源极接地，栅极连接该电流比较器的控制端。
5.如权利要求I所述的恒流控制器，其特征在于，还包括一功率开关驱动器，该功率开关驱动器的输出端连接该功率开关的栅极，其中该功率开关驱动器的输出端在该功率开关被关断之后至退磁结束时刻被设置为高阻态。
6.一种反激式交流到直流开关电源系统，包括 输入整流器； 功率转换器，包括ー变压器、一功率开关、以及一初级侧电流侦测电阻，该变压器由初级侧绕组和次级侧绕组构成，该初级侧绕组连接至该输入整流器，该功率开关为MOS场效应管，该功率开关的漏极连接该初级侧绕组，该功率开关的源极经由该初级侧电流侦测电阻接地； 恒流控制器，具有ー输入/输出引脚，该输入/输出引脚连接该功率开关的栅极；该恒流控制器包括一退磁检测器，该退磁检测器的ー输入端连接该输入/输出引脚，以经由该输入/输出引脚引入ー电流反馈信号，该电流反馈信号是由该功率开关的栅极寄生电容将耦合到该初级侧绕组的退磁耦合信号转换而成，其中该电流反馈信号作为该退磁检测器的退磁结束指示信号。
7.如权利要求6所述的开关电源系统，其特征在于，该退磁检测器包括 电流比较器，具有ー输入端、ー输出端及ー控制端，该电流比较器的输入端连接该功率开关的栅极，该电流比较器比较该电流反馈信号与一阈值电流，并据此经该输出端输出ー逻辑电平；以及 前沿消隐模块，具有一输入端及ー输出端，该前沿消隐模块输入ー脉冲宽度调制信号，并输出一前沿消隐信号至该控制端以使能该电流比较器。
8.如权利要求7所述的开关电源系统，其特征在于，该电流比较器包括第一恒流源、第ニ恒流源、第一 NMOS管、第二 NMOS管和第三NMOS管，该第一 NMOS管的漏极和栅极短接，且漏极连接该第一恒流源及该电流比较器的该输入端，源极接地，该第二 NMOS管的漏极连接该第二恒流源及该电流比较器的该输出端，源极接地，该第一 NMOS管的栅极连接该第二NMOS管的栅极连接；该第三NMOS管的漏极连接该第二 NMOS管的漏极，该第三NMOS管的源极连接该第二 NMOS管的源扱，该第三NMOS管的栅极连接该电流比较器的控制端。
9.如权利要求7所述的开关电源系统，其特征在于，该电流比较器包括第一恒流源、第ニ恒流源、第一 NMOS管、第二 NMOS管、第一 PMOS管和第二 PMOS管；该第一 PMOS管的源极连接ー电源，漏极和栅极短接，且漏极连接该第二 NMOS管的漏极，该第二 NMOS管的源极连接该第一恒流源及该电流比较器的该输入端；该第二 PMOS管的源极连接该电源，漏极连接该第二恒流源及该电流比较器的该输出端；该第一 PMOS管的栅极和该第二 PMOS管的栅极连接；该第一 NMOS管的漏极连接该第一 PMOS管的漏极，源极接地，栅极连接该电流比较器的控制端。
10.如权利要求6所述的开关电源系统，其特征在于，该恒流控制器还包括一功率开关驱动器，该功率开关驱动器的输出端连接该功率开关的栅极，其中该功率开关驱动器的输出端在该功率开关被关断之后至退磁结束时刻被设置为高阻态。
全文摘要
本发明涉及一种省略了变压器辅助绕组及反馈网络的开关电源系统及其恒流控制器。该开关电源系统包括一功率转换器，该功率转换器包括一变压器、一功率开关、以及一初级侧电流侦测电阻，该变压器由初级侧绕组和次级侧绕组构成，该功率开关为MOS场效应管，该功率开关的漏极连接该初级侧绕组，该功率开关的源极经由该初级侧电流侦测电阻接地。该恒流控制器包括一退磁检测器，该退磁检测器的一输入端连接该功率开关的栅极以引入一电流反馈信号，该电流反馈信号是由该功率开关的栅极寄生电容将耦合到该初级侧绕组的退磁耦合信号转换而成，并作为该退磁检测器的退磁结束指示信号。
文档编号H02M3/335GK102983760SQ201210249119
公开日2013年3月20日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者黄煜梅, 秦亚杰 申请人:无锡莱士电子科技有限公司