专利名称：在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电路结构，尤其是一种在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，属于开关电源变换器控制的技术领域。
背景技术：
随着智能手机、平板电脑等便携式电子设备的迅速普及，使得为便携式设备提供电能的开关模式电源适配器得到了迅猛发展。开关模式电源适配器由于其自身具有重量轻、效率高、体积小等优点，已经成为便携式电子设备标准配置。原边控制开关模式电源变化器无需光耦和TL431等器件等次级边反馈控制器件，在外围应用中所需要的分立器件相对于传统的次级边反馈开关模式电源变换器少，因此被广泛应用于小功率反激式开关电源变换器中。便携式电子设备普遍采用锂电池供电，电源适配器为锂电池充电过程中，为了缩短充电时间，首先会采用恒流快速充电，当锂电池储存的电能接近饱和时则采用恒压充电。锂电池的充电特性要求电源适配器具有恒流输出特性，即能够为负载提供恒定的电流。此外，随着世界各主要经济体相继出台了淘汰效率低下的白炽灯照明路线图，LED固态照明得到迅速发展。LED的发光特性不同于白炽灯，其亮度由驱动电流决定，当驱动电流大小发生变化时，LED亮度也随之变化，为了维持LED亮度一致性，需要采用恒流驱动。由于原边控制离线式反激变换器具有体积小、所需外围器件少、采用变压器隔离安全系数高等优点，成为目前小功率LED照明驱动的首选方案。反激变换器采用变压器对输入和输出进行隔离，变压器隔离方式有助于提高电源变换器的安全性和可靠性，变压器可以将原边接收的电能耦合到次级边，多数电源变换器使用功率开关来控制变压器储存能量。传统的电源变换器使用光耦器件做隔离，将输出电压反馈给原边控制器，原边控制器根据反馈电压调节功率开关。此外，传统的电源变换器还需要在次级边对输出电压和输出电流进行调节，光耦和次级边调节增加了电源变换器的体积和成本。为了克服传统离线式反激变换器的缺点，业界发明了原边控制离线式反激变换器，原边控制利用变压器辅助绕组将输出电压的变化反馈到控制器，控制器据此来调节功率开关，从而恒定变换器的输出电压和/或输出电流。但是，现有的控制器均不能有效地实现恒流控制。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，其结构紧凑，能实现恒流控制，适应范围广，安全可靠。按照本实用新型提供的技术方案，所述在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，包括控制器，所述控制器包括:采样/保持电路，接收反馈电压VFB，并对所述反馈电压Vfb进行采样和保持，且将所述反馈电压Vfb保持后输入至电压/电流转换电路内；电压/电流转换电路，将所述反馈电压Vfb转换得到所需的控制电流，并将所述控制电流输入振荡器电路内；振荡器电路，接收电压/电流转换电路输入的控制电流，并根据控制电流输出对应的振荡频率信号，并将所述振荡频率信号输入触发器的置位端；触发器，所述触发器的置位端接收振荡频率信号，触发器的复位端接收限流比较器的输出信号；当振荡频率信号为高电平时，触发器的输出端输出高电平信号，以驱动功率管导通；限流比较器，所述限流比较器的同相端通过前沿消隐电路接收采样电压Vcs，并通过前沿消隐电路屏蔽采样电压Vk的前沿尖峰；当所述采样电压Vffi大于限流比较器反相端的基准电压Vkef时，限流比较器输出限流信号，以使得触发器输出低电平，关断功率管。所述控制器还包括用于产生基准电压和基准电流的基准电路，基准电路产生的基准电压Vkef输入限流比较器的反相端。所述触发器采用RS触发器，触发器的输出端通过驱动增强电路与功率管的栅极端连接。所述采样/保持电路包括第一 MOS管及第二 MOS管，所述第一 MOS管的栅极端与反馈电压Vfb连接，第一 MOS管的漏极端接地，第一 MOS管的源极端及第二 MOS管的漏极端均与第一电流源的一端连接，第一电流源的另一端接地；第二 MOS管的漏极端与第二 MOS管的栅极端及第三MOS管的漏极端连接，且第二 MOS管的漏极端通过第二电流源接地，第三MOS管的源极端通过保持电容接地，第三MOS管的栅极端与采样控制信号连接。所述第一电流源的输出电流值为第二电流源输出电流值的两倍，第一 MOS管与第
二MOS管为几何尺寸相同的MOS管，第一 MOS管及第二 MOS管均为PMOS管。所述电压/电流转换电路包括第四MOS管及第五MOS管，所述第四MOS管的漏极端接地，第四MOS管的栅极端与采样/保持电路连接，第四MOS管的源极端与第一三极管的发射极端连接，第一三极管的基极端与第一三极管的集电极端、第三电流源的一端及第五MOS管的源极端连接；第五MOS管的栅极端与第五MOS管的漏极端及第二三极管的基极端连接，第五MOS管的漏极端通过第四电流源接地，第三电流源的另一端接地；第二三极管的发射极端通过第一转换电阻接地，第二三极管的集电极端与第六MOS管的漏极端、第六MOS管的栅极端及第七MOS管的栅极端连接，第六MOS管的源极端及第七MOS管的源极端均接地；第七MOS管的漏极端与第八MOS管的漏极端、第八MOS管的栅极端及第十一 MOS管的栅极端连接；第八MOS管的源极端接地；第十一 MOS管的源极端接地，第十一 MOS管的漏极端与第十MOS管的漏极端、第十二 MOS管的漏极端、第十二 MOS管的栅极端及第十三MOS管的栅极端连接；第十MOS管的源极端接地，第十MOS管的栅极端与第九MOS管的栅极端、第九MOS管的漏极端及第三三极管的集电极端连接，第三三极管的发射极端通过第二转换电阻接地，第三三极管的基极端与基极电压信号连接；第十二 MOS管的源极端及第十三MOS管的源极端接地，第十三MOS管的漏极端与第十四MOS管的漏极端、第十四MOS管的栅极端及第十五MOS管的栅极端连接，第十四MOS管的源极端及第十五MOS管的源极端接地，第十五MOS管的漏极端与振荡器电路相连。[0023]所述第三电流源的输出电流值为第四电流源输出电流值的两倍，第四MOS管与第五MOS管为几何尺寸相同的MOS管，第一三极管及第二三极管均为NPN三极管。所述振荡器电路包括第十六MOS管及第十七MOS管，所述第十六MOS管的源极端与第十七MOS管的漏极端、第十七MOS管的栅极端、第十九MOS管的栅极端连接及第二^MOS管的栅极端连接，第十七MOS管的源极端、第十九MOS管的源极端及第二十一 MOS管的源极端均接地；第十六MOS管的栅极端与第十六MOS管的漏极端、偏置电流源的一端、第十八MOS管的栅极端及第二十MOS管的栅极端连接，偏置电流源的另一端接地；第十八MOS管的漏极端与第二十MOS管的漏极端、第二十三MOS管的漏极端、第二十三MOS管的栅极端及第二十五MOS管的栅极端连接，第二十三MOS管的源极端与第二十二 MOS管的漏极端、第二十二 MOS管的栅极端、第二十四MOS管的栅极端连接，第二十二 MOS管的源极端及第二十四MOS管的源极端均接地，第二十四MOS管的漏极端与第二十五MOS管的源极端连接；第二十MOS管的源极端与第二^ MOS管的漏极端连接,第二十MOS管的源极端及第二十一 MOS管的漏极端与电压/电流转换电路的输出端连接；第二十五MOS管的漏极端与第二十六MOS管的源极端及第二十七MOS管的源极端连接，第二十六MOS管的漏极端与第十八MOS管的漏极端、第二十八MOS管的栅极端、第二十九MOS管的栅极端连接，第二十八MOS管的源极端及第二十九MOS管的源极端均接地，第二十九MOS管的漏极端与第二十七MOS管的漏极端连接,且第二十九MOS管的漏极端与振荡电容的一端及迟滞比较器的输入端连接，振荡电容的另一端接地；迟滞比较器的输出端与第一反相器的输入端连接，第一反相器的输出端与第二反相器的输入端、第二十六MOS管的栅极端及第三反相器的输入端连接，第三反相器的输出端与第二十七MOS管的栅极端连接，第二反相器的输出端输出振荡频率信号。本实用新型的优点:反馈电压送到控制器内后，对反馈电压进行采样和保持，然后将反馈电压转换成反馈电流信号，反馈电流信号送给振荡器电路，对振荡器电路输出的振荡频率进行调制，功率 管在振荡器电路输出的振荡频率控制下在导通和截止两个状态之间切换，从而在开关频率和反馈电压之间建立联动关系，可以实现反馈和开关频率联动变化的恒流控制电路，能根据反馈电压的变化，来控制开关频率跟随反馈电压变化，从而恒定输出电流，适应范围广，安全可靠。
图1为现有电路的电路原理图。图2为本实用新型的使用状态图。图3为本实用新型采样/保持电路、电压/电流转换电路的电路原理图。图4为本实用新型开关驱动信号及采样控制信号的时序图。图5为本实用新型振荡器电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。如图1所示:为现有原边控制开关电源变换器的电路原理图，其包括第一整流二极管101、第二整流二极管102、第三整流二极管103及第四整流二极管104，第一整流二极管101的阴极端与第二整流二极管102的阴极端连接，第一整流二极管101的阳极端与第三整流二极管103的阴极端连接，第二整流二极管102的阳极端与第四整流二极管104的阴极端连接，第三整流二极管103及第四整流二极管104的阳极端接地，以形成整流电路，用于将输入的IlOV或220V交流电整流。第一整流二极管101的阴极端及第二整流二极管102的阴极端与滤波电容105的一端连接，滤波电容105的另一端接地。第一整流二极管101的阴极端还与高压启动电阻106的一端连接，且第一整流二极管101的阴极端及第二整流二极管102的阴极端相互连接后形成直流高压Vin，所述高压启动电阻106的另一端与储能电容107的一端、控制器108的电源端及辅助绕组整流二极管109的阴极端连接，储能电容107的另一端接地。辅助绕组整流二极管109的阳极端与辅助绕组Naux的一端及第一分压电阻R1的一端连接，第一分压电阻R1的另一端与控制器108的FB端及第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端接地，辅助绕组Naux的另一端接地。变压器110初级绕组Np的一端与直流高压Vin连接，另一端与功率管111的漏极端连接，功率管111的栅极端与控制器108的DRV端连接，功率管111的源极端通过电流采样电阻112接地，且功率管111的源极端与控制器108的CS端连接。变压器110的输出绕组队的一端与输出绕组整流二极管113的阳极端连接，输出绕组整流二极管113的阴极端通过输出滤波电容114与输出绕组Ns的另一端连接，输出滤波电容114的两端设置输出假负载115，即为假定的负载，输出绕组整流二极管113的阴极端形成输出电压端Vott，输出绕组队的另一端为输出绕组公共端RTN。为了便于解释本实用新型，图1中省略了变压器110初级绕组Np两端的RCD能量吸收网络。工作时，开关电源变换器上电后，通过整流电路整流后得到直流高压VIN，所述直流高压Vin通过高压启动电阻106对储能电容107进行充电，储能电容107电压逐渐升高。当储能电容107的电压上升到某一预设值后，控制器108开始工作，控制器108的DRV端输出高电平控制功率管111导通；功率管111导通后，电流流过变压器110的初级线圈Np (原边电感)，变压器110开始储存能量；随着电感电流的增大，电流采样电阻112上电压逐渐增大，当电流达到控制器108内部预先设计的限流点后，控制器108的DRV端输出低电平控制功率管111截止；变压器110将储存的能量以电流的形式通过输出绕组Ns释放；输出电流在为负载供电的同时， 还需要为输出滤波电容114充电；在功率管111截止期间,输出滤波电容114接收来自变压器110输出绕组Ns的电流，其电压逐渐上升；同时变压器110的输出绕组Ns和辅助绕组Naux之间，在功率管111截止期间形成变压器结构，即变压器辅助绕组输出电压Vaux和变压器输出绕组电压Vott与各自线圈的匝数成比例关系；因此控制器108的FB引脚接收能够反映输出电压Vtot的反馈电压Vfb ;控制器108根据Vfb电压值，调节DRV端的输出波形频率，进而控制开关电源变换器的输入功率。本实用新型应用于工作在断续导通模式(DCM)的原边控制离线式反激变换器，变换器的输出功率Pqut可以表不成:Pout-1out.Vout (I)1ut是变换器输出电流，Votit是变换器输出电压。变换器工作在DCM下的输入功率Pin表达式是: Pm = ~.ip ■ I PEAK ' fSW( 2 )[0042]Lp是变压器原边电感量，Ipeak是电感峰值电流，一般由控制器内部设定，fSff是控制器开关频率。变换器的功率传输效率是H，则输入功率和输出功率的关系可以表示成:
权利要求1.一种在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，包括控制器(108)，其特征是，所述控制器(108)包括 采样/保持电路(203 )，接收反馈电压Vfb，并对所述反馈电压Vfb进行采样和保持，且将所述反馈电压Vfb保持后输入至电压/电流转换电路(204)内； 电压/电流转换电路(204)，将所述反馈电压Vfb转换得到所需的控制电流，并将所述控制电流输入振荡器电路(205)内； 振荡器电路(205 )，接收电压/电流转换电路(204 )输入的控制电流，并根据控制电流输出对应的振荡频率信号，并将所述振荡频率信号输入触发器(207)的置位端； 触发器(207)，所述触发器(207)的置位端接收振荡频率信号，触发器(207)的复位端接收限流比较器(202)的输出信号；当振荡频率信号为高电平时，触发器(207)的输出端输出高电平信号，以驱动功率管(111)导通； 限流比较器(202)，所述限流比较器(202)的同相端通过前沿消隐电路(210)接收采样电压VK，并通过前沿消隐电路(210)屏蔽采样电压Vffi的前沿尖峰；当所述采样电压大于限流比较器(202)反相端的基准电压Vkef时，限流比较器(202)输出限流信号，以使得触发器(207)输出低电平，关断功率管(111)。
2.根据权利要求1所述的在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，其特征是:所述控制器(108)还包括用于产生基准电压和基准电流的基准电路(201)，基准电路(201)产生的基准电压Vkef输入限流比较器(202)的反相端。
3.根据权利要求1所述的在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，其特征是:所述触发器(207)采用RS触发器，触发器(207)的输出端通过驱动增强电路(208)与功率管(111)的栅极端连接。
4.根据权利要求1所述的在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，其特征是:所述采样/保持电路(203)包括第一 MOS管(303)及第二 MOS管(304)，所述第一 MOS管(303)的栅极端与反馈电压Vfb连接，第一MOS管(303)的漏极端接地，第一MOS管(303)的源极端及第二 MOS管(304)的漏极端均与第一电流源(301)的一端连接，第一电流源(301)的另一端接地；第二 MOS管(304)的漏极端与第二 MOS管(304)的栅极端及第三MOS管(307)的漏极端连接，且第二 MOS管(304)的漏极端通过第二电流源(305)接地，第三MOS管(307)的源极端通过保持电容(308)接地，第三MOS管(307)的栅极端与采样控制信号(306)连接。
5.根据权利要求4所述的在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，其特征是:所述第一电流源(301)的输出电流值为第二电流源(305)输出电流值的两倍，第一 MOS管(302)与第二 MOS管(304)为几何尺寸相同的MOS管，第一 MOS管(302)及第二 MOS管(304)均为PMOS 管。
6.根据权利要求1所述的在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，其特征是:所述电压/电流转换电路(204)包括第四MOS管(311)及第五MOS管(312)，所述第四MOS管(311)的漏极端接地，第四MOS管(311)的栅极端与采样/保持电路(203)连接，第四MOS管(311)的源极端与第一三极管(310)的发射极端连接，第一三极管(310)的基极端与第一三极管(310)的集电极端、第三电流源(309)的一端及第五MOS管(312)的源极端连接；第五MOS管(312)的栅极端与第五MOS管(312) 的漏极端及第二三极管(315)的基极端连接，第五MOS管(312)的漏极端通过第四电流源(313)接地，第三电流源(309)的另一端接地； 第二三极管(315)的发射极端通过第一转换电阻(316)接地，第二三极管(315)的集电极端与第六MOS管(314)的漏极端、第六MOS管(314)的栅极端及第七MOS管(317)的栅极端连接，第六MOS管(314)的源极端及第七MOS管(317)的源极端均接地；第七MOS管(317)的漏极端与第八MOS管(318)的漏极端、第八MOS管(318)的栅极端及第十一 MOS管(324)的栅极端连接；第八MOS管(318)的源极端接地； 第H^一 MOS管(324)的源极端接地，第i^一 MOS管(324)的漏极端与第十MOS管(323)的漏极端、第十二 MOS管(325)的漏极端、第十二 MOS管(325)的栅极端及第十三MOS管(326)的栅极端连接；第十MOS管(323)的源极端接地，第十MOS管(323)的栅极端与第九MOS管(319)的栅极端、第九MOS管(319)的漏极端及第三三极管(321)的集电极端连接，第三三极管(321)的发射极端通过第二转换电阻(322)接地，第三三极管(321)的基极端与基极电压信号(320)连接； 第十二 MOS管(325 )的源极端及第十三MOS管(326 )的源极端接地，第十三MOS管(326 )的漏极端与第十四MOS管(327)的漏极端、第十四MOS管(327)的栅极端及第十五MOS管(328)的栅极端连接，第十四MOS管(327)的源极端及第十五MOS管(328)的源极端接地，第十五MOS管(328)的漏极端与振荡器电路(205)相连。
7.根据权利要求6所述的在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，其特征是:所述第三电流源(309)的输出电流值为第四电流源(313)输出电流值的两倍，第四MOS管(311)与第五MOS管(312)为几何尺寸相同的MOS管，第一三极管(310)及第二三极管(315)均为NPN三极管。
8.根据权利要求1所述的在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，其特征是:所述振荡器电路(205 )包括第十六MOS管(402 )及第十七MOS管(403 )，所述第十六MOS管(402)的源极端与第十七MOS管(403)的漏极端、第十七MOS管(403)的栅极端、第十九MOS管(405)的栅极端连接及第二i^一 MOS管(407)的栅极端连接，第十七MOS管(403)的源极端、第十九MOS管(405)的源极端及第二十一MOS管(407)的源极端均接地；第十六MOS管(402)的栅极端与第十六MOS管(402)的漏极端、偏置电流源(401)的一端、第十八MOS管(404)的栅极端及第二十MOS管(406)的栅极端连接，偏置电流源(401)的另一端接地； 第十八MOS管(404)的漏极端与第二十MOS管(406)的漏极端、第二十三MOS管(409)的漏极端、第二十三MOS管(409)的栅极端及第二十五MOS管(411)的栅极端连接，第二十三MOS管(409 )的源极端与第二十二 MOS管(408 )的漏极端、第二十二 MOS管(408 )的栅极端、第二十四MOS管(410)的栅极端连接，第二十二 MOS管(408)的源极端及第二十四MOS管(410)的源极端均接地，第二十四MOS管(410)的漏极端与第二十五MOS管(411)的源极端连接；第二十MOS管(406)的源极端与第二^ MOS管(407)的漏极端连接,第二十MOS管(406)的源极端及第二十一 MOS管(407)的漏极端与电压/电流转换电路(204)的输出端连接； 第二十五MOS管(411)的漏极端与第二十六MOS管(412 )的源极端及第二十七MOS管(413)的源极端连接，第二十六MOS管(412)的漏极端与第十八MOS管(414)的漏极端、第二十八MOS管(414)的栅极端、 第二十九MOS管(415)的栅极端连接,第二十八MOS管(414)的源极端及第二十九MOS管(415)的源极端均接地，第二十九MOS管(415)的漏极端与第二十七MOS管(413)的漏极端连接,且第二十九MOS管(415)的漏极端与振荡电容(416)的一端及迟滞比较器(417)的输入端连接，振荡电容(416)的另一端接地； 迟滞比较器(417)的输出端与第一反相器(418)的输入端连接,第一反相器(418)的输出端与第二反相器(419)的输入端、 第二十六MOS管(412)的栅极端及第三反相器(420)的输入端连接，第三反相器(420)的输出端与第二十七MOS管(413)的栅极端连接，第二反相器(419)的输出端输出振荡频率信号。
专利摘要本实用新型涉及一种在原边控制开关电源变换器中实现恒流控制的电路，其包括控制器，控制器包括采样/保持电路，对反馈电压VFB进行采样和保持，输入至电压/电流转换电路内；电压/电流转换电路，将所述反馈电压VFB转换得到所需的控制电流；振荡器电路，根据控制电流输出对应的振荡频率信号，并将所述振荡频率信号输入触发器的置位端；触发器，当振荡频率信号为高电平时，触发器的输出端输出高电平信号，以驱动功率管导通；限流比较器，当所述采样电压VCS大于限流比较器反相端的基准电压VREF时，限流比较器输出限流信号，以使得触发器输出低电平，关断功率管。本实用新型结构紧凑，能实现恒流控制，适应范围广，安全可靠。
文档编号H02M3/335GK203014696SQ201220711238
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者朱勤为, 黄飞明, 赵文遐, 丁国华, 贺洁 申请人:无锡硅动力微电子股份有限公司