峰值电流控制装置及其电流补偿电路、开关电源的制作方法

本发明涉及开关电源技术领域，特别是涉及一种峰值电流控制装置及其电流补偿电路、开关电源。

背景技术：

限流控制模式是开关电源中控制功率管的一种方式，它通过对功率管电流采样，与内部参考阈值进行比较，从而控制功率管导通时的峰值电流。传统的限流控制模式无法消除系统响应延时的影响，导致实际中当功率管关断时采样信号通常已经比参考阈值高出一定的过冲量，也即是功率管每次开启时的峰值电流都会比设计值偏大，无法稳定功率管的峰值电流。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能够稳定开关电源中功率开关管的峰值电流的峰值电流控制装置及其电流补偿电路、开关电源。

一种电流补偿电路，用于对开关电源中的峰值电流控制电路中的采样电流进行补偿以消除系统延时带来的采样误差；所述峰值电流控制电路包括采样单元以及控制单元；所述采样单元的输入端与所述开关电源中的功率开关管的输出端连接，以对所述功率开关管的输出电流进行采样并转换成采样电压；所述控制单元的输出端与所述开关电源中的功率开关管的控制端连接，以根据输入端的预判值对所述功率开关管的开关进行控制；所述电流补偿电路包括：第一电流补偿模块，所述第一电流补偿模块的控制端与所述控制单元的输出端连接；所述第一电流补偿模块用于根据所述控制单元的输出电压确定所述功率开关管的导通时长并根据所述导通时长输出第一补偿电流；所述第一补偿电流随所述导通时长的增长而减小；转换模块，所述转换模块的一端分别与所述第一电流补偿模块的输出端和所述控制单元的输入端连接；所述转换模块的另一端与所述采样单元连接并接地；所述转换模块用于将所述第一补偿电流转换为补偿电压并与所述采样电压求和后作为预判值输出给所述控制单元。

在其中一个实施例中，还包括第二电流补偿模块；所述第二电流补偿模块的输入端与负载反馈电压输入端连接；所述第二电流补偿模块用于根据所述负载反馈电压输入端输入的负载反馈电压生成第二补偿电流；所述第二补偿电流随所述负载反馈电压的增大而减小且随负载反馈电压的减小而增大；所述转换模块上与所述第一电流补偿模块的输出端连接的一端还与所述第二电流补偿模块连接；所述转换模块用于将所述第一补偿电流和所述第二补偿电流转换为补偿电压并与所述采样电压求和后作为预判值输出给所述控制单元。

在其中一个实施例中，所述转换模块包括第一转换单元和第二转换单元；所述第一转换单元一端与所述第一电流补偿模块的输出端、所述第二电流补偿模块的输出端和所述控制单元的输入端连接，所述第一转换单元的另一端与所述第二转换单元一端连接；所述采样单元同时作为所述第二转换单元；所述第一转换单元将所述第一补偿电流和所述第二补偿电流转换为第一补偿电压；所述第二转换单元将所述第一补偿电流和所述第二补偿电流转换为第二补偿电压；所述第一补偿电压、所述第二补偿电压以及所述采样电压求和后作为预判值输出给所述控制单元。

在其中一个实施例中，所述第一转换单元包括第一电阻，所述第二转换单元包括第二电阻；所述第一电阻的一端与所述第一电流补偿模块的输出端、所述第二电流补偿模块的输出端和所述控制单元的输入端连接，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻连接；所述第二电阻的另一端接地；所述第二电阻与所述第一电阻连接的一端还用于与所述功率开关管的输出端连接。

在其中一个实施例中，所述第一电流补偿模块包括第一分流单元和第二分流单元；所述第一分流单元的控制端与所述控制单元的输出端连接，所述第一分流单元的输入端与第一参考电流的输入端连接，所述第一分流单元的输出端接地；所述第二分流单元的第一输入端与所述第一参考电流的输入端连接，所述第二分流单元的第二输入端与第二参考电流的输入端连接，所述第二分流单元的输出端接地；所述第二分流单元的第二输入端还与第一补偿电流支路的输入端连接；所述第一补偿电流支路的输出端作为所述第一电流补偿模块的输出端；其中，所述第一分流单元在所述控制单元的输出电压的控制下导通或者关闭；所述第二分流单元用于根据所述第一分流单元的关闭时长控制流经所述第二分流单元的电流，且流经所述第二分流单元的电流随所述第一分流单元的关闭时长的增长而增大，从而使得所述第一补偿电流支路的输出电流随所述第一分流单元的关闭时长的增长而减小。

在其中一个实施例中，所述第一分流单元包括反相器和第一开关管；所述反相器的输入端与所述控制单元的输出端连接，所述反相器的输出端与所述第一开关管的控制端连接；所述第一开关管的输入端与所述第一参考电流的输入端连接，所述第一开关管的输出端接地。

在其中一个实施例中，所述第二分流单元包括电容、第二开关管以及第三电阻；所述电容的一端分别与所述第一参考电流的输入端以及所述第二开关管的控制端连接，所述电容的另一端接地；所述第二开关管的输出端与所述第三电阻连接；所述第三电阻的另一端接地；所述第二开关管的输入端与所述第二参考电流的输入端连接；所述第二开关管的输入端还与所述第一补偿电流支路的输入端连接。

在其中一个实施例中，所述第二电流补偿模块包括运算放大器、第三开关管以及第四电阻；所述运算放大器的正向输入端用于与所述负载反馈电压输入端连接，所述运算放大器的输出端与所述第三开关管的控制端连接；所述第四电阻的一端分别与所述运算放大器的反向输出端以及所述第三开关管的输出端连接，所述第四电阻的另一端接地；所述第三开关管的输入端与第三参考电流输入端连接；所述第三开关管的输入端还与第二补偿电流支路的输入端连接；所述第二补偿电流支路的输出端作为所述第二电流补偿模块的输出端。

一种峰值电流控制装置，用于对开关电源中的功率开关管的峰值电压进行控制；所述峰值电流控制装置包括峰值电流控制电路；所述峰值电流控制电路包括采样单元以及控制单元；所述采样单元的输入端与所述功率开关管的输出端连接，以对所述功率开关管的输出电流进行采样并转换成采样电压；所述控制单元的输出端与所述功率开关管的控制端连接，以根据输入端的预判值对所述功率开关管的开关进行控制；所述峰值电流控制装置还包括上述任一实施例所述的电流补偿电路；所述电流补偿电路与所述峰值电流控制电路连接以对所述峰值电流控制电路中的采样电流进行补偿以消除系统延时带来的采样误差。

一种开关电源，包括功率开关管；还包括上述实施例所述的峰值电流控制装置；所述功率开关管的控制端与所述控制单元的输出端连接，所述功率开关管的输出端与所述采样单元连接，所述功率开关管的输入端用于与所述开关电源的电源输入端连接。

上述电流补偿电路，第一电流补偿模块输出的第一补偿电流随功率开关管的导通时间的增大而减小，转换模块将第一补偿电流转换成的相应补偿电压也将会随之减小。功率开关管的导通时间随功率开关管的输入电压的减小而增大，且随功率开关管的输入电压的增大而减小。也即是第一补偿电流随功率开关管输入电压的减小而减小，转换模块将第一补偿电流转换成的相应补偿电压也将会随之减小。第一补偿电流随功率开关管输入电压的增大而增大，转换模块将第一补偿电流转换成的相应补偿电压也将会随之增大，从而使得补偿量可以补偿由于功率开关管输入电压带来的过冲量的变化，以消除系统延时带来的系统误差，从而实现了稳定功率开关管的峰值电流。

附图说明

图1为理想情况和实际情况下下采样电压随导通时间变化的曲线对比图；

图2为一实施例中的电流补偿电路的原理框图；

图3为一实施例中采样电压vcs1以及补偿前后预判值vsense的曲线图；

图4为图1中的第一电流补偿模块的原理框图；

图5为图1中的转换模块的原理框图；

图6为一实施例中的峰值电流控制装置的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

限流控制模式是开关电源中控制功率管开关管的一种方式，它通过对流经功率开关管的电流进行采样，并与内部参考阈值进行比较，在电流超过峰值电流时关断功率开关管，从而控制功率管开关管导通时的峰值电流。传统的限流控制模式直接对功率开关管的输出电流进行采样并转换成采样电压，进而将采样电压输入到比较器中与内部基准电压进行比较，从而控制功率开关管的开启与闭合。然而该方法无法消除系统响应延时的影响，导致实际中当功率管关断时采样信号通常已经比参考阈值高出一定的过冲量。图1为理想情况和实际情况下采样电压随导通时间变化的曲线对比图。其中，图1中的曲线①为理想情况下采样电压随导通时间变化的曲线，曲线②为实际情况下采样电压随导通时间变化的曲线。其中，δt表示系统的响应延时，δv表示采样电压的过冲量。针对该方法出现的问题，普遍采用的方法是在采样电压的基础上增加一个补偿量，将采样电压和补偿量求和后与内部基准电压进行比较以控制功率开关管的开启和闭合。然而，此方法中，补偿量为恒定值。当功率开关管的输入电压发生变化，或者开关电源中的负载变化时，会引起采样电压随导通时间的斜率发生变化，从而在补偿量恒定的情况下会产生不同的过冲量，使得功率开关管的峰值电流发生改变，影响系统精度。本发明提供一种电流补偿电路，在功率开关管的输入电压发生改变或者开关电源的负载发生变化时，稳定功率开关管的峰值电流，如图2所示。

图2为一实施例中的电流补偿电路的原理框图。该电流补偿电路100用于峰值电流控制模式的开关电源中，对峰值电流控制电路中的采样电流进行补偿以消除系统延时带来的采样误差。该峰值电流控制电路包括采样单元以及控制单元。采样单元500的输入端与开关电源中的功率开关管的输出端连接，以对功率开关管的输出电流进行采样并转换成采样电压vcs1。控制单元的输出端与开关电源中的功率开关管的控制端连接。控制单元用于根据输入端的预判值对功率开关管的开关进行控制。如图2所示，该电流补偿电路100包括第一电流补偿模块101、第二电流补偿模块103以及转换模块105。

第一电流补偿模块101的输入端与峰值电流控制电路中的控制单元的输出端200连接。同时，峰值电流控制电路中的控制单元的输出端200与功率开关管的控制端连接(图未示)，以控制功率开关管的开启与闭合。第一电流补偿模块101根据功率开关管的导通时长输出第一补偿电流icomp1，且第一补偿电流icomp1随着功率开关管的导通时长的增大而减小。功率开关管的输入电压变化会引起功率开关管的导通时长的变化。功率开关管的输入电压减小，其导通时间增长，输入电压增大则其导通时间缩短。而功率开关管的输入电压的变化会引起过冲量的变化。故，根据功率开关管的导通时长来对补偿量进行调整，可以补偿由于功率开关管的输入电压引起的过冲量从而消除由于系统响应延时的影响，达到稳定功率开关管的峰值电流的目的。

第二电流补偿模块103的输入端与负载反馈电压输入端300连接。第二电流补偿模块103用于根据负载反馈电压输入端300输入的负载反馈电压生成相应的第二补偿电流icomp2，第二补偿电流icomp2随负载反馈电压的增大而减小，且随负载反馈电压的减小而增大。第二补偿电流icomp2随负载反馈电压的变化而进行相应的补偿，可以补偿由于负载变化带来的过冲量的变化，从而消除由于系统响应延时的影响，达到稳定功率开关管的峰值电流的目的。

转换模块105的一端分别与第一电流补偿模块101的输出端、第二电流补偿模块103的输出端和峰值电流控制电路的控制单元(图未示)的输入端400连接。转换模块105的另一端与峰值电流控制电路的采样单元500连接并接地。转换模块105用于将第一补偿电流icomp1和第二补偿电流icomp2转换为补偿电压并与采样单元500中的采样电压vcs1求和后作为预判值vsense输出给峰值电流控制电路的控制单元。

上述电流补偿电路100，第一电流补偿模块101在功率开关管的导通时间内，输出的第一补偿电流icomp1随功率开关管的导通时间的增大而减小，随功率开关管的导通时间的减小而增大，转换模块105将第一补偿电流icomp1转换成相应的补偿电压也将会随之减小或者增大。功率开关管的输入电压变化会引起功率开关管的导通时长的变化。功率开关管的输入电压减小，其导通时间增长，输入电压增大则其导通时间缩短。也即，第一补偿电流icomp1可以随功率开关管的输入电压减小而减小，转换模块105将第一补偿电流icomp1转换成相应的补偿电压也将会随之减小，从而使得最终的补偿量可以补偿由于功率开关管的输入电压引起的过冲量的变化，从而消除由于系统响应延时的影响，达到稳定功率开关管的峰值电流的目的。第二电流补偿模块103输出的第二补偿电流icomp2随负载反馈电压的增大而减小，随负载反馈电压的减小而增大。转换模块105将第二补偿电流icomp2转换成相应的补偿电压也相应的减小或者增大，从而使得最终的补偿量可以补偿由于负载变化带来的过冲量的变化，从而消除由于系统响应延时的影响，达到稳定功率开关管的峰值电流的目的。，在本实施例中，通过第一电流补偿模块101和第二电流补偿模块103的共同补偿作用，可以同时补偿由于负载变化和功率开关管的输入电压变化而带来的过冲量的变化，最终输入到控制单元的输入端400的预判值vsense能够消除系统延时响应的影响，达到稳定功率开关管的峰值电流的目的。

当功率开关管的输入电压减小或者开关电源的负载增大(也即负载反馈电压增大)时，由采样单元500采集到的采样电压与时间的斜率kcs会减小，从而使得过冲量δv将会减小。故，通过第一电流补偿模块101控制第一补偿电流icomp1随着功率开关管的输入电压减小而减小，通过第二电流补偿模块103控制第二补偿电流icomp2随着开关电源的负载增大而减小，从而减小补偿量，以适应过冲量δv的变化，从而稳定功率开关管mn4的峰值电流。当功率开关管mn4的输入电压增大或者开关电源的负载减小，斜率kcs会增大，过冲量δv也将会随之增大。故，通过第一电流补偿模块101控制第一补偿电流icomp1随着功率开关管的输入电压增大而增大；通过第二电流补偿模块103控制第二补偿电流icomp2随着开关电源的负载减小而增大从而增大补偿量，以适应过冲量δv的变化从而稳定功率开关管的峰值电流。

在本实施例中，通过电流补偿电路进行补偿，可以使得预判值vsense相对导通时间的斜率与采样电压vcs1相对导通时间的斜率发生一定的偏离，使得预判值vsense与采样电压vcs1更接近，如图3所示。

图3为一实施例中采样电压vcs1以及补偿前后预判值vsense的曲线图。如图3所示，补偿前预判值vsense相对时间的曲线为曲线①、补偿后预判值vsense相对时间的曲线为曲线②，采样电压vcs1相对时间的曲线为曲线③。如图3可知，补偿后预判值vsense与采样电压vcs1更接近。

如图4所示，在本实施例中，第一电流补偿模块101包括第一分流单元1011和第二分流单元1013。第一分流单元1011的控制端与控制单元的输出端200连接。第一分流单元1011的输入端与第一参考电流i1的输入端连接。第一分流单元1011的输出端接地。第二分流单元1013的第一输入端与第一参考电流i1的输入端连接。第二分流单元1013的第二输入端与第二参考电流i2的输入端连接。第二分流单元1013的输出端接地。第一补偿电流支路1015与第二参考电流i2的输入端连接。功率开关管导通时，控制单元控制第一分流单元1011关闭，也即是输入到第一分流单元1011的电流i11为零。第二分流单元1013的第一输入端输入的电流i12等于第一参考电流i1。随着功率开关管导通时间的增大，第二分流单元1013根据第一输入端输入的电流i12控制第二输入端输入的电流i21增大，也即是第一补偿电流支路1015输出的第一补偿电流icomp1随着功率开关管导通时间的增大而减小，转换模块105将第一补偿电流icomp1转换成相应的补偿电压也随着功率开关管导通时间的增大而减小。功率开关管的输入电压减小，其导通时间增大。也即是，第一补偿电流icomp1随功率开关管的输入电压减小而减小，转换模块105将第一补偿电流icomp1转换成相应的补偿电压也将会随之减小。反之，第一补偿电流icomp1随功率开关管的导通时间的减小而增大，转换模块105将第一补偿电流icomp1转换成相应的补偿电压也将会随之增大。功率开关管的输入电压增大，其导通时间减小。也即是，第一补偿电流icomp1随功率开关管的输入电压增大而增大，转换模块105将第一补偿电流icomp1转换成相应的补偿电压也将会随之增大。因此，电流补偿电路100能使得峰值电流控制装置稳定功率开关管的峰值电流。

如图5所示，在本实施例中，转换模块105包括第一转换单元1051和第二转换单元1053。第一转换单元1051一端与第一电流补偿模块101、第二电流补偿模块103和控制单元的输入端400连接。第一转换单元1051的另一端与第二转换单元1053一端连接。第一转换单元1051将第一补偿电流icomp1和第二补偿电流icomp2转换为第一补偿电压。第二转换单元1053的另一端接地。第二转换单元1053将第一补偿电流icomp1和第二补偿电流icomp2转换为第二补偿电压。第二转换单元1053与第一转换单元1051连接的连接端还与功率开关管的输出端600连接。第二转换单元1053同时作为采样单元500输出采样电压。第一补偿电压、第二补偿电压以及采样电压求和后作为预判值输出给峰值电流控制电路的控制单元，以控制功率开关管的开启与闭合。

本发明还提供一种峰值电流控制装置，用于对开关电源中的功率开关管的峰值电流进行控制。该峰值电流控制装置包括峰值电流控制电路以及上述任一实施例所述的电流补偿电路100。该峰值电流控制电路包括采样单元以及控制单元。采样单元的输入端与功率开关管的输出端连接，以对功率开关管的输出电流进行采样并转换成采样电压。控制单元的输出端与功率开关管的控制端连接，以根据输入端的预判值对功率开关管的开关进行控制。电流补偿电路与峰值电流控制电路连接以对峰值电流控制电路中的采样电流进行补偿以消除系统延时带来的采样误差。

图6为一实施例中的峰值电流控制装置的电路图。峰值电流控制电路包括控制单元700以及采样单元500。控制单元700包括比较器701和逻辑控制器703。采样单元500包括采样电阻rcs。比较器701的正向输入端与第一转换单元1051连接，比较器701的反向输入端与基准电压vref的输入端连接，比较器701的输出端与逻辑控制器703的输入端连接。逻辑控制器703的输出端与开关电源的功率开关管mn4的控制端连接。采样电阻rcs的一端与功率开关管mn4的输出端连接，采样电阻rcs的另一端接地。

电流补偿电路100的第一电流补偿模块101中，第一分流单元1011包括反相器u1以及第一开关管mn1。第二分流单元1013包括电容c1、第二开关管mn2以及第三电阻rs。反相器u1的输入端与逻辑控制器703的输出端连接，反相器u1的输出端与第一开关管mn1的控制端连接。第一开关管mn1的输入端与第一参考电流i1的输入端连接，第一开关管mn1的的输出端接地。电容c1一端分别与第一参考电流i1的输入端以及第二开关管mn2的控制端连接，电容c1的另一端接地。第二开关管mn2的输入端与第二参考电流i2的输入端连接，第二开关管mn2的输出端与第三电阻rs一端连接。第三电阻rs的另一端接地。第一电流补偿模块101的输出端与第二参考电流i2的输入端连接。

电流补偿电路100的第二电流补偿模块103包括运算放大器1033、第三开关管mn3以及第四电阻rfb。运算放大器1033的正向输入端用于与负载反馈电压vfb输入端连接，运算放大器1033的输出端与第三开关管mn3的控制端连接。第三开关管mn3的输入端与第三参考电流i3的输入端连接。第四电阻rfb一端分别与运算放大器1033的反向输入端以及第三开关管mn3的输出端连接，电阻rfb的另一端连接。第二电流补偿模块103的输出端与第三参考电流i3的输入端连接。

电流补偿电路100的转换模块105的第一转换单元1051包括电阻rcomp，第二转换单元1053包括电阻rcs。电阻rcomp一端分别与第一电流补偿模块101的输出端、第二电流补偿模块103的输出端以及比较器701的正向输入端连接。电阻rcomp另一端与电阻rcs连接。电阻rcs作为采样单元500对功率开关管mn4的输出电流进行采样，同时作为第二转换单元1053将第一补偿电流icomp1以及第二补偿电流icomp2转换成第二补偿电压。

比较器701的正向输入端输入的预判值vsense用于与基准电压vref进行比较，比较器701将比较结果输入到逻辑控制器703中，通过逻辑控制器703控制功率开关管mn4的开启和闭合。预判值vsense的计算公式为：vsense＝vcs1+rcomp(icomp1+icomp2)。其中，icomp1为导通时间的函数，icomp2为负载反馈电压的函数，vcs1为采样电流流经电阻rcs产生的采样电压，预判值vsense为采样电压vcs1和补偿电压之和。因此，预判值vsense可以根据导通时间和负载反馈电压的变化情况对补偿量进行调整，从而补偿由于二者变化带来的过冲量的变化。

为进一步说明补偿效果，下面分别对第一电流补偿模块101和第二电流补偿模块103的补偿原理做进一步详细说明。

参见图6，逻辑控制器703输出的控制信号控制功率管开关管mn4导通的同时，通过反相器u1进行反向形成反向信号。该反向信号将第一开关管mn1关闭，第一参考电流i1开始对电容c1充电。由于充电电流恒定为第一参考电流i1，所以第二开关管mn2控制端的电压vg的变化量可以表示为：

δt为功率开关管的导通时间的变化量。电压vg信号作为带源级负反馈的共源级的输入信号，第二开关管mn2刚开始导通时，其漏级电流变化量δid为：

gm2为第二开关管mn2的跨导。随着第二开关管mn2过驱动电压增大，负反馈效应rs的作用会更加显著。当vg较大时(需将第二开关管mn2仍偏置在饱和区)，id近似为线性，其变化量δid可以表示为：

变化量δid电流从第二参考电流i2中抽取，所以在功率管开关管mn4导通期间，icomp1的变化量为：

随着导通时间的增加，δicomp1的值会越来越小，由于icomp1＝icomp10+δicomp1，其中icomp10为起始量，所以预判值vsense的值与采样电压vcs1的值会越来越靠近。结果如图3所示。因此，当功率开关管mn4的输入电压vdriver减小导致采样电压vcs的斜率kcs减小时，减小第一补偿电流icomp1以使得稳定功率开关管mn4的峰值电流。

对于第二电流补偿模块103而言，由于运算放大器的虚短特性，负载反馈电压vfb转化为电流信号：

ifb也是流经第三开关管mn3的电流。ifb从第三参考电流i3中抽取，所以得到的补偿电流icomp2可以表示为：

在系统上电初始，负载反馈电压vfb为0，icomp2为最大值。当有能量传输到负载后，vfb开始增大，icomp2的值随着vfb的增大而减小，所以vsense的值会更加靠近vcs1，结果如图2所示。因此，当开关电源的负载增大，负载反馈电压vfb增大导致采样电压vcs1的斜率kcs减小时，减小第二补偿电流icomp2以使得稳定功率开关管mn4的峰值电流。

本发明还提供一种开关电源，包括功率开关管mn4，还包括上述实施例所述的峰值电流控制电路。功率开关管mn4的控制端与逻辑控制器703的输出端连接，功率开关管mn4的输出端与电流采样单元500的输入端连接，功率开关管mn4的输入端用于与开关电源的电感连接。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。