專利名稱：開(kāi)關(guān)電源峰值電流控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電源控制技術(shù)，具體涉及開(kāi)關(guān)電源的峰值電流控制裝置。
背景技術(shù)：
針對(duì)例如電池充電器和適配器等應(yīng)用的AC/DC轉(zhuǎn)換，已提出了多種電源控制 方案，可以提供精確的恒壓(CV)、恒流(CC)等控制，得到所需的電力供應(yīng)。例如，BCD semiconductor for ManufacturingLimited提出了多種AC/DC電源控制器，包括原邊控制
(Preliminary Datasheet, Rev. 1. 0,2008 ^9^, http: //www, bcdsemi. ■)。圖1示出了簡(jiǎn)化的采用AP3708控制的反激式原邊控制開(kāi)關(guān)電源，包括電源控制器 AP3708、晶體管Q1、電流檢測(cè)電阻Rcs和變壓器，該變壓器由原邊線圈Np、副邊線圈Ns和輔 助線圈Naux組成。如圖1所示，在原邊恒定峰值電流控制操作中，由電流檢測(cè)電阻Res感應(yīng)原 邊電流Ip，當(dāng)電流Ip上升至峰值電流Ipk (Ipk = Vcs/Rcs)時(shí)，控制器AP3708通過(guò)引腳OUT輸 出控制信號(hào)使得晶體管Ql截止。更具體地，參照?qǐng)D2，示出了原邊峰值電流控制操作有關(guān)的 電路部分，當(dāng)從引腳OUT輸出的晶體管Ql的柵極控制信號(hào)fete為高電平時(shí)，晶體管Ql導(dǎo) 通時(shí)，原邊電流Ip的采樣值(由圖中CS引腳上的電壓Vcs體現(xiàn))會(huì)開(kāi)始上升，當(dāng)其上升到 給定基準(zhǔn)Vlimit (如0. 5V)時(shí)，柵極控制信號(hào)fete被置為低電平，使晶體管Ql截止。但是，由于控制器AP3708中存在一定的傳輸延遲，造成截止信號(hào)存在延遲td，所以 無(wú)法在CS引腳上的電壓Vcs到達(dá)給定值Vlimit時(shí)立即給出截止信號(hào)。因此，當(dāng)原邊電流Ip達(dá) 到峰值電流Ipk時(shí)，Vcs (為原邊電流Ip與采樣電阻Rcs的乘積)會(huì)超過(guò)給定值Vlimit—定的 幅度，幅度的大小的大小與電源的輸入電壓Vin和勵(lì)磁電感Lm( S卩，圖1中U的大小有關(guān)， 關(guān)系如下Km, =~tonpRc,(1)
Lmt。np表示原邊電流Ip的持續(xù)時(shí)間，即晶體管Ql的導(dǎo)通時(shí)間。1T = -^f-(2)
T — ^in (f ,f \ _ Kim" (f . , χ \ _ ^lim// , Kmil ,1PkJ Vonp+ld)~ R + R、
LfniOnp CSCS onp \2S從等式(3)可以看出，由于存在截止信號(hào)延遲td，即使對(duì)于同樣的給定值Vlimit(固 定參數(shù))，超過(guò)給定值Vlimit的幅度的大小在Vin和Lm不同時(shí)也不同，即，考慮到延遲td，實(shí)際 Ipk^Rcs存在變化，導(dǎo)致Ipk發(fā)生變化，而非恒定。圖3示出了在不同Vin和Lm情況下，實(shí)際Ipk 會(huì)發(fā)生變化。這影響了恒定原邊峰值電流控制操作，降低了預(yù)期的控制精度。例如，在電源 控制器AP3708中，控制目標(biāo)是輸出電流I。正比于Ipk，如果Ipk隨Vin和Lm發(fā)生變化，I0也會(huì) 隨Vin和Lm的變化而變化，影響了控制精度。因此，需要一種開(kāi)關(guān)電源的峰值電流控制技術(shù)，即使存在信號(hào)延遲td，也能夠比較 精確地確保IpkRes = K, K代表期望值，避免IpkRes發(fā)生變化。發(fā)明內(nèi)容鑒于上述問(wèn)題，提出了開(kāi)關(guān)電源的峰值電流控制技術(shù)，通過(guò)將峰值電流的基準(zhǔn)電 壓Vlimit設(shè)置成原邊晶體管導(dǎo)通時(shí)間t。np的函數(shù)，取代原有方法中的固定的Vlimit，就可以保 證在任何條件下Ipk*R。s都為期望值K。根據(jù)本實(shí)用新型一方面，一種開(kāi)關(guān)電源的峰值電流控制裝置，包括基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊，包括RC電路，包括電阻器和電容器；第一電壓源和第二電壓源； 開(kāi)關(guān)；其中，電容器的一端與電阻器的一端連接并與開(kāi)關(guān)的非控制端之一連接，電容器 的另一端與第一電壓源的正極連接并與開(kāi)關(guān)的非控制端中的另一端連接，電阻器的另一端 與第二電壓源的正極連接，第一和第二電壓源的負(fù)極連接并接地，開(kāi)關(guān)的非控制端中的所 述另一端接地，其中，原邊晶體管的柵極控制信號(hào)連接至開(kāi)關(guān)的控制端，在柵極控制信號(hào)將原邊 晶體管導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，RC電路執(zhí)行充電，以在電容器的所述一端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓Vlimit。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，基準(zhǔn)電壓Vlimit與開(kāi)關(guān)電源的原邊開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)段t。np 的關(guān)系考慮到由于電路傳輸延遲的造成、使原邊開(kāi)關(guān)晶體管截止的柵極控制信號(hào)的延遲。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊包括m個(gè)電阻電容RC電路以及(m+1)個(gè)電 壓源，m為自然數(shù)。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，電壓源采用恒定電壓源或可調(diào)電壓源。根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例，峰值電流控制裝置還包括比較器，比較器的正相輸入 端連接至開(kāi)關(guān)電源的采樣電壓輸入端，反相輸入端連接至基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊中電容器的所述一 端，輸出端連接至用于產(chǎn)生柵極控制信號(hào)的電路。根據(jù)本實(shí)用新型另一方面，一種開(kāi)關(guān)電源，包括如上所述的峰值電流控制裝置。
通過(guò)
以下結(jié)合附圖說(shuō)明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，將使本實(shí)用新型的上述及其它 目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，其中圖1示出了簡(jiǎn)化的采用AP3708控制的反激式原邊控制開(kāi)關(guān)電源；圖2示出了原邊峰值電流控制操作有關(guān)的電路部分；圖3示出了由于存在截止信號(hào)延遲td，實(shí)際Ipk*Rcs存在變化在不同Vin和Lm情況 下發(fā)生變化的示意圖；圖如和4b分別示出了峰值電流采樣的基準(zhǔn)電壓Vlimit與導(dǎo)通時(shí)間t。np的關(guān)系的 曲線圖以及指數(shù)函數(shù)擬合的曲線圖。圖5示出了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的峰值電流控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6示出了圖5中峰值電流控制裝置的示例電路圖；圖7示出了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的峰值電流控制裝置中有關(guān)信號(hào)的波形圖。
具體實(shí)施方式
本申請(qǐng)發(fā)明人注意到，參照上述等式(3)，如果能夠?qū)⒈硎痉逯惦娏鞑蓸拥腣limit設(shè)置成時(shí)間t。nD的函數(shù)，取代原有方法中的固定的Vlimit，就可以保證在任何條件下Ipk*Rcs者I
為期望值K。由此，根據(jù)
KR.
以及等式(3)，得到
CS Vh
KL
onp
lim,7
t np+td
(4)圖如示出了根據(jù)等式⑷得到的Vlimit與t。np的函數(shù)關(guān)系，具體示出了 Vlimit相對(duì) 于t。np的值的示例。圖如的曲線理論上是雙曲線函數(shù)，這在電路中無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)。因此， 考慮用指數(shù)函數(shù)來(lái)擬合Vlimit與t。np的函數(shù)關(guān)系，而指數(shù)函數(shù)可以用電阻電容構(gòu)成的RC電 路以及電壓源來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖4b示出了采用指數(shù)函數(shù)來(lái)擬合圖如中的雙曲線。為了更加清楚 地示出擬合效果，對(duì)圖如的曲線進(jìn)行了一定縮放，以示出了更長(zhǎng)的時(shí)間段的曲線。在圖4b 中，實(shí)線部分指示圖如中的雙曲線，虛線部分示出了擬合的指數(shù)函數(shù)曲線，稍后將對(duì)其進(jìn) 行更加詳細(xì)的描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，雙曲線函數(shù)可以用一個(gè)或多個(gè)指數(shù)函數(shù)來(lái) 擬合。如果考慮到電路的復(fù)雜程度，可以只用一個(gè)指數(shù)函數(shù)去擬合。但是如果對(duì)電路的復(fù) 雜程度和成本并不敏感，在需要情況下，例如要求更好的精度，可以選用多個(gè)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行 擬合，此時(shí)可以采用對(duì)應(yīng)的多組RC電路和電壓源基準(zhǔn)。采用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合的通式可以 表達(dá)如下
V 二 KtonP
Umi'" t Jrt lonp 十 V
坊 U0IU1
^onpt onp塞onp1-e+ U2\-e RlCl+ …+1-e R-C"(5)等式(5)中，Ui表示電壓源的電壓值，Ri和Ci分別表示RC電路中電阻值和電容值。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)參數(shù)而言，原邊晶體管Ql的導(dǎo)通 持續(xù)時(shí)間t。np都有一個(gè)預(yù)定的變化范圍，在最小導(dǎo)通時(shí)段t。np min與最大導(dǎo)通時(shí)段t。np _之 間。因此，只要在這個(gè)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行函數(shù)擬合，就能夠保證在任何條件下Ipk*R。s都為期望值K， 即，可以對(duì)等式(5)中的1_進(jìn)行限定，S卩，t_ e [t_min t
onp_min onp_max」 如果考慮到電路的復(fù)雜程度，只采用一個(gè)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，則可以得到
^irni/ =
Kt,
onp
tOnp +
a Uq +Ui
^onp
1-e R]Ct
^onp G
onp_mm onp_m？ix J
(6)以上說(shuō)明了本實(shí)用新型的基本構(gòu)思，其中峰值電流控制的基準(zhǔn)Vlimit采用特定的基 準(zhǔn)曲線，而不是固定值。具體地，將峰值電流控制的基準(zhǔn)Vlimit設(shè)置成原邊晶體管導(dǎo)通時(shí)間 t。np的函數(shù)，取代原有方法中的固定的Vlimit，就可以保證在任何條件下Ipk*R。s = K均成立。 在本實(shí)用新型實(shí)施例中，利用電路來(lái)模擬Vlimit與t。np的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型基本構(gòu) )思ο此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，期望值K不必要是固定值，而可以是時(shí)變值。在 K固定的情況下，RC電路的對(duì)應(yīng)電壓源也為固定值。而K為時(shí)變值時(shí)，可以通過(guò)將電壓源設(shè) 置成與K成固定比例的可調(diào)電壓源，來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型構(gòu)思。此外，公式(5)可知，即使K為時(shí)變值，對(duì)RC參數(shù)選擇也是沒(méi)有影響的。以下參照附圖，對(duì)本實(shí)用新型的示例實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，本實(shí)用新型不限于下 述示例實(shí)施例。為了清楚描述本實(shí)用新型的基本思想，附圖中僅示出了與本實(shí)用新型的技 術(shù)方案密切相關(guān)的部件、功能或步驟，并且以下描述中省略了對(duì)已知技術(shù)、功能、部件或步 驟的具體描述。在以下描述中，考慮到電路的復(fù)雜程度，只采用一個(gè)指數(shù)函數(shù)來(lái)擬合Vlimit與t。np 的函數(shù)關(guān)系，因此僅示出了采用單組RC電路進(jìn)行擬合的示例。然而，本實(shí)用新型不限于此。圖5示出了根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的峰值電流控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。相對(duì)于圖 3所示現(xiàn)有的電路部分，除了比較器502之外，峰值電流控制裝置50還包括基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊 504，用于產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源的原邊電流采樣的基準(zhǔn)電壓Vlimit。如上所述，基準(zhǔn)電壓Vlimit與開(kāi)關(guān) 電源的原邊開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)段t。np有關(guān)，使得所述基準(zhǔn)電壓Vlimit能夠限制開(kāi)關(guān)電源的 原邊電流的峰值Ipk，使Ipk*Rcs = K始終成立。不同于圖2所示現(xiàn)有的電路部分，比較器502的反相輸入端不再輸入固定的基準(zhǔn) 電壓(如0. 5V)，而是輸入基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊504所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓。如圖5所示，基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊504所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓Vlimit被輸入至比較器502的反 相輸入端，比較器502的正相輸入端輸入開(kāi)關(guān)電源的采樣電壓Vcs。比較器502將采樣電壓 Vcs與基準(zhǔn)電壓Vlimit相比較，當(dāng)采樣電壓Vcs等于基準(zhǔn)電壓Vlimit時(shí)，比較器502輸出比較結(jié) 果信號(hào)Comp，該比較結(jié)果信號(hào)Comp提供給產(chǎn)生至原邊晶體管Ql的柵極控制信號(hào)fete的電 路(如圖中虛線框所示)，使晶體管Ql截止。同時(shí)，該柵極控制信號(hào)fete也被提供至基準(zhǔn) 產(chǎn)生模塊504。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中多種方法來(lái)產(chǎn)生柵極控制信 號(hào)Gate，同時(shí)提供至基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊504的信號(hào)也可以不是柵極控制信號(hào)Gate，而是與之對(duì) 應(yīng)的特定信號(hào)。產(chǎn)生柵極控制信號(hào)fete的電路也可以采用多種實(shí)現(xiàn)方式。由于這些均與 本實(shí)用新型不相關(guān)，所以圖5僅僅示出了本實(shí)用新型相關(guān)部分，僅僅為了清楚示出本實(shí)用 新型構(gòu)思的目的，而本實(shí)用新型不限于圖5所示示例。圖6示出了圖5中峰值電流控制裝置50的示例電路圖，主要示出了基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊 504的示例電路圖。如圖6所示，基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊504包括電阻器601、電容器602、電壓源603 和604、以及開(kāi)關(guān)605。電容器602和電阻器601構(gòu)成RC充電電路。電容器602的一端與 電阻器601的一端連接，并且與開(kāi)關(guān)605的非控制端之一連接，電容器602的另一端與電壓 源603的正極連接并與開(kāi)關(guān)605的非控制端中另一端連接，電阻器601的另一端與電壓源 604的正極連接，電壓源603和604的負(fù)極連接并接地，開(kāi)關(guān)605的非控制端中的另一端接 地。原邊晶體管的柵極控制信號(hào)fete經(jīng)由反相器連接至開(kāi)關(guān)605的控制端，使得在柵極控 制信號(hào)fete將原邊晶體管Ql導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)605斷開(kāi)，RC電路執(zhí)行充電，該充電是按照上述 擬合指數(shù)函數(shù)曲線(例如，等式(6))來(lái)進(jìn)行的，因此，在電容器602的連接至比較器502的 一端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓Vlimit。當(dāng)原邊電流的采樣電壓Vcs達(dá)到基準(zhǔn)電壓Vlimit時(shí)，柵極控制信號(hào) Gate改變?yōu)閷⒃吘w管Ql截止，并且使開(kāi)關(guān)605閉合，RC電路執(zhí)行放電。開(kāi)關(guān)605可以是PMOS晶體管、NMOS晶體管或雙極性晶體管。例如，假定柵極控制信號(hào)fete為高電平時(shí)，原邊晶體管Ql導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)605斷開(kāi)，柵 極控制信號(hào)fete為低電平時(shí)，原邊晶體管Ql截止，開(kāi)關(guān)605閉合。由此，在柵極控制信號(hào) Gate的高電平持續(xù)時(shí)間上，按照上述擬合指數(shù)函數(shù)曲線，對(duì)電容器602進(jìn)行充電，得到針對(duì)當(dāng)前導(dǎo)通時(shí)段t。np的基準(zhǔn)電壓Vlimit，同時(shí)由于原邊晶體管Ql導(dǎo)通，原邊電流Ip逐漸增加， 當(dāng)Ip逐漸增加到使V。s達(dá)到基準(zhǔn)電壓Vlimit時(shí)，柵極控制信號(hào)fete變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)605閉 合，電容器602迅速放電，同時(shí)原邊晶體管Ql截止，由此，限制了峰值電流，并且避免了由于 電路傳輸延遲、使原邊開(kāi)關(guān)晶體管截止的柵極控制信號(hào)的延遲帶來(lái)的不利影響。再次參見(jiàn)圖4b，示出了采用RC電路和電壓源模擬指數(shù)函數(shù)，以擬合Vlimit_t。np曲線 的具體示例?？梢灾桓鶕?jù)開(kāi)關(guān)電源中電源控制器的特性參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)RC電路和電壓源的參 數(shù)，而與外部電路無(wú)關(guān)。在圖4b中，給定反激式開(kāi)關(guān)電源，延遲td = 150ns, CS期望值K = 0. 5，輸入交流 電壓Vin(85V ^55V)，額定輸出(5V/1A)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，這種功率等級(jí)的電源 中變壓器原邊電感Lm—般在1-1. 5mH之間，采樣電阻Rcs—般在1-1. 5 Ω之間，因此，結(jié)合 上述等式(4)，得到
權(quán)利要求1.一種開(kāi)關(guān)電源的峰值電流控制裝置，包括基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊，包括RC電路，包括電阻器和電容器；第一電壓源和第二電壓源；開(kāi)關(guān)；其中，電容器的一端與電阻器的一端連接并與開(kāi)關(guān)的非控制端之一連接，電容器的另 一端與第一電壓源的正極連接并與開(kāi)關(guān)的非控制端中的另一端連接，電阻器的另一端與第 二電壓源的正極連接，第一和第二電壓源的負(fù)極連接并接地，開(kāi)關(guān)的非控制端中的所述另 一端接地，其中，原邊晶體管的柵極控制信號(hào)連接至開(kāi)關(guān)的控制端，在柵極控制信號(hào)將原邊晶體 管導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，RC電路執(zhí)行充電，以在電容器的所述一端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的峰值電流控制裝置，其中，基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊包括m個(gè)電阻電容 RC電路以及(m+1)個(gè)電壓源，m為自然數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的峰值電流控制裝置，其中，電壓源采用恒定電壓源或可調(diào)電 壓源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的峰值電流控制裝置，還包括比較器，比較器的正相輸入端連 接至開(kāi)關(guān)電源的采樣電壓輸入端，反相輸入端連接至基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊中電容器的所述一端， 輸出端連接至用于產(chǎn)生柵極控制信號(hào)的電路。
5.一種開(kāi)關(guān)電源，包括根據(jù)權(quán)利要求1到4之一所述的峰值電流控制裝置。
專利摘要公開(kāi)了一種開(kāi)關(guān)電源的峰值電流控制裝置，包括基準(zhǔn)產(chǎn)生模塊，包括RC電路，包括電阻器和電容器；第一電壓源和第二電壓源；開(kāi)關(guān)；電容器的一端與電阻器的一端連接并與開(kāi)關(guān)的非控制端之一連接，電容器的另一端與第一電壓源的正極連接并與開(kāi)關(guān)的非控制端中的另一端連接，電阻器的另一端與第二電壓源的正極連接，第一和第二電壓源的負(fù)極連接并接地，開(kāi)關(guān)的非控制端中的所述另一端接地，原邊晶體管的柵極控制信號(hào)連接至開(kāi)關(guān)的控制端，在柵極控制信號(hào)將原邊晶體管導(dǎo)通時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，RC電路執(zhí)行充電，以在電容器的所述一端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。利用本實(shí)用新型，確保了開(kāi)關(guān)電源的控制精度。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且容易實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK201846242SQ201020599318
公開(kāi)日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者任遠(yuǎn)程, 張軍明, 李恩, 王斯然 申請(qǐng)人:成都芯源系統(tǒng)有限公司