專利名稱：開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于- -種開關(guān)電源技術(shù)，具體地說是一種開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源能量轉(zhuǎn)換效率高，性能可靠，控制靈活，在電源應(yīng)用中占據(jù)著越來越重要的位置。在開關(guān)電源的控制方法中，對電感電流的控制相當(dāng)重要，尤
其是在電感直接作為電流驅(qū)動器件的時候，比如LED (發(fā)光二極管)驅(qū)動。圖1是LED驅(qū)動中常用的一種結(jié)構(gòu)，由功率開關(guān)M1，發(fā)光二極管，電感L1，續(xù)流二極管D3組成功率級，由電流檢測電阻R2，振蕩器I3，電流限制比較器I2和功率開關(guān)驅(qū)動單元14組成控制機(jī)構(gòu)，其中振蕩器13的輸出連接驅(qū)動單元14的使能端，電流限制比較器12的輸出連接驅(qū)動單元14的復(fù)位端，驅(qū)動單元14連接功率開關(guān)M1的控制端，功率開關(guān)M1的漏端連接電流檢測電阻R2，并輸入到電流限制比較器I2;功率開關(guān)M1的源端連接發(fā)光二極管，電感L1和續(xù)流二極管D3。功率開關(guān)M1在振蕩器I3的上升沿開啟，電感L1的電流在輸入電壓V的作用下不斷升高，當(dāng)電感電流上升到一定程度，電流檢測電阻R2上的電壓達(dá)到電流限制比較器I2設(shè)置的閾值VTH的時候，功率開關(guān)M1被關(guān)斷。功率開關(guān)M1關(guān)斷后，電感L1中的電流繼續(xù)流動，功率開關(guān)M1的漏端電壓不斷升高，使續(xù)流二極管開始工作，這樣電感L1中的電流逐漸減小，直到下一個振蕩器I3的上升沿到來，開始周期運轉(zhuǎn)。
在圖1的控制方法下，控制機(jī)構(gòu)只通過電流檢測電阻R2檢測電感電流。當(dāng)功率開關(guān)M1關(guān)閉后，電感L1的電流通過續(xù)流二極管D3回流，不經(jīng)過檢測電阻R2，因此控制機(jī)構(gòu)無法檢測到電感電流，失去了對電感電流的控制，只能被動的等待下一個振蕩周期的到來。這引起了系統(tǒng)設(shè)計對元器件參數(shù)非常敏感，引起了發(fā)光二極管亮度隨輸入電壓V、 LED數(shù)量和電感感量等參數(shù)的變化而劇烈變化。
為了更好的控制電感電流，出現(xiàn)了另一種控制方法，如圖2所示，其功率級和圖1一樣，由功率開關(guān)M0，發(fā)光二極管，電感L0，續(xù)流二極管D1構(gòu)成?？刂茩C(jī)構(gòu)由電流檢測電阻RO，電流轉(zhuǎn)化裝置I0和R1，滯回比較器I1組成。電流檢測電阻RO和電感、發(fā)光二極管串聯(lián)以檢測電感電流，電流轉(zhuǎn)化裝置10和Rl以電流檢測電阻RO的兩端為輸入，輸出連接到滯回比較器Il，滯回比較器II的輸出驅(qū)動功率開關(guān)M0的控制端，功率開關(guān)的源端直接接地，漏端連接發(fā)光二極管和續(xù)流二極管D1。在這種控制方法中，電感L0和電流檢測電阻R0串聯(lián)，當(dāng)RO檢測到電感電流不高于滯回比較器Il的初始閾值VTH時，滯回比較器Il輸出控制信號開啟功率開關(guān)MO，電感電流逐漸上升，到達(dá)滯回比較器的初始閾值VTH時關(guān)斷功率開關(guān)MO，電感LO中的電流繼續(xù)流動，使續(xù)流二極管開始導(dǎo)通后，電感電流開始下降；在電感電流下降過程中，電流檢測電阻RO始終檢測著電感電流，當(dāng)電感電流下降到滯回比較器Il的新閾值時，功率開關(guān)再一次開啟，開始周期運轉(zhuǎn)。
在圖2的控制方法下，電感電流在功率開關(guān)MO開啟期間和關(guān)斷期間都得到控制，但出現(xiàn)了新的缺點
1) 檢測電阻始終與電感串聯(lián)，導(dǎo)致功率損失，降低了效率；
2) 檢測電阻與輸入電壓直接相連，使具體的控制機(jī)構(gòu)只能適用于一定的輸入電壓范圍；同時在輸入電壓較高的情形下，導(dǎo)致實現(xiàn)控制機(jī)構(gòu)成本較高；
3) 由于驅(qū)動單元的延遲，在不同輸入電壓下，電感電流最大、最小值不同，導(dǎo)致發(fā)光二極管亮度不一致。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，將保持電感電流在功率開關(guān)開啟期間和關(guān)閉期間的控制，提高系統(tǒng)易用性，同時改善系統(tǒng)效率，改善系統(tǒng)適用的輸入電壓范圍，保持在不同輸入電壓下電感電流的一致性，降低系統(tǒng)成本。
按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，包括實現(xiàn)功率管理和轉(zhuǎn)換的功率級，檢測電感電流的電流檢測電阻，當(dāng)電流檢測電阻檢
測到的電壓達(dá)到電流限制比較器的閾值時輸出控制信號，控制功率開關(guān)關(guān)斷的電流限制比較器，和用于驅(qū)動功率開關(guān)的驅(qū)動單元，所述電流限制比較器的輸出連接驅(qū)動單元的復(fù)位端，驅(qū)動單元的輸出端連接功率級中功率開關(guān)的控制端，功率開關(guān)的漏端連接電流檢測電阻，并輸入到電流限制比較器。其特征是采用一個智能關(guān)斷時間控制器自動調(diào)整功率開關(guān)的關(guān)斷時間以控制功率級中電感開啟時刻的電流，所述智能關(guān)斷時間控制器的輸入端連接功率開關(guān)的漏端，智能關(guān)斷時間控制器的輸出端連接驅(qū)動單元的使能端，利用電感開啟時刻的電流大小控制電感的關(guān)斷時間，通過反饋最終將電感開啟時刻的電流控制在指定值。
所述功率級包括依次連接的功率開關(guān)、發(fā)光二極管及電感，還包括與發(fā)光二極管及電感反向并聯(lián)的續(xù)流二極管，所述發(fā)光二極管的負(fù)極和功率開關(guān)的源端連接。所述發(fā)光二極管為一個發(fā)光二極管或幾個發(fā)光二極管的同向串聯(lián)，其個數(shù)只受輸入電壓限制。當(dāng)是幾個發(fā)光二極管的同向串聯(lián)時，所述發(fā)光二極管的負(fù)極指同向串聯(lián)的最外端一個發(fā)光二極管的負(fù)極。
所述智能關(guān)斷時間控制器包括依次連接的采樣保持單元、積分器和壓控延
遲單元；其中，采樣保持單元的輸入端連接功率開關(guān)的漏端，用于采樣并保持
電流檢測電阻在功率開關(guān)開啟時刻檢測到的電壓；積分器用于把采樣保持單元得到的信號和指定閾值電壓VTH—MIN的差值轉(zhuǎn)換成電流并作用于積分器中的積分電容；壓控延遲單元的輸出端連接驅(qū)動單元的使能端，用于把積分器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成一個時間延遲，以控制功率開關(guān)的關(guān)斷時間。
所述功率開關(guān)在智能關(guān)斷時間控制器控制下開啟，功率開關(guān)開啟后，電感的電流流經(jīng)電流檢測電阻；智能關(guān)斷時間控制器在功率開關(guān)開啟后啟動采樣保持單元，獲得電感的電流的初始數(shù)據(jù)，并將所述初始數(shù)據(jù)送入積分器，通過壓控延遲單元來控制關(guān)斷時間。
如果初始數(shù)據(jù)小于額定值，則積分器輸出電壓升高，壓控延遲單元所控制
的延遲時間也增加，相應(yīng)地，功率管的關(guān)閉時間將延長；相反，如果初始數(shù)據(jù) 大于額定值，則積分器輸出電壓降低，壓控延遲單元所控制的延遲時間減少， 相應(yīng)地，功率管的關(guān)斷時間將縮短；在周期運轉(zhuǎn)中，電感開啟時刻的電流將被 控制在指定值。電感電流繼續(xù)上升，電流檢測電阻感知的電壓也繼續(xù)上升，到 達(dá)電流限制比較器指定的閾值時，電流限制比較器發(fā)出關(guān)斷信號，由驅(qū)動單元 關(guān)斷功率開關(guān)，使電感中的電流的最大值被控制在電流限制比較器指定的閾值 電壓VTH。
所述智能關(guān)斷時間控制器有多種實現(xiàn)方式，另一種實現(xiàn)方式為所述智能 關(guān)斷時間控制器包括依次連接的采樣保持單元、給采樣保持單元加上某一延遲 時間的延遲單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)控延遲單元；其中，釆樣保持單元的輸入端 通過延遲單元連接功率開關(guān)的漏端，用于采樣并保持電流檢測電阻在功率開關(guān) 開啟時刻檢測到的電壓；模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于把采樣保持單元得到的信號和指定閾 值電壓VTH一MIN的差值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)控延遲單元的輸出端連接驅(qū)動單 元的使能端，用于把模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換成一個時間延遲，以控制功率開關(guān) 的關(guān)斷時間。
本發(fā)明的優(yōu)點是既控制了功率開關(guān)開啟期間的電流，也控制了功率開關(guān) 關(guān)斷時期(即功率開關(guān)開啟前一時刻)的電流，使得系統(tǒng)設(shè)計變得容易；電流 檢測電阻只在功率開啟期間流過電流，因此提高了系統(tǒng)效率；控制機(jī)構(gòu)不與輸 入電壓直接連接，因此從根本上改善了系統(tǒng)的輸入電壓適用范圍，降低了成本， 同時也非常方便地補(bǔ)償了輸入電壓對平均電流的影響，使發(fā)光二極管在不同輸 入電壓下保持恒定的亮度。


圖1是LED驅(qū)動的原理圖。
圖2是電感電流的另一種控制方法的原理圖。
圖3是本發(fā)明的原理圖。
圖4是智能關(guān)斷時間控制器的一種具體實施電路。 圖5是本發(fā)明的另一種實現(xiàn)。
具體實施例方式
本發(fā)明采用獨特的控制機(jī)構(gòu)來控制電感電流，基本原理是基于電感固有 特性，電感在開啟時刻的電流等于開啟前一時刻的電流，而控制開啟前一時刻 的電流的是功率開關(guān)的關(guān)斷時間、電感值和輸入電壓。因此，檢測開啟時刻的 電流，并使用這個電流去控制關(guān)斷時間，就可以控制電感在開啟時刻的電流。
如圖3所示，功率級和LED驅(qū)動的控制方法相同，包括功率開關(guān)M3，發(fā) 光二極管，電感L3，續(xù)流二極管D9?？刂茩C(jī)構(gòu)有電流檢測電阻R6，電流限制 比較器Ill，驅(qū)動單元I10和一個智能關(guān)斷時間控制器組成。其中智能關(guān)斷時間 控制器包括依次連接的采樣保持單元190、積分器191和壓控延遲單元192;其 中，采樣保持單元190的輸入端連接功率開關(guān)M3的漏端，用于采樣并保持電流檢測電阻R6在功率開關(guān)M3開啟時刻檢測到的電壓；積分器191用于把采樣保 持單元I90得到的信號和指定閾值電壓VTH—MIN的差值轉(zhuǎn)換成電流并作用于積 分器191中的積分電容Cl;壓控延遲單元19;的輸出端連接驅(qū)動單元110的使能 端，用于把積分器I91的輸出電壓轉(zhuǎn)換成一個時間延遲，以控制功率開關(guān)M3的 關(guān)斷時間。
智能關(guān)斷時間控制器的輸出端連接驅(qū)動單元IIO的使能端，電流限制比較器 111的輸出連接驅(qū)動單元110的復(fù)位端，驅(qū)動單元110連接功率開關(guān)M3的控制 端，功率開關(guān)M3的漏端連接電流檢測電阻R6，并輸入到電流限制比較器Ill。 功率開關(guān)M3在智能關(guān)斷時間控制器控制下開啟，功率開關(guān)M3開啟后，電感 L3的電流流經(jīng)電流檢測電阻R6;智能關(guān)斷時間控制器在功率開關(guān)M3開啟后啟 動采樣保持單元I90，獲得電感L3的電流的初始數(shù)據(jù)，并將所述初始數(shù)據(jù)送入 積分器I91，通過壓控延遲單元I92來控制關(guān)斷時間。如果該數(shù)據(jù)小于額定值， 則積分器I91輸出電壓升高，壓控延遲單元I92所控制的延遲時間也增加，相應(yīng) 地，功率管M3的關(guān)閉時間將延長；相反，如果該數(shù)據(jù)大于額定值，則積分器 191輸出電壓降低，壓控延遲單元I92所控制的延遲時間減少，相應(yīng)地，功率管 M3的關(guān)斷時間降縮短。這樣，在周期運轉(zhuǎn)中，電感L3中的電流的初始值將被 控制在額定值。電感電流繼續(xù)上升，電流檢測電阻R6感知的電壓也繼續(xù)上升， 到達(dá)電流限制比較器111指定的閾值電壓VTH時，電流限制比較器111發(fā)出關(guān) 斷信號，由驅(qū)動單元I10關(guān)斷功率開關(guān)M3。這樣，電感L3中的電流的最大值 也被控制在電流限制比較器Ill指定的數(shù)值。
在以上過程中，控制機(jī)構(gòu)本身存在延遲，電流限制比較器Ill發(fā)出關(guān)斷指令， 到功率開關(guān)真正關(guān)斷有一段時間，記為ra，在這段時間，電感電流將繼續(xù)上升，
上升幅度為/ = ^，其中r為輸入電壓，Z為電感量?？梢婋S著輸入電壓的不
同，上升幅度不一樣，導(dǎo)致實際的電感電流最大值在不同電壓下的不一致。但 在本發(fā)明中，不僅控制電感電流最大值，還控制電感電流的初始值，輸入電壓 的延遲就容易通過初始值和最大值相互抵消。本特性獨立于上述控制方法，但 上述控制方法給本特性提供了便利。
圖4給出了智能關(guān)斷時間控制器的一種具體實施電路。所述采樣保持單元 190包括采樣開關(guān)S2和保持電容CO，采樣保持單元190用于采樣并保存電流檢 測電阻R6在功率開關(guān)M3開啟時刻檢測到的電壓；所述積分器191包括電流源 IO和電容Cl及MOS管M4、 M5、 M6、 M7，用于把采樣保持單元得到的信號 和指定數(shù)值VTH_MIN的差值轉(zhuǎn)換成電流并作用于積分電容；所述壓控延遲單 元I92包括電流—kl1、 12、 13、 14、 15、開關(guān)SO、 Sl和電容C2及MOS管M0、 Ml、 M2、 M3、 M8、 M9、 MIO，用于把積分器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成一個時間延遲， 以控制功率開關(guān)的關(guān)斷時間。
壓控延遲單元I92的輸出信號控制功率管的關(guān)斷時間，這樣，當(dāng)檢測到的電 流大于或者小于指定值時，關(guān)斷時間通過反饋不斷調(diào)整，最終使得功率開關(guān)開 啟時刻的電流被控制在指定值，由于功率開關(guān)開啟前后的電流相等，這樣功率開關(guān)開啟前的電流也被控制在指定值。
本發(fā)明的另一種實施方式如圖5所示。所述智能關(guān)斷時間控制器包括依次 連接的采樣保持單元I卯、給采樣保持單元190加上某一延遲時間的延遲單元、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器193和數(shù)控延遲單元194;其中，采樣保持單元190的輸入端通過延 遲單元連接功率開關(guān)M3的漏端，用于采樣并保持電流檢測電阻R6在功率開關(guān) M3開啟時刻檢測到的電壓；模數(shù)轉(zhuǎn)換器193用于把采樣保持單元190得到的信 號和指定電壓閾值VTH—MIN的差值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)控延遲單元194的輸出 端連接驅(qū)動單元IIO的#能端，用于把模數(shù)轉(zhuǎn)換器I93的輸出轉(zhuǎn)換成一個時間延 遲，以控制功率開關(guān)M3的關(guān)斷時間。
以上給出了本發(fā)明的具體實現(xiàn)方法，本發(fā)明的具體實施方式
很多如電感 元件變化為變壓器元件；積分器單元變化為數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器；壓控延遲單元 變化為其他形式的受控延遲單元；采樣保持單元和積分器合二為一；采樣保持 單元、積分器、壓控延遲單元改變成其他等效電路形式等。
所述電感元件變化為變壓器元件是指將各電感L0、L1、L3等替換成變壓器， 變壓器件分為原邊和副邊，都是電感；可以用原邊電感來替換各圖中的電感， 效果不變。
本發(fā)明的特點是
1本發(fā)明在電流檢測裝置只能檢測到功率開關(guān)開啟期間的電流的情況下，實 現(xiàn)在功率開關(guān)關(guān)斷期間對電感電流的控制。
2本發(fā)明用電感在開啟時刻的電流大小來控制電感的關(guān)斷時間，通過反饋最 終將電感開啟電流控制在指定值。
權(quán)利要求
1、一種開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，包括實現(xiàn)功率管理和轉(zhuǎn)換的功率級，檢測電感電流的電流檢測電阻(R6)，當(dāng)電流檢測電阻檢測到的電壓達(dá)到電流限制比較器的閾值時輸出控制信號，控制功率開關(guān)關(guān)斷的電流限制比較器(I11)，和用于驅(qū)動功率開關(guān)的驅(qū)動單元(I10)，所述電流限制比較器(I11)的輸出連接驅(qū)動單元(I10)的復(fù)位端，驅(qū)動單元(I10)的輸出端連接功率級中功率開關(guān)(M3)的控制端，功率開關(guān)(M3)的漏端連接電流檢測電阻(R6)，并輸入到電流限制比較器(I11)，其特征是采用一個智能關(guān)斷時間控制器自動調(diào)整功率開關(guān)(M3)的關(guān)斷時間以控制功率級中電感(L3)開啟時刻的電流，所述智能關(guān)斷時間控制器的輸入端連接功率開關(guān)(M3)的漏端，智能關(guān)斷時間控制器的輸出端連接驅(qū)動單元(I10)的使能端，利用電感(L3)開啟時刻的電流大小控制電感的關(guān)斷時間，通過反饋最終將電感(L3)開啟時刻的電流控制在指定值。
2、 如權(quán)利要求l所述的開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，其特征是所述功率 級包括依次連接的功率開關(guān)(M3)、發(fā)光二極管及電感(L3)，還包括與發(fā)光二 極管及電感(L3)反向并聯(lián)的續(xù)流二極管(D9)，所述發(fā)光二極管的負(fù)極和功率 開關(guān)(M3)的源端連接。
3、 如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，其特征是所述智能 關(guān)斷時間控制器包括依次連接的采樣保持單元(190)、積分器(191)和壓控延 遲單元(192);其中，采樣保持單元(190)的輸入端連接功率開關(guān)(M3)的漏 端，用于采樣并保持電流檢測電阻(R6)在功率開關(guān)(M3)開啟時刻檢測到的 電壓；積分器(191)用于把采樣保持單元(190)得到的信號和指定閾值電壓 VTH—MIN的差值轉(zhuǎn)換成電流并作用于積分器(191)中的積分電容(Cl);壓控 延遲i元(192)的輸出端連接驅(qū)動單元(110)的使能端，用于把積分器(191) 的輸出電壓轉(zhuǎn)換成一個時間延遲，以控制功率開關(guān)(M3)的關(guān)斷時間。
4、 如權(quán)利要求3所述的開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，其特征是所述功率 開關(guān)(M3)在智能關(guān)斷時間控制器控制下開啟，功率開關(guān)(M3)開啟后，電感(L3)的電流流經(jīng)電流檢測電阻(R6);智能關(guān)斷時間控制器在功率開關(guān)(M3) 開啟后啟動采樣保持單元(190)，獲得電感(L3)的電流的初始數(shù)據(jù)，并將所 述初始數(shù)據(jù)送入積分器(191)，通過壓控延遲單元(192)來控制關(guān)斷時間。
5、 如權(quán)利要求3所述的開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，其特征是如果初始 數(shù)據(jù)小于額定值，則積分器(191)輸出電壓升高，壓控延遲單元(192)所控制 的延遲時間也增加，相應(yīng)地，功率管(M3)的關(guān)閉時間將延長；相反，如果初 始數(shù)據(jù)大于額定值，則積分器(191)輸出電壓降低，壓控延遲單元(192)所控 制的延遲時間減少，相應(yīng)地，功率管(M3)的關(guān)斷時間將縮短；在周期運轉(zhuǎn)中， 電感(L3)開啟時刻的電流將被控制在指定值；電感電流繼續(xù)上升，電流檢測電阻(R6)感知的電壓也繼續(xù)上升，到達(dá)電 流限制比較器(111)指定的閾值電壓VTH時，電流限制比較器(111)發(fā)出關(guān)斷信號，由驅(qū)動單元(110)關(guān)斷功率開關(guān)(M3)，使電感(L3)中的電流的最 大值被控制在電流限制比較器(111)指定的閾值(VTH)。
6、如權(quán)利要求l所述的開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，其特征是所述智能 關(guān)斷時間控制器包括依次連接的采樣保持單元(190)、給采樣保持單元(190) 加上某一延遲時間的延遲單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(193)和數(shù)控延遲單元(194);其 中，采樣保持單元(190)的輸入端通過延遲單元連接功率開關(guān)(M3)的漏端， 用于采樣并保持電流檢測電阻(R6)在功率開關(guān)(M3)開啟時刻檢測到的電壓； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(193)用于把采樣保持單元(190)得到的信號和指定電壓閾值 VTH_MIN的差值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)控延遲單元(194)的輸出端連接驅(qū)動單 元(110)的使能端，用于把模數(shù)轉(zhuǎn)換器(193)的輸出轉(zhuǎn)換成一個時間延遲，以 控制功率開關(guān)(M3)的關(guān)斷時間。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種開關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，采用智能關(guān)斷時間控制器自動調(diào)整功率開關(guān)的關(guān)斷時間以控制功率級中電感開啟時刻的電流，智能關(guān)斷時間控制器的輸入端連接功率開關(guān)的漏端，智能關(guān)斷時間控制器的輸出端連接驅(qū)動單元的使能端，利用電感開啟時刻的電流大小控制電感的關(guān)斷時間，通過反饋最終將電感開啟時刻的電流控制在指定值。其優(yōu)點是既控制了功率開關(guān)開啟期間的電流，也控制了其關(guān)斷時期的電流；電流檢測電阻只在功率開啟期間流過電流，提高了系統(tǒng)效率；控制機(jī)構(gòu)不與輸入電壓直接連接，從根本上改善了系統(tǒng)的輸入電壓適用范圍，降低了成本，同時也方便地補(bǔ)償了輸入電壓對平均電流的影響，使發(fā)光二極管在不同輸入電壓下保持恒定的亮度。
文檔編號H03K17/292GK101511141SQ200910026208
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月16日
發(fā)明者王秀蓮 申請人:無錫矽瑞微電子有限公司