自适应采样电路、控制器及电源转换装置的制作方法

本实用新型涉及集成电路驱动领域技术领域，尤其涉及一种应用于需要电压采样的电源转换装置的自适应采样电路、控制器及电源转换装置。

背景技术：

随着功率半导体技术以及现代控制理论的快速发展，电源转换装置，特别是和市电直接相连接的电源转换装置迅速普及。电源转换装置可以直接将市电的功率转换后供给低压负载。

参考图1，现有电源转换装置架构示意图。控制器12、功率管开关管MP以及磁性器件13相互配合，直接将经过整流桥11整流后市电10的功率转换给低压负载14。控制器12通常通过采样电路121采样与功率开关管MP相串联的采样电阻R_CS上的电压信号，取得负载14上的电流或功率信息；然后通过控制电路122处理，反馈给驱动电路123，以控制功率开关管MP的开启和关闭，实现控制负载14上的电流或是功率为一预设值。因此，采样电路121在电源转换装置中是一个非常重要的功能模块，采样电路121的精度决定整个电源转换装置输出的电压、电流或功率的精度。

参考图2，现有采样电路示意图。现有的采样电路121，包括时钟控制信号CLK，采样第一开关SW1，保持电容C1。采样电路121通过采样该采样电阻R_CS上的电压V_CS，得到峰值电压V_CSPK。在控制电路122输出的时钟控制信号CLK为高电平时，采样电阻Rcs上的电压信号V_CS作为输入电压直接对保持电容C1充电，电容C1上的电压和输入电压V_CS相等；当时钟控制信号CLK变成低电平时，保持电容C1保持此刻的输入电压为V_CSPK，并作为采样输出电压V_O输出到控制电路122。

请一并参考图1-3，其中图3为图2所示现有采样电路的关键点波形图。从图1所示电源转换装置架构示意图可以看出，当时钟控制信号CLK从高电平变成低电平后，还需要经过驱动电路123，以及功率开关管MP从开启状态到关闭状态的固有延时Td；因此输入电压V_CS并不是在时钟控制信号CLK变成低电平以后，立刻变成0。由图3可以看出，由于固有延时Td的存在，导致采样输出电压V_O并不是每个开关周期内采样电阻RCS上的电压V_CS的真实的峰值电压V_CSPK。

为了解决固有延时Td带来的电压采样误差，现有采样电路还会采用延时采样的方法。但是延时时间一致性的问题又会带来输出批量一致性的问题。特别是在隔离高功率因数电路中，系统在每个开关周期内，V_CS电压的斜率和峰值都不一样，所以延时采样并不能解决输出负载线性调整率以及批量一致性的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，针对现有电源转换装置中的采样电路存在由电压采样所引起的输出负载线性调整率以及批量一致性的问题，提供一种自适应采样电路、控制器及电源转换装置，实现精确采样得到采样电阻上电压的峰值电压信号，可以显著提高最终输出到负载上的电流以及功率的精度以及批量一致性。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种自适应采样电路，包括：脉冲生成单元、第一开关、保持电容以及输入电压跟随单元；所述脉冲生成单元，一端用于接收时钟控制信号，另一端电性连接所述第一开关的控制端，所述脉冲生成单元在所述时钟控制信号的上升沿生成一单脉冲信号输出至所述第一开关的控制端；所述第一开关，第一接点电性连接峰值电压输出节点，第二接点接地；所述保持电容，一端电性连接所述峰值电压输出节点，另一端接地；所述输入电压跟随单元，输入端用于接收输入电压，输出端电性连接所述峰值电压输出节点；当所述脉冲生成单元生成所述单脉冲信号输出至所述第一开关的控制端后，所述第一开关导通使得所述保持电容进行放电；当所述单脉冲信号变成低电平关闭所述第一开关后，所述输入电压跟随单元在所述输入电压大于等于所述保持电容上的峰值电压时，保持所述峰值电压跟随所述输入电压的变化并通过所述峰值电压输出节点输出，在所述输入电压低于所述峰值电压时，断开所述输入电压跟随单元和所述峰值电压输出节点之间的连接，所述保持电容保持此时的峰值电压作为最大峰值电压并通过所述峰值电压输出节点输出。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种用于电源转化装置的控制器，所述控制器包括：控制电路、驱动电路以及本实用新型所述的自适应采样电路；所述控制电路分别与所述自适应采样电路以及所述驱动电路电性连接，用于接收输出电压，并根据接收到的输出电压生成时钟控制信号；所述自适应采样电路用于接收所述时钟控制信号，并根据所述时钟控制信号采样所述控制器的输入电压获取峰值电压作为输出电压输出；所述控制电路进一步根据接收到的输出电压生成开关控制信号输出至所述驱动电路；所述驱动电路用于根据所述开关控制信号控制与负载电性连接的功率开关管的开启和关闭。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种电源转换装置，包括与交流电源电性连接的整流桥、以及与所述整流桥电性连接的磁性器件和负载，所述装置还包括：功率开关管、电压采样模块以及本实用新型所述的控制器；所述功率开关管的控制端电性连接所述控制器，第一接点与负载电性连接，第二接点电性连接所述电压采样模块；所述电压采样模块，用于生成在一采样周期内的采样电压，并作为输入电压传送至所述控制器的所述自适应采样电路；所述自适应采样电路采样所述输入电压获取峰值电压并输出作为输出电压；所述控制器的所述控制电路根据所述输出电压生成开关控制信号，通过所述控制器的所述驱动电路控制所述功率开关管的开启和关闭，从而实现对所述负载的恒流或者恒功率控制。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种自适应采样方法，采用本实用新型所述的自适应采样电路，其特征在于，包括如下步骤：1)自适应采样电路接收时钟控制信号，并在所述时钟控制信号的上升沿生成一单脉冲信号，导通与保持电容并联的第一开关，以使所述保持电容进行放电；2)通过所述单脉冲信号关闭所述第一开关，将所述自适应采样电路接收到的输入电压输出到所述保持电容上；3)判断所述输入电压是否大于等于所述保持电容上的峰值电压，若是执行步骤4)，否则执行步骤5)；4)保持所述峰值电压跟随所述输入电压的变化，并通过所述峰值电压输出节点输出；5)断开所述自适应采样电路的所述输入电压跟随单元和所述自适应采样电路的所述峰值电压输出节点之间的连接，所述保持电容保持此时的峰值电压作为最大峰值电压并通过所述峰值电压输出节点输出。

本实用新型的优点在于：通过本实用新型所述的自适应采样电路可以自适应输入电压的变化，在输入电压不低于输出电压时，保持其输出电压跟随输入电压的变化；同时在输入电压低于输出电压时，自适应的断开输出电压和输入电压之间的连接关系。可以精确的采样到输入电压的峰值电压以及最大峰值电压，而且不受控制器内部延时以及输入信号电压斜率的影响。

附图说明

图1，现有电源转换装置架构示意图；

图2，现有采样电路示意图；

图3为图2所示现有采样电路的关键点波形图；

图4，本实用新型所述的电源转换装置架构示意图；

图5，本实用新型所述的自适应采样电路架构的示意图；

图6为图5所示本实用新型所述的采样电路的关键点波形图；

图7，本实用新型所述的自适应采样电路第一实施例的示意图；

图8，本实用新型所述的自适应采样电路第二实施例的示意图；

图9，本实用新型所述的自适应采样方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型提供的自适应采样电路、自适应采样方法、控制器及电源转换装置做详细说明。

参考图4，本实用新型所述的电源转换装置架构示意图。所述的电源转换装置包括：与交流电源40电性连接的整流桥41、以及与所述整流桥41电性连接的磁性器件43和负载44，所述的电源转换装置还包括：功率开关管MP、电压采样模块45以及控制器42。其中，通过控制器42、功率管开关管MP以及磁性器件43的相互配合，直接将经过整流桥41整流后交流电源40的功率转换给负载44。所述交流电源40可以为市电；所述磁性器件43可以为电感或变压器等。

所述整流桥41的输入端与交流电源40电性连接，用于将交流电源40输出的交流电整流为直流电。整流桥41可以为采用四个二极管组成的全桥整流器。整流桥41的输出端可以增设一滤波模块(图中未示出)，对直流电进行滤波。

所述控制器42包括：自适应采样电路421、控制电路422以及驱动电路423。所述控制电路422分别与所述自适应采样电路421以及所述驱动电路423电性连接，用于接收输出电压V_O，并根据接收到的输出电压V_O生成时钟控制信号CLK。所述自适应采样电路421用于接收所述时钟控制信号CLK，并根据所述时钟控制信号CLK采样所述控制器42的输入电压V_CS获取峰值电压V_CSPK作为输出电压V_O输出。所述控制电路422进一步根据接收到的输出电压V_O生成开关控制信号输出至所述驱动电路24。所述驱动电路423用于根据所述开关控制信号控制与负载44电性连接的功率开关管MP的开启和关闭。例如，所述驱动电路423根据开关控制信号中NGATE控制信号控制与负载44电性连接的功率开关管MP开启。

所述功率开关管MP的控制端电性连接所述控制器42，MP的第一接点与负载44电性连接，MP的第二接点电性连接所述电压采样模块45。

所述电压采样模块45，用于生成在一采样周期内的采样电压，并作为输入电压V_CS传送至所述控制器42的自适应采样电路421。可选的，所述电压采样模块45为与所述功率开关管MP的第二接点电性连接的采样电阻Rcs。采样电阻Rcs通过采样所述功率开关管MP的第二接点的电流，生成在一采样周期内的采样电压(即该采样电阻R_CS上的电压V_CS)。

所述控制器42的所述自适应采样电路421采样所述输入电压V_CS获取峰值电压V_CSPK并输出作为输出电压V_O。所述控制器42的控制电路根据所述输出电压V_O生成开关控制信号，通过所述控制器42的驱动电路423控制所述功率开关管MP的开启和关闭，从而实现对所述负载44的恒流或者恒功率控制。由于所述自适应采样电路421可以精确采样所述控制器42的输入电压V_CS得到峰值电压V_CSPK，输出到负载44上的电流以及功率自动跟随峰值电压V_CSPK变化而变化，可以显著提高最终输出到负载44上的电流以及功率的精度以及批量一致性。

作为优选的实施方式，所述控制器42进一步包括输出缓冲电路424，所述输出缓冲电路422分别与所述自适应采样电路421以及所述控制电路422电性连接，用于将所述自适应采样电路421获取的峰值电压V_CSPK缓冲后作为输出电压V_O输出至所述控制电路422。

本实用新型所述的控制器42通过自适应采样电路421采样与功率开关管MP相串联的电压采样模块45的输入电压V_CS，取得负载44上的电流或功率信息；然后通过控制电路422处理，反馈给驱动电路423，以控制功率开关管MP的开启和关闭，实现控制负载44上的电流或是功率为一预设值。且，所述自适应采样电路421可以精确采样所述电压采样模块45传送至所述控制器42的输入电压V_CS得到峰值电压VCSPK，输出到负载44上的电流以及功率自动跟随峰值电压V_CSPK变化而变化，可以显著提高最终输出到负载44上的电流以及功率的精度以及批量一致性。

参考图5，本实用新型所述的自适应采样电路架构的示意图。所述的自适应采样电路421包括：脉冲生成单元51、第一开关SW1、保持电容C1以及输入电压跟随单元52。

所述脉冲生成单元51，一端用于接收时钟控制信号CLK，另一端电性连接所述第一开关SW1的控制端。所述脉冲生成单元51在所述时钟控制信号CLK的上升沿生成一单脉冲信号CLKP输出至所述第一开关SW1的控制端，以将保持电容C1上的电压进行放电清零。所述第一开关SW1，第一接点电性连接峰值电压输出节点，第二接点接地；第一开关SW1采用开关管实现，开关管可以为MOS管或二极管、三极管等晶体管。所述保持电容，一端电性连接所述峰值电压输出节点Q，另一端接地。所述输入电压跟随单元52，输入端用于接收输入电压V_CS，输出端电性连接所述峰值电压输出节点Q。

当所述脉冲生成单元51生成所述单脉冲信号CLKP输出至所述第一开关SW1的控制端后，所述第一开关SW1导通使得所述保持电容C1进行放电。当所述单脉冲信号CLKP变成低电平关闭所述第一开关SW1后，所述输入电压跟随单元52将所述输入电压V_CS输出到所述保持电容C1上；所述输入电压跟随单元52在所述输入电压V_CS大于等于所述保持电容C1上的峰值电压V_CSPK时，保持所述峰值电压V_CSPK跟随所述输入电压V_CS的变化，并通过所述峰值电压输出节点Q输出；所述输入电压跟随单元52在所述输入电压V_CS低于所述峰值电压V_CSPK时，断开所述输入电压跟随单元52和所述峰值电压输出节点Q之间的连接，所述保持电容C1保持此时的峰值电压V_CSPK作为最大峰值电压并通过所述峰值电压输出节点Q输出。

请一并参考图5-6，其中，图6为图5所示本实用新型所述的采样电路的关键点波形图。T1阶段：脉冲生成单元51接收时钟控制信号CLK的输入，同时输出一个和时钟控制信号CLK上升沿相关的单脉冲信号CLKP，该信号通过第一开关SW1对保持电容C1进行放电。T2阶段：当单脉冲信号CLKP变成低电平以后，输入电压跟随单元52将控制器42的输入电压V_CS输出到保持电容C1上，这个阶段保持电容C1上的电压(即峰值电压V_CSPK)完全跟随输入电压V_CS的升高而升高。T3阶段：当时钟控制信号CLK从高电平变成低电平以后，由于控制器42的驱动电路423以及功率开关MP的关闭延时(Td)，输入电压V_CS继续升高，同时保持电容C1上的电压也同步跟随升高。T4阶段：当驱动电路423的延时以及功率管开关MP的关闭延时结束以后，输入电压V_CS快速变成0，由于输入电压V_CS低于保持电容C1上的电压；此时，输入电压跟随单元52将自适应的断开与保持电容C1的连接，保持电容C1上保持的电压将是输入电压V_CS的最大峰值电压V_CSPK，直到下一个时钟控制信号CLK产生的单脉冲信号将保持电容C1上的电压进行放电清零。

本实用新型所述的自适应采样电路可以自适应输入电压的变化，在输入电压不低于输出电压时，保持其输出电压跟随输入电压的变化；同时在输入电压低于输出电压时，自适应的断开输出电压和输入电压之间的连接关系。可以精确的采样到输入电压的峰值电压以及最大峰值电压，而且不受控制器内部延时以及输入信号电压斜率的影响。

参考图7，本实用新型所述的自适应采样电路第一实施例的示意图。所述输入电压跟随单元52包括第一误差放大器OP1和第二开关。所述第一误差放大器OP1，第一输入端用于接收所述输入电压V_CS，第二输入端电性连接所述峰值电压输出节点Q，输出端电性连接所述第二开关的控制端。所述第二开关，第一接点电性连接一电源VCC，第二接点电性连接所述峰值电压输出节点Q。当所述输入电压V_CS大于等于所述保持电容C1上的峰值电压V_CSPK时，所述第一误差放大器OP1和所述第二开关组成负反馈控制环路，使得所述峰值电压V_CSPK跟随所述输入电压V_CS的变化；当所述输入电压V_CS低于所述峰值电压V_CSPK时，所述第一误差放大器OP1输出控制信号关断所述第二开关，使得所述输入电压跟随单元52和所述峰值电压输出节点Q之间的连接断开。

在本实施例中，所述第二开关为P型MOS管MP1；MP1的栅极电性连接所述第一误差放大器OP1的输出端，MP1的源极电性连接一电源VCC，MP1的漏极电性连接所述峰值电压输出节点Q。第一误差放大器OP1的反相输入端与输入电压V_CS耦接，同相输入端与峰值电压输出节点Q。当所述输入电压跟随单元52的输入电压V_CS大于等于保持电容C1上的峰值电压V_CSPK时，第一误差放大器OP1和P型MOS管MP1组成的负反馈控制环路将迫使峰值电压V_CSPK完全跟随输入电压V_CS的升高而升高。当所述输入电压跟随单元52的输入电压V_CS小于峰值电压V_CSPK时，第一误差放大器OP1输出高电平，使P型MOS管MP1处于截止状态，使得由OP1和MP1组成的负反馈控制环路自适应的断开峰值电压V_CSPK和输入电压V_CS之间的连接关系(即断开所述输入电压跟随单元52和所述峰值电压输出节点Q之间的连接)，保持电容C1上将保持此时输入电压V_CS的最大峰值电压V_CSPK。

优选的，自适应采样电路421输出的峰值电压V_CSPK进一步经过输出缓冲电路424缓冲后作为输出电压V_O输出至控制电路422。在本实施例中，所述输出缓冲电路424可以包括第二误差放大器OP2；所述第二误差放大器OP2的第一输入端(在本实施例中为同相输入端) 电性连接所述自适应采样电路的所述峰值电压输出节点Q，第二输入端(在本实施例中为反向输入端)与输出端耦接后电性连接至控制电路422。

参考图8，本实用新型所述的自适应采样电路第二实施例的示意图。与图7所示实施例的不同之处在于，在本实施例中，所述第二开关为N型MOS管MN1；MN1的栅极电性连接所述第一误差放大器OP1的输出端，MN1的源极电性连接所述峰值电压输出节点Q，MN1的漏极电性连接一电源VCC。第一误差放大器OP1与N型MOS管MN1组成负反馈控制环路。

在其它实施方式中，所述第二开关还可以为三极管。例如NPN型三极管或是PNP型三极管，以与第一误差放大器OP1组成负反馈控制环路。具体的电路连接方式可结合NPN型三极管或是PNP型三极管本身特性，并参照图7或图8所示连接方式接入负反馈控制环路，此处不再赘述。

参考图9，本实用新型所述的自适应采样方法的流程图。所述的自适应采样方法采用本实用新型所述的自适应采样电路，包括如下步骤：S91：自适应采样电路接收时钟控制信号，并在所述时钟控制信号的上升沿生成一单脉冲信号，导通与保持电容并联的第一开关，以使所述保持电容进行放电；S92：通过所述单脉冲信号关闭所述第一开关，将所述自适应采样电路接收到的输入电压输出到所述保持电容上；S93：判断所述输入电压是否大于等于所述保持电容上的峰值电压，若是执行步骤S94，否则执行步骤S95；S94：保持所述峰值电压跟随所述输入电压的变化，并通过所述峰值电压输出节点输出；S95：断开所述自适应采样电路的所述输入电压跟随单元和所述自适应采样电路的所述峰值电压输出节点之间的连接，所述保持电容保持此时的峰值电压作为最大峰值电压并通过所述峰值电压输出节点输出。

S91：自适应采样电路接收时钟控制信号，并在所述时钟控制信号的上升沿生成一单脉冲信号，导通与保持电容并联的第一开关，以使所述保持电容进行放电。

请一并参考图5，当所述脉冲生成单元51生成所述单脉冲信号CLKP输出至所述第一开关SW1的控制端后，所述第一开关SW1导通使得所述保持电容C1进行放电。

S92：通过所述单脉冲信号关闭所述第一开关，将所述自适应采样电路接收到的输入电压输出到所述保持电容上。

当所述单脉冲信号CLKP变成低电平关闭所述第一开关SW1后，所述输入电压跟随单元52将所述输入电压V_CS输出到所述保持电容C1上。

其中，步骤S92之前进一步包括：通过与所述自适应采样电路电性连接的电压采样模块生成在一采样周期内的采样电压，并作为输入电压传送至所述自适应采样电路。

S93：判断所述输入电压是否大于等于所述保持电容上的峰值电压，若是执行步骤S94，否则执行步骤S95；S94：保持所述峰值电压跟随所述输入电压的变化，并通过所述峰值电压输出节点输出；S95：断开所述自适应采样电路的所述输入电压跟随单元和所述自适应采样电路的所述峰值电压输出节点之间的连接，所述保持电容保持此时的峰值电压作为最大峰值电压并通过所述峰值电压输出节点输出。

所述输入电压跟随单元52在所述输入电压V_CS大于等于所述保持电容C1上的峰值电压V_CSPK时，保持所述峰值电压V_CSPK跟随所述输入电压V_CS的变化，并通过所述峰值电压输出节点Q输出；所述输入电压跟随单元52在所述输入电压V_CS低于所述峰值电压V_CSPK时，断开所述输入电压跟随单元52和所述峰值电压输出节点Q之间的连接，所述保持电容C1保持此时的峰值电压V_CSPK作为最大峰值电压并通过所述峰值电压输出节点Q输出。

优选的，步骤S95之后进一步包括：根据所述峰值电压输出节点输出的输出电压生成开关控制信号控制与负载电性连接的功率开关管的开启和关闭，从而实现对所述负载的恒流或者恒功率控制。

也即，本实用新型前述的控制器42通过自适应采样电路421采样与功率开关管MP相串联的电压采样模块45的输入电压V_CS，取得负载44上的电流或功率信息；然后通过控制电路422处理，反馈给驱动电路423，以控制功率开关管MP的开启和关闭，实现控制负载44上的电流或是功率为一预设值。且，所述自适应采样电路421可以精确采样所述电压采样模块45传送至所述控制器42的输入电压V_CS得到峰值电压VCSPK，输出到负载44上的电流以及功率自动跟随峰值电压V_CSPK变化而变化，可以显著提高最终输出到负载44上的电流以及功率的精度以及批量一致性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。