一种针对开关电源的多模式工作自适应恒流电路的制作方法

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种针对开关电源的多模式工作自适应恒流电路。

背景技术：

随着开关电源需求量的日益增加，电源主控芯片对功能和性能要求也越高，特别是一些特别应用时，对性能往往要求更高。对于一些原边控制的恒流电路，必须保证其工作在非连续工作模式，但当前的恒流电路在非连续工作模式下不仅效率不能够继续提升，而且外围设计有很大的局限性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是拓扑即可在非连续模式、也可在连续模式工作的自适应恒流电路，实现高精度恒流恒功率的自适应补偿，提供一种针对开关电源的多模式工作自适应恒流电路，既可以工作在连续工作模式也可以工作在非连续工作模式，解决当前恒流电路工作在非连续模式下效率低下，外围电路设计局限性大的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种针对开关电源的多模式工作自适应恒流电路，包括前沿消隐电路、采样电路、反馈电压检测逻辑电路、峰值计算电路和比较器电路，其中，

所述前沿消隐电路的输入端外接开关电源的脉宽调制信号，前沿消隐电路的输出端连接采样电路输入端和比较器电路控制端，所述前沿消隐电路用于屏蔽在开关电源功率管开启瞬间产生的CS电压瞬间尖峰；

所述采样电路的输入端分别外接开关电源CS电压信号、脉宽调制信号和前沿消隐电路输出端，采样电路的输出端连接峰值计算电路，所述采样电路用于采样前沿消隐完成后的开关电源CS电压以及发生过流保护时的开关电源CS峰值电压；

所述反馈电压检测逻辑电路的输入端连接开关电源的电压反馈信号和基准电压信号，反馈电压检测逻辑电路的输出端连接峰值计算电路输入端，所述反馈电压检测逻辑电路用于检测开关电源辅助绕组电压，并产生一个时间信号；

所述峰值计算电路的输入端分别连接反馈电压检测逻辑电路输出端和采样电路输出端，峰值计算电路的输出端连接比较器输入端，所述峰值计算电路用于计算下一周期CS应该达到的峰值电压；

所述比较器电路的两个输入端外接开关电源CS电压信号和峰值计算电路输出端，比较器电路的输出端输出控制逻辑信号，比较器电路的控制端连接前沿消隐电路输出端，所述比较器电路用于比较开关电源CS电压当前数值与下一周期应该达到的峰值电压数值，结合反馈电压检测逻辑电路产生的时间信号，获得用于控制开关电源功率管的控制逻辑信号。

特别地，所述前沿消隐电路包括第一延时器和与非门，所述第一延迟器的输入端外接开关电源脉宽调制信号，第一延迟器的输出端连接与非门一个输入端，与非门的另一个输入端外接开关电源脉宽调制信号，与非门输出端连接采样电路输入端和比较器电路控制端。

特别地，所述采样电路包括反相器、第二比较器，第一P沟道开关管、第一N沟道开关管、第二N沟道开关管、第二延时器、第一电容、第二电容、第三电容和第一传输门，所述反相器输入端外接开关电源脉宽调制信号，反相器的输出端连接第二延时器输入端，所述第二延时器输出端连接第一N沟道开关管的栅极，所述第二比较器的输入端分别连接第一N沟道开关管的漏极和外接开关电源CS电压信号，第二比较器的输出端连接第一P沟道开关管的栅极，第一P沟道开关管的源极连接外部电源，第一P沟道开关管的漏极连接第一N沟道开关管的漏极，所述第一N沟道开关管的源极经第一电容接地，所述第二N沟道开关管的栅极连接前沿消隐电路的输出端，第二N沟道开关管的漏极连接第一N沟道开关管的漏极，第二N沟道开关管的源极经第二电容接地，所述第三电容一端连接第二N沟道开关管的漏极，另一端接地，所述第一传输门控制端分别连接反相器的输入端和输出端，第一传输门的输入端连接第二N沟道开关管的漏极，第一传输门的输出端连接开关电源CS电压信号，所述第一N沟道开关管的源极和第二N沟道开关管源极作为采样输出端连接峰值计算电路。

特别地，所述峰值计算电路包括电压平均电路、第三比较器、第四比较器、第一电流镜、第二电流镜、第三N沟道开关管、第四电容、第五电容和第二传输门，所述电压平均电路输入端连接采样电路输出端，电压平均电路输出端连接第四比较器的一个输入端，所述第四比较器的另一个输入端连接第二电流镜，第四比较器的输出端连接第二电流镜输入端，所述第三比较器输入端分别连接第一电流镜和外接开关电源基准电压，第三比较器的输出端连接第一电流镜输入端，所述第一电流镜输出端连接第三N沟道开关管漏极，所述第三N沟道开关管栅极连接反馈电压检测逻辑电路输出端，第三N沟道开关管的源极连接第一电流镜输出端，第三N沟道开关管的漏极连接第二电流镜输出端，所述第一电流镜的输出端经第四电容接地，所述第二传输门的控制端分别连接采样电路反相器的输入端和输出端，第二传输门的输入端连接第三N沟道开关管的漏极，第二传输门的输出端经第五电容接地，同时第二传输门的输出端作为峰值计算电路的输出连接比较器电路。

特别地，所述第一电流镜包括第二P沟道开关管、第三P沟道开关管、第四N沟道开关管和第一电阻，所述第四N沟道开关管的栅极连接第三比较器输出端，第四N沟道开关管的漏极连接第二P沟道开关管的漏极，第四N沟道开关管的源极串联第一电阻后接地，所述第二P沟道开关管的栅极连接第三P沟道开关管的栅极，第二P沟道开关管的源极连接外部电源，第二P沟道开关管的栅极和漏极短接，所述第三P沟道开关管的源极连接外部电源，漏极作为第一电流镜的输出端连接第三N沟道开关管的漏极。

特别地，所述第二电流镜包括第四P沟道开关管、第五P沟道开关管、第五N沟道开关管、第六N沟道开关管、第七N沟道开关管和第二电阻，所述第五N沟道开关管的栅极连接第四比较器输出端，第五N沟道开关管的漏极连接第四P沟道开关管的漏极，第五N沟道开关管的源极串联第二电阻后接地，所述第四P沟道开关管的栅极连接第五P沟道开关管的栅极，第四P沟道开关管的源极连接外部电源，第四P沟道开关管的栅极和漏极短接，所述第五P沟道开关管的源极连接外部电源，第五P沟道开关管的漏极连接第六N沟道开关管的漏极，所述第六N沟道开关管的源极接地，第六N沟道开关管的漏极和栅极短接，第六N沟道开关管的栅极连接第七N沟道开关管的栅极，所述第七N沟道开关管的源极接地，第七N沟道开关管的漏极作为第二电流镜的输出连接第三N沟道开关管的源极。

特别地，所述反馈电压检测逻辑电路包括第五比较器、或非门、第一RS触发器、第二RS触发器和与门，所述第五比较器的输入端分别连接开关电源的电压反馈信号和基准电压信号，第五比较器的输出端连接或非门的一个输入端，或非门的另一个输入端连接开关电源的脉宽调制信号，非门的输出端连接第二RS触发器的R端，开关电源的脉宽调制信号同时接入第一RS触发器和第二RS触发器的S端，第二RS触发器的R端连接第五比较器的输出端，第一RS触发器的Q端和第二RS触发器的QN端分别连接与门的两个输入端，与门的输出端连接峰值计算电路。

特别地，所述比较器电路包括第一比较器，所述第一比较器的两个输入端分别连接峰值计算电路输出端和开关电源CS电压信号，第一比较器的控制端连接前沿消隐电路输出端，第一比较器的输出端输出控制逻辑信号。

特别地，所述开关管采用场效应晶体管。

特别地，所述开关管采用晶闸管。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明所述一种针对开关电源的多模式工作自适应恒流电路，通过采样在前沿消隐后、开关电源功率管导通期间CS电压数值和在开关电源功率管关断前的瞬间CS电压最大值，结合退磁时间计算下一周期CS应该达到的峰值电压，从而形成负反馈，更好的调节了初级峰值电流，不仅实现了自适应高精度恒流电路还可以将拓扑结构延续到连续工作模式。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的针对开关电源的多模式工作自适应恒流电路结构框图。

图2为本发明实施例1提供的前沿消隐电路原理图。

图3为本发明实施例1提供的采样电路原理图。

图4为本发明实施例1提供的峰值计算电路原理图。

图5为本发明实施例1提供的反馈电压检测逻辑电路原理图。

图6为本发明实施例1提供的开关电源电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，图1为本发明实施例1提供的针对开关电源的多模式工作自适应恒流电路结构框图。

本实施例中，所述一种针对开关电源的多模式工作自适应恒流电路包括前沿消隐电路、采样电路和峰值计算电路、反馈电压检测逻辑电路和比较器电路，，其中：

如图2所示，图2为本发明实施例1提供的前沿消隐电路原理图。

所述前沿消隐电路的输入端外接开关电源的脉宽调制信号，输出端连接采样电路输入端和比较器输入端，用于屏蔽在开关电源功率管开启瞬间产生的CS电压瞬间尖峰，具体包括第一延时器T1和与非门G1，所述第一延迟器T1输入端外接开关电源脉宽调制信号，输出端连接与非门G1的一个输入端；与非门G1的另一个输入端外接开关电源脉宽调制信号，与非门G1的输出端连接采样电路输入端和比较器电路控制端。

如图3所示，图3为本发明实施例1提供的采样电路原理图。

所述采样电路的输入端分别外接开关电源CS电压信号、脉宽调制信号和前沿消隐电路输出端，输出端连接峰值计算电路，用于采样前沿消隐完成后的开关电源CS电压以及发生过流保护时的开关电源CS峰值电压，包括反相器A1、第二比较器COPM2，第一P沟道开关管P1、第一N沟道开关管N1、第二N沟道开关管N2、第二延时器T2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第一传输门TG1，所述反相器A1输入端外接开关电源脉宽调制信号，输出端连接第二延时器T2输入端；所述第二延时器T2输出端连接第一N沟道开关管N1的栅极；所述第二比较器COPM2输入端分别连接第一N沟道开关管N1的漏极和外接开关电源CS电压信号，输出端连接第一P沟道开关管P1的栅极；所述第一P沟道开关管P1的源极连接外部电源，漏极连接第一N沟道开关管N1的漏极；所述第一N沟道开关管N1的源极经第一电容C1接地；所述第二N沟道开关管N2的栅极连接前沿消隐电路的输出端，漏极连接第一N沟道开关管N1的漏极，源极经第二电容C2接地；所述第三电容C3一端连接第二N沟道开关管N2的漏极，另一端接地；所述第一传输门TG1控制端分别连接反相器A1的输入端和输出端，输入端连接第二N沟道开关管N2的漏极，输出端连接开关电源CS电压信号；所述第一N沟道开关管N1的源极和第二N沟道开关管N2源极作为采样输出端连接峰值计算电路。

如图4所示，图4为本发明实施例1提供的峰值计算电路原理图。

所述峰值计算电路输入端分别连接反馈电压检测逻辑电路输出端和采样电路输出端，输出端连接比较器输入端，用于计算下一周期CS应该达到的峰值电压，包括电压平均电路、第三比较器COMP3、第四比较器COMP4、第一电流镜、第二电流镜、第三N沟道开关管N3、第四电容C4、第五电容C5和第二传输门TG2，所述电压平均电路输入端连接采样电路输出端，输出端连接第四比较器COMP4的一个输入端；所述第四比较器COMP4的另一个输入端连接第二电流镜，输出端连接第二电流镜输入端；所述第三比较器COMP3的输入端分别连接第一电流镜和外接开关电源基准电压，输出端连接第一电流镜输入端；所述第一电流镜输出端连接第三N沟道开关管N3漏极；所述第三N沟道开关管N3栅极连接反馈电压检测逻辑电路输出端，源极连接第一电流镜输出端，漏极连接第二电流镜输出端；所述第一电流镜输出端经第四电容C4接地；所述第二传输门TG2的控制端分别连接采样电路反相器A1的输入端和输出端，输入端连接第三N沟道开关管N3的漏极，输出端经第五电容C5接地，同时第二传输门TG2的输出端作为峰值计算电路的输出连接比较器电路。

其中，所述第一电流镜包括第二P沟道开关管P2、第三P沟道开关管P3、第四N沟道开关管N4和第一电阻R1，所述第四N沟道开关管N4的栅极连接第三比较器COMP3输出端，漏极连接第二P沟道开关管P2的漏极，源极串联第一电阻R1后接地；所述第二P沟道开关管P2的栅极连接第三P沟道开关管P3的栅极，源极连接外部电源；所述第二P沟道开关管P2的栅极和漏极短接；所述第三P沟道开关管P3的源极连接外部电源，漏极作为第一电流镜的输出端连接第三N沟道开关管P3的漏极。

其中，所述第二电流镜包括第四P沟道开关管P4、第五P沟道开关管P5和第五N沟道开关管N5、第六N沟道开关管N6、第七N沟道开关管N7和第二电阻R2，所述第五N沟道开关管N5的栅极连接第四比较器COMP4输出端，漏极连接第四P沟道开关管P4的漏极，源极串联第二电阻R2后接地；所述第四P沟道开关管P4的栅极连接第五P沟道开关管P5的栅极，源极连接外部电源，所述第四P沟道开关管P4的栅极和漏极短接；所述第五P沟道开关管P5的源极连接外部电源，漏极连接第六N沟道开关管N6的漏极；所述第六N沟道开关管N6的源极接地，漏极和栅极短接，栅极连接第七N沟道开关管N7的栅极；所述第七N沟道开关管N7的源极接地，漏极作为第二电流镜的输出连接第三N沟道开关管N3的源极。

图5为本发明实施例1提供的反馈电压检测逻辑电路原理图。

所述反馈电压检测逻辑电路的输入端连接开关电源的电压反馈信号和基准电压信号，输出端连接峰值计算电路输入端，用于检测开关电源辅助绕组电压，并产生一个时间信号,包括第五比较器COMP5、或非门G2、第一RS触发器RS1、第二RS触发器RS2和与门G3，所述第五比较器COMP5的输入端分别连接开关电源的电压反馈信号和基准电压信号，输出端连接或非门G2的一个输入端；或非门G2的另一个输入端连接开关电源的脉宽调制信号，输出端连接第二RS触发器RS2的R端；开关电源的脉宽调制信号同时接入第一RS触发器RS1和第二RS触发器RS2的S端；第二RS触发器RS2的R端连接第五比较器COMP5的输出端；第一RS触发器RS1的Q端和第二RS触发器RS2的QN端分别连接与门G3的两个输入端；与门G3的输出端连接峰值计算电路。

所述比较器电路的两个输入端外接开关电源CS电压信号和峰值计算电路输出端，控制端连接前沿消隐电路输出端，输出端输出控制逻辑信号，用于比较开关电源CS电压当前数值与下一周期应该达到的峰值电压数值，结合反馈电压检测逻辑电路产生的时间信号，获得用于控制开关电源功率管的控制逻辑信号，包括第一比较器COMP1，所述第一比较器COMP1的两个输入端分别连接峰值计算电路输出端和开关电源CS电压信号，控制端连接与非门G1的输出端，输出端输出控制逻辑信号。

所述开关电源的自适应采样控制电路具体工作原理为：

如图6所示，图6为本发明实施例1提供的开关电源电路原理图。

当开关电源恒流恒压芯片104上电后，通过启动电阻给启动电容充电，当电容上电压达到芯片内部设定的启动电压时，芯片104启动。在芯片内部发出的PWM信号控制功率管N8导通期间，当芯片104的CS端电压达到设定的电压值时，PWM信号控制关断功率管N8；在PWM信号控制功率管N8关断期间，变压器的辅助绕组和与之相连的原边采样分压电阻对恒流恒压芯片104的FB端提供反馈信号,作为开关电源的恒流恒压芯片的电压反馈信号。

所述前沿消隐电路，在开关电源的脉宽调制信号PWM高电平发出开关电源功率管N8导通信号，第一延时器T1开始计时，计时时间到，第一延时器T1输出高电平。故前沿消隐电路输出信号LEB在PWM发出导通功率管N8信号初期为高电平，经过内部延迟后为低电平，利用这个延迟时间来屏蔽功率管N8开启瞬间在CS端产生的尖峰电压。

所述采样电路，当开关电源恒流恒压芯片104上电后，并且开关电源的脉宽调制信号PWM发出使功率管导通信号后，功率管即导通，芯片104的CS端电压Vcs线性上升。在PWM发出功率管导通信号阶段，PWM为高电平，通过反向器A1后为低电平，此时第一传输门TG1打开。在前沿消隐时间内，第二N沟道开关管N2导通，第一N沟道开关管N1关断，当前沿消隐结束以后，第二N沟道开关管N2关断，此时第二电容C2上采样保持电压为VCS_l；在前沿消隐结束以后，第三电容C3上的电压VCS_S跟随Vcs线性上升，直到上升到PWM为低电平时，此时第一传输门TG1关闭，所以VCS_S电压等于在PWM为低电平前一刻的Vcs。但是由于芯片内部传输延迟等因素此，芯片BD端还未发出关断信号，Vcs此时还在继续线性上升，故将VCS_S和Vcs送入第二比较器COMP2进行比较，VCS_S未达到Vcs时继续对第三电容C3进行充电，一直让VCS_S等于Vcs。当BD关断的前一瞬间，Vcs达到峰值Vcs_max，则此时VCS_S也等于Vcs_max。当PWM为低电平后，经过一段延迟时间后，BD发出关断信号，第二延时器T2开始计时，延时时间到第一N沟道开关管N1导通，从而保证在第一N沟道开关管N1导通时，VCS_S已经达到真正的峰值Vcs_max。在PWM为低电平时，PWMN为高电平，经第二延时器T2延时时间到，PWMN_D为高电平，第一N沟道开关管N1导通，第一P沟道开关管P1关断，第一传输门TG1关闭，此时第一电容C1上的电压保持在Vcs_max。当PWM为高电平时，PWMN为低电平，此时第一N沟道开关管N1关断，所以第一电容C1上的电压保持在Vcs_max。第一电容C1上的采样电压定义为VCS_P。上述描述可知，采样电路在开关电源功率管N8导通期间，在前沿消隐后采样当时的CS电压数值VCS_l,在开关电源功率管N8关断前的瞬间，采样CS最大值VCS_P。

所述比较器电路，其输入端分别连接峰值计算电路输出端和开关电源CS电压信号，控制端连接前沿消隐电路输出的LEB信号，前沿消隐完成后，第一比较器COMP1比较变压器初级电流所产生的CS三角波电压与峰值计算电路计算的下一周期应该达到的峰值电压数值Vcs_cc，并输出控制逻辑信号OCP，当CS达到内部计算出的峰值电压则OCP翻转为低电平，经过系统延时后，功率管关断。

所述反馈电压检测逻辑电路输入端连接开关电源流恒压芯片104的FB端口，在开关电源功率管关断期间，检测从PWM关断到FB电压第一次降为0的时间，即开关电源退磁时间，并以Tdemg输出。

所述峰值计算电路由两路电流镜构成，第一电流镜电流为其中Vref1和R1由芯片内部设定；第二电流镜电流为其中R2由芯片内部设定，且R1和R2高度匹配，Vt为采样到的VCS_l和VCS_P的平均值。在整个PWM周期，第一电流镜都在给第四电容C4充电，由于Tdemg控制第三N沟道开关管N3的通断，故在Tdemg时间内，第二电流镜给第五电容C5放电，在PWM关周期，第四电容C4上的电传到第五电容C5上，并在整个PWM开周期继续保持。如果当前周期CS的峰值电压偏小，则采样到的CS峰值电压VCS_P也相应偏小，则在Tdemg时间内，第二电流镜的放电电流也相应减小，从而第四电容C4上的电压上升，导致其输出电压Vref_cc升高，下一周期的CS峰值电压升高；反之如果当前周期的CS峰值电压偏大，则Vref_cc降低，使下一周期峰值电压降低，从而完成自适应调整。

系统推导如下，系统稳定时，C11电压恒定，则有：

$\frac{Vt}{R2}Tdemg=\frac{Vref1}{R1}T---\left(1\right)$

而

$Ip+I1=\frac{Vcs\_p+Vcs\_l}{Rs}---\left(3\right)$

$Vt=\frac{Vcs\_p+Vcs\_l}{2}---\left(4\right)$

由公式(1)、(2)、(3)、(4)得

$Iout=\frac{1}{4}*Vref1*\frac{R2}{R1}*\frac{n}{Rs},$

当开关电源芯片工作在非连续模式下时，Il为0，且Vcs_l也非常接近于0，同样满足上面恒流公式。其中Vref1为主控芯片内部基准，R2，R1采样高度匹配，所以输出电流精度极高，Rs和安匝比n用于调节输出电流大小以便不同应用。这样变压器初级电感峰值电流大小就不再受到Lp、Vin和Td参数的影响，从而拓扑即可工作在非连续模式也可工作在连续模式下实现高精度恒流恒功率的自适应补偿。

由上述可知，在PWM控制功率导通期间，在前沿消隐结束后，通过CS采样电路采样的到Vcs_l；当它达到峰值时，PWM发出关断信号，再同时通过电路采样到其达到的最大电压Vcs_p，从而通过其CS采样电路得到的Vcs_l和Vcs_p及退磁时间通过峰值电压电路计算出下一开周期的CS峰值，从而形成一个负反馈，从而自动调节CS峰值电压，故变压器初级电感峰值电流大小就不再受到Lp、Vin和Td参数的影响，从而实现高精度恒流的自适应补偿，而且可将拓扑结构延伸至连续工作模式。

需要说明的是，上述第一P沟道开关管P1、第二P沟道开关管P2、第三P沟道开关管P3、第四P沟道开关管P4、第五P沟道开关管P5优选P沟道场效应晶体管或P沟道晶闸管，也可以采用其他开关管；上述第一N沟道开关管N1、第二N沟道开关管N2、第三N沟道开关管N3、第四N沟道开关管N4、第五N沟道开关管N5、第六N沟道开关管N6、第七N沟道开关管N7优选N沟道场效应晶体管或N沟道晶闸管，也可以采用其他开关管。

需要说明的是，上述开关电源基准电压为开关电源恒流恒压芯片内部设定。

需要说明的是，上述电压平均电路用于对Vcs_l和Vcs_p两个电压数值求平均值，采用常规平均电路即可。

本发明所述技术方案，通过采样在前沿消隐后、开关电源功率管导通期间CS电压数值和在开关电源功率管关断前的瞬间CS电压最大值，结合退磁时间计算下一周期CS应该达到的峰值电压，从而形成负反馈，更好的调节了初级峰值电流，不仅实现了自适应高精度恒流电路还可以将拓扑结构延续到连续工作模式。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。