开关控制电路和开关电源的制作方法

1.本实用新型属于电力电子领域，涉及一种开关控制技术，特别涉及一种开关控制电路和开关电源。


背景技术：

2.开关电源是电子电源的主要大类产品，由于其重量轻、小型化、输入电压范围宽、功率密度/转换效率高、待机功耗小等众多种优点，而广泛运用于消费电子、通讯设备等多数电子设备。
3.降压型开关电源作为开关电源中较为常用的一种拓扑电路，按照开关电源中的主开关管的设置位置可以分为高压侧降压型开关电源和低压侧降压型开关电源。其中，高压侧降压型开关电源包括主开关管、电感、输出电容和二极管。主开关管的第一端耦接母线电压，电感的第一端耦接主开关管的第二端，输出电容的第一端耦接电感的第二端，输出电容的第二端耦接输入地。二极管的阳极耦接输出电容的第二端，二极管的阴极耦接电感的第一端。为了实现降压型开关电源的恒流控制，一般会在二极管和电感之间设置采样电阻以检测流过电感的电流。但现有技术方案的恒流控制精度不高，在一些应用场景中，对开关电源的输出电压和/或输出电流的精度提出了更高的要求。
4.有鉴于此，需要提供一种新的结构，用于解决上述至少部分问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的一个或多个问题，本实用新型提出了一种开关控制电路和开关电源。
6.根据本实用新型的一个方面，公开了一种开关控制电路，用于控制开关电源中的主开关管，开关电源为高压侧降压型开关电源，所述开关控制电路包括：
7.反馈信号处理电路，其输入端耦接反馈信号端以接收表征开关电源输出信号的反馈信号，其输出端输出低压侧信号；反馈信号为参考地为输入地的信号；
8.信号转换电路，其第一端耦接反馈信号处理电路的输出端，其第二端输出高压侧信号；以及
9.驱动信号产生电路，其输入端耦接信号转换电路的第二端，其输出端用以耦接主开关管。
10.在一个实施例中，所述反馈信号处理电路包括：跨导变换电路，其输入端耦接反馈信号端，其输出端输出低压侧信号，所述低压侧信号为电流信号。
11.在一个实施例中，所述反馈信号处理电路包括：脉宽发生电路，其输入端耦接反馈信号端以接收反馈信号，其输出端输出脉宽信号。
12.在一个实施例中，所述反馈信号处理电路包括：第一跨导运算放大电路，其第一输入端耦接反馈信号端以接收反馈信号，其第二输入端耦接第一基准信号端以接收第一基准信号，其输出端输出低压侧信号。
13.在一个实施例中，所述信号转换电路包括：
14.场效应管，其源极耦接反馈信号处理电路，其控制端耦接第一电压；以及
15.补偿信号产生电路，其输入端耦接场效应管的漏极，其输出端输出补偿信号，高压侧信号为补偿信号。
16.在一个实施例中，所述补偿信号产生电路包括：
17.电流镜，其第一端耦接场效应管的漏极，其第二端输出电流调节信号；
18.第三电阻，其第一端耦接电流镜的第二端，其第二端耦接地；以及
19.误差放大电路，其第一端耦接电流镜的第二端，其第二端耦接第二基准信号端以获取第二基准信号，其输出端输出补偿信号。
20.在一个实施例中，所述补偿信号产生电路包括：
21.电流镜，其第一端耦接场效应管的漏极；
22.第三电阻，其第一端耦接电流镜的第二端；
23.第四电阻；其第一端耦接电流镜的第二端；以及
24.第二电容，其第一端耦接第四电阻的第二端，其第二端耦接第三电阻的第二端，其第一端输出补偿信号。
25.在一个实施例中，所述补偿信号产生电路包括：
26.电流镜，其第一端耦接场效应管的漏极，其第二端输出补偿信号；以及
27.第三电阻，其第一端耦接电流镜的第二端，其第二端耦接地。
28.在一个实施例中，所述补偿信号产生电路包括：
29.第五电阻，其第一端耦接第二电压，其第二端耦接场效应管的漏极；
30.第一跨导运算放大电路，其第一输入端耦接第五电阻的第一端，其第二输入端耦接第五电阻的第二端；
31.第二电容，其第一端耦接第一跨导运算放大电路的输出端，其第二端耦接地；
32.第二跨导运算放大电路，其第一输入端耦接第二电容的第一端，其第二端耦接第三基准信号端以获取第三基准信号；以及
33.第三电容，其第一端耦接第二跨导运算放大电路的输出端，其第二端耦接地，其第一端输出补偿信号。
34.在一个实施例中，所述场效应管为n型结型场效应管或n型金属氧化物半导体场效应管。
35.根据本实用新型的另一个方面，公开了一种开关电源，开关电源为高压侧降压型开关电源，所述开关电源包括如上任一项所述的开关控制电路。
36.本实用新型提出了一种开关控制电路和开关电源。其中，开关控制电路用于控制开关电源中的主开关管，开关电源为高压侧降压型开关电源，开关控制电路包括反馈信号处理电路、信号转换电路和驱动信号产生电路。反馈信号处理电路的输入端耦接反馈信号端以接收表征开关电源输出信号的反馈信号，反馈信号处理电路的输出端输出低压侧信号；反馈信号为参考地为输入地的信号。信号转换电路的第一端耦接反馈信号处理电路的输出端，信号转换电路的第二端输出高压侧信号。驱动信号产生电路的输入端耦接信号转换电路的第二端，驱动信号产生电路的输出端用以耦接主开关管。本实用新型提出的一种开关控制电路和开关电源，通过对输出信号直接采样，能够实现高精度的恒压控制和/或恒
流控制。此外，开关电源的系统工作频率不受信号转换电路响应速度的限制，可以实现系统高频化工作，提高系统功率密度，减小系统体积。
附图说明
37.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，与说明描述一起用于解释本实用新型的实施例，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
38.图1示出了根据本实用新型一实施例的开关电源的电路结构示意图；
39.图2示出了根据本实用新型一实施例的信号转换电路的电路结构示意图；
40.图3示出了根据本实用新型另一实施例的信号转换电路的电路结构示意图；
41.图4示出了根据本实用新型一实施例的开关控制电路的电路结构示意图；
42.图5示出了根据本实用新型另一实施例的开关控制电路的电路结构示意图；
43.图6示出了根据本实用新型又一实施例的开关控制电路的电路结构示意图；
44.图7示出了根据本实用新型一实施例的开关控制电路的电路结构示意图。
具体实施方式
45.为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。
46.该部分的描述只针对几个典型的实施例，本实用新型并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本实用新型描述和保护的范围内。
47.说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、信号放大电路、跟随电路等电路或部件的连接。“多个”或“多”表示两个或两个以上。另外，在本实用新型中，例如第一、第二之类的词语主要用于区分一个技术特征与另一个技术特征，而并不一定要求或暗示这些技术特征之间存在某种实际的关系或者顺序。
48.在如图1所示，本实用新型一实施例公开了一种开关电源，开关电源为高压侧降压型开关电源。开关电源包括主开关管q1、电感l1、第一电容c1和第一二极管d1。主开关管q1的第一端耦接母线电压，电感l1的第一端耦接主开关管q1的第二端，第一电容c1的第一端耦接电感l1的第二端，第一二极管d1的阳极耦接第一电容c1的第二端，第一二极管d1的阴极耦接主开关管q1的第二端。开关控制电路10用于控制开关电源中的主开关管。开关控制电路10包括反馈信号处理电路110、信号转换电路120和驱动信号产生电路130。在一实施例中，开关控制电路10包括主开关管q1。在另一实施例中，主开关管q1设置在开关控制电路10之外。如图1所示，反馈信号处理电路110的输入端接收表征开关电源10输出信号的反馈信号，反馈信号处理电路用于根据反馈信号生成低压侧信号。开关电源的输出信号可以是开关电源的输出电压和/或输出电流。反馈信号为参考地为输入地的信号。反馈信号处理电路110根据反馈信号生成参考地为输入地的低压侧信号。如图1所示的一实施例中，开关电源
还包括第一电阻r1和第二电阻r2，第二电阻r2的第一端耦接第一电容c1的第一端，第一电阻r1的第一端耦接第二电阻r2的第二端，第一电阻r1的第二端耦接输入地。此外，第一电阻r1的第一端耦接开关控制电路10的反馈信号端以提供反馈信号。信号转换电路120的第一端耦接反馈信号处理电路110的输出端，信号转换电路120用于根据低压侧信号生成高压侧信号，低压侧信号为模拟信号，高压侧信号也为模拟信号。高压侧信号为基于浮地的信号，可以根据高压侧信号生成开关控制信号来控制主开关管的状态。驱动信号产生电路130的输入端耦接信号转换电路120的第二端，驱动信号产生电路130的输出端用以耦接主开关管q1，驱动信号产生电路130用于根据高压侧信号生成开关控制信号以控制主开关管。基于本实用新型的开关控制电路，通过输出直接采样，能够实现高精度的恒压控制和/或恒流控制。此外，信号转换电路不直接传输主开关管的开通和关断信号，开关电源的系统工作频率不受信号转换电路响应速度的限制，可以实现系统高频化工作，提高系统功率密度，减小系统体积。
49.在另一实施例中，开关电源包括主开关管q1、电感l1、第一电容c1、第一二极管d1和采样电阻。主开关管q1的第一端耦接母线电压，电感l1的第一端耦接主开关管q1的第二端，第一电容c1的第一端耦接电感l1的第二端，采样电阻的第一端耦接第一电容c1的第二端，第一二极管d1的阳极耦接采样电阻的第二端，第一二极管d1的阴极耦接主开关管q1的第二端。开关控制电路的反馈信号端耦接采样电阻的第一端以获取表征开关电源的输出电流的反馈信号，从而实现开关电源的恒流控制。将采样电阻串联在输出回路上，实现对输出电流的全积分，恒流控制精度更高。
50.在本实用新型的一实施例中，反馈信号表征开关电源的输出电压，开关控制电路根据反馈信号控制开关电源的输出电压，可实现恒压输出。在另一实施例中，反馈信号表征开关电源的输出电流，开关控制电路根据反馈信号控制开关电源的输出电流，可实现恒流输出。在又一实施例中，反馈信号表征开关电源的输出电压和输出电流，可以通过分时采样来分别表征开关电源的输出电压和输出电流，开关控制电路根据反馈信号控制开关电源的输出电压和输出电流。在本实用新型中，通过对输出信号直接采样来进行实时反馈，能实现优异的输出动态响应。
51.在本实用新型的一实施例中，反馈信号处理电路包括第一跨导运算放大电路，第一跨导运算放大电路的第一输入端耦接反馈信号端以接收反馈信号，第一跨导运算放大电路的第二输入端耦接第一基准信号端以接收第一基准信号，第一跨导运算放大电路的输出端输出低压侧信号。信号转换电路包括场效应管和补偿信号产生电路，场效应管的源极耦接反馈信号处理电路的输出端，场效应管的控制端耦接第一电压。补偿信号产生电路的输入端耦接场效应管的漏极，补偿信号产生电路的输出端输出补偿信号，补偿信号产生电路用于根据第一电流生成补偿信号，高压侧信号为补偿信号，第一电流为流过场效应管的漏极的电流。如图2所示的一实施例中，信号转换电路121包括n型结型场效应管和补偿信号产生电路。n型结型场效应管的源极耦接反馈信号处理电路，n型结型场效应管的控制端耦接地。n型结型场效应管可通过通用的高压工艺来实现集成，不需要用到特殊工艺，降低了芯片成本。补偿信号产生电路包括电流镜和第三电阻r3，电流镜的第一端耦接n型结型场效应管的漏极，电流镜的第二端耦接第三电阻r3的第一端，第三电阻r3的第二端耦接地，电流镜的第二端输出补偿信号comph。补偿信号产生电路还包括第二电容，第二电容的第一端耦接
第三电阻的第一端，第二电容的第二端耦接第三电阻的第二端。开关控制电路根据补偿信号comph生成开关控制信号以控制主开关管的开关状态。在一具体的实施例中，驱动信号产生电路包括比较器，比较器的第一端耦接电流镜的第二端以获得补偿信号comph，比较器的第二端耦接锯齿波产生电路，比较器的输出端耦接主开关管q1的控制端。
52.在本实用新型的另一实施例中，如图3所示，信号转换电路122包括n型金属氧化物半导体场效应管(简称nmos晶体管)和补偿信号产生电路，nmos晶体管的漏极耦接补偿信号产生电路，nmos晶体管的源极耦接反馈信号处理电路，nmos晶体管的控制端耦接第一电压vb。
53.在本实用新型的一实施例中，如图4所示，开关控制电路包括反馈信号处理电路113、信号转换电路123和驱动信号产生电路(图中未示出)。反馈信号处理电路113包括跨导变换电路，跨导变换电路的输入端耦接反馈信号，跨导变换电路用于将作为电压信号的反馈信号转换为作为电流信号的低压侧信号。信号转换电路包括高压型的n型结型场效应管和补偿信号产生电路，信号转换电路将低压侧信号转换为高压侧信号。补偿信号产生电路包括电流镜、第三电阻r3和误差放大电路，电流镜的第一端耦接n型结型场效应管的漏极，电流镜根据高压侧信号输出电流调节信号fbh。第三电阻r3的第一端耦接电流镜的第二端，第三电阻r3的第二端耦接地。误差放大电路的第一端耦接电流镜的第二端，误差放大电路的第二端耦接第二基准信号端以获取第二基准信号vref2，误差放大电路的输出端输出补偿信号comph。开关控制电路根据补偿信号comp生成开关控制信号以控制开关管的开关状态。由于低压侧信号和补偿信号不是共地信号，低压侧信号是参考地为实地的信号，补偿信号是参考地为浮地的信号，因此无法直接使用低压侧信号来控制主开关管的开关动作，通过开关控制电路的信号转换，使得高压侧的电路能够及时获知反馈信号，从而进行对应的输出控制。
54.在本实用新型的另一实施例中，如图5所示，开关控制电路包括反馈信号处理电路114、信号转换电路124和驱动信号产生电路(图中未示出)。信号转换电路包括场效应管q4和补偿信号产生电路，具体的，场效应管q4为高压型的nmos晶体管。
55.在本实用新型的一实施例中，如图6所示，开关控制电路包括反馈信号处理电路115、信号转换电路125和驱动信号产生电路(图中未示出)。反馈信号处理电路115包括第一跨导运算放大电路和脉宽发生电路。第一跨导运算放大电路的第一输入端耦接反馈信号端以接收反馈信号，第一跨导运算放大电路的第二输入端耦接第一基准信号端以接收第一基准信号vref1，第一跨导运算放大电路的输出端输出低压侧信号compl。脉宽产生电路的输入端耦接第一跨导运算放大电路的输出端，脉宽产生电路用于根据反馈信号生成脉宽信号，脉宽信号的占空比与反馈信号成比例。信号转换电路包括场效应管q4和补偿信号产生电路,场效应管的漏极耦接补偿信号产生电路的输入端，场效应管的源极耦接反馈信号处理电路115的输出端。补偿信号产生电路包括电流镜、第三电阻r3、第四电阻r4和第二电容c2。电流镜的第一端耦接场效应管q4的漏极，第三电阻r3的第一端耦接电流镜的第二端，第三电阻r3的第二端耦接浮地，第四电阻r4的第一端耦接电流镜的第二端。第二电容c2的第一端耦接第四电阻r4的第二端，第二电容c2的第二端耦接第三电阻r3的第二端，第二电容c2的第一端输出补偿信号comph。开关控制电路将低压侧的反馈信号转换成脉宽信号，脉宽信号的占空比与反馈信号成比例。通过信号转换电路处理使驱动信号产生电路获得高压侧
信号，高压侧信号与脉宽信号的占空比成比例，进而可根据反馈信号来控制主开关管的开关状态。
56.在本实用新型的另一实施例中，如图7所示，开关控制电路包括反馈信号处理电路116、信号转换电路126和驱动信号产生电路(图中未示出)。信号转换电路126包括场效应管q4和补偿信号产生电路。补偿信号产生电路包括第五电阻r5、第一跨导运算放大电路、第二电容c2、第二跨导运算放大电路和第三电容c3。第五电阻r5的第一端耦接第二电压，第五电阻r5的第二端耦接场效应管的漏极。第一跨导运算放大电路的第一输入端耦接第五电阻r5的第一端，第一跨导运算放大电路的第二输入端耦接第五电阻r5的第二端。第二电容c2的第一端耦接第一跨导运算放大电路的输出端，第二电容c2的第二端耦接浮地，第二电容c2的第一端输出一电压信号fbh。第二跨导运算放大电路的第一输入端耦接第二电容c2的第一端，第二跨导运算放大电路的第二端耦接第三基准信号端以获取第三基准信号vref3。第三电容c3的第一端耦接第二跨导运算放大电路的输出端，第三电容c3的第二端耦接浮地，第三电容c3的第一端输出补偿信号comph。
57.结合图2可知，驱动信号产生电路为高压侧电路，即驱动信号产生电路的参考地为浮地，驱动信号产生电路通过信号转换电路得到补偿信号comph，具体工作原理为：当开关电源的输出电压vout减小，低压侧信号compl将增大，补偿信号comph的绝对值将增大。驱动信号产生电路根据补偿信号comph，控制主开关管的导通时间或者工作频率增加(或者导通时间和工作频率均增加)，开关电源传输能量增加，输出电压升高。反之，当开关电源的输出电压vout增大，低压侧信号compl增大，补偿信号comph的绝对值将增大，高压侧控制电路根据补偿信号comph，控制主开关管的导通时间或者工作频率减小(或者导通时间和工作频率均减小)，开关电源传输能量减小，开关电源的输出电压下降；最终实现将开关电源的输出电压控制在设定值。同理，根据以上类似的原理，可实现将开关电源的输出电流控制在设定值。
58.本实用新型的一实施例还公开了一种开关电源，开关电源为高压侧降压型开关电源，开关电源包括如上任一项所述的开关控制电路。
59.本实用新型的一实施例还公开了一种开关控制方法，开关控制方法用于控制开关控制电路，开关控制方法包括：接收表征开关电源输出信号的反馈信号，根据反馈信号生成低压侧信号；反馈信号为参考地为输入地的信号；根据低压侧信号生成高压侧信号；所述高压侧信号为模拟信号；以及根据高压侧信号生成开关控制信号以控制主开关管。在一实施例中，上述的开关控制方法用于控制如上任一所述的开关控制电路。
60.在本实用新型的另一实施例中，开关控制方法包括：反馈信号处理电路的输入端接收表征开关电源输出信号的反馈信号，反馈信号处理电路根据反馈信号生成低压侧信号，反馈信号为参考地为输入地的信号。信号转换电路根据低压侧信号生成高压侧信号，高压侧信号为模拟信号。驱动信号产生电路根据高压侧信号生成开关控制信号以控制主开关管。
61.在本实用新型的一实施例中，低压侧信号为电流信号。在另一实施例中，根据反馈信号生成低压侧信号的步骤具体包括：根据反馈信号生成脉宽信号，脉宽信号的占空比与反馈信号成比例，脉宽信号即低压侧信号。
62.本领域技术人员应当知道，说明书或附图所涉逻辑控制中的“高电平”与“低电
平”、“置位”与“复位”、“与门”与“或门”、“同相输入端”与“反相输入端”等逻辑控制可相互调换或改变，通过调节后续逻辑控制而实现与上述实施例相同的功能或目的。
63.这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对实用新型范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。