一种基于反激式原边反馈的数字恒流控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及开关电源，尤其涉及一种基于反激式原边反馈的数字恒流控制器，可 应用于充电器恒流控制和LED恒流驱动中。
【背景技术】
[0002] 反激式开关电源由于体积小、成本低、可输入电压范围大等优点被广泛应用于小 功率器件中，尤其是充电器和LED驱动器中。恒流输出的开关电源主要应用于充电器在低 负载条件时快速充电，提高能量利用率和工作效率。LED驱动领域中，为了提高LED灯的使 用寿命，同时提高能量的利用率，需要恒定的电流进行驱动。
[0003] 传统反激式变换器恒流控制方案主要有，直接从输出端对输出电流进行直接反馈 进行调节。这种传统的控制方式需要光耦对输入和输出端进行电流隔离，在外界条件变化 时，光耦的能量传输性能会受到很大的干扰，降低控制精度，如图1所示。同时，这种调节方 式，也会降低输出电流的精度。基于此提出了原边反馈的控制方式，通过辅助绕组对输出 电压进行采样，而对输出电流的采样则是通过一个采样电阻对原边电流的峰值进行采样， 从而估计副边环路中输出电流的值，如图2所示。原边反馈的控制方式，消除了光耦隔离装 置，降低了反激式的转换器的成本，同时也提高输出电流和输出电压的精度。
[0004] 常见的实现数字恒流的控制方式有PWM的控制模式实现。该控制模式通过保证原 边峰值电流、去磁时间和开关周期三个量的乘积不变，从而实现恒流输出。但是这样的控制 方式，需要考虑三个量协调控制，实现电路比较复杂。PFM的控制模式有效的降低了控制器 的电路结构，为恒流开关电源常见的控制方式，但是该控制方式下输出的电流纹波比较大。
[0005] 由于模拟技术在电源领域技术比较成熟，设计成本相对比较低。传统开关电源中 实现恒流输出的控制方式主要通过模拟的方式进行设计。然而，模拟技术很难实现复杂算 法的控制，对输出电流或输出电压的精度以及控制速度很难再有所提升。数字控制方式相 比于模拟控制方式在控制算法实现上更加灵活，可以实现复杂的控制算法，提高控制的精 度和速度。
[0006] 现有Matlab和Modelsim软件联合仿真很好的为数字前端设计提供逼近实际的仿 真条件。直接用Verilog HDL等硬件描述语言在Modelsim软件上件编写数字控制器，并通 过联合仿真直接可以观察数字控制器设计中的问题，并进一步优化。这有效的缩短了数字 控制器的设计周期和设计难度，同时提高了市场竞争力。
[0007] 现有技术条件下，模拟控制方式仍然是开关电源领域主要的控制方式。主要是因 为，数字控制器的生产成本比要比模拟控制器高，想要实现高性能的数字控制需要采用高 性能，高成本的模数转换器（ADC)，这无疑增加了数字控制器的生产成本。如何通过良好的 控制技术来取代对高性能模数转换器的要求，同时提高数字实现方式的控制精度，降低生 产成本，成为现在开关电源领域研宄的热门课题。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术对数字控制开关电源设计存在的问题，本发明提供了一种基于反激 式原边反馈的数字恒流控制器，通过数字补偿技术，解决了数字控制器对高成本高性能ADC 的依赖，降低了控制器的成本。同时，数字控制方式，增加了控制的灵活性，提高了输出电流 的精度。
[0009] 为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：一种基于反激式原边反馈的数 字恒流控制器，其特征在于，包括辅助绕组输出电压采样状态机、去磁时间Td补偿模块、双 向计数器模块、原边峰值电流Ip，Pk(n)补偿模块、原边峰值电流阈值设置模块以及开关信 号控制模块；其中：
[0010] 辅助绕组输出电压采样状态机，接收开关信号控制模块输出的Ton开关控制信号 和经辅助绕组上的电压进行分压采样、比较后的高低电平信号Vsamp以及原边峰值电流阈 值设置模块输出的恒流控制标志信号sign_start，输出A、B和C三个控制信号，对应S1、S2 和S3三种状态，用于控制双向计数器加减计数状态，并通过S2状态和S3状态两个起始时 刻计数器count的值Td_l和Td_2,计数得到去磁时间Td_n = Td_l - Td_2, Td_n表示去 磁时间的长度，Td_l和Td_2分别表示去磁时间起始点和结束点计数器的计数值；
[0011] 去磁时间Td补偿模块，接收辅助绕组输出电压采样状态机输出的去磁时间Td_n 和状态信号C、原边峰值电流阈值设置模块输出的恒流控制标志信号sign_start以及时钟 信号elk、复位信号rst，当sign_start和C信号都为高电平，即当前时刻，控制系统运行在 数字恒流控制状态，且状态机运行在S3状态，将去磁时间Td_n通过多路比较模块比较得到 一个数据选择信号data_seleCt控制数据选择器，利用数据选择器从数据寄存器中选择出 当前状态下，需要补偿的时钟周期数ATs(Ii);
[0012] 双向计数器模块，接收辅助绕组输出电压采样状态机输出的A、B、C三个控制信号 和去磁时间Td补偿模块输出的去磁时间补偿值ATs(n)以及开关信号控制模块给出的计 数值count，控制双向计数器的值，最终得到一个该状态下开关周期结束信号cc_sign_off 传递给开关信号控制模块，用于控制开关周期控制信号Ton，使开关周期进入下一个周期循 环；
[0013] 原边峰值电流Ip，pk(n)补偿模块，接收输入原边电流的采样信号Isamp和开关信 号控制模块输出的计数器count信号以及原边峰值电流阈值设置模块输出的恒流控制标 志信号sign_start，将计算得到的原边峰值电流阈值的补偿量AIp，pk(n)传递给原边峰 值电流阈值设置模块；
[0014] 原边峰值电流阈值设置模块，接收原边峰值电流Ip，pk(n)补偿模块输出的原边 峰值电流阈值的补偿量AIp^k(I 1)和开关信号控制模块输出的Ton开关控制信号设置 原边峰值参考阈值Ip, ref (n)，恒流控制工作状态下Ip, ref (n)在每一个开关周期内的 值，通过原边电流最大参考阈值Ip, ref (n)max和原边电流峰值补偿量Alp, pk(n)决定， Ip，ref(n) = Ip，ref(n)max - AIp，pk(n)，式中的 Ip，ref(n)为新的原边峰值参考阈值， 输出给开关信号控制模块，原边峰值电流阈值设置模块输出恒流控制标志信号sign_start 信号，实现控制器不同工作状态的控制和切换；
[0015] 开关信号控制模块，接收原边峰值电流阈值设置模块输出的恒流控制标志信号 sign_start和原边峰值参考阈值Ip, ref (n)以及输入原边电流的采样信号Isamp和双向计 数器模块给出的开关周期结束信号cc_sign_off，结合自有的计数值count，控制和调节开 关管的控制信号Ton。
[0016] 本发明的优点及显著效果：本发明数字恒流控制器控制反激式变换器，让其工作 于断续导通模式（DCM)下，并通过频率脉冲控制（PFM)，保证每个开关周期下原边峰值电流 恒定，同时保证去磁时间和开关周期比例恒定来实现数字恒流。利用数字控制的灵活性，提 出了去磁时间补偿，对采样去磁时间的延迟进行补偿，提高恒流精度。针对反激式系统中存 在的延迟，提出了一种新的原边峰值电流补偿方式，提高了原边电流的补偿精度，使输出电 流的线性度更高。本发明控制方式结构简单，成本低。
【附图说明】
[0017] 图1带光耦隔离的传统反激式变换器系统；
[0018] 图2基于原边反馈的反激式变换器系统；
[0019] 图3本发明所涉及的基于原边反馈的数字恒流反激式系统；
[0020] 图4数字控制的结构框图；
[0021] 图5辅助绕组输出电压采样状态机；
[0022] 图6去磁时间补偿模块电路图；
[0023] 图7双向计数器流程图；
[0024] 图8原边峰值电流补偿效果图；
[0025] 图9原边峰值电流补偿电路图；
[0026] 图10原边峰值电流阈值设置流程图；
[0027] 图11开关信号控制流程图；
[0028] 图12系统主要关键波形总图；
[0029] 图13 Matlab和Modelsim联合仿真效果图；
【具体实施方式】
[0030] 为了更加详细的说明本发明，下面结合附图对本发明具体实施技术方