一种开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种开关电源，包括：输入端和接地端，正输出端和负输出端，Buck转换电路，以及控制器，本发明的控制器用于依据控制所述第一电感中的峰值电流，调整输出电流，使输出电流被呈现为独立于输入电压和输出负载电压，从而使输出电流不受输入电压或者输出负载电压的变化。
【专利说明】一种开关电源
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及开关电源领域(SMPS )。具体如本发明实施例所涉及的提供恒定输出电流的BUCK转换器电路的开关电源。
【背景技术】
[0002]开关电源系统在传统线性调节电源上存在很多优势。这些优势包括体积小，更好的稳定性和高功效。因此，电源开关被广泛应用在很多领域，如电视，机顶盒，录像机，便携式电话充电器和个人数字助理(PADS)等等。近年来，随着发光二极管(LED)技术的日渐成熟，电源开关作为驱动广泛应用于LED设备中，其中包括背光显示设备和白光灯泡的替代应用。
[0003]开关电源系统有隔离型和非隔离型。在隔离电源中，变压器用来转换初级边和次级边之间的能量。在非隔离型开关系统中，电源开关连接到一个电感器，也连接到输出。当开关导通时，磁能存储在电感中，当开关截止时，能量转移到输出。非隔离型buck转换器趋向于简单的电路系统和低成本。BUCK转换器，也被称为降压转换器，作为非隔离开关电源系统的一个实例被应用于驱动LED照明系统中。
【发明内容】
[0004]发明人已经观察到传统的开关电源在用在驱动LED系统中受到很多限制。例如，当一个开关电源系统用于驱动LED，一般需要提供一个恒定的输出电流，为了保持稳定的LED亮度。当使用不同的交流电源，例如110伏和220伏，传统的LED照明设备通常需要被定制为当地电源。通常需要一个不同的控制电路，或者需要一个额外电源选择性电路。此夕卜，不同于传统白炽灯泡，LED照明设备的行为并不像交流电路中的纯电阻负载。因此，传统的LED灯泡通常不提供在交流功率利用率中的理想的效率，即通过“功率因素”来测量的值。最近美国的能源效率标准需要LED额定功率大于5W，功率因素不低于0.7。欧洲标准需要LED额定功率大于25W，功率因素不低于0.94。传统的设备通常不满足这些标准。另夕卜，BUCK转换器是非隔离型电源，输出电流往往影响输入电压或者输出负载电压的变化。
[0005]本发明的实施例中，开关电源具有一降压式(BUCK)转换器技术:其正极输出终端耦合到输入电压，在正极输出终端和负极输出终端之间产生输出电流和电压。当电感电流放电到零时，控制器开始电感充电的循环，随之而来的是电压转换器运行于临界导通模式(boundary conduction mode,BC Μ)中。控制器被定义用一个参考信号监控电感中的峰值电流，该参考信号基于负极输出终端的瞬时电压和负极输出终端的平均电压之间的比率。在本发明的实施例中，输出电流被呈现为独立于输入电压和输出负载电压。在一些发明的实施例中，输出电流被呈现为取决于某些电阻器的电阻。此外，电源的输入电流与输入电压同相，从而提供高的功率因数。
[0006]在可选择的实施例中，转换器接收负极输出终端补偿信号，其中包括关于输入电压和输出电压的信息。因此，单一的补偿信号可以为控制器提供信息用以补偿输入电压和输出负载电压之间的差异。
[0007]在一些实施例中，电源能够把在BCM模式下的补偿方法和参考信号米样方法结合起来，达到高功率的恒流输出，并且在输入电压和输出负载电压中对变化不敏感。
[0008]本发明的实施例中，电源开关包括输入终端和接地终端，用来接收整流DC输入电压。电源开关还包括正极输出终端和负极输出终端，提供输出电流给输出负载。在一些实施例中，输出负载是LED负载。输出电流被定义从正极输出终端通过输出负载流入负极输出终端。正极输出终端耦合于输入终端。开关式电源具有的降压转换电路，包括一端耦合于负极输出端的第一电感，一开关设备在第一节点稱合于第一个电感的另一端。开关设备率禹合于一个电流感应电阻器，此电阻器稱合于地端。一二极管稱合于输入端和第一节点之间。一输出电容I禹合于正极输出端与负极输出端之间。电源开关系统配置了可以控制第一电感中的峰值电流来调节输出电流的控制器。
[0009]在一些实施例中，降压转换器电路包含了变压器，第一个电感是变压器的初级绕组。变压器还包含了一个提供反馈信号给控制器反馈输入端的辅助绕组，用于监测第一电感的放电和开关设备的导通。
[0010]在开关电源系统的一些实施例中，控制器用于调节输出电流:用由电流感应电阻器获得的信号，控制第一电感中的峰值电流，依据所述峰值电流调节所述输出电流。控制器还用于接收电源开关系统中负极输出端的输出补偿信号。在这些实施例中，控制器还用于补偿输入电压和输出电压中的变化，用来保持恒定输出电流。
[0011]在开关电源系统的一些实施例中，控制器用于根据负输出端瞬时电压与负输出端平均电压之间的比率，控制所述第一电感中的峰值电流，去调整输出电流。控制器使开关电源系统运行在临界导通模式中(BCM)。在这些实施例中，在临界导通模式(BCM)中，当第一电感的电流放电到零时，开关设备导通让电流流入第一电感中。控制器用于保持恒定的独立于输入电流和输出电压的平均输出电流。在一些实施例中，控制器被配置为开关电源系统的输入电流是时变信号，与输入电压同向，从而提供一个高功率因数。
[0012]在开关电源系统的一些实施例中，控制器用于调节输出电流:根据负极输出端的瞬时电压和负极输出端的平均电压之间的比率，控制第一电感中的峰值电流，依据所述峰值电流调节所述输出电流。控制器还用于从开关电源负极输出端接收一输出补偿信号。进一步的，控制器用于使开关电源系统运行在临界导通模式中(BCM)。在这些实施例中，控制器用于保持独立于输入电压和输出电压的恒定平均输出电流。开关电源系统的输入电流是时变信号，与输入电压同向，从而提供一个高功率因素。此外，在输入电压和输出电压中的变化被补偿。
[0013]对于本发明实质和优势的进一步理解可以参考其余部分的说明书及其附图。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]根据本发明的实施例，图1是一用来说明开关电源驱动LED串的简单示意图。
[0015]根据本发明的实施例，图2为当开关导通时，输入电流对电感充电的路径图，其中粗线部分为电流路径，箭头表示电流方向。
[0016]根据本发明的实施例，图3为当开关截止时，电感电流向输出电容放电的路径，其中粗线部分为电流路径，箭头表示电流方向。[0017]根据本发明的实施例，图4为负极输出端的电压是输入电压函数的波形图，其输入电压相位角Θ在(0，31)之内。
[0018]图5为在不同输入电压和输出负载条件下,参考电压VCS(ref)是输入电压的函数，其中输入电压相角Θ在一个周期(0，π)之内。
[0019]图6为瞬时电流通过电感器、峰值电感电流的包络、控制器的输出信号的波形图。
[0020]图7为在不同输入电压和输出负载条件下，平均输出电流作为输入电压的函数，输入电压的相角Θ在半个周期(0，π)之内的实例。
[0021]图8为在不同输入电压和输出负载条件下,输入电流和输入电压之间的关系是输入电压的函数，输入电压相角Θ在半个周期(0，π)之内。
[0022]图9为电源控制器900的结构示意图。
[0023]图10电源开关1000的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0025]根据本发明的实施例，图1是一张用来说明开关电源(SMPS)IOO驱动发光管(LED)串135的简单示意图。根据图1所示，开关电源100包含一个输入端130和一个地端139，接收含有二极管桥的整流电路101中的整流DC输入电压，整流L端和N端之间的AC输入电压。电源开关100还包含了负极输出端131 (标签为LED+)和负极输出端132 (标签为LED— )，产生输出电流1到LED负载135。根据图1所示，负极输出端131的输出电流1通过LED负载135流入负极输出端132。另外。负极输出端131连接到输入端130，整流输入电压Vin。在这个例子中，电源开关100还包含了降压转换器电路140。
[0026]根据图1所示，降压转换器电路140还包含了耦合在负极输出端132和第一节点137之间的第一电感141。第一电感141耦合在第一节点137上的二极管104，二极管104耦合于输入端130和负极输出端131。在图1的实例中，电感141是变压器106的初级绕组，变压器106包含初级绕组141和辅助绕组142。然而，在一些实施例中，单一的电感141被利用，不需要变压器和辅助绕组。降压转换器电路140还包含了开关设备120，耦合于第一电感141和在第一节点137的二极管104。在这个例子中，开关设备120作为MOS功率晶体管所示。在其他的实施例中，开关设备的其他类型，例如双极性晶体管被使用。开关设备120通过电感119耦合于地端139。降压转换器电路130的输出电容器105耦合在输出端131和负极输出端132之间。
[0027]根据图1所示，开关电源100还包含了调节输出电流1的控制器150，控制器150包含了接收电流感应信号Vcs的输入端CS，CS通过电感器141和开关设备120连接到电流。在图1中，CS端通过电容器117耦合于开关设备120和电流感应电阻119。控制器150还包含了一个接收反馈信号VFB的FB端，反映了电感器中的电流。在图1的实例中，通过电阻器107和108所形成的电压分压，FB信号来自于辅助绕组142。在这个实施例中，辅助绕组142通过VCC端提供功率到控制器150。控制器150还包含一个输出端0UT，产生控制信号去控制导通和截止开关设备120，从而调节电源开关的输出电流Ιο。当开关设备导通时，输入电压Vin通过电感器141将电流流入，存储于电感器中的磁性能量。当开关设备截止时，存储在电感器中的磁性能量充电给输出电容器105.根据本发明的实施例，图2是强调了当开关导通时，输入电流向电感充电的路径，其中粗线部分为电流路径，箭头方向代表电流流向。图3是强调了当开关截止时，电感电流向输出电容放电的路径，其中粗线部分为电流路径，箭头方向代表电流流向。
[0028]在一些发明的实施例中，控制器150配置为导通开关设备120，允许电流通过电感器流入，当反馈信号VFB低于参考信号时，表明电感电流下降，BUCK转换器电路需要更多的电流。换句话说，当VFB下降到目前的参考值，控制器150产生OUT信号来导通开关设备。当电流感应信号VCS达到峰值参考电压时，控制器150配置为截止开关停止电感器充电。根据峰值电流参考值，开关电源运行在三种模式之一中。在持续的导电模式中(CCM)，电感电流在运行周期中从未降到零。在不连续模式中(DCM)，电感电流在一个运行周期中的一段时间为零。临界导通模式(BCM)是处在CCM和DCM之间的一个模式，当电感电流降为零时，开关导通使的电感电流再次流入。
[0029]在本发明的实施例中，电感器中的电流持续上升，直到达到预设峰值电流Ipk,这时的条件是表明此时电流感应信号VCS达到参考值VCS (ref)。根据图1所示，正极输出端131 (LED+)的电压与整流输入电压Vin相同，负极输出端132 (LED-)根据开关电源输出电容器105的电压Vo的变化而变化，Vo是开关电源的输出电压。控制器150配置为根据需要来调节开关电源的输出Vo和1来导通和截止开关设备120。
[0030]需要值得注意的是，本发明的实施例中，开关电源配置为保持恒定的平均输出电压Vo和输出电流1，但是Vo和1的瞬时值可以具有时变特性。在驱动LED灯系统中，像那些可以用在照明或者背光应用中，电源提供恒定的电流给LED维持稳定的亮度，是非常可取的。然而，由于视觉暂留效应，在比一毫秒还要短的时间内，人类的眼睛通常无法检测到亮度变化。在本发明的一些实施例中，稳定的亮度通过电源保持，此电源在一个时间尺度中，产生充分的恒定平均输出电流，举例来说，10毫秒或者更长。在一些实施例中，输出电流没有高于IOOHz频率的谐波成分。在LED驱动应用中使用这种电源，LED设备的亮度似乎可以恒定，人眼检测不到亮度变化。在不到10毫秒的时间尺度内，平均输出电流随着时间的变化而变化。
[0031]为了获得高功率因素，最理想的是Vin保持Vac的某些时变特点。因此，电容器102选择一个相对较低的电容。在一些实施例中，电容器102的电容可以在IOnF到IOOnF之间。相比之下，在传统的电源中，整流电容器有一个大约5uF的电容。当然。根据本发明的实施例，电容器102大于IOOnF或者小于10nF。在本发明的实施例中，整流输入电压Vin
的瞬时值可以表示为W WzVisinP，相角Θ处于AC输入电压的半个周期内(0，π )。根据
图1所示，在负极输出端132 (LED-)上的电压的瞬时值(VLED-)可以表示如下:
[0032]V2.Vin.sin Θ - Vo
[0033]图4是用来说明在半周期(0，JO之内VLED-作为输入电压相角Θ函数的波形图。
[0034]在一些实施例中，控制器150有一个接收采样输出信号VVS的输入端VS，VVS来自开关电源的负极输出端132(LED_)。根据图1所示，VS端通过来自于电阻112的电压，耦合于负极输出端132，电阻113和电容器114并联组合。电容器114主要用于过滤电路中的噪音，因此，可以有一个相对较低的电容器，举例来说，从几十个PF到几个nF。在其他的实施例中，电容器114的电容在1.0pF到IOnF范围内。这里，Vvs代表了在负极输出端132中检测的采样瞬时值，可以表示如下:
[0035]
【权利要求】
1.一种开关电源，其特征在于，包括: 输入端和接地端，用于接收整流的直流输入电压； 正输出端和负输出端，用于为输出负载提供输出电流，所述输出电流从正输出端通过输出负载流向负输出端，所述正输出端I禹合于所述输入端； Buck转换电路,包括: 第一电感，所述第一电感一端与所述负输出端稱合； 开关设备，所述开关设备与所述第一电感的另一端耦合于第一节点，所述开关设备耦合于一与所述接地端连接的电流检测电阻； 二极管，所述二极管耦合于所述输入端与第一节点之间； 输出电容，所述输出电容I禹合于所述正输出端与负输出端之间； 控制器，用于根据负输出端瞬时电压与负输出端平均电压之间的比率，控制所述第一电感中的峰值电流，并依据所述峰值电流调整输出电流，所述控制器还用于接收来自于开关电源的负输出端的输出补偿信号； 其中所述控制器用于使得所述开关电源运行在临界导通模式。
2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制器还用于: 在临界导通模式中，当所述第一电感中的电流放电至零时，控制所述开关设备导通，允许电流流过所述第一电感。
3.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制器还用于保持恒定平均输出电流，使所述平均输出电流独立于输入电压和输出负载电压。
4.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述输入电流为与输入电压同相的时变信号，从而提供高功率因数。
5.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制器被还用于:用单独的信号检测补偿信号去补偿在输入电压和输出负载电压中的变化。
6.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制器包括: 第一输入端，用于接收来自于所述开关电源的负输出端的瞬时电压信号Vvs ； 第二输入端，用于接收来自于开关电源负输出端的平均电压信号Vva ； 第三输入端，用于接收与经过所述第一电感和开关设备的电流有关的电流感应信号，其中，第三输入端还通过接收补偿信号的补偿电阻，耦合于开关电源的负输出端； 输出端，用于提供控制信号去导通和截止所述开关设备，调节开关电源的输出电流；其中，当开关设备导通时，在第一电感中建立电流，当开关设备截止时，第一电感中的电流向输出电容放电； 其中控制器用于提供参考信号，参考信号为:VcS(_ - ^。
VVA
7.如权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述控制器的第一输入端通过第一分压器耦合于开关电源的负输出端，所述第一分压器包括与第二电阻和第一电容并联组合串联的第一电阻，第一电容用于提供瞬时电压信号Vvs。
8.如权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述控制器的第二输入端通过第二分压器耦合于开关电源的负输出端，第二分压器包括与第四和第二电容并联组合串联的第三电阻，所述第二电容用于提供平均电压信号vVA。
9.如权利要求8所述的开关电源，其特征在于，所述第一电容的电容值在1.0pF至IOnF范围内，第二电容的电容值在IOOnF tolOyF范围内。
10.如权利要求8所述的开关电源，其特征在于，平均输出电流被定义为
11.如权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述控制器的第三输入端耦合于电流检测电阻，用于接收电流检测信号，其中第三输入端通过用于接收输出补偿信号的补偿电阻率禹合于开关电源的负输出端。
12.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述Buck转换电路包括变压器，且所述第一电感为变压器的原边绕组，所述变压器还包括提供反馈信号给控制器反馈输入端，用于监控第一电感放电以及导通开关设备的辅助绕组。
13.一种开关电源，其特征在于，包括: 输入端和接地端，用于接收整流的直流输入电压； 正输出端和负输出端，用于为输出负载提供输出电流，所述输出电流从正输出端通过输出负载流向负输出端，所述正输出端I禹合于所述输入端； Buck转换电路,包括: 第一电感，所述第一电感一端与所述负输出端稱合； 开关设备，所述开关设备与所述第一电感的另一端耦合于第一节点，所述开关设备耦合于一与所述接地端连接的电流检测电阻； 二极管，所述二极管耦合于所述输入端与第一节点之间； 输出电容，所述输出电容I禹合于所述正输出端与负输出端之间； 控制器，用于根据负输出端瞬时电压与负输出端平均电压之间的比率，控制所述第一电感中的峰值电流，并依据所述峰值电流调整输出电流； 其中所述控制器用于使得所述开关电源运行在临界导通模式。
14.如权利要求13所述的开关电源，其特征在于，所述控制器还用于: 在临界导通模式中，当所述第一电感中的电流放电至零时，控制所述开关设备导通，允许电流流过所述第一电感。
15.如权利要求13所述的开关电源，其特征在于，所述控制器还用于保持恒定平均输出电流，使所述平均输出电流独立于输入电压和输出负载电压。
16.如权利要求13的开关电源，其特征在于，所述输入电流为与输入电压同相的时变信号，从而提供高功率因数。
17.如权利要求13的开关电源，其特征在于，所述Buck转换电路包括变压器，且所述第一电感为变压器的原边绕组，所述变压器还包括提供反馈信号给控制器反馈输入端，用于监控第一电感放电以及导通开关设备的辅助绕组。
18.一种开关电源，其特征在于，包括: 输入端和接地端，用于接收整流的直流输入电压；正输出端和负输出端，用于为输出负载提供输出电流，所述输出电流从正输出端通过输出负载流向负输出端，所述正输出端I禹合于所述输入端； Buck转换电路,包括: 第一电感，所述第一电感一端与所述负输出端稱合； 开关设备，所述开关设备与所述第一电感的另一端耦合于第一节点， 所述开关设备耦合于一与所述接地端连接的电流检测电阻； 二极管，所述二极管耦合于所述输入端与第一节点之间；以及输出电容，所述输出电容I禹合于所述正输出端与负输出端之间；以及控制器，用于根据负输出端瞬时电压与负输出端平均电压之间的比率，控制所述第一电感中的峰值电流，并依据所述峰值电流调整输出电流，所述控制器还用于接收来自于开关电源的负输出端的输出补偿信号。
19.如权利要求18的开关电源，其特征在于，所述控制器还用于用单独的信号检测补偿信号去补偿在输入电压和输出负载电压中的变化。
20.如权利要求18的开关电源，其特征在于，所述Buck转换电路包括: 变压器，且所述第一电感为变压器的原边绕组，变压器还包括提供反馈信号给控制器反馈输入端，用于监控第一电感放电以及导通开关设备的辅助绕组。
21.一种开关电源，其特征在于，包括: 输入端和接地端，用于接收整流的直流输入电压； 正输出端和负输出端，用于为输出负载提供输出电流，所述输出电流从正输出端通过输出负载流向负输出端，所述正输出端I禹合于所述输入端； Buck转换电路,包括: 第一电感，所述第一电感一端与所述负输出端稱合； 开关设备，所述开关设备与所述第一电感的另一端耦合于第一节点， 所述开关设备耦合于一与所述接地端连接的电流检测电阻； 二极管，所述二极管耦合于所述输入端与第一节点之间；以及 输出电容，所述输出电容I禹合于所述正输出端与负输出端之间；以及 控制器，用于依据控制所述第一电感中的峰值电流去调整输出电流。
22.如权利要求21的开关电源，其特征在于，所述Buck转换电路包括变压器，且所述第一电感为变压器的原边绕组，所述变压器还包括提供反馈信号给控制器反馈输入端，用于监控第一电感放电以及导通开关设备的辅助绕组。
【文档编号】H02M3/335GK103916018SQ201410122765
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】胡志敏, 李群, 程磊, 李军雷 申请人:上海新进半导体制造有限公司