一种开关电源控制电路、开关电源电路的制作方法

本公开涉及开关电源技术领域，具体地讲，涉及一种开关电源控制电路、开关电源电路。

背景技术：

目前开关电源的应用日益广泛，现有技术开关电源电路图如图1所示，包括原边电感线圈LP、副边电感线圈LS、辅助电感线圈Laux、电源充电电路、开关控制电路、开关电源控制芯片IC。所述原边电感线圈LP、副边电感线圈LS、辅助电感线圈Laux构成变压器，原边电感线圈充电，把电能转化为磁能，副边电感线圈放电或退磁，再把磁能转化为电能。所述电源充电电路包括串联的电阻R1和电容C2，所述电阻R1和电容C2的连接端与辅助电感线圈Laux的同相端通过二极管D2相连。所述开关控制电路包括开关管Q1和采样电阻R4。

如图2所示，在系统刚上电的t0时刻，所述开关电源控制芯片IC的电源接入端VCC开始充电，此时开关电源控制芯片IC内部耗电为微安级别。在t1时刻，开关电源控制芯片IC充电达到内部启动电压。此时，开关电源控制芯片IC开始工作，其内部耗电可达到几百微安以上，其电源端VCC开始下降。由于电容C2开始放电，而输出端电容C5开始充电，副边电感线圈LS输出端电压Vout开始上升。假设忽略二极管D2、D4管压降，当副边电感线圈LS输出端电压Vout上升到使式(1)成立时，辅助电感线圈Laux通过D2给电容C2充电，此时，开关电源控制芯片IC的电源端Vcc电压再次上升。

式中：Ns、Naux分别为副边电感线圈LS、辅助电感线圈Laux的线圈匝数，Vcc为开关电源控制芯片IC电源端VCC的电压，Vout为副边电感线圈LS输出端的电压。

对于上述开关电源电路，当电容C2放电、电容C5充电的速度不能实现公式(1)的要求时，即副边电感线圈LS输出端电压Vout满足公式(2)，而开关电源控制芯片IC的电源端电压Vcc已下降到开关电源控制芯片IC内部重启电压uvlo(on)时，那么开关电源控制芯片IC会进入重启状态，即如图3所示。

上述这种重启在开关电源中是不允许出现的。由于在要求待机功耗低的前提下，启动电阻R1不能取值太小，因而在保证能满载启动且不会重启的情况下，减小开关电源控制芯片IC的电源端电压VCC端电容C2取值，缩小启动时间，加快启动，使开关电源控制芯片IC的电源端电压Vcc在下降到开关电源控制芯片IC内部重启电压uvlo(on)之前再次充电，实现副边电感线圈LS输出端电压满足公式(1)避免重启是目前要解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本公开提出一种开关电源控制电路、开关电源电路。其中，所述控制电路可以控制开关电源中功率管导通时间点。为方便使用，可将所述控制电路集成在芯片上。采用所述控制电路的开关电源，启动时可以提高开关电源的过载保护点电流，从而保证开关电源控制芯片满载启动且而不会重启，并可以在满足待机功耗低的情况下，减小开关电源充电电路中电容的取值，缩小启动时间，加快启动。

本实用新型包括任何顺序和/或任何组合的以下方面/实施方案/特征。

一种开关电源控制电路，所述控制电路包括计时电路、退磁检测电路、电流控制电路、驱动电路；其中：所述计时电路在控制电路上电后进行计时，在第一时长内输出第一计时信号，在所述第一时长之后输出第二计时信号；所述退磁检测电路在检测到辅助电感线圈同相端的过零点时，输出退磁检测信号；所述电流控制电路根据所述第一计时信号，在接收到当前周期的第一个退磁检测信号时，输出电流控制信号；所述电流控制电路根据所述第二计时信号，在接收到当前周期的第一个退磁检测信号时，延时第二时长后输出电流控制信号；所述驱动电路根据电流控制信号输出第一控制信号；所述第一时长为设定值。

前述或以下实施方案/特征/方面中的控制电路，其中所述电流控制电路分别连接计时电路一端、驱动电路一端、退磁检测电路一端。

前述或以下实施方案/特征/方面中的控制电路，其中所述电流控制电路包括选择电路、延时电路和逻辑电路；所述选择电路收到所述第一计时信号，并在接收到退磁检测信号时，输出第一检测信号；所述选择电路收到所述第二计时信号，并在接收到退磁检测信号时，输出第二检测信号；所述延时电路根据第二检测信号输出第三检测信号；所述逻辑电路根据第一检测信号或第三检测信号输出电流控制信号。

前述或以下实施方案/特征/方面中的控制电路，其中所述选择电路包括第一端、第二端、第三端、第四端；所述选择电路的第一端与延时电路的一端相连；所述选择电路的第二端与逻辑电路的第一端相连；所述延时电路的另一端和逻辑电路的第二端相连；所述选择电路的第三端用于接收所述计时信号；所述选择电路的第四端用于接收所述退磁检测信号；所述逻辑电路的第三端用于输出所述电流控制信号。

前述或以下实施方案/特征/方面中的控制电路，其中所述控制电路还包括启动电路，用于设定控制电路的启动与关断参数，并在上电时，输出启动信号；所述计时电路根据所述启动信号开始计时。

前述或以下实施方案/特征/方面中的控制电路，其中所述控制电路集成在芯片中；所述启动电路连接芯片的电源端；所述退磁检测电路连接芯片的退磁检测端；所述驱动电路连接芯片的驱动端。

一种开关电源电路，所述开关电源电路包括控制电路、功率管、原边电感线圈、副边电感线圈和辅助电感线圈，所述原边电感线圈、副边电感线圈和辅助电感线圈组成变压器；在开关电源上电后，在第一时长内的每个周期，所述控制电路在检测到辅助电感线圈同相端电压的第一个过零点，副边电感线圈退磁结束时，控制功率管导通，原边电感线圈开始充电；在第一时长之后的每个周期，所述控制电路在检测到辅助电感线圈同相端电压的第一个过零点，副边电感线圈退磁结束时，延时第二时长后控制功率管导通，原边电感线圈开始充电；所述第一时长为设定值；所述控制电路为上述任一控制电路。

前述或以下实施方案/特征/方面中的开关电源电路，其中在第一时长之内的每个周期，所述副边电感线圈放电结束后功率管导通，放电时长与当前周期的占比大于50％；在第一时长之后的每个周期，在第一时长之后的每个周期，所述第二时长、第一控制信号输出时长之和与当前周期的占比等于50％。

前述或以下实施方案/特征/方面中的开关电源电路，其中所述第一时长大于等于5ms。

与现有技术相比，本公开具有下述技术效果：

本实用新型中的控制电路在开关电源上电的一段时间内，通过控制功率管导通的时间点，提高开关电源的过载保护点电流，实现满载时快速启动且不会重启。由于提高了开关电源的过载保护点电流，可缩短控制电路电源接入端电压下降时间，进而使得开关电源充电电路中电容的取值可减小，从而缩小开关电源的启动时间。

附图说明

图1为现有技术开关电源电路图；

图2为现有技术开关电源电路时序图；

图3为现有技术开关电源电路重启时序图；

图4为本实用新型提出的一种控制电路结构示意图；

图5为本实用新型提出的开关电源工作在临界导通状态的时序图；

图6为本实用新型提出的开关电源工作在DCM工作状态的时序图；

图7为本实用新型提出的电流控制电路结构示意图；

图8为本实用新型提出的开关电源快速控制电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-8对本实用新型的内容进行详细阐述。

在一个实施例中，提供了一种开关电源控制电路，所述控制电路包括计时电路、退磁检测电路、电流控制电路、驱动电路；其中：所述计时电路在控制电路上电后进行计时，在第一时长内输出第一计时信号，在所述第一时长之后输出第二计时信号；所述退磁检测电路在检测到辅助电感线圈同相端的过零点时，输出退磁检测信号；所述电流控制电路根据所述第一计时信号，在接收到当前周期的第一个退磁检测信号时，输出电流控制信号；所述电流控制电路根据所述第二计时信号，在接收到当前周期的第一个退磁检测信号时，延时第二时长后输出电流控制信号；所述驱动电路根据电流控制信号输出第一控制信号；所述第一时长为设定值。所述第二时长为设定值。

在这个实施例中，首先，所述控制电路控制具备控制功率管的导通时间点的特点，即：在开关电源上电后，在第一时长内的每个周期，当所述控制电路检测到辅助电感线圈同相端电压的第一个过零点时，输出第一控制信号；在第一时长之后的每个周期，当所述控制电路检测到辅助电感线圈同相端电压的第一个过零点时，延时第二时长后输出第一控制信号。其次，所述控制电路根据计时电路输出的计时信号、退磁检测信号确定是否需要延时输出以及何时输出。

当图1中的开关电源采用本实施例中控制电路替换原有相应部分电路时：在开关电源上电启动的第一时长之内，开关电源采用临界导通模式。对于第一时长之内的每个周期，所述控制电路在检测到辅助电感线圈的同相端电压的第一个过零点时，控制功率管的导通，进而控制原边电感线圈充电。在开关电源上电启动的第一时长之后，开关电源在DCM工作状态。对于第一时长之后的每个周期，当所述控制电路在检测到辅助电感线圈同相端的电压的第一个过零点时，延时第二时长后控制功率管导通，进而控制原边电感线圈充电。在这两种情况下，当原边电感线圈充电到达第三时长时，所述控制电路控制功率管截止，副边电感线圈开始退磁。第三时长可设定调整。第二时长为当前周期中，副本电感线圈放电时长与原边电感充电时长之差。其中，在检测过零点时，根据检测的灵敏度情况，允许存在较小的误差。所述第一时长为设定值，可以进行调整，使开关电源的启动处于最优状态。

在开关电源上电启动的第一时长之内，由于控制电路在检测到辅助电感线圈的同相端电压的第一个过零点时，副边电感线圈退磁结束，也可以说是副边电感线圈放电结束，控制功率管的导通，原边电感线圈充电，副边电感线圈放电时长大于原边电感线圈的充电时长，将副边电感线圈放电时长记作Tons，将当前周期时长记作T1，则有占空比大于50％，此时有下式成立：

其中，Iolp1为系统的过载保护点电流，Ipk表示原边电感线圈电流最大值，Np表示原边电感线圈匝数，Isk表示副边电感线圈电流最大值，Ns表示副边电感线圈匝数。

结合图1，当开关电源输出端接恒流负载时，假设负载满载记作Iload，那么启动时给输出电容C5充电电流记作Ich，则有：

Ich＝Iolp1-Iload，

这样启动时输出电容C5充电电流Ich增大，从而在保证能满载启动且不会重启的情况下，缩短了图3中Vcc电压的下降时间t1～t2，VCC端电容C2可以进一步减小，实现图3中t0～t1的时间减小，在Vcc下降到uvlo(on)之前，实现副边电感线圈输出端电压上升，并满足下式，从而达到快速启动的目的：

式中：Ns、Naux分别为副边电感线圈LS、辅助电感线圈Laux的线圈匝数，Vcc为开关电源控制芯片IC电源端VCC的电压，Vout为副边电感线圈LS输出端的电压。

在开关电源上电启动的第一时长之后，开关电源采用DCM工作模式。根据开关电源的工作原理，在开关电源的工作模式为DCM模式时的每个周期，副边电感线圈的占空比为50％，故副边电感线圈放电时长等于原边电感充电时长与功率管延迟导通的第二时长之和，即：在第一时长之后的每个周期，所述第二时长、第一控制信号输出时长之和与当前周期的占比等于50％。

因此，若将副边电感线圈的放电时长记作Tons，将此时的周期时长记作T2，则有：

占空比恢复到50％，开关电源进入正常工作状态，即变压器一个周期(T2)内除副边电感线圈退磁以外的时长(Toffs)等于副边电感线圈退磁时长(Tons)，从而开关电源的过载保护点电流满足下式：

即：使开关电源的过载保护点电流Iolp回归正常。其中，R4表示采样电阻，Vth表示功率管的阈值电压。

在外部电路设定的情况下，在开机后的第一时长内，系统工作在临界模式时的每个周期，副边电感线圈的占空比大于50％，提高了系统的过载保护点电流(Iolp)，当开关电源输出端接恒流负载时，那么启动时给输出电容(C5)充电电流等于(Ich)等于过载保护点电流(Iolp)与负载满载电流(Iload)之差，因此，在采用上述控制电路启动时输出电容(C5)充电电流(Ich)增大，从而在保证在集成了上述控制电路的芯片能在满载下启动且不会重启的情况下，缩短图3中芯片电源接入端接入电压(Vcc)下降时长(t1～t2)，并且与电源接入端连接的电容(C2)可以进一步减小，实现图3中启动时长(t0～t1)减小，在芯片电源端接入电压(Vcc)下降到控制芯片内部重启电压(uvlo(on))之前，使副边电感线圈LS输出端电压(Vout)快速上升，且使副边电感线圈LS输出端电压(Vout)满足式(1)；在此时段时间后，占空比恢复到50％，电源进入正常工作状态。

式中：Ns、Naux分别为副边电感线圈LS、辅助电感线圈Laux的线圈匝数，Vcc为开关电源控制芯片IC电源端(VCC)的电压，Vout为副边电感线圈LS输出端的电压。

在开关电源输出接恒压负载时，启动时刻的负载电流相当于零，那么输出电容C5充电电流Ich等于过载保护点电流Iolp，输出电容充电时间很短，因此在接恒压负载时不用担心开关电源开关电源控制芯片Vcc重启和启动时间之前的相互制约关系。

在一个实施例中，给出了本实施中的一种优选地电路结构连接方式，如图4所示。其中，所述电流控制电路(50)分别连接计时电路(40)一端、驱动电路(60)一端、退磁检测电路(20)一端；所述电流控制电路(50)根据接收的计时电路输出的计时信号(A1)与退磁检测电路(20)输出的退磁检测信号(A2)，向驱动电路(60)输出电流控制信号(A3)，驱动电路(60)根据电流控制信号(A3)输出第一控制信号。其中，计时信号(A1)在第一时长之内和第一时长之后不同。

当图1中的开关电源采用本实施例中控制电路替换原有相应部分电路时：

计时电路(40)输出计时信号(A1)，若在第一时长之内输出高电平，此时的计时信号(A1)可以视为第一计时信号，在第一时长之后输出低电平，此时的计时信号可以视为第二计时信号。退磁检测电路(20)在当前周期检测到辅助电感线圈同相端的过零点时，输出退磁检测信号(A2)。假设当前周期检测到辅助电感线圈同相端的过零点时，输出的退磁检测信号(A2)是高电平；在没检测到过零点电压时，该退磁检测信号(A2)是低电平。

当电流控制电路(50)收到第一计时信号和当前周期的第一个高电平的退磁检测信号(A2)时，输出电流控制信号(A3)。驱动电路(60)根据输出的电流控制信号(A3)输出第一控制信号。第一控制信号用于控制功率管导通，原边电感线圈充电。当原边电感线圈充电达到第三时长时，电流控制电路(50)改变电流控制信号(A3)，比如之前是高电平，现在变成低电平。驱动电路(60)根据改变后的电流控制信号(A3)输出第二控制信号，第二控制信号控制功率管截止，直至电流控制电路(50)再次改变电流控制信号的时刻，完成一个周期。

当电流控制电路(50)收到第二计时信号和当前周期的第一个高电平的退磁检测信号(A2)时，延时第二时长输出电流控制信号(A3)。相应地，功率管也被延时导通，原边电感线圈延时充电。当控制第二时长等于副边电感线圈放电时长与原边电感线圈充电时长之差时，副边电感线圈的占空比为50％，开关电源处于正常工作模式。

图5给出了在上述连接方式下，开关电源工作在临界导通状态的时序图。图6给出开关电源工作在DCM工作状态的时序图。图中各个信号可以不限于图中所示的高电平或低电平。

在图5-6中，A1表示计时信号，A2表示退磁检测信号，A3表示电流控制信号，Driver表示驱动控制信号，Ip表示原边电感线圈中的电流，Is表示副边电感线圈中的电流，Ipk表示原边电感线圈电流最大值，Isk表示副边电感线圈电流最大值，Vds表示功率管输入端的电压。

图5中，计时电路(40)开始工作时，输出的计时信号(A1)为高电平。在一个周期时间内，退磁检测电路(20)检测辅助电感线圈同相端的电压，在辅助电感线圈同相端的电压小于零时，退磁检测电路输出的退磁检测信号(A2)为高电平。电流控制电路(50)根据高电平的计时信号(A1)和高电平的退磁检测信号(A2)输出的电流控制信号(A3)为高电平。驱动电路(60)根据电流控制信号(A3)驱动功率管导通，原边电感线圈充电。

在原边电感线圈充电一段时长(Tonp)后，原边电感线圈充电结束，电流控制电路(50)输出电流控制信号(A3)为低电平，驱动电路(60)驱动功率管关断。当功率管关断时，副边电感线圈开始退磁，并持续一段退磁时长(Tons)。其中，退磁时长(Tons)大于原边电感线圈充电时长(Tonp)，且原边电感线圈充电时长(Tonp)与副边电感线圈退磁时长(Tons)之和等于一个周期(T1)。电流控制信号(A3)的波形与驱动控制信号(Driver)的波形相同。

在开关电源工作在临界导通状态时，占空比大于50％，从而开关电源的过载保护点电流满足下式：

其中，Iolp为系统的过载保护点电流，Np表示原边电感线圈匝数，Ns表示副边电感线圈匝数。

如图6所示，计时电路(40)计时到第一时长时，计时信号(A1)为低电平，开关电源采用DCM工作模式。优选地，第一时长大于等于5ms。在开关电源采用DCM工作模式时的一个周期时长内，退磁检测电路(20)检测辅助电感线圈同相端的电压，在辅助电感线圈同相端的电压小于零时退磁检测信号(A2)为高电平，电流控制电路(50)根据低电平的计时信号(A1)和高电平的退磁检测信号(A2)，在退磁检测信号(A2)第一次高电平时延时，延时时长(Toff)达到第二时长后，再输出电流控制信号(A3)，所述电流控制信号(A3)为高电平。驱动电路(60)根据电流控制信号(A3)驱动功率管导通，原边电感线圈充电，在原边电感线圈充电一段时长(Tonp)后，原边电感线圈充电结束，电流控制电路(50)输出电流控制信号(A3)为低电平，驱动电路(60)驱动功率管关断，副边电感线圈开始退磁，并持续一段退磁时长(Tons)，在副边电感线圈退磁结束后延时一段时间(Toff)，功率管再次导通。电流控制信号(A3)波形与驱动控制信号(Driver)波形相同。

其中，延时时长(Toff)等于副边电感线圈退磁时长(Tons)与原边电感线圈充电一段时长(Tonp)之差，且延时时长(Toff)、副边电感线圈退磁时长(Tons)与原边电感线圈充电一段时长(Tonp)之和等于一个周期(T2)。在延时时长(Toff)内，原边电感线圈与功率管的寄生电容形成谐振。副边电感线圈退磁时长(Tons)等于延时时长(Toff)与原边电感线圈充电一段时长(Tonp)之和。因此占空比为50％。

在一个实施例中，提供电流控制电路的一种具体构成，其中所述电流控制电路包括选择电路、延时电路和逻辑电路；所述选择电路收到所述第一计时信号，并在接收到退磁检测信号时，输出第一检测信号；所述选择电路收到所述第二计时信号，并在接收到退磁检测信号时，输出第二检测信号；所述延时电路根据第二检测信号输出第三检测信号；所述逻辑电路根据第一检测信号或第三检测信号输出电流控制信号。

在这个实施例中，通过选择电路接收的计时信号(比如，第一计时信号)输出相应的检测信号(比如，第一检测信号)。不同的检测信号输出给不同的电路，通过延时电路来实现延时。

图7提供了一种具体的电流控制电路的结构，其中所述电流控制电路的具体结构如图7所示。选择电路(21)包括第一端、第二端、第三端、第四端。选择电路(21)的第一端与延时电路(22)的一端相连。选择电路(21)的第二端与逻辑电路(23)的第一端相连。延时电路(22)的另一端和逻辑电路(23)的第二端相连。逻辑电路(23)的第三端用于输出电流控制信号(A3)。当选择电路(21)的第三端收到计时信号(A1)，该计时信号为低电平的第一计时信号，并在第四端接收到退磁检测信号(A2)时，向延时电路(22)输出第一检测信号(A22)。当选择电路(21)的第三端收到计时信号(A1)，该计时信号为高电平的第二计时信号，并在第四端接收到退磁检测信号(A2)时，向延时电路(22)输出第二检测信号(A22)；延时电路(22)延时第二时长后，向逻辑电路(23)输出第三检测信号(A23)；逻辑电路(23)根据第一检测信号(A21)或第三检测信号(A23)输出电流控制信号(A3)。

当图1中的开关电源采用本实施例中控制电路替换原有相应部分电路时：其电流控制电路的结构可以优选为上述连接方式。通过选择电路接收不同的计时信号输出不同的检测信号，不同的检测信号输出给不同的电路，包括延时电路和逻辑电路，通过延时电路来实现需要延时的情况。

在一个实施例中，所述控制电路还包括启动电路，用于设定控制电路的启动与关断参数，并在上电时，输出启动信号；所述计时电路根据所述启动信号开始计时。

图8示意了在包括启动电路的控制电路的电路连接示意图。其中，电流控制电路(50)与计时电路(40)、退磁检测电路(20)、驱动电路(60)相连；计时电路(40)与启动电路(30)相连。更为具体地，计时电路(40)的一端与启动电路(30)一端相连，计时电路(40)的另一端与电流控制电路(50)相连。电流控制电路(50)包括三个连接端，剩余两个连接端分别与退磁检测电路(20)一端、驱动电路(60)一端相连。启动电路(30)的另一端作为控制电路(10)的电源端，用于外接电源，退磁检测电路(20)的另一端作为控制电路(10)的退磁检测端，驱动电路(60)的另一端作为控制电路(10)的驱动控制端。进一步地，退磁检测端与辅助电感线圈的同相端相连，驱动控制端与功率管的控制端相连。更进一步地，控制电路(10)集成到芯片中，以方便使用。其中，控制电路(10)的电源端连接芯片的电源端(VCC)，退磁检测端连接芯片的退磁检测端(FB)，驱动控制端连接芯片的控制端(DRIVER)。

在上述实施例中，涉及的第一时长，优选大于等于5ms。

以上所述实施方式仅为本实用新型的优选实施例，并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。