本发明属于基本电子电路领域，具体涉及一种针对断续模工作模式的电压转换器的周期注入式恒流控制电路的设计。
背景技术
在应用中有相当一部分电压转换器为了适应较小的负载，将电压转换器系统设计工作在断续模式(dcm)下，即每个工作周期都会先对电压变换器的电感充电，然后放电直到电感能量耗尽，再过一段时间一个工作周期结束后，才会开始下一个工作周期重新对电感充电。在电压转换器系统启动的过程中，或者负载突然增大，或者输出被软短路等原因导致输出电压少于正常工作范围的时候，会加大电感对负载进行放电的时间，同时电压转换器系统因为检测到电压过低会提高输出的峰值电流或者提高工作频率，因此即使电压转换器系统能保证电容放电完毕再开启下一周期，也可能导致输出电流过大而引起模组发热，元件烧毁等风险。
在实际的断续模式电压转换器的系统设计中，为了防止出现输出电压低于设定值时造成的输出电流过大的现象，电压转换器系统会建立一个环路，比如根据电压转换器系统实时的输出电压和负载情况调整最大的峰值电流或者压制最大的工作频率，实现输出电流平均值的恒定，直到电压转换器系统恢复正常才会逐步退出恒流环路的控制。
一般用环路的方式对电压转换器系统的输出电流进行控制需要针对不同电压转换器的拓扑结构设计不同的调制方案，同时还需要调整系统稳定性，防止出现输出电压从过低到恢复的过程中出现环路不稳定导致的电压过冲或者次谐波震荡问题，这些都需要额外投入人力和时间进行调整。
技术实现要素：
针对上述对断续模电压转换器在控制输出电流方面存在的稳定性和电路复杂度问题，本发明提出了一种基于断续模的周期注入式恒流控制电路，避免了过于复杂的电路设计，实现了在不同电压转换器拓扑中使用同一套方案对最大输出电流进行控制，同时利用简单的周期注入原理实现电压转换器系统的稳定。
本发明的技术方案是：
一种基于断续模的周期注入式恒流控制电路，适用于断续模电压转换器，所述恒流控制电路包括缓冲放大器、运算放大器、电容、电阻和比较器，
缓冲放大器的输入端连接基准电压，其输出端连接运算放大器的正向输入端；
电阻的一端连接负载输出信号，其另一端连接运算放大器的负向输入端并通过电容后连接运算放大器的输出端和比较器的正向输入端；
所述负载输出信号在所述断续模电压转换器对负载输出电流时为高电平，否则为低电平；
所述比较器的负向输入端连接基准阈值电压，其输出端作为所述恒流控制电路的输出端。
具体的，所述恒流控制电路还包括钳位器，所述钳位器包括第一nmos管，第一nmos管的栅漏短接并连接运算放大器的正向输入端，其源极连接运算放大器的负向输入端。
本发明的工作过程和工作原理为：
本发明适用于断续模电压转换器，用于控制电压转换器的工作周期。基准电压通过缓冲放大器后产生一个拥有带载能力的基准电压作为积分运算放大器的正向输入端信号；运算放大器、电容和电阻构成一个积分器，下面称为积分运算放大器、积分电容和积分电阻，由负载输出信号控制使得积分运算放大器的输出信号按照基准电压控制的斜率上升或下降，当电压转换器对负载输出电流时，负载输出信号为高电平，控制积分运算放大器的输出信号下降，当电压转换器不对负载输出电流时，负载输出信号为低电平，控制积分运算放大器的输出信号上升。
当电压转换器对负载输出电流使得负载输出信号一直为高电平，控制积分运算放大器的输出信号下降到低于基准阈值电压时，将比较器的输出信号翻转为低屏蔽电压转换器的时钟令其无法开启下一个工作周期；当电压转换器输出的电感电流被耗尽后负载输出信号翻转为低电平，控制积分运算放大器的输出信号上升，直到积分运算放大器的输出信号上升到高于基准阈值电压时，将比较器的输出信号翻转为高开启电压转换器的下一个工作周期。
本发明的有益效果为：本发明提出的恒流控制电路与传统电压转换器的恒流控制相比，不需要通过环路方式控制电压转换器的峰值电流或者工作频率，只是通过在工作周期的终点注入一段延时，推迟下一工作周期开始来控制电压转换器的输出电流，避免了传统方式会出现的环路不稳定或者控制调整不精确的问题，也避免了电压转换器应用在过重负载时进入强制连续模的工作状态，降低了电压转换器建模的难度，同时可以用同一套方案移植于不同的电压转换器系统拓扑中。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于断续模的周期注入式恒流控制电路的拓扑结构图。
图2是本发明在返驰式flyback转换器应用下的恒流控制工作信号波形示意图。
图3是本发明在buck转换器应用下的工作状态切换波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明提出的一种适用于断续模电压转换器的周期注入式恒流控制电路，包括缓冲放大器buffer、积分运算放大器amp_int、积分电容c_int、积分电阻r_int和比较器comp，缓冲放大器buffer的输入端连接基准电压vref_int，其输出端连接积分运算放大器amp_int的正向输入端；积分电阻r_int的一端连接负载输出信号time_conduct，其另一端连接积分运算放大器amp_int的负向输入端并通过积分电容c_int后连接积分运算放大器amp_int的输出端和比较器comp的正向输入端；比较器comp的负向输入端连接基准阈值电压vref_th，其输出端作为恒流控制电路的输出端输出控制信号cc_ctrl。其中负载输出信号time_conduct在断续模电压转换器对负载输出电流时为高电平，在断续模电压转换器不对负载输出电流时为低电平。
一些实施例中在积分运算放大器amp_int的输入端还设置有钳位器m_clamp用于防止积分运算放大器amp_int的负向输入端信号偏离其正向输入端信号过多，如图1所述，本实施例中钳位器m_clamp为第一nmos管，第一nmos管的栅漏短接并连接积分运算放大器的正向输入端，其源极连接积分运算放大器的负向输入端。积分运算放大器amp_int的负向输入端信号长时间被充电时会偏离直流工作点，通过钳位器m_clamp可以让积分运算放大器amp_int在需要时更快回到直流工作点。
根据电压转换器输出电流的三角形关系，在本发明提出的恒流控制电路控制电压转换器系统工作周期的时间里，电压转换器的平均输出电流可以恒定在：
其中ipc是电压转换器系统控制的输出峰值电流值，在重载或启动时一般被调整为电压转换器系统设计最大值，在输出电压正常之前不会恢复，而这也符合环路在稳定工作时的工作逻辑；而toc是电压转换器的一个工作周期内电感对外部输出能量的时间，tsw是电压转换器系统工作一周期的时间。由于电压转换器系统启动或负载过重时输出电压过低会导致电感放电时间也就是toc过长，而本发明提出的恒流控制电路会延长电压转换器的该工作周期时间tsw到合适的长度，推迟下一个工作周期开始的时间，通过控制toc和tsw的比值恒定就可以实现输出电流恒定。
积分运算放大器amp_int、积分电容c_int和积分电阻r_int共同组成积分器，在积分运算放大器amp_int的输出信号v_int处于积分运算放大器amp_int的线性摆幅内时，积分运算放大器amp_int的正向输入端信号和负向输入端信号将会被钳位到相同的电压及基准电压vref_int。负载输出信号time_conduct为一个数字方波信号，反映的是电压转换器系统是否对负载输出电流的信息，在断续模电压转换器对负载输出电流时为高电平，在断续模电压转换器不对负载输出电流时为低电平。
根据电流电压关系，电压转换器对负载输出电流时负载输出信号time_conduct为高电平控制积分运算放大器amp_int的输出信号v_int电压下降，下降斜率为：
其中vcc_int是芯片内部电压源，一般为5v。
同理当电压转换器没有对负载输出电流时负载输出信号time_conduct为低电平控制积分运算放大器amp_int的输出信号v_int电压上升，上升斜率为：
本发明可以应用于工作在断续模式的不同拓扑结构中，包括但不限于buck转换器、boost转换器、buck-boost转换器或者flyback转换器结构，下面以将本发明应用于flyback转换器和buck转换器为例详细说明本发明的工作过程和工作原理。
如图2所示是将本发明应用在flyback转换器时的工作信号波形示意图，在本实施例中时钟信号clk的上升沿表示一个工作周期的开始，然后flyback转换器将会对主边充电，充电完毕后主边关闭，次边导通并对负载输出能量，i_sec表示次边电流，i_pri是原边电流，在这种应用中将次边导通时间定为toc，正常情况下每次时钟信号clk的上升沿之间延时固定。在本发明提出的恒流转换电路被激活的时刻如果将flyback转换器对外输出电流的时间占周期的分量定义为d_out，则
toc时间过长，若不改变周期tsw大小，会导致dout过大，flyback转换器的输出电流变大，为了避免这一现象，flyback转换器对负载输出电流这段时间内由高电平的负载输出信号time_conduct控制积分运算放大器amp_int的输出信号v_int反向积分直到下降低于基准阈值电压vref_th，这会屏蔽flyback转换器的时钟信号clk令确定工作周期的固定延时失效，无法开启下一个工作周期。flyback转换器的输出电感电流被耗尽后负载输出信号time_conduct翻转为低，控制积分运算放大器amp_int的输出信号v_int开始正向积分直到高于基准阈值电压vref_th才会开始下一个工作周期。根据积分运算放大器amp_int的输出信号v_int的上升斜率和下降斜率，虽然工作周期被延长改变，但每个周期开始时积分运算放大器amp_int的输出信号vint都会等于基准电压vref_int，假设主边导通时间为t1，次边导通时间为t2，剩余时间为t-t1-t2根据积分斜率的几何关系有：
在本实施例中t2＝toc，经过化简，可得flyback转换器对外输出电流的时间占周期的分量d_out保持为：
为了保证电压转换器系统稳定，正常状态下本发明提出的恒流控制电路并不会影响电压转换器环路工作，以将本发明应用于buck转换器为例，如图3所示是本发明在不同工作状态的具体切换方式，根据图3中第一个坐标图可知在本实施例中时间点t1之前buck转换器的电感对外输出能量的占空比d_out比较小；根据图3的第四个坐标图可知，t1时间之前积分运算放大器amp_int的输出信号v_int长时间的被抬升到芯片内部电压源vcc_int，buck转换器工作在正常状态，本发明的恒流控制电路不会影响buck转换器工作；时钟信号clk的上升沿表示一个工作周期的开始，同时因为积分运算放大器amp_int的输出信号v_int一直被抬升到vccint，这使积分运算放大器amp_int的负向输入端信号v_n无法钳位到其正向输入端信号v_p处并开始下降，如果要本发明的恒流控制电路进入工作状态首先要把积分运算放大器amp_int的正向输入端信号v_p抬升回其负向输入端信号v_n处也就是基准电压vref_int，缓冲放大器buffer和钳位器m_clamp可以防止积分运算放大器amp_int的负向输入端信号v_n偏离其正向输入端信号v_p过多，减少本发明的恒流控制电路进入工作需要的时间。直到buck转换器负载过重或者发生短路时，积分运算放大器amp_int的正向输入端信号和负向输入端信号才会恢复相等，使得积分运算放大器vint反向积分到其输出信号v_int低于基准阈值电压vref_th，屏蔽buck转换器的时钟信号clk使得buck转换器不会进入下一个工作周期，直到buck转换器电感电流被耗尽，积分运算放大器vint正向积分到其输出信号v_int高于基准阈值电压vref_th时，buck转换器进入下一个工作周期。
综上所述，本发明提出的恒流控制电路与传统电压转换器的恒流控制相比，不需要通过环路方式控制电压转换器的峰值电流或者工作频率，只是通过在工作周期的终点注入一段延时，推迟下一工作周期开始来控制电压转换器的输出电流，由于不对电压转换器的峰值电流或者工作频率进行控制，避免了传统方式会出现的环路不稳定或者控制调整不精确的问题，也避免了电压转换器应用在过重负载时进入强制连续模的工作状态，降低了电压转换器建模的难度，同时可以用同一套方案移植于不同的电压转换器系统拓扑中。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。