CN106981977A - 电流纹波抑制***及供电*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流纹波抑制***及供电***，其中电流纹波抑制***包括：误差放大电路的第一输入端与晶体管的第一端连接，第二输入端与稳态电平转换电路的第一输出端连接，输出端与充放电控制电路的第一端连接；电容的一端与充放电控制电路的第二端连接，另一端接地：稳态电平转换电路的输入端与充放电控制电路的第二端连接，第二输出端与第一放大器的第一输入端连接；第一放大器的第二输入端通过电阻接地，输出端与晶体管的控制端连接；晶体管的第一端还通过负载与电源连接，第二端与第一放大器的第二输入端连接。本发明弥补了现有的纹波抑制电路的不足，能够自动抑制电流纹波，充分保证***的自适应特性，同时还降低了***能耗。

Description

电流纹波抑制***及供电***
技术领域
本发明属于电源管理领域，尤其涉及一种电流纹波抑制***及供电***。
背景技术
传统的开关电源给负载供电的过程中，通常输出都带有一定的电流纹波。此时，如果输出是对纹波比较敏感的器件，会带来一些频率污染或者影响工作。尤其是LED灯串或者是一些背光照明的器件，电流的变化会带来亮度的明显变化，造成明显的频闪，容易导致视疲劳或者视力损伤。因此传统的开关电源输出级，设计抑制电流纹波的恒流电路，可以防止上述情况，产生良好的恒流效果。
参考申请公布号为CN 102904427A的发明专利申请公开的一种供电***及其抑制纹波电流的方法，其图示出了该发明一实施例的纹波抑制电路的内部框图，开关电源经滤波电容Co后直接供给负载，通常开关电源都带有一定的电流纹波，利用纹波抑制电路22抑制。纹波抑制电路包含晶体管321、电阻器224、误差放大电路53、转换电路54和放大器55。其中，晶体管321、电阻器224和放大器55组成一个通用的线性的电流沉，其电流大小等于Vim/R1，误差放大电路53通过将Vb与Vref比较后产生一个电压信号Vcomp，经过转换电路线性转换成Vim来控制负载13流过的电流，实际上这是一个单环的反馈***。当负载电流变大时，Vb升高，Vim降低，反馈回来电流变小，最终Vb是一个围绕Vref波动的电压，通过反馈负载13流过的电流纹波减小。
但是上述电路存在一定的缺陷：
(1)经过该电路调节以后，Vb是一个围绕Vref波动的电压，晶体管321的工作区域如图3中工作区域曲线1所示，其适应的电流范围小。如果Vref选择的小，那么当电流变大时，晶体管321便工作于可变电阻区，*** 将无法恒流，纹波电流将变大，电流可能突然过大而损毁晶体管321。相反如果Vref选择的大，那么当电流小时，晶体管321消耗的功耗将变大，将明显降低***的能效比。
(2)需要提供一个精准干净的Vref信号，为此***中需要额外增加的基准电路，否则当电源或者基准有噪声时，将影响***的整体工作质量，带来更大的电流纹波。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的纹波抑制电路工作范围小，能效比低，电路实现面积大且容易有噪声的缺陷，提供一种能够自适应工作电流、自动抑制电流纹波且保证晶体管工作于接近可变电阻区的饱和区，低能耗的电流纹波抑制***及供电***。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
本发明提供一种电流纹波抑制***，其特点是，包括：误差放大电路、充放电控制电路、电容、稳态电平转换电路、第一放大器、晶体管和电阻；
所述误差放大电路的第一输入端与所述晶体管的第一端连接，用于接收第一电信号；所述误差放大电路的第二输入端与所述稳态电平转换电路的第一输出端连接，用于接收第一稳态电压；所述误差放大电路的输出端与所述充放电控制电路的第一端连接，用于输出第二电信号；
所述电容的一端与所述充放电控制电路的第二端连接，所述电容的另一端接地：
所述稳态电平转换电路的输入端与所述充放电控制电路的第二端连接；所述稳态电平转换电路的第一输出端用于输出第一稳态电压；所述稳态电平转换电路的第二输出端与所述第一放大器的第一输入端连接，用于输出第二稳态电压；
所述第一放大器的第二输入端通过所述电阻接地，所述第一放大器的输出端与所述晶体管的控制端连接；
所述晶体管的第一端还通过负载与电源连接，所述晶体管的第二端与所述第一放大器的第二输入端连接。
本技术方案与现有的纹波抑制电路的结构和工作原理均有很大的不同，不再通过误差放大电路反馈调节电压Vb围绕Vref波动来实现抑制电流纹波，而是通过由误差放大电路、充放电控制电路和电容组成的自适应反馈控制环路，产生一个动态平衡的自适应控制电压，并将原有的转换电路替换为稳态电平转换电路，将其输出反馈到误差放大电路中，将现有电路中的Vref替代为稳态电平转换电路中的第一稳态电压，通过稳态电平转换电路和由晶体管、电阻和第一放大器组成的电流沉电路使负载电流稳定在平均电流，最终自动抑制流过负载上的电流纹波。同时，增加了充放电控制电路和电容来实现记忆平衡状态，充分保证***的自适应特性。
较佳地，所述误差放大电路包括：第二放大器、第一电阻和第二电阻；
所述第二放大器的正相输入端与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述晶体管的第一端连接；
所述第二放大器的正相输入端还与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地；
所述第二放大器的反向输入端接收所述第一稳态电压；
所述第二放大器的输出端输出所述第二电信号。
其中，所述第一电阻和所述第二电阻的作用是对采样来的第一电信号进行分压，通过所述第二放大器对第一电信号与第一稳态电压进行差值放大，产生误差放大信号即第二电信号。
较佳地，所述充放电控制电路包括：充电电流源、放电电流源、第一PMOS管和第一NMOS管；
所述第一PMOS管的栅极与所述第一NMOS管的栅极作为所述充放电控制电路的第一端，所述第一PMOS管的漏极与所述第一NMOS管的漏极作为所述充放电控制电路的第二端；
所述第一PMOS管的源极与所述充电电流源连接，所述第一NMOS管 的源极与所述放电电流源的一端连接，所述放电电流源的另一端接地。
其中，当第二电信号低时，所述充电电流源通过所述第一PMOS管MP1给电容充电。当第二电信号高时，所述放电电流源通过所述第一NMOS管给电容放电。当***平衡时，第一电信号动态平衡于第一稳态电压，第二电信号动态平衡于中间电平，所述第一PMOS管和所述第一NMOS管均工作于放大区，电容两端的电压动态平衡于电容电压。
较佳地，所述稳态电平转换电路包括：第三放大器、第三电阻、第四电阻和第五电阻；
所述第三放大器的正相输入端为所述稳态电平转换电路的输入端，所述第三放大器的反相输入端和所述第三放大器的输出端均依次通过所述第三电阻、第四电阻和第五电阻接地，所述第四电阻和所述第五电阻之间的节点作为所述稳态电平转换电路的第一输出端，所述第三电阻和所述第四电阻之间的节点作为所述稳态电平转换电路的第二输出端。
其中，所述稳态电平转换电路通过以上器件组成的分压网络产生合适的第一稳态电压和第二稳态电压。第一稳态电压反馈给误差放大电路，第二稳态电压反馈给第一放大器以决定最终的恒流电流。
较佳地，所述第一放大器的第一输入端为正相输入端，所述第一放大器的第二输入端为反相输入端。
较佳地，所述晶体管为NMOS管，所述晶体管的控制端为栅极，所述晶体管的第一端为漏极，所述晶体管的第二端为源极。
本发明还提供一种供电***，其特点是，包括上述各优选条件任意组合的一种电流纹波抑制***、上述负载及上述电源。
较佳地，所述电源包括：开关电源和滤波电容；
所述开关电源与所述负载连接，所述开关电源还通过所述滤波电容接地。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：本发明能够自动抑制电流纹波，充分保证 ***的自适应特性，以及保证晶体管工作于接近可变电阻区的饱和区，同时还降低了***能耗。
附图说明
图1为本发明实施例的供电***的电路示意图。
图2为本发明实施例的电流纹波抑制***的电路图。
图3为本发明实施例的电流纹波抑制***的晶体管和背景技术中的纹波抑制电路的晶体管的工作区域示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
一种供电***，如图1所示，包括电源1、负载2及电流纹波抑制***3。
其中，所述电源1包括：开关电源和滤波电容C1。所述开关电源与所述负载2的一端连接，用于提供电流I，所述负载2的另一端与所述电流纹波抑制***3连接。所述开关电源还通过所述滤波电容C1接地。所述负载的种类和数量依应用环境而定。
所述电流纹波抑制***3包括：误差放大电路31、充放电控制电路32、电容C2、稳态电平转换电路33、第一放大器AMP1、晶体管MN0和电阻RCS。
所述误差放大电路31的第一输入端与所述晶体管MN0的第一端连接，用于接收第一电信号VD；所述误差放大电路31的第二输入端与所述稳态电平转换电路33的第一输出端连接，用于接收第一稳态电压VR1；所述误差放大电路31的输出端与所述充放电控制电路32的第一端连接，用于输出第二电信号VE。
所述电容C2的一端与所述充放电控制电路32的第二端连接，所述电容C2的另一端接地。
所述稳态电平转换电路33的输入端与所述充放电控制电路32的第二端连接；所述稳态电平转换电路33的第一输出端用于输出第一稳态电压VR1；所述稳态电平转换电路33的第二输出端与所述第一放大器AMP1的第一输入端连接，用于输出第二稳态电压VR2。
所述第一放大器AMP1的第二输入端通过所述电阻RCS接地，所述第一放大器AMP1的输出端与所述晶体管MN0的第一端连接。
所述晶体管MN0的第一端还通过负载与电源连接，所述晶体管MN0的第二端与所述第一放大器AMP1的第二输入端连接。
本实施例的电流纹波抑制***3的工作原理为：
1、负载电流可分为平均电流IDC和电流纹波IAC，而VR2最终将稳定在IDC*RCS。
2、当VR2<IDC*RCS时，ICS<IDC，VD将逐渐升高，由于第一稳态电压VR1的作用，误差放大电路31将控制充放电控制电路32以充电为主，逐步将电容C2上的电压VC充电至稳态电压。
3、当VR2>IDC*RCS时，ICS<IDC，VD将逐渐降低，由于第一稳态电压VR1的作用，误差放大电路31将控制充放电控制电路32以放电为主，逐步将电容C2上的电压VC放电至稳态电压。
4、由于电容C2较大，又采用较小的充放电电流，因而最终电容C2上的电荷转移将变得十分缓慢，趋于动态平衡。电容C2将记忆稳态电压VC，通过稳态电平转换电路33产生VR1和VR2，并通过晶体管MN0、电阻RCS和放大器AMP3组成的电流沉使负载电流稳定在平均电流IDC。
从上述电路结构和工作原理看出，本实施例的电流纹波抑制***3与现有的纹波抑制电路的结构和工作原理均有很大的不同，不再通过误差放大电路反馈调节电压Vb围绕Vref波动来实现抑制电流纹波，而是通过由误差放大电路31、充放电控制电路32和电容C2组成的自适应反馈控制环路，产 生一个动态平衡的自适应控制电压VC，并将原有的转换电路替换为稳态电平转换电路33，将其输出反馈到误差放大电路31中，将现有电路中的Vref替代为稳态电平转换电路33中的第一稳态电压VR1，通过稳态电平转换电路33和由晶体管MN0、电阻RCS和第一放大器AMP1组成的电流沉电路使负载电流稳定在平均电流IDC，最终自动抑制流过负载上的电流纹波IAC。同时，增加了充放电控制电路32和电容C2来实现记忆平衡状态，充分保证***的自适应特性。
下面对本实施例的电流纹波抑制***3作进一步说明：
如图2所示，所述第一放大器AMP1的第一输入端为正相输入端，所述第一放大器AMP1的第二输入端为反相输入端。
所述晶体管MN0为NMOS管，所述晶体管MN0的控制端为栅极，所述晶体管MN0的第一端为漏极，所述晶体管MN0的第二端为源极。
所述误差放大电路31具体包括：第二放大器AMP2、第一电阻R1和第二电阻R2；
所述第二放大器AMP2的正相输入端与所述第一电阻R1的一端连接，所述第一电阻R1的另一端与所述晶体管MN0的第一端连接；
所述第二放大器AMP2的正相输入端还与所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端接地；
所述第二放大器AMP2的反向输入端接收所述第一稳态电压VR1；
所述第二放大器AMP2的输出端输出所述第二电信号VE。
其中，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的作用是对采样来的NMOS管MN0的漏极电压信号，即第一电信号VD，进行分压，通过所述第二放大器AMP2对第一电信号VD与第一稳态电压VR1进行差值放大，产生误差放大信号即第二电信号VE。
所述充放电控制电路32具体包括：充电电流源321、放电电流源322、第一PMOS管MP1和第一NMOS管MN1；
所述第一PMOS管MP1的栅极与所述第一NMOS管MN1的栅极作为 所述充放电控制电路32的第一端，即所述第一PMOS管MP1的栅极与所述第二放大器AMP2的输出端连接，所述第一NMOS管MN1的栅极也与所述第二放大器AMP2的输出端连接。所述第一PMOS管MP1的漏极与所述第一NMOS管MN1的漏极作为所述充放电控制电路32的第二端，即所述第一PMOS管MP1的漏极与电容C2的一端连接，所述第一NMOS管MN1的漏极也与电容C2的一端连接。
所述第一PMOS管MP1的源极与所述充电电流源321连接，所述第一NMOS管MN1的源极与所述放电电流源322的一端连接，所述放电电流源322的另一端接地。
其中，当第二电信号VE低时，所述充电电流源321通过所述第一PMOS管MP1给电容C2充电。当第二电信号VE高时，所述放电电流源322通过所述第一NMOS管MN1给电容C2放电。当***平衡时，VD动态平衡于VR1，第二电信号VE动态平衡于中间电平，所述第一PMOS管MP1和所述第一NMOS管MN1均工作于放大区，电容C2两端的电压动态平衡于VC。
所述稳态电平转换电路33具体包括：第三放大器AMP3、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5；
所述第三放大器AMP3的正相输入端为所述稳态电平转换电路33的输入端，所述第三放大器AMP3的反相输入端和所述第三放大器AMP3的输出端均依次通过所述第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5接地，所述第四电阻R4和所述第五电阻R5之间的节点作为所述稳态电平转换电路33的第一输出端，所述第三电阻R3和所述第四电阻R4之间的节点作为所述稳态电平转换电路33的第二输出端。
其中，所述稳态电平转换电路33通过以上器件组成的分压网络，对VC进行合理的分压，以产生合适的第一稳态电压VR1和第二稳态电压VR2。第一稳态电压VR1反馈给误差放大电路31，第二稳态电压VR2反馈给第一放大器AMP1以决定最终的恒流电流。
当***稳定于动态平衡时，
VR1/VD＝R1/(R1+R2)；
VR1/VR2＝R5/(R4+R5)；
I0＝VCS/RCS＝VR2/RCS。
以上三式可算出，VD/I0＝k*RCS，其中k＝R5*(R1+R2)/[R1*(R4+R5)]。由上式可以看出，最终动态平衡时，晶体管MN0的阻抗是一个恒定的值，与通过的电流无关，其工作范围如图3中工作区域曲线2所示。所以，只要恰当的选择环路中的电阻比值和RCS的值，就可以保证晶体管MN0工作于接近可变电阻区的饱和区，抑制电流纹波的同时还保证了较低的能耗。
综上，在本实施例中，第二放大器AMP2将VD的采样和I0的采样进行了误差放大形成误差电压VE，通过VE控制充放电控制电路32自动调节记忆电容C2上的电压VC，并最终记忆动态平衡点VC，通过稳态电平转换电路33恰当分压后，及时通过第一放大器AMP1、电阻RCS和晶体管MN0组成的电流沉反馈修正VD与I0，最终构成了一个多环反馈的自适应控制***，该***实现动态平衡并记忆平衡点，自适应抑制电流纹波。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电流纹波抑制***，其特征在于，包括：误差放大电路、充放电控制电路、电容、稳态电平转换电路、第一放大器、晶体管和电阻；
所述误差放大电路的第一输入端与所述晶体管的第一端连接，用于接收第一电信号；所述误差放大电路的第二输入端与所述稳态电平转换电路的第一输出端连接，用于接收第一稳态电压；所述误差放大电路的输出端与所述充放电控制电路的第一端连接，用于输出第二电信号；
所述电容的一端与所述充放电控制电路的第二端连接，所述电容的另一端接地：
所述稳态电平转换电路的输入端与所述充放电控制电路的第二端连接；所述稳态电平转换电路的第一输出端用于输出第一稳态电压；所述稳态电平转换电路的第二输出端与所述第一放大器的第一输入端连接，用于输出第二稳态电压；
所述第一放大器的第二输入端通过所述电阻接地，所述第一放大器的输出端与所述晶体管的控制端连接；
所述晶体管的第一端还通过负载与电源连接，所述晶体管的第二端与所述第一放大器的第二输入端连接。
2.如权利要求1所述的电流纹波抑制***，其特征在于，所述误差放大电路包括：第二放大器、第一电阻和第二电阻；
所述第二放大器的正相输入端与所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述晶体管的第一端连接；
所述第二放大器的正相输入端还与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地；
所述第二放大器的反向输入端接收所述第一稳态电压；
所述第二放大器的输出端输出所述第二电信号。
3.如权利要求1所述的电流纹波抑制***，其特征在于，所述充放电控制电路包括：充电电流源、放电电流源、第一PMOS管和第一NMOS管；
所述第一PMOS管的栅极与所述第一NMOS管的栅极作为所述充放电控制电路的第一端，所述第一PMOS管的漏极与所述第一NMOS管的漏极作为所述充放电控制电路的第二端；
所述第一PMOS管的源极与所述充电电流源连接，所述第一NMOS管的源极与所述放电电流源的一端连接，所述放电电流源的另一端接地。
4.如权利要求1所述的电流纹波抑制***，其特征在于，所述稳态电平转换电路包括：第三放大器、第三电阻、第四电阻和第五电阻；
所述第三放大器的正相输入端为所述稳态电平转换电路的输入端，所述第三放大器的反相输入端和所述第三放大器的输出端均依次通过所述第三电阻、第四电阻和第五电阻接地，所述第四电阻和所述第五电阻之间的节点作为所述稳态电平转换电路的第一输出端，所述第三电阻和所述第四电阻之间的节点作为所述稳态电平转换电路的第二输出端。
5.如权利要求1所述的电流纹波抑制***，其特征在于，所述第一放大器的第一输入端为正相输入端，所述第一放大器的第二输入端为反相输入端。
6.如权利要求1或5所述的电流纹波抑制***，其特征在于，所述晶体管为NMOS管，所述晶体管的控制端为栅极，所述晶体管的第一端为漏极，所述晶体管的第二端为源极。
7.一种供电***，其特征在于，包括如权利要求1-6中任意一项所述的电流纹波抑制***、权利要求1中的负载及权利要求1中的电源。
8.如权利要求7所述的供电***，其特征在于，所述电源包括：开关电源和滤波电容；
所述开关电源与所述负载连接，所述开关电源还通过所述滤波电容接地。
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