CN108270357B - 开关电源及其的前馈补偿电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源及其的前馈补偿电路，所述前馈补偿电路包括：负电压识别模块，负电压识别模块用于根据开关电源的次级消磁时间对开关电源的反馈管脚上的电压进行负电压识别以获取与开关电源的初级输入线电压对应的反馈电流；电流镜像模块，电流镜像模块用于根据反馈电流通过电流镜像以产生补偿电流，并根据开关电源中功率开关管的导通时间对补偿电流进行限制以获取限制后的补偿电流；电流叠加模块，电流叠加模块用于将限制后的补偿电流叠加到开关电源的过流检测管脚上，以对功率开关管的电流进行前馈补偿。从而使得开关电源不管是处于轻载状态还是重载状态，都能够获得合适的电流补偿量，保证开关电源输出恒定的电流。

Description

开关电源及其的前馈补偿电路
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种开关电源的前馈补偿电路和一种具有该电路的开关电源。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制功率开关管的导通和关断的时间比率，来维持稳定输出的一种电源，开关电源可实现恒流恒压功能。
通常，为了保证开关电源能够输出恒定的电流，采用电流补偿方式对功率开关管进行控制，但是目前的补偿方式只能满足满载条件下的补偿，对于轻载和空载来说，补偿量过大。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种开关电源的前馈补偿电路，使得开关电源不管是处于轻载状态还是重载状态，都能够获得合适的电流补偿量，保证开关电源输出恒定的电流。
本发明的另一个目的在于提出一种开关电源。
为实现上述目的，本发明一方面实施例提出了一种开关电源的前馈补偿电路，包括：负电压识别模块，所述负电压识别模块用于根据所述开关电源的次级消磁时间对所述开关电源的反馈管脚上的电压进行负电压识别以获取与所述开关电源的初级输入线电压对应的反馈电流；电流镜像模块，所述电流镜像模块用于根据所述反馈电流通过电流镜像以产生补偿电流，并根据所述开关电源中功率开关管的导通时间对所述补偿电流进行限制以获取限制后的补偿电流；电流叠加模块，所述电流叠加模块用于将所述限制后的补偿电流叠加到所述开关电源的过流检测管脚上，以对所述功率开关管的电流进行前馈补偿。
根据本发明实施例的开关电源的前馈补偿电路，通过负电压识别模块根据开关电源的次级消磁时间对开关电源的反馈管脚上的电压进行负电压识别，以获取与开关电源的初级输入线电压对应的反馈电流，电流镜像模块根据反馈电流，通过电流镜像以产生补偿电流，并根据开关电源中功率开关管的导通时间对补偿电流进行限制以获取限制后的补偿电流，电流叠加模块将限制后的补偿电流叠加到开关电源的过流检测管脚上，以对功率开关管的电流进行前馈补偿。从而使得开关电源不管是处于轻载状态还是重载状态，都能够获得合适的电流补偿量，保证开关电源输出恒定的电流。
根据本发明的一个实施例，所述电流镜像模块包括：偏置电压提供单元，所述偏置电压提供单元用于根据第一基准电流提供偏置电压；第一级电流镜像单元，所述第一级电流镜像单元用于根据所述偏置电压对所述反馈电流进行第一级电流镜像以输出所述补偿电流；第二级电流镜像单元，所述第二级电流镜像单元用于根据所述功率开关管的导通时间对所述补偿电流进行限制以输出所述限制后的补偿电流；第三级电流镜像单元，所述第三级电流镜像单元对所述限制后的补偿电流进行复制以将所述限制后的补偿电流输出至所述电流叠加模块。
根据本发明的一个实施例，所述偏置电压提供单元包括：第一MOS管，所述第一MOS管的漏极与所述第一基准电流的输出端相连，所述第一MOS管的栅极分别与所述第一MOS管的漏极和所述第二级电流镜像单元相连；第二MOS管，所述第二MOS管的栅极分别与所述第一MOS管的源极、所述第二MOS管的漏极和所述第一级电流镜像单元相连，所述第二MOS管的源极接地。
根据本发明的一个实施例，所述第一级电流镜像单元包括：第三MOS管，所述第三MOS管的栅极与所述偏置电压提供单元相连，所述第三MOS管的源极与所述开关电源的反馈管脚相连；第四MOS管和第五MOS管，所述第四MOS管的源极与所述第三MOS管的漏极相连，所述第四MOS管的栅极分别与所述负电压识别模块和所述第五MOS管的栅极相连，所述第五MOS管的源极与所述第二级电流镜像单元相连；第六MOS管和第七MOS管，所述第六MOS管的栅极分别与所述第六MOS管的源极、所述第四MOS管的漏极和所述第七MOS管的栅极相连，所述第七MOS管的源极与所述第五MOS管的漏极相连；第八MOS管和第九MOS管，所述第八MOS管的栅极分别与所述第八MOS管的源极、所述第六MOS管的漏极和所述第九MOS管的栅极相连，所述第九MOS管的源极与所述第七MOS管的漏极相连，所述第九MOS管的漏极与所述第八MOS管的漏极相连。
根据本发明的一个实施例，所述第二级电流镜像单元包括：第十MOS管和第十一MOS管，所述第十MOS管的漏极与所述第一级电流镜像单元相连，所述第十MOS管的栅极与所述偏置电压提供单元相连，所述第十一MOS管的漏极与所述第十MOS管的源极相连，所述第十一MOS管的栅极与所述第十MOS管的漏极相连，所述第十一MOS管的源极接地；第一非门，所述第一非门的输入端与所述功率开关管的导通时间的输出端相连；第十二MOS管，所述第十二MOS管的栅极与所述第一非门的输出端相连，所述第十二MOS管的源极接所述地；第一电容，所述第一电容的一端分别与第二基准电流的输出端和所述第十二MOS管的漏极相连，所述第一电容的另一端接所述地；第十三MOS管和第十四MOS管，所述第十三MOS管的栅极与所述第十MOS管的栅极相连，所述第十四MOS管的栅极与所述第十一MOS管的栅极相连，所述第十四MOS管的漏极与所述第十三MOS管的源极相连，所述第十四MOS管的源极接所述地；第十五MOS管，所述第十五MOS管的栅极与所述第一电容的一端相连，所述第十五MOS管的源极与所述第十三MOS管的漏极相连，所述第十五MOS管的漏极与所述第三级电流镜像单元相连。
根据本发明的一个实施例，所述第三级电流镜像单元包括：第十六MOS管和第十七MOS管，所述第十六MOS管的栅极分别与所述第二级电流镜像单元、所述第十六MOS管的源极和所述第十七MOS管的栅极相连，所述第十七MOS管的源极与所述电流叠加模块相连；第十八MOS管和第十九MOS管，所述第十八MOS管的栅极分别与所述第十八MOS管的源极、所述第十六MOS管的漏极和所述第十九MOS管的栅极相连，所述第十九MOS管的源极与所述第十七MOS管的漏极相连，所述第十九MOS管的漏极与所述第十八MOS管的漏极相连。
根据本发明的一个实施例，所述负电压识别模块包括：第二非门，所述第二非门的输入端与所述前馈补偿电路的使能端相连；第一与非门，所述第一与非门的第一输入端与所述第二非门的输出端相连，所述第一与非门的第二输入端与所述消磁时间的输出端相连，所述第二与非门的输出端与所述第一级电流镜像单元相连。
根据本发明的一个实施例，所述电流叠加模块包括：串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与所述第三级电流镜像单元相连，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端与所述开关电源的过流检测管脚相连。
根据本发明的一个实施例，所述前馈补偿电路集成在所述开关电源的控制芯片内。
另外，本发明的实施例还提出了一种开关电源，其包括上述的开关电源的前馈补偿电路。
根据本发明实施例的开关电源，通过上述的前馈补偿电路，能够使得开关电源不管是处于轻载状态还是重载状态，都能够获得合适的电流补偿量，保证开关电源输出恒定的电流。
附图说明
图1是根据本发明实施例的开关电源的电路图；
图2是根据本发明实施例的前馈补偿电路的方框示意图；
图3是根据本发明一个实施例的前馈补偿电路的电路图；
图4是根据本发明一个实施例的前馈补偿电路的工作波形图；以及
图5是根据本发明一个实施例的开关电源的控制芯片的方框示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的开关电源的前馈补偿电路和具有该电路的开关电源。
图1是根据本发明实施例的开关电源的电路图。如图1所示，该开关电源可包括整流滤波电路、恒流电路和控制芯片IC。
具体地，整流滤波电路包括整流桥以及与该整流桥的输出端相连的滤波器，该整流桥由二极管D1、D2、D3和D4组成。滤波器包括并联的电容C2和C3以及连接在电容C2的正极与电容C3的正极之间的电感L1。
恒流电路包括初级绕组LP、功率开关管Q、次级绕组LS和反馈绕组LA，其中，初级绕组LP的一端与整流滤波电路的输出端相连，另一端与功率开关管Q的集电极相连，功率开关管Q的基极与控制芯片IC的驱动管脚DRI相连，功率开关管Q的发射极通过电阻R7接地，并且功率开关管Q的发射极还与控制芯片IC的过流检测管脚IFB相连。
次级绕组LS的一端与二极管D6阳极相连，二极管D6阴极通过并联的电阻R8和电容C6与次级绕组LS的另一端相连。反馈绕组LA一端与整流滤波电路的整流桥相连接地，另一端通过串联的电阻R5和电阻R6接地，电阻R5和电阻R6分压后与控制芯片IC的反馈管脚VFB相连，反馈绕组LA还通过二极管D5与控制芯片IC的电源管脚VDD相连。
另外，初级绕组LP的一端还通过串联的电阻R3、电阻R4和电容C4后接地，并且电阻R4与电容C4之间的连接点还分别与二极管D5的阴极和控制芯片IC的电源管脚VDD相连。
在开关电源工作的过程中，当功率开关管Q处于导通状态时，整流滤波电路给初级绕组LP充电，在反馈绕组LA的作用下，控制芯片IC的反馈管脚VFB获得一个负电压；当功率开关管Q处于关断时，初级绕组LP上的能量向次级绕组LS传递，在二极管D6的阴极与次级绕组LS的另一端之间获得输出电压Vout，在反馈绕组LA的作用下，该输出电压Vout反馈至控制芯片IC的反馈管脚VFB，因此对输出电压Vout的检测只能发生在二极管D6的消磁时间TDS内。控制芯片IC根据反馈的输出电压Vout计算获得功率开关管Q的导通时间和工作频率，通过对功率开关管Q进行导通和关断控制，实现恒流恒压功能。
相关技术中，恒流功能的实现如下述公式(1)所示：
Figure BDA0001199479860000051
其中，Iout为开关电源的输出电流，Np为初级绕组LP的匝数，Ns为次级绕组LS的匝数，TDS为二极管D6的消磁时间，即开关电源的次级消磁时间，T为工作周期，Ip为功率开关管Q的峰值电流。
在硬件电路确定后，Np/Ns为常量，可见，为了开关电源的输出电流Iout恒定，只需要保证消磁时间占空比TDS/T和峰值电流Ip恒定即可。
而TDS/T的恒定主要是通过PWM(或PFM)模块和消磁时间采样模块共同实现，根据消磁时间采样模块采样到的TDS大小来控制功率开关管Q的工作频率，确保TDS/T恒定。峰值电流Ip的恒定是通过在控制芯片IC内部设定恒定的过流保护基准Vocp，并与控制芯片IC的过流检测管脚IFB采样的电阻R7上的压降进行比较实现，当过流保护基准Vocp恒定时，峰值电流Ip恒定，其中，峰值电流Ip＝Vocp/R7。
但是在实际控制过程中，从电阻R7的压降检测到控制功率开关管Q关断，会存在一定的延时，假设这段延时时间为Δt，那么，当功率开关管Q的电流上升到设定的峰值电流Ip时，经过控制芯片IC的检测和逻辑处理，最终将在延时Δt时间后，控制功率开关管Q关断。而在Δt时间内，由于功率开关管Q处于导通状态，功率开关管Q的电流会继续上升，因此在功率开关管Q关断时，实际的功率开关管Q的电流Ip1应该为：
Ip1＝Ip+ΔIp (2)
其中，ΔIp为延时时间Δt内功率开关管Q的电流上升值。
即，实际的开关电源的输出电流应该为：
Figure BDA0001199479860000052
其中，
Figure BDA0001199479860000053
VIN为开关电源的初级输入线电压，即整流滤波后的电压，Lp为初级绕组LP的电感值。
对于特定的控制芯片IC来说，上述延时时间Δt可视为常量，可见，ΔIp会跟随初级输入线电压VIN以及初级绕组的电感值Lp的变化而变化，因此，开关电源的输出电流Iout会随着VIN以及Lp不同而存在差异，最终导致恒流输出效果不理想。
针对恒流输出效果不理想的问题，可以在控制芯片IC的内部加入电流镜，以产生与VIN成正比的补偿电流Icomp进行补偿，其原理如下：功率开关管Q导通时，反馈管脚VFB的电压跟VIN成正比，与初级绕组LP以及反馈绕组LA有关系，通过电阻识别将反馈管脚VFB的电压转化成电流，并通过电流镜得到一个跟VIN成正比的补偿电流Icomp，再通过电阻补偿在过流检测管脚IFB上，得到的补偿电压Vcomp为：
Figure BDA0001199479860000061
其中，Na为反馈绕组LA的匝数，Rlc为通过电阻将补偿电流补偿在过流检测管脚IFB上的电阻阻值，Klc为电流镜的总比例系数。
然后，结合上述公式(3)，经过补偿后的输出电流为：
Figure BDA0001199479860000062
即，只要保证
Figure BDA0001199479860000063
就可使得补偿后的电流等于控制芯片IC内部设定的峰值电流Ip，从而达到恒流的效果。
进一步地，结合上述公式(4)和
Figure BDA0001199479860000064
可以得到：
Figure BDA0001199479860000065
在初级绕组的电感值Lp固定的前提下，只要保证
Figure BDA0001199479860000066
即可达到完善***输出恒流效果的目的。
上述补偿方式是在初级绕组的电感值Lp固定的前提下，通过产生一路与VIN成正比的补偿电流Icomp(VIN一定时，该补偿量是恒定的)来实现补偿。当控制芯片IC以恒流模式运行时，该补偿电流Icomp是依据满载情况设置的，因此，当控制芯片IC处于满载时，这个补偿量是合理的，而在轻空载时，由于峰值电流的最小值较小，使得补偿过大，进而导致功率开关管Q的最小导通时间较短，很容易被消隐，引起反馈管脚VFB的波形出现差异，最终带来采样误差，这种现象在初级输入线电压VIN较高时更加明显。因此，通过引入导通时间Ton，在初级输入线电压较大时，以及轻空载情况下峰值电流较小的情况来对补偿电流进行限制，以免出现补偿过大的问题。
图2是根据本发明实施例的开关电源的前馈补偿电路的方框示意图。如图2所示，该开关电源的前馈补偿电路100包括：负电压识别模块110、电流镜像模块120和电流叠加模块130。
其中，负电压识别模块110用于根据开关电源的次级消磁时间TDS对开关电源的反馈管脚VFB上的电压进行负电压识别以获取与开关电源的初级输入线电压对应的反馈电流。电流镜像模块120用于根据反馈电流通过电流镜像以产生补偿电流，并根据开关电源中功率开关管的导通时间Ton对补偿电流进行限制以获取限制后的补偿电流。电流叠加模块130用于将限制后的补偿电流叠加到开关电源的过流检测管脚上，以对功率开关管的电流进行前馈补偿。
具体而言，输出电压的检测发生在二极管D6的消磁时间内，而功率开关管Q的电流补偿是发生在功率开关管Q导通期间内，因此，可根据次级消磁时间TDS对开关电源的反馈管脚VFB上的电压进行负电压识别，即，当次级消磁时间TDS＝0时，电流镜像模块120开始根据开关电源的初级输入线电压VIN对应的反馈电流，通过电流镜像产生补偿电流Icomp。
并且，由于满载时所需补偿电流大，轻载或空载时所需补偿电流小，且满载时的功率开关管Q的导通时间Ton长，轻载时的功率开关管Q的导通时间Ton短。功率开关管Q的导通时间还和初级输入线电压有关，初级输入线电压较高时，Ton时间短，初级输入线电压较低时，Ton时间较长。因此，可根据导通时间Ton来对补偿电流Icomp进行限制。即，满载时，通过较长的Ton时间来对补偿电流Icomp进行很小的限制或者没有限制；通过较短的Ton时间来对补偿电流Icomp进行较大的限制，并且在初级输入线电压较高时限制的更明显，使得限制后的补偿电流Icomp′更加合理。最后，电流叠加模块130将限制后的补偿电流Icomp′通过电阻叠加到开关电源的过流检测管脚IFB上，以对功率开关管的电流进行前馈补偿,有效防止轻载或空载时因补偿电流过大导致过补偿的问题，同时可保证满载时的电流补偿。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，电流镜像模块120可包括：偏置电压提供单元121、第一级电流镜像单元122、第二级电流镜像单元123和第三级电流镜像单元124。偏置电压提供单元121用于根据第一基准电流提供偏置电压，第一级电流镜像单元122用于根据偏置电压对反馈电流进行第一级电流镜像以输出补偿电流Icomp，第二级电流镜像单元123用于根据功率开关管的导通时间Ton对补偿电流Icomp进行限制以输出限制后的补偿电流Icomp′，第三级电流镜像单元124对限制后的补偿电流Icomp′进行复制以将限制后的补偿电流Icomp′输出至电流叠加模块130。
进一步地，根据本发明的一个实施例，如图3所示，偏置电压提供单元121可包括：第一MOS管Q1、第二MOS管Q2。其中，第一MOS管Q1的漏极与第一基准电流的输出端bp相连，第一MOS管Q1的栅极分别与第一MOS管Q1的漏极和第二级电流镜像单元123相连；第二MOS管Q2的栅极分别与第一MOS管Q1的源极、第二MOS管Q2的漏极和第一级电流镜像单元122相连，第二MOS管Q2的源极接地。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，第一级电流镜像单元122可包括：第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第七MOS管Q7、第八MOS管Q8和第九MOS管Q9。其中，第三MOS管Q3的栅极与偏置电压提供单元121相连，第三MOS管Q3的源极与开关电源的反馈管脚VFB相连；第四MOS管Q4的源极与第三MOS管Q3的漏极相连，第四MOS管Q4的栅极分别与负电压识别模块110和第五MOS管Q5的栅极相连，第五MOS管Q5的源极与第二级电流镜像单元123相连；第六MOS管Q6的栅极分别与第六MOS管Q6的源极、第四MOS管Q4的漏极和第七MOS管Q7的栅极相连，第七MOS管Q7的源极与第五MOS管Q5的漏极相连；第八MOS管Q8的栅极分别与第八MOS管Q8的源极、第六MOS管Q6的漏极和第九MOS管Q9的栅极相连，第九MOS管Q9的源极与第七MOS管Q7的漏极相连，第九MOS管Q9的漏极与第八MOS管Q8的漏极相连。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，第二级电流镜像单元123可包括：第十MOS管Q10、第十一MOS管Q11、第一非门NO1、第十二MOS管Q12、第一电容C1、第十三MOS管Q13、第十四MOS管Q14、第十五MOS管Q15。第十MOS管Q10的漏极与第一级电流镜像单元121相连，第十MOS管Q10的栅极与偏置电压提供单元121相连，第十一MOS管Q11的漏极与第十MOS管Q10的源极相连，第十一MOS管Q11的栅极与第十MOS管Q10的漏极相连，第十一MOS管Q11的源极接地；第一非门NO1的输入端与功率开关管Q的导通时间Ton的输出端相连；第十二MOS管Q12的栅极与第一非门NO1的输出端相连，第十二MOS管Q12的源极接地；第一电容C1的一端分别与第二基准电流的输出端bp1和第十二MOS管Q12的漏极相连，第一电容C1的另一端接地；第十三MOS管Q13的栅极与第十MOS管Q10的栅极相连，第十四MOS管Q14的栅极与第十一MOS管Q11的栅极相连，第十四MOS管Q14的漏极与第十三MOS管Q13的源极相连，第十四MOS管Q14的源极接地；第十五MOS管Q15的栅极与第一电容C1的一端相连，第十五MOS管Q15的源极与第十三MOS管Q13的漏极相连，第十五MOS管Q15的漏极与第三级电流镜像单元124相连。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，第三级电流镜像单元124包括：第十六MOS管Q16、第十七MOS管Q17、第十八MOS管Q18和第十九MOS管Q19。第十六MOS管Q16的栅极分别与第二级电流镜像单元123、第十六MOS管Q16的源极和第十七MOS管Q17的栅极相连，第十七MOS管Q17的源极与电流叠加模块130相连；第十八MOS管Q18的栅极分别与第十八MOS管Q18的源极、第十六MOS管Q16的漏极和第十九MOS管Q19的栅极相连，第十九MOS管Q19的源极与第十七MOS管Q17的漏极相连，第十九MOS管Q19的漏极与第十八MOS管Q18的漏极相连。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，负电压识别模块110可包括：第二非门NO2和第一与非门ANDO1，第二非门NO2的输入端与前馈补偿电路的使能端EN相连；第一与非门ANDO1的第一输入端与第二非门NO2的输出端相连，第一与非门ANDO1的第二输入端与消磁时间TDS的输出端相连，第二与非门NO2的输出端与第一级电流镜像单元122相连。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，电流叠加模块130可包括：串联的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端与第三级电流镜像单元124相连，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与开关电源的过流检测管脚IFB相连。
具体而言，如图3所示，当控制芯片IC以恒流模式运行时，前馈补偿电路的使能端EN＝1，并且当TDS＝0时，即开关电源的消磁时间结束时，初级输入线电压VIN通过初级绕组LP和反馈绕组LA折射到控制芯片IC的反馈管脚VFB，再通过分压电阻转化为反馈电流，即开关电源的初级输入电压对应的反馈电流Ils为：
Figure BDA0001199479860000091
当EN＝1且TDS＝0时，第一与非门AND1的输出端为高电平信号，且施加在第四MOS管Q4上，第一级电流镜像单元122开始对开关电源的初级输入电压对应的反馈电流Ils进行镜像，最终在第五MOS管Q5的源极获得补偿电流Icomp。
然后，通过功率开关管Q的导通时间Ton对第二级电流镜像单元123进行控制，以对补偿电流Icomp进行限制。其中，当Ton＝0时，第一非门的输出端为高电平信号，第十二MOS管Q12处于导通状态，第一电容C1上的电压被下拉到地，第十五MOS管的栅源电压VGS小于第十五MOS管的电压阈值VTH，第十五MOS管工作在截止状态，第十五MOS管的漏极无电流；当Ton＝1时，第一非门的输出端为低电平信号，第十二MOS管Q12处于断开状态，此时第二基准电流开始给第一电容C1充电，第十五MOS管Q15的栅极电压VG为：
Figure BDA0001199479860000101
其中，Δt1为充电时间，Ibp1为第二基准电流。
随着Ton时间，栅源电压VGS不断增加(最高能达到电源电压)，当VGS＞VTH时，第十五MOS管Q15开始导通。如图4所示，轻空载时，由于Ton时间较短，第十五MOS管Q15的栅极电压VG充电到一个比较低的值，流经电流镜的电流很小，该支路的电流受第十五MOS管Q15的限制，不能完全镜像，通过调整合理的电容值，可以得到轻载和空载下一个合理的前馈补偿值；满载时，由于Ton时间很长，栅源电压VGS不断增加，该支路的电流也增大，当栅源电压VGS增大到一定程度时，该支路的电流就主要受电流镜的限制了，此时电流镜可以完美复制上一路的电流，得到恒流工作状态下的前馈补偿值
Figure BDA0001199479860000102
其中，Klc'为第一级电流镜像单元122、第二级电流镜像单元123和第三级电流镜像单元124的总电流镜像系数。
根据本发明实施例的开关电源的前馈补偿电路，在功率开关管导通时间内，开关电源的初级输入线电压通过初级绕组和反馈绕组折射到控制芯片的反馈管脚，并通过分压电阻产生一个与初级输入线电压成正比的反馈电流，然后通过合理的电流镜得到补偿电流，并用功率开关管的导通时间Ton来对补偿电流进行限制，以在输入线电压较高、功率开关管的峰值电流较小时，保证补偿电流不会过大。
在本发明的实施例中，前馈补偿电路100集成在开关电源的控制芯片IC内。
具体地，如图5所示，控制芯片IC可包括启动电路201、基准偏置电路202、线电压补偿电路203、采样保持电路204、误差放大电路205、恒流恒压控制电路206、逻辑处理电路207、驱动电路208、消磁时间采样模块209、抖频电路210、过流保护电路211和前馈补偿电路100。
其中，启动电路201用于给定芯片开启和关断的电源阈值，以控制芯片的开启与关断，并实现电源VDD的欠压保护功能，给出低压部分电路工作电源及使能信号；基准偏置电路202用于提供基准和偏置；线电压补偿电路203用以对输入线电压进行补偿；采样保持电路204用于通过对控制芯片IC的反馈管脚VFB进行检测，实现对输出电压的采样和保持，并提供给误差放大电路205；误差放大电路205用于对输出电压与给定基准电压VREF_EA之间的差值进行误差放大，并提供给恒流恒压控制电路206；恒流恒压控制电路206根据误差放大电路205的输出调整功率开关管的导通时间和工作频率；消磁时间采样模块209用于通过对控制芯片IC的反馈管脚VFB进行检测，以获得每周期的消磁时间TDS；前馈补偿电路100用于对功率开关管的电流进行补偿；过流保护电路211用于设置合理的过流保护点；逻辑处理电路207用于对前级的逻辑信号进行处理，控制功率开关管的开启与关闭；驱动电路208用于驱动功率开关管。控制芯片IC如何进行工作，这里不再详述。
综上所述，根据本发明实施例的开关电源的前馈补偿电路，通过负电压识别模块根据开关电源的次级消磁时间对开关电源的反馈管脚上的电压进行负电压识别，以获取与开关电源的初级输入线电压对应的反馈电流，电流镜像模块根据反馈电流，通过电流镜像以产生补偿电流，并根据开关电源中功率开关管的导通时间对补偿电流进行限制以获取限制后的补偿电流，电流叠加模块将限制后的补偿电流叠加到开关电源的过流检测管脚上，以对功率开关管的电流进行前馈补偿。从而使得开关电源不管是处于轻载状态还是重载状态，都能够获得合适的电流补偿量，保证开关电源输出恒定的电流。
另外，本发明的实施例还提出了一种开关电源，如图1所示，其包括上述的开关电源的前馈补偿电路。具体这里不再详述。
根据本发明实施例的开关电源，通过上述的前馈补偿电路，能够使得开关电源不管是处于轻载状态还是重载状态，都能够获得合适的电流补偿量，保证开关电源输出恒定的电流。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种开关电源的前馈补偿电路，其特征在于，包括：
负电压识别模块，所述负电压识别模块用于根据所述开关电源的次级消磁时间对所述开关电源的反馈管脚上的电压进行负电压识别以获取与所述开关电源的初级输入线电压对应的反馈电流；
电流镜像模块，所述电流镜像模块用于根据所述反馈电流通过电流镜像以产生补偿电流，并根据所述开关电源中功率开关管的导通时间对所述补偿电流进行限制以获取限制后的补偿电流；
电流叠加模块，所述电流叠加模块用于将所述限制后的补偿电流叠加到所述开关电源的过流检测管脚上，以对所述功率开关管的电流进行前馈补偿；
所述电流镜像模块包括：
偏置电压提供单元，所述偏置电压提供单元用于根据第一基准电流提供偏置电压；
第一级电流镜像单元，所述第一级电流镜像单元用于根据所述偏置电压对所述反馈电流进行第一级电流镜像以输出所述补偿电流；
第二级电流镜像单元，所述第二级电流镜像单元用于根据所述功率开关管的导通时间对所述补偿电流进行限制以输出所述限制后的补偿电流；
第三级电流镜像单元，所述第三级电流镜像单元对所述限制后的补偿电流进行复制以将所述限制后的补偿电流输出至所述电流叠加模块。
2.如权利要求1所述的开关电源的前馈补偿电路，其特征在于，所述偏置电压提供单元包括：
第一MOS管，所述第一MOS管的漏极与所述第一基准电流的输出端相连，所述第一MOS管的栅极分别与所述第一MOS管的漏极和所述第二级电流镜像单元相连；
第二MOS管，所述第二MOS管的栅极分别与所述第一MOS管的源极、所述第二MOS管的漏极和所述第一级电流镜像单元相连，所述第二MOS管的源极接地。
3.如权利要求2所述的开关电源的前馈补偿电路，其特征在于，所述第一级电流镜像单元包括：
第三MOS管，所述第三MOS管的栅极与所述偏置电压提供单元相连，所述第三MOS管的源极与所述开关电源的反馈管脚相连；
第四MOS管和第五MOS管，所述第四MOS管的源极与所述第三MOS管的漏极相连，所述第四MOS管的栅极分别与所述负电压识别模块和所述第五MOS管的栅极相连，所述第五MOS管的源极与所述第二级电流镜像单元相连；
第六MOS管和第七MOS管，所述第六MOS管的栅极分别与所述第六MOS管的源极、所述第四MOS管的漏极和所述第七MOS管的栅极相连，所述第七MOS管的源极与所述第五MOS管的漏极相连；
第八MOS管和第九MOS管，所述第八MOS管的栅极分别与所述第八MOS管的源极、所述第六MOS管的漏极和所述第九MOS管的栅极相连，所述第九MOS管的源极与所述第七MOS管的漏极相连，所述第九MOS管的漏极与所述第八MOS管的漏极相连。
4.如权利要求3所述的开关电源的前馈补偿电路，其特征在于，所述第二级电流镜像单元包括：
第十MOS管和第十一MOS管，所述第十MOS管的漏极与所述第一级电流镜像单元相连，所述第十MOS管的栅极与所述偏置电压提供单元相连，所述第十一MOS管的漏极与所述第十MOS管的源极相连，所述第十一MOS管的栅极与所述第十MOS管的漏极相连，所述第十一MOS管的源极接地；
第一非门，所述第一非门的输入端与所述功率开关管的导通时间的输出端相连；
第十二MOS管，所述第十二MOS管的栅极与所述第一非门的输出端相连，所述第十二MOS管的源极接所述地；
第一电容，所述第一电容的一端分别与第二基准电流的输出端和所述第十二MOS管的漏极相连，所述第一电容的另一端接所述地；
第十三MOS管和第十四MOS管，所述第十三MOS管的栅极与所述第十MOS管的栅极相连，所述第十四MOS管的栅极与所述第十一MOS管的栅极相连，所述第十四MOS管的漏极与所述第十三MOS管的源极相连，所述第十四MOS管的源极接所述地；
第十五MOS管，所述第十五MOS管的栅极与所述第一电容的一端相连，所述第十五MOS管的源极与所述第十三MOS管的漏极相连，所述第十五MOS管的漏极与所述第三级电流镜像单元相连。
5.如权利要求4所述的开关电源的前馈补偿电路，其特征在于，所述第三级电流镜像单元包括：
第十六MOS管和第十七MOS管，所述第十六MOS管的栅极分别与所述第二级电流镜像单元、所述第十六MOS管的源极和所述第十七MOS管的栅极相连，所述第十七MOS管的源极与所述电流叠加模块相连；
第十八MOS管和第十九MOS管，所述第十八MOS管的栅极分别与所述第十八MOS管的源极、所述第十六MOS管的漏极和所述第十九MOS管的栅极相连，所述第十九MOS管的源极与所述第十七MOS管的漏极相连，所述第十九MOS管的漏极与所述第十八MOS管的漏极相连。
6.如权利要求1所述的开关电源的前馈补偿电路，其特征在于，所述负电压识别模块包括：
第二非门，所述第二非门的输入端与所述前馈补偿电路的使能端相连；
第一与非门，所述第一与非门的第一输入端与所述第二非门的输出端相连，所述第一与非门的第二输入端与所述消磁时间的输出端相连，所述第一与非门的输出端与所述第一级电流镜像单元相连。
7.如权利要求1所述的开关电源的前馈补偿电路，其特征在于，所述电流叠加模块包括：
串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与所述第三级电流镜像单元相连，所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端与所述开关电源的过流检测管脚相连。
8.如权利要求1所述的开关电源的前馈补偿电路，其特征在于，所述前馈补偿电路集成在所述开关电源的控制芯片内。
9.一种开关电源，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的开关电源的前馈补偿电路。
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