CN108880252A - 线性恒流电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种线性恒流电路，包括第一和第二功率开关、输出电容、电流采样电阻、运算放大器、及第二功率开关的控制电路，其中：输出电容的正端与电路负载的正电压端连接，第一功率开关的漏极与电路负载的负电压端连接，第一功率开关的源极经由电流采样电阻连接到***大地，第一功率开关的栅极与运算放大器的输出端连接，第二功率开关的漏级与第一功率开关的漏级连接，第二功率开关的源极与输出电容的负端连接并作为控制电路的参考地，第二功率开关的栅极与控制电路的输出端连接，控制电路基于表征电路负载或输出电容两端的输出电压的输出表征电压、第二和第三参考电压，生成用于控制第二功率开关的导通与关断的第二开关控制信号。

Description

线性恒流电路
技术领域
本发明涉及电路领域，更具体地涉及一种线性恒流电路。
背景技术
图1示出了传统的线性恒流电路的工作原理图。在图1所示的线性恒流电路中，输出电容Co的正端和负端分别与负载的两端连接；功率开关S1的漏极与输出电容Co的负端连接；功率开关S1的源极经由电流采样电阻Rcs连接到***大地；功率开关S1的栅极与运算放大器(EA)的输出端连接，其中：电流采样电阻Rcs对流过负载的输出电流Io进行采样，生成电流采样电压Vcs；运算放大器(EA)基于电流采样电压Vcs和参考电压Vref，生成用于控制功率开关S1的导通与关断的开关控制信号Out1，以在输出电压Vin波动时通过对功率开关S1的控制来实现对输出电流Io的恒流控制。
图2示出了图1所示的线性恒流电路中的一些关键点的电压和电流的波形图，其中：Vin表示通过对交流电压进行整流得到的输入电压，Vo表示负载或输出电容Co两端的输出电压，Vcs表示电流采样电阻Rcs上的电流采样电压，Vref表示参考电压，Io表示流过负载的输出电流。
如图2所示，当输入电压Vin大于输出电压Vo时，功率开关S1工作于放大区，以控制电流采样电阻Rcs上的电流采样电压Vcs与参考电压Vref相等，输入电压Vin在给负载提供输出电流Io的同时对输出电容Co充电；当输入电压Vin小于输出电压Vo时，功率开关S1处于导通状态，但是输入电压Vin无法给负载提供输出电流Io，电流采样电阻Rcs上的电流采样电压Vcs为零，流过负载的输出电流Io由输出电容Co提供(即，输出电容Co对负载放电)。
因此，在图1所示的线性恒流电路中，当输入电压Vin低频波动时，输出电流Io也随之低频波动。具体地，在每个低频周期内，输入电压Vin小于输出电压Vo的时间为Tdis，输出电容Co两端的电压的波纹大小(即，输出电压Vo的波纹大小)为△V＝Io*Tdis/Co；输出电容Co的容量越小，输出电压Vo的纹波越大，输出电流Io的纹波也越大；输出电容Co的容量越大，输出电压Vo的纹波越小，输出电流Io的纹波也越小。
在某些应用场景中，要求输出电流Io的低频纹波尽可能小，这就需要输出电容Co的容量较大，但是输出电容Co一般都是电解电容，容量越大，体积也会大很多，这样就无法实现电源体积的小型化。
发明内容
鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了一种新颖的线性恒流电路。
根据本发明实施例的线性恒流电路，包括第一功率开关、第二功率开关、输出电容、电流采样电阻、运算放大器、以及第二功率开关的控制电路，其中：输出电容的正端与电路负载的正电压端连接，第一功率开关的漏极与电路负载的负电压端连接，第一功率开关的源极经由电流采样电阻连接到***大地，第一功率开关的栅极与运算放大器的输出端连接，第二功率开关的漏级与第一功率开关的漏级连接，第二功率开关的源极与输出电容的负端连接并作为控制电路的参考地，第二功率开关的栅极与控制电路的输出端连接，电流采样电阻对流过电路负载的输出电流进行采样以生成电流采样电压，运算放大器基于电流采样电压和第一参考电压生成用于控制第一功率开关的导通与关断的第一开关控制信号，控制电路基于表征电路负载或所述输出电容两端的输出电压的输出表征电压、第二参考电压、以及第三参考电压，生成用于控制第二功率开关的导通与关断的第二开关控制信号。
在一些实施例中，上述线性恒流电路还包括分压网络，该分压网络的一端与输出电容的负端连接、另一端与第一功率开关的源极连接，输出表征电压是由分压网络对控制电路的参考地与***大地之间的电压进行分压得到的。
在一些实施例中，当线性恒流电路的输入电压大于输出电压时，第一功率开关工作于放大区，第二功率开关处于导通状态，输入电压在对电路负载提供输出电流的同时对输出电容充电。
在一些实施例中，当线性恒流电路的输入电压下降至无法给输出电容充电但是仍然大于输出电压时，控制电路基于输出表征电压和第二参考电压控制第二功率开关从导通状态变为关断状态，以切断输出电容对电路负载放电的通路。
在一些实施例中，当线性恒流电路的输入电压下降到小于输出电压从而无法给电路负载提供输出电流时，第一功率开关处于导通状态，控制电路基于输出表征电压和第三参考电压控制第二功率开关从关断状态变为导通状态，以使输出电容给电路负载提供输出电流。
在一些实施例中，当输出表征电压大于第二参考电压时，控制电路输出低电平的第二开关控制信号，以控制第二功率开关从导通状态变为关断状态。
在一些实施例中，当输出表征电压大于第三参考电压时，控制电路输出高电平的第二开关控制信号，以控制第二功率开关从关断状态变为导通状态，第三参考电压大于第二参考电压。
根据本发明实施例的线性恒流电路可以降低每个工频周期中输出电流的峰值附近的电流平均值，从而减小输出电流的低频纹波。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
图1示出了传统的线性恒流电路的工作原理图；
图2示出了图1所示的线性恒流电路中的一些关键点的电压和电流的波形图；
图3示出了根据本发明实施例的线性恒流电路的工作原理图；
图4示出了图2所示的线性恒流电路中的一些关键点的电压和电流的波形图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
图3示出了根据本发明实施例的线性恒流电路的工作原理图。如图3所示，根据本发明实施例的线性恒流电路除了包括与图1所示的线性恒流电路完全相同的电路部分以外，还包括功率开关S2及其控制电路。
在图3所示的线性恒流电路中，功率开关S2的漏级与功率开关S1的漏级连接；功率开关S2的源极与输出电容Co的负端连接，并作为功率开关S2的控制电路的参考地；功率开关S2的栅极与其控制电路的输出端连接；电阻R1和R2组成的分压网络对功率开关S2的控制电路的参考地与***大地之间的电压进行分压，生成表征输出电压Vo的输出表征电压VFB；功率开关S2的控制电路基于输出表征电压VFB、参考电压Vref1、以及参考电压Vref2生成用于控制功率开关S2的导通与关断的开关控制信号Out2，以减小在输入电压Vin低频波动时输出电流Io的纹波的大小。
在图3所示的线性恒流电路中，当输入电压Vin大于输出电压Vo时，功率开关S1工作于放大区，以控制流过电流采样电阻Rcs的电流采样电压Vcs恒定；当输入电压Vin小于输出电压Vo时，功率开关S1处于导通状态，输入电压Vin无法给负载提供输出电流Io，电流采样电阻Rcs上的电流采样电压Vcs为零，流过负载的输出电流Io由输出电容Co提供(即，输出电容Co对负载放电)。
图4示出了图2所示的线性恒流电路中的一些关键点的电压和电流的波形图，其中：Vin表示通过对交流电压进行整流得到的输入电压，Vo表示负载两端的输出电压，Vcs表示电流采样电阻Rcs上的电流采样电压，ref1和ref2分别表示用于功率开关S2的控制电路中的两个参考电压，Io表示流过负载的输出电流，Out2表示功率开关S2的控制电路生成的、用于控制功率开关S2的导通与关断的开关控制信号。
如图4所示，当输入电压Vin大于输出电压Vo时，输入电压Vin在对负载提供输出电流Io的同时对输出电容Co充电，功率开关S2处于导通状态。
如图4所示，当输入电压Vin下降至输出电压Vo附近时，输入电压Vin无法给输出电容Co充电但是仍然可以对负载提供输出电流Io；此时，输出表征电压FB大于参考电压ref2，比较器2输出高电平的控制信号off；功率开关S2的控制电路输出低电平的开关控制信号Out2，以控制功率开关S2从导通状态变为关断状态，从而切断输出电容Co对负载放电的通路。
如图4所示，当输入电压Vin下降到小于输出电压Vo时，输入电压Vin既无法给输出电容Co充电也无法给负载提供输出电流Io；此时，输出表征电压FB大于参考电压ref1，比较器1输出高电平的控制信号on；功率开关S2的控制电路输出高电平的开关控制信号Out2，以控制功率开关S2从关断状态变为到导通状态，从而使得输出电容Co给负载提供输出电流Io。
这里，需要说明的是，控制信号on和off是上升沿有效的控制信号，即它们在从低电平变成高电平的瞬间有效。
图3所示的线性恒流电路可以降低每个工频周期中输出电流Io的峰值附近的电流平均值，从而减小输出电流Io的低频纹波。
本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而***体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (7)

1.一种线性恒流电路，包括第一功率开关、第二功率开关、输出电容、电流采样电阻、运算放大器、以及第二功率开关的控制电路，其中：
所述输出电容的正端与电路负载的正电压端连接，所述第一功率开关的漏极与所述电路负载的负电压端连接，所述第一功率开关的源极经由所述电流采样电阻连接到***大地，所述第一功率开关的栅极与所述运算放大器的输出端连接，
所述第二功率开关的漏级与所述第一功率开关的漏级连接，所述第二功率开关的源极与所述输出电容的负端连接并作为所述控制电路的参考地，所述第二功率开关的栅极与所述控制电路的输出端连接，
所述电流采样电阻对流过所述电路负载的输出电流进行采样以生成电流采样电压，所述运算放大器基于所述电流采样电压和第一参考电压生成用于控制所述第一功率开关的导通与关断的第一开关控制信号，
所述控制电路基于表征所述电路负载或所述输出电容两端的输出电压的输出表征电压、第二参考电压、以及第三参考电压，生成用于控制所述第二功率开关的导通与关断的第二开关控制信号。
2.如权利要求1所述的线性恒流电路，还包括分压网络，该分压网络的一端与所述输出电容的负端连接、另一端与所述第一功率开关的源极连接，所述输出表征电压是由所述分压网络对所述控制电路的参考地与***大地之间的电压进行分压得到的。
3.如权利要求1所述的线性恒流电路，其中，当所述线性恒流电路的输入电压大于所述输出电压时，所述第一功率开关工作于放大区，所述第二功率开关处于导通状态，所述输入电压在对所述电路负载提供所述输出电流的同时对所述输出电容充电。
4.如权利要求1所述的线性恒流电路，其中，当所述线性恒流电路的输入电压下降至无法给所述输出电容充电但是仍然大于所述输出电压时，所述控制电路基于所述输出表征电压和所述第二参考电压控制所述第二功率开关从导通状态变为关断状态，以切断所述输出电容对所述电路负载放电的通路。
5.如权利要求1所述的线性恒流电路，其中，当所述线性恒流电路的输入电压下降到小于所述输出电压从而无法给所述电路负载提供所述输出电流时，所述第一功率开关处于导通状态，所述控制电路基于所述输出表征电压和所述第三参考电压控制所述第二功率开关从关断状态变为导通状态，以使所述输出电容给所述电路负载提供所述输出电流。
6.如权利要求4或5所述的线性恒流电路，其中，当所述输出表征电压大于所述第二参考电压时，所述控制电路输出低电平的所述第二开关控制信号，以控制所述第二功率开关从导通状态变为关断状态。
7.如权利要求6所述的线性恒流电路，其中，当所述输出表征电压大于所述第三参考电压时，所述控制电路输出高电平的所述第二开关控制信号，以控制所述第二功率开关从关断状态变为导通状态，所述第三参考电压大于所述第二参考电压。
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