CN110504848B - 一种开关电源的输入电流峰值调制方法 - Google Patents

一种开关电源的输入电流峰值调制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种开关电源的输入电流峰值调制方法，基于升压式开关电源驱动电路；充放电电感L1的一端接直流电压Vin，另一端接开关MOS管M1的漏极；输出电容C3的一端接驱动芯片T1的VCC端；开关MOS管M1的栅极接驱动芯片T1的Gate端，源极接驱动芯片T1的CS端；电流检测电阻Rs的一端接开关MOS管M1的源极；输入电流调制电路K2包括运算放大器G21；运算放大器G21的正相输入端接调制基准电压Vref_dim；调制基准电压Vref_dim的值小于电感的饱和电流和电流检测电阻。其优点在于可以在电感峰值电流和功率因数之间取得平衡，在减小一点功率因数的情况下，大大降低输入电流的峰值，从而节省开关电源的方案成本和体积；运行可靠、稳定。

Description

一种开关电源的输入电流峰值调制方法
技术领域
本发明公开了一种开关电源的输入电流峰值调制方法。
背景技术
电源模块是为专用集成电路、数字信号处理器、微处理器、存储器、现场可编程门阵列及其他数字或模拟负载提供供电的电源供应器，广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、家用电器、工业控制等领域。
开关电源不同于线性电源，开关电源利用切换MOS管工作在导通和关断模式，这两个模式都有低功耗的特点，因此比较节省能源，效率比较高。理想状态下，开关电源本身是不会消耗电能的，电压稳压是透过调整MOS管导通及关断的时间来达到。相反的，线性电源在产生输出电压的过程中，MOS管工作在饱和区，本身也会消耗电能。开关电源的高转换效率是其一大优点，因此开关电源被广泛应用。
当开关电源的输入交流电源例如市电的情况下，输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，充电器等，开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。采用功率因数校正(PFC)功率因数校正技术的开关电源，其功率因数可提高到0.95～0.99，既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正APFC，已被广泛应用于开关电源的开发和应用中。
在带有APFC技术的开关电源方案中，为了达到较高的功率因数，输入电流被设计为严格跟随输入交流电压的相位和幅值,输入电流的峰值出现在输入电压的峰值处。同时，输入电流的峰值又随着负载的增大而变高。在极端情况下，也就是输入交流电压的有效值最小且负载最大时，输入电流的幅值达到最高。为了承受高峰值的输入电流，开关电源的应用方案不得不采用高饱和电流的电感，从而造成成本的急剧上升和体积的表达，给很多的应用方案造成了不便。
发明内容
本发明提供了一种开关电源的输入电流峰值调制方法，可以在电感峰值电流和功率因数之间取得平衡，在减小一点功率因数的情况下，大大降低输入电流的峰值，从而节省开关电源的方案成本和体积；运行可靠、稳定；以克服现有技术中的缺陷。
本发明提供一种开关电源的输入电流峰值调制方法，基于升压式开关电源驱动电路；升压式开关电源驱动电路包括，输入电容C1、外部电容C4、充放电电感L1、开关MOS管M1、电流检测电阻Rs、输出电容C3和驱动芯片T1；驱动芯片T1具有HV端、Vcc端、Gate端、CS端、FB端、GND端；输入电容C1的一端接直流电压Vin，另一端接地；充放电电感L1的一端接直流电压Vin，另一端接开关MOS管M1的漏极；驱动芯片T1的HV端接直流电压Vin；输出电容C3的一端接驱动芯片T1的VCC端，另一端接地；外部电容C4一端接驱动芯片T1的COMP端，另一端接地；开关MOS管M1的栅极接驱动芯片T1的Gate端，源极接驱动芯片T1的CS端；电流检测电阻Rs的一端接开关MOS管M1的源极，另一端接地；开关电源的输入电流峰值调制方法包括：恒压控制电路K1、输入电流调制电路K2、逻辑控制电路K3、过零电流检测电路K4、MOS管驱动电路K5、低压供电电路K6；低压供电电路K6从HV端输入高压，输出低压至Vcc端；输入电流调制电路K2一端与驱动芯片T1的CS端连接，另一端与逻辑控制电路K3的一个输入端连接；过零电流检测电路K4的输出端与逻辑控制电路K3的另一个输入端连接；恒压控制电路K1分别与FB端、COMP端连接，输出端与逻辑控制电路K3的第三个输入端连接；逻辑控制电路K3输出端与MOS管驱动电路K5的输入端连接；MOS管驱动电路K5输出端与GATE端、以及过零电流检测电路K4连接；输入电流调制电路K2包括运算放大器G21；运算放大器G21的正相输入端接调制基准电压Vref_dim，负相输入端接驱动芯片T1的CS端，输出端与逻辑控制电路K3连接；调制基准电压Vref_dim的值小于充放电电感L1的饱和电流和电流检测电阻Rs的乘积。
进一步，本发明提供一种开关电源的输入电流峰值调制方法，还可以具有以下特征：升压式开关电源驱动电路还包括续流二极管D2、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2；续流二极管D2的正极接开关MOS管M1的漏极，负极接第一分压电阻R1的一端；第二分压电阻R2的一端接第一分压电阻R1的另一端；另一端接地。
进一步，本发明提供一种开关电源的输入电流峰值调制方法，还可以具有以下特征：驱动芯片T1的FB端接第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的连接处；驱动芯片T1的GND端接地。
进一步，本发明提供一种开关电源的输入电流峰值调制方法，还可以具有以下特征：升压式开关电源驱动电路还包括储能电容C2；储能电容C2并联在第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的两端；即一端接第一分压电阻R1的一端，另一端接第二分压电阻R2的另一端。
进一步，本发明提供一种开关电源的输入电流峰值调制方法，还可以具有以下特征：恒压控制电路K1包括，运算放大器G11、运算放大器G12、电流源I13、电容C14；运算放大器G11的正相输入端接恒压控制基准电压Vref_cv，负相输入端接驱动芯片T1的FB端，输出端接COMP端；电流源I13的输入端接VCC端，输出端接运算放大器G12的负相输入端；运算放大器G12的正相输入端接COMP端，输出端与逻辑控制电路K3连接，输出恒压控制信号norm_off；电容C14的一端接运算放大器G12的负相输入端，另一端接地。
进一步，本发明提供一种开关电源的输入电流峰值调制方法，还可以具有以下特征：逻辑控制电路K3包括：D触发器DFF和或门OR；或门OR的一个输入端与输入电流调制电路K2连接，另一个输入端与恒压控制电路K1连接，输出端接D触发器DFF的R端；D触发器DFF的D端接VCC端，CK端接过零电流检测电路K4；D触发器DFF的Q端与MOS管驱动电路K5连接。
进一步，本发明提供一种开关电源的输入电流峰值调制方法，还可以具有以下特征：MOS管驱动电路K5包括：反相器INV51、MOS管MP52、MOS管MN53、电阻R54；反相器INV51的输入端与逻辑控制电路K3连接；输出端与MOS管MN53的栅极和MOS管MP52的栅极连接；MOS管MP52的源极与VCC端连接；MOS管MN53的漏极和MOS管MP52的漏极连接，连接点作为GATE端；电阻R54的一端接MOS管MN53源极，另一端接GND端。
附图说明
图1为本实施例中的一种升压式开关电源驱动电路图。
图2为本实施例中的高功率因数升压式开关电源应用电流波形图。
图3为本实施例中的驱动芯片的模块原理图。
图4为本实施例中的驱动芯片的模块电路图。
图5为无输入电流调制模式下的工作波形图。
图6为输入电流调制模式下的工作波形图。
图7为高功率因数升压式开关电源输入电流调制波形图。
附图标记：
RL――负载RL
Rs――电流检测电阻
L1――充放电电感
C1――输入电容
C2――储能电容
C3――输出电容
C4――外部电容
T1――驱动芯片
M1――开关MOS管
R1――第一分压电阻
R2――第二分压电阻
D2――续流二极管
Vin――输入整流电压
Im――电感L1的电流
Is――电感L1的充电电流
Id――电感L1的放电电流
Im_pk――电感L1峰值电流
Iout――输出电流
MOS_ON――逻辑控制电路K3的输出信号
drn――MOS管M1的漏极
zcd――电感电流过零信号
Ipk_off――峰值电流到达信号
norm_off――恒压控制电路输出信号
K1――恒压控制电路
K2――输入电流调制电路
K3――逻辑控制电路
Vref_dim――调制基准电压
Vref_cv――恒压控制基准电压
dim_off――输入电流调制电路输出信号
Gate――MOS管M1栅极驱动信号
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
图1为本实施例中的一种升压式开关电源驱动电路图。
如图1所示，一种升压式开关电源驱动电路，整流桥、输入电容C1、储能电容C2、外部电容C4、充放电电感L1、续流二极管D2、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、开关MOS管M1、电流检测电阻Rs、输出电容C3和驱动芯片T1。驱动芯片T1具有HV端、Vcc端、Gate端、CS端、FB端、GND端。
交流输入ACin经整流后输出直流电压Vin。输入电容C1的一端接直流电压Vin，另一端接地。充放电电感L1的一端接直流电压Vin，另一端接开关MOS管M1的漏极。驱动芯片T1的HV端接直流电压Vin。续流二极管D2的正极接开关MOS管M1的漏极，负极接第一分压电阻R1的一端。第二分压电阻R2的一端接第一分压电阻R1的另一端；另一端接地。储能电容C2并联在第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的两端；即一端接第一分压电阻R1的一端，另一端接第二分压电阻R2的另一端。
输出电容C3的一端接驱动芯片T1的VCC端，另一端接地。外部电容C4一端接驱动芯片T1的COMP端，另一端接地。开关MOS管M1的栅极接驱动芯片T1的Gate端，源极接驱动芯片T1的CS端。电流检测电阻Rs的一端接开关MOS管M1的源极，另一端接地。驱动芯片T1的FB端接第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的连接处。驱动芯片T1的GND端接地。负载RL并联在储能电容C2的两端，即一端与整流桥的两个输出端连接。
如图1所示，驱动芯片T1和其他外部元器件构成了一个升压式开关电源驱动电路，用来负载RL提供恒压输出。交流输入经整流并经过输入电容C1滤波后，产生一个直流电压Vin用以给负载RL供电。当开关MOS管M1开通时有输入电压Vin对其进行充电，当开关MOS管M1关断时，充放电电感L1对负载RL进行充电。第一分压电阻R1和第二分压电阻R2是输出电压分压电阻，把输出电压的分压信号通过FB端传输驱动片T1。驱动芯片T1通过Gate端调整开关MOS管M1的开通和关断时间来给不同情况的负载RL提供恒定的输出电压。
如图2所示，在高功率因数的应用方案下，输入电容C1的容值很小，驱动芯片T1会将充放电电感L1的电流Im的波形调制成跟随输入电压Vin的波形,电感L1的电流Im的峰值电流Im_pk在输入电压Vin到达峰值时达到最大。同时，Im的峰值电流Im_pk随着输出电流Iout的增大而增大。在某些极端情况下，过高的峰值电流Im_pk会造成电感L1电流饱和。
图3为本实施例中的驱动芯片的模块原理图。
如图3所示，驱动芯片包括：恒压控制电路K1、输入电流调制电路K2、逻辑控制电路K3、过零电流检测电路K4、MOS管驱动电路K5、低压供电电路K6。
低压供电电路K6从HV端输入高压，输出低压至Vcc端，并储能于外部电容C4以给驱动芯片T1内部的其他功能模块供电所有模块默认都连接VCC。输入电流调制电路K2一端与驱动芯片T1的CS端连接，另一端与逻辑控制电路K3的一个输入端连接。输入电流调制电路K2检测和限定电感的峰值电流，并输出峰值电流到达信号dim_off。过零电流检测电路K4的输出端与逻辑控制电路K3的另一个输入端连接。过零电流检测电路K4探测电感电流过零点，并输出电流过零信号zcd。恒压控制电路K1分别与FB端、COMP端连接，输出端与逻辑控制电路K3的第三个输入端连接。恒压控制电路K1通过闭合环路控制来达成恒压输出并输出信号norm_off。逻辑控制电路K3接受输入电流调制电路的输出信号dim_off、恒压控制电路的输出信号norm_off和电感电流过零点的检测信号zcd，输出端与管驱动电路K5的输入端连接，输出信号MOS_ON。MOS管驱动电路K5接入逻辑控制电路K3的输出信号MOS_ON，输出端与GATE端、以及过零电流检测电路K4连接，决定MOS管M1的开关状态以达到恒压输出的目的。
如图4所示，恒压控制电路K1包括，运算放大器G11、运算放大器G12、电流源I13、电容C14。运算放大器G11的正相输入端接恒压控制基准电压Vref_cv，负相输入端接驱动芯片T1的FB端，输出端接COMP端。电流源I13的输入端接VCC端，输出端接运算放大器G12的负相输入端；运算放大器G12的正相输入端接COMP端，输出端与逻辑控制电路K3连接，输出恒流控制信号norm_off。电容C14的一端接运算放大器G12的负相输入端，另一端接地。
输入电流调制电路K2包括运算放大器G21。运算放大器G21的正相输入端接调制基准电压Vref_dim，负相输入端接驱动芯片T1的CS端，输出端与逻辑控制电路K3连接，输出信号dim_off。
逻辑控制电路K3包括：D触发器DFF和或门OR。或门OR的一个输入端与输入电流调制电路K2连接，即与运算放大器G12的输出端连接，接入输入电流调制电路的输出信号dim_off。或门OR的另一个输入端与恒压控制电路K1连接，即与运算放大器G12的输出端连接，接入恒压控制电路K1输出信号norm_off。或门OR的输出端接D触发器DFF的R端。D触发器DFF的D端接VCC端，CK端接过零电流检测电路K4的输出信号zcd；D触发器DFF的Q端与MOS管驱动电路K5连接，输出信号MOS_ON。
MOS管驱动电路K5包括：反相器INV51、MOS管MP52、MOS管MN53、电阻R54。
反相器INV51的输入端与逻辑控制电路K3连接，即与D触发器DFF的Q端连接，接入逻辑控制信号MOS_ON。反相器INV51的输出端与MOS管MN53的栅极和MOS管MP52的栅极连接。MOS管MP52的源极与VCC端连接。MOS管MN53的漏极和MOS管MP52的漏极连接，连接点作为GATE端。电阻R54的一端接MOS管MN53源极，另一端接GND端。
当调制基准电压Vref_dim被设定到较大值时(使得所允许的电感峰值电流大于电感的饱和电流)，Im_pk不会被Vref_dim得值所限制，此时***工作在无输入电流调制的模式下，其工作波形图如图5所示。当调制基准电压Vref_dim被设定为较小值时(使得所允许的电感峰值电流小于电感的饱和电流)，Im_pk将会被Vref_dim的值所限制，且不会在随着Vin的增大而增大。此时***工作在输入电流调制的模式下，其工作波形图如图6所示。
如图7所示，经过电流调制后，输入电流的峰值被限定在
Figure GDA0003064946880000101
即Vref_dim＝Im_pk×RS。
需要Im_pk小于充放电电感L1的饱和电流，通过设定Vref_dim的值实现，即设定Vref_dim的值小于充放电电感L1的饱和电流和电流检测电阻Rs的乘积。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。任何不超出本发明实质精神范围的发明创造，非实质性的替换、变形或修改，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种开关电源的输入电流峰值调制方法，其特征在于：基于升压式开关电源驱动电路；所述升压式开关电源驱动电路包括，输入电容C1、外部电容C4、充放电电感L1、开关MOS管M1、电流检测电阻Rs、输出电容C3和驱动芯片T1；所述驱动芯片T1具有HV端、Vcc端、Gate端、CS端、FB端、GND端；
所述输入电容C1的一端接直流电压Vin，另一端接地；充放电电感L1的一端接直流电压Vin，另一端接开关MOS管M1的漏极；驱动芯片T1的HV端接直流电压Vin；输出电容C3的一端接驱动芯片T1的VCC端，另一端接地；外部电容C4一端接驱动芯片T1的COMP端，另一端接地；开关MOS管M1的栅极接驱动芯片T1的Gate端，源极接驱动芯片T1的CS端；电流检测电阻Rs的一端接开关MOS管M1的源极，另一端接地；
其中，开关电源的输入电流峰值调制方法包括：恒压控制电路(K1)、输入电流调制电路(K2)、逻辑控制电路(K3)、过零电流检测电路(K4)、MOS管驱动电路(K5)、低压供电电路(K6)；
低压供电电路(K6)从HV端输入高压，输出低压至Vcc端；输入电流调制电路(K2)一端与驱动芯片T1的CS端连接，另一端与逻辑控制电路(K3)的一个输入端连接；过零电流检测电路(K4)的输出端与逻辑控制电路(K3)的另一个输入端连接；恒压控制电路(K1)分别与FB端、COMP端连接，输出端与逻辑控制电路(K3)的第三个输入端连接；逻辑控制电路(K3)输出端与MOS管驱动电路(K5)的输入端连接；MOS管驱动电路(K5)输出端与GATE端、以及过零电流检测电路(K4)连接；
输入电流调制电路(K2)包括运算放大器G21；运算放大器G21的正相输入端接调制基准电压Vref_dim，负相输入端接驱动芯片T1的CS端，输出端与逻辑控制电路(K3)连接；
调制基准电压Vref_dim的值小于充放电电感L1的饱和电流和电流检测电阻Rs的乘积；
当Vref_dim的值小于充放电电感L1的饱和电流和电流检测电阻Rs的乘积时，输入电流的峰值
Figure FDA0003064946870000021
2.如权利要求1所述的开关电源的输入电流峰值调制方法，其特征在于：所述升压式开关电源驱动电路还包括续流二极管D2、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2；
续流二极管D2的正极接开关MOS管M1的漏极，负极接第一分压电阻R1的一端；第二分压电阻R2的一端接第一分压电阻R1的另一端；另一端接地。
3.如权利要求2所述的开关电源的输入电流峰值调制方法，其特征在于：
其中，驱动芯片T1的FB端接第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的连接处；驱动芯片T1的GND端接地。
4.如权利要求2所述的开关电源的输入电流峰值调制方法，其特征在于：
其中，所述升压式开关电源驱动电路还包括储能电容C2；
储能电容C2并联在第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的两端；即一端接第一分压电阻R1的一端，另一端接第二分压电阻R2的另一端。
5.如权利要求1所述的开关电源的输入电流峰值调制方法，其特征在于：
其中，恒压控制电路(K1)包括，运算放大器G11、运算放大器G12、电流源I13、电容C14；
运算放大器G11的正相输入端接恒压控制基准电压Vref_cv，负相输入端接驱动芯片T1的FB端，输出端接COMP端；电流源I13的输入端接VCC端，输出端接运算放大器G12的负相输入端；运算放大器G12的正相输入端接COMP端，输出端与逻辑控制电路(K3)连接，输出恒压控制信号norm_off；电容C14的一端接运算放大器G12的负相输入端，另一端接地。
6.如权利要求1所述的开关电源的输入电流峰值调制方法，其特征在于：
其中，逻辑控制电路(K3)包括：D触发器DFF和或门OR；
或门OR的一个输入端与输入电流调制电路(K2)连接，另一个输入端与恒压控制电路(K1)连接，输出端接D触发器DFF的R端；
D触发器DFF的D端接VCC端，CK端接过零电流检测电路(K4)；D触发器DFF的Q端与MOS管驱动电路(K5)连接。
7.如权利要求1所述的开关电源的输入电流峰值调制方法，其特征在于：MOS管驱动电路(K5)包括：反相器INV51、MOS管MP52、MOS管MN53、电阻R54；
反相器INV51的输入端与逻辑控制电路(K3)连接；输出端与MOS管MN53的栅极和MOS管MP52的栅极连接；MOS管MP52的源极与VCC端连接；MOS管MN53的漏极和MOS管MP52的漏极连接，连接点作为GATE端；电阻R54的一端接MOS管MN53源极，另一端接GND端。
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