CN115664163A - 一种控制电路、控制方法和恒压输出开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制电路，包括：输出电流均值计算模块，输入端耦接晶体管与采样电阻的连接端，基于采样电阻的压降及其采样的电感电流信号计算输出电流均值；频率控制模块，基于输出电流均值输出控制晶体管开关周期的时钟信号并确定降频点；过功率控制模块，用于将输出电流均值与设定的参考信号进行比较，并根据比较结果输出过功率保护信号；控制信号模块，输入端耦接频率控制模块和过功率控制模块的输出端，输出端耦接所述晶体管的控制端，输出控制晶体管通断的控制信号。本发明通过计算输出电流均值并基于此限制***的最大输出功率及控制***工作频率，实现了在高压或低压输入时***降频点保持一致。

Description

一种控制电路、控制方法和恒压输出开关电源

技术领域

本发明涉及电子领域，具体但不限于涉及一种控制电路、控制方法和恒压输出开关电源。

背景技术

现有的恒定导通时间的升压型开关电源控制***，如图1-3所示，其幅频(电感电流峰值和晶体管开关频率)特性和过功率控制均受控于放大器输出信号，其中，过功率控制通过限定晶体管最大导通时间实现，电感电流峰值通过控制晶体管导通时间实现，当晶体管导通时间减小到设定的最大导通时间的一定比例时，开始控制***工作频率下降。

在升压型开关电源控制***中，根据能量守恒，输出功率与输入电压之间的关系为：

其中，η为***转换效率，ton为晶体管导通时间

当晶体管最大导通时间tonmax设定时，***最大输出功率如下：

从上式可知，当tonmax一定时，输入电压Vin越大，则最大输出功率点越大。若按照tonmax的固定比例开始降频，则Vin越大，降频点对应的功率点(即最大输出功率)越高。如：输入电压为90Vac时，其对应的过功率保护点为10W，输入电压为265Vac时，其对应的过功率保护点为20W，但实际***所需过功率保护点为10W，如果过功率保护点为20W则会损坏***。即现有技术方案不能做到无论高压或低压输入其过功率保护点均相同，因此影响***可靠性。

现有技术方案中降频点对应的输出功率随着输入电压的增大而增大，如果需要做到高压或低压输入的降频点一致，则需要负载的补偿方法。由于最大输出功率随着输入电压的增大而增大，但通常实际需要的是不同输入电压其对应的最大输出功率保持一致，因此需要采用复杂的补偿方法。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的控制方式，以便克服现有的开关电源存在的上述至少部分缺陷。

发明内容

针对现有技术中的一个或多个问题，本发明提出了一种控制电路、控制方法和恒压输出开关电源，通过计算开关电源***的输出电流均值，根据输出电流均值限制***的最大输出功率及控制***工作频率，实现了在高压或低压输入时***降频点保持一致。

实现本发明目的的技术解决方案为：

根据本发明的一个方面，一种控制电路，用于恒压输出开关电源，所述恒压输出开关电源包括电感、晶体管以及与晶体管串联的采样电阻，所述控制电路包括：

输出电流均值计算模块，输入端耦接所述晶体管与采样电阻的连接端，基于采样电阻的压降及其采样的电感电流信号计算得到开关电源的输出电流均值；

频率控制模块，输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，基于输出电流均值输出控制晶体管开关周期的时钟信号并确定降频点；

过功率控制模块，第一输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，第二输入端接入参考信号，用于将输出电流均值与设定的参考信号进行比较，并根据比较结果输出过功率保护信号；

控制信号模块，输入端耦接频率控制模块和过功率控制模块的输出端，输出端耦接所述晶体管的控制端，基于晶体管开关周期的时钟信号和降频点、以及过功率保护信号输出控制晶体管通断的控制信号。

可选的，所述输出电流均值计算模块包括比例运算电路，所述比例运算电路的输入端接入输出电流均值，用于将计算得到的输出电流均值按比例转换成电压信号或电流信号并输出。

可选的，所述频率控制模块中的降频点为输出电流均值达到最大输出电流的某一预设比例时。

可选的，所述降频点为开始降低开关电源的工作频率的时点。

可选的，所述过功率控制模块包括比较器，所述比较器的第一输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，第二输入端接入参考信号，输出端耦接控制信号模块，用于将输出电流均值与参考信号进行比较。

可选的，所述过功率控制模块在输出电流均值大于参考信号时输出过功率保护信号。

可选的，所述过功率保护信号包括控制晶体管关断的控制信号，或限定输出电流为设定值的控制信号。

可选的，所述控制电路包括：

恒压控制模块，其第一输入端接入参考电压，第二输入端接入开关电源的输出反馈电压，用于将参考电压与输出反馈电压进行比较放大，并输出误差放大信号；

幅值控制模块，其第一输入端耦接恒压控制模块的输出端，第二输入端耦接晶体管与采样电阻的连接端，输出端耦接控制信号模块，用于将所述误差放大信号与采样电阻的压降进行比较，并输出控制电感电流峰值的控制信号。

可选的，所述控制电路包括：

恒压控制模块，其第一输入端接入参考电压，第二输入端接入开关电源的输出反馈电压，用于将参考电压与输出反馈电压进行比较放大，并输出误差放大信号；

幅值控制模块，其第一输入端耦接恒压控制模块的输出端，输出端耦接控制信号模块，用于根据误差放大信号输出设定晶体管导通时间的控制信号。

可选的，所述恒压控制模块包括误差放大器，所述误差放大器的第一输入端接入参考电压，第二输入端接入开关电源的输出反馈电压，用于将参考电压与输出反馈电压进行比较，得到误差放大信号。

可选的，所述幅值控制模块包括比较器，所述比较器的第一输入端耦接恒压控制模块的输出端，第二输入端耦接晶体管与采样电阻的连接端，输出端耦接控制信号模块，用于将误差放大信号与采样电阻的压降进行比较，并输出控制电感电流峰值的控制信号，或控制晶体管导通时间的控制信号。

根据本发明的另一个方面，一种恒压输出开关电源，包括电感、晶体管、采样电阻、以及上述任一的控制电路，其中：电感、晶体管、采样电阻依次串联，且电感的另一端接入输入电压，采样电阻的另一端接地；控制电路的第一输入端耦接晶体管与采样电阻的连接端，第二输入端接入输出反馈电压，输出端耦接晶体管的控制端。

根据本发明的再一个方面，一种控制方法，用于恒压输出开关电源，所述恒压输出开关电源包括电感、晶体管以及与晶体管串联的采样电阻，包括：

获取电阻的压降及其采样的电感电流信号，计算开关电源的输出电流均值，并将输出电流均值按设定比例转换为电压信号或电流信号；

基于所述电压信号或电流信号生成控制晶体管开关周期的时钟信号并设定降频点；

比较所述电压信号或电流信号与参考信号，生成过功率保护信号；

比较开关电源的输出反馈电压与参考电压，生成误差放大信号；根据所述误差放大信号和采样电阻的压降，生成控制电感电流峰值的控制信号，或控制晶体管导通时间的控制信号；

根据晶体管开关周期的时钟信号和降频点、过功率保护信号、以及电感电流峰值的控制信号或晶体管导通时间的控制信号，生成控制晶体管通断的控制信号。

可选的，在所述电压信号或电流信号对应的输出电流均值达到最大输出电流的设定比例时设定为降频点，并开始降低开关电源的工作频率。

可选的，当所述电压信号或电流信号大于参考信号时，输出控制晶体管关断的控制信号，或输出将输出电流限定在设定值的控制信号。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明的控制电路通过间接计算得到开关电源的输出电流平均值，根据输出电流平均值限制***的最大输出功率，实现了高压或低压输入时对应的最大输出功率点保持一致，且无需额外补偿电路。同时，根据输出电流平均值控制***频率，实现高压或低压输入时***降频点保持一致，且无需额外的补偿电路。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与说明描述一起用于解释本发明的实施例，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了现有技术的升压型开关电源***的结构示意图。

图2示出了现有技术的升压型开关电源***的工作频率-输出功率的曲线图。

图3示出了现有技术的升压型开关电源***的过功率保护点-输入电压的曲线图。

图4示出了本发明的恒压输出开关电源及其控制电路的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、信号放大电路、跟随电路等电路或部件的连接。“多个”或“多”表示两个或两个以上。

根据本发明的一个方面，一种控制电路，所述控制电路用于恒压输出开关电源。所述恒压输出开关电源包括电感、晶体管Q1以及与晶体管Q1串联的采样电阻Rcs。在恒压输出开关电源***中，输出功率Po＝Vout*Iout,输出功率与输出电流为正比关系，输出电流大小可以直接表征输出功率大小。

根据本发明的一个实施方式，所述控制电路包括输出电流均值计算模块、频率控制模块、过功率控制模块和控制信号模块，其中：

输出电流均值计算模块，输入端耦接所述晶体管Q1与采样电阻Rcs的连接端，基于采样电阻Rcs的压降及其采样的电感电流信号计算得到开关电源的输出电流均值。其中，根据电感电流信号可获得电感充放电时间。优选的，所述输出电流均值计算模块包括比例运算电路，所述比例运算电路的输入端接入输出电流均值，用于将计算得到的输出电流均值按比例转换成电压信号或电流信号并输出。

频率控制模块，用于控制开关电源的工作频率。其输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，基于输出电流均值输出控制晶体管Q1开关周期的时钟信号并确定降频点。即，频率控制模块受控于输出电流均值。所述降频点为开始降低开关电源的工作频率的时点。在一个实施例中，所述降频点为输出电流均值达到最大输出电流的某一预设比例时。输出电压×输出电流均值＝输出功率，在恒压输出开关电源***中，输出电压不变，那么输出电流均值就能直接反映输出功率大小，根据输出电流均值来设定降频点，等效于根据输出功率设置降频点。输出电流均值达到最大输出电流的一定比例时开始降频，等效于从最大输出功率的一定比例开始降频。

过功率控制模块，用于控制开关电源的最大输出功率。其第一输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，第二输入端接入参考信号，用于将输出电流均值与设定的参考信号进行比较，并根据比较结果输出过功率保护信号。在一个实施例中，所述过功率控制模块在输出电流均值大于参考信号时输出过功率保护信号。优选的，所述过功率控制模块包括比较器，所述比较器的第一输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，第二输入端接入参考信号，输出端耦接控制信号模块，用于将输出电流均值与参考信号进行比较，并根据比较结果输出过功率保护信号。又一优选的，所述过功率控制模块包括比较器，所述比较器的输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，当输出电流均值大于比较器翻转阈值时，比较器翻转，进入过功率保护。在一个优选的实施方式中，所述过功率保护信号包括控制晶体管关断的控制信号。在另一个优选的实施方式中，所述过功率保护信号包括限定输出电流为设定值的控制信号。

控制信号模块，输入端耦接频率控制模块和过功率控制模块的输出端，输出端耦接所述晶体管Q1的控制端，基于晶体管Q1开关周期的时钟信号和降频点、以及过功率保护信号输出控制晶体管Q1通断的控制信号。

根据本发明的另一个实施方式，如图4所示，所述控制电路包括输出电流均值计算模块、频率控制模块、过功率控制模块、恒压控制模块、幅值控制模块和控制信号模块。其中：

输出电流均值计算模块，输入端耦接所述晶体管Q1与采样电阻Rcs的连接端，基于采样电阻Rcs的压降及其采样的电感电流信号计算得到开关电源的输出电流均值。优选的，所述输出电流均值计算模块包括比例运算电路，所述比例运算电路的输入端接入输出电流均值，用于将计算得到的输出电流均值按比例转换成电压信号或电流信号并输出。

频率控制模块，用于控制开关电源的工作频率。其输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，基于输出电流均值输出控制晶体管Q1开关周期的时钟信号并确定降频点，所述降频点为开始降低开关电源的工作频率的时点。在一个实施例中，所述降频点为输出电流均值达到最大输出电流的某一预设比例时。

过功率控制模块，用于控制开关电源的最大输出功率。其第一输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，第二输入端接入参考信号，用于将输出电流均值与设定的参考信号进行比较，并根据比较结果输出过功率保护信号。在一个实施例中，所述过功率控制模块在输出电流均值大于参考信号时输出过功率保护信号。优选的，所述过功率控制模块包括比较器，所述比较器的第一输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，第二输入端接入参考信号，输出端耦接控制信号模块，用于将输出电流均值与参考信号进行比较，并根据比较结果输出过功率保护信号。在一个优选的实施方式中，所述过功率保护信号包括控制晶体管关断的控制信号。在另一个优选的实施方式中，所述过功率保护信号包括限定输出电流为设定值的控制信号。

恒压控制模块，其第一输入端接入参考电压，第二输入端接入开关电源的输出电压反馈信号，用于将参考电压与输出反馈信号进行比较放大，并输出误差放大信号。优选的，所述恒压控制模块包括误差放大器，所述误差放大器的第一输入端接入参考电压，第二输入端接入开关电源的输出电压反馈信号，用于将参考电压与输出反馈信号进行比较，得到误差放大信号。

幅值控制模块，用于限制开关电源的电感电流峰值。在一个实施例中，其第一输入端耦接恒压控制模块的输出端，第二输入端耦接晶体管Q1与采样电阻Rcs的连接端，输出端耦接控制信号模块，用于将所述误差放大信号与采样电阻Rcs的压降Vcs进行比较，并输出限制电感电流峰值的控制信号。优选的，所述幅值控制模块包括比较器，所述比较器的第一输入端耦接恒压控制模块的输出端，第二输入端耦接晶体管Q1与采样电阻Rcs的连接端，输出端耦接控制信号模块，用于将误差放大信号与采样电阻Rcs的压降Vcs进行比较，并输出控制电感电流峰值的控制信号，或控制晶体管Q1导通时间的控制信号。在另一个实施例中，其第一输入端耦接恒压控制模块的输出端，输出端耦接控制信号模块，用于根据误差放大信号输出设定晶体管Q1导通时间的控制信号。

控制信号模块，输入端耦接频率控制模块、过功率控制模块和幅值控制模块的输出端，输出端耦接所述晶体管Q1的控制端，基于晶体管Q1开关周期的时钟信号和降频点、过功率保护信号、以及电感电流峰值的控制信号或控制晶体管Q1导通时间的控制信号输出控制晶体管Q1通断的控制信号。

根据本发明的另一个方面，一种恒压输出开关电源，如图4所示，包括电感、晶体管Q1、采样电阻Rcs、以及上述的控制电路。其中：电感、晶体管Q1、采样电阻Rcs依次串联，且电感的另一端接入输入电压Vin，采样电阻Rcs的另一端接地。控制电路的第一输入端耦接晶体管Q1与采样电阻Rcs的连接端，第二输入端接入输出电压反馈信号，输出端耦接晶体管Q1的控制端。

根据本发明的再一个方面，一种控制方法，用于恒压输出开关电源，所述恒压输出开关电源包括电感、晶体管以及与晶体管串联的采样电阻，所述控制方法包括：

S1、获取电阻的压降及其采样的电感电流信号，计算开关电源的输出电流均值，并将输出电流均值按设定比例转换为电压信号或电流信号。

S2、基于所述电压信号或电流信号生成控制晶体管开关周期的时钟信号并设定降频点。优选的，在所述电压信号或电流信号对应的输出电流均值达到最大输出电流的设定比例时设定为降频点，并开始降低开关电源的工作频率。

S3、比较所述电压信号或电流信号与参考信号，生成过功率保护信号。优选的，当所述电压信号或电流信号大于参考信号时，输出控制晶体管关断的控制信号，或输出将输出电流限定在设定值的控制信号。

S4、比较开关电源的输出电压反馈信号与参考电压，生成误差放大信号；根据所述误差放大信号和采样电阻的压降，生成控制电感电流峰值的控制信号，或控制晶体管导通时间的控制信号。

S5、根据晶体管开关周期的时钟信号和降频点、过功率保护信号、以及电感电流峰值的控制信号或晶体管导通时间的控制信号，生成控制晶体管通断的控制信号。

本发明提出的控制电路、控制方法和恒压输出开关电源，通过计算开关电源***的输出电流均值，根据输出电流均值限制***的最大输出功率及控制***工作频率，实现了在高压或低压输入时***降频点保持一致。

本领域技术人员应当知道，说明书或附图所涉逻辑控制中的“高电平”与“低电平”、“置位”与“复位”、“与门”与“或门”、“同相输入端”与“反相输入端”等逻辑控制可相互调换或改变，通过调节后续逻辑控制而实现与上述实施例相同的功能或目的。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对发明范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (15)

1.一种控制电路，用于恒压输出开关电源，所述恒压输出开关电源包括电感、晶体管以及与晶体管串联的采样电阻，其特征在于，所述控制电路包括：

输出电流均值计算模块，输入端耦接所述晶体管与采样电阻的连接端，基于采样电阻的压降及其采样的电感电流信号计算得到开关电源的输出电流均值；

频率控制模块，输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，基于输出电流均值输出控制晶体管开关周期的时钟信号并确定降频点；

过功率控制模块，第一输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，第二输入端接入参考信号，用于将输出电流均值与设定的参考信号进行比较，并根据比较结果输出过功率保护信号；

控制信号模块，输入端耦接频率控制模块和过功率控制模块的输出端，输出端耦接所述晶体管的控制端，基于晶体管开关周期的时钟信号和降频点、以及过功率保护信号输出控制晶体管通断的控制信号。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述输出电流均值计算模块包括比例运算电路，所述比例运算电路的输入端接入输出电流均值，用于将计算得到的输出电流均值按比例转换成电压信号或电流信号并输出。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述频率控制模块中的降频点为输出电流均值达到最大输出电流的某一预设比例时。

4.根据权利要求1或3所述的控制电路，其特征在于，所述降频点为开始降低开关电源的工作频率的时点。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述过功率控制模块包括比较器，所述比较器的第一输入端耦接输出电流均值计算模块的输出端，第二输入端接入参考信号，输出端耦接控制信号模块，用于将输出电流均值与参考信号进行比较。

6.根据权利要求1或5所述的控制电路，其特征在于，所述过功率控制模块在输出电流均值大于参考信号时输出过功率保护信号。

7.根据权利要求1或6所述的控制电路，其特征在于，所述过功率保护信号包括控制晶体管关断的控制信号，或限定输出电流为设定值的控制信号。

8.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：

恒压控制模块，其第一输入端接入参考电压，第二输入端接入开关电源的输出反馈电压，用于将参考电压与输出反馈电压进行比较放大，并输出误差放大信号；

幅值控制模块，其第一输入端耦接恒压控制模块的输出端，第二输入端耦接晶体管与采样电阻的连接端，输出端耦接控制信号模块，用于将所述误差放大信号与采样电阻的压降进行比较，并输出限制电感电流峰值的控制信号。

9.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：

恒压控制模块，其第一输入端接入参考电压，第二输入端接入开关电源的输出反馈电压，用于将参考电压与输出反馈电压进行比较放大，并输出误差放大信号；

幅值控制模块，其第一输入端耦接恒压控制模块的输出端，输出端耦接控制信号模块，用于根据误差放大信号输出设定晶体管导通时间的控制信号。

10.根据权利要求8或9所述的控制电路，其特征在于，所述恒压控制模块包括误差放大器，所述误差放大器的第一输入端接入参考电压，第二输入端接入开关电源的输出反馈电压，用于将参考电压与输出反馈电压进行比较，得到误差放大信号。

11.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，所述幅值控制模块包括比较器，所述比较器的第一输入端耦接恒压控制模块的输出端，第二输入端耦接晶体管与采样电阻的连接端，输出端耦接控制信号模块，用于将误差放大信号与采样电阻的压降进行比较，并输出控制电感电流峰值的控制信号，或控制晶体管导通时间的控制信号。

12.一种恒压输出开关电源，其特征在于，包括电感、晶体管、采样电阻、以及如权利要求1-11任一所述的控制电路，其中：电感、晶体管、采样电阻依次串联，且电感的另一端接入输入电压，采样电阻的另一端接地；控制电路的第一输入端耦接晶体管与采样电阻的连接端，第二输入端接入输出反馈电压，输出端耦接晶体管的控制端。

13.一种控制方法，用于恒压输出开关电源，所述恒压输出开关电源包括电感、晶体管以及与晶体管串联的采样电阻，其特征在于，包括：

获取电阻的压降及其采样的电感电流信号，计算开关电源的输出电流均值，并将输出电流均值按设定比例转换为电压信号或电流信号；

基于所述电压信号或电流信号生成控制晶体管开关周期的时钟信号并设定降频点；

比较所述电压信号或电流信号与参考信号，生成过功率保护信号；

比较开关电源的输出反馈电压与参考电压，生成误差放大信号；根据所述误差放大信号和采样电阻的压降，生成控制电感电流峰值的控制信号，或控制晶体管导通时间的控制信号；

根据晶体管开关周期的时钟信号和降频点、过功率保护信号、以及电感电流峰值的控制信号或晶体管导通时间的控制信号，生成控制晶体管通断的控制信号。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，在所述电压信号或电流信号对应的输出电流均值达到最大输出电流的设定比例时设定为降频点，并开始降低开关电源的工作频率。

15.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，当所述电压信号或电流信号大于参考信号时，输出控制晶体管关断的控制信号，或输出将输出电流限定在设定值的控制信号。

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