CN2884681Y - 用于pwm电源控制芯片的功率限制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，包括放置于PWM电源控制芯片(A1)外的启动电阻(R_startup)和放置于PWM电源控制芯片(A1)内的补偿电路，其中补偿电路包括电流开关(X0)、电流乘法器(X1)、参考电流源(X3)和电流加法器(X2)，启动电阻连接于输入电压和电流开关之间，功率限制电路的输出功率最大值是可调的。本实用新型的目的是提供一种用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，其在内部集成了补偿电路，片外无需添加任何补偿器件，只使用一个电阻就可保证Flyback转换器的最大输出功率不随输入电压的不同而发生变化。

Description

用于PWM电源控制芯片的功率限制电路

技术领域

本实用新型涉及保护电路，更具体地说，涉及一种用于PWM电源控制芯片的功率限制电路。

背景技术

一般而言，电源控制芯片内集成有多种保护功能，以保护***及其负载免遭永久损坏。输出功率限制功能主要针对过载和短路情况下电源***的保护。所述电路便主要应用于PWM电源控制芯片中。

常见的基于Flyback拓扑结构的PWM开关电源***的电路图如图1所示，包括一控制芯片(A0)、一启动电阻(R_startup)、一开关管(M0)启动电容(C_Startup)以及辅助的电器元件，其中启动电容(C_Startup)和开关管(M0)之间采用一组线圈(T1)相耦合。分析PWM电源***输出功率的计算。电感中存贮的能量E和流过的峰值电流I_p分别如式(1)和(2)所示，可知电源输出功率P可由(3)式表示，其中L_p是原边电感量，T是开关周期，t_on是功率管导通时间，V_IN是输入母线电压，η是原边到副边的转换效率。

$E=\frac{1}{2}\×L_p\×I_p^2=P\×T---\left(1\right)$

$I_p=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_p}\×t_{\mathrm{ON}}\·---\left(2\right)$

$P=\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×{t_{\mathrm{ON}}}^2}{2\×T\×L_p}\×\mathrm{\η}---\left(3\right)$

在负载不变的情况下，对于不同的输入电压V_IN，反馈环路会对t_on进行自动调整，调整过程满足式(4)、(5)，从而使***输出功率保持恒定，其中N为原边对副边的匝数比。

$V_{\mathrm{in}}=\frac{N\×(1-D)}{D}{V}_{\mathrm{out}}---\left(4\right)$

$D=\frac{t_{\mathrm{ON}}}{T}---\left(5\right)$

然而，当***达到最大输出功率时，情况并非如此。此时，t_on为由输入电压V_IN决定的一定值，如式(6)所示，其中V_limit是功率限制阈值电压，L_p是原边电感量，R_s是电流采样电阻。

$t_{\mathrm{ON}}=\frac{V_{\mathrm{limit}}\×L_p}{V_{\mathrm{in}}\×R_s}---\left(6\right)$

此时，最大输出功率还受到PWM控制器响应延迟时间t_D的影响。在延迟时间t_D以内功率管仍然导通，即继续传输功率，所以***实际输出最大功率P_max如式(7)所示。

$P_{\max }=\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×{(t_{\mathrm{ON}}+t_D)}^2}{2\×L_P\×T}---\left(7\right)$

虽然，t_D通常较小(大约在150-200ns左右)，但是，随着PWM控制器工作频率的不断提升，t_D相对于周期T所占比例在提高，t_D的影响越来越大。一般而言，t_D是由控制器自身速度所决定的一个常数。显见，在t_on，t_D均为定值的情况下，***最大输出功率P_max会随输入电压的变化而变化。当输入电压在90VAC-264VAC范围内变化时，高输入电压下***最大输出功率将会是低输入电压下***最大输出功率几倍，如图2(a)所示。为了解决这个问题，就需要设计输入电压补偿电路。

于是就需要一种电压补偿电路使得***最大输出功率不会随着输入电压的变化而变化。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，其在内部集成了补偿电路，片外无需添加任何补偿器件，只使用一个电阻就可保证Flyback转换器的最大输出功率不随输入电压的不同而发生变化。

根据本实用新型的一方面，提供一种用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，包括放置于PWM电源控制芯片外的启动电阻和放置于PWM电源控制芯片内的的补偿电路，其中补偿电路包括电流开关、电流乘法器、参考电流源和电流加法器，所述启动电阻连接于输入电压和所述电流开关之间，所述功率限制电路的输出功率最大值是可调的。

根据本实用新型的一实施例，所述电流开关包括一启动二极管和开关管，所述启动电阻连在输入电压和电流开关之间，流过启动电阻的输入电流I_IN的变化正比于输入电压的变化；芯片启动前，开关管关闭，启动电流通过启动二极管给一启动电容充电，当启动电容的电压超过启动阈值，开关管打开，启动二极管反向截止，输入电流I_IN全部流入电流乘法器并由电流乘法器将输入电流I_IN线形变换为I_os，电流加法器将参考电流源产生的参考电流I_ref与I_os相减得到I_sum并完成电流-电压转换，产生功率限制阈值电压V_limit；I_IN是正比于输入电压V_IN的函数，功率限制阈值电压V_limit的变化与输入电压V_IN的变化成正比，符号相反；通过选择启动电阻的阻值调整***在高输入电压和低输入电压下的输出功率最大值。

根据本实用新型的一方面，所述放置于PWM电源控制芯片内的的补偿电路包括：电流开关、电流乘法器、电流加法器、参考电流源、缓冲器、振荡器、触发器、第一比较器、第二比较器、与非门和欠压锁定装置；其中所述电流开关包括开关管和启动二极管，开关管漏极与启动二极管正极相连作为电流开关的输入端，启动二极管负极与V_CC相连，开关管栅极与欠压锁定装置输出相连，开关管源极与电流乘法器输入端相连，电流乘法器输出与电流加法器负输入端相连；参考电流源与电流加法器的正输入端相连；电流加法器输出的电流信号由电阻转变为电压信号，经缓冲器隔离后，作为功率限制阈值电压V_limit与第二比较器的正输入端相连，第一比较器和第二比较器的负输入端与功率管的源端相连；原边电流I_L在采样电阻上的压降为采样电压V_s。

根据本实用新型的一实施例，***上电过程中，欠压锁定装置将开关管关闭，通过启动电阻的输入电流I_IN流入电流开关，通过启动二极管给启动电容充电；当V_CC超过启动阈值电压时，欠压锁定装置将开关管打开，启动二极管反向截止，输入电流I_IN全部流向电流乘法器；PWM电源控制芯片将由一线圈的辅助绕组供电；输入电流I_IN正比于母线电压V_IN的变化，输入电流I_IN经过电流乘法器的处理输出电流I_os，I_os与电流加法器的负输入端相连；电流加法器的正输入端与参考电流源相连，参考电流源输出参考电流I_ref；电流加法器输出电流I_sum；电阻将电流信号转换为电压信号，经过缓冲器隔离，产生功率限制阈值电压V_limit；V_limit决定了原边最大输入电流，进而决定了***最大输出功率。

根据本实用新型的一实施例，功率限制阈值电压V_limit是采样电压V_s所能达到的最高电压；当功率管中流过的电流I_L增加时，采样电阻上的采样电压V_s将同时增加；第二比较器比较采样电压V_s和功率限制阈值电压V_limit；当采样电压Vs大于功率限制阈值电压V_limit时，第二比较器输出逻辑低电平到与非门；与非门输出逻辑高电平，将触发器复位，关断功率管。

根据本实用新型的一实施例，最大输出功率在输入电压范围90VAC-264VAC内保持恒定。

根据本实用新型的一实施例，采用电阻匹配的方法确定电路参数。

采用本实用新型的技术方案，该种用于PWM电源控制芯片的限制电电路在具有集成在PWM电源控制芯片内部的补偿电路，片外无需添加任何补偿器件，只需要一个电阻就可保证Flyback转换器的最大输出功率不随输入电压的不同而发生变化。补偿电路中包括由二极管和NMOS管构成的电流开关，利用片外的电阻监控输入电压V_in的变化，同时兼顾***启动。由于只使用一个片外电阻(省去片外的补偿网络)，降低了***功耗，且便于PCB布局。补偿电路中集成有电流乘法器，用以削弱集成电阻绝对值和温度系数对精度的影响。

附图说明

本实用新型上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图对实施例的描述而变得更加明显，附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为现有技术中的基于Flyback拓扑结构的PWM开关电源***的电路图。

图2(a)是说明如果V_limit恒定，最大输出功率P_max会随输入电压的变化而变化的原理图；

图2(b)是说明如果V_limit随输入电压的增加而降低，最大输出功率P_max可以保持恒定的原理图。

图3是根据本实用新型的一实施例的限制电路的电路框图。

图4是根据本实用新型的一实施例的限制电路的具体线路图。

具体实施方式

本实用新型的目的是提供一种用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，其在内部集成了补偿电路，片外无需添加任何补偿器件，只使用一个电阻就可保证Flyback转换器的最大输出功率不随输入电压的不同而发生变化。本实用新型的功率限制电路在片外使用一个电阻，既帮助***启动，又起监控输入电压V_IN的作用。由于只使用一个启动电阻而省去了片外的补偿网络，降低了***功耗，便于PCB布局。PWM控制器内部的补偿电路包括电流开关，电流乘法器，参考电流源和电流加法器，在不影响芯片启动的同时，可以根据输入电压对输出功率最大值进行调整。

根据本实用新型的设计思想，提供一种用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，包括放置于PWM电源控制芯片A1外的启动电阻R_startup和放置于PWM电源控制芯片A1内的的补偿电路，其中补偿电路包括电流开关X0、电流乘法器X1、参考电流源X3和电流加法器X2，启动电阻连接于输入电压和所述电流开关之间，功率限制电路的输出功率最大值是可调的。

下面参考本实用新型的一个具体实施例。

参考图3，图3是根据本实用新型的一实施例的限制电路的电路框图。启动电阻R_startup连在输入电压和电流开关之间，流过启动电阻R_startup的输入电流I_IN的变化正比于输入电压的变化。电流开关由启动二极管D0和开关管M1组成。芯片启动前，欠压锁定装置(UVLO)X10将开关管M1关闭，启动电流通过启动二极管D0给启动电容C_startup充电。当启动电容C_startup的电压V_CC超过启动阈值，UVLO X10将开关管M1打开，启动二极管D0反向截止，输入电流I_IN全部流入电流乘法器X1。电流乘法器X1将输入电流I_IN线形变换为I_os，电流加法器X2将参考电流I_ref与I_os相减得到I_sum，再利用片内电阻R4完成电流-电压转换，产生功率限制阈值电压V_limit。因为I_IN是正比于输入电压V_IN的函数，所以功率限制阈值电压V_limit的变化与输入电压V_IN的变化成正比，符号相反。通过选择合适的启动电阻，可以使***最大输出功率在高输入电压和低输入电压下保持不变，如图2(b)所示。图2(b)说明了如果V_limit随输入电压的增加而降低，最大输出功率P_max可以保持恒定。

由于，在电流到电压的转换过程中使用了片内集成电阻R4，而集成电路中电阻绝对值难以精确控制，并且有一定的温度系数，因此，设计电流乘法器X1以削弱电阻绝对值和温度系数对电路精度的影响。

继续参考图3，PWM控制芯片A1内含电流开关X0，电流乘法器X1，电流加法器X2，参考电流源X3，缓冲器X4，振荡器X5，触发器X6，第一比较器X7，第二比较器X8，与非门X9和UVLO X10。开管关M1漏极与启动二极管D0正极相连作为电流开关X0的输入端，启动二极管D0负极与V_CC相连，开关管M1栅极与UVLO X10输出相连，开关管M1源极与电流乘法器X1输入端相连。电流乘法器X1输出与电流加法器X2负输入端相连。参考电流源X3与电流加法器X2的正输入端相连。电流加法器X2输出的电流信号由电阻R4转变为电压，经缓冲器X4隔离后，作为功率限制阈值电压V_limit与第二比较器X8的正输入端相连。第一比较器X7和第二比较器X8的负输入端与功率管M2的源端相连。原边电流I_L在采样电阻R_s上的压降为采样电压V_s。

***上电过程中，UVLO X10将开关管M1关闭，通过启动电阻R_startup的输入电流I_IN流入电流开关X0，通过启动二极管D0给启动电容C_startup充电。当V_CC超过启动阈值电压时，UVLO X10将开关管M1打开，启动二极管D0反向截止，输入电流I_IN全部流向电流乘法器X1。PWM功率限制芯片A1将由线圈T1的辅助绕组供电。易知，输入电流I_IN正比于母线电压V_IN的变化，满足式(8)。

$I_{\mathrm{IN}}=\frac{V_{\mathrm{IN}}-V_{\mathrm{gs}}-V_{\mathrm{ds}}}{R_{\mathrm{startup}}}\≈\frac{V_{\mathrm{IN}}}{R_{\mathrm{startup}}}---\left(8\right)$

输入电流I_IN经过电流乘法器X1的处理，输出电流Ios满足式(9)，

Ios＝K×I_IN                                      (9)

其中K为由线路设计决定的常数。Ios与电流加法器X2的负输入端相连；电流加法器X2的正输入端与参考电流源X3相连，参考电流源X3输出参考电流I_ref；电流加法器X2的输出电流I_sum满足式(10)。电阻R4将电流信号转换为电压信号，经过缓冲器X4隔离，产生功率限制阈值电压V_limit，满足式(11)。V_limit决定了原边最大输入电流，进而决定了***最大输出功率。

Isum＝Iref-Ios＝Iref-K×I_IN                         (10)

$\mathrm{Vlimit}=R_4\×\mathrm{Isum}=R_4\×\mathrm{Iref}-\mathrm{\α}\×K\×R_4\×\frac{V_{\mathrm{IN}}}{R_{\mathrm{startup}}}---\left(11\right)$

V_limit是V_s端所能达到的最高电压，与功率管M2源端相连的电阻R_s是电流采样电阻，将采样电流转换为电压信号。当功率管M2中流过的电流I_L增加时，采样电阻R_s上的电压Vs将同时增加。第二比较器X8比较V_s和V_limit。当V_s大于V_limit时，第二比较器X8输出逻辑低电平到与非门X9。与非门X9输出逻辑高电平，将触发器复位，关断功率管M2，以此达到输出功率限制的目的。

由式(11)易知，如果电阻的影响被忽略，V_limit是输入电压V_IN的函数，V_limit的变化与输入电压V_IN的变化成正比，符号相反。选择合适的启动电阻R_startup，可以使最大输出功率在宽输入电压范围内90VAC～264VAC保持恒定。

参考图4，图4是根据本实用新型的一实施例的限制电路的具体线路图。由于，集成电路中电阻绝对值难以精确控制以及温度系数的影响，电路参数的设计依赖于电阻R4绝对值并不合适。本设计中采用电阻匹配的方法，排除了电阻绝对值以及温度系数的影响。设计I_ref满足式(12)，其中V_ref为基准电压。如果电阻R4与电阻R31匹配，则式(11)中前项为一常数，其精度由电阻匹配性和V_ref的精度决定。由晶体管N₁、N₂、N₃、N₄

$\mathrm{Iref}=\frac{\mathrm{Vref}}{R_{31}}---\left(12\right)$

的线性连接关系，易知式(13)成立。设计晶体管N₁、N₂、N₃、N₄完全匹配，则可推出式(14)，其中I₁、I₂、I₃、I₄分别为晶体管N₁、N₂、N₃、N₄的集电极电流。由基尔霍夫电流定律，易知式(15)、(16)成立，其中I_con为基准电流。假设晶体管β足够大，忽略N3基极电流，可得式(17)。由式(14)～(17)可以推出Iout满足式(18)，其中a、b、c分别为对应电流镜像放大倍数，式(19)表明如果电阻R4与电阻R31匹配，则式(11)的后项的系数只与电阻匹配性和MOS管匹配性有关。

Vbe1-Vbe2＝Vbe4-Vbe3                             (13)

$\frac{I_1+I_4}{I_4}=\frac{I_2+I_3}{I_3}---\left(14\right)$

I₁+I₄＝Icon                                      (15)

I₂+I₃＝a·I_IN                                    (16)

$I_4=b\·\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_{31}}---\left(17\right)$

$\mathrm{Ios}=$ $c\·$ $I_3=c\·\frac{a\·I_{\mathrm{IN}}\×b\·\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_{31}}}{\mathrm{Icon}}=K\·I_{\mathrm{IN}}$ $\left(18\right)$

$K=a\·b\·c\·\frac{\mathrm{Vref}}{\mathrm{Icon}}\·\frac{1}{R_{31}}---\left(19\right)$

采用本实用新型的技术方案，该种用于PWM电源控制芯片的限制电电路在具有集成在PWM电源控制芯片内部的补偿电路，片外无需添加任何补偿器件，只需要一个电阻就可保证Flyback转换器的最大输出功率不随输入电压的不同而发生变化。补偿电路中包括由二极管和NMOS管构成的电流开关，利用片外的电阻监控输入电压V_in的变化，同时兼顾***启动。由于只使用一个片外电阻(省去片外的补偿网络)，降低了***功耗，且便于PCB布局。补偿电路中集成有电流乘法器，用以削弱集成电阻绝对值和温度系数对精度的影响。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明/实用新型的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明/实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明/实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (5)

1.一种用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，其特征在于，包括放置于PWM电源控制芯片(A1)外的启动电阻(R_startuD)和放置于PWM电源控制芯片(A1)内的的补偿电路，其中所述补偿电路包括电流开关(X0)、电流乘法器(X1)、参考电流源(X3)和电流加法器(X2)，所述启动电阻连接于输入电压和所述电流开关之间，所述功率限制电路的输出功率最大值是可调的。

2.如权利要求1所述的用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，其特征在于，所述电流开关包括一启动二极管(D0)和开关管(M1)，所述启动电阻(R_startup)连在输入电压和电流开关之间，流过启动电阻(R_startup)的输入电流I_IN的变化正比于输入电压的变化；

芯片启动前，开关管(M1)关闭，启动电流通过启动二极管(D0)给一启动电容(C_startup)充电，当启动电容(C_startup)的电压(V_cc)超过启动阈值，开关管(M1)打开，启动二极管(D0)反向截止，输入电流I_IN全部流入电流乘法器(X1)并由电流乘法器(X1)将输入电流IIN线形变换为I_os电流加法器(X2)将参考电流源(X3)产生的参考电流I_ref与I_os相减得到I_sum并完成电流-电压转换，产生功率限制阈值电压V_limit；I_IN是正比于输入电压V_IN的函数，功率限制阈值电压V_limit的变化与输入电压V_IN的变化成正比，符号相反；通过选择启动电阻(R_startup)的阻值调整***在高输入电压和低输入电压下的输出功率最大值。

3.如权利要求2所述的用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，其特征在于，所述放置于PWM电源控制芯片内的的补偿电路包括：

电流开关(X0)、电流乘法器(X1)、电流加法器(X2)、参考电流源(X3)、缓冲器(X4)、振荡器(X5)、触发器(X6)、第一比较器(X7)、第二比较器(X8)、与非门(X9)和欠压锁定装置(X10)；其中所述电流开关(X0)包括开关管(M1)和启动二极管(D0)，开关管(M1)漏极与启动二极管(D0)正极相连作为电流开关(X0)的输入端，启动二极管(D0)负极与Vcc相连，开关管(M1)栅极与欠压锁定装置(X10)输出相连，开关管(M1)源极与电流乘法器(X1)输入端相连，电流乘法器(X1)输出与电流加法器(X2)负输入端相连；参考电流源(X3)与电流加法器(X2)的正输入端相连；电流加法器(X2)输出的电流信号由电阻(R4)转变为电压信号，经缓冲器(X4)隔离后，作为功率限制阈值电压V_limit与第二比较器(X8)的正输入端相连，第一比较器(X7)和第二比较器(X8)的负输入端与功率管(M2)的源端相连；原边电流IL在采样电阻(R_s)上的压降为采样电压V_s。

4.如权利要求3所述的用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，其特征在于，***上电过程中，欠压锁定装置(X10)将开关管(M1)关闭，通过启动电阻(R_startup)的输入电流I_IN流入电流开关(X0)，通过启动二极管(D0)给启动电容(C_startup)充电；当V_cc超过启动阈值电压时，欠压锁定装置(X10)将开关管(M1)打开，启动二极管(D0)反向截止，输入电流I_IN全部流向电流乘法器(X1)；PWM电源控制芯片(A1)将由一线圈(T1)的辅助绕组供电；输入电流I_IN正比于母线电压V_IN的变化，输入电流I_IN经过电流乘法器(X1)的处理输出电流I_os，I_os与电流加法器(X2)的负输入端相连；电流加法器(X2)的正输入端与参考电流源(X3)相连，参考电流源(X3)输出参考电流I_ref；电流加法器(X2)输出电流I_sum；电阻(R4)将电流信号转换为电压信号，经过缓冲器(X4)隔离，产生功率限制阈值电压V_limit；V_limit决定了原边最大输入电流，进而决定了***最大输出功率。

5.如权利要求3所述的用于PWM电源控制芯片的功率限制电路，其特征在于，采样电压V_s的最高值为功率限制阈值电压V_limit；采样电阻(R_s)上的采样电压V_s随功率管(M2)中流过的电流I_L的增加而增加；第二比较器(X8)比较采样电压V_s和功率限制阈值电压V_limit；当采样电压V_s大于功率限制阈值电压V_limit时，第二比较器(X8)输出逻辑低电平到与非门(X9)；与非门(X9)输出逻辑高电平，将触发器复位，关断功率管(M2)。

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