本發(fā)明屬于一種開(kāi)關(guān)電源控制方法，具體地說(shuō)是一種利用電感兩端電壓和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間乘積為定值的一種開(kāi)關(guān)電源恒流控制技術(shù)，另外的一個(gè)特征是可以省去芯片外部的一個(gè)峰值電流采樣電阻。

背景技術(shù)：

開(kāi)關(guān)電源因?yàn)槠淠芰哭D(zhuǎn)換效率高，易于控制，在LED恒流控制系統(tǒng)中，占據(jù)著主流的地位。如圖1是通常的非隔離降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(BUCK)，L是電感，芯片的CS腳用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)管M0導(dǎo)通時(shí)電感中的峰值電流。VIN是供電腳，用于提供整個(gè)芯片的工作電壓。D1是續(xù)流二極管，在開(kāi)關(guān)管M0關(guān)斷以后，給電感L提供電流通路。I1、I2、I3是LED燈珠，該燈珠的數(shù)目原則上只受輸入電壓的限制(因?yàn)槭墙祲航Y(jié)構(gòu)，燈珠的總電壓不能高于輸入電壓)。C1是輸出電容，用于減小輸出的電流紋波。

如圖2所示，是其內(nèi)部的控制電路。VIN腳連接到內(nèi)部穩(wěn)壓源模塊I4的輸入端，I4輸出給其它模塊提供穩(wěn)定的工作電壓。CS腳連接到比較器模塊I7的正輸入端。I7負(fù)輸入端連接的是基準(zhǔn)電壓Vref。I7的輸出端連接到RS觸發(fā)器I8的復(fù)位端。Current sense模塊I6的輸出端連接RS觸發(fā)器I8的置1端，RS觸發(fā)器I8的輸出端連接驅(qū)動(dòng)電路模塊I9，驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端即為芯片的GATE引腳，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。

它的工作原理是這樣的：檢測(cè)到電感中電流為零時(shí)，I6模塊輸出一個(gè)脈沖使得開(kāi)關(guān)管M0導(dǎo)通，當(dāng)開(kāi)關(guān)管M0導(dǎo)通后，由于該電路是BUCK型，輸入電壓高于輸出電壓，開(kāi)關(guān)管中開(kāi)始有電流，由于通路中存在電感，所以開(kāi)關(guān)管M0中的電流逐漸增加，從而CS端的電位逐漸升高，當(dāng)CS的電位升高到超過(guò)比較器I7的負(fù)輸入端的基準(zhǔn)電位時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)著電感中的一個(gè)電流I_p，比較器I7輸出由低電平翻轉(zhuǎn)成高電平，I7輸出高電平信號(hào)作用在RS觸發(fā)器I8的復(fù)位端，I8輸出低電平信號(hào)，該低電平信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊I9后輸出同樣為低電平的GATE信號(hào)，開(kāi)關(guān)管M0關(guān)斷，此時(shí)電感、電容、LED和續(xù)流二極管構(gòu)成一回路S進(jìn)行放電，由于電感的存在，在開(kāi)關(guān)管M0關(guān)斷后，回路S的放電電流不會(huì)立刻減小至0，而是逐漸減小，CS端的電位同時(shí)在逐漸減小，當(dāng)該電位減至0時(shí)，I6模塊輸出一個(gè)脈沖，打開(kāi)開(kāi)關(guān)管M0，一個(gè)周期結(jié)束。這種控制方法主要檢測(cè)電感中電流達(dá)到峰值和電感中電流減小至0兩個(gè)時(shí)刻來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)管M0進(jìn)行動(dòng)作，利用每個(gè)周期內(nèi)電感中峰值電流(I_p)相等來(lái)實(shí)現(xiàn)LED恒流的，因?yàn)殡姼兄械碾娏鳠o(wú)論是從零增大到峰值電流還是從峰值電流減小至0，其變化對(duì)于時(shí)間都是線性的，故其恒流值大小為0.5I_p。這種控制方法實(shí)現(xiàn)恒流的關(guān)鍵在于兩點(diǎn)：一是檢測(cè)到電感中的電流減小至0時(shí)立刻打開(kāi)開(kāi)關(guān)管M0，二是檢測(cè)到電感中電流達(dá)到設(shè)定的峰值電流時(shí)立刻關(guān)斷開(kāi)關(guān)管M0。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種利于高集成度、對(duì)噪聲不敏感的開(kāi)關(guān)電源恒流控制技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，該控制技術(shù)不需要直接檢測(cè)電感中的峰值電流，同時(shí)還能可靠的檢測(cè)和控制流過(guò)LED燈珠的電流，實(shí)現(xiàn)高集成度、高精度、高可靠性的LED恒流控制。其主要特征是，通過(guò)檢測(cè)電感兩端壓差和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的乘積為定值來(lái)間接檢測(cè)電感中的峰值電流。以達(dá)到檢測(cè)和控制LED電流的目的。

按照本發(fā)明的技術(shù)方案，所述開(kāi)關(guān)恒流控制技術(shù)，包括了檢測(cè)電感兩端壓差和對(duì)導(dǎo)通時(shí)間的乘積為定值的恒流控制單元(以下簡(jiǎn)稱“恒流控制單元”)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通后，電感兩端會(huì)存在壓差，恒流控制單元開(kāi)始對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，并與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行求乘積，當(dāng)該乘積大于內(nèi)部設(shè)定的基準(zhǔn)電壓時(shí)，恒流控制單元將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管。以此來(lái)保證系統(tǒng)的恒流。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種開(kāi)關(guān)電源電感電流控制技術(shù)，將保持電感電流在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間和關(guān)斷期間的控制，提高系統(tǒng)易用性，同時(shí)改善系統(tǒng)效率，保持在不同輸入電壓下的恒流控制。

按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述開(kāi)關(guān)電源電感恒流控制技術(shù)，包括將電感兩端壓差轉(zhuǎn)成成比例的電流模塊和對(duì)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間積分的模塊。轉(zhuǎn)換電阻將檢測(cè)到的電感兩端壓差轉(zhuǎn)化與之成比例的電流；對(duì)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間積分模塊利用電流模塊產(chǎn)生的電流對(duì)電容進(jìn)行充電，當(dāng)電容兩端壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器和驅(qū)動(dòng)單元來(lái)關(guān)斷開(kāi)關(guān)管。其特征是將電感兩端壓差對(duì)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的積分轉(zhuǎn)換成電容上的電壓。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：不需要通過(guò)芯片外圍電阻來(lái)檢測(cè)電感中的峰值電流，而是通過(guò)內(nèi)部的單元來(lái)間接檢測(cè)電感中的峰值電流，確定開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)刻。這樣可以省去一個(gè)外圍電阻，降低成本；由于無(wú)需采樣電阻，故減少了系統(tǒng)的發(fā)熱，提高了系統(tǒng)效率。同時(shí)提高了抗干擾能力并且很好的保證了LED的恒流。

附圖說(shuō)明

圖1是LED驅(qū)動(dòng)的原理圖。

圖2是內(nèi)部模塊圖

圖3是本發(fā)明提出的LED驅(qū)動(dòng)原理圖

圖4是本發(fā)明控制方法的模塊圖

圖5是控制關(guān)斷時(shí)刻的一種具體實(shí)現(xiàn)電路

具體實(shí)施方式

本發(fā)明利用獨(dú)特的方法來(lái)控制電感中的峰值電流，從而控制了電感中的平均電流，具體實(shí)現(xiàn)原理是：基于電感固有特性，在電感兩端電壓恒定的情況下，電感中電流的變化量等于兩端壓差和時(shí)間的乘積。因此可以通過(guò)檢測(cè)電感兩端壓差對(duì)持續(xù)時(shí)間的積分來(lái)間接檢測(cè)電感中的峰值電流，確定開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)刻。

元器件電感有如下特性：電感兩端的壓差與其流過(guò)電流的變化率成正比，具體表達(dá)式為：

$L*\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=U$

其中i為電感中的電流，L為電感量，U為電感兩端的壓差，；

上述公式換一種表示可以寫(xiě)成：

$I=I_0+\frac{1}{L}\∫\mathrm{Udt}$

其中I₀為電感中的初始電流，L為電感量，U為電感兩端的電壓差；

若初始時(shí)刻電感中電流為0，電感兩端的壓差恒定，則有：

$I=\frac{1}{L}*U*t$

其中I為電感中的電流，L為電感量，U為電感兩端的電壓差，t為電感兩端電壓持續(xù)的時(shí)間；

對(duì)于圖3所示電路有：

$I_{\mathrm{peak}}=\frac{1}{L}*U*t_{\mathrm{on}}$

其中I_peak為電感中的峰值電流，L為電感量，U為電感兩端電壓差，t_on為開(kāi)關(guān)管(MOS)導(dǎo)通時(shí)間；

由上述公式可知在電感兩端壓差恒定并且初始電流為0的情況下，流過(guò)的電流與時(shí)間成正比，這樣可以得到其平均電流與峰值電流的關(guān)系為：

$I_{\mathrm{av}}=\frac{1}{2}*I_{\mathrm{peak}}=\frac{1}{2}*\frac{1}{L}*U*t_{\mathrm{on}}$

在圖3中，輸出平均電流和流過(guò)電感的電流是相同的，因此只要保證每個(gè)周期內(nèi)的電感峰值電流相同就可以使得在該周期內(nèi)的平均電流相等，從而保證輸出平均電流恒定，如何確保每個(gè)周期內(nèi)的電感峰值電流相同，圖1是目前大家的一般做法，在電感前串接一個(gè)小電阻，檢測(cè)該電阻的壓降來(lái)確保每個(gè)周期內(nèi)電感峰值電流相等，但這種接法外部需要一個(gè)采樣電阻。這里提出一種新的控制方法來(lái)確保每個(gè)周期內(nèi)電感中的峰值電流相同，具體為：我們已經(jīng)在上面得到了電感中峰值電流的表達(dá)式，我們還可以通過(guò)檢測(cè)電感兩端壓差與開(kāi)關(guān)管(MOS)導(dǎo)通時(shí)間的乘積，確保在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)該乘積為定值，這樣就同樣可以確保每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感中的峰值電流相等，優(yōu)勢(shì)在于外圍減少一個(gè)用于檢測(cè)電感中峰值電流的采樣電阻。這種做法如論是在成本方面還是系統(tǒng)功耗散熱方面都有一定優(yōu)勢(shì)。圖3系統(tǒng)中，由于開(kāi)關(guān)頻率很高，達(dá)到幾十KHZ到幾百KHZ甚至更高，所以可以認(rèn)為在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸入和輸出電壓保持恒定，從而在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通器件電感兩端的壓差保持不變，有：

$L_2*\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=0-V_B$

等式兩邊對(duì)時(shí)間t積分(剛導(dǎo)通時(shí)電感中電流為0)，有：

L₂*I_peak＝-V_B*t_on

從而得到電感中峰值電流的表達(dá)式：

$I_{\mathrm{peak}}=-\frac{V_B*t_{\mathrm{on}}}{L_2}=-\frac{R_2+R_1}{R_1}*\frac{V_{\mathrm{FB}}*t_{\mathrm{on}}}{L_2}$

V_FB*t_on達(dá)到設(shè)定值后，開(kāi)關(guān)管(MOS)關(guān)斷，此時(shí)電感L₂、續(xù)流二極管D2、輸出電容C2及LED模塊I10、I11、I12構(gòu)成一回路，由于該回路中有電感的存在，所以在開(kāi)關(guān)管(MOS)關(guān)斷后，該回路中的電流不會(huì)立刻變?yōu)榱悖侵饾u減小，由于近似認(rèn)為電感兩端電壓保持不變，所以電感中的電流也是線性下降的，當(dāng)電感中電流下降到零時(shí)，開(kāi)關(guān)管(MOS)重新打開(kāi)，電感中電流從0開(kāi)始線性增加，一個(gè)周期結(jié)束，換言之，每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，電感中電流從0開(kāi)始線性增加，到達(dá)設(shè)定的峰值后，開(kāi)關(guān)管(MOS)關(guān)斷，電感中電流從峰值電流開(kāi)始線性減小，直至電流減小為0時(shí)，開(kāi)關(guān)管(MOS)管重新打開(kāi)，一個(gè)周期結(jié)束。由于在一個(gè)周期內(nèi)電感電流都是線性變化的，故這個(gè)周期內(nèi)的平均電流為峰值電流一半，有：

$I_{\mathrm{av}}=\frac{1}{2}*I_{\mathrm{peak}}=-\frac{1}{2}*\frac{R_2+R_1}{R_1}*\frac{V_{\mathrm{FB}}*t_{\mathrm{on}}}{L_2}$

由上述表達(dá)式可以得出只要保證每個(gè)周期導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)芯片內(nèi)部V_FB*t_on為定值就可以確保電感中的平均電流是恒定的了。在系統(tǒng)中可以根據(jù)設(shè)定R2和R1的比值來(lái)獲得所需要的恒定電流值。關(guān)于如何在芯片內(nèi)部保證V_FB*t_on為定值，可以采用圖5示例方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，在開(kāi)關(guān)管(MOS)導(dǎo)通后，該部分電路工作，有與V_FB電壓成正比的電流對(duì)電容C進(jìn)行充電，電容C上的電壓從0開(kāi)始增大，增大到參考電壓Vref時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，發(fā)出信號(hào)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管(MOS)，對(duì)此過(guò)程進(jìn)行定量分析如下：當(dāng)開(kāi)關(guān)管(MOS)打開(kāi)時(shí)，該部分電路開(kāi)始工作，由于運(yùn)放工作在負(fù)反饋下，符合虛短的概念，有：

|V_FB|＝V_R

則電阻R中的電流為：

$I_R=\frac{V_R}{R}=\frac{\left|V_{\mathrm{FB}}\right|}{R}$

由電流鏡的相關(guān)知識(shí)可得電容C充電電流為：

$I_C=n*I_R=n*\frac{V_R}{R}=n*\frac{\left|V_{\mathrm{FB}}\right|}{R}$

電容兩端的電壓為：

$U_C=\frac{1}{C}*I_C*t_{\mathrm{on}}=\frac{1}{C}*n*I_R*t_{\mathrm{on}}=\frac{1}{C}*n*\frac{V_R}{R}*t_{\mathrm{on}}=n*\frac{\left|V_{\mathrm{FB}}\right|*t_{\mathrm{on}}}{\mathrm{RC}}$

當(dāng)電容兩端電壓增大到Vref時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管(MOS)，關(guān)斷時(shí)刻定量有：

$V_{\mathrm{ref}}=U_C=\frac{1}{C}*I_C*t_{\mathrm{on}}=\frac{1}{C}*n*I_R*t_{\mathrm{on}}=\frac{1}{C}*n*\frac{V_R}{R}*t_{\mathrm{on}}=n*\frac{\left|V_{\mathrm{FB}}\right|*t_{\mathrm{on}}}{\mathrm{RC}}$

對(duì)上式進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q有；

$\left|V_{\mathrm{FB}}\right|*t_{\mathrm{on}}=\frac{1}{n}*V_{\mathrm{ref}}*R*C$

而電感內(nèi)平均電流為：

$I_{\mathrm{av}}=\frac{1}{2}*I_{\mathrm{peak}}=\frac{1}{2}*\frac{R_2{+R}_1}{R_1}*\frac{\left|V_{\mathrm{FB}}\right|*t_{\mathrm{on}}}{L}$

可以看出，芯片內(nèi)部Vref、n、R、C均為定值，這樣可以保證開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻有V_FB*t_on為定值，當(dāng)V_FB*t_on為定值就保證了每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電感中的平均電流相等，從而可以保證LED中的平均電流相同。如上所述，系統(tǒng)所需要的平均電流可以外部電阻R₁和R₂的比值來(lái)決定。

本發(fā)明的特點(diǎn)是：

本發(fā)明不需要通過(guò)外圍采樣電阻來(lái)檢測(cè)每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電感峰值電流，而是通過(guò)內(nèi)部電路來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間電感兩端壓差與開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的乘積為定值來(lái)控制系統(tǒng)恒流的。