恆流電路及其恆流控制器的製作方法
2023-09-20 22:30:05 1
本發明涉及LED恆流驅動技術領域，特別是涉及一種恆流電路及其恆流控制器。
背景技術：
隨著行業標準的逐漸提高，越來越多的國家和地區針對LED燈源提出了功率因數的要求，即輸入電流需要跟隨輸入電壓變化以降低對電網的諧波汙染。同時為了降低系統設計生產成本，較多的LED電源採用了原邊控制的技術，即通過對原邊導通電流的控制(隔離型電源)或者MOSFET導通期間電流的控制(非隔離電源)的控制實現輸出恆流目的，同時利用恆定導通時間控制技術使得輸入電流跟隨輸入電壓變化實現高功率因數。
但在傳統的高功率因素LED電源系統中，大多數都需要在變壓器中加入輔助繞組，一是用來確保給恆流控制器供電，提高效率；二是通過輔助繞組來檢測副邊二極體的續流時間；三是通過檢測輔助繞組的電壓來計算輸出電壓並反饋給恆流控制器，從而實現輸出的LED開路保護功能。
傳統的控制方式導致了只能通過輔助繞組來採樣輸出電壓，因此輔助繞組必然不可缺少，這樣增加了系統設計的複雜度和成本。同時，因為變壓器漏感的存在，會導致恆流控制器檢測到的輸出電壓反饋信號存在較強的振蕩和幹擾，這些幹擾會導致恆流控制器誤檢測或者是檢測不準，從而導致系統的過壓保護誤動作或者失效。
技術實現要素：
基於此，有必要針對傳統的控制方式依賴輔助繞組，容易引起恆流控制器誤檢測或者是檢測不準，從而導致系統的過壓保護誤動作或者失效的問題，提供一種系統簡單低成本且保護精度高的恆流電路及其恆流控制器。
一種恆流控制器，用於通過驅動功率管使功率管的後端電路輸出恆定電流；所述恆流控制器設有驅動引腳和採樣引腳，所述驅動引腳用於連接功率管的柵極，所述採樣引腳用於連接功率管的源極並通過採樣電阻接地；所述恆流控制器包括驅動模塊，所述驅動模塊的輸出端連接驅動引腳，用於發送控制所述功率管周期性開閉的驅動信號以實現對功率管的後端電路的恆流控制，所述恆流控制器還包括：
續流時間檢測模塊，與所述驅動引腳連接，用於根據功率管的關斷參數檢測後端電路的續流時間Tdem；
比例採樣電壓模塊，與所述採樣引腳連接，用於在所述恆流控制器上電時確定比例係數k以及根據採樣引腳在功率管開啟期間獲取的採樣信號輸出採樣電壓Vcs；
過壓故障檢測模塊，與所述續流時間檢測模塊、比例採樣電壓模塊分別連接，用於根據所述續流時間Tdem、比例係數k以及採樣電壓Vcs判斷是否開路，並當判斷開路時，執行開路保護；
其中，判斷為開路的條件為：Tdem＜k×Vcs。
在其中一個實施例中，所述續流時間檢測模塊為過零檢測模塊；所述過零檢測模塊與所述驅動引腳連接，用於根據功率管在關斷時的負電流實現過零檢測並計算續流時間Tdem。
在其中一個實施例中，所述比例採樣電壓模塊包括比例係數檢測單元和電壓採樣單元，所述比例係數檢測單元用於在所述恆流控制器上電時確定比例係數k，所述電壓採樣單元用於根據採樣引腳在功率管開啟期間獲取的採樣信號輸出採樣電壓Vcs。
在其中一個實施例中，所述恆流控制器還設有高壓引腳並包括供電模塊，所述高壓引腳用於引入外部電壓並輸送給所述供電模塊；所述供電模塊將外部電壓轉換為所述恆流控制器內部的工作電壓。
在其中一個實施例中，所述恆流控制器還包括電流採樣單元、運算放大器、三角波發生器、比較器、或門以及RS觸發器；
所述電流採樣單元與所述採樣引腳連接，用於對輸出電流進行採樣；
所述運算放大器正向輸入端與輸出電流基準相連接、反向輸入端與所述電流採樣單元相連接、輸出端連接至所述比較器的反向輸入端，用於對所述電流採樣單元採樣的輸出電流以及所述輸出電流基準進行比較；
所述比較器正向輸入端與所述三角波發生器連接、輸出端連接至所述或門的一個輸入端，用於對所述運算放大器的輸出以及三角波發生器的輸出進行比較；
所述或門另一個輸入端與所述過壓故障檢測模塊連接，輸出端連接至RS觸發器的R輸入端；
所述RS觸發器的S輸入端與所述續流時間檢測模塊連接，Q輸出端與所述驅動模塊連接，用於根據所述或門輸出與所述續流時間Tdem對所述驅動模塊進行控制。
一種恆流電路，包括上述的恆流控制器，還包括：
功率管，所述功率管的源極與所述採樣引腳相連、所述功率管的柵極與所述驅動引腳相連、所述功率管的漏極與變壓器電路連接，用於根據驅動模塊的輸出對變壓器電路的電流進行控制，實現輸出恆流；
變壓器，包括原邊迴路和副邊迴路。
在其中一個實施例中，所述採樣引腳與功率管的源極之間連接用於調整比例係數的電阻。
一種恆流電路，包括上述的恆流控制器，還包括：
功率管，所述功率管的源極與所述採樣引腳相連、所述功率管的柵極與所述驅動引腳相連，用於根據驅動模塊的輸出對外部電路的電流進行控制，實現輸出恆流；
續流二極體，所述續流二極體陽極分別與所述高壓引腳和所述功率管的漏極連接；
電感，所述電感分別與所述高壓引腳和所述功率管的漏極連接；
電容，所述電容一端與所述續流二極體的陰極連接，另一端與所述電感連接。
在其中一個實施例中，所述採樣引腳與功率管的源極之間連接用於調整比例係數的電阻。
上述恆流電路及其恆流控制器，針對的是工作在臨界導通模式下的電源系統，即每次功率管的導通是在電感電流續流結束後。其中只通過對功率管關斷後的電感續流時間以及功率管導通期間採樣電阻峰值電壓Vcs的採樣，來實現輸出過壓的控制，從而節省了輔助繞組以及排除了功率管關斷瞬間振蕩對於過壓檢測帶來的幹擾，實現了更簡潔更精確的過壓保護，提高了檢測的精度同時降低了系統生產和設計成本。
附圖說明
圖1為一個實施例中恆流控制器的原理圖；
圖2為另一個實施例中恆流控制器的原理圖；
圖3為一個實施例中恆流電路原理圖；
圖4為另一個實施例中恆流電路原理圖；
圖5為一個實施例中過零檢測原理圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，為一個實施例中恆流控制器的原理圖，該實施例中恆流控制器10包括採樣引腳100、比例採樣電壓模塊200、續流時間檢測模塊300、過壓故障檢測模塊400、驅動模塊500、驅動引腳600、功率管700以及採樣電阻800。
採樣引腳100外接採樣電阻800到地，內接比例採樣電壓模塊200。比例採樣電壓模塊200可通過採樣引腳100對採樣電阻800兩端的電壓進行採樣。
比例採樣電壓模塊200用於在恆流控制器10上電時確定比例係數k以及根據採樣引腳100在功率管700開啟期間獲取的採樣信號輸出採樣電壓Vcs。其中，採樣電壓Vcs為時變信號，比例採樣電壓模塊200在功率管700開啟期間獲取到採樣電壓Vcs後，將其保持住直至下次功率管700再次開啟。
在一個實施例中，比例採樣電壓模塊200包括比例係數檢測單元和電壓採樣單元，比例係數檢測單元用於在恆流控制器10上電時確定比例係數k，電壓採樣單元用於根據採樣信號得到採樣電壓Vcs。如圖2所示。
續流時間檢測模塊300與驅動引腳600連接，用於根據功率管700的關斷參數檢測後端電路的續流時間Tdem。
在一個實施例中，續流時間檢測模塊300為過零檢測模塊；所述過零檢測模塊與驅動引腳600連接，用於根據功率管700在關斷時的負電流實現過零檢測並計算續流時間Tdem。如圖2所示。
過壓故障檢測模塊400與續流時間檢測模塊300、比例採樣電壓模塊200分別連接，用於根據所述續流時間Tdem、比例係數k以及採樣電壓Vcs判斷是否開路，並當判斷開路時，執行開路保護。其中，判斷為開路的條件為：Tdem＜k×Vcs，此時設定輸出開路保護電壓對應的Tdem為Tdem_ovp，且Tdem_ovp＝k×Vcs(t)。
驅動模塊500的輸出端連接驅動引腳600、用於發送控制功率管700周期性開閉的驅動信號以實現對功率管700的後端電路的恆流控制。
功率管700的柵極與驅動引腳600連接、源極與採樣引腳100連接並通過採樣電阻800接地、漏極與外部電路連接，用與根據驅動模塊500的輸出對外部電路的電流進行控制，實現輸出恆流。
如圖2所示，為一個實施例中恆流控制器的原理圖，該實施例中的恆流控制器20除包含圖1所示恆流控制器的各個部分外，還包括電流採樣單元900、運算放大器910、三角波發生單元920、比較器930、或門940、RS觸發器950、供電模塊960以及高壓引腳970。
電流採樣單元900與採樣引腳100連接，用於對流過採樣電阻800的電流進行採樣並將採樣結果輸出至運算放大器910。
運算放大器910和比較器930用於對兩個數據項進行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關係及排列順序。比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進位信號0或1，當輸入電壓的差值增大或減小且正負符號不變時，其輸出保持恆定。運算放大器910的兩個輸入信號為電流採樣單元900的輸出信號以及輸出電流基準信號；比較器930的兩個輸入信號為三角波發生單元920的輸出信號以及運算放大器910的輸出信號。
或門940的兩個輸入端分別為比較器930的輸出信號以及過壓故障檢測模塊400的輸出信號，用於對兩個輸入信號進行或邏輯運算。
RS觸發器950的S輸入端與續流時間檢測模塊300連接，R輸入端與或門940的輸出端連接，Q輸出端與所述驅動模塊連接，用於根據或門940的輸出與續流時間Tdem對驅動模塊500進行控制。
供電模塊960與高壓引腳970相連接，通過高壓引腳970引入外部電壓並輸送給供電模塊960，然後轉換為恆流控制器20內部的工作電壓。
如圖3所示，為一個實施例中恆流電路原理圖，該實施例中的恆流電路30包括恆流控制器300、功率管310、變壓器320以及電阻330。功率管310的源極與恆流控制器300的採樣引腳相連、柵極與恆流控制器300的驅動引腳相連、漏極與變壓器320連接，用於根據驅動模塊的輸出對變壓器原邊迴路的電流進行控制，實現輸出恆流；變壓器320包括原邊迴路和副邊迴路。
設定圖3所示的反激隔離系統工作在QR模式，原邊MOS的導通時間為Ton，副邊二極體的續流時間為Tdem，原副邊匝比N，採樣電阻Rcs(升降壓buck-boost與隔離Flybcak原理一致，其中N＝1)，由伏秒平衡原理可得:
當輸出發生過壓時，輸出電壓逐漸升高，電感的消磁時間Tdem逐漸減小，當晶片檢測到Tdem＜k×Vcs(t)時，判斷輸出開路，進入開路保護模式。設定輸出開路保護電壓對應的Tdem為Tdem_ovp，且Tdem_ovp＝k×Vcs(t)代入式(1)，可得
通過上述公式推導，可知系統的輸出過壓保護點只與比率係數k，原邊勵磁電感Lp，原副邊匝比N和採樣電阻Rcs有關。
如圖4所示，為一個實施例中恆流電路原理圖，該實施例中的恆流電路40包括恆流控制器400、功率管410、續流二極體420、電感430以及電容440。功率管410的源極與恆流控制器400的採樣引腳相連、柵極與恆流控制器400的驅動引腳相連，用於根據驅動模塊的輸出對外部電路的電流進行控制，實現輸出恆流；續流二極體420陽極分別與恆流控制器400的高壓引腳和功率管410的漏極連接，用於在功率管410關斷後，對電路進行續流；電感430分別與恆流控制器400的高壓引腳和功率管410的漏極連接，用於在電流流通的情況下，電路斷開時維持電流不變；電容440一端與續流二極體420連接，另一端與電感430連接，起諧振作用。
設定圖4所示的降壓Buck系統工作在QR模式，功率管410的導通時間為Ton，續流二極體420的續流時間為Tdem，採樣電阻Rcs，由伏秒平衡原理可得：
當輸出發生過壓時，輸出電壓逐漸升高，電感430的消磁時間Tdem逐漸減小，當晶片檢測到Tdem＜k×Vcs(t)時，判斷輸出開路，進入開路保護模式。設定輸出開路保護電壓對應的Tdem為Tdem_ovp，且Tdem_ovp＝k×Vcs(t)代入式(5)，可得
Tdem_ovp＝k×Vcs(t) (6)
通過上述公式推導，可知系統的輸出過壓保護點只與比率係數k，原邊勵磁電感Lp，和採樣電阻Rcs有關。
綜上兩個實施例的推導，可知在某個具體系統設計時，原邊勵磁電感Lp，原副邊匝比N和採樣電阻Rcs參數不同可以實現對輸出過壓保護點的控制，同時恆流控制器會通過外置的Rovp電阻來設定晶片內部的k值，從而實現對輸出過壓保護點的靈活可調，增加了系統的設計自由度。節省了輔助繞組同時也消除了傳統方案存在的檢測不準或者誤檢測的問題。節省了輔助繞組後，恆流控制器通過集成高壓啟動電流源，以保證晶片供電；同時，恆流控制器通過功率管關斷時候流經驅動模塊的負電流來實現圖4中的過零檢測及Tdem時間檢測。
如圖5所示，為一個實施例中過零檢測原理圖。上述過零檢測方式，高壓電流源供電以及上述實施例中的輸出過壓保護實現方式，新的恆流控制器搭建的系統可以徹底的省去輔助繞組，並且排除了因功率管關斷瞬間存在由漏感和電路寄生參數引起的振蕩導致的傳統方案檢測不準或誤檢測的問題，可以實現比傳統方案更準確的輸出過壓保護控制。
上述恆流電路及其恆流控制器，針對的是工作在臨界導通模式下的電源系統，即每次功率管的導通是在電感電流續流結束後。其中只通過對功率管關斷後的電感續流時間以及功率管導通期間採樣電阻峰值電壓Vcs的採樣，來實現輸出過壓的控制，從而節省了輔助繞組以及排除了功率管關斷瞬間振蕩對於過壓檢測帶來的幹擾，實現了更簡潔更精確的過壓保護，提高了檢測的精度同時降低了系統生產和設計成本。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。