專利名稱：一種開關電源及其恒壓輸出控制器的制作方法
技術領域：
本發明屬于開關電源領域，尤其涉及一種開關電源及其恒壓輸出控制器。
背景技術：
目前，隨著開關電源技術的不斷發展和更新，開關電源已具備效率高、體積小及成本低的優點，所以其已經被廣泛應用于各種電子設備中。特別是在小型家用電器(如電飯煲、豆漿機和電磁爐)中，開關電源一般只需要具備恒壓輸出功能即可。為了在小型家用電器中實現恒壓輸出，現有技術提供了一種BUCK-B00ST (降壓-升壓式)開關電源系統，其內部的控制器通過對輸出級的反饋電壓進行檢測，根據反饋電壓的變化適時調整內部的開關頻率，進而實現恒定電壓輸出。雖然前述的現有技術能夠實現恒壓輸出，但因其需要增加部分電路對輸出級的電壓進行檢測，導致其電路結構相對·復雜，且控制器連接腳位多，封裝成本高，導致控制器成本增加，同時降低了整個開關電源系統的抗干擾能力，影響了系統穩定性和可靠性差。
發明內容
本發明的目的在于提供一種開關電源的恒壓輸出控制器，旨在解決現有技術存在的系統穩定性和可靠性差、電路結構復雜且成本高的問題。本發明是這樣實現的，一種開關電源的恒壓輸出控制器，與開關電源的輸入級整流濾波電路及輸出級負載驅動電路相連接，所述輸入級整流濾波電路的輸入端接入交流市電，所述輸出級負載驅動電路的輸出端與負載連接，所述恒壓輸出控制器包括輸入端與所述輸入級整流濾波電路的輸出端連接，在開關電源上電時從所述輸入級整流濾波電路的輸出端引入直流電以啟動所述恒壓輸出控制器工作的啟動模塊；輸入端同時與所述啟動模塊的輸出端及所述輸出級負載驅動電路的電壓反饋端連接，將所述啟動模塊所產生的直流電源電壓與基準電壓進行電壓比較后輸出相應的比較電壓的電壓比較模塊；輸入端接所述啟動模塊的輸出端，第一輸出端和第二輸出端分別連接所述啟動模塊的基準電壓端和所述電壓比較模塊的基準電壓端，為所述啟動模塊和所述電壓比較模塊提供基準電壓的基準電壓產生模塊；輸入端與所述輸入級整流濾波電路的輸出端連接，以特定的開關頻率對所述輸入級整流濾波電路所輸出的直流電進行電壓調制的功率開關；輸入端與所述功率開關的輸出端連接，第一輸出端接所述輸出級負載驅動電路的輸入端，對所述功率開關導通時所輸出的導通電流進行電壓采樣，并將采樣到的電壓進行放大后輸出相應的采樣放大電壓，且同時將所述導通電流輸出至所述輸出級負載驅動電路的電壓采樣放大模塊；第一輸入端和第二輸入端分別連接所述電壓比較模塊的輸出端和所述電壓采樣放大模塊的第二輸出端，輸出端連接所述功率開關的控制端，根據所述比較電壓、所述采樣放大電壓及內部的時鐘信號輸出具有相應的開關占空比的脈沖信號控制所述功率開關的開關頻率的脈寬調制模塊。本發明的另一目的還在于提供一種開關電源，所述開關電源包括輸入級整流濾波電路、輸出級負載驅動電路及所述恒壓輸出控制器；本發明通過在開關電源中采用包括所述啟動模塊、所述電壓比較模塊、所述基準電壓產生模塊、所述功率開關、所述電壓采樣放大模塊及所述脈寬調制模塊的恒壓輸出控制器，簡化了開關電源的電路結構，降低了成本，同時能夠穩定可靠地對輸出級負載驅動電路的輸出電壓實現周期性調制以對負載實現恒壓輸出，解決了現有技術存在的系統穩定性和可靠性差、電路結構復雜且成本高的問題。
圖I是本發明實施例提供的開關電源的恒壓輸出控制器的模塊結構圖；圖2是本發明實施例提供的開關電源的恒壓輸出控制器的示例電路結構圖； 圖3是本發明實施例提供的開關電源的示例電路結構圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。本發明實施例通過在開關電源中采用包括啟動模塊、電壓比較模塊、基準電壓產生模塊、功率開關、電壓采樣放大模塊及脈寬調制模塊的恒壓輸出控制器，簡化了開關電源的電路結構，降低了成本，同時能夠穩定可靠地對輸出級負載驅動電路的輸出電壓實現周期性調制以對負載實現恒壓輸出。圖I示出了本發明實施例提供的開關電源的恒壓輸出控制器的模塊結構，為了便于說明，僅示出了與本發明相關的部分，詳述如下恒壓輸出控制器100與開關電源的輸入級整流濾波電路200及輸出級負載驅動電路300相連接，輸入級整流濾波電路200的輸入端接入交流市電，輸出級負載驅動電路300的輸出端與負載400連接，恒壓輸出控制器100包括輸入端與輸入級整流濾波電路200的輸出端連接，在開關電源上電時從輸入級整流濾波電路200的輸出端引入直流電以啟動恒壓輸出控制器100工作的啟動模塊101 ；輸入端同時與啟動模塊101的輸出端及輸出級負載驅動電路300的電壓反饋端連接，將啟動模塊101所產生的直流電源電壓與基準電壓進行電壓比較后輸出相應的比較電壓的電壓比較模塊102;輸入端接啟動模塊101的輸出端,第一輸出端和第二輸出端分別連接啟動模塊101的基準電壓端和電壓比較模塊102的基準電壓端，為啟動模塊101和電壓比較模塊102提供基準電壓的基準電壓產生模塊103 ；輸入端與輸入級整流濾波電路200的輸出端連接，以特定的開關頻率對輸入級整流濾波電路200所輸出的直流電進行電壓調制的功率開關104 ；輸入端與功率開關104的輸出端連接，第一輸出端接輸出級負載驅動電路300的輸入端，對功率開關104導通時所輸出的導通電流進行電壓采樣，并將采樣到的電壓進行放大后輸出相應的采樣放大電壓，且同時將所述導通電流輸出至輸出級負載驅動電路300的電壓采樣放大模塊105 ；第一輸入端和第二輸入端分別連接電壓比較模塊102的輸出端和電壓米樣放大模塊105的第二輸出端，輸出端連接功率開關104的控制端，根據電壓比較模塊102輸出的比較電壓、電壓米樣放大模塊105輸出的米樣放大電壓及內部的時鐘信號輸出具有相應的開關占空比的脈沖信號控制功率開關104的開關頻率的脈寬調制模塊106。圖2示出了本發明實施例提供的開關電源的恒壓輸出控制器的示例電路結構，為了便于說明，僅示出了與本發明相關的部分，詳述如下作為本發明一優選實施例,啟動模塊101包括第一誤差放大器EAl、N溝道結型場效應管J1、電阻Rl及電阻R2 ;
第一誤差放大器EAl的同相輸入端為啟動模塊101的基準電壓端,第一誤差放大器EAl的輸出端接N溝道結型場效應管Jl的柵極，N溝道結型場效應管Jl的漏極和源極分別為啟動模塊101的輸入端和輸出端，電阻Rl的第一端接N溝道結型場效應管Jl的源極，電阻Rl的第二端與電阻R2的第一端共接于第一誤差放大器EAl的反相輸入端，電阻R2的第二端接虛擬信號地。其中，N溝道結型場效應管Jl的閾值電壓為-9V，其源極為整個恒壓輸出控制器100的內部電路提供電源。作為本發明一優選實施例，電壓比較模塊102包括電阻R3、電阻R4、第二誤差放大器EA2及電容C2 ；電阻R3的第一端為電壓比較模塊102的輸入端，電阻R3的第二端與電阻R4的第一端共接于第二誤差放大器EA2的反相輸入端，電阻R4的第二端接虛擬信號地，第二誤差放大器EA2的同相輸入端和輸出端分別為電壓比較模塊102的基準電壓端和輸出端，電容C2連接于第二誤差放大器EA2的輸出端與虛擬信號地之間。作為本發明一優選實施例，基準電壓產生模塊103為常用的帶隙基準電路。作為本發明一優選實施例，功率開關104為高壓NMOS場效應管Ml，高壓NMOS場效應管Ml的柵極、漏極和源極分別為功率開關104的控制端、輸入端和輸出端。功率開關104在本發明其他實施例中還可以是其他具備開關特性的半導體器件，如絕緣柵雙極型晶體管(IGB T, Insulated Gate BipolarTransistor)和結型場效應管(JFET, Junction FieldEffect Transistor)。作為本發明一優選實施例，電壓米樣放大模塊105包括電阻R5和放大器0PA1,電阻R5的第一端和第二端分別為電壓米樣放大模塊105的輸入端和第一輸出端,放大器OPAl的同相輸入端接電阻R5的第一端，放大器OPAl的反相輸入端與電阻R5的第二端共接于虛擬信號地，放大器OPAl的輸出端為電壓米樣放大模塊105的第二輸出端。作為本發明一優選實施例，脈寬調制模塊106包括比較器C0MP1、D觸發器TRG1、時鐘產生電路1061、第一反相器INV1、第二反相器INV2及第三反相器INV3 ；比較器COMPl的同相輸入端和反相輸入端分別為脈寬調制模塊106的第一輸入端和第二輸入端，比較器COMPl的輸出端接D觸發器TRGl的復位控制端RB，D觸發器TRGl的輸入端D接第三反相器INV3的輸出端，第三反相器INV3的輸入端接虛擬信號地，D觸發器TRGl的時鐘端FOSC連接時鐘產生電路1061的輸出端，第一反相器INVl的輸入端和輸出端分別與D觸發器TRGl的輸出端Q和第二反相器INV2的輸入端相連接，第二反相器INV2的輸出端為脈寬調制模塊106的輸出端。其中，時鐘產生電路1061可以是環形振蕩器或張弛振蕩器。在實際應用中，恒壓輸出控制器100可以按照上述結構及連接關系集成為一個芯片中，且啟動電路101的輸入端和輸出端以及電壓米樣放大模塊105的第一輸出端分別作為恒壓控制器的三個引腳，這樣能夠減少芯片管腳，提高了集成度，可以采用T092或S0T89-3的三腳封裝結構，從而有效地降低封裝成本。本發明實施例還提供了一種開關電源，該開關電源包括恒壓輸出控制器100、輸入級整流濾波電路200及輸出級負載驅動電路300。圖3示出了本發明實施例所提供的開關電源的示例電路結構，其中恒壓輸出控制器100的電路結構與圖2所示的一致，在此不再贅述，而對于輸入級整流濾波電路200和輸 出級負載驅動電路300的電路結構則詳述如下作為本發明一優選實施例，輸入級整流濾波電路200包括整流二極管Dl和濾波電容Cl，整流二極管Dl的陽極和陰極分別為輸入級整流濾波電路200的輸入端和輸出端，濾波電容Cl連接于整流二極管Dl的陰極與地之間。作為本發明一優選實施例，輸出級負載驅動電路300包括穩壓電容C3、續流二極管D2、儲能電感LI、續流二極管D3及穩壓電容C4 ；穩壓電容C3的第一端和儲能電感LI的第一端分別為輸出級負載驅動電路300的電壓反饋端和輸入端，續流二極管D2的陰極接穩壓電容C3的第一端，穩壓電容C3的第二端與續流二極管D3的陰極共接于儲能電感LI的第一端，續流二極管D3的陽極接穩壓電容C4的第一端,且穩壓電容C4的第一端為輸出級負載驅動電路300的輸出端,穩壓電容C4的第二端與續流二極管D2的陽極及儲能電感LI的第二端共接于地。在本發明實施例中，負載400的輸出端與穩壓電容C4的第二端連接，且負載400的輸入端電壓Von與其輸出端電壓Vop之差即為開關電源所需實現的輸出電壓Vout。以下結合工作原理對上述具有恒壓輸出控制器100的開關電源作進一步說明當高壓NMOS場效應管Ml導通時，通過整流二極管Dl和濾波電容Cl整流濾波處理后所輸出的直流電通過高壓NMOS場效應管Ml和電阻R5向儲能電感LI進行充電儲能，此時儲能電感LI的第一端的電壓VA與整流二極管Dl的陰極電壓VDC相等(此處忽略高壓NMOS場效應管Ml的導通壓降)，且續流二極管D2和續流二極管D3均反向截止，穩壓電容C2和穩壓電容C3分別向電阻R3的第一端和負載400釋放電能；當高壓NMOS場效應管Ml截止時，儲能電感LI釋放電能為穩壓電容C4和穩壓電容C3充電，且續流二極管D2和續流二極管D3均導通，此時，儲能電感LI的第一端的電壓VA與負載400的輸入端電壓Von的關系式如下VA= = Von-Vdfl(I)其中，Vdfl為續流二極管D3的導通壓降。穩壓電容C3的第一端的電壓VB與負載400的輸出端電壓Vop的關系式如下VB=Vop-Vdf2(2)其中，Vdf2為續流二極管D2的導通壓降，且在本發明實施例中，續流二極管D2和續流二極管D3的導通壓降是相同的，即Vdfl=Vdf2。將關系式(I)與關系式(2)進行相減可得到下式VB-VA=Vop-Von(3)其中，VB-VA就是電阻R3的第一端與電阻R5的第二端(即是虛擬信號地)之間的電壓差VDD，Vop-Von就是開關電源所需實現的輸出電壓Vout，因此，輸出電壓Vout與VDD之間的關系如下式VDD=Vout(4)則只需要通過恒壓輸出控制器100控制電壓差VDD恒定，即可對輸出級電壓差Vout實現恒定控制，從而達到向負載400實現恒壓輸出的目的。在開關電源上電之初，N溝道結型場效應管Jl的源極的電壓近似為零，第一誤差放大器EAl的輸出端輸出低電平至N溝道結型場效應管Jl的柵極，則N溝道結型場效應管Jl導通，N溝道結型場效應管Jl的漏極從整流二極管Dl的陰極引入直流電使其源極的電壓升高(實際上就是提升了電壓差VDD，此端也是恒壓控制器100的內部電源端和反饋端)，此時恒壓輸出控制器100開始啟動工作；當N溝道結型場效應管Jl的源極的電壓通過電阻Rl和電阻R2分壓后所得到的電壓高于第一誤差放大器EAl的同相輸入端所接入的參考電壓VJ時，第一誤差放大器EAl輸出零電平(即相對于虛擬信號地為零電平)至N溝道結型場效應管Jl的柵極，N溝道結型場效應管Jl的源極電壓等于電壓差VDD (即相對于虛擬信號地為VDD)，則N溝道結型場效應管Jl因其柵極-源極電壓差的絕對值小于結型場效應管Jl的閾值電壓的絕對值而截止，此時恒壓輸出控制器100完成上電啟動。恒壓輸出控制器100在上電啟動后，N溝道結型場效應管Jl的源極電壓(即VDD)通過電阻R3和電阻R4分壓后得到的電壓VI輸入至第二誤差放大器EA2的反相輸入端，則VI與VDD的關系式如下
權利要求
1.一種開關電源的恒壓輸出控制器，與開關電源的輸入級整流濾波電路及輸出級負載驅動電路相連接，所述輸入級整流濾波電路的輸入端接入交流市電，所述輸出級負載驅動電路的輸出端與負載連接，其特征在于，所述恒壓輸出控制器包括 輸入端與所述輸入級整流濾波電路的輸出端連接，在開關電源上電時從所述輸入級整流濾波電路的輸出端引入直流電以啟動所述恒壓輸出控制器工作的啟動模塊； 輸入端同時與所述啟動模塊的輸出端及所述輸出級負載驅動電路的電壓反饋端連接，將所述啟動模塊所產生的直流電源電壓與基準電壓進行電壓比較后輸出相應的比較電壓的電壓比較模塊； 輸入端接所述啟動模塊的輸出端，第一輸出端和第二輸出端分別連接所述啟動模塊的基準電壓端和所述電壓比較模塊的基準電壓端，為所述啟動模塊和所述電壓比較模塊提供基準電壓的基準電壓產生模塊； 輸入端與所述輸入級整流濾波電路的輸出端連接，以特定的開關頻率對所述輸入級整流濾波電路所輸出的直流電進行電壓調制的功率開關； 輸入端與所述功率開關的輸出端連接，第一輸出端接所述輸出級負載驅動電路的輸入端，對所述功率開關導通時所輸出的導通電流進行電壓采樣，并將采樣到的電壓進行放大后輸出相應的采樣放大電壓，且同時將所述導通電流輸出至所述輸出級負載驅動電路的電壓采樣放大模塊； 第一輸入端和第二輸入端分別連接所述電壓比較模塊的輸出端和所述電壓采樣放大模塊的第二輸出端，輸出端連接所述功率開關的控制端，根據所述比較電壓、所述采樣放大電壓及內部的時鐘信號輸出具有相應的開關占空比的脈沖信號控制所述功率開關的開關頻率的脈覽調制I旲塊。
2.如權利要求I所述的恒壓輸出控制器，其特征在于，所述啟動模塊包括 第一誤差放大器、N溝道結型場效應管J1、電阻Rl及電阻R2 ； 第一誤差放大器的同相輸入端為所述啟動模塊的基準電壓端，所述第一誤差放大器的輸出端接所述N溝道結型場效應管Jl的柵極，所述N溝道結型場效應管Jl的漏極和源極分別為所述啟動模塊的輸入端和輸出端，所述電阻Rl的第一端接所述N溝道結型場效應管Jl的源極，所述電阻Rl的第二端與所述電阻R2的第一端共接于所述第一誤差放大器的反相輸入端，所述電阻R2的第二端接虛擬信號地。
3.如權利要求I所述的恒壓輸出控制器，其特征在于，所述電壓比較模塊包括 電阻R3、電阻R4、第二誤差放大器及電容C2 ； 所述電阻R3的第一端為所述電壓比較模塊的輸入端，所述電阻R3的第二端與所述電阻R4的第一端共接于所述第二誤差放大器的反相輸入端，所述電阻R4的第二端接虛擬信號地，所述第二誤差放大器的同相輸入端和輸出端分別為所述電壓比較模塊的基準電壓端和輸出端，所述電容C2連接于所述第二誤差放大器的輸出端與虛擬信號地之間。
4.如權利要求I所述的恒壓輸出控制器，其特征在于，所述功率開關為高壓NMOS場效應管M1，所述高壓NMOS場效應管Ml的柵極、漏極和源極分別為所述功率開關的控制端、輸入端和輸出端。
5.如權利要求I所述的恒壓輸出控制器，其特征在于，所述電壓采樣放大模塊包括電阻R5和放大器，所述電阻R5的第一端和第二端分別為所述電壓采樣放大模塊的輸入端和第一輸出端，所述放大器的同相輸入端接所述電阻R5的第一端，所述放大器的反相輸入端與所述電阻R5的第二端共接于虛擬信號地，所述放大器的輸出端為所述電壓采樣放大模塊的第二輸出端。
6.如權利要求I所述的恒壓輸出控制器，其特征在于，所述脈寬調制模塊包括 比較器、D觸發器、時鐘產生電路、第一反相器、第二反相器及第三反相器； 所述比較器的同相輸入端和反相輸入端分別為所述脈寬調制模塊的第一輸入端和第二輸入端，所述比較器的輸出端接所述D觸發器的復位控制端，所述D觸發器的輸入端接所述第三反相器的輸出端，所述第三反相器的輸入端接虛擬信號地，所述D觸發器的時鐘端連接所述時鐘產生電路的輸出端，所述第一反相器的輸入端和輸出端分別與所述D觸發器的輸出端和第二反相器的輸入端相連接，所述第二反相器的輸出端為所述脈寬調制模塊的輸出端。
7.一種開關電源，其特征在于，所述開關電源包括輸入級整流濾波電路、輸出級負載驅動電路以及如權利要求I至6任一項所述的恒壓輸出控制器。
8.如權利要求7所述的開關電源，其特征在于，所述輸入級整流濾波電路包括整流二極管Dl和濾波電容Cl，所述整流二極管Dl的陽極和陰極分別為所述輸入級整流濾波電路的輸入端和輸出端，所述濾波電容Cl連接于所述整流二極管Dl的陰極與地之間。
9.如權利要求7所述的開關電源，其特征在于，所述輸出級負載驅動電路包括 穩壓電容C3、續流二極管D2、儲能電感LI、續流二極管D3及穩壓電容C4 ； 所述穩壓電容C3的第一端和所述儲能電感LI的第一端分別為所述輸出級負載驅動電路的電壓反饋端和輸入端，所述續流二極管D2的陰極接所述穩壓電容C3的第一端，所述穩壓電容C3的第二端與所述續流二極管D3的陰極共接于所述儲能電感LI的第一端，所述續流二極管D3的陽極接所述穩壓電容C4的第一端，且所述穩壓電容C4的第一端為所述輸出級負載驅動電路的輸出端，所述穩壓電容C4的第二端與所述續流二極管D2的陽極及所述儲能電感LI的第二端共接于地。
全文摘要
本發明適用于開關電源領域，提供了一種開關電源及其恒壓輸出控制器。本發明通過在開關電源中采用包括啟動模塊、電壓比較模塊、基準電壓產生模塊、功率開關、電壓采樣放大模塊及脈寬調制模塊的恒壓輸出控制器，簡化了開關電源的電路結構，降低了成本，同時能夠穩定可靠地對輸出級負載驅動電路的輸出電壓實現周期性調制以對負載實現恒壓輸出，解決了現有技術存在的系統穩定性和可靠性差、電路結構復雜且成本高的問題。
文檔編號H02M1/36GK102904431SQ20121038979
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月15日 優先權日2012年10月15日
發明者林道明, 李照華, 趙春波, 謝靖, 付凌云, 郭偉峰 申請人:深圳市明微電子股份有限公司