控制器以及采用該控制器的開關電源的制作方法

本實用新型涉及開關電源控制技術領域，尤其涉及一種適用于非隔離AC-DC開關電源的線電壓分段補償的控制器以及采用該控制器的開關電源。

背景技術：

對于AC-DC電源，當AC輸入電壓在85Vac～265Vac范圍內變化時，由于存在比較器延時和功率管關斷延時，過流保護點通常隨輸入線電壓變化而變化。這種變化導致高、低線電壓的過流保護點嚴重漂移，不利于過流保護點的一致性。因此需要根據不同線電壓進行補償從而得到一致的過流保護點。

參考圖1，現有的線電壓補償方式示意圖。當功率管導通時，功率管M0的源極電壓被拉高至Vbus附近，FB點電壓被鉗位在功率管M0的源極電壓。由于FB點電壓比Vout高，故電流從FB點流經反饋分壓電阻中的上電阻FBH至Vout，該電流的大小反映了輸入線電壓Vline的高低，同時，該電流經過放大器A1流過MOS管M1。通過MOS管M2、M3比例鏡像流過MOS管M1的電流產生補償電流，將該補償電流輸入線電壓補償電路11，輸出經過補償后的功率管電壓CS_COMP。通過比較器CP1將功率管電壓CS_COMP與參考電壓CS_REF進行比較，產生功率管關斷信號Gate_off；該關斷信號Gate_off決定了流過電感L0的峰值電流，從而決定過流保護點。

現有的線電壓補償方式有以下幾個缺陷：

1)必須有下電阻FBL以及上電阻FBH組成的反饋分壓電阻，對于無反饋分壓電阻的應用來說就無法使用該補償方式，使得外圍應用受限；

2)反饋分壓電阻的選擇范圍受到線電壓補償的限制；

3)當VCC由Vbus通過高壓供電模塊13直接高壓供電(比如JFET或者耗盡型MOS管等)，功率管M0導通時上電阻流經的電流(通常幾個mA或幾十mA)由VCC提供，由于VCC是由Vbus供電，高壓時提供大電流會導致系統功耗很大，效率低。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于，針對現有的線電壓補償方式存在的缺陷，提供一種控制器以及采用該控制器的開關電源，實現通過調節功率管的峰值電流來實現幾乎不隨線電壓變化的過流保護點。

為實現上述目的，本實用新型提供了一種用于開關電源的控制器，所述控制器包括：延時單元，與功率管的柵極控制端電性連接，包括至少一延時子單元，用于在功率管導通時輸出延時信號；補償電流生成單元，與所述延時單元電性連接，包括至少一補償電流生成子單元，用于根據所述延時信號輸出補償電流；線電壓補償單元，與所述補償電流生成單元電性連接，用于將經過所述補償電流補償后的功率管采樣電壓與參考電壓分別輸入一比較器的第一輸入端和第二輸入端，或者將功率管采樣電壓與經過所述補償電流補償后的參考電壓分別輸入所述比較器的第一輸入端和第二輸入端，所述控制器根據所述比較器的輸出信號生成柵極控制信號以控制所述功率管的導通與關斷，其中，當比較器的第一輸入端的電壓大于第二輸入端的電壓時，所述功率管關斷。

為實現上述目的，本實用新型還提供了一種開關電源，所述開關電源包括本實用新型所述的控制器。

本實用新型的優點在于：本實用新型通過在功率管導通時，根據導通時間的上升沿分段延時進行分段補償，生成和導通時間近似成反比例關系的補償電流；并用這個補償電流來調節參考電壓CS_REF或者調節功率管電流采樣電壓CS，從而調節流過功率管的峰值電流。通過調節峰值電流來實現幾乎不隨線電壓變化的過流保護點。本實用新型公開的開關電源的線電壓分段補償方式，適用于AC-DC開關電源，尤其適用于非隔離AC-DC開關電源。本實用新型披露的線電壓補償方式，無需利用外部FB分壓電阻，對于外圍無FB分壓電阻的應用特別適合；另外，由于沒有毫安級的電流從VCC流出，故也特別適合JFET或Depletion MOS等高壓供電的開關電源，不影響系統效率和功耗。

附圖說明

圖1，現有的線電壓補償方式示意圖。

圖2，本實用新型所述的開關電源一實施例所示的架構示意圖；

圖3為圖2所述實施例中不同線電壓或者導通時間對應的補償電流波形圖；

圖4，本實用新型所述的開關電源另一實施例所示的架構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型提供的控制器以及采用該控制器的開關電源做詳細說明。

參考圖2，本實用新型所述的開關電源一實施例所示的架構示意圖。圖2為一個high-side buck開關電源，交流電輸入AC-IN通過四個二極管D1～D4整流和一個電容C0濾波得到直流電壓Vbus；功率管M0、電感L0、續流二極管D0以及輸出電容Cout組成典型的high-side buck開關電源拓撲。這里需要注意，本實用新型并不僅限于high-side buck開關電源，而是適用于任何拓撲的開關電源。所述的開關電源的功率管M0的源極通過電感L0電性連接至所述開關電源的電壓輸出端Vout、漏極電性連接所述開關電源的直流電壓輸入端Vbus；所述的開關電源還包括控制器，所述控制器用于調節開關電源的線電壓。所述控制器包括：延時單元21、補償電流生成單元22以及線電壓補償單元23。

延時單元21，與功率管M0的柵極控制端Gate電性連接，包括至少一延時子單元，用于在功率管M0導通時輸出延時信號Gate_D。

在本實施例中，所述延時單元21包括3個延時子單元211～213，所述補償電流生成單元22包括3個補償電流生成子單元；在功率管M0導通時，第一延時子單元211輸出第一延時信號Gate_D1至第一補償電流生成子單元，第二延時子單元212輸出第二延時信號Gate_D2至第二補償電流生成子單元，第三延時子單元213輸出第三延時信號Gate_D3至第三補償電流生成子單元；其中，所述第二延時信號Gate_D2的延時時間大于所述第一延時信號Gate_D1的延時時間，所述第三延時信號Gate_D3的延時時間大于所述第二延時信號Gate_D2的延時時間，從而實現對開關電源的線電壓進行分段補償。

補償電流生成單元22，與所述延時單元21電性連接，包括至少一補償電流生成子單元，用于根據所述延時信號Gate_D輸出補償電流Icomp。

其中，所述延時子單元的數量與所述補償電流生成子單元的數量相同，所述補償電流生成子單元與所述延時子單元一一對應電性連接，所述補償電流生成子單元根據與其電性連接的延時子單元輸出的延時信號輸出補償子電流，所有所述補償電流生成子單元輸出的補償子電流匯總成所述補償電流Icomp。其中，所述補償電流Icomp的輸出大小與所述功率管M0的導通時間成近似反比例關系，所述補償電流Icomp的輸出大小與線電壓成近似正比例關系。

在本實施例中，每一所述補償電流生成子單元包括一偏置電流源I和一開關管S；所述偏置電流源I一端電性連接所述開關電源的VCC電源，另一端電性連接所述開關管S的一端；所述開關管S的控制端電性連接相應延時子單元，另一端作為所述補償電流生成子單元的輸出端；所述開關管S根據所述延時子單元輸出的延時信號導通，以使所述偏置電流源I的電流從所述補償電流生成子單元的輸出端輸出作為補償子電流。所有所述補償電流生成子單元的輸出端通過一電容C1電性連接所述功率管M0的源極。

優選的，所述控制器進一步包括一電流鏡鏡像單元24，所述補償電流Icomp經所述電流鏡鏡像單元24鏡像后輸出至所述線電壓補償單元23。

在本實施例中，所述電流鏡鏡像單元24包括共柵極的第一MOS管M1和第二MOS管M2、共柵極的第三MOS管M3和第四MOS管M4；其中，M1和M2均采用與功率管M0相同類型的MOS管，例如均為N型MOS管，M3和M4均采用與功率管M0不同類型的MOS管，例如均為P型MOS管。所述第一MOS管M1和所述第二MOS管M2均與所述功率管M0共源極，所述第一MOS管M1的漏極電性連接所述補償電流生成單元的輸出端，所述第二MOS管M2的漏極電性連接所述第三MOS管M3的漏極；所述第三MOS管M3的源極和所述第四MOS管M4的源極均電性連接開關電源的VCC電源，所述第四MOS管M4的漏極作為補償電流輸出端；所述補償電流生成單元輸出的補償電流Icomp經過所述電流鏡鏡像單元24鏡像后從所述第四MOS管M4的漏極輸出。

線電壓補償單元23，與所述補償電流生成單元22電性連接，用于將經過所述補償電流Icomp補償后的功率管采樣電壓CS_COMP與參考電壓CS_REF分別輸入一比較器CP1的第一輸入端和第二輸入端，所述控制器根據所述比較器CP1的輸出信號Gate_off生成柵極控制信號Gate以控制所述功率管M0的導通與關斷。其中，當比較器CP1的第一輸入端的電壓大于第二輸入端的電壓時，所述功率管M0關斷。

所述線電壓補償單元23對流經所述功率管M0的電流進行采樣，并根據獲取的采樣電流產生功率管采樣電壓CS；所述線電壓補償單元23將經過所述補償電流Icomp補償后的功率管采樣電壓CS_COMP與參考電壓CS_REF分別輸入所述比較器CP1的第一輸入端和第二輸入端。

在本實施例中，所述線電壓補償單元23包括功率管電流采樣模塊231、功率管電流采樣電阻R1以及補償電流采樣電阻R2，所述功率管電流采樣電阻R1與所述補償電流采樣電阻R2串聯。所述功率管電流采樣模塊231對流經所述功率管M0的電流進行采樣，獲取的采樣電流流經所述功率管電流采樣電阻R1，產生功率管采樣電壓CS；所述補償電流生成單元22輸出的補償電流Icomp流經所述補償電流采樣電阻R2，產生補償電壓以對所述功率管采樣電壓CS進行補償，產生隨線電壓Vline變化而變化的信號CS_COMP(即經過所述補償電流Icomp補償后的功率管采樣電壓CS_COMP)輸入所述比較器CP1的第一輸入端；參考電壓CS_REF輸入所述比較器CP1的第二輸入端。控制器根據所述比較器CP1的輸出信號生成柵極控制信號以控制所述功率管M0的關斷。其中，當比較器CP1的第一輸入端的電壓大于第二輸入端的電壓時，比較器CP1的輸出Gate_off信號以控制所述功率管M0關斷。

以下結合圖2-圖3，對本實用新型的工作原理進行說明，其中，圖3為圖2所述實施例中不同線電壓Vline或者導通時間Gate對應的補償電流波形圖。

圖2中顯示了三組偏置電流源和開關管組成的三個補償電流生成子單元，但本實用新型不限于只有三組偏置電流源和開關管，可以更少或更多組偏置電流源和開關管；開關管采用MOS管實現，也可以采用二極管、三極管等晶體管實現。Gate為功率管M0的柵極控制信號，Gate輸入三個延時子單元211～213后分別輸出相應延時信號Gate_D1、Gate_D2和Gate_D3。Gate_D2的高電平時間(即延時時間)比Gate_D1長，Gate_D3高電平時間比Gate_D2長，波形如圖3所示。延時信號Gate_D1控制開關S1，Gate_D1為高時，開關S1打開，偏置電流源I1的電流流向第一MOS管M1作為第一補償子電流；Gate_D2控制開關S2，Gate_D2為高時，開關S2打開，偏置電流源I2的電流流向第一MOS管M1作為第二補償子電流；Gate_D3控制開關S3，Gate_D3為高時，開關S3打開，偏置電流源I3的電流流向第一MOS管M1作為第三補償子電流。參考圖3，在T1期間，I1，I2和I3都流向M1；在T2期間，僅I2和I3流向M1；在T3期間，僅I3流向M1；在T4期間，沒有電流流向M1。

流經M1的電流經過M2電流鏡像后，再經過M3、M4電流鏡像后得到隨Gate高電平時間變化而變化的階梯狀補償電流Icomp。合理設置延時時間和偏置電流，使得補償電流Icomp和功率管M0的導通時間近似成反比例關系，從而得到和線電壓Vline成近似正比的補償電流Icomp。不同線電壓Vline或者導通時間對應的補償電流Icomp的波形如圖3所示。圖3中，CS_COMP是經補償電流Icomp補償過的功率管采樣電壓，Idriain是流過功率管漏極的電流；可以看出，通過補償電流調節流過功率管的峰值電流Ipk，經過補償的峰值電流Ipk可以得到相對一致的過流保護點。

功率管電流采樣模塊231對流經功率管M0的電流進行采樣，獲取的采樣電流流經功率管電流采樣電阻R1，產生功率管采樣電壓CS；補償電流Icomp流經補償電流采樣電阻R2，產生補償電壓以對所述功率管采樣電壓CS進行補償，產生隨線電壓Vline變化而變化的信號CS_COMP；CS_COMP和參考電壓CS_REF比較，當CS_COMP大于CS_REF時，產生功率管關斷信號Gate_off，于是得到經過補償的功率管峰值電流。線電壓Vline越高，Icomp越大，CS_COMP就越高，功率管關斷信號就提前得越多。由比較器延時和功率管關斷延時(Td)導致的峰值電流過沖得到補償。經過補償的峰值電流在不同線電壓下可以得到相對一致的過流保護點。

本實用新型通過在功率管導通時，根據導通時間的上升沿分段延時進行分段補償，生成和導通時間近似成反比例關系的補償電流；并用這個補償電流來調節流過功率管的峰值電流。由于導通時間受線電壓影響，補償電流受控于導通時間，也就是間接受控于線電壓。線電壓越高，導通時間越短，補償電流越大；反之，線電壓越低，導通時間越長，補償電流越小。由此得到經線電壓補償的變化相對較小的過流保護點。本實用新型公開的開關電源的線電壓分段補償方式，適用于AC-DC開關電源，尤其適用于非隔離AC-DC開關電源。本實用新型披露的線電壓補償方式，無需利用外部FB分壓電阻，對于外圍無FB分壓電阻的應用特別適合；另外，由于沒有毫安級的電流從VCC流出，故也特別適合JFET或Depletion MOS等高壓供電的開關電源，不影響系統效率和功耗。

參考圖4，本實用新型所述的開關電源另一實施例所示的架構示意圖。與圖2所示實施例的不同之處在于：線電壓補償單元43，將功率管采樣電壓CS與經過補償電流Icomp補償后的參考電壓CS_REF分別輸入比較器CP1的第一輸入端和第二輸入端。也即，本實施例中，補償電流Icomp用來補償參考電壓CS_REF，而非功率管采樣電壓CS。且，本實施例中的補償電流Icomp和圖2所示實施例中的Icomp補償電流方向相反。

具體為：所述線電壓補償單元43對流經所述功率管M0的電流進行采樣，并根據獲取的采樣電流產生功率管采樣電壓CS；所述線電壓補償單元43將功率管采樣電壓CS與經過所述補償電流Icomp補償后的參考電壓CS_REF分別輸入所述比較器CP1的第一輸入端和第二輸入端。

本實施例中，所述控制器進一步包括電流鏡鏡像單元44。所述電流鏡鏡像單元44包括共柵極的第一MOS管M1和第二MOS管M2，其中，M1和M2均采用與功率管M0相同類型的MOS管，例如均為N型MOS管。所述第一MOS管M1和所述第二MOS管M2均與所述功率管M0共源極，所述第一MOS管M1的漏極電性連接所述補償電流生成單元的輸出端，所述第二MOS管M2的漏極作為補償電流輸出端；所述補償電流生成單元輸出的補償電流Icomp經過所述電流鏡鏡像單元44鏡像后從所述第二MOS管M2的漏極輸出。本實施例中的補償電流Icomp為電流鏡鏡像單元44輸出的sink電流，圖2所示實施例中的補償電流Icomp為電流鏡鏡像單元24輸出source電流。

在本實施例中，所述線電壓補償單元43包括功率管電流采樣模塊431、功率管電流采樣電阻R1、參考電壓源VREF以及補償電流采樣電阻R2。所述功率管電流采樣模塊431對所述功率管M0的電流進行采樣，獲取的采樣電流流經所述功率管電流采樣電阻R1，產生功率管采樣電壓CS；補償電流生成單元42輸出的補償電流Icomp流經所述補償電流采樣電阻R2，產生補償電壓以對所述參考電壓源VREF的參考電壓CS_REF進行補償；所述線電壓補償單元43將功率管采樣電壓CS與經過所述補償電流Icomp補償后的參考電壓CS_REF分別輸入所述比較器CP1的第一輸入端和第二輸入端。功率管采樣電壓CS輸入比較器CP1的第一輸入端；補償后的參考電壓CS_REF輸入比較器CP1的第二輸入端。控制器根據比較器CP1的輸出信號生成柵極控制信號以控制所述功率管M0的導通與關斷。其中，當比較器CP1的第一輸入端的電壓大于第二輸入端的電壓時，比較器CP1的輸出Gate_off信號以控制所述功率管M0關斷。

在本實施例中，所述線電壓補償單元43進一步包括參考電壓分壓電阻R3、R4，所述參考電壓分壓電阻R3、R4與所述補償電流采樣電阻串聯R2；所述參考電壓源VREF經緩沖器BF1緩沖后再所述參考電壓分壓電阻R3、R4分壓后產生參考電壓。和線電壓Vline成比例的補償電流Icomp產生之后，流經R3和R4；線電壓Vline越高，Icomp越大，CS_REF電壓越高，功率管關斷信號提前得越多。從而使得高低線電壓得到一致的峰值電流和過流保護點。

本實用新型通過導通時間的上升沿分段延時，產生和導通時間近似成反比例關系的補償電流；本實用新型用生成的補償電流來調節參考電壓CS_REF或者調節電流采樣電壓CS，從而調節峰值電流。本實用新型通過調節峰值電流來實現幾乎不隨線電壓變化的過流保護點。

本實用新型還提供了一種線電壓補償方法，采用本實用新型所述的控制器，所述的線電壓補償方法包括步驟：當功率管導通時延時單元輸出延時信號；補償電流生成單元根據所述延時信號輸出補償電流；通過所述補償電流對功率管采樣電壓進行補償，并將經過所述補償電流補償后的功率管采樣電壓與參考電壓分別輸入比較器的第一輸入端和第二輸入端，或者通過所述補償電流對參考電壓進行補償，并將功率管采樣電壓與經過所述補償電流補償后的參考電壓分別輸入比較器的第一輸入端和第二輸入端；當所述比較器的第一輸入端的電壓大于第二輸入端的電壓時，控制所述功率管關斷。

其中，所述補償電流的輸出大小與所述功率管的導通時間成近似反比例關系。由于導通時間受線電壓影響，補償電流受控于導通時間，也就是間接受控于線電壓。線電壓越高，導通時間越短，補償電流越大；反之，線電壓越低，導通時間越長，補償電流越小。由此得到經線電壓補償的變化相對較小的過流保護點。

作為優選的實施方式，當功率管導通時延時單元輸出延時信號進一步包括：采用多個延時子單元輸出多路延時信號，多路延時信號的延時時間不相同。

作為優選的實施方式，所述延時子單元的數量與所述補償電流生成子單元的數量相同，所述補償電流生成子單元與所述延時子單元一一對應電性連接。所述的線電壓補償方法中，當功率管導通時延時單元輸出延時信號進一步包括：所述補償電流生成子單元根據與其電性連接的延時子單元輸出的延時信號輸出補償子電流，所有所述補償電流生成子單元輸出的補償子電流匯總成所述補償電流。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。