CN108964464A - 开关电源输出侧无损检测负载电流的电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明申请公开了一种开关模式电源中输出侧无损检测负载电流的电路及其方法。所述电路包括输出整流器件，输出电容和输出负载电流检测芯片，其特征在于：所述输出负载检测芯片包括输出侧绕组导通时间检测模块，用于检测给输出端负载提供能量的时间宽度和周期；占空比转换模块，将检测出来的输出绕组导通时间信号取平均值。与传统的通过串联到输出回路中的电阻检测负载电流的方法相比，实施本发明的电路损耗极低，不仅提高了效率，而且由于省去了检测电阻，减少了外围元器件，降低了成本。

Description

开关电源输出侧无损检测负载电流的电路及其方法

技术领域

本发明涉及开关电源负载检测技术，特别地，本发明涉及一种输出侧无损检测负载电流电路。

背景技术

目前，开关电源中在输出端检测负载电流一般需要增加一个采样电阻，通过检测采样电阻上的电压来感知负载的变化。

图1所示是传统的输出侧检测负载电流的系统示意图。电阻122的负电压一端的电平代表了当前负载的电流值，电阻114的一端和电阻122的一端连接，输出侧芯片110的VCTRL的管脚的检测电压是输出电压Vo和输出负载电流在电阻122上电压的叠加，随着负载电流的增加，电阻122的电压变得越来越负，为了保证VCTRL管脚的电压不变，整个系统环路调节的结果是输出电压随着负载电流的增加而增加。

图1所示输出芯片110的ICTRL的管脚连接到电阻122的负电压端。当输出电流增加到设定的电流时，电流环路起作用限制系统输出电流继续增加从而保证恒定电流的输出。

但是传统的输出侧检测负载电流的系统有以下缺陷，

1、由于需要检测流过电阻122的电流，所以电阻上存在损耗，造成电源效率低；

2、电阻122一般都选择毫欧姆级别的电阻，所以电阻上压降也很低，检测精度不够高；

3、该电路所用元器件较多，电源的成本较高，可靠性低。

因此，需要一种检测电路，可以应用在输出侧没有损耗同时检测精度高，元器件少从而降低电源的生产成本，提高可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种输出侧无损检测负载电流的方法和电路。本发明解决技术问题所采用的技术方案是：通过芯片一个管脚(DET)检测输出侧整流器件一端的信号，提取出输出侧整流器件有电流流过的时间，通过对该时间进行信号处理提取负载电流的信息。该输出侧无损检测负载电流的电路包括整流器件、输出电容和控制器。其中，所述控制器芯片包括：

导通时间检测模块，用于检测给输出端负载提供能量的时间宽度和周期；

占空比转换模块，将检测出来的信号取平均值。

在本发明所述的控制器中，所述控制器芯片进一步包括：

固定脉冲产生电路，导通时间检测模块输出方波，将该方波处理成脉冲宽度不变的信号，该信号表征了当前系统的开关频率，将该信号输入给占空比检测电路，从而得到一个与负载相关的直流电压或者电流信号。

在本发明所述的控制器中，所述控制器芯片进一步包括：

比较模块，用于根据所述检测到的负载情况判断当前的充电状态；

驱动模块，用于将当前的充电状态的判断结果输出到输出端；

显示模块，用于根据所述驱动模块的输出信号显示充电状态。

在本发明所述的控制器中，所述控制器芯片进一步包括：

运放模块，用于根据所述检测到的负载情况改变系统输出电压；

驱动模块，用于根据检测到的负载情况和输出电压控制光耦的电流，从而改变系统的开关频率(PFM)或者脉冲宽度(PWM)。

在本发明所述的控制器中，所述导通时间检测模块包括：

积分电路，通过对DET检测到的信号进行积分；

比较器1，DET信号和VREF1进行比较，从而检测出输出侧整流器电流导通的时刻；

比较器2，DET信号和VREF2进行比较，从而检测出输出侧整流器电流结束的时刻；

比较器3，积分值和VREF3进行比较，从而判断是否允许处理输出侧整流器电流导通的信号；

脉冲发生器1，对比较器1输出的信号进行处理，从而产生输出侧电流开始时刻的脉冲；

脉冲发生器2，对比较器2输出的信号进行处理，从而产生输出侧电流结束时刻的脉冲。

在本发明所述的控制器中，所述占空比转换模块包括：

低通滤波电路，用于将脉冲波转换成直流信号。

在本发明所述的控制器中，所述占空比转换模块进一步包括：

求和电路，用于计算脉冲信号为高电平的时间总和；

D/A转换电路，用于将数字信号转换成模拟信号。

在本发明所述的控制器中，所述运放模块包括：

加法器，用于将表征负载情况的信号和参考电压进行求和，负载电流增加，运放EA的VN端的电压也增加，从而根据负载电流增加输出电压，达到补偿输出线缆电压损失的目的；

EA模块，用于将输出采样的信号与VN端的电压进行比较和放大；

PFM模块，根据EA模块的输出信号产生一脉冲信号，该信号决定输入端功率管的开通时刻。

实施本发明的输出侧无损检测负载电流的电路，可以提高开关电源转换效率，并且电路简单可靠，元器件少。

附图说明

图1为现有检测输出侧负载电流的原理图；

图2为基于本发明的输出侧无损检测负载电流的一个实施例的系统原理图。

图3为基于本发明的输出侧无损检测负载电流的另一个实施例的系统原理图。

图4为基于本发明的输出侧无损检测负载电流原理的另一个实施例的电路原理图。

图5为基于本发明的一个转灯应用原理图。

图6为基于本发明的一个补偿输出线缆电压损失的应用原理图。

图7为系统开关频率、输入级开关峰值电流和检测出的负载电流对应的DC电压值随负载电流的变化曲线。

图8为基于本发明的具体实施方框图。

图9为基于本发明的另一具体实施方框图。

图10为控制器内部的电压节点图

图11为转灯应用图5的内部原理图。

图12为输出线缆电压补偿应用图6的内部原理图。

图13为转灯应用中R端和G端随负载变化的信号图。

图14为转灯应用为降低待机功耗的一个具体实施方框图

图15为转灯应用为降低待机功耗的波形图。

具体实施方式

以下详细描述本发明的具体实施例。实施例的示例在附图中给出。应当注意，这里描述的实例只是用来举例说明，并不用于限制本发明。为了便于透彻理解本发明，阐述了实施的细节。然而，对于本领域一般技术人员显而易见的是，不必采用这些细节也可以实施本发明。在实施例的描述中，为了避免混淆本发明，对本领域众所周知的电路未作具体描述。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”的提及意味着，结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”不一定都指同一个实施例。

图2是基于本发明的的无损输出负载电流检测的系统示意图。与图1所示的传统的检测负载电流的不同之处在于没有采样电阻。电阻126可以集成到芯片内部。控制器200的DET管脚的信号波形反映了变压器内部的电流电压变化情况。控制器200的电源管脚VCC直接连接到系统的输出，也可以通过电阻连接到系统的输出。导通时间检测模块通过对DET的信号处理检测出整流器109上流过电流的时间和周期，占空比转换模块通过对检测出的脉冲信号取平均值，取出的平均值可以用于LED指示灯转灯、线缆电压降补偿等应用。

将输出整流器接在输出侧绕组一端和输出电压一端也可以检测出提供给负载能量的时间，如图3所示。控制器300的DET检测到的信号与图2的DET信号正负电压正好相反，控制器内部需要进行信号转换才能送到导通时间检测模块。

对于脉冲频率调制(PFM)模式，通过采样系统的开关频率也可以产生随负载电流变化的信号，实施方式如图4所示。固定脉冲宽度产生电路用于产生脉冲宽度固定同时频率为系统工作频率的脉冲，该脉冲经过占空比转换模块后输出了和系统工作频率相关的直流信号。

如图5所示为LED指示灯转灯应用的系统原理图。电阻129可以集成到控制器200内。占空比转换模块输出的信号和Bias管脚的电压进行比较，当输出负载电流大时，控制器的R端为低电平，G端为高阻态，LED灯128显示为红灯亮。当输出负载电流小时，控制器的G端为低电平，R端为高阻态，LED灯128显示为绿灯亮。通过调节电阻129可以改变红绿灯的转换负载点。

输出线缆电压补偿的电路实施例如图6所示。控制器200的VSENSE管脚采样输出电压，该采样电压，参考电压VREF和占空比转换模块的输出信号VLOAD进行处理，产生了一个随负载变化的信号，从而使得系统输出电压随负载电流而变化。

如果开关频率随负载的变化如图7所示，那么占空比转换的输出信号在轻载段随负载线性增加，在中间恒频段则是负载电流的开根号曲线，在重载段回到随负载线性增加。

导通时间检测模块的其中一种实现方式如图8所示。积分电路对DET电平高于输出电压的信号进行积分，当积分电压超过VREF3时等待输出侧整流器电流导通信号，此后当DET信号低于VREF1则判断输出侧整流器电流导通，当DET信号高于VREF之后判断为输出侧整流器电流导通结束，然后进入新一个周期的检测。输出侧电流的导通脉冲信号通过低通滤波后转换成直流信号。如图9所示，输出侧电流的导通脉冲信号也可以用数字方法进行高电平求和，然后通过D/A模块转换成模拟信号。

转灯应用的比较电路和驱动电路的一个具体实施方法如图11所示。VLOAD和参考电压4进行比较，当比较器的输出为高电平时通过驱动电路使输出管脚R端为低电平，G端为高阻态。当比较器的输出为低电平时通过驱动电路使输出管脚G断为低电平，R端为高阻态。为了降低空载待机，在空载状态时将绿灯的亮度减弱，其中的一种实施方式如图14，当负载电流小于设置的转灯电流时，在输出侧整流器没有电流的时间段内产生一个固定脉冲宽度的脉冲，当输出侧整流器没有电流的时间比设定的固定脉冲宽度短时，绿灯全程亮，G端全程为低电平，当输出侧整流器没有电流的时间比设定的固定脉冲宽度长时，绿灯只开通固定脉冲时间宽度，G端为低电平的时间宽度只有固定脉冲时间宽度，其余时间为高阻态。

输出线缆电压补偿电路应用中的运放和驱动模块的一个具体实施图如图12所示。输出负载电流信号VLOAD和参考电压VREF5进行求和产生VN电压，该电压随着负载电流的增加而增加，通过反馈电路使得输出电压随负载电流而增加。运放输出的信号经过PFM转化为电流信号驱动光耦，从而改变系统的开关频率。

虽然已经根据上述典型实施例描述了本发明，但是应该理解，所用的术语是说明和示例性的，而不是限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例并不限于任何前面所述的具体细节，而应当在权利要求所限定的精神和范围内广泛地理解。因此，落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都为权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种输出侧无损检测负载电流的电路，其特征在于，所述电路包括：

输出整流器(109)，连接在输出绕组和地之间；

输出电容(121)，连接在输出端口和地之间；

控制器(200)，包括供电端、信号检测端；

其中所述控制器(200)，包括导通时间检测模块(201)，用于检测给输出端负载提供能量的时间宽度和周期；占空比转换模块(202)，将检测出来的信号取平均值。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述输出整流器(109)可以连接在输出绕组和负载之间。控制器(300)包括信号转换模块(301)，用于将检测端的信号进行正负反相，导通时间检测模块(301)和占空比转换模块(302)。

3.根据权利要求1所述电路，其特征在于，所述控制器(200)进一步包括：

固定脉冲宽度产生电路(203)，整流器导通的方波信号输入所述固定脉冲产生电路，固定脉冲宽度产生电路连接到占空比检测电路，由占空比检测电路输出占空比测量值。

4.根据权利要求1所述电路，其特征在于，所述控制器(200)进一步包括：

比较模块(205)，用于根据所述检测到的负载情况判断当前的充电状态；

驱动模块(204)，用于将当前充电状态的判断结果输出到输出端；

显示模块(128)，用于根据所述驱动模块的输出信号显示充电状态。

5.根据权利要求1所述电路，其特征在于，所述控制器(200)进一步包括：

运放模块(207)，用于根据所述检测到的负载情况改变系统输出电压；

驱动模块(206)，用于根据检测到的负载情况和输出电压值控制光耦的电流。

6.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述导通时间检测模块包括：

积分电路，用于对检测端的信号进行积分；

比较器1，用于检测输出侧整流器电流导通的时刻；

比较器2，用于检测输出侧整流器电流关断的时刻；

比较器3，用于判断是否允许处理输出侧整流器电流导通的信号；

脉冲发生器1，用于产生输出侧电流导通开始时刻的脉冲；

脉冲发生器2，用于产生输出侧电流结束时刻的脉冲。

7.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述占空比转换模块包括：

低通滤波电路，用于将脉冲波转换成直流信号。

8.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述占空比转换模块包括：

求和电路，用于计算脉冲信号为高电平的时间总和；

D/A转换电路，用于将数字信号转换成模拟信号。

9.根据权利要求4所述电路，其特征在于，所述运放模块(207)包括：

加法器，用于将表征负载情况的信号和参考电压进行求和，负载电流增加运放EA的VN端的电压也增加，从而根据负载电流增加输出电压；

EA模块，用于将输出采样的信号与VN端的电压进行比较和放大；

PFM模块，根据EA模块的输出信号产生一脉冲信号，该信号决定输入端功率管的开通时刻。

10.根据权利4所述电路，其特征在于，所述驱动电路包括：

固定脉冲产生电路，用于在轻载时减小G端为低电平的时间。