恒流控制电路与开关电源

技术领域

本发明涉及电路控制技术领域，尤其涉及一种恒流控制电路与开关电源。

背景技术

恒流控制技术是一种在电路中的负载发生变化时，控制电流仍然能够维持恒定的技术。通过反馈回路检测电流的变化，并通过控制元件来调整电压或电阻，以使电流恢复到设定的恒定值。在电源供应、LED驱动、电动车充电等电子技术领域都有广泛的应用。

目前的恒流控制方法主要可以分为buck降压，boost升压，buckboost升降压等，不同的使用场景适用于不同的电路拓扑；还可按照控制对象不同分为电流控制和电压控制，其中电流可以为峰值电流或平均电流。传统控制方法由于只检测电感电流，电路响应较慢，难以对负载的电压波动以及内部的扰动做出快速的反应。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种恒流控制电路与开关电源，旨在解决现有技术中电路响应较慢，对负载电压的波动难以及时做出反应的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种恒流控制电路，包括：电流采集模块、电压采集模块和控制模块；所述控制模块的输入端与所述电流采集模块以及所述电压采集模块连接，所述控制模块的输出端与开关电路连接，所述开关电路还分别与所述电流采集模块以及所述电压采集模块连接；

所述电流采集模块，用于采集所述开关电路的采集电流信号，根据所述采集电流信号产生第一控制信号，并将所述第一控制信号传输至所述控制模块；

所述电压采集模块，用于采集所述开关电路的采集电压信号，根据所述采集电压信号产生第二控制信号，并将所述第二控制信号传输至所述控制模块；

所述控制模块，用于根据所述第一控制信号以及所述第二控制信号，产生数字控制信号，并将所述数字控制信号传输至所述开关电路。

可选地，所述电流采集模块包括：第一运算放大器、第一电阻、第一电容和第一开关单元；

所述第一运算放大器的第一输入端同时与所述开关电路以及所述第一电阻连接，所述第一电阻的另一端接地，所述第一运算放大器的第二输入端接地，所述第一运算放大器的输出端同时与所述控制模块的输入端、所述第一电容以及所述第一开关单元的输入端连接，所述第一电容的另一端接地，所述第一开关单元的控制端与所述控制模块的输出端连接，所述第一开关单元的输出端接地。

可选地，所述电压采集模块包括：第二运算放大器、第二电阻、第二电容和第二开关单元；

所述第二运算放大器的第一输入端与所述开关电路连接，所述第一电阻的另一端接地，所述第二运算放大器的第二输入端接地，所述第二运算放大器的输出端与所述第二开关单元的输入端连接，所述第二开关单元的控制端与所述控制模块的输出端连接，所述第二开关单元的输出端同时与所述第二电阻、所第二电容以及所述控制模块的输入端连接，所述第二电阻的另一端接地，所述第二电容的另一端接地。

可选地，所述控制模块包括：比较器和SR锁存器；

所述比较器的第一输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述比较器的第二输入端与所述第二开关单元的输出端连接，所述比较器的输出端与所述SR锁存器的第一输入端连接，所述SR锁存器的第一输出端同时与所述第二开关单元以及所述开关电路连接，所述SR锁存器的第二输出端与所述第一开关单元连接。

可选地，所述控制模块还包括：时钟单元和驱动单元；

所述时钟单元与所述SR锁存器的第二输入端连接，所述驱动单元的输入端与所述SR锁存器的第一输出端连接，所述驱动单元的输出端与所述开关电路连接；

所述时钟单元，用于为所述SR锁存器提供时钟信号；

所述驱动单元，用于基于所述SR锁存器输出的数字控制信号驱动所述开关电路。

可选地，所述电压采集模块还包括：数字滤波器；

所述数字滤波器的第一输入端接收预设电压信号，所述数字滤波器的第二输入端与所述开关电路连接，所述数字滤波器的输出端与所述第二运算放大器的第一输入端连接；

所述数字滤波器，用于对所述采集电压信号进行滤波处理，并将滤波处理后的采集电压信号传输至所述电压采集模块。

可选地，所述数字滤波器包括：差分ADC、计数器和DAC；

所述差分ADC的第一输入端接收所述预设电压信号，所述差分ADC的第二输入端与所述开关电路连接，所述差分ADC的输出端与所述计数器的输入端连接，所述计数器的输出端与所述DAC的输入端连接，所述DAC的输出端与所述第二运算放大器的第一输入端连接。

可选地，所述恒流控制电路还包括：分压模块；

所述分压模块的输入端与所述开关电路连接，所述分压模块的输出端与所述差分ADC的第二输入端连接；

所述分压模块，用于调节所述电压采集模块采集到的所述采集电压信号的电压值。

此外，为实现上述目的，本发明还提供了一种开关电源，所述开关电源包括：开关电路和上述的恒流控制电路。

可选地，所述开关电路包括：第一电感、第一二极管、第三电容和第三开关单元；

所述第一二极管的阴极同时与外部电源以及所述第三电容连接，所述第三电容的另一端与所述第一电感连接，所述第一电感的另一端同时与所述第一二极管的阳极以及所述第三开关单元的输入端连接，所述第三开关单元的控制端与所述控制模块的输出端连接，所述第三开关单元的输出端与所述电流采集模块连接。

本发明技术方案通过提出一种恒流控制电路与开关电源。所述恒流控制电路包括电流采集模块、电压采集模块和控制模块；控制模块的输入端与电流采集模块以及电压采集模块连接，控制模块的输出端与开关电路连接，开关电路还分别与电流采集模块以及电压采集模块连接。电流采集模块采集开关电路的采集电流信号，根据采集电流信号产生第一控制信号，并将第一控制信号传输至控制模块；电压采集模块采集开关电路的采集电压信号，根据采集电压信号产生第二控制信号，并将第二控制信号传输至控制模块；控制模块根据第一控制信号及第二控制信号，产生数字控制信号，并将数字控制信号传输至开关电路。通过采样控制开关导通阶段电感电流以及导通阶段输出电压，可以在提高响应速度以及恒流精度的同时保证高的转换效率。并加入数字滤波器，消除输入端电压的高频影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明恒流控制电路第一实施例的功能模块图；

图2为现有技术中传统控制电路的电路结构图；

图3为本发明恒流控制电路第二实施例的电路结构图；

图4为本发明恒流控制电路第三实施例的电路结构图；

图5为本发明恒流控制电路第三实施例中数字滤波器的结构图；

图6为本发明提出的开关电源的电路结构图；

图7为本发明提出的开关电源的信号波形图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1，图1为本发明恒流控制电路第一实施例的功能模块图。本发明提出恒流控制电路的第一实施例。

在本实施例中，所述恒流控制电路包括：电流采集模块10、电压采集模块20和控制模块30；所述控制模块30的输入端与所述电流采集模块10以及所述电压采集模块20连接，所述控制模块30的输出端与开关电路40连接，所述开关电路40还分别与所述电流采集模块10以及所述电压采集模块20连接。

需要说明的是，所述开关电路40可以是通过控制输入占空比可变的脉宽调制波(Pulse Width Modulation，PWM)控制开关管的导通状态将输入的电源电压进行调节转换，对输出电压进行控制的电路。所述开关电路40可以包括：降压电路、升压电路和升降压电路等电路拓扑结构。

在具体实施中，所述电流采集模块10采集所述开关电路40的采集电流信号，根据所述采集电流信号产生第一控制信号，并将所述第一控制信号传输至所述控制模块30。所述电压采集模块20采集所述开关电路40的采集电压信号，根据所述采集电压信号产生第二控制信号，并将所述第二控制信号传输至所述控制模块30。所述控制模块30根据所述第一控制信号以及所述第二控制信号，产生数字控制信号，并将所述数字控制信号传输至所述开关电路。

需要说明的是，所述采集电流信号可以是包含所述开关电路40工作状态的电流信号，所述采集电压信号可以是包含所述开关电路40工作状态的电压信号。所述第一控制信号是所述电流采集模块10根据采集到的所述采集电流信号对所述开关电路40的电流信息进行处理后产生的控制信号；所述第二控制信号是所述电压采集模块20根据采集到的所述采集电压信号对所述开关电路40的电压信息进行处理后产生的控制信号，所第一控制信号和所述第二控制信号可以是电压信号也可以是电流信号，在本实施中不做限制。

进一步地，所述数字控制信号可以是用于控制所述开关电路40的由高低电平构成的数字信号。所述控制模块30接收所述第一控制信号和所述第二控制信号，对所述第一控制信号和所述第二控制信号的大小进行比较，产生所述数字控制信号并传输到所述开关电路。

应当理解的是，当所述控制模块30接收到的所述第一控制信号大于所述第二控制信号时，输出的所述数字控制信号为高电平信号，进而控制所述开关电路中的采集电流信号减小。当所述控制模块30接收到的所述第一控制信号小于所述第二控制信号时，输出的所述数字控制信号为低电平信号，进而控制所述开关电路中的采集电流信号增大。

需要说明的是，参照图2，图2为现有技术中传统控制电路的电路结构图。现有技术中传统控制电路，控制电路采集开关电路中的电流，在开关周期中，如果峰值电流超过了预定值，会控制开关电路中的开关管断开，并在定时器设置的固定时间后再打开，通过控制峰值电流的方式控制平均电流。电路相应速度慢且精度较低。

在本实施例中，通过所述电流采集模块10采集开关电路40的采集电流信号，并根据所述采集电流信号产生第一控制信号，并将所述第一控制信号传输至所述控制模块30；所述电压采集模块20采集开关电路40的采集电压信号，根据所述采集电压信号产生第二控制信号，并将所述第二控制信号传输至控制模块30；所控制模块30根据第一控制信号及第二控制信号的大小，产生数字控制信号，并将所述数字控制信号传输至开关电路40。通过采样电流电压实现开关电路的双环控制，可以在提高响应速度以及恒流精度的同时保证高的转换效率。

参照图3，图3为本发明恒流控制电路第二实施例的电路结构图。基于上述恒流控制电路的第一实施例提出本发明恒流控制电路的第二实施例。

在本实施例中，所述电流采集模块10包括：第一运算放大器OTA1、第一电阻R1、第一电容C1和第一开关单元SW1；所述第一运算放大器OTA1的第一输入端同时与所述开关电路40以及所述第一电阻R1连接，所述第一电阻R1的另一端接地，所述第一运算放大器OTA1的第二输入端接地，所述第一运算放大器OTA1的输出端同时与所述控制模块30的输入端、所述第一电容C1以及所述第一开关单元SW1的输入端连接，所述第一电容C1的另一端接地，所述第一开关单元SW1的控制端与所述控制模块30的输出端连接，所述第一开关单元SW1的输出端接地。

需要说明的是，所述第一电阻R1为采样电阻，对所述采集电流信号进行采样并输入到所述第一运算放大器OTA1的同相输入端。所述第一运算放大器OTA1可以选用跨导运算放大器。跨导运算放大器可以是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，即一种电压控制的电流源。可以通过公式计算出所述第一运算放大器OTA1的输出电流值：

I

其中，g

进一步地，所述第一开关单元SW1受到所述控制模块30输出的所述数字控制信号的控制，在所述数字控制信号为高电平时，所述第一开关单元SW1断开，所述第一电容C1充电，在所述数字控制信号为低电平时，所述第一开关单元SW1闭合，所述第一电容C1放电到0。可以通过公式计算出所述第一电容C1充电时的电压值：

其中，V

进一步地，所述电压采集模块20包括：第二运算放大器OTA2、第二电阻R2、第二电容C2和第二开关单元SW2；所述第二运算放大器OTA2的第一输入端与所述开关电路40连接，所述第一电阻R1的另一端接地，所述第二运算放大器OTA2的第二输入端接地，所述第二运算放大器OTA2的输出端与所述第二开关单元SW2的输入端连接，所述第二开关单元SW2的控制端与所述控制模块30的输出端连接，所述第二开关单元SW2的输出端同时与所述第二电阻R2、所第二电容C2以及所述控制模块30的输入端连接，所述第二电阻R2的另一端接地，所述第二电容C2的另一端接地。

需要说明的是，所述第二运算放大器OTA2可以是跨导运算放大器。所述第二运算放大器OTA2输出的电流信号受所述第二开关单元SW2的控制对所述第二电容C2进行充电。

应当理解的是，所述第二开关单元SW2受到所述控制模块30输出的所述数字控制信号的控制，在所述数字控制信号为高电平时，所述第二开关单元SW2导通，所述第二电容C2充电，在所述数字控制信号为低电平时，所述第二开关单元SW2闭合，所述第二电容C2放电到0。

进一步地，所述控制模块30包括：比较器A1和SR锁存器；所述比较器A1的第一输入端与所述第一运算放大器OTA1的输出端连接，所述比较器A1的第二输入端与所述第二开关单元SW2的输出端连接，所述比较器A1的输出端与所述SR锁存器的第一输入端连接，所述SR锁存器的第一输出端同时与所述第二开关单元SW2以及所述开关电路40连接，所述SR锁存器的第二输出端与所述第一开关单元SW1连接。

需要说明的是，所述比较器A1在同相输入端接收到的电压信号高于反向输入端的电压信号时，输出端输出高电平，在所述反向输入端的电压信号高于同相输入端的电压信号时，输出端输出低电平。同相输入端即上述第一输入端，反相输入端即上述第二输入端。

应当理解的是，所述第一控制信号和所述第二控制信号均为电压信号，在所述第一控制信号高于所述第二控制信号时，所述比较器输出高电平，在所述第一控制信号低于所述第二控制信号时，所述比较器输出低电平。

需要说明的是，所述SR锁存器的输入端在接收到的信号均为低电平时，输出端保持上一时刻的输出信号，输入端S输入高电平，输入端R输入低电平，同相输出端输出高电平，反相输出端输出低电平，输入端S输入低电平，输入端R输入高电平，同相输出端输出低电平，反相输出端输出高电平，当两个输入端接收到的信号均为高电平时，两个输出端均输出低电平。

应当理解的是，上述SR锁存器的第一输入端为输入端R，第二输入端为输入端S，第一输出端为同相输出端，第二输出端为反相输出端。在所述比较器A1输出高电平至所述SR锁存器的第一输入端时，所述SR锁存器的第一输出端输出为低电平，第二输出端输出为高电平。

在第二实施例中，通过所述第一运算放大器OTA1、第一电阻R1、第一电容C1和第一开关单元SW1构成的所述电流采集模块10；所述第二运算放大器OTA2、第二电阻R2、第二电容2和第二开关单元SW2构成的所述电压采集模块20。将所述采集电流信号和所采集电压信号转换成所述第一控制信号以及所述第二控制信号，所述第一控制信号和所述第二控制信号均为电压信号。通过所述控制模块30的数字控制电压对所述第一开关单元SW1和所述第二开关单元SW2进行控制，控制电流与电压的采集环只在需要的时间工作，可以降低采集网络的能量损耗，进而提高电路的效率以及精度。

参照图4，图4为本发明恒流控制电路第三实施例的电路结构图。基于上述恒流控制电路的实施例提出本发明恒流控制电路的第三实施例。

在本实施例中，所述控制模块还包括：时钟单元301和驱动单元302；所述时钟单元301与所述SR锁存器的第二输入端连接，所述驱动单元302的输入端与所述SR锁存器的第一输出端连接，所述驱动单元302的输出端与所述开关电路40连接。

需要说明的是，所述时钟单元301，可以为所述SR锁存器提供时钟信号；所述驱动单元302，可以基于所述SR锁存器输出的数字控制信号驱动所述开关电路。

应当理解的是，所述时钟单元301可以是固定频率的振荡器，产生的时钟信号以固定的周期进行振荡。并将所述时钟信号传输至所述SR锁存器的第一输入端。所述驱动单元302对上述数字控制信号进行处理，将所述数字控制信号从高低电平信号处理成能够驱动控制所述开关电路40的电压信号。

进一步地，所述电压采集模块20包括：数字滤波器201。所述数字滤波器201的第一输入端接收预设电压信号，所述数字滤波器的第二输入端与所述开关电路40连接，所述数字滤波器的输出端与所述第二运算放大器OTA2的第一输入端连接。

参照图5，图5为本发明恒流控制电路第三实施例中数字滤波器的结构图。

需要说明的是，所述数字滤波器201可以对所述采集电压信号进行滤波处理，并将滤波处理后的采集电压信号传输至所述电压采集模块20。所述预设电压信号，可以是预先设置的检测所述开关电路的采集电压信号大小是否需要调整的信号。

进一步地，所述数字滤波器包括：差分ADC、计数器和DAC；所述差分ADC的第一输入端接收所述预设电压信号，所述差分ADC的第二输入端与所述开关电路40连接，所述差分ADC的输出端与所述计数器的输入端连接，所述计数器的输出端与所述DAC的输入端连接，所述DAC的输出端与所述第二运算放大器OTA2的第一输入端连接。

需要说明的是，所述差分ADC可以用于计算所述预设电压信号和所述采集电压信号的差值，并将差值转换成数据码流，通过所述计数器对所述数据码流进行计数，并通过所述DAC转换成电压值，再将转换后的电压值传输至所述电压采集模块20，实现对所述采集电压信号中高频干扰的过滤效果。

进一步地，所述恒流控制电路还包括：分压模块50；所述分压模块50的输入端与所述开关电路40连接，所述分压模块50的输出端与所述差分ADC的第二输入端连接；

需要说明的是，分压模块可以调节所述电压采集模块采集到的所述采集电压信号的电压值。所述分压模块可以采用电阻串联的分压网络构成。

在本实施例中，通过时钟单元301和驱动单元302实现对所述控制模块30中SR锁存器周期性输出所述数字控制信号，实现对所述开关电路40常规工作流程的控制效果，通过所述差分ADC、所述计数器和所述DAC构成的所述数字滤波器201以及所述分压模块50对所述采集电压信号进行滤波处理和分压设置，消除高频干扰的影响，同时可以提高采样的精度。

此外，本发明实施例还提出一种开关电源，所述开关电源包括了开关电路和上述的恒流控制电路。参照图6和图7，图6为本发明提出的开关电源的电路结构图，图7为本发明提出的开关电源的信号波形图。

在本实施例中，所述开关电路包括：第一电感L1、第一二极管D1、第三电容C3和第三开关单元Q1；所述第一二极管D1的阴极同时与外部电源以及所述第三电容C3连接，所述第三电容C3的另一端与所述第一电感L1连接，所述第一电感L1的另一端同时与所述第一二极管D1的阳极以及所述第三开关单元Q1的输入端连接，所述第三开关单元Q1的控制端与所述控制模块30的输出端连接，所述第三开关单元Q1的输出端与所述电流采集模块10连接。

需要说明的是，所述电流采集模块20采集到的所述采集电流信号可以是所述第三开关单元输出端的电流。可以通过公式计算所述采集电流信号：

其中，I

需要说明的是，所述数字控制信号为高电平时，所述第一电容充电，结合上述第一运算放大器OTA1的输出电流，可以得出所述第一控制信号的电压值公式：

需要说明的是，所述电压采集模块20采集到的所述采集电压信号可以是外部输入电压，外部输入电压经过所述分压模块50处理后传输至所述数字滤波器201滤波处理，将滤波处理后的电压信号传输至所述电压采集模块20。可以使用公式计算传输至所述第二运算放大器OTA2第一输入端的电压信号：

V

其中，V

所述第二运算放大器OTA2输出的电流为：

I

其中，I

需要说明的是，所述第二电容充满电需要时间，当该时间比所述第三开关单元的开关周期(时钟单元时钟信号的周期)大很多时，那么所述第二电容C2两端的电压上叠加的纹波可以忽略，此时输入到所述比较器A1第二输入端的所述第二控制信号的电压值为：

其中，V

需要说明的是，所述比较器A1在所述第一控制信号高于所述第二控制信号时，所述比较器A1输出端输出高电平，所述SR锁存器输出的数字控制信号为低电平，控制所述第三开关单元断开。在所述第一控制信号低于所述第二控制信号时，所述比较器A1输出端输出低电平，所述SR锁存器输出的数字控制信号为高电平，控制所述第三开关单元导通。所述第三开关单元导通和关断的条件为所述第一控制信号的电压值等于所述第二控制信号的电压值，根据上述公式可以计算出平均电感电流的数值：

需要说明的是，当所述开关电源的负载不变时，可以将上述平均电感电流的数值视为处理后的平均采样电流的参考值，并将所述第一控制信号的数值设置为该参考值。

在本实施例中，通过对所述第一控制信号和所述第二控制信号进行采样与设置，使得开关电路40的所述第三开关单元Q1能够在电感电流下降时导通，在电感电流上升时关断，从而可以快速地对电感电流波动做出反应，进而实现对所述开关电源的恒流控制，并能够抑制高频干扰的影响，同时只在所述第三开关单元导通时进行采样，降低在采样网络中的能量损耗，提高电路的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。