CN101217251B - 一种单周期前馈开关控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单周期前馈开关控制电路，包括跨导放大器，比较器，时钟，RS触发器，积分网络，电压电流转换电路，可控电压阈值模块，非门，和电阻分压网络；在一个开关周期内对开关电路的输出信号进行积分，并产生一个反馈信号代表输出信号在一个开关周期内的平均值。通过一个比较器比较这个反馈信号和参考电压，当反馈信号与参考电压的值相等时，此比较器产生一个开关控制信号调节开关电路的占空比以稳定输出电压。在反馈控制电路中，增加了采样输入电压的前馈通路。该模式下，控制电路采样输出信号的同时也对输入信号进行采样，并依据此采样信号改变开关电路的占空比。本发明能增强开关电源输出的抗扰动性并优化开关电源输出的动态特性。

Description

一种单周期前馈开关控制电路

技术领域

本发明属于集成电路芯片技术，具体涉及一种单周期前馈开关控制电路，该电路应用于开关电源电路和信号处理，特别适用于直流(DC)到直流(DC)的开关变换和调节电路，能增强开关电源输出的抗扰动性和动态特性。

背景技术

开关电源是一种非线性的动态***，采用传统的线性反馈控制方法，在电源***遭到大的参数摄动和非线性情况下难以达到理想的控制效果。采用适当的脉冲非线性控制能优化开关电源的动态特性，减少输入电源和输出负载对开关电源输出的影响。

美国专利U.S.752,068和U.S.5,278,490中描述了一种单周期控制的开关电路，如图1所示。这种开关电路包括一个输入端X(t)11，一个输出端Y(t)12，一个参考电压Vref 13，一个开关14和一个控制电路15。通过对输出端Y(t)12积分产生一个反馈信号19，反馈信号19连入比较器20的正端，比较器20的负端与参考基准信号Vref 13相连。比较器输出信号21送入RS触发器22的R端，时钟电路23产生的时钟信号与RS触发器22的S端相连。时钟电路23产生一系列的时钟脉冲，每一个时钟脉冲将触发器22的输出置“1”，闭合开关14和关断开关18。当积分后的反馈信号19的值与Vref相等时，比较器20输出信号21送入RS触发器22的R端，RS触发器22的Q端输出信号16控制开关14的关断，同时闭合开关18，重置积分电路。因此，开关14一直闭合直到积分信号19的值与Vref的值相等。这种控制使单周期内输出Y(t)12的平均值与Vref的值相等，从而使输出电压不受输入电压的影响。所以采用这种非线性模式控制的开关电源具有很好的抗电源扰动性，并且响应速度比较快。但是这种控制模式在开关电源电路的应用上不能很好的抑制输出负载的扰动对开关电源电路的不利影响。以Buck结构为例，如图2所示接成非线性控制回路，将图1所示控制电路的输入端X(t)11与电源电压VIN相连，输出端Y(t)12与节点28相连，采样节点28的电压，使之在单周期内的平均值与Vref13相等，因为电源电压VIN的扰动能即时反馈为结点28处电压的变化量，所以有效控制电源电压扰动对输出VOUT的影响，但负载R0的扰动不能即时反馈到结点28，通常需要几个周期的时间，因此不能实现负载扰动的单周期控制，不能很好的控制负载R0的扰动对开关电源电路的不利影响。另外，这种单周期非线性控制对于开关电源不同的拓扑结构，在应用过程中对反馈量的积分电路是不一样的，灵活性不高。如在Buck结构的应用中，是对节点28的电压量进行积分；而在Boost结构中，则是对拓扑结构中的电感元件上的电流量进行积分，积分电路结构是不一样的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单周期前馈开关控制电路，该电路可以实现对开关电源的非线性控制，在具有良好的动态特性和抗电源扰动性的同时，很好地抑制了输出负载的扰动对开关电源输出的不利影响，并且该电路灵活性较高，可以广泛应用于开关电源电路不同的拓扑结构。

为了实现上述目的，本发明提供的单周期前馈开关控制电路，包括跨导放大器，比较器，时钟，RS触发器，积分网络，其特征在于：该电路还包括电压电流转换电路，可控电压阈值模块，非门，和电阻分压网络；

电阻分压网络接开关电源的输出，分压后输出电压信号，连到跨导放大器的正端，跨导放大器的负端与参考基准相连；电压电流转换电路的输入端接电源电压，跨导放大器和电压电流转换电路的输出端相连，并连到比较器的正端和积分网络的采样端，积分网络的另一个端口接地；

比较器的负端与可控电压阈值模块的输出端相连；比较器的输出端连入RS触发器的R端，RS触发器的S端与时钟输出相连，RS触发器的Q输出端经过所述非门与积分网络的控制端相接；RS触发器的Q输出端和Q输出端共同输入到可控电压阈值模块中去调节可控电压阈值模块的输出电压信号；RS触发器的Q输出端为整个开关控制电路的输出，控制开关电源电路中开关整流管的闭合和关断。积分网络中包含一个由所述非门输出的信号控制的开关，并并联在积分网络的电容器的两端。

本发明单周期前馈开关控制电路具有以下技术特点：

(1)本发明所提供的控制电路，在开关电源电路应用中，在一周期内直接采样输出电压，将输出电压的变化量通过跨导放大器转化为电流信号，然后同电压前馈的电压电流转换电路的输出电流信号叠加，最后对叠加后的电流信号进行积分，实现单周期非线性控制。

(2)由于该控制电路在一周期内是直接采样输出电压，并将其转换为电流信号，而输出负载的扰动即时反应到采样输出电压的变化量中，所以电流信号即时反馈了负载扰动对电路输出的影响，可以实现对于负载扰动的单周期控制，有较好的抗负载扰动能力。

(3)由于该控制电路采用电压前馈，通过电压电流转换电路采样电源电压信号并将其转换为电流信号，所以该电流信号即时反馈了输入电源电压信号的扰动，可以实现对于电源电压扰动的单周期控制，有较好的抗电源扰动性。

(4)该控制电路针对开关电源不同的拓扑结构的反馈量都是输入电源电压和输出电压转变成电流后的叠加值，所以积分电路是对于电流信号而言的，不需要改变积分电路的结构，灵活性高，可以广泛应用于开关电源电路不同的拓扑结构。

附图说明

图1为美国专利U.S.752,068和U.S.5,278,490中描述电路的结构示意图。

图2为美国专利U.S.752,068和U.S.5,278,490中提出的单周期控制电路在开关电源Buck结构中的应用示意图。

图3为本发明单周期前馈开关控制电路的结构示意图。

图4为本发明单周期前馈开关控制电路在开关电源Buck结构中的应用示意图。

图5为本发明单周期前馈开关控制电路关键节点的时序图。

图6为可控电压阈值模块的内部结构和等效电路图，其中，(1)为内部结构图，(2)和(3)为二种控制条件下的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图3所示，本发明单周期前馈开关控制电路包含以下几个部分：跨导放大器1，电压电流转换电路2，电阻分压网络3，比较器4，可控电压阈值模块5，时钟6，RS触发器7，非门9，积分网络33。

电阻分压网络3由电阻R1和R2串联而成，采样开关电源的输出电压VOUT。开关电源的输出电压VOUT经过电阻R1和R2的分压，输出电压信号VFB，连到跨导放大器1的正端，跨导放大器1的负端与参考基准VREF相连。电压电流转换电路2采样电源电压VIN，输出电流信号i2(t)，与跨导放大器1的输出电流信号i1(t)叠加后生成电流信号i3(t)，接入积分网络33，对时间积分后的电压信号35接入比较器4的正端，比较器4的负端与可控电压阈值模块5的输出电压信号36相连。比较器4的输出连入RS触发器7的R端，RS触发器7的S端与时钟6的输出相连，RS触发器7的输出K(t)经过一个非门9控制开关K1的闭合和关断，RS触发器7的输出K(t)和G(t)共同输入到可控电压阈值模块5中去调节可控电压阈值模块5的输出电压信号36。RS触发器7的输出K(t)为整个开关控制电路的输出，控制开关电源电路中开关整流管的闭合和关断，从而控制开关电源电路的占空比，最终控制输出VOUT。开关K1与电容C2并联，组成控制电路的积分网络33，开关K1的关断与闭合控制电容C2的导通与短路。

按照这种控制模式，电阻分压网络3的输出VFB与参考基准VREF比较后产生的误差信号i1(t)与电压电流转换电路2的输出信号i2(t)叠加后经积分网络33对时间积分产生的一个反馈电压信号35表征开关电源电路的输出信号VOUT在一个周期内的平均值。将这个平均值与可控电压阈值模块4的输出电压信号36比较，当反馈电压信号35达到可控电压阈值模块4提供的电压阈值即电压信号36时，通过RS触发器7的输出使开关电源电路中开关整流管关断，输出VOUT降低，并使开关K1闭合，清零电容C2所存储的电荷，重置积分网络33。时钟电路6产生一系列的时钟脉冲，每一个时钟脉冲的上升沿将RS触发器7的输出K(t)置“1”，闭合开关电源电路中的开关整流管并关断开关K1。因此，开关电源电路中的开关整流管一直闭合，直到积分得到的电压信号35的值与可控电压阈值模块4提供的电压阈值即电压信号36的值相等。

图4为本发明单周期前馈开关控制电路在开关电源Buck结构中的应用。外部的开关整流管由开关K0表示，和电感L0，电容C0，续流二级管D0以及电源电压VIN构成开关电源Buck结构。单周期前馈开关控制电路的输出K(t)控制开关K0的闭合和关断。

如图5所示为关键节点的时序图。反馈控制电路31的输出信号K(t)控制开关K0，开关K1的闭合和关断。开关的一个周期被定义为Ts。在一个周期中，开关闭合的时间为T_ON，开关关断的时间为T_OFF，开关的一个周期Ts等于开关闭合的时间加上T_ON开关关断的时间T_OFF。任一个周期中，T_ON与T之比定义为开关占空比。K(t)有“0”和“1”两种状态。“0”状态使开关关断，“1”状态使开关闭合。K(t)的两种状态控制开关K0的关断和闭合从而控制开关占空比，最终调制开关电源电路的输出VOUT。在这种控制模式下，开关电源的输出电压VOUT经过电阻分压网络3得到的反馈电压信号VFB在一个周期内的平均值与参考基准VREF相等。

为了控制单周期内开关电源输出的平均值，反馈控制电路31对输出信号VOUT采样并转化为电流信号进行积分，同时，为了抑制电源电压的干扰，反馈控制电路31还采样了电源信号VIN并转化为电流信号进行积分。具体的实现方式如下：时钟6产生一系列的时钟脉冲，每一个时钟脉冲P0，P1，P2将RS触发器7的输出K(t)置“1”，闭合开关K0并关断开关K1。跨导放大器1采样基准信号VREF与输出信号VOUT经电阻分压网络3得到的信号VFB之间的误差，并将其放大，输出电流信号i1(t)，放大倍数定义为跨导。电压电流转换电路2采样输入电源信号VIN并将其转换为电流信号i2(t)，转换系数为1/RX。i1(t)与i2(t)叠加后的电流信号送入积分网络33进行积分，积分后得到电压信号35，电压信号35输入到比较器4的正端与输入到负端的可控电压阈值模块5的输出电压信号36进行比较。当电压信号35的值与电压信号36的值相等时，比较器4输出信号跳变为1并送入RS触发器7的R端，RS触发器7的输出信号K(t)跳变为0，关断开关K0，同时闭合开关K1，重置积分电路。如图4所示，比较器4输出的脉冲信号e0，e1将RS触发器7的输出K(t)触发为“0”状态，关断开关K0并闭合开关K1。

如图5(1)所示，可控电压阈值模块5的内部电路结构为：电阻R3、R4串联后与开关K3并联，再与开关K2串接，开关K2的另一端接电源电压(VIN)，开关K3与电阻R4的连接点接地，电阻R5的一端接在电阻R3、R4之间，另一端与电容C3串联后接地。K(t)和G(t)为RS触发器7的输出信号，分别连到RS触发器7的Q输出端和Q输出端，输入到可控电压阈值模块5中，控制开关K2和开关K3的闭合和关断。当积分网络33对电流叠加信号进行积分时，开关K2闭合，开关K3关断，电源信号VIN按照图5(2)所示对电容C3充电。当积分网络33输出电压信号35经比较器4输出使RS触发器7清零时，K(t)等于“0”，G(t)等于“1”，关断开关K2，闭合开关K3，电压信号36按照图5(3)所示放电。依照上述描述，一个周期Ts内，可控电压阈值模块5内部的充放电回路在T_ON时间内工作在充电状态，在T_OFF时间内工作在放电状态。输出电压信号36稳态时的值近似为k_x*VIN*D，k_x为可控电压阈值模块5的可控因子，由可控电压阈值模块5的电路结构确定。选择电阻R5、电容C3的值使可控电压阈值模块4内部充放电回路的充放电时间常数远大于开关周期Ts。

参照上述分析，当积分后的电压信号35的值与可控电压阈值模块所输出电压信号36的值相等时，可以得到：

$\underset{0}{\overset{{\mathrm{DT}}_S}{\∫}}\frac{i\left(t\right)}{C2}\mathrm{dt}=K_X\·\mathrm{VIN}\·D$

又i(t)＝i1(t)+i2(t)

则 $\frac{\mathrm{VIN}}{\mathrm{RX}}\·\frac{D}{C2}+\frac{g_m(V_{\mathrm{FB}}-V_{\mathrm{REF}})\·D}{C2}=\frac{K_X\·\mathrm{VIN}\·D}{T_S}$

$\frac{g_m}{C2}(V_{\mathrm{FB}}-V_{\mathrm{REF}})=(\frac{K_X}{T_S}-\frac{1}{\mathrm{RX}\·C2})\mathrm{VIN}$

当我们设计电压电流转换电路2的参数RX与用于积分的电容C2，使之满足

T_s＝K_X·RX·C2

那么可以得到V_FB＝V_REF，从而有效调控开关电源输出电压VOUT。

时钟电路5产生一系列固定频率的时钟脉冲，在图4中被定义为p0，p1，和p2。每一个时钟脉冲将RS触发器7置位并输出信号K(t)为“1”，闭合功率开关K0，同时使积分网络33开始积分。比较器4的输出脉冲，在图4中被定义为e0和e1脉冲。每一个输出脉冲使RS触发器7清零，输出信号K(t)变为“0”，关断功率开关K0，同时重置积分网络33。从而实现单周期控制。

按照本发明所述反馈控制，单周期内开关电源输出VOUT的分压VFB与参考基准源相等。本发明所提出的单周期前馈控制开关电源能大幅度增强开关电源输出的抗扰动性和动态特性，对于不同结构的功率级变换电路，本发明提出的反馈控制电路均适用。

虽然本发明经具体实施例作为例示加以说明，但是应该明确的是，本发明并不限于此处所公开的实施例，也不能被认为是对本发明权利要求的限制。如果其他人员依据本发明做出了非实质性的改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种单周期前馈开关控制电路，包括跨导放大器(1)，比较器(4)，时钟(6)，RS触发器(7)，积分网络(33)，其特征在于：该电路还包括电压电流转换电路(2)，可控电压阈值模块(5)，非门(9)，和电阻分压网络(3)；

电阻分压网络(3)接开关电源的输出(VOUT)，分压后输出电压信号(VFB)，连到跨导放大器(1)的正端，跨导放大器(1)的负端与参考基准(VREF)相连；电压电流转换电路(2)的输入端接电源电压(VIN)，跨导放大器(1)和电压电流转换电路(2)的输出端相连，并连到比较器(4)的正端和积分网络(33)的采样端，积分网络(33)的另一个端口接地；

比较器(4)的负端与可控电压阈值模块(5)的输出端相连；比较器(4)的输出端连入RS触发器(7)的R端，RS触发器(7)的S端与时钟(6)输出相连，RS触发器(7)的Q输出端经过所述非门(9)与积分网络(33)的控制端相接；RS触发器(7)的Q输出端和Q输出端共同输入到可控电压阈值模块(5)中去调节可控电压阈值模块(5)输出电压信号；RS触发器(7)的Q输出端为整个开关控制电路的输出，控制开关电源电路中开关整流管的闭合或关断；积分网络中包含一个由所述非门(9)输出的信号控制的开关，并并联在积分网络的电容器的两端。

2.根据权利要求1所述的单周期前馈开关控制电路，其特征在于：可控电压阈值模块(5)的结构为：

电阻R3、R4串联后与开关K3并联，再与开关K2串接，开关K3的另一端接地，开关K2的另一端接电源电压(VIN)，电阻R5的一端接在电阻R3、R4之间，另一端与电容C3串联后接地；

开关K2、K3的控制端分别接RS触发器(7)的Q输出端和Q输出端，分别控制开关K2和K3的闭合或关断。

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