CN101534046B - 用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，包括第一阶段RC滤波器，用于滤除所述驱动管启动时所产成的启动脉冲；第二阶段RC滤波器，用于将从所述取样电阻所获取的取样电压输入至所述比较器以与所述比较器的参考电压进行比较，进而去控制所述开关型电源转换***的驱动管的通断；前沿消隐控制器，用于控制所述第一阶段RC滤波器和第二阶段RC滤波器在不同的时间段工作。本发明提供的用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，既可以滤除驱动管开启时不希望看见的电压脉冲，同时对于电压脉冲后的电压信号又可以几乎没有延迟地传送。

Description

用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器

技术领域

本发明涉及一种前沿消隐滤波器，特别涉及一种用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器。

背景技术

在开关型电源***(SMPS，即Switching Mode Power supply)中，AC-DC转换***是很重要的一类，而电流输出控制能力是AC-DC转换***的一个极其重要的指标，因此，AC-DC转换***常设置一初级电感的最大电流控制器，用于控制输出的最大电流。而离线式单边稳压控制***因其需要的***器件少(尤其是需要的电感少)、控制回路简单、体积小、及便于携带等特点，被广泛应用在电池充电器控制***中。

请参阅图1，其为现有的离线式单边稳压控制***的初级电感最大电流控制器示意图，当驱动管Q1导通时，流经初级电感的电流经驱动管Q1后，在取样电阻Rsense上形成电压信号Vsense，被输入至比较器OpAmp，与预设的阈值电压Vref进行比较，当Vsense＞Vref，CC_ctrl输出”H”信号，说明此时，初级电感的电流已经达到允许的最大值，控制***于是关断驱动管Q1等待下一次开启。所述驱动管Q1可根据不同的实际***，采用IGBT、NMOS、或NPN管等。

***设计时，为降低在取样电阻Rsense上的能源损耗，预设的阈值电压Vref都比较小，然而由于驱动管Q1在开启瞬间输出一个瞬态大电流，然后再恢复为正常电流，由此在取样电阻Rsense上会产生一个瞬态电压脉冲(Voltage Glitch)，如果这个电压脉冲(Voltage Glitch)超过预设的阈值电压Vref，就会导致驱动管Q1误关断。为避免此种情形的发生，在比较器OpAmp与取样电阻Rsense之间又增加了一阶段前沿消隐(Lead-edge Blanking)器，请参阅图2，一阶段前沿消隐器由电阻R1和电容C1组成，如果驱动管Q1采用的是NMOS管，那么RC常数的典型值一般约为200ns，若驱动管Q1采用的是NPN管，那么RC常数常见的典型值约为500ns。

但是这种前沿消隐(Lead-edge Blanking)器还是存在一个很大的问题：即在滤除瞬态电压脉冲的同时，使取样电压也产生了延迟(Delay)，导致最终测得的取样电压VCS(即图中A点的电压VA)高于预设的阈值电压Vref；同时，由于集成电路制造工艺存在一定偏差，设计的RC滤波器时间常数随工艺波动而变化，而外部应用环境不同会导致取样电压VCS上升速率不同，这两大因素同时作用导致取样电压VCS与预设的阈值电压Vref偏差可能达到20％甚至30％以上，这对***控制是极为不利的。

以驱动管Q1是NPN管为例，若RC常数为500ns，阈值电压Vref＝0.5V，典型取样电压VCS上升速率为0.25V/us，则如图3a所示，最后测得的取样电压VCS＝0.628V，比阈值电压大25.6％；如果VCS上升速率增大为0.4V/us，而这时由于工艺偏差，导致RC常数增大30％到650ns，则如图3b所示，最后测得的取样电压VCS＝0.753V，比阈值电压大50.6％；如果VCS上升速率降低为0.15V/us，而这时由于工艺偏差，导致RC常数减小30％到350ns，则如图3c所示，测得的取样电压VCS＝0.554V，比阈值电压大10.8％。如此，当以VCS上升速率为0.25V/us作为典型值设计***时，在不考虑其它参数的影响时，仅由于工艺偏差及应用环境不同就会导致***的偏差达到+25％～-14.8％。

因此，需要对现有开关型电源转换***中的滤波电路进行改进，使其既可以滤除驱动管Q1开启时所产生的电压脉冲(Voltage Glitch)，同时又能将取样信号几乎没有延迟的传送至比较器。

发明内容

本发明的所要解决的技术方案是提供一种用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器。

为解决上述技术方案，本发明提供一种用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，其中，所述开关型电源转换***包括与驱动管串联的取样电阻、比较器、及输出外驱动信号的输出单元，所述用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器包括：第一阶段RC滤波器，连接在所述取样电阻两端，用于在所述驱动管启动后的第一时间段内工作，以滤除所述驱动管启动时所产成的启动脉冲；第二阶段RC滤波器，连接在所述取样电阻两端，其输出端与所述比较器一输入端相连接，用于在所述驱动管启动后的第二时间段内工作，以将从所述取样电阻所获取的取样电压输入至所述比较器以与所述比较器的参考电压进行比较，进而去控制所述开关型电源转换***的驱动管的通断，其中，所述第一阶段RC滤波器的RC常数大于所述第二阶段RC滤波器的RC常数至少2个数量级；前沿消隐控制器，用于根据所述前级驱动信号控制所述第一阶段RC滤波器和第二阶段RC滤波器在不同的时间阶段工作。

较佳地，所述第一阶段RC滤波器包括第一电阻及第一电容，所述第二阶段RC滤波器包括第一电阻、第二电阻、与所述第二电阻串联的第一传输门、及所述第一电容，且所述第二电阻和第一传输门并联在所述第一电阻两端，所述第一传输门受所述前沿消隐控制器控制。

较佳地，所述第一阶段RC滤波器包括串联的第三电阻、第四电阻及第二电容，所述第二阶段RC滤波器包括串联的第四电阻及第二电容、及并联在所述第三电阻两端的第二传输门，所述第二传输门受所述前沿消隐控制器控制。

较佳地，所述第一阶段RC滤波器由第五电阻、及第三电容串联形成，所述第二阶段RC滤波器包括第五电阻、第三电容及并联在所述第五电阻两端的第三传输门，且所述第三传输门受所述前沿消隐控制器控制。

较佳地，所述第一阶段RC滤波器包括第六电阻、第四电容、与所述第六电阻串联的第四传输门、与所述第四传输门串联的第五电容，所述第四传输门和第五电容并联在所述第四电容两端，且所述第四传输门受所述前沿消隐控制器控制，所述第二阶段RC滤波器由第六电阻、及第四电容串联形成。

较佳地，所述前沿消隐控制器包括将所述前级驱动信号的上升沿延迟第一时间段而下降沿不延迟的电路。

本发明的有益效果在于：既可以滤除驱动管Q1开启时不希望看见的电压脉冲(VoltageGlitch)，同时对于电压脉冲后的电压信号又可以几乎没有延迟的传送进去，使得最后测得的取样电压VCS于阈值电压Vref基本相等，几乎不受工艺偏差及应用不同的影响。

附图说明

图1为现有技术的初级电感的最大电流控制器的电原理图。

图2为现有技术具有一阶段前沿消隐器的最大电流控制器的电原理图。

图3a至图3c为A点电压VA及B点电压VB在取样电压VCS具有不同上升速率情况下的对比图。

图4为具有二阶段前沿消隐器的最大电流控制器的电原理图。

图5为P Drive信号与Ctrl信号时序示意图。

图6为二阶段RC滤波器的输入输出特性图。

图7至图9为不同实施例的二阶段RC滤波器电原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

本发明将现有技术的RC常数为固定值的一阶RC滤波器变为两个在不同阶段分别工作的具有不同RC常数的一阶RC滤波器，为了节约元器件，两个不同阶段的RC滤波器部分元器件可以重合使用。其中，第一阶段RC滤波器的RC常数很大，达到几us或几十us，而第二阶段RC滤波器的RC常数很小，只有几ns或几十ns，也就是说，第一阶段RC滤波器的RC常数通常至少比第二阶段RC滤波器的RC常数大2个数量级以上。在能够达到技术要求的情况下，第一阶段RC滤波器的RC常数也可以只比第二阶段RC滤波器的RC常数大1个数量级以上。在第一阶段，由于RC常数很大，驱动管Q1开启时不希望看见的电压脉冲(VoltageGlitch)被滤除，而在第二阶段，由于RC常数很小，需要的取样电压信号VCS，几乎无损耗的传入到电压比较器的输入端，即，A点的电压信号VA几乎没有延迟地传输到B点，使得最后测得的取样电压VCS与阈值电压Vref基本相等，最大限度的保证了取样电压VCS的测试精度。

实施例一

请参阅图4，本发明提供的用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器包括取样电阻Rsense、部分元器件重合的第一阶段RC滤波器及第二阶段RC滤波器(以下简称重合RC滤波器)、前沿消隐控制器CTRL1、比较器OpAmp、控制器CC_ctrl、或非门F、输出模块Driver及驱动管Q1；二阶段前沿消隐器包括二阶段RC滤波器及前沿消隐控制器CTRL1，控制器CC_ctrl、或非门F及输出模块Driver构成输出一外驱动信号OUT的输出单元。

取样电阻Rsense、重合RC滤波器、比较器OpAmp、控制器CC_ctrl、或非门F及输出模块Driver依次连接；具体地说，取样电阻Rsense一端接地，其另一端连接重合RC滤波器的输入端，重合RC滤波器一端接地，其输出端连接比较器OpAmp的一个输入端，比较器OpAmp的另一输入端输入阈值电压Vref，比较器OpAmp比较阈值电压Vref与重合RC滤波器的输出电压后，将比较结果通过控制器CC_ctrl送入或非门F的一个输入端，或非门的另一输入端输入或非门控制信号Other Ctrl，其输出的前级驱动控制信号P_Drive输入输出模块Driver。

输出模块Driver的输出端连接驱动管Q1的控制端，驱动管Q1的另两端一端连接取样电阻Rsense，一端连接初级电感(图未示)。

前沿消隐控制器CTRL1的输入端连接或非门F的输出端，前沿消隐控制器CTRL1的输出端连接重合RC滤波器。

重合RC滤波器由传输门TG1、第一电阻R1、第二电阻R2及第一电容C1构成，其中，第一阶段RC滤波器包括第一电阻R1及第一电容C1，第二阶段RC滤波器包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一传输门TG1、及第一电容C1；第一传输门TG1与第二电阻R2串联后与第一电阻R1并联，第一传输门TG1与第一电阻R1相连的一端连接取样电阻Rsense，第二电阻R2与第一电阻R1相连的一端连接比较器OpAmp，并通过第一电容C1接地。第一传输门TG1的控制端连接前沿消隐控制器CTRL1。

第一电阻R1为大阻值电阻，第二电阻R2为小阻值电阻，第一传输门TG1关断时，第二电阻R2被断路，第一电阻R1与第一电容C1组成RC常数很大的第一阶段RC滤波器，第一传输门TG1导通时，第一电阻R1与第二电阻R2并联，构成一个阻值约等于第二电阻R2的小阻值电阻，并与第一电容C1一起组成RC常数很小的第二阶段RC滤波器。

请参阅图5及图6，传输门控制信号Crtl的下降沿与前级驱动控制信号P_Drive相同，而其的上升沿比前级驱动控制信号P_Drive滞后。当前级驱动控制信号P_Drive由低电平变为高电平，输出模块Driver输出的外驱动信号OUT从低电平变为高电平，驱动管Q1由关闭变为开启，此时，前沿消隐控制器CTRL1输出的传输门控制信号Ctrl依然为低电平，传输门TG1关断，RC常数较大，二阶段RC滤波器处于第一阶段，驱动管Q1开启时的电压脉冲(VoltageGlitch)被滤除；经过一预设的固定时间t1后，传输们控制信号Ctrl由低电平变为高电平，传输门TG2导通，RC常数较小，二阶段RC滤波器处于第二阶段，A点电压VA(即二阶段RC滤波器的输入电压)几乎没有延迟地传输至B点，即取样电压VCS几乎无损耗地输入比较器OpAmp的输入端，最大限度的保证了取样电压VCS的测试精度，所述固定时间t1即第一阶段RC滤波器的工作时间。

请参阅图6，可以看到，在RC常数较大的固定时间t1内，B点电压VB相对A点电压VA具有很大的滞后，并且由于滤波器的存在，其下降沿下降较缓，但是由于比较器OpAmp关注的是取样电压VCS(即A点电压VA)何时到达与阈值电压Vref相同的电压值，而固定时间t1被设置为长于电压脉冲(Voltage Glitch)的时间并远远短于取样电压VCS可能到达与阈值电压Vref相同的时间，因此，在固定时间t1内的延迟不会影响最终结果。而在***工作时，前级驱动控制信号P_Drive占空比小于30％，因此B点电压VB有足够的时间在下一个周期到来前下降到远小于阈值电压Vref的电压值，不会影响最终结果。

在本实施例中，若第二阶段RC常数取30ns，则：

在典型情况下(取样电压VCS上升速率为0.25V/us)，偏差约为2.1％(如果第二阶段RC常数取更小的值，偏差随之变小)；

在VCS上升速率增大为0.4V/us的情况下，若有较大工艺偏差，导致RC常数增大30％，则最后测得的取样电压VCS比阈值电压大4.2％；

在VCS上升速率降低为0.15V/us的情况下，若有较大工艺偏差，导致RC常数减小30％，则最后测得的取样电压VCS比阈值电压仅大1％；

即，在确定好中心值后，在所有应用及工艺条件下，取样电压VCS的测量误差约在±2％内，这样最大限度的保证了取样电压VCS的测试精度。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于重合RC滤波器不同，请参阅图7，本实施例中的重合RC滤波器包括第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2及第二传输门TG2，其中，第一阶段RC滤波器包括第三电阻R3、第四电阻R4及第二电容C2，第二阶段RC滤波器包括第四电阻R4、第二传输门TG2及第二电容C2。第二传输门TG2与第三电阻R3并联后与第四电阻R4串联，第二传输门TG2的控制端输入传输门控制信号Ctrl，第二传输门TG2与第三电阻R3靠近A点的一端连接取样电阻Rsense(图未示)，第四电阻R4靠近B点的一端连接比较器OpAmp(图未示)，并通过第二电容C2接地。

第三电阻R3为大阻值电阻，第四电阻R4为小阻值电阻，当传输门控制信号Crtl控制第二传输门TG2关断，则第一阶段RC滤波器工作，第三电阻R3与第四电阻R4串联构成一阻值较大的电阻，RC常数较大，为(R3+R4)×C2；当传输门控制信号Crtl控制第二传输门TG2导通，则第二阶段RC滤波器工作，第三电阻R3被第二传输门TG2短路，RC常数较小，忽略第二传输门TG2的导通电阻，约为R4×C2。

同样达到了改变滤波器RC常数的目的。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于重合RC滤波器不同，请参阅图8，第一阶段RC滤波器包括第五电阻R5及第三电容C3，第二阶段RC滤波器包括第五电阻R5、第三电容C3及第三传输门TG3，第三传输门TG3与第五电阻R5并联后，一端连接取样电阻Rsense(图未示)，另一端连接比较器OpAmp(图未示)，并通过第三电容C3接地。

第三传输门TG3的导通电阻远远小于第五电阻R5，当传输门控制信号Crtl控制第三传输门TG3关断，第一阶段RC滤波器工作，RC常数较大，为R5×C3；当传输门控制信号Crtl控制第三传输门TG3导通，第二阶段RC滤波器工作，第五电阻R5被第三传输门TG3短路，由于第三传输门TG3的导通电阻很小，RC常数为第三传输门TG3导通电阻×C3，几乎为零。

同样达到了改变滤波器RC常数的目的。

实施例四

本实施例与实施例一的区别在于重合RC滤波器不同，请参阅图9，第一阶段RC滤波器包括第六电阻R6、第四电容C4、第五电容C5及第四传输门TG4，第二阶段RC滤波器包括第六电阻R6及第四电容C4；第五电容C5与第四传输门TG4串联后与第四电容C4并联，第四传输门TG4与第四电容C4连接的一端连接第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接取样电阻Rsense(图未示)，第四电容C4的另一端接地，第五电容C5远离第四传输门TG4的一端接地。

本实施例中，前沿消隐控制器通过一反相器连接第四传输门TG4。

第四电容C4的值远远小于第五电容C5的值，当传输门控制信号Crtl控制第四传输门TG4导通，第一阶段RC滤波器工作，第四电容C4与第五电容C5并联，RC常数较大，为R6×(C4+C5)；当传输门控制信号Crtl控制第四传输门TG4关断，第二阶段RC滤波器工作，第五电容C5被断路，RC常数较小，为R6×C4。

同样达到了改变滤波器RC常数的目的。

综上所述，前沿消隐控制器CTRL1获取前级驱动控制信号P_Drive，并产生一个下降沿与前级驱动控制信号P_Drive同步，上升沿比前级驱动控制信号P_Drive延迟一预设固定时间t1的传输门控制信号ctrl，来控制传输门的通断。传输门的通断使重合RC滤波器的RC常数值分为两个阶段，第一阶段RC常数值很大，滤除驱动管Q1开启时不希望看见的电压脉冲(Voltage Glitch)，第二阶段RC常数值很小，使得最后测得的取样电压VCS几乎无损耗的传入到电压比较器的输入端。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，其中，所述开关型电源转换***包括与驱动管串联的取样电阻、比较器、及输出前级驱动信号的输出单元，所述用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器的特征在于包括：

第一阶段RC滤波器，连接在所述取样电阻两端，用于在所述驱动管启动后的第一时间段内工作，以滤除所述驱动管启动时所产成的启动脉冲；

第二阶段RC滤波器，连接在所述取样电阻两端，其输出端与所述比较器一输入端相连接，用于在所述驱动管启动后的第二时间段内工作，以将从所述取样电阻所获取的取样电压输入至所述比较器以与所述比较器的参考电压进行比较，进而去控制所述开关型电源转换***的驱动管的通断，其中，所述第一阶段RC滤波器的RC常数大于所述第二阶段RC滤波器的RC常数至少1个数量级；

前沿消隐控制器，用于控制所述第一阶段RC滤波器和第二阶段RC滤波器在不同的时间段工作。

2.如权利要求1所述的用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，其特征在于：所述第一阶段RC滤波器包括第一电阻及第一电容，所述第二阶段RC滤波器包括所述第一电阻、第二电阻、与所述第二电阻串联的第一传输门、及所述第一电容，且所述第二电阻和第一传输门并联在所述第一电阻两端，所述第一传输门受所述前沿消隐控制器控制。

3.如权利要求1所述用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，其特征在于：所述第一阶段RC滤波器包括串联的第三电阻、第四电阻及第二电容，所述第二阶段RC滤波器包括串联的所述第四电阻、所述第二电容、及并联在所述第三电阻两端的第二传输门，所述第二传输门受所述前沿消隐控制器控制。

4.如权利要求1所述的用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，其特征在于：所述第一阶段RC滤波器由第五电阻、及第三电容串联形成，所述第二阶段RC滤波器包括第五电阻、第三电容及并联在所述第五电阻两端的第三传输门，且所述第三传输门受所述前沿消隐控制器控制。

5.如权利要求1所述的用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，其特征在于：所述第一阶段RC滤波器包括第六电阻、第四电容、与所述第六电阻串联的第四传输门、与所述第四传输门串联的第五电容，所述第四传输门和第五电容并联在所述第四电容两端，且所述第四传输门受所述前沿消隐控制器控制，所述第二阶段RC滤波器由第六电阻、及第四电容串联形成。

6.如权利要求1至5任一所述的用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，其特征在于：所述前沿消隐控制器包括将所述前级驱动信号的上升沿延迟第一时间段而下降沿不延迟的电路。

7.如权利要求1所述的用于开关型电源转换***的二阶段前沿消隐滤波器，其特征在于：所述第一阶段RC滤波器的RC常数大于所述第二阶段RC滤波器的RC常数至少2个数量级。

Images