CN102810984B - 一种开关电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源电路，包括：开关管，第一分压电阻、第二分压电阻，电感元件，续流二极管，负载单元，负载电流检测单元，比较器，D锁存器，模数转换器，数模转换器，PWM工作模式栅驱动电压产生单元，第一放大器，PWM比较器，PFM控制单元，第一二选一选择器、第二二选一选择器，数字逻辑单元，栅驱动单元。当为PFM控制方式时，根据负载轻重调整驱动开关管的电压，减小轻载时的功耗，提高能量传输的效率；同时轻载情况下，采用减小开关管栅驱动电压和开关占空比来同时减小功耗，减小了单独依靠开关管占空比来调整输出功率，使其占空比变化范围减小，进而减缓了负载突变和模式切换时输出纹波大的缺点。

Description

一种开关电源电路

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种开关电源电路的设计。

背景技术

开关电源具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点，被广泛应用于以电子计算机为主的各种终端设备和通讯设备中。

常见的开关电源工作方式有三种：PWM(Pulse Width Modulation)模式，PFM(PulseFrequency Modulation)模式和PWM/PFM混合模式。PWM模式具有噪声低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式，但是由于频率固定其控制电路的开关损耗一般较大，在轻载时效率降低。PFM模式随着负载变轻其频率减小，因而效率提高；且没有第一放大器的影响，其响应速度快，但是输出纹波大；而PWM/PFM混合模式兼有两种控制模式的特点，在重载时采用PWM模式，在轻载时采用PFM模式。但是在混合模式下当负载突然变化导致两种模式切换时会产生较大纹波。

对于现存应用于轻载情况下的开关电源技术如下：

第一种PWM控制方式的同步整流开关电源电路的方案如图1所示，具体采用输出级做分隔来解决：重载时，采用大部分甚至全部的输出级，以提高输出电流能力和减小导通电阻；轻载时，采用较少的输出驱动级，以较小开关管的开关损耗。但是这种输出级分隔的方案，由于使用的输出级面积大，增加了芯片的成本。

第二种PFM控制方式的开关电源电路的方案如图2所示，在此模式下随着负载变轻其频率减小，响应速度快，但是输出纹波大，且轻载时驱动开关管的电压没有变化，限制了功耗的进一步减小。

第三种PFM/PWM控制方式的开关电源电路的方案如图3所示，重载时采用PWM控制方式，来提供稳定高效的输出；轻载时，采用PFM控制方式来减小功耗。但是这种方案同样存在驱动开关管的电压没有变化，限制了功耗的进一步减小；同时当负载突然变化导致模式切换时会产生较大的纹波。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的开关电源电路在轻载情况下存在的上述问题，提出了一种开关电源电路。

本发明的技术方案是：一种开关电源电路，具体包括：开关管，第一分压电阻、第二分压电阻，电感元件，续流二极管，负载单元，负载电流检测单元，比较器，D锁存器，模数转换器，数模转换器，PWM工作模式栅驱动电压产生单元，第一放大器，PWM比较器，PFM控制单元，第一二选一选择器、第二二选一选择器，数字逻辑单元，栅驱动单元，其中，

第一分压电阻的一端接电感元件的第一端并作为所述开关电源电路的输出端，第一分压电阻的另一端接第一放大器的负向端和PFM控制单元的输入端并通过第二分压电阻接地，第一放大器正向端接外部的第一基准电压，第一放大器的输出端接PWM比较器的正向端，PWM比较器的负向端接外部的锯齿波，PWM比较器的输出端接第一二选一选择器的第一输入端；PFM控制单元的输出端接第一二选一选择器的第二输入端；

所述的负载电流检测单元的输入端通过负载单元与所述开关电源电路的输出端相连，负载电流检测单元的输出端接比较器的正向输入端和模数转换器的输入端；比较器的负向端接外部的第二基准电压，比较器的输出端接D锁存器输入端，D锁存器输出端接第一二选一选择器的控制端和第二二选一选择器的控制端；模数转换器输出端接数模转换器的输入端，DAC数模转换器输出端接第二选一选择器的第一输入端，PWM工作模式栅驱动电压产生单元的输出端接第二二选一选择器的第二输入端，第一二选一选择器输出接数字逻辑单元输入，数字逻辑单元的输出和第二二选一选择器的输出作为栅驱动单元的输入，栅驱动单元的输出接开关管栅极，开关管的源极接电感元件的第二端，漏极接外部电源电压，续流二极管的负极接开关管源极，续流二极管正极接地。

本发明的有益效果：针对低功耗开关电源变化器，提出了一种低功耗混合PWM/PFM开关电源电路，可以根据负载的轻重来自动调节控制方式，具体为：重载时选用PWM控制方式，轻载时选用PFM控制方式。当其为PFM控制方式时，还可以根据负载轻重调整驱动开关管的电压，进一步减小轻载时的功耗，提高能量传输的效率，这特别适用于电源长期工作于待机或轻载的情况，同时轻载情况下，可以采用减小开关管栅驱动电压和开关占空比来同时减小功耗，较之背景技术中的PFM/PWM混合控制方式，减小了单独依靠开关管占空比来调整输出功率，这可以使其占空比变化范围减小，进而也就减缓了负载突变和模式切换时输出纹波大的缺点，同时较之采用输出级分隔技术的PWM控制方式，芯片面积较小。

附图说明

图1为采用PWM控制方式的同步整流开关电源电路结构示意图。

图2为现有的采用PFM控制方式的开关电源电路结构示意图。

图3为现有的采用PFM/PWM混合控制方式的开关电源电路结构示意图

图4为本发明实施例中的开关电源电路结构示意图。

图5为本发明实施例中的比较器电路结构示意图。

图6为本发明实施例中的ADC电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

图4示出，本实例的开关电源电路包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2，电感元件L，续流二极管D1、负载单元Load，负载电流检测单元CS，比较器COM，D锁存器，模数转换器ADC，数模转换器DAC，PWM工作模式栅驱动电压产生单元VPWM，第一放大器EA，PWM比较器，PFM控制单元，二选一选择器S1、S2，数字逻辑单元Logic，栅驱动单元Driver。

具体连接关系为：第一分压电阻R1的一端接电感元件L的第一端并作为所述开关电源电路的输出端，另一端通过第二分压电阻R2接地，分压值Vfb，第一放大器EA正向端接外部的第一基准电压ref1，负向端接分压电压Vfb。第一放大器EA输出接PWM比较器正向端，负向端接锯齿波，其输出接二选一选择器S1的一端。此外分压电压Vfb还接PFM模块的输入，其输出接二选一选择器S1的另一个输入端。负载电流检测电路CS接负载Load端，负载电流检测电路CS的输出接比较器COM正向输出。比较器COM负向端接外部的第二基准电压ref2，比较器COM的输出端接D锁存器的输入端，D锁存器的输出端接二选一选择器S1、S2控制端。负载电流检测电路CS输出端还接3位ADC模数转换器输入端，ADC输出接数模转换器DAC输入端，数模转换器DAC输出接二选一选择器S2的输入端。PWM工作模式栅驱动电压产生单元VPWM的输出接二选一选择器S2的另一个输入端。二选一选择器S1输出接数字逻辑单元logic，同保护模块的输出UV、OV、OCP、OTP以及使能信号EN一起产生开关管驱动信号，这里UV为欠压封锁模块输出，OV为过压封锁模块输出，OCP为过流保护模块输出，OTP为过温保护模块输出。数字逻辑单元logic输出与通过二选一选择器S2的输出接栅驱动模块Driver的输入，Driver输出接开关管栅极。开关管的源极接电感元件L的第二端，漏极接外部电源电压，

需要说明的是：分压值Vfb大小由所述开关电源额定输出电压决定，在PWM控制方式中，锯齿波的频率决定了开关管的工作频率，关于这点属于本领域的现有技术，在此不再详细描述。

续流二极管D1在此的作用为：当开关管开启时，由外部电源通过开关管，对电感和负载提供能量；开关管关断时，对于负载而言，电源不能提供能量，此时的能量就来源于电感在上一过程存储的能量，但是这个能量的释放需要一条回路，续流二极管D1就提供了这条回路。

作为一种优选方案，为了减小输出电压的纹波，所述的开关电源电路还包括电容元件C1，所述电容元件耦接于电感元件L的第二端和地电位之间。

本发明的开关电源电路总共有两个控制环路：一个是PFM/PWM控制环路，另一个是开关管栅驱动电压决定环路。PFM/PWM控制环路包括：第一、二分压电阻，负载电流检测单元CS，比较器COM，第一放大器EA，PWM比较器，PFM控制单元，决定控制方式选择的二选一选择器S1，逻辑控制单元logic和栅驱动单元driver。开关管栅驱动电压决定环路包括负载电流检测单元CS，比较器COM，D锁存器，开关管栅驱动电压决定单元(包括PWM工作模式栅驱动电压产生单元，ADC模数转换器，DAC数模转换器，决定驱动电压选择的二选一选择器S2)，逻辑控制单元logic和栅驱动单元driver。

其中，ADC模数转换器和DAC数模转换器组成了PFM工作模式栅驱动电压产生模块，第一放大器EA、二选一选择器S1、PWM比较器和PFM控制单元组成了PWM/PFM控制模块。

本发明的开关电源电路的工作过程如下：整个电路先通过负载电流检测单元CS检测负载电流。负载电流检测单元CS具有积分功能，即能采集负载电流的平均值，并且CS将其检测的电流转变为电压信号送入比较器COM，比较器COM将对此检测信号同设定的外部的第二基准电压ref2进行比较，比较输出将决定控制模式环路采用的控制模式和开关管栅驱动电压环路采用的栅驱动电压。当检测信号高于ref2时，其输出为高，此时将采用PWM控制方式和PWM工作模式栅驱动电压产生单元VPWM。当检测信号低于ref2时，其输出为低，此时将采用PFM控制方式和PFM工作模式栅驱动电压产生模块。与此同时，输出电压采用电路会采样输出电压，采样的电压将送入第一放大器EA和PFM控制单元。若电路选择PWM控制方式，则电路根据输入到第一放大器EA的采样电压同外部的第一基准电压ref1比较，产生误差电压并送入PWM比较器同一锯齿波进行比较，从而产生不同占空比的方波，实现根据输出电压的变化调节开关管的占空比进而达到稳定输出电压的预定目的，开关管栅驱动电压来源于PWM工作模式栅驱动电压产生单元产生的恒定电压。相反若选择PFM控制方式，电路一方面根据检测输出的电压来调整PFM控制单元输出频率；另一方面根据电流检测单元CS输出电压大小，经过ADC模块和DAC模块来产生开关管栅驱动电压，其可根据输出负载电流大小来调整开关管栅驱动的电压大小。二选一选择器S1的输出送入逻辑控制单元logic，与送入到的逻辑控制单元logic的过温保护模块的输出OTP，欠压保护模块的输出UV，过压保护模块的输出OV，过流保护模块的输出OCP以及使能模块的输出EN共同产生开关管驱动信号并连同栅驱动电压产生环路的输出分别送入栅驱动单元driver来驱动开关管，实现电源到负载的能量传输。

需要说明的是：ref1由开关电源电路额定输出电压决定；ref2由开关电源电路中控制方式转换点时的输出电流对应的电压信号决定；对整个电路而言，输出电压通过环路控制来保持恒定，输出电流则根据负载的轻重不同而变化，开关电源电路功能就是保持电压不变的同时保持输出电流随负载变化而变化。

图5给出了本发明实施例中比较器COM的电路结构示意图，该比较器采用正反馈回路实现了迟滞功能。

作为一种优选方案，所述的模数转换器具体为3位模数转换器；输入的3位数字信号分别对应8个不同的电平，所述模数转换器将输入的3位数字信号转换成与之对应的模拟信号。

图6给出了本发明实施例中3位模数转换器的电路结构示意图，电路采用分压电阻对基准电压进行分压，每个分压端送入对应比较器的正向端，模拟信号送入每个比较器的负向端。所有比较器输出端送入编码电路进行编码，输出3位数字信号。

本发明中的ADC为3位模数转换器，通过将负载电流检测模块的输出电压同分段标准电压进行比较，将其为划定到8个电压等级中的一级并将转换结果输出给下一级电路DAC。而DAC为3位数模转换器，其通过将上一级ADC的输出将其转换为相对应的输出电压。通过ADC和DAC模块，即可将负载单元输出的电流精确转换为开关管栅驱动的电压。

负载电流检测单元CS对负载单元输出的电流进行实时检测，并将检测的电流信号转变为电压信号送入比较器进行比较输出。比较器的输出还接有一个D锁存器，其时钟频率为PWM比较器输入端的锯齿波频率，在每个时钟上升沿采集比较器的输出，并通过2选1选择器S1、S2决定该时钟周期中选择的控制方式和开关管栅驱动电压。这样每个周期都通过输出电流检测来决定其控制方式，可以及时通过环路来响应负载的变化，并通过D锁存器来防止在单个周期中工作模式选择频繁变化，进而引起输出电压的不稳定。

日常电器，检测电路常常有长时间工作在待机的情况，对于电器电源而言，这就意味着轻负载。而对于开关电源电路而言，电路总功耗由开关电源电路静态功耗，开关管导通损耗和开关损耗组成。相对于开关管的开关损耗而言，其它门电路的开关损耗可忽略。开关管的开关损耗具体为：P_gate＝C_gate*V_swing ²*f_sw，其中，C_gate为开关管的栅电容，V_swing为开关管栅电压摆幅，f_sw为开关管开关频率。从上式可以看出，减小V_swing和f_sw均可减小开关损耗。

重载时由于负载电流大，开关管导通损耗在总体功耗中占主要地位。而轻载时负载电流很小，开关管的开关损耗占主要地位。在背景技术的PFM控制中，轻载时利用频率降低来减小开关损耗，但是开关管的栅电压并未变化。在本发明中，在轻载减小开关频率同时减小了开关管栅驱动电压，进一步减小了电路的功耗，提高了效率，对于便携式电源而言等效于延长了待机时间。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种开关电源电路，具体包括：开关管，第一分压电阻、第二分压电阻，电感元件，续流二极管，负载单元，负载电流检测单元，比较器，D锁存器，第一放大器，PWM比较器，PFM控制单元，第一二选一选择器，数字逻辑单元和栅驱动单元，其特征在于，还包括：开关管栅驱动电压决定单元，该决定单元设置有第二二选一选择器，模数转换器，数模转换器和PWM工作模式栅驱动电压产生单元，

其中，

第一分压电阻的一端接电感元件的第一端并作为所述开关电源电路的输出端，第一分压电阻的另一端接第一放大器的负向端和PFM控制单元的输入端并通过第二分压电阻接地，第一放大器正向端接外部的第一基准电压，第一放大器的输出端接PWM比较器的正向端，PWM比较器的负向端接外部的锯齿波，PWM比较器的输出端接第一二选一选择器的第一输入端；PFM控制单元的输出端接第一二选一选择器的第二输入端；

所述的负载电流检测单元的输入端通过负载单元与所述开关电源电路的输出端相连，负载电流检测单元的输出端接比较器的正向输入端和模数转换器的输入端；比较器的负向端接外部的第二基准电压，比较器的输出端接D锁存器输入端，D锁存器输出端接第一二选一选择器的控制端和第二二选一选择器的控制端；模数转换器输出端接数模转换器的输入端，数模转换器输出端接第二二选一选择器的第一输入端，PWM工作模式栅驱动电压产生单元的输出端接第二二选一选择器的第二输入端，第一二选一选择器输出接数字逻辑单元输入，数字逻辑单元的输出和第二二选一选择器的输出作为栅驱动单元的输入，栅驱动单元的输出接开关管栅极，开关管的源极接电感元件的第二端，漏极接外部电源电压，续流二极管的负极接开关管源极，续流二极管正极接地。

2.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述的开关电源电路还包括电容元件，所述电容元件耦接于电感元件的第二端和地电位之间。

3.根据权利要求1或2所述的开关电源电路，其特征在于，所述的模数转换器具体为3位模数转换器。