CN104167923B - 一种开关电源的动态快速响应电路及其方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种不管是ACDC还是DCDC的电源控制器，都可采用绿色降频工作模式来增加工作效率和减小空载待机功耗，同时能使动态响应速度有极大提高的开关电源的动态快速响应方法，包括如下步骤，跌落快速响应步骤，在检测到FB端电压突然快速增加时发出跌落动态响应信号，迅速向FB端提供电流，并在FB端电压上升到第一预设值后停止向FB端提供电流；过冲快速响应步骤，在检测到FB端电压突然快速减小时发出过冲动态响应信号，迅速抽取FB端的电流，并在FB端电压下降到第二预设值后停止抽取FB端的电流；稳态判断步骤，判断开关电源的电压环路是否进入稳态，若进入稳定状态，则允许输出跌落动态响应信号或过冲动态响应信号；若未进入稳定状态，则不允许输出。
Description
技术领域
本发明涉及副边反馈开关电源的控制器，特别涉及开关电源输出电压的动态响应。
背景技术
随着开关电源技术的不断发展，开关电源已成为用电器的主要供电电源，并且用变压器实现电器隔离来提高安全性。图1是常用的副边反馈控制的反激式开关电源，电阻R1和R2是输出电压采样电阻，它们的分压作为TL431的输入信号，该信号经过由TL431和光耦组成的跨导放大器放大后传输到控制器的FB输入端(控制器的FB输入端，又称控制器的电压反馈输入端，以下统一简称为FB端)。所以FB端口的电压VFB反映了电源输出电压VOUT的大小，常称为电压反馈环路，又因为是从变压器的副边感应反馈输出电压，所以又可称为副边电压反馈环路。控制器根据VFB的大小调制GATE输出的占空比大小来控制输出电压，当输出电压VOUT偏高时光耦从FB引脚抽取更多的电流，使VFB下降，GATE输出的占空比变小，输出电压VOUT逐渐下降；当输出电压偏小时光耦从FB引脚抽取更小的电流，使VFB增加，GATE输出的占空比变大，输出电压VOUT逐渐增加。因此通过环路的不断调整使输出电压稳定在设定的值。由于这种副边控制是从输出端直接采样电压，可使得输出电压精度很高，所以大量使用在对输出电压精度要求高的应用中。
在当今能源资源被快速消耗，人们的节能意识不断地加强，如何设计制造出高效节能的绿色电源产品成为我们不断研究的课题，也因此孕育出各种各样优化降频控制方式的开关电源。虽然轻负载降低开关频率显著地提高了开关电源的效率和待机功耗，但是由于频率的降低使得在轻负载或空载状态下突然加载的动态响应变得很差，输出电压出现大幅跌落。特别是在较大功率的DCDC电源中，由于小体积对输出电容的限制，若空载时频率很低突然加载会导致输出电压跌落到无法接受的地步。轻负载或空载降频后开关电源的动态响应变差主要由于两个方面的原因：第一个原因就是控制环路的带宽。众所周知，要使得开关电源的环路稳定并且能有效地抑制开关噪声，控制环路的闭环带宽应当小于开关频率的十分之一，所以轻负载的降频控制模式进一步限制了控制环路的带宽，使得动态响应比未降频情况的差。第二个原因是补偿器补偿电容的摆率限制。如图1所示，控制器的FB端的最大输出电流是有限的，因为若光耦的静态偏置电流过大，光耦主副两边的偏置电路都会消耗较大的功耗。从而FB提供的有效偏置电流限制了补偿电容CC1的摆率大小，使得在动态 响应时CC1电容的变化摆率不够大而导致动态响应延时，输出电压的过冲和欠冲幅度大。特别是对于轻负载工作在降频的绿色工作模式下的开关电源，为了使得环路稳定，补偿电容CC1值比未降频的情况要大。虽然轻负载绿色降频的工作方式在ACDC控制芯片中得到广泛的应用，但是正是因为动态响应差的原因，在DCDC电气隔离变换器的控制器中几乎看不到绿色降频的工作模式。
发明内容
本发明的目的是要解决上述的技术难题，提供一种不管是ACDC的开关电源控制器还是DCDC的电源控制器，都可采用绿色降频工作模式来增加工作效率和减小空载待机功耗，同时能使动态响应速度有极大提高的开关电源的动态快速响应方法。
与此相应，本发明另一个目的是，提供一种不管是ACDC的开关电源控制器还是DCDC的电源控制器，都可采用绿色采用降频工作模式来增加工作效率和减小空载待机功耗，同时能使动态响应速度有极大提高的开关电源的动态快速响应电路。
就方法而言，本发明开关电源的动态快速响应方法，包括如下步骤，跌落快速响应步骤，在检测到FB端电压突然快速增加时发出跌落动态响应信号，迅速向FB端提供电流，加速FB端电压的上升速率，并在FB端电压上升到第一预设值后停止向FB端提供电流，该FB端电压的第一预设值对应于开关电源满载或重载时稳态下的FB端电压值；过冲快速响应步骤，在检测到FB端电压突然快速减小时发出过冲动态响应信号，迅速抽取FB端的电流，加速FB端电压的下降速率，并在FB端电压下降到第二预设值后停止抽取FB端的电流，该FB端电压的第二预设值对应于开关电源轻负载或空载时稳态下的FB端电压值；稳态判断步骤，判断开关电源的电压环路是否进入稳态，若在计数器规定的时间内FB端电压一直没有出现大幅度的上下波动，认为FB端电压基本保持稳定，亦电压环路已经进入稳定状态，则允许输出跌落动态响应信号或过冲动态响应信号；若在计数器规定的时间内FB端电压出现大幅度的上下波动，亦电压环路未进入稳定状态，则不允许输出跌落动态响应信号或过冲动态响应信号。
优选的，所述跌落快速响应步骤，包括：将FB端电压上移一个小的第一正压降(ΔV1)生成FB端电压加第一正压降的上移后的电压(VFB+ΔV1),并且把这个上移后的电压(VFB+ΔV1)传送给第一电压采样模块；在时钟的控制下周期性地采样上移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存的电压被传送到第一比较锁存模块；将采样保存的电压与FB端电压进行比较，比较结果输出给稳态判断 模块，并且比较结果被锁存器锁存下来进行判断，若FB端电压比采样保存的电压高，并且电压环路处于稳态状态下，则输出逻辑“是”信号，表示开关电源的输出电压突然跌落了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然跌落；接收到逻辑“是”信号后输出跌落动态响应信号，控制跌落快速响应模块在设定时间内进行快速响应，并且在跌落快速响应模块的设定时间结束后产生复位信号使锁存器复位；收到跌落动态响应信号后，输出电流从FB端流出，使FB端电压迅速充电到第一预设值，从而使占空比迅速增加；在FB端电压上升到第一预设值后，立刻停止输出电流，让电压环路自行调节。
优选的，所述过冲快速响应步骤，包括：将FB端电压VFB下移一个小的第二正压降(ΔV2)生成FB端电压减第二正压降的下移后的电压(VFB-ΔV2),并且把这个下移后的电压(VFB-ΔV2)传送给第二电压采样模块；在时钟的控制下周期性地采样下移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存的电压被传送到第二比较锁存模块；将采样保存的电压与FB端电压进行比较，比较结果输出给稳态判断模块，并且比较结果被锁存器锁存下来进行判断，若FB端电压比采样保存的电压低，并且电压环路处于稳态状态下，则输出逻辑“是”信号，表示开关电源的输出电压突然增加了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然增加；接收到逻辑“是”信号后输出过冲动态响应信号，控制过冲快速响应模块在设定时间内进行快速响应，并且在过冲快速响应模块的设定时间结束后产生复位信号使锁存器复位；收到过冲动态响应信号后，迅速从FB端抽取电流，使FB端电压迅速下降到第二预设值，从而使占空比迅速减小；在FB端电压下降到第二预设值后，立刻停止抽取电流，让电压环路自行调节。
就电路而言，本发明开关电源的动态快速响应电路，包括：跌落快速响应模块，在检测到FB端电压突然快速增加时发出跌落动态响应信号，迅速向FB端提供电流，加速FB端电压的上升速率，并在FB端电压上升到第一预设值后停止向FB端提供电流，该FB端电压的第一预设值对应于开关电源满载或重载时稳态下的FB端电压值；过冲快速响应模块，在检测到FB端电压突然快速减小时发出过冲动态响应信号，迅速抽取FB端的电流，加速FB端电压的下降速率，并在FB端电压下降到第二预设值后停止抽取FB端的电流，该FB端电压的第二预设值对应于开关电源轻负载或空载时稳态下的FB端电压值；稳态判断模块，判断开关电源的电压环路是否进入稳态，若在计数器规定的时间内FB端电压一直没有出现大幅度的上下波动，认为FB端电压基本保持稳定，亦电压环路已经进入稳定状态，则允许输出跌落动态响应信号或过冲动态响应信号；若在计数器规定的时间内FB端电压出现大幅度 的上下波动，亦电压环路未进入稳定状态，则不允许输出跌落动态响应信号或过冲动态响应信号。
优选的，所述跌落快速响应模块，包括：电平上移模块，将FB端电压上移一个小的第一正压降(ΔV1)生成FB端电压加第一正压降的上移后的电压(VFB+ΔV1),并且把这个上移后的电压(VFB+ΔV1)传送给第一电压采样模块；第一电压采样模块，在时钟的控制下周期性地采样上移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存的电压被传送到第一比较锁存模块；第一比较锁存模块，将采样保存的电压与FB端电压进行比较，比较结果输出给稳态判断模块，并且比较结果被锁存器锁存下来进行判断，若FB端电压比采样保存的电压高，并且电压环路处于稳态状态下，则输出逻辑“是”信号，表示开关电源的输出电压突然跌落了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然跌落；第一控制脉冲发生器，接收到逻辑“是”信号后输出一定宽度的低电平有效信号，控制跌落动态响应模块在设定时间内进行快速响应，并且在跌落快速响应模块的设定时间结束后产生复位信号使锁存器复位；跌落快速响应模块，收到跌落动态响应信号后，输出电流从FB端口流出，使FB端口的电压迅速充电到第一预设值，从而使占空比迅速增加；在FB端电压上升到第一预设值后，立刻停止输出电流，让电压环路自行调节。
优选的，所述跌落快速响应模块，还包括控制时钟模块，用于输出时钟信号，所述电平上移模块，包括第一电流源、第一P沟道MOS管、第二P沟道MOS管、第一电阻，所述第一P沟道MOS管的源极与第二P沟道MOS管的源极共电源连接，第一P沟道MOS管的漏极、第一P沟道MOS管的栅极及第二P沟道MOS管的栅极经第一电流源接地，第二P沟道MOS管的漏极经电阻接FB端；所述第一电压采样模块，包括第一单稳态触发器、第一传输门、第一非门、第一电容，所述第一单稳态触发器的输入端接控制时钟模块，第一单稳态触发器的输出端与第一传输门的反向控制端连接，第一单稳态触发器的输出端还经第一非门接第一传输门的正向控制端，第一传输门的输入端与电平上移模块的第二P沟道MOS管的漏极连接，第一传输门的输出端经第一电容接地；所述第一比较锁存模块，包括第一比较器、第一与非门、第一RS触发器，所述第一比较器的正端接FB端，第一比较器的负端接第一电压采样模块的第一传输门的输出端，第一比较器的输出端经第一与非门接第一RS触发器的S端；所述第一控制脉冲发生器，包括第一计数器、第二与非门、第三与非门，所述第一计数器的CP端接控制时钟模块，第一计数器的Clr端接第一比较锁存模块的第一 RS触发器的输出端，第一计数器的端与第一RS触发器的输出端经第二与非门输出，第二与非门的输出端、第一RS触发器的输出端与控制时钟模块还经第三与非门接第一RS触发器的R端；所述跌落快速响应模块，包括第二非门、第三P沟道MOS管、第四P沟道MOS管、第三N沟道MOS管，所述第三P沟道MOS管的栅极接与第二与非门的输出端连接，第二与非门的输出端还经第二非门接第三N沟道MOS管的栅极，第三P沟道MOS管的源极接电源，第三P沟道MOS管的漏极分别与FB端及第四P沟道MOS管的源极连接，第四P沟道MOS管的栅极接电压信号，第四P沟道MOS管的漏极与第三N沟道MOS管的漏极连接，第三N沟道MOS管的源极接地。
优选的，所述过冲快速响应模块，包括：电平下移模块，将FB端电压下移一个小的第二正压降(ΔV2)生成FB端电压减第二正压降的下移后的电压(VFB-ΔV2),并且把这个下移后的电压(VFB-ΔV2)传送给第二电压采样模块；第二电压采样模块，在时钟的控制下周期性地采样下移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存的电压被传送到第二比较锁存模块；第二比较锁存模块，将采样保存的电压与FB端电压进行比较，比较结果输出给稳态判断模块，并且比较结果被锁存器锁存下来进行判断，若FB端口的电压比采样保存的电压低，并且电压环路处于稳态状态下，则输出逻辑“是”信号，表示开关电源的输出电压突然增加了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然增加；第二控制脉冲发生器，接收到逻辑“是”信号后输出过冲动态响应信号，控制过冲快速响应模块在设定时间内进行快速响应，并且在过冲快速响应模块的设定时间结束后产生复位信号使锁存器复位；过冲快速响应模块，收到过冲动态响应信号后，迅速从FB端抽取电流，使FB端电压迅速下降到第二预设值，从而使占空比迅速减小；在FB端电压迅速下降到第二预设值后，立刻停止抽取电流，让电压环路自行调节。
优选的，所述过冲快速响应模块，还包括控制时钟模块，用于输出时钟信号，所述电平下移模块，包括第二电流源、第一N沟道MOS管、第二N沟道MOS管、第二电阻，所述第二电流源分别与第一N沟道MOS管的漏极、第一N沟道MOS管的栅极及第二N沟道MOS管的栅极连接，第一N沟道MOS管的源极与第二N沟道MOS管的源极共地连接，第二N沟道MOS管的漏极经第二电阻接FB端；所述第二电压采样模块，包括第二单稳态触发器、第二传输门、第三非门、第二电容，所述第二单稳态触发器的输入端接控制时钟模块，第二单稳态触发器的输出端与第二传输门的反向控制端连接，第二单稳态触发器的输出端还经 第三非门接第二传输门的正向控制端，第二传输门的输入端与第二N沟道MOS管的漏极连接，第二传输门的输出端经第二电容接地；所述第二比较锁存模块，包括第二比较器、第四与非门、第二RS触发器，所述第二比较器的正端接第二传输门的输出端，第二比较器的负端接FB端，第二比较器的输出端经第四与非门接第二RS触发器的S端；所述第二控制脉冲发生器，包括第二计数器、第五与非门、第六与非门，所述第二计数器的CP端接控制时钟模块，第二计数器的Clr端与第二RS触发器的输出端连接，第二计数器的端与第二RS触发器的输出端经第五与非门输出，第五与非门的输出端、第二RS触发器的输出端与时钟信号还经第六与非门接第二RS触发器的R端；所述过冲快速响应模块，包括第四非门、第四N沟道MOS管，所述第二控制脉冲发生器的第五与非门的输出端经第四非门与第四N沟道MOS管的栅极连接，所述FB端经二极管与第四N沟道MOS管的漏极连接，第四N沟道MOS管的源极接地。
优选的，所述跌落快速响应模块或过冲快速响应模块，所述稳态判断模块，包括第三计数器、第三RS触发器、或非门，所述第三计数器的CP端接控制时钟模块，第三计数器的端与第三RS触发器的S端连接，所述第一比较锁存模块的第一比较器的输出端及第二比较锁存模块的第二比较器的输出端经或非门分别与第三计数器的Clr端及第三RS触发器的R端连接，第三RS触发器的Q端与第一比较器的输出端经第一与非门与第一RS触发器的S端连接，第三RS触发器的Q端还与第二比较锁存模块的第二比较器的输出端经第二与非门接第二RS触发器的S端。
附图说明
图1为现有技术的副边反馈控制的反激式开关电源的应用电路图；
图2为本发明开关电源的动态快速响应电路的电路框图；
图3为本发明开关电源的动态快速响应电路的电路原理图；
图4为本发明开关电源的动态快速响应电路的单稳态触发器的电路原理图。
具体实施方式
在以下的具体描述中，仅为了更好地理解本发明的内容而描述了本发明的某些示范性实施例。正如本领域技术人员将认识到的，可以以各种不同的方式对这里所描述的实施例进行改变，而所有这些改变均不脱离本发明的精神或范围。因此，附图和描述是说明性的， 而非限定性的。
请参阅图2，为本发明提供的一种开关电源的动态快速响应电路，它具有跌落快速响应和过冲快速响应的功能，所以包括两路检测及相应的响应模块电路。第一路跌落快速响应电路包括：电平上移模块11、电压采样模块12、比较锁存模块13、控制脉冲发生器14、跌落快速响应模块15，电平上移模块11的输入端口与控制器的FB端相连；电平上移模块11的输出信号传送给电压采样模块12；电压采样模块12的输出信号传送给比较锁存模块13；比较锁存模块13的输出信号分别传送给控制脉冲发生器14和稳态判断模块50，同时又接收它们的反馈信号；跌落快速响应模块15在控制脉冲发生器14发出的控制信号作用下进行跌落快速响应，它通过迅速增加与其连接的FB端电压来实现。
第二路过冲快速响应电路包括：电平下移模块21、电压采样模块22、比较锁存模块23、控制脉冲发生器24、过冲快速响应模块25。同时还包括提高抗干扰能力的稳态判断模块50。在第二路过冲动态响应支路上，电平下移模块21的输入端口与控制器的FB端相连；电平下移模块21的输出信号传送给电压采样模块22；电压采样模块22的输出信号传送给比较锁存模块23；比较锁存模块23的输出信号分别传送给控制脉冲发生器24和稳态判断模块50，同时又接收它们的反馈信号；过冲快速响应模块25在控制脉冲发生器24发出的控制信号作用下进行过冲快速响应，它通过迅速减小与其连接的FB端电压来实现。
本发明的工作原理是：在第一条跌落快速响应支路上，电平上移模块11将FB端电压VFB上移一个小的正压降ΔV1生成FB端电压VFB加正压降ΔV1的上移后的电压(VFB+ΔV1),并且把这个上移后的电压(VFB+ΔV1)传送给电压采样模块12。电压采样模块12在时钟的控制下周期性地采样上移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存的电压被传送到比较锁存模块13。比较锁存模块13将采样保存的电压与FB端电压进行比较，比较结果输出给稳态判断模块50，并且比较结果被锁存器锁存下来，若FB端电压比采样保存的电压高，并且电压环路处于稳态状态下，即输出逻辑“是”(高或者低电平)信号，表示开关电源的输出电压突然跌落了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然跌落。控制脉冲发生器14接收到逻辑“是”信号后会输出跌落动态响应信号，控制跌落快速响应模块15在设定时间内进行快速响应，并且在跌落快速响应模块15的设定时间结束后产生复位信号使锁存器复位。跌落快速响应模块15在收到跌落动态响应信号后，输出电流从FB端流出，使FB端电压VFB迅速充电到对应满载或重载状态时的FB端电压值，从而使占空比迅速增加，FB端电压VFB迅速上升到预设 值后，立刻停止输出电流，让电压环路自行调节。
从上述的输出电压跌落的快速响应工作原理容易看出，电压采样模块12实际上保存的是刚过去不久的FB端电压VFB的上移电压(VFB+ΔV1)，若当前FB端电压VFB’的电压比刚保存的FB端电压VFB的上移电压(VFB+ΔV1)还大，说明当前FB端电压正在迅速上升，侧面反映出开关电源的输出电压突然跌落。所以通过检测FB端电压的突增，可判断开关电源输出电压突然跌落这一事件的发生，迅速提高占空比后立即遏制输出电压跌落的趋势，大大减小跌落的幅度。由于FB端电压VFB上升到重载区后，环路自行调节输出电压，不会引起额外的输出过冲电压。
在第二条过冲快速响应支路上，电平下移模块21将FB端电压VFB下移一个小的正压降ΔV2生成FB端电压VFB减正压降ΔV2的下移后的电压(VFB-ΔV2),并且把这个下移后的电压(VFB-ΔV2)传送给电压采样模块22。电压采样模块22在时钟的控制下周期性地采样下移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存下来的电压被传送到比较锁存模块23。比较锁存模块23将采样保存的电压与FB端口的电压进行比较，比较结果输出给稳态判断模块50，并且比较结果被锁存器锁存下来进行判断，若FB端电压比采样保存的电压低，并且电压环路处于稳态状态下，即输出逻辑“是”(高或者低电平)信号，表示开关电源的输出电压突然增加了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然增加。当控制脉冲发生器24接收到逻辑“是”信号后输出过冲动态响应信号，控制过冲快速响应模块25在设定时间内进行快速响应，并且在过冲快速响应模块25的设定时间结束后产生复位信号使RS触发器复位。过冲快速响应模块在收到过冲动态响应信号后，迅速从FB端抽取电流，使FB端电压迅速下降到对应轻负载或空载状态时的VFB电压值，从而使占空比迅速减小；在FB端电压VFB迅速下降到预设值后，立刻停止抽电，让电压环路自行调节。
从上述的输出电压过冲的快速响工作原理容易看出，电压采样模块2实际上是刚采集保存的FB端电压VFB的下移电压(VFB-ΔV2)，若当前FB端电压VFB’的电压比刚采集保存的FB端电压VFB的下移电压(VFB-ΔV2)还小，说明当前FB端电压正在迅速下降，侧面反映出开关电源的输出电压突然增加。所以通过检测FB端电压的突减，可判断开关电源输出电压突然增加这一事件的发生，迅速减小占空比后立即遏制输出电压上升的趋势，大大减小过冲的幅度。由于FB端电压VFB下降到轻负载区后，环路自行调节输出电压，不会出现占空比长期被限制得过小的情况。
同时，本发明还设有稳态判断模块，它的工作原理是：在持续时间段n微秒(时间根据需要而设定)内稳定判断模块50都没有接收到来自比较锁存模块13和比较锁存模块23所发出的有效信号，则稳态判断模块50才输出有效高电平，表示FB端电压VFB已经进入稳定状态。只有FB端电压VFB被判断进入稳定状态后，才允许输出电压跌落动态响应信号或电压过冲动态响应信号，可达到提高抗干扰性能。例如，在开关电源启动过程中，虽然VFB在快速变化，但是由于它一直没能到达稳定状态，不会发生动态响应的动作。又如，在发生输出电压跌落快速响应这一动作以后，VFB可能被充电得过高，经过反馈电压环路的调节又会把VFB的电压减下来，若没有稳态判断模块，这时VFB的突然减小可能被误认为开关电源输出电压突然增加，导致输出电压过冲快速响应的误发生。从而不管是ACDC的开关电源控制器还是DCDC的电源控制器，在轻负载的降频工作模式下，均可保障电路环路工作的稳定性，且动态响应快速，因此完全可采用绿色降频工作模式来增加工作效率和减小空载待机功耗，同时能使动态响应速度有极大地提高。
此外，为了提供一种对本发明内容更直观的认识，在下面的实施例描述中说明了一些具体参数的设计，例如“ΔV1＝100mV”、输出有效低电平，还有利用或门来实现相应的逻辑关系，这些只是为了增强感性认识，并不作为本发明的限定。因为，众所周知，具体参数的设计根据实际应用而定，逻辑关系的实现电路也是多种多样的。
如图3所示，是本发明实施例的电路框图，它包括：电平上移模块11、电压采样模块12、比较锁存模块13、控制脉冲发生器14、跌落快速响应模块15、电平下移模块21、电压采样模块22、比较锁存模块23、控制脉冲发生器24、过冲快速响应模块25、控制时钟模块30、稳态判断模块50。
其中，电平上移模块11，包括电流源Iref1、P沟道MOS管MP1、P沟道MOS管MP2、电阻R1，MOS管MP1的源极与MOS管MP2的源极共电源连接，MOS管MP1的漏极、MOS管MP1的栅极及MOS管MP2的栅极经电流源Iref1接地，MOS管MP2的漏极经电阻R1接FB端。
电平上移模块11的功能是，将FB端电压上移一个小的电压降ΔV1，产生一个新的电压V1＝VFB+ΔV1，即用一个P型电流镜Iref1产生的电流I1流经电阻R1，则电阻R1的压降为ΔV1＝I1*R1，从而使上移模块输出上移电压V1＝VFB+I1*R1。
电平下移模块21，包括电流源Iref2、N沟道MOS管MN1、N沟道MOS管MN2、电阻R2，电流源Iref2分别与MOS管MN1的漏极、MOS管MN1的栅极及MOS管MN2的栅极连接，MOS管MN1的源极与MOS管MN2的源极共地连接，MOS管MN2的漏极经电阻R2接FB端。
电平下移模块21的功能是将FB端电压下移一个小的电压降ΔV2，产生一个新的电压V2＝VFB-ΔV2，采用一个N型电流镜Iref2产生的电流I2流经电阻R2，则电阻R2的压降为ΔV2＝I2*R2，从而使下移模块输出下移电压V2＝VFB-I2*R2。
电压采样模块12，包括单稳态触发器D1、传输门G1、非门N1、电容Cs1，单稳态触发器D1的输入端接控制时钟模块30，单稳态触发器D1的输出端与传输门G1的反向控制端连接，单稳态触发器D1的输出端还经非门N1接传输门G1的正向控制端，传输门G1的输入端与电平上移模块11的MOS管MP2的漏极连接，传输门G1的输出端经电容Cs1接地。
电压采样模块22，包括单稳态触发器D2、传输门G2、非门N3、电容Cs2，单稳态触发器D2的输入端接控制时钟模块30，单稳态触发器D2的输出端与传输门G2的反向控制端连接，单稳态触发器D2的输出端还经非门N3接传输门G2的正向控制端，传输门G2的输入端与电平下移模块21的MOS管MN2的漏极连接，传输门G2的输出端经电容Cs2接地。
电压采样模块12和电压采样模块22的功能都是采样保存移位以后的电压，它们分别采样保存上移电压V1和下移电压V2。在控制时钟模块30的时钟信号CLK的下降沿处单稳态触发器(单稳态触发器的内部电路如图4所示)输出低电平脉冲信号Pulse，在这窄脉冲的控制下传输门G1、G2处于导通状态，采样电容CS1、CS2上电压被充放电到上移电压V1或者下移电压V2。低电平脉冲信号Pulse恢复到高电平后，传输门G1、G2关断，进入采样保持阶段，在此阶段内采样电容CS1、CS2保存采样到的电压，直到下一周期重新采样刷新。容易看出，在采样保持阶段内采样电容上的电压实际上是上一个采样周期的电压，与比较锁存模块中的电压比较相当于当前FB端电压VFB与上一采样周期的FB端电压VFB的比较。
比较锁存模块13，包括比较器C1、与非门A1、RS触发器RS1，比较器C1的正端(图中标“+”端)接FB端，比较器C1的负端(图中标“-”端)接电压采样模块12的传输门G1的输出端，比较器C1的输出端经与非门A1接RS触发器RS1的S端。
比较锁存模块23，包括比较器C2、与非门A4、RS触发器RS2，比较器C2的正端(图中标“+”端)接电压采样模块22的传输门G2的输出端，比较器C2的负端(图中标“-”端)接FB端，比较器C2的输出端经与非门A4接RS触发器RS2的S端。
比较锁存模块13和比较锁存模块23的功能都是将当前VFB电压与电压采样模块中保存的移位以后的电压进行比较，用RS触发器把比较结果锁存起来，并将其比较结果(Set1或Set2)分别传送给控制脉冲发生器14和控制脉冲发生器24。由于比较锁存模块13和比较锁存模块23的工作过程基本相同，现以比较锁存模块13为例来说明其工作过程是，若 当前FB端电压VFB电压比采样保存电压VS1高，则比较器C1输出高电平，若此时稳态判断模块50中的RS触发器RS3输出Stable＝“1”(表示稳定状态)，则与非门A1输出低电平，将比较锁存模块13中的RS触发器RS1置为“1”，即Set1＝“1”，通知控制脉冲发生器14产生快速响应控制脉冲信号；若当前VFB没有比VS1大，Set1一直保持“0”状态。
控制脉冲发生器14，包括计数器J1、与非门A2、与非门A3，计数器J1的CP端接控制时钟模块30，计数器J1的Clr端接比较锁存模块13的RS触发器RS1的输出端，计数器J1的端与RS触发器RS1的输出端经与非门A2输出，与非门A2的输出端、RS触发器RS1的输出端与控制时钟模块30还经与非门A3接RS触发器RS1的R端；
控制脉冲发生器24，包括计数器J2、与非门A5、与非门A6，计数器J2的CP端接控制时钟模块30，计数器J2的Clr端接比较锁存模块23的RS触发器RS2的输出端，计数器J2的端与RS触发器RS2的输出端经与非门A5输出，与非门A5的输出端、RS触发器RS2的输出端与控制时钟模块30还经与非门A6接RS触发器RS2的R端；
控制脉冲发生器14、24的作用都是在接收到比较锁存模块13、23的比较结果时产生动态响应信号，即控制脉冲发生器14产生一定宽度的低电平有效的跌落动态响应信号，控制脉冲发生器24产生一定宽度的低电平有效的过冲动态响应信号，以分别控制动态响应模块15、25在规定的时间内快速响应，并且在响应结束后产生复位信号使比较锁存模块13、23中的RS触发器复位。由于控制脉冲发生器14、24的工作过程基本相同，现以控制脉冲发生器14为例来说明其工作过程：初始状态下，Set1＝“0”，Pulse1＝“1”，Q_＝“1”，Rset1＝“1”。当控制脉冲发生器14接收到有效控制信号Set1＝“1”时，控制信号Pusle1立刻变为有效电平“0”，由于控制脉冲发生器14中的计数器J1异步清零端Clr＝“1”，计数器J1开始计数。待计数器J1计数结束后，计数器J1输出Pulse1重新恢复到无效电平“1”。当控制时钟模块30的时钟信号上升沿到来后CLK＝“1”，输出复位信号Rset1＝“0”，使比较锁存模块13中的RS触发器RS1复位，Set1＝“0”，计数器J1也被清零，Rset1重新恢复到无效电平“1”。所以有效控制信号输出完毕后，又回到了初始状态。
稳态判断模块50，包括计数器J3、RS触发器RS3、或非门U1，计数器J3的CP端接控制时钟模块30，计数器J3的端与RS触发器RS3的S端连接，比较锁存模块13的比较器C1的输出端及比较锁存模块23的比较器C2的输出端经或非门U1分别接计数器J3的Clr端及RS触发器RS3的R端，RS触发器RS3的Q端与比较锁存模块13的比较器C1的输出端 经与非门A1接RS触发器RS1的S端，RS触发器RS3的Q端还与比较锁存模块23的比较器C2的输出端经与非门A4接RS触发器RS2的S端。
稳态判断模块50的作用是判断开关电源的电压环路是否进入稳态，原理是在计数器规定的时间内FB端电压一直没有出现大幅度的上下波动，则认为FB端电压VFB基本保持稳定，电压环路已经进入稳定状态。只要FB端电压出现较大波动，比较锁存模块13或者比较锁存模块23中的比较器就会输出高电平，通过或非门耦合后把计数器异步清零，RS也会被清零。所以只有FB端电压在规定时间(由计时器决定)内未出现大的波动，没有清零信号的产生，计数器计数后将RS触发器置成“1”，即Stable＝“1”，表示判断结果为稳定状态。
跌落快速响应模块15，包括非门N2、P沟道MOS管MP3、P沟道MOS管MP4、N沟道MOS管MN3，MOS管MP3的栅极接与控制脉冲发生器14的与非门A2的输出端连接，与非门A2的输出端还经非门N2接MOS管MN3的栅极，MOS管MP3的源极接电源，MOS管MP3的漏极分别与FB端及MOS管MP4的源极连接，MOS管MP4的栅极接电压信号Vref，MOS管MP4的漏极与MOS管MN3的漏极连接，MOS管MN3的源极接地。
跌落快速响应模块15，它的作用是在检测到FB端电压突然快速增加时迅速提供电流加速FB端电压VFB的上升速率，并且FB端电压VFB上升到预设值后不再上升，该预设值对应于开关电源满载或重载时稳态下的FB端电压VFB。其工作原理是，在动态响应信号Pulse1＝“0”的作用下，P沟道MOS管MP3和N沟道MOS管MN3导通，由于此时VFB的电压还未达到嵌位电压(Vref+VSG4)(其中VSG4是MP4的源栅电压)，MOS管MP4不通过电流，MOS管MP3开通后流过的大电流直接给FB端充电，使FB端电压VFB迅速提高。但FB端电压VFB超过(Vref+VSG4)时，电流将被起嵌位作用的MOS管MP4泄放掉，从而使FB端电压VFB被嵌位在(Vref+VSG4)附近，不能再上升更高。
过冲快速响应模块25，包括非门N4、N沟道MOS管MN4，控制脉冲发生器24的与非门A5的输出端经非门N4与MOS管MN4的栅极连接，FB端经二极管D1与MOS管MN4的漏极连接，MOS管MN4的源极接地；
过冲快速响应模块25，它的作用是在检测到FB端电压突然快速减小时迅速抽取电流加速FB端电压VFB的下降速率，并且FB端电压VFB下降到预设值后不再下降，该预设值对应于开关电源轻负载或空载时稳态下的FB端电压VFB。其工作原理是，在动态响应信号Pulse2＝“0”的作用下，MOS管MN4导通，从FB端抽取大电流，使得FB端电压VFB迅速下降。但是由于二极管D1正向压降VD1的存在，FB端电压VFB最小电压大于VD1。若想VFB最小电压更高一些，可再串联一个与二极管D1同向的二极管。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (9)
1.一种开关电源的动态快速响应方法，包括如下步骤，
跌落快速响应步骤，在检测到FB端电压突然快速增加时发出跌落动态响应信号，迅速向FB端提供电流，加速FB端电压的上升速率，并在FB端电压上升到第一预设值后停止向FB端提供电流，该FB端电压的第一预设值对应于开关电源满载或重载时稳态下的FB端电压值；
过冲快速响应步骤，在检测到FB端电压突然快速减小时发出过冲动态响应信号，迅速抽取FB端的电流，加速FB端电压的下降速率，并在FB端电压下降到第二预设值后停止抽取FB端的电流，该FB端电压的第二预设值对应于开关电源轻负载或空载时稳态下的FB端电压值；
稳态判断步骤，判断开关电源的电压环路是否进入稳态，
若在计数器规定的时间内FB端电压一直没有出现大幅度的上下波动，认为FB端电压基本保持稳定，亦电压环路已经进入稳定状态，则允许输出跌落动态响应信号或过冲动态响应信号；
若在计数器规定的时间内FB端电压出现大幅度的上下波动，亦电压环路未进入稳定状态，则不允许输出跌落动态响应信号或过冲动态响应信号。
2.根据权利要求1所述的开关电源的动态快速响应方法，其特征是：所述跌落快速响应步骤，包括：
将FB端电压上移一个小的第一正压降(ΔV1)生成FB端电压加第一正压降的上移后的电压(VFB+ΔV1),并且把这个上移后的电压(VFB+ΔV1)传送给第一电压采样模块；
在时钟的控制下周期性地采样上移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存的电压被传送到第一比较锁存模块；
将采样保存的电压与FB端电压进行比较，比较结果输出给稳态判断模块，并且比较结果被锁存器锁存下来进行判断，若FB端电压比采样保存的电压高，并且电压环路处于稳态状态下，则输出逻辑“是”信号，表示开关电源的输出电压突然跌落了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然跌落；
接收到逻辑“是”信号后输出跌落动态响应信号，控制跌落快速响应模块在设定时间内进行快速响应，并且在跌落快速响应模块的设定时间结束后产生复位信号使锁存器复位；
收到跌落动态响应信号后，输出电流从FB端流出，使FB端电压迅速充电到第一预设值，从而使占空比迅速增加；在FB端电压上升到第一预设值后，立刻停止输出电流，让电压环路自行调节。
3.根据权利要求1所述的开关电源的动态快速响应方法，其特征是：所述过冲快速响应步骤，包括：
将FB端电压(VFB)下移一个小的第二正压降(ΔV2)生成FB端电压减第二正压降的下移后的电压(VFB-ΔV2),并且把这个下移后的电压(VFB-ΔV2)传送给第二电压采样模块；
在时钟的控制下周期性地采样下移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存的电压被传送到第二比较锁存模块；
将采样保存的电压与FB端电压进行比较，比较结果输出给稳态判断模块，并且比较结果被锁存器锁存下来进行判断，若FB端电压比采样保存的电压低，并且电压环路处于稳态状态下，则输出逻辑“是”信号，表示开关电源的输出电压突然增加了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然增加；
接收到逻辑“是”信号后输出过冲动态响应信号，控制过冲快速响应模块在设定时间内进行快速响应，并且在过冲快速响应模块的设定时间结束后产生复位信号使锁存器复位；
收到过冲动态响应信号后，迅速从FB端抽取电流，使FB端电压迅速下降到第二预设值，从而使占空比迅速减小；在FB端电压下降到第二预设值后，立刻停止抽取电流，让电压环路自行调节。
4.一种开关电源的动态快速响应电路，其特征是：包括：
跌落快速响应模块，在检测到FB端电压突然快速增加时发出跌落动态响应信号，迅速向FB端提供电流，加速FB端电压的上升速率，并在FB端电压上升到第一预设值后停止向FB端提供电流，该FB端电压的第一预设值对应于开关电源满载或重载时稳态下的FB端电压值；
过冲快速响应模块，在检测到FB端电压突然快速减小时发出过冲动态响应信号，迅速抽取FB端的电流，加速FB端电压的下降速率，并在FB端电压下降到第二预设值后停止抽取FB端的电流，该FB端电压的第二预设值对应于开关电源轻负载或空载时稳态下的FB端电压值；
稳态判断模块，判断开关电源的电压环路是否进入稳态，
若在计数器规定的时间内FB端电压一直没有出现大幅度的上下波动，认为FB端电压基本保持稳定，亦电压环路已经进入稳定状态，则允许输出跌落动态响应信号或过冲动态响应信号；
若在计数器规定的时间内FB端电压出现大幅度的上下波动，亦电压环路未进入稳定状态，则不允许输出跌落动态响应信号或过冲动态响应信号。
5.根据权利要求4所述的开关电源的动态快速响应电路，其特征是：所述跌落快速响应模块，包括：
电平上移模块，将FB端电压上移一个小的第一正压降(ΔV1)生成FB端电压加第一正压降的上移后的电压(VFB+ΔV1),并且把这个上移后的电压(VFB+ΔV1)传送给第一电压采样模块；
第一电压采样模块，在时钟的控制下周期性地采样上移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存的电压被传送到第一比较锁存模块；
第一比较锁存模块，将采样保存的电压与FB端电压进行比较，比较结果输出给稳态判断模块，并且比较结果被锁存器锁存下来进行判断，若FB端电压比采样保存的电压高，并且电压环路处于稳态状态下，则输出逻辑“是”信号，表示开关电源的输出电压突然跌落了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然跌落；
第一控制脉冲发生器，接收到逻辑“是”信号后输出一定宽度的低电平有效信号，控制跌落动态响应模块在设定时间内进行快速响应，并且在跌落快速响应模块的设定时间结束后产生复位信号使锁存器复位；
跌落快速响应模块，收到跌落动态响应信号后，输出电流从FB端口流出，使FB端口的电压迅速充电到第一预设值，从而使占空比迅速增加；在FB端电压上升到第一预设值后，立刻停止输出电流，让电压环路自行调节。
6.根据权利要求5所述的开关电源的动态快速响应电路，其特征是：还包括控制时钟模块，用于输出时钟信号，
所述电平上移模块，包括第一电流源、第一P沟道MOS管、第二P沟道MOS管、第一电阻，所述第一P沟道MOS管的源极与第二P沟道MOS管的源极共电源连接，第一P沟道MOS管的漏极、第一P沟道MOS管的栅极及第二P沟道MOS管的栅极经第一电流源接地，第二P沟道MOS管的漏极经第一电阻接FB端；
所述第一电压采样模块，包括第一单稳态触发器、第一传输门、第一非门、第一电容，所述第一单稳态触发器的输入端接控制时钟模块，第一单稳态触发器的输出端与第一传输门的反向控制端连接，第一单稳态触发器的输出端还经第一非门接第一传输门的正向控制端，第一传输门的输入端与电平上移模块的第二P沟道MOS管的漏极连接，第一传输门的输出端经第一电容接地；
所述第一比较锁存模块，包括第一比较器、第一与非门、第一RS触发器，所述第一比较器的正端接FB端，第一比较器的负端接第一电压采样模块的第一传输门的输出端，第一比较器的输出端经第一与非门接第一RS触发器的S端；
所述第一控制脉冲发生器，包括第一计数器、第二与非门、第三与非门，所述第一计数器的CP端接控制时钟模块，第一计数器的Clr端接第一比较锁存模块的第一RS触发器的输出端，第一计数器的端与第一RS触发器的输出端经第二与非门输出，第二与非门的输出端、第一RS触发器的输出端与控制时钟模块还经第三与非门接第一RS触发器的R端；
所述跌落快速响应模块，包括第二非门、第三P沟道MOS管、第四P沟道MOS管、第三N沟道MOS管，所述第三P沟道MOS管的栅极接与第二与非门的输出端连接，第二与非门的输出端还经第二非门接第三N沟道MOS管的栅极，第三P沟道MOS管的源极接电源，第三P沟道MOS管的漏极分别与FB端及第四P沟道MOS管的源极连接，第四P沟道MOS管的栅极接电压信号，第四P沟道MOS管的漏极与第三N沟道MOS管的漏极连接，第三N沟道MOS管的源极接地。
7.根据权利要求4所述的开关电源的动态快速响应电路，其特征是：所述过冲快速响应模块，包括：
电平下移模块，将FB端电压下移一个小的第二正压降(ΔV2)生成FB端电压减第二正压降的下移后的电压(VFB-ΔV2),并且把这个下移后的电压(VFB-ΔV2)传送给第二电压采样模块；
第二电压采样模块，在时钟的控制下周期性地采样下移后的电压，并且把采样得到的电压暂时保存下来，等到下一个采样周期再次采样刷新，采样保存的电压被传送到第二比较锁存模块；
第二比较锁存模块，将采样保存的电压与FB端电压进行比较，比较结果输出给稳态判断模块，并且比较结果被锁存器锁存下来进行判断，若FB端口的电压比采样保存的电压低，并且电压环路处于稳态状态下，则输出逻辑“是”信号，表示开关电源的输出电压突然增加了；否则输出逻辑“否”信号，表示开关电源的输出电压没有突然增加；
第二控制脉冲发生器，接收到逻辑“是”信号后输出过冲动态响应信号，控制过冲快速响应模块在设定时间内进行快速响应，并且在过冲快速响应模块的设定时间结束后产生复位信号使锁存器复位；
过冲快速响应模块，收到过冲动态响应信号后，迅速从FB端抽取电流，使FB端电压迅速下降到第二预设值，从而使占空比迅速减小；在FB端电压迅速下降到第二预设值后，立刻停止抽取电流，让电压环路自行调节。
8.根据权利要求7所述的开关电源的动态快速响应电路，其特征是：还包括控制时钟模块，用于输出时钟信号，
所述电平下移模块，包括第二电流源、第一N沟道MOS管、第二N沟道MOS管、第二电阻，所述第二电流源分别与第一N沟道MOS管的漏极、第一N沟道MOS管的栅极及第二N沟道MOS管的栅极连接，第一N沟道MOS管的源极与第二N沟道MOS管的源极共地连接，第二N沟道MOS管的漏极经第二电阻接FB端；
所述第二电压采样模块，包括第二单稳态触发器、第二传输门、第三非门、第二电容，所述第二单稳态触发器的输入端接控制时钟模块，第二单稳态触发器的输出端与第二传输门的反向控制端连接，第二单稳态触发器的输出端还经第三非门接第二传输门的正向控制端，第二传输门的输入端与第二N沟道MOS管的漏极连接，第二传输门的输出端经第二电容接地；
所述第二比较锁存模块，包括第二比较器、第四与非门、第二RS触发器，所述第二比较器的正端接第二传输门的输出端，第二比较器的负端接FB端，第二比较器的输出端经第四与非门接第二RS触发器的S端；
所述第二控制脉冲发生器，包括第二计数器、第五与非门、第六与非门，所述第二计数器的CP端接控制时钟模块，第二计数器的Clr端与第二RS触发器的输出端连接，第二计数器的端与第二RS触发器的输出端经第五与非门输出，第五与非门的输出端、第二RS触发器的输出端与时钟信号还经第六与非门接第二RS触发器的R端；
所述过冲快速响应模块，包括第四非门、第四N沟道MOS管，所述第二控制脉冲发生器的第五与非门的输出端经第四非门与第四N沟道MOS管的栅极连接，所述FB端经二极管与第四N沟道MOS管的漏极连接，第四N沟道MOS管的源极接地。
9.根据权利要求6所述的开关电源的动态快速响应电路，其特征是：
所述稳态判断模块，包括第三计数器、第三RS触发器、或非门，所述第三计数器的CP端接控制时钟模块，第三计数器的端与第三RS触发器的S端连接，所述第一比较锁存模块的第一比较器的输出端及第二比较锁存模块的第二比较器的输出端经或非门分别与第三计数器的Clr端及第三RS触发器的R端连接，第三RS触发器的Q端与第一比较器的输出端经第一与非门与第一RS触发器的S端连接，第三RS触发器的Q端还与第二比较锁存模块的第二比较器的输出端经第二与非门接第二RS触发器的S端。
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| CN102361402A (zh) * | 2011-10-21 | 2012-02-22 | 广州金升阳科技有限公司 | 一种开关电源电路 |
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