CN105226935A - 基于分频振荡器实现频率调制的开关电源 - Google Patents

Abstract

基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，涉及一种开关电源电路。包括：一设置有储能元件的工作电路，在脉冲调制信号作用下于充放电模式之间切换；一控制电路，用以根据一参考电压、一电压反馈信号、一电流检测信号和一时钟信号生成脉冲调制信号；控制电路包括，一误差放大器，用于得到一误差放大信号；时钟信号产生器包括，时钟分频单元，于一参考时钟源的作用下产生多个具有不同频率的时钟信号；选择单元，于误差放大信号的作用下从多个时钟信号中选择其中一个输出至控制电路。本发明通过分频振荡器产生多个设定频率的时钟信号，并通过误差放大信号于设定时间内选择一路设定频率的时钟信号输出至控制电路，使得周期稳定，减小输出电压的纹波。

Description

基于分频振荡器实现频率调制的开关电源

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种开关电源电路。

背景技术

现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类，线性稳压电源，是其调整管工作在放大区，这种稳压电源不会引入额外的干扰，但是体积较大，功率主要取决于变压器和功率管，且变换效率低；开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、体积小、稳压范围宽等特点，开关电源利用现代电力电子技术，控制开关器件导通和关断的时间比率，维持稳定输出电压，脉冲频率调制方式通常被应用于开关电源来提高轻负载效率，工作在节电模式下的开关电源转换器在轻负载电流条件下使用脉冲频率调制模式，在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制模式。然而，由于脉冲频率调制方式控制方法不太容易，因而在开关电源电路中不如脉冲宽度调制应用广泛。现有技术中，为了提高轻负载或待机条件下电路效率，设置了一种低功耗模式，也称：跳周期控制模式(SkipCycleMode)，当电路处于轻载或待机条件时，控制PWM控制器间歇式地发出脉冲信号，以实现恒定频率下通过减小开关次数，增大占空比来提高轻载和待机的效率，跳周期控制模式的脉冲调制信号PFM1的波形图如图1所示，然而这种方法会造成输出纹波较高，控制方法并不理想。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其中，包括：

一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；

一设置有储能元件的工作电路，在所述开关器件组的作用下于充电模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一参考电压、一电压反馈信号、一电流检测信号和一时钟信号生成脉冲调制信号；

所述控制电路包括，

一误差放大器，用于对所述参考电压与所述电压反馈信号进行比较，得到一误差放大信号；

一时钟信号产生器，于所述误差放大信号的作用下调整时钟信号；所述时钟信号产生器包括，

时钟分频单元，于一参考时钟源的作用下产生多个具有不同频率的时钟信号；

选择单元，于所述误差放大信号的作用下从多个所述时钟信号中选择其中一个连接并输出至所述控制电路。

优选地，所述选择单元包括多个并联的开关支路，每一开关支路连接所述时钟分频单元输出的一个设定频率的时钟信号；多个所述开关支路中的一路于所述误差放大信号的作用下于设定时间内导通。

优选地，所述选择单元包括一缓冲器，被选中的所述时钟信号通过所述缓冲器与所述控制电路连接。

优选地，每一开关支路上串联一开关，所述误差放大信号通过一模数转换器转换为数字信号后连接至所述开关的控制端，用以在所述误差放大信号发生变化时使不同的开关导通。

优选地，所述时钟分频单元包括多个级联的D触发器，每一所述D触发器的QN端连接下一个所述D触发器的时钟脉冲输入端，每一所述D触发器的QN端还反馈至同一所述D触发器的信号输入端，第一个所述D触发器的时钟脉冲输入端连接所述参考时钟源，最后一个所述D触发器的QN端仅反馈至同一所述D触发器的信号输入端；每一所述D触发器的Q端用于输出经分频后的时钟信号。

优选地，所述时钟分频单元包括三个级联的D触发器，分别为第一D触发器、第二D触发器和第三D触发器，所述选择单元包括第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路，所述第一D触发器的第一输出端输出第一设定频率的时钟信号；所述第二D触发器的第一输出端输出第二设定频率的时钟信号；所述第三D触发器的第一输出端输出第三设定频率的时钟信号；在误差放大信号的作用下所述第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路中的一路导通，向所述控制电路提供一路设定频率的时钟信号。

优选地，所述控制电路还包括，

一第一比较器，用于对所述误差放大信号与所述电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一PWM控制器，依据所述比较信号和所述时钟信号产生所述脉冲调制信号。

优选地，所述工作电路包括：

一充电控制支路，连接于一输入电压端与一第一交汇结点之间；

一充放电支路，连接于所述第一交汇结点与一输出电压端之间；

一放电控制支路，连接于所述第一交汇结点与一接地端之间，所述储能元件串联于所述充放电支路上；

所述工作电路于充电模式时，所述开关器件组控制所述充电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述储能元件充电；

所述工作电路于放电模式时，所述开关器件组控制所述放电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述充电控制支路断开，使所述储能元件对所述输出端放电。

优选地，所述控制电路还包括，

一反馈网络，连接于所述输出电压端与所述接地端之间，用以产生所述电压反馈信号；

一电流检测电路，可控制的并联于所述输入电压端与所述第一交汇结点之间，用以根据脉冲调制信号产生所述电流检测信号。

优选地，所述电流检测电路包括：

一检测电阻，串联于所述电流检测电路上；

一检测补偿单元，连接所述检测电阻的两端，用以检测流过所述检测电阻的电流；

一受脉冲调制信号控制通断的检测控制开关，连接于所述电流检测电路上。

有益效果：由于采用以上技术方案，本发明通过分频振荡器产生多个设定频率的时钟信号，并通过误差放大信号于设定时间内选择一路设定频率的时钟信号输出至控制电路，使得周期稳定，减小输出电压的纹波。

附图说明

图1为现有技术的脉冲调制信号PFM1的波形图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明的时钟信号产生器的电路示意图；

图4为本发明的脉冲调制信号PFM2的波形图。

具体实施方式

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的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参照图2、图3，基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其中，包括：

一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；

一设置有储能元件的工作电路，在开关器件组的作用下于充电模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一参考电压Vref1、一电压反馈信号Vfb、一电流检测信号和一时钟信号生成脉冲调制信号；

控制电路包括

一误差放大器1，用于对参考电压Vref1与电压反馈信号Vfb进行比较，得到一误差放大信号EAout；

一时钟信号产生器2，于误差放大信号EAout的作用下调整时钟信号；时钟信号产生器2，包括，

时钟分频单元221，于一参考时钟源2211的作用下产生多个具有不同频率的时钟信号；

选择单元222，于误差放大信号EAout的作用下从多个时钟信号中选择其中一个连接并输出至控制电路。

作为本发明的一种优选的实施例，选择单元222包括多个并联的开关支路，每一开关支路连接时钟分频单元221输出的一个设定频率的时钟信号；多个开关支路中的一路于误差放大信号EAout的作用下于设定时间内导通。

作为本发明的一种优选的实施例，选择单元222包括一缓冲器22，被选中的所述时钟信号通过缓冲器22与控制电路连接。

作为本发明的一种优选的实施例，每一开关支路上串联一开关，误差放大信号EAout通过一模数转换器21转换为数字信号后连接至开关的控制端。用以在所述误差放大信号发生变化时使不同的开关导通。开关可以采用P沟道MOSFET或N沟道MOSFET。

作为本发明的一种优选的实施例，时钟分频单元221包括多个级联的D触发器，每一D触发器包括信号输入端D、时钟脉冲输入端CK和Q端、QN端，一D触发器的QN端连接下一个D触发器的时钟脉冲输入端CK，每一D触发器的QN端的信号反馈至同一D触发器的信号输入端D，其中第一个D触发器的时钟脉冲输入端CK连接参考时钟源2211。最后一个D触发器的QN端仅反馈至同一D触发器的信号输入端D；每一D触发器的Q端用于输出经分频后的时钟信号。

作为本发明的一种优选的实施例，时钟分频单元221包括三个级联的D触发器，分别为第一D触发器DFF1、第二D触发器DFF2和第三D触发器DFF3，选择单元222包括第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路，第一开关支路上设有第一开关S3，第二开关支路上设有第二开关S4，第三开关支路上设有第三开关S5，第一D触发器的Q端输出第一设定频率的时钟信号；第二D触发器的Q端输出第二设定频率的时钟信号；第三D触发器的第一输出端输出第三设定频率的时钟信号；在误差放大信号EAout的作用下第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路中的一路导通，向控制电路提供一路设定频率的时钟信号。本发明的第一开关S3、第二开关S4和第三开关S5可以采用N沟道MOSFET和/或P沟道MOSFET实现。

根据***的实际需要，可以采用其他数量的D触发器实现，本发明也可以采用其他类型的触发器或其他类型的时钟源产生上述不同设定频率的时钟信号。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括，

一第一比较器3，用于对误差放大信号EAout与电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一PWM控制器5，PWM控制器5连接时钟信号，依据比较信号和时钟信号产生脉冲调制信号。

作为本发明的一种优选的实施例，工作电路包括：

一充电控制支路，连接于一输入电压端VDD与一第一交汇结点Lx之间；

一充放电支路，连接于第一交汇结点Lx与一输出电压端Vout之间；

一放电控制支路，连接于第一交汇结点Lx与一接地端GND之间，储能元件串联于充放电支路上；

工作电路于充电模式时，第一开关器件组控制充电控制支路及充放电支路导通，并控制放电控制支路断开，使输入端输入的电流对储能元件充电；

工作电路于放电模式时，第一开关器件组控制放电控制支路及充放电支路导通，并控制充电控制支路断开，使储能元件对输出端放电。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括，

一反馈网络，连接于输出电压端Vout与接地端GND之间，用以产生电压反馈信号；

一电流检测电路，可控制的并联于输入电压端VDD与第一交汇结点Lx之间，用以根据脉冲调制信号产生电流检测信号。

作为本发明的一种优选的实施例，反馈网络主要由一电阻分压电路形成，电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于输出电压端Vout与接地端GND之间的分压电阻，分压电阻间相连接的点形成分压节点；

反馈电压信号自预定的分压节点处引出。

一种具体实施例，反馈网络包括相互串联的第一电阻R1和第二电阻R2，反馈电压信号自第一电阻R1和第二电阻R2相连接的节点处引出。

作为本发明的一种优选的实施例，电流检测电路包括：

一检测电阻Rb，串联于电流检测电路上；

一检测补偿单元4，连接检测电阻Rb的两端，用以检测流过检测电阻的电流；

一受脉冲调制信号控制通断的检测控制开关Mp2，连接于电流检测电路上。

检测补偿单元4还与时钟信号连接，用于对检测电流进行补偿，目的在于稳定电流检测环路。

作为本发明的一种优选的实施例，本发明的储能元件采用电感元件L，输出端Vout与接地端GND之间还连接一滤波电容C1。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括一过零检测电路6，过零检测电路6的输出端与PWM控制器5连接。在开关电源电路中，当负载较大时，电感电流在整个周期内不会回到零，使得电路通常处于连续导通模式，但当负载电流持续下降且低到某一临界值时，第一开关管Mp和第二开关管Mn在一个周期内可能同时关闭，此时电感电流的工作模式称为不连续导通模式，在此期间电感上的电流为零，在不连续电感电流模式下时，由于变换器内部的逻辑延迟、线延迟和寄生等因素的影响，致使负载电流继续下降到临界值时，第二开关管Mn并没有关断或没有完全关断，此时会导致电流倒灌，使得输出电压发送极大的波动，影响***的性能指标，通过设置过零检测电路6用于防止电流倒灌，避免上述问题，可以采用现有技术的过零检测电路来实现，在此不作赘述。

本发明通过分频振荡器产生多个设定频率的时钟信号，并通过误差放大信号于设定时间内选择一路设定频率的时钟信号输出至控制电路，使得周期稳定，减小输出电压的纹波。如图4所示的脉冲调制信号PFM2的波形图相比图1所示的脉冲调制信号，周期稳定，实现减小输出电压的纹波的目的。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，包括：

一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；

一设置有储能元件的工作电路，在所述开关器件组的作用下于充电模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一参考电压、一电压反馈信号、一电流检测信号和一时钟信号生成脉冲调制信号；

所述控制电路包括，

一误差放大器，用于对所述参考电压与所述电压反馈信号进行比较，得到一误差放大信号；

一时钟信号产生器，于所述误差放大信号的作用下调整时钟信号；

包括，

时钟分频单元，于一参考时钟源的作用下产生多个具有不同频率的时钟信号；

选择单元，于所述误差放大信号的作用下从多个所述时钟信号中选择其中一个连接并输出至所述控制电路。

2.根据权利要求1所述的基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，所述选择单元包括多个并联的开关支路，每一开关支路连接所述时钟分频单元输出的一个设定频率的时钟信号；多个所述开关支路中的一路于所述误差放大信号的作用下于设定时间内导通。

3.根据权利要求2所述的基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，所述选择单元包括一缓冲器，被选中的所述时钟信号通过所述缓冲器与所述控制电路连接。

4.根据权利要求2所述的基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，每一开关支路上串联一开关，所述误差放大信号通过一模数转换器转换为数字信号后连接至所述开关的控制端，用以在所述误差放大信号发生变化时使不同的开关导通。

5.根据权利要求2所述的基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，所述时钟分频单元包括多个级联的D触发器，每一所述D触发器的QN端连接下一个所述D触发器的时钟脉冲输入端，每一所述D触发器的QN端还反馈至同一所述D触发器的信号输入端，第一个所述D触发器的时钟脉冲输入端连接所述参考时钟源，最后一个所述D触发器的QN端仅反馈至同一所述D触发器的信号输入端；每一所述D触发器的Q端用于输出经分频后的时钟信号。

6.根据权利要求5所述的基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，所述时钟分频单元包括三个级联的D触发器，分别为第一D触发器、第二D触发器和第三D触发器，所述选择单元包括第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路，所述第一D触发器的第一输出端输出第一设定频率的时钟信号；所述第二D触发器的第一输出端输出第二设定频率的时钟信号；所述第三D触发器的第一输出端输出第三设定频率的时钟信号；在误差放大信号的作用下所述第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路中的一路导通，向所述控制电路提供一路设定频率的时钟信号。

7.根据权利要求1所述的基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，所述控制电路还包括，

一第一比较器，用于对所述误差放大信号与所述电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一PWM控制器，依据所述比较信号和所述时钟信号产生所述脉冲调制信号。

8.根据权利要求1所述的基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，所述工作电路包括：

一充电控制支路，连接于一输入电压端与一第一交汇结点之间；

一充放电支路，连接于所述第一交汇结点与一输出电压端之间；

一放电控制支路，连接于所述第一交汇结点与一接地端之间，所述储能元件串联于所述充放电支路上；

所述工作电路于充电模式时，所述开关器件组控制所述充电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述储能元件充电；

所述工作电路于放电模式时，所述开关器件组控制所述放电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述充电控制支路断开，使所述储能元件对所述输出端放电。

9.根据权利要求8所述的基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，所述控制电路还包括，

一反馈网络，连接于所述输出电压端与所述接地端之间，用以产生所述电压反馈信号；

一电流检测电路，可控制的并联于所述输入电压端与所述第一交汇结点之间，用以根据脉冲调制信号产生所述电流检测信号。

10.根据权利要求9所述的基于分频振荡器实现频率调制的开关电源，其特征在于，所述电流检测电路包括：

一检测电阻，串联于所述电流检测电路上；

一检测补偿单元，连接所述检测电阻的两端，用以检测流过所述检测电阻的电流；

一受脉冲调制信号控制通断的检测控制开关，连接于所述电流检测电路上。