CN105356729A - 一种用于开关电源中的控制电路和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于开关电源中的控制电路和控制方法，通过斜坡补偿电路产生指数斜坡电压信号，并且通过调节所述斜坡补偿电路的时间常数，以控制指数斜坡电压信号的幅值大于三角波信号的幅值的一半，从而使得补偿信号和指数斜坡电压信号叠加的斜率大于三角波信号和反馈电压信号叠加的斜率，实现对功率开关管的及时控制，保证输出电压不会下降过多，***进入断续工作模式下能稳定工作。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源领域，更具体的说，涉及一种用于开关电源中的控制电路和控制方法。
背景技术
在开关电源的反馈控制中，通常是将输出电压反馈补偿信号和表征电感电流的三角波信号进行比较，以获得控制开关电源中功率开关管的开关信号。在通常情况下，表征电感电流的三角波是根据功率开关管的占空比来产生的，例如，如图1所示的三角波信号产生电路，其根据功率开关管的占空比产生相位信号Vphase，相位信号Vphase经过第一级滤波电路滤波后得到第一斜坡信号Vripple，第一斜坡信号Vripple经过第二级滤波电路滤波后得到平均值信号Vavg，之后，所述第一斜坡信号Vripple和所述平均值信号Vavg经过减法运算后得到三角波信号Vtr，第一级滤波电路包括电阻R1和电容C1，第二级滤波电路包括电阻R2和电容C2。
在断续工作模式下，由于占空比信号长时间为低电平或高电平，则表征电感电流的三角波信号就不能保持完整的三角波形状，最后会趋向于上升而达至平均值(为零)，如图2所示，这种情况下会使得输出电压出现较多的下降，而输出电压下降太多又会迫使电路进入连续模式，从而使得***出现不稳定情况，并且，在轻载大电容情况下，输出电压在下降过程中的下降斜率很慢，也导致***容易出现不稳定。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种用于开关电源中的控制电路和控制方法，通过斜坡补偿电路补偿输出电压的反馈电压信号，以使得在断续工作模式下，输出电压不会出现大幅下降的情况，使得***在断续工作模式情况下能够稳定。
依据本发明的一种用于开关电源中的控制电路，所述开关电源的功率级电路包括功率开关管、续流管和电感，所述开关电源接收输入电压通过功率级电路转换为期望的输出电压供给负载，所述控制电路包括三角波信号产生电路、斜坡补偿电路和开关信号产生电路，
所述三角波信号产生电路接收所述功率开关管的开关控制信号，以据此产生表征所述电感电流的三角波信号；
所述斜坡补偿电路包括并联的第一电流源、第一电容、第一电阻和第一开关管，通过所述第一电流源对所述第一电容充电以产生指数斜坡电压信号；
所述开关信号产生电路接收所述输出电压的反馈电压信号、所述三角波信号和所述指数斜坡电压信号，并根据反馈电压信号产生补偿信号，之后，将所述反馈电压信号和所述三角波信号叠加后的信号与所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号叠加后的信号进行比较，以产生比较信号，所述比较信号用以控制所述功率开关管的导通，所述功率开关管导通固定的时间后，则开关信号产生电路产生关断信号控制其断开；
其中，所述指数斜坡电压信号的幅值大于所述三角波信号幅值的一半，所述补偿信号和所述斜坡电压信号叠加后的信号的斜率大于所述反馈电压信号与所述三角波信号叠加后的信号的斜率。
进一步的，，当所述第一开关管断开时，所述第一电流源给所述第一电容充电，所述第一电容两端电压作为所述指数斜坡电压信号；
其中，当所述功率开关管断开时，所述第一开关管断开；或者是所述功率开关管和所述续流管均断开，***进入断续工作模式时，所述第一开关管断开。
进一步的，所述控制电路还包括由分压电阻和前馈电容构成的反馈电路，
所述分压电阻包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和第二分压电阻依次串联连接在所述开关电源的输出端和地之间；
所述前馈电容并联连接在所述第一分压电阻的两端，所述第一分压电阻和第二分压电阻的公共连接点的电压作为所述反馈电压信号。
进一步的，所述三角波信号产生电路包括由电阻R1和电容C1构成的第一级滤波电路、由电阻R2和电容C2构成的第二级滤波电路和减法电路，
所述三角波信号产生电路接收所述开关控制信号，通过所述第一级滤波电路和第二级滤波电路处理后分别获得第一斜坡信号和平均值信号；
所述第一斜坡信号和平均值信号经过减法运算后获得所述三角波信号。
优选的，所述斜坡补偿电路的RC时间常数与所述反馈电路的放电时间常数或所述三角波信号产生电路的放电时间常数一致。
进一步的，所述开关信号产生电路包括跨导放大器、第一加法器、第二加法器、比较器和导通时间控制电路，
所述跨导放大器接收所述反馈电压信号和参考电压信号，经跨导运算和补偿后获得所述补偿信号；
所述第一加法器接收所述反馈电压信号和所述三角波信号，进行叠加处理后以获得第一叠加信号；
所述第二加法器接收所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号，进行叠加处理后以获得第二叠加信号；
所述比较器接收所述第一叠加信号和第二叠加信号，产生所述比较信号；
所述导通时间控制电路接收所述比较信号，以产生所述关断信号。
依据本发明的一种用于开关电源中的控制方法，所述开关电源的功率级电路包括功率开关管、续流管和电感，所述开关电源接收输入电压通过功率级电路转换为期望的输出电压供给负载，所述控制方法包括以下步骤：
接收所述功率开关管的开关控制信号，以据此产生表征所述电感电流的三角波信号；
利用第一电流源给第一电容充电，以产生指数斜坡电压信号，所述第一电容与第一电阻并联连接；
接收所述输出电压的反馈电压信号、所述三角波信号和所述指数斜坡电压信号，根据反馈电压信号产生补偿信号，之后，将所述反馈电压信号和所述三角波信号叠加后的信号与所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号叠加后的信号进行比较，以产生比较信号，所述比较信号用以控制所述功率开关管的关断；
其中，所述指数斜坡电压信号的幅值大于所述三角波信号幅值的一半，所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号叠加后的信号的斜率大于所述反馈电压信号与所述三角波信号叠加后的信号的斜率。
优选的，所述指数斜坡电压信号产生的步骤包括：利用并联的第一电流源、第一电容、第一电阻和第一开关管产生所述指数斜坡电压信号，
当所述第一开关管断开时，所述第一电流源给所述第一电容充电，所述第一电容两端电压作为所述指数斜坡电压信号；
当所述功率开关管断开时，所述第一开关管断开；或者是所述功率开关管和所述续流管均断开，***进入断续工作模式时，所述第一开关管断开。
优选的，所述并联的第一电流源、第一电容、第一电阻和第一开关管组成斜坡补偿电路，所述斜坡补偿电路的RC时间常数与三角波信号产生电路的放电时间常数一致，所述三角波信号产生电路用以产生所述三角波信号。
根据上述的一种用于开关电源中的控制电路和控制方法，通过斜坡补偿电路产生指数斜坡电压信号，并且调节所述指数斜坡电压信号的时间常数，以使得指数斜坡电压信号的幅值大于三角波信号的幅值的一半，使得补偿信号和指数斜坡电压信号叠加的斜率大于三角波信号和反馈电压信号叠加的斜率，可以实现对功率开关管的及时控制，使得输出电压不会下降过多，***进入断续工作模式下能稳定工作。
附图说明
图1所示为现有技术中的三角波信号产生电路的一种实现方式；
图2所示为在断续模式下，三角波信号的波形图；
图3所示为依据本发明的一种用于开关电源中的控制电路的具体电路图；
图4所示为图3所示电路的工作波形图；
图5所示为前馈电容在放电过程中的等效示意图；
图6所示为三角形信号产生电路在放电过程中的等效示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
如图3所示，以Buck降压型开关电源为例，所述Buck降压型开关电源接收输入电压Vin，经功率转换后产生输出电压Vo供给负载，为了维持输出电压稳定，通过采样输出端的反馈电压信号Vfb给开关信号产生电路，如图3所示，所述开关电源的控制电路包括开关信号产生电路302和三角波信号产生电路301，开关信号产生电路302接收反馈电压信号Vfb，并跟参考电压信号Vref进行误差比较以获得补偿信号Vc。这里，所述反馈电压信号Vfb通过由分压电阻网络RFB1、RFB2以及前馈电容Cff组成的反馈电路进行反馈。
三角波信号产生电路301如图1中电路图所示，其接收控制功率开关管QM1的开关控制信号TG，以产生表征电感电流的三角波信号Vtr，一般来说，为了加快反馈的动态响应，还将反馈电压信号Vfb与三角波信号Vtr进行叠加，以获得第一叠加信号Vs1。然后，将所述第一叠加信号Vs1与所述补偿信号Vc进行比较以获得控制功率开关管QM1的开关导通信号，过零检测电路检测续流管QM2的电流信息，以在检测到流过电感的电流过零时，控制续流管QM2的关断，其中，在连续工作模式时，续流管QM2的开关状态与功率开关管QM1开关状态为相反，当功率开关管QM1和续流管QM2均关断时，***进入断续工作模式。
正如背景技术中所说，由于在断续工作模式下，三角波信号Vtr会发生改变，不能保持完整的三角波形状，从而使得输出电压不能得到准确的调整，造成***的不稳定工作。
为此，发明人在上述电路的基础上，进一步增加了斜坡补偿电路303，如图3中斜坡补偿电路303，所述斜坡补偿电路303包括并联的第一电流源I1、第一电容C1、第一电阻R1和第一开关管Q1，在本实施例中，当所述功率开关管QM1断开时，所述第一开关管Q1断开，所述第一电流源I1给所述第一电容C1充电，所述第一电容C1两端的电压作为所述指数斜坡电压信号Vslope。
继续参考图3，开关信号产生电路302包括跨导放大器Gc、第一加法器305、第二加法器304、比较器C1和导通时间控制电路Ton，跨导放大器Gc接收所述反馈电压信号Vfb和参考电压信号Vref，经跨导运算和补偿后获得所述补偿信号Vc；所述第一加法器305接收所述反馈电压信号Vfb和所述三角波信号Vtr，进行叠加处理后以获得所述第一叠加信号Vs1；所述第二加法器304接收补偿信号Vc和指数斜坡电压信号Vslope，进行叠加处理后以获得第二叠加信号Vs2；所述比较器C1接收所述第一叠加信号Vs1和第二叠加信号Vs2，产生所述比较信号V1；所述导通时间控制电路Ton接收所述比较信号，以产生所述关断信号。这里，所述开关控制信号TG包括比较信号和关断信号。
下面参考图4所示的工作波形图阐述本发明的斜坡补偿过程：如图4所示，在t1时刻功率开关管QM1开通，到t2时刻，功率开关管QM1关断，在t3时刻之后，输出电压Vo会继续下降，由于输出电容是大电容，因此，输出电压下降过程非常缓慢，而反馈电压信号Vfb是通过由分压电阻网络RFB1、RFB2以及前馈电容Cff进行反馈，由于前馈电容Cff不能耦合到缓慢的变化信息，因此，前馈电容Cff放电将占主导地位，获得的反馈电压信号Vfb的波形如图4所示。而且，根据图3的电路结构可推知前馈电容的放电示意图如图5所示，根据图5的示意图，可得到前馈电容的放电时间常数为：
其中，RFB1、RFB2和RL分别为电阻RFB1、电阻RFB2和电阻RL的阻值，Cff为前馈电容Cff的容值。
另一方面，当空载或轻载情况下，电路进入断续工作模式，这时，三角波信号产生电路中的电容C1和电容C2将会放电，其放电等效示意图如图6所示，根据图6的示意图，可得到三角波信号产生电路的放电时间常数为：
其中，C1和C2为电容C1和电容C2的容值，R2为电阻R2的阻值。
在t3时刻之后，由于反馈电压信号Vfb不能突变，因此其和三角波信号Vtr叠加后，其叠加的信号如图4所示，从图4可以看出，叠加后的第一叠加信号呈指数上升趋势。而根据本发明实施例的斜坡补偿电路，在t2时刻，当功率开关管QM1断开时，第一开关管Q1断开，第一电流源I1给第一电容C1充电，指数斜坡电压信号Vslope也开始呈指数上升，因此，为了避免输出电压下降过多才能达到第一叠加信号的问题，这里，指数斜坡电压信号Vslope的幅值和斜率均有要求，由于在断续工作模式稳定的条件是第二叠加信号上升的斜率应大于第一叠加信号的上升斜率。对于指数电压信号来说，在时间常数一致的情况下，幅值大的斜率就更大。
从图4中看出，指数斜坡电压信号Vslope应大于三角波信号的幅值的一半，这里第一叠加信号在t3时刻之后的幅值约为三角波信号幅值的一半，而根据图3中所示的斜坡补偿电路，指数斜坡电压信号Vslope的幅值由电流I1乘电阻R1的阻值决定，指数斜坡电压信号Vslope上升到最大幅值所需时间由第一电阻和第一电容的RC时间常数决定。根据上述的分析，斜坡电压电路的时间常数应该和前馈电容放电时间常数τ1以及三角波信号产生电路的放电时间常数τ2相近，这样可以实现斜坡电压信号的幅值就大于三角波信号的幅值的一半，同时也可以控制斜坡电压电路的时间常数，以使得第二叠加信号的斜率大于第一叠加信号的斜率，可以实现对功率开关管的及时控制，使得输出电压不会下降过多，***进入断续工作模式下能稳定工作。
需要指出的是，在本发明实施例中，所述第一开关管Q1是跟功率开关管QM1的开关状态一致，根据图4，本领域普通技术人员可以推知，在t3时刻，***进入断续工作模式(功率开关管QM1和续流管QM2均关断)，第一开关管Q1断开，这时，指数斜坡电压信号Vslope在t3时刻开始呈指数上升，同理，通过调节第一电阻和第一电容的时间常数，可使得斜坡电压信号的幅值就大于半个三角波信号的幅值，同时第二叠加信号的斜率大于第一叠加信号的斜率，以获得同样的技术效果。
本发明还公开了一种用于开关电源中的控制方法，所述开关电源的功率级电路包括功率开关管、续流管和电感，所述开关电源接收输入电压通过功率级电路转换为期望的输出电压供给负载，所述控制方法包括以下步骤：
接收所述功率开关管的开关控制信号，以据此产生表征所述电感电流的三角波信号；
接收所述功率开关管的开关控制信号和第一电流信号，以产生指数斜坡电压信号；
接收所述输出电压的反馈电压信号、所述三角波信号和所述指数斜坡电压信号，根据反馈电压信号产生补偿信号，之后，将所述反馈电压信号和所述三角波信号叠加后的信号与所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号叠加后的信号进行比较，以产生比较信号，所述比较信号用以控制所述功率开关管的关断；
其中，所述指数斜坡电压信号的幅值大于所述三角波信号幅值的一半，所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号叠加后的信号的斜率大于所述反馈电压信号与所述三角波信号叠加后的信号的斜率。
进一步的，所述斜坡补偿电路的RC时间常数与所述反馈电路的放电时间常数一致；并且，所述斜坡补偿电路的RC时间常数与所述三角波信号产生电路的放电时间常数一致，从而可以实现上述指数斜坡电压信号幅值和斜率的要求。
以上对依据本发明的优选实施例的用于开关电源中的控制电路和控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (9)
1.一种用于开关电源中的控制电路，所述开关电源的功率级电路包括功率开关管、续流管和电感，所述开关电源接收输入电压通过功率级电路转换为期望的输出电压供给负载，其特征在于，所述控制电路包括三角波信号产生电路、斜坡补偿电路和开关信号产生电路，
所述三角波信号产生电路接收所述功率开关管的开关控制信号，以据此产生表征所述电感电流的三角波信号；
所述斜坡补偿电路包括并联的第一电流源、第一电容、第一电阻和第一开关管，通过所述第一电流源对所述第一电容充电以产生指数斜坡电压信号；
所述开关信号产生电路接收所述输出电压的反馈电压信号、所述三角波信号和所述指数斜坡电压信号，并根据反馈电压信号产生补偿信号，之后，将所述反馈电压信号和所述三角波信号叠加后的信号与所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号叠加后的信号进行比较，以产生比较信号，所述比较信号用以控制所述功率开关管的导通，所述功率开关管导通固定的时间后，则开关信号产生电路产生关断信号控制其断开；
其中，所述指数斜坡电压信号的幅值大于所述三角波信号幅值的一半，所述补偿信号和所述斜坡电压信号叠加后的信号的斜率大于所述反馈电压信号与所述三角波信号叠加后的信号的斜率。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，当所述第一开关管断开时，所述第一电流源给所述第一电容充电，所述第一电容两端电压作为所述指数斜坡电压信号；
其中，当所述功率开关管断开时，所述第一开关管断开；或者是所述功率开关管和所述续流管均断开，***进入断续工作模式时，所述第一开关管断开。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括由分压电阻和前馈电容构成的反馈电路，
所述分压电阻包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和第二分压电阻依次串联连接在所述开关电源的输出端和地之间；
所述前馈电容并联连接在所述第一分压电阻的两端，所述第一分压电阻和第二分压电阻的公共连接点的电压作为所述反馈电压信号。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述三角波信号产生电路包括由电阻R1和电容C1构成的第一级滤波电路、由电阻R2和电容C2构成的第二级滤波电路和减法电路，
所述三角波信号产生电路接收所述开关控制信号，通过所述第一级滤波电路和第二级滤波电路处理后分别获得第一斜坡信号和平均值信号；
所述第一斜坡信号和平均值信号经过减法运算后获得所述三角波信号。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述斜坡补偿电路的RC时间常数与所述反馈电路的放电时间常数或所述三角波信号产生电路的放电时间常数一致。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述开关信号产生电路包括跨导放大器、第一加法器、第二加法器、比较器和导通时间控制电路，
所述跨导放大器接收所述反馈电压信号和参考电压信号，经跨导运算和补偿后获得所述补偿信号；
所述第一加法器接收所述反馈电压信号和所述三角波信号，进行叠加处理后以获得第一叠加信号；
所述第二加法器接收所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号，进行叠加处理后以获得第二叠加信号；
所述比较器接收所述第一叠加信号和第二叠加信号，产生所述比较信号；
所述导通时间控制电路接收所述比较信号，以产生所述关断信号。
7.一种用于开关电源中的控制方法，所述开关电源的功率级电路包括功率开关管、续流管和电感，所述开关电源接收输入电压通过功率级电路转换为期望的输出电压供给负载，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
接收所述功率开关管的开关控制信号，以据此产生表征所述电感电流的三角波信号；
利用第一电流源给第一电容充电，以产生指数斜坡电压信号，所述第一电容与第一电阻并联连接；
接收所述输出电压的反馈电压信号、所述三角波信号和所述指数斜坡电压信号，根据反馈电压信号产生补偿信号，之后，将所述反馈电压信号和所述三角波信号叠加后的信号与所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号叠加后的信号进行比较，以产生比较信号，所述比较信号用以控制所述功率开关管的关断；
其中，所述指数斜坡电压信号的幅值大于所述三角波信号幅值的一半，所述补偿信号和所述指数斜坡电压信号叠加后的信号的斜率大于所述反馈电压信号与所述三角波信号叠加后的信号的斜率。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述指数斜坡电压信号产生的步骤包括：利用并联的第一电流源、第一电容、第一电阻和第一开关管产生所述指数斜坡电压信号，
当所述第一开关管断开时，所述第一电流源给所述第一电容充电，所述第一电容两端电压作为所述指数斜坡电压信号；
当所述功率开关管断开时，所述第一开关管断开；或者是所述功率开关管和所述续流管均断开，***进入断续工作模式时，所述第一开关管断开。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述并联的第一电流源、第一电容、第一电阻和第一开关管组成斜坡补偿电路，所述斜坡补偿电路的RC时间常数与三角波信号产生电路的放电时间常数一致，所述三角波信号产生电路用以产生所述三角波信号。
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