CN107634651B - 开关电源 - Google Patents

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Abstract

开关电源可包括电感器、第一开关、第二开关、负电流传感器和控制器，其中，电感器连接至输入电压端子；第一开关配置为形成电感器与输出电压端子之间的第一电路径；第二开关配置为形成电感器与接地电压端子之间的第二电路径；负电流传感器配置为感测流经第一电路径的电感器电流，并且在电感器电流被感测为大于或等于预设值的负电流时产生过电流保护信号；以及控制器配置为在产生过电流保护信号时激活不连续导电模式(DCM)，并且响应于被激活的DCM断开第一开关并接通第二开关。

Description

开关电源
技术领域
本公开涉及开关电源，更具体地，涉及能够改善电源效率的开关电源。
背景技术
一般而言，开关电源是指通过控制开关元件的接通/断开时间来使输出稳定的电源。由于开关电源可以在呈现高效率的同时减小尺寸和重量，开关电源广泛地用于电子器件和装置中。
开关电源包括电感器、高侧开关、低侧开关以及零电流传感器。
当在升压操作期间通过零电流传感器感测到流经电感器的电流为零时，开关电源断开高侧开关，并且在不连续导电模式(DCM)下操作，以便控制流经电感器的负电流。
然而，在传统开关电源中，当高侧开关在DCM下断开时，负电流会流到高侧开关的结型二极管。因此，开关元件可能被损坏，并且电源效率可能降低。
此外，当高侧开关和低侧开关在DCM下都断开时，开关电源的EMI性能可能因电感器和寄生电容器造成的LC谐振而降低。
近来，即使在轻负荷的情况下也需要最大化电源效率。
发明内容
各实施方式涉及能够改善电源效率、保护元件并改善EMI性能的开关电源。
在实施方式中，开关电源可包括电感器、第一开关、第二开关、负电流传感器和控制器，其中，电感器连接至输入电压端子；第一开关配置为形成电感器与输出电压端子之间的第一电路径；第二开关配置为形成电感器与接地电压端子之间的第二电路径；负电流传感器配置为感测流经第一电路径的电感器电流，并且在电感器电流被感测为大于或等于预设值的负电流时产生过电流保护信号；以及控制器，配置为在产生过电流保护信号时激活不连续导电模式(DCM)，并且响应于被激活的DCM断开第一开关并接通第二开关。
控制器执行控制以使第二开关从DCM被激活的第一时间点至电感器电流被确定为接近于零的第二时间点维持接通状态。
在另一实施方式中，开关电源可包括电感器、第一开关、第二开关、第三开关、负电流传感器和控制器，其中，电感器连接至输入电压端子；第一开关配置为形成电感器与输出电压端子之间的第一电路径；第二开关配置为形成电感器与接地电压端子之间的第二电路径；第三开关配置为将电感器的两个端子电连接；负电流传感器配置为感测流经第一电路径的电感器电流，并且在电感器电流被感测为大于或等于预设值的负电流时产生过电流保护信号；以及控制器配置为在产生过电流保护信号时激活DCM，并且响应于被激活的DCM断开第一开关和第二开关并接通第三开关。
控制器可执行控制以使第三开关在DCM被激活的情况下维持接通状态。
在另一实施方式中，开关电源可包括电感器、第一开关、第二开关、第三开关、负电流传感器和控制器，其中，电感器连接至输入电压端子；第一开关配置为形成电感器与输出电压端子之间的第一电路径；第二开关配置为形成电感器与接地电压端子之间的第二电路径；第三开关配置为将电感器的两个端子电连接；负电流传感器配置为感测流经第一电路径的电感器电流，并且在电感器电流被感测为大于或等于预设值的负电流时产生过电流保护信号；以及控制器配置为在产生过电流保护信号时断开第一开关，执行控制以使第二开关维持接通状态直到电感器电流达到零电流为止，并且在电感器电流达到零电流时断开第二开关并接通第三开关。
根据本发明的实施方式，当感测到大于或等于预设值的负电流时，开关电源可断开高侧开关(第一开关)，并且执行控制以使低侧开关SW2维持接通状态直到电感器电流达到零电流为止。因此，开关电源能够防止负电流流到开关的结型二极管，从而在改善电源效率的同时保护开关元件。
此外，当DCM被激活时，开关电源可将电感器的两个端子电连接。因此，开关电源能够防止负电流流到开关的结型二极管，从而在改善电源效率的同时保护开关元件。此外，开关电源能够防止由电感器和寄生电容器产生的LC谐振，从而改善EMI性能。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的开关电源的电路图。
图2是根据本发明实施方式的开关电源的时序图。
图3是根据本发明另一实施方式的开关电源的电路图。
图4是根据本发明实施方式的开关电源的时序图。
图5是根据本发明又一实施方式的开关电源的时序图。
具体实施方式
下文将参照附图详细地描述本发明的实施方式。本说明书和权利要求书中使用的术语不限于典型的字典定义，但必须解释为符合本发明的技术理念的含义和概念。
本说明书中所描述的实施方式和附图中示出的配置是本发明的优选实施方式，并且不代表本发明的整体技术理念。因此，在提交本申请的时间点，可以提供能够替换实施方式和配置的各种等效物和更改。
图1是根据本发明实施方式的开关电源的电路图。
参照图1，根据本发明实施方式的开关电源包括电感器L、高侧开关SW1、低侧开关SW2、负电流传感器10、正电流传感器20、控制器30、电阻器串40以及运算放大器50。
电感器L电连接到输入电压端子VIN。
高侧开关SW1形成电感器L与输出电压端子VOUT之间的电路径，并且低侧开关SW2形成电感器L与接地电压端子之间的电路径。
高侧开关SW1和低侧开关SW2可以利用N沟道场效应晶体管或P沟道场效应晶体管来实现。然而，本实施方式不限于此。
输出电容器电连接在输出电压端子VOUT与接低电压端子之间。输出电容器在高侧开关SW1接通时通过电感器L与输出电压端子VOUT之间形成的电路径充电，并且在高侧开关SW1断开时通过输出电压端子VOUT进行放电。
开关电源通过经由低侧开关SW2和高侧开关SW1的接通/断开所形成的电流路径来使输入电压VIN升压而产生输出电压VOUT。
通过由低侧开关SW2和高侧开关SW1的接通/断开所形成的电流路径，流经电感器L的电流IL线性地增加或减小。
例如，当低侧开关SW2接通且高侧开关SW1断开时，输入电压端子VIN与接地电压端子之间形成电路径，并且电感器电流IL线性地增加。另一方面，当低侧开关SW2断开且高侧开关SW1接通时，输入电压端子VIN与输出电压端子VOUT之间形成电路径，并且电感器电流IL线性地减小。
通过这种方式，低侧开关SW2和高侧开关SW1交替地接通/断开，并且输入电压VIN通过由低侧开关SW2和高侧开关SW1的接通/断开所形成的电流路径而升压至输出电压VOUT。
负电流传感器10感测高侧开关SW1的两个端子的电压，并且利用端子之间的电压差来感测负电流。当电感器电流IL被感测为大于或等于预设值的负电流时，负电流传感器10产生负过电流保护信号N_OCP。
当从负电流传感器10接收到负过电流保护信号N_OCP时，控制器30激活DCM。响应于DCM，控制器30断开高侧开关SW1并接通低侧开关SW2。
此时，控制器30可配置为执行控制以使低侧开关SW2从DCM被激活的时间点至电感器电流IL被确定为接近于零的时间点维持接通状态。例如，控制器30可通过从产生负过电流保护信号N_OCP的时间点开始对预设时间进行计时来确定低侧开关SW2的断开时间，或者在电感器电流IL达到零的时间点断开低侧开关SW2。
控制器30向驱动器DR1提供控制信号CS1，以控制高侧开关SW1的接通/断开，并且向驱动器DR2提供控制信号CS2，以控制低侧开关SW2的接通/断开。
当感测到大于或等于预设值的负电流时，具有上述配置的开关电源可产生负过电流保护信号N_OCP。当产生负过电流保护信号N_OCP时，开关电源可断开高侧开关SW1，并且维持低侧开关SW2的接通状态，直到电感器电流IL被确定为接近于零为止。因此，开关电源能够防止负电流流到开关的结型二极管，从而在改善电源效率的同时保护开关元件。
正电流传感器20利用低侧开关SW2的两个端子之间的电压差来感测正电流。当感测到大于或等于预设值的正电流时，正电流传感器20可产生正过电流保护信号P_OCP。
当接收到正过电流保护信号P_OCP时，控制器30可产生用于控制高侧开关SW1和低侧开关SW2的控制信号CS1和CS2。例如，当产生正过电流保护信号P_COP时，控制器30可断开低侧开关SW2并接通高侧开关SW1。
电阻器串40输出通过划分输出电压VOUT而获得的反馈电压VFB，并且运算放大器50放大参考电压VREF与反馈电压VFB之间的差异，并输出误差电压VER。
控制器30根据误差电压VER的电平来控制高侧开关SW1和低侧开关SW2的接通/断开。例如，当误差电压VER低于预设电压时，控制器30接通高侧开关SW1并断开低侧开关SW2。另一方面，当误差电压VER高于预设电压时，控制器30断开高侧开关SW1并接通低侧开关SW2。
在连续导电模式(CCM)下，控制器30根据误差电压VER的电平来控制高侧开关SW1和低侧开关SW2的接通/断开。在DCM下，无论误差电压VER如何，控制器30均断开高侧开关SW1，并且从DCM被激活的时间点至电感器电流IL被确定为接近于零的时间点维持低侧开关SW2的接通状态。
图2是根据本发明实施方式的开关电源的时序图。
参照图1和图2，当由于误差电压VER的电平高于预设电压而使低侧开关SW2接通且高侧开关SW1断开时，根据本发明实施方式的开关电源形成输入电压端子VIN与接地电压端子之间的电路径。此时，电感器电流IL线性地增加。
当由于误差电压VER的电平低于预设值而使低侧开关SW2断开且高侧开关SW1接通时，输入电压端子VIN与输出电压端子VOUT之间形成电路径。此时，电感器电流IL线性地减小，并且节点LX的电压被升压。
当感测到大于或等于预设值的负电流时，开关电源产生负过电流保护信号N_OCP，响应于负过电流保护信号N_OCP激活DCM、响应于DCM而断开高侧开关SW1，并且从DCM被激活的时间点至电感器电流被确定为接近于零的时间点维持低侧开关SW2的接通状态。
因此，当产生负过电流保护信号N_OCP时，无论误差电压VER如何，开关电源都断开高侧开关SW1，并且从DCM被激活的时间点至电感器电流被确定为接近于零的时间点维持低侧开关SW2的接通状态。因此，开关电源能够防止负电流流到开关的结型二极管，从而在改善电源效率的同时保护开关元件。
当高侧开关SW1和低侧开关SW2在DCM被激活的情况下都断开时，节点LX的电压可导致电感器L与寄生电容器之间的LC谐振。因此，本发明公开根据另一实施方式的开关电源，该开关电源能够在DCM被激活的情况下防止节点LX的电压的谐振。
图3是根据本发明另一实施方式的开关电源的电路图。
参照图3，根据本实施方式的开关电源包括电感器L、高侧开关SW1、低侧开关SW2、续流开关(freewheeling switch)SW3、负电流传感器10、正电流传感器20、控制器30、电阻器串40以及运算放大器50。
电感器L电连接到输入电压端子VIN。
高侧开关SW1将电感器L与输出电压端子VOUT电连接，并且低侧开关SW2将电感器L与接地电压端子电连接。
输出电容器电连接在输出电压端子VOUT与接低电压端子之间。输出电容器在高侧开关SW1接通时通过电感器L与输出电压端子VOUT之间形成的电路径充电，并且在高侧开关SW1断开时通过输出电压端子VOUT进行放电。
续流开关SW3将电感器L的两个端子电连接。
负电流传感器10利用高侧开关SW1的两个端子之间的电压差来感测负电流，并且在电感器电流IL被感测为大于或等于预设值的负电流时，产生负过电流保护电流N_OCP。
当产生负过电流保护信号N_OCP时，控制器30激活DCM，断开高侧开关SW1和低侧开关SW2，并且接通续流开关SW3。此时，控制器30执行控制以使续流开关SW3从负过电流保护信号N_OCP产生的时间点至低侧开关SW2接通的时间点维持接通状态。
当产生负过电流保护信号N_OCP时，控制器3向驱动器DR10提供控制信号CS1以断开高侧开关SW1，向驱动器DR2提供控制信号CS2以断开低侧开关SW2，并且提供控制信号CS3以接通续流开关SW3。
在DCM被激活时，续流开关SW3维持接通状态。然而，由于在DCM被激活时高侧开关SW1和低侧开关SW2均断开，节点LX的电压可能导致电感器L与寄生电容器之间的LC谐振。
此时，由于在DCM被激活时，续流开关SW3将电感器L的两个端子电连接，因此，续流开关SW3能够防止负电流流到开关的结型二极管，从而在改善电源效率的同时保护开关元件。此外，续流开关SW3能够防止由电感器L和寄生电容器产生的节点LX的电压的谐振。
图4是根据本发明实施方式的开关电源的时序图。
参照图3和图4，根据本实施方式的开关电源在电感器电流IL被感测为大于或等于预设值的负电流时产生负过电流保护信号N_OCP，并且在产生负过电流保护信号N_OCP时激活DCM。
此外，开关电源响应于DCM而断开高侧开关SW1和低侧开关SW2，并且执行控制以使续流开关SW3从DCM被激活的时间点至低侧开关SW2接通的时间点维持接通状态。
如图4所示，由于在DCM被激活时，电感器L的两个端子电连接，因此，节点LX的电压不发生谐振。
由于在DCM被激活时，根据本实施方式的开关电源将电感器L的两个端子电连接，因此，开关电源能够防止负电流流到开关的结型二极管，从而在改善电源效率的同时保护开关元件。此外，开关电源能够防止由电感器L和寄生电容器产生的节点LX的电压的谐振，从而改善EMI性能。
图5是根据本发明的又一实施方式的开关电源的时序图。
参照图3和图5，根据本发明实施方式的开关电源包括电感器L、高侧开关SW1、低侧开关SW2、续流开关SW3、负电流传感器10、正电流传感器20、控制器30、电阻器串40以及运算放大器50。
负电流传感器10利用高侧开关SW1的两个端子之间的电压差来感测负电流，并且在电感器电流IL被感测为大于或等于预设值的负电流时，产生过电流保护电流N_OCP。
当产生过电流保护信号N_OCP时，控制器30断开高侧开关SW1并接通低侧开关SW2。当电感器电流IL达到零电流时，控制器30激活DCM,断开低侧开关SW2并接通续流开关SW3。
此时，控制器30从产生过电流保护信号N_OCP的时间点开始对预设时间进行计时，并且确定电感器电流IL达到零电流的时间点。当电感器电流IL达到零电流时，控制器30断开低侧开关SW2。
控制器30在电感器电流IL保持零电流时激活DCM，并且执行控制以使续流开关SW3在DCM期间维持接通状态。
当产生过电流保护信号N_OCP并且电感器电流IL通过低侧开关SW2的接通而达到零时，控制器30通过续流开关SW3来将电感器L的两个端子电连接，从而在DCM被激活的情况下防止由电感器和寄生电容器产生的节点LX的电压的谐振。
返回到图5，当电感器电流IL被感测为大于或等于预设值的负电流时，根据本实施方式的开关电源产生过电流保护信号N_OCP。
随后，开关电源响应于过电流保护信号N_OCP断开高侧开关SW1，并且执行控制以使低侧开关SW2维持接通状态，直到电感器电流IL达到零电流为止。
当电感器电流IL达到零电流时，开关电源激活DCM，断开低侧开关SW2并接通续流开关SW3。
因此，当产生过电流保护信号N_OCP时，开关电源执行控制以使低侧开关SW2维持接通状态，直到电感器电流IL达到零电流为止。因此，开关电源能够防止负电流流到开关的结型二极管，从而在改善电源效率的同时保护开关元件。
此外，当电感器电流IL达到零电流时，开关电源激活DCM，并且通过续流开关SW3将电感器L的两个端子电连接。因此，在DCM被激活的情况下，开关电源能够防止由电感器L和寄生电容器产生的节点LX的电压的谐振，从而改善EMI性能。
尽管上文已经描述了各种实施方式，但本领域的技术人员将理解，所述实施方式仅仅为示例。因此，本文中描述的公开内容不应基于所描述的实施方式而受到限制。

Claims (9)

1.一种开关电源，包括：
电感器，连接至输入电压端子；
第一开关，配置为形成所述电感器与输出电压端子之间的第一电路径；
第二开关，配置为形成所述电感器与接地电压端子之间的第二电路径；
负电流传感器，配置为感测流经所述第一电路径的电感器电流，并且在所述电感器电流被感测为大于或等于预设值的负电流时产生过电流保护信号；以及
控制器，配置为在产生所述过电流保护信号时激活不连续导电模式(DCM)，并且响应于被激活的DCM断开所述第一开关并接通所述第二开关，
其中，所述控制器执行控制以使所述第二开关从所述DCM被激活的第一时间点至所述电感器电流被确定为接近于零的第二时间点维持接通状态。
2.根据权利要求1所述的开关电源，其中，所述控制器通过从产生所述过电流保护信号的第一时间点开始对预设时间进行计时来确定所述电感器电流达到零电流的第二时间点，并且在所述第二时间点断开所述第二开关。
3.根据权利要求1所述的开关电源，其中，所述负电流传感器利用所述第一开关的两个端子之间的电压差来感测所述负电流。
4.根据权利要求1所述的开关电源，还包括：
电阻器串，配置为输出通过划分所述输出电压端子的输出电压而获得的反馈电压；以及
运算放大器，配置为放大预设参考电压与所述反馈电压之间的差值，并且输出误差电压，
其中，所述控制器根据所述误差电压的大小来控制所述第一开关和所述第二开关的接通/断开。
5.根据权利要求4所述的开关电源，其中，当产生所述过电流保护信号时，所述控制器均断开所述第一开关，并且执行控制以使所述第二开关从所述DCM被激活的第一时间点至所述电感器电流被确定为接近于零的第二时间点维持接通状态。
6.一种开关电源，包括：
电感器，连接至输入电压端子；
第一开关，配置为形成所述电感器与输出电压端子之间的第一电路径；
第二开关，配置为形成所述电感器与接地电压端子之间的第二电路径；
第三开关，配置为将所述电感器的两个端子电连接；
负电流传感器，配置为感测流经所述第一电路径的电感器电流，并且在所述电感器电流被感测为大于或等于预设值的负电流时产生过电流保护信号；以及
控制器，配置为在产生所述过电流保护信号时激活DCM，并且响应于被激活的DCM断开所述第一开关和所述第二开关并接通所述第三开关，
其中，所述控制器执行控制以使所述第三开关从产生所述过电流保护信号的第一时间点至所述第二开关接通的第二时间点维持接通状态。
7.根据权利要求6所述的开关电源，其中，所述控制器执行控制以使所述第三开关在所述DCM被激活的情况下维持所述接通状态。
8.一种开关电源，包括：
电感器，连接至输入电压端子；
第一开关，配置为形成所述电感器与输出电压端子之间的第一电路径；
第二开关，配置为形成所述电感器与接地电压端子之间的第二电路径；
第三开关，配置为将所述电感器的两个端子电连接；
负电流传感器，配置为感测流经所述第一电路径的电感器电流，并且在所述电感器电流被感测为大于或等于预设值的负电流时产生过电流保护信号；以及
控制器，配置为在产生所述过电流保护信号时断开所述第一开关，执行控制以使所述第二开关维持接通状态直到所述电感器电流达到零电流为止，并且在所述电感器电流达到所述零电流时断开所述第二开关并接通所述第三开关，
其中，当所述电感器电流通过所述第二开关的接通而达到所述零电流时，所述控制器激活不连续导电模式(DCM)，并且所述控制器执行控制以使所述第三开关在所述DCM被激活的情况下维持接通状态。
9.根据权利要求8所述的开关电源，其中，所述控制器通过从所述过电流保护信号产生的第一时间点开始对预设时间进行计时来确定所述电感器电流达到零电流的第二时间点，并且在所述第二时间点断开所述第二开关。
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