CN112532079B

CN112532079B - 一种开关电源恒压控制补偿电路

Info

Publication number: CN112532079B
Application number: CN202011354937.0A
Authority: CN
Inventors: 吴强; 李勋; 马强; 向磊
Original assignee: Chengdu Chip Rail Microelectronics Co ltd
Current assignee: Chengdu Chip Rail Microelectronics Co ltd
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2040-11-27
Also published as: CN112532079A

Abstract

本发明公开了一种开关电源恒压控制补偿电路，属于集成电路技术领域。该电路包括反馈控制子电路和失调控制子电路，所述反馈控制子电路包括运算放大器OP1和运算放大器OP2，所述运算放大器OP2的输出电压与运算放大器OP1的反向输入端之间的电压差转换为电流，电流经分流后转换为VEA电压，采样VEA电压以控制输出功率；所述失调控制子电路将输出功率转换为失调控制电压并将失调控制电压输入至运算放大器OP2，由运算放大器OP2形成所述输出电压；且失调控制子电路连接于运算放大器OP1的反向输入端，并对所述电流进行分流，以达到提高电源芯片输出恒压控制精度、线性调整率和负载调整率的目的，同时避免了固定比较点可能带来的微小负载变化无法感知、负载调整率补偿问题。

Description

一种开关电源恒压控制补偿电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，应用于电源设计恒压控制部分，具体而言，涉及一种开关电源恒压控制补偿电路。

背景技术

在日常生活中，便携式、低电源电压设备随处可见，要求设备体积小、成本低、安全性好。

目前市面上常见的非隔离型AC/DC开关电源在直接输出低电压(尤其是3.3V及以下)时普遍精度不高，线性调整率(定义：又称源效应或电网调整率，是指输出电压随输入电压的线性变化的波动，条件是全满载。)和负载调整率(定义：又称负载效应，是指输出电压随负载变化的波动，条件是输入为额定电压。)都很难达到要求。所以当输出电压较低时，一般会在AC/DC开关电源后接LDO或者DC-DC电源来提升输出电压精度，以满足***恒压精度要求。但是，多级的电源***不利于设备小型化并且成本较高，不利于市场推广。

常用的供电电路设计方法为：通过误差放大器将输出反馈电压(电压反馈(voltage feedback)，简称VFB，应用在模拟电路中，是反馈的一种，若反馈量与输出电压成正比则为电压反馈，与之对应的有电流反馈(简称：CFB))按照一定比例放大，然后与内部固定参考电压进行比较，判断当前***外部负载情况。

但随着输出电压精度要求越来越高，重载与空载之间的电压变化不断变小，以致对比较器的设计要求更高，进而导致成本较高。当需要提高控制精度时，需要与多个参考电压电路进行比较，然后计算出控制结果，电路结构较为复杂。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种开关电源恒压控制补偿电路以达到提高电源芯片恒压输出控制精度、线性调整率和负载调整率的目的，同时避免了固定比较点可能带来的微小负载变化无法感知、负载调整率补偿问题。

本发明所采用的技术方案为：一种开关电源恒压控制补偿电路，该电路包括：

反馈控制子电路，所述反馈控制子电路包括运算放大器OP1和运算放大器OP2，将运算放大器OP2的输出电压与运算放大器OP1的反向输入端之间的电压差转换为电流，电流经分流后转换为VEA电压，采样VEA电压以控制输出功率。

进一步地，所述运算放大器OP2的输出端经电阻R1串接至运算放大器OP1的反向输入端，通过电阻R1将电压差转换为电流，再通过电阻R2串接至运算放大器OP1的输出端。

进一步地，所述运算放大器OP1的正向输入端接反馈电压VFB，其反向输入端接于电阻R1与电阻R2之间，且运算放大器OP1的输出端输出电压VEA。

进一步地，该电路还包括：

失调控制子电路，所述失调控制子电路用于将输出功率转换为失调控制电压，并由失调控制电压控制运算放大器OP2的输出电压和对所述电流的分流能力。

进一步地，所述失调控制子电路包括：

分流模块，所述分流模块与运算放大器OP1的反向输入端相连，且通过失调控制电压控制分流模块对所述电流的分流能力。

进一步地，所述失调控制子电路还包括：

开关电容Sc1和开关电容Sc2，所述开关电容Sc1和开关电容Sc2的输入端均接入参考电压REF2和输出功率控制信号；主要作用在于将基准电压转换为与当前输出功率相关的电压。

进一步地，所述开关电容Sc2的下限电压钳制端接入参考电压REF3和稳压二极管，且稳压二极管的另一端接地。

进一步地，所述失调控制子电路还包括：

失调控制器，失调控制器分别与开关电容Sc1和开关电容Sc2的输出端相连接并通过失调控制器输出失调控制电压，由失调控制电压控制运算放大器OP2的内部失调和分流模块的分流能力。

进一步地，所述运算放大器OP2的失调输入端与失调控制器相连接，且通过运算放大器OP2接收失调控制电压并产生所述输出电压；所述运算放大器OP2的正向输入端接参考电压REF1，其反向输入端与运算放大器OP2的输出端连接。

本发明的有益效果为：

1.采用本发明所提供的开关电源恒压控制补偿电路，可通过调节失调控制子电路和带补偿运算放大器OP2内部的失调电阻，使得运算放大器OP2的输出电压与当前输出功率匹配的负载功率成线性对应关系；

由失调控制子电路分流的电流与当前输出功率成线性对应关系，且其分流电流跟随负载变化的变化速率也会反映到电阻R2上流经的电流，可进一步增大对反馈环路增益，提高负载变化感知能力；

通过运算放大器OP1的负向输入端两侧电阻R1和电阻R2的放大作用、失调控制、分流，将反馈电压的微小变化放大，并体现到VEA电压上并进行电压采样，电压采样后与VE电压相比较得出下个控制周期的输出功率控制结果，具有控制精度、线性度、负载调整率高以及电路结构简单的优点；

由上可知，本发明所提供的开关电源恒压控制补偿电路可广泛用于交流高压直接转恒定低压，同时避免了固定比较点可能带来的微小负载变化无法感知、负载调整率补偿问题。

附图说明

图1是本发明所提供的开关电源恒压控制补偿电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

术语解释

参考电压：指电路中一个与负载、功率供给、温度漂移、时间等无关，能保持始终恒定的一个电压。参考电压可以被用于电源供应***的稳压器，模拟数字转换器和数字模拟转换器，以及许多其他测量、控制***。

反馈电压：电压反馈，简称VFB，应用在模拟电路中，是反馈的一种，若反馈量与输出电压成正比则为电压反馈，与之对应的有电流反馈(CFB)。

输出功率：是单位时间内能源或设备向外界提供的能量。

负载功率：是负载电压与负载电流之间的乘积。

实施例1

如图1所示，为提高电源芯片输出恒压控制精度、线性调整率和负载调整率，在本实施例中具体提供了一种开关电源恒压控制补偿电路，将该电路主要分为两部分，如下：

①反馈控制子电路

反馈控制子电路的作用在于：将运算放大器OP2的输出电压与运算放大器OP1的反向输入端之间的电压差转换为电流I₁，电流I₁经分流后的电流I₂转换为VEA电压，采样VEA电压以控制输出功率。

反馈控制子电路包括运算放大器OP1、运算放大器OP2、电阻R1和R2，所述运算放大器OP1的正向输入端IP接反馈电压VFB，运算放大器OP1的反向输入端IN连接有电阻R2，电阻R2的另一端连接至运算放大器OP1的输出端A103且电阻R2的该端部连接输出端VEA，实现经电阻R2将分流后的电流I₂转换为VEA电压，对VEA电压进行采样后用以控制当前输出功率；

所述运算放大器OP2的正向输入端IP接参考电压REF1，运算放大器OP2的反向输入端IN与运算放大器OP2的输出端A101连接，且运算放大器OP2的输出端A101经电阻R1串接至运算放大器OP1的反向输入端IN，电阻R1与电阻R2之间通过线A102连接，且线A102与运算放大器OP1的反向输入端IN接通，通过电阻R1将上述电压差转换为电流I₁，电流I₁＝电流I₂+分流电流。

其中，运算放大器OP2设为带失调控制的运算放大器，且运算放大器OP2的失调输入端OVCT与失调控制子电路中的失调控制器VCFB相连接。

②失调控制子电路

失调控制子电路的作用在于：通过输出功率控制信号产生失调控制电压并将失调控制电压输入至运算放大器OP2，由运算放大器OP2形成所述输出电压；且失调控制子电路连接于运算放大器OP1的反向输入端，并对电流I₁进行分流。

失调控制子电路包括：开关电容Sc1和开关电容Sc2，失调控制器VCFB、分流模块IFB，分别如下：

开关电容Sc1的A1端通过线A105接入参考电压REF2，开关电容Sc1的A2端通过线A107接入输出功率控制信号OUTP。

开关电容Sc2的A1端通过线A105接入参考电压REF2，开关电容Sc2的A2端通过线A107接入输入端OUTP，且开关电容Sc2的B2端通过线A113输出VE电压；同时，开关电容Sc2的下限电压钳制端C通过线A108接入参考电压REF3和稳压二极管Dz1，且稳压二极管Dz1的另一端接地，以实现开关电容Sc2输出具有最低电位限制，即从开关电容Sc2的输出端B1、输出端B2输出的电压不会低于参考电压REF3提供的电压，同时带有稳压二级管Dz1，防止下限电压过高引起电路异常工作。

失调控制器VCFB的失调控制电压通过线A111传输至分流模块IFB的输入端和运算放大器OP2的失调输入端FB；失调控制器VCFB的输入端A1通过线A104连接至开关电容Sc1输出端，失调控制器VCFB的输入端A2通过线A109连接至开关电容Sc2的输出端B1。

分流模块IFB的输入端连接于失调电压控制器VCFB的反向输入端IN，其Isource端接线A102，通过失调控制电压控制分流模块IFB对所述电流I₁的分流能力。

根据内部信号通路说明该开关电源恒压控制补偿电路的控制原理，如下：

运算放大器OP1的正向输入端IP接入反馈电压VFB，参考电压REF1、参考电压REF2和参考电压REF3分别接入运算放大器OP2、开关电容Sc1和开关电容Sc2，参考电压REF1经失调控制运算放大器OP2的输出电压大小由失调控制端OVCT控制，失调控制端OVCT接收来自失调控制器VCFB的失调控制电压。

开关电容Sc1、开关电容Sc2均接收参考电压REF2和包含当前输出功率信息的PWM控制波形，将参考电压REF2通过周期性的控制电容的充电、电荷转移，以将参考电压转换为随输出功率变化而变化的电压信号。

参考电压REF2和输出功率OUTP经过开关电容Sc1和开关电容Sc2转换得到的电压信号输出到失调控制器VCFB中，经失调控制器VCFB转换为控制运算放大器OP2内部失调电压的失调控制电压，同时，失调控制电压接入至分流模块IFB中，通过分流模块IFB的Isource端口接入到线A102中，对流过电阻R1的电流I₁进行分流。其原理如下：运算放大器OP2根据失调控制电压转换成输出电压，输出电压与当前输出功率大小成正比，根据运放“虚短”(“虚短”是指在理想情况下，两个输入端的电位相等，就好像两个输入端短接在一起，但事实上并没有短接，称为“虚短”。)，将反馈电压VFB和线A101上的电压差转换成的电流I₁；电流I₁分为两部分，一部分由分流模块IFB进行分流，另一部分从电阻R2流到运算放大器OP1的输出端，以形成VEA电压。原理如下：开关电容Sc1、开关电容Sc2输出电压经过失调控制器VCFB输出失调控制电压(也为：失调控制电压)，该失调控制电压与当前输出功率成正比，将此失调控制电压用于分流模块IFB的控制电压，使得分流模块IFB的分流能力随输出功率变化而变化，其变化斜率作用于R2电阻，进一步提高反馈控制子电路对于负载变化的感知灵敏度，以将负载的变化放大并体现到输出的VEA电压上，并将其输出，用以控制输出功率。

基于上述，反馈电压VFB、参考电压REF1、失调控制电压通过运算放大器OP1、运算放大器OP2转换为VEA电压，对VEA电压采样(VEA电压采样后与输出功率OUTP经转换后的VE电压作比较)用以判断是否需要提高输出功率来实现输出功率与实际负载相匹配。

在实际应用时，举例说明：若上个周期内，由于负载大小的猛升(猛降)使得反馈电压VFB降低(升高)很多，相应的，VEA电压的采样电压值也会降低(升高)，由于当前周期内伴随输出功率的提高(降低)都会使得开关电容Sc1、开关电容Sc2、失调控制器VCFB以及运算放大器OP2产生的Vos发生变化，具体以输出功率提高为例：当输出功率提高时，失调控制器VCFB通过失调控制电压使运算放大器OP2产生的输出电压升高，分流模块IFB的分流能力也随之提高，此时输出电压通过电阻R1、电阻R2以及分流模块失调控制电压将输出电压的变化放大并通过电阻R2反映到VEA电压。

基于上述，当输出负载变化很大时，会需要很多个周期内都通过持续提高(降低)输出功率，以将反馈电压VFB持续拉高(拉低)，直至反馈电压VFB向负载功率匹配时的稳定值接近，进而使得VEA电压等于VE电压。此时，输出功率不再继续提高(降低)，实现了输出功率与实际负载的相互匹配。

本实施例所提供的开关电源恒压控制补偿电路，在合理应用下，可极大提高电源芯片对负载变化的感知能力，通过对负载变化进行检测放大，控制反馈控制子电路的放大比例以及失调控制子电路中分流模块IFB的分流能力可调，实现电路的控制精度、负载调整率以及线性度均较高。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种开关电源恒压控制补偿电路，其特征在于，该电路包括：

反馈控制子电路，所述反馈控制子电路包括运算放大器OP1和运算放大器OP2，通过将运算放大器OP2的输出电压与运算放大器OP1的反向输入端之间的电压差转换为电流，电流经分流后转换为VEA电压，采样VEA电压以控制输出功率；

2.根据权利要求1所述的开关电源恒压控制补偿电路，其特征在于，所述运算放大器OP2的输出端经电阻R1串接至运算放大器OP1的反向输入端，通过电阻R1将电压差转换为电流，再通过电阻R2串接至运算放大器OP1的输出端。

3.根据权利要求2所述的开关电源恒压控制补偿电路，其特征在于，所述运算放大器OP1的正向输入端接反馈电压VFB，其反向输入端接于电阻R1与电阻R2之间，且运算放大器OP1的输出端输出VEA电压。

4.根据权利要求1所述的开关电源恒压控制补偿电路，其特征在于，所述失调控制子电路包括：

5.根据权利要求1所述的开关电源恒压控制补偿电路，其特征在于，所述失调控制子电路还包括：

开关电容Sc1和开关电容Sc2，所述开关电容Sc1和开关电容Sc2的输入端均接入参考电压REF2和输出功率控制信号。

6.根据权利要求5所述的开关电源恒压控制补偿电路，其特征在于，所述开关电容Sc2的下限电压钳制端接入参考电压REF3和稳压二极管，且稳压二极管的另一端接地。

7.根据权利要求4所述的开关电源恒压控制补偿电路，其特征在于，所述失调控制子电路还包括：

失调控制器，所述失调控制器分别与开关电容Sc1和开关电容Sc2的输出端相连接并通过失调控制器输出失调控制电压，由失调控制电压控制运算放大器OP2的内部失调和分流模块的分流能力。

8.根据权利要求7所述的开关电源恒压控制补偿电路，其特征在于，所述运算放大器OP2的失调输入端与失调控制器相连接，且通过运算放大器OP2接收失调控制电压并产生所述输出电压；所述运算放大器OP2的正向输入端接参考电压REF1，其反向输入端与运算放大器OP2的输出端连接。