CN113098416A - 运算放大电路及开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种运算放大电路及开关电源，通过电流产生电路产生与开关电源的输入电压或输出电压成一定比例关系的偏置电流信号，控制所述偏置电流信号随着所述输入电压或输出电压的增大而减小，可以调整运算放大电路的跨导，使得开关电源在低输出电压时运算放大器的跨导高，而在高输入电压或高输出电压时运算放大器的跨导低，降低高输入电压或高输出电压时***的带宽，从而保证在不同情况下***的稳定性均好。

Description

运算放大电路及开关电源
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种运算放大电路及开关电源。
背景技术
在电源电路内部补偿方案中，通常采用同一套补偿参数去满足不同应用场景的需求，在低输出电压时，希望运算放大器的跨导高；在高输出电压时，当存在前馈电容，在补偿参数固定的情况下***带宽会过大，很容易接近或超过开关频率的一半，使得***变得不稳定，需要适当降低运算放大器跨导，以降低带宽提高***稳定性。
因此，内部补偿方案难以兼顾低输出电压下的动态响应和高输出电压下的稳定性，无法实现性能的最优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种运算放大电路及开关电源，用于解决现有技术存在的低输出电压下的动态响应和高输出电压下的稳定性难以兼顾的技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种运算放大电路，用于开关电源中，所述运算放大电路包括电流产生电路以及误差放大电路，所述电流产生电路接收所述开关电源的输入电压或输出电压，以产生与所述输入电压或输出电压成比例的偏置电流信号，其中，所述偏置电流信号随着所述输入电压或输出电压的增大而减小；所述误差放大电路包括电流输入端，第一电压输入端以及第二电压输入端，所述电流输入端接收所述偏置电流信号，第一电压输入端和第二电压输入端分别接收差分电压信号，以输出误差放大信号。
优选地，所述电流产生电路包括电压电流转换电路以及第一电流源，
所述第一电流源输出第一电流信号；所述电压电流转换电路接收所述输入电压或输出电压，以根据所述输入电压或输出电压产生第二电流信号，所述第一电流信号与所述第二电流信号的差值作为所述偏置电流信号。
优选地，所述第二电流信号与所述输入电压或输出电压成正比关系。
优选地，所述电流产生电路包括第二电流源，所述第二电流源输出第三电流信号，所述第三电流信号小于所述第一电流信号，所述第一电流信号与所述第二电流信号的差值作为差值电流信号，所述第三电流信号和所述差值电流信号相加后的信号作为所述偏置电流信号。
优选地，所述电流产生电路包括第一电流镜电路、第二电流镜电路以及第三电流镜电路，所述第一电流镜电路通过第一电阻接收所述输入电压或输出电压，以产生所述第二电流信号；所述第一电流信号与所述第二电流信号的电流方向相同，所述第二电流镜电路的输入端连接在所述第一电流信号与所述第二电流信号的电流分支节点上，所述差值电流信号输入至所述第二电流镜电路，所述第二电流镜电路输出第一中间电流信号；所述第三电流镜电路接收所述第一中间电流信号，以输出第二中间电流信号，所述第二中间电流信号与所述第三电流信号的电流方向相同，两者叠加后的信号作为所述偏置电流信号。
优选地，当所述运算放大电路接收所述输入电压时，所述运算放大电路与所述开关电源的输入端连接，以采样所述开关电源输入端的电压作为所述输入电压；当所述运算放大电路接收所述输出电压时，所述运算放大电路与所述开关电源的输出端连接，以采样所述开关电源输出端的电压作为所述输出电压。
优选地，所述开关电源包括主功率开关管和电感，所述主功率开关管和电感的公共节点为开关节点，当所述运算放大电路接收所述输出电压时，所述运算放大电路包括滤波电路，所述滤波电路连接所述开关节点，以将所述开关节点的电压进行滤波处理后作为所述开关电源的输出电压。
优选地，所述误差放大电路为CMOS跨导放大器。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种开关电源，包括功率级电路以及控制电路，其中，所述功率级电路接收输入电压，通过开关管的开关动作以将所述输入电压转换为期望的输出电压输出，所述控制电路包括上述的运算放大电路，所述控制电路根据所述运算放大电路产生的误差放大信号控制所述功率级电路中开关管的开关动作。
优选地，所述运算放大电路接收所述输出电压反馈信号和表征期望输出电压的基准电压以作为所述误差放大电路的差分电压信号。
采用本发明的运算放大电路及开关电源，通过电流产生电路产生与开关电源的输入电压或输出电压成一定比例关系的偏置电流信号，调整运算放大电路的跨导。所述偏置电流信号随着所述输入电压或输出电压的增大而减小，从而使得开关电源在低输出电压时运算放大器的跨导高，而在高输入电压或高输出电压时运算放大器的跨导低，降低高输入电压或高输出电压时***的带宽，从而保证在不同情况下***的稳定性均好。
附图说明
图1为依据本发明的运算放大电路的第一实施例的电路框图；
图2为依据本发明的运算放大电路的第二实施例的电路框图；
图3为依据本发明的运算放大电路的一实施例的电流产生电路的电路图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的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神和范围上做的替代、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。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图1为依据本发明的运算放大电路的第一实施例的电路框图，参考图2为依据本发明的运算放大电路的第一实施例的电路框图。本实施例的运算放大电路用于开关电源中，如buck开关电源中，但不限于此，还可以用于其他合适的开关型开关电源中。开关电源包括功率级电路和控制电路，以buck开关电源为例，功率级电路包括输入电容C00，输出电容C01，主功率开关管M00、续流二极管D00以及电感L00。
示例地，所述运算放大电路包括电流产生电路10以及误差放大电路20，所述电流产生电路10接收所述开关电源的输入电压或输出电压，以产生与所述输入电压或输出电压成比例的偏置电流信号Iss，其中，所述偏置电流信号随着所述输入电压或输出电压的增大而减小；所述误差放大电路20包括电流输入端，第一电压输入端以及第二电压输入端，所述电流输入端接收所述偏置电流信号，第一电压输入端和第二电压输入端分别接收差分电压信号，以输出误差放大信号Vc。一个示例中，所述运算放大电路与所述开关电源的输出端连接，以采样所述开关电源输出端的电压作为所述输出电压Vout，所述运算放大电路接收所述输出电压反馈信号VFB和表征期望输出电压的基准电压VREF以作为所述误差放大电路的差分电压信号。
一个示例中，所述电流产生电路10包括电压电流转换电路以及第一电流源，所述第一电流源输出第一电流信号I01；所述电压电流转换电路接收所述输入电压或输出电压，以根据所述输入电压或输出电压产生第二电流信号I02，所述第一电流信号与所述第二电流信号的差值作为所述偏置电流信号Iss。示例地，所述第二电流信号I02与所述输入电压或输出电压成正比关系。根据上述偏置电流信号的阐述，当所述第二电流信号I02与所述输入电压或输出电压成正比时，由于第一电流信号为固定值，则偏置电流信号随着所述输入电压或输出电压的增大而减小，这里，第一电流信号一般设置为较大的一个值，以在正常情况下能够使得为差值的偏置电流信号能够驱动误差放大电路正常工作。
示例地，所述误差放大电路20为CMOS跨导放大器，CMOS跨导放大器的具体电路结构可为现有技术中常见电路结构，例如由场效应晶体管构成的差分对管和电流镜等电路结构实现。在由CMOS管构成的跨导放大器中，CMOS跨导器在小信号条件下的跨导与偏置电流的平方根成正比，同时也跟差分对管的沟道宽长比的平方根成正比。而由于在高输入电压或高输出电压的情况下，运算放大器跨导如果保持不变，会使得***带宽过高，影响***稳定性，因此，本申请发明人通过根据输入电压或输出电压的大小动态调整跨导，如所述第二电流信号I02与输入电压或输出电压成正比关系，这样，在较高的输入电压或输出电压的情况下，则偏置电流信号会减小，跨导减小，从而减低了***带宽，使得***得以保持稳定性。
另一个示例中，所述电流产生电路包括第二电流源，所述第二电流源输出第三电流信号I03，所述第三电流信号I03小于所述第一电流信号I01，所述第一电流信号与所述第二电流信号的差值作为差值电流信号，所述第三电流信号和所述差值电流信号相加后的信号作为所述偏置电流信号。所述第三电流信号I03为设置的能使误差放大电路工作的最小电流值，以防止在输入电压或输出电压过大的情况下，第二电流信号很大，所述第一电流信号与所述第二电流信号的差值有可能为零而导致误差放大电路不能工作的情况。
如图3所示，为具体的电流产生电路的结构图，所述电流产生电路包括第一电流镜电路(如M1和M2构成)、第二电流镜电路(如M3和M4构成)以及第三电流镜电路(如M5和M6构成)，三个电流镜的镜像关系可以为等比例或成一定大小的比例关系。所述第一电流镜电路通过第一电阻R1接收所述输入电压或输出电压，如图3中的Vout，以产生所述第二电流信号I02；所述第一电流信号与所述第二电流信号的电流方向相同，所述第二电流镜电路的输入端连接在所述第一电流信号与所述第二电流信号的电流分支节点上，如A点，所述差值电流信号输入至所述第二电流镜电路，所述第二电流镜电路输出第一中间电流信号I02’；所述第三电流镜电路接收所述第一中间电流信号，以产生第二中间电流信号I02”，所述第二中间电流信号I02”与所述第三电流信号的电流方向相同，所述第二中间电流信号与所述第三电流信号叠加，两者叠加后的信号作为所述偏置电流信号Iss。
参考图2，与图1所示实施例的不同，图2的实施例公开了所述开关电源包括主功率开关管和电感，所述主功率开关管和电感的公共节点为开关节点B，所述运算放大电路包括滤波电路，如R03和C03构成的滤波电路，所述滤波电路连接所述开关节点B点，以将所述开关节点的电压进行滤波处理后作为所述开关电源的输出电压，如V1。本实施例可以应用于在没有输出端电压连接点的场合，通过现有的节点计算出可表征输出电压的电压值。
示例地，当所述运算放大电路接收所述输入电压时，所述运算放大电路与所述开关电源的输入端连接，以采样所述开关电源输入端的电压作为所述输入电压，在图2中未示出。
综上，本发明实施例的开关电源，在低输出电压下的跨导大，带宽高，动态响应好，在高输出电压下，自适应调整跨导大小，减小带宽，稳定性好，解决了不同输出电压情况的***的兼顾技术问题。
除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种运算放大电路，用于开关电源中，其中，所述运算放大电路包括电流产生电路以及误差放大电路，
所述电流产生电路接收所述开关电源的输入电压或输出电压，以产生与所述输入电压或输出电压成比例的偏置电流信号，其中，所述偏置电流信号随着所述输入电压或输出电压的增大而减小；
所述误差放大电路包括电流输入端，第一电压输入端以及第二电压输入端，所述电流输入端接收所述偏置电流信号，第一电压输入端和第二电压输入端分别接收差分电压信号，以输出误差放大信号。
2.根据权利要求1所述的运算放大电路，其中，所述电流产生电路包括电压电流转换电路以及第一电流源，
所述第一电流源输出第一电流信号；
所述电压电流转换电路接收所述输入电压或输出电压，以根据所述输入电压或输出电压产生第二电流信号，
所述第一电流信号与所述第二电流信号的差值作为所述偏置电流信号。
3.根据权利要求2所述的运算放大电路，其中，所述第二电流信号与所述输入电压或输出电压成正比关系。
4.根据权利要求2所述的运算放大电路，其中，所述电流产生电路包括第二电流源，
所述第二电流源输出第三电流信号，所述第三电流信号小于所述第一电流信号，
所述第一电流信号与所述第二电流信号的差值作为差值电流信号，所述第三电流信号和所述差值电流信号相加后的信号作为所述偏置电流信号。
5.根据权利要求4所述的运算放大电路，其中，所述电流产生电路包括第一电流镜电路、第二电流镜电路以及第三电流镜电路，
所述第一电流镜电路通过第一电阻接收所述输入电压或输出电压，以产生所述第二电流信号；
所述第一电流信号与所述第二电流信号的电流方向相同，所述第二电流镜电路的输入端连接在所述第一电流信号与所述第二电流信号的电流分支节点上，所述差值电流信号输入至所述第二电流镜电路，所述第二电流镜电路输出第一中间电流信号；
所述第三电流镜电路接收所述第一中间电流信号，以输出第二中间电流信号，所述第二中间电流信号与所述第三电流信号的电流方向相同，两者叠加后的信号作为所述偏置电流信号。
6.根据权利要求1所述的运算放大电路，其中，当所述运算放大电路接收所述输入电压时，所述运算放大电路与所述开关电源的输入端连接，以采样所述开关电源输入端的电压作为所述输入电压；
当所述运算放大电路接收所述输出电压时，所述运算放大电路与所述开关电源的输出端连接，以采样所述开关电源输出端的电压作为所述输出电压。
7.根据权利要求1所述的运算放大电路，其中，所述开关电源包括主功率开关管和电感，所述主功率开关管和电感的公共节点为开关节点，
当所述运算放大电路接收所述输出电压时，所述运算放大电路包括滤波电路，所述滤波电路连接所述开关节点，以将所述开关节点的电压进行滤波处理后作为所述开关电源的输出电压。
8.根据权利要求1所述的运算放大电路，其中，所述误差放大电路为CMOS跨导放大器。
9.一种开关电源，包括功率级电路以及控制电路，其中，
所述功率级电路接收输入电压，通过开关管的开关动作以将所述输入电压转换为期望的输出电压输出，
所述控制电路包括如权利要求1～8任意一项所述的运算放大电路，所述控制电路根据所述运算放大电路产生的误差放大信号控制所述功率级电路中开关管的开关动作。
10.根据权利要求9所述的开关电源，其中，所述运算放大电路接收所述输出电压反馈信号和表征期望输出电压的基准电压以作为所述误差放大电路的差分电压信号。
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