CN114039475B - 一种斜坡补偿电路及包含该电路的开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种斜坡补偿电路及包含该电路的开关电源，所述的斜坡补偿电路包括斜坡补偿检测模块和自适应斜坡补偿模块。斜坡补偿检测模块用于检测主功率管的PWM控制信号，将其与预设的参考时钟信号REFCLK比较，输出斜坡补偿模块使能信号ENSLC至自适应斜坡补偿模块；斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平期间，自适应斜坡补偿模块工作，产生一个随斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平持续的时间变化而变化的电压VSLC，并与预设的第一参考电压VREF1相加产生电压VR，然后将电压VR与预设的第二参考电压VREF2进行比较，依据比较结果输出大小相等、方向相反的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC。本发明可跟随PWM控制信号自动调节斜坡补偿斜率，提高了峰值电流控制模式的特性优势。

Description

一种斜坡补偿电路及包含该电路的开关电源
技术领域
本发明涉及开关电源，特别涉及开关电源的斜坡补偿。
背景技术
在开关电源电路中，控制模式主要分为电流控制模式和电压控制模式。相对于电压控制模式，电流控制模式具有动态响应速度快、带宽增益大、反馈环路设计简化及并联输出均流等优点，而被广泛应用。其峰值电流控制模式是电流模式中最常见的形式，但由于在开关电源中PWM占空比大于50％的情况下，固定频率的峰值电流控制模式容易导致开关电源环路不稳定。因此，需要引入斜坡补偿信号来抑制次谐波震荡的发生。
传统的斜坡补偿方案为斜坡补偿信号幅值为固定值，当该斜坡补偿信号的幅值引入太小时，不能满足极大占空比情况下开关电源的稳定性；当该斜坡补偿信号的幅值引入过大时，会影响开关电源的瞬态响应，从而削弱开关电源的负载能力；同时斜坡补偿信号的幅值引入过大，会使峰值电流控制模式向电压控制模式过渡，因而丧失电流控制模式特性的优势。
发明内容
有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提供了一种斜坡补偿电路及包含该电路的开关电源，能够自适应调节斜坡补偿信号的幅值。
为实现上述发明的目的，本发明提供的斜坡补偿电路技术方案如下：
一种斜坡补偿电路，应用于开关电源，其中，包括：斜坡补偿检测模块和自适应斜坡补偿模块；斜坡补偿检测模块用于检测驱动开关电源主功率管的PWM控制信号，将其与预设的参考时钟信号REFCLK比较，输出斜坡补偿模块使能信号ENSLC至自适应斜坡补偿模块，其中预设的参考时钟信号REFCLK与PWM控制信号为同周期信号；斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平期间，自适应斜坡补偿模块工作，产生一个随斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平持续的时间变化而变化的电压VSLC，并与预设的第一参考电压VREF1相加产生电压VR，然后将电压VR与预设的第二参考电压VREF2进行比较，依据比较结果输出大小相等、方向相反的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC。
进一步地，当VR>VREF1时，自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC随电压VR线性增加，直至VR≥2×VREF2-VREF1，自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC达最大值。
进一步地，预设的参考时钟信号REFCLK与PWM控制信号为上升沿同步的同周期信号。
进一步地，PWM控制信号的下降沿由开关电源的主功率管导通时源极电压采样信号VCS和开关电源的输出电压反馈信号VFB决定。
进一步地，预设的参考时钟信号REFCLK的占空比固定。
进一步地，PWM控制信号的占空比大于参考时钟信号REFCLK的占空比时，斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平；PWM控制信号的占空比小于或等于参考时钟信号REFCLK的占空比时，斜坡补偿模块使能信号ENSLC为低电平。
作为自适应斜坡补偿模块的一种具体的实施方式，其特征在于：自适应斜坡补偿模块包括反相器INV、偏置电流源IB、开关S1、开关S2、电容C和跨导放大器OTA；反相器INV的输入端和开关S1的控制端连接在一起后用于输入斜坡补偿模块使能信号ENSLC，反相器INV的输出端连接开关S2的控制端；偏置电流源IB的电流流入端用于输入电源电压VDD、电流流出端连接开关S1的一端；开关S1的另一端同时连接开关S2的一端、电容C的一端和跨导放大器OTA的正向端；开关S1的另一端与跨导放大器OTA的正向端连接的线路之间还输入预设的第一参考电压VREF1，跨导放大器OTA的负向端输入预设的第二参考电压VREF2，跨导放大器OTA的两个输出端分别输出相等的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC；开关S2的另一端和电容C的另一端接地。
此外，本发明提供的包含上述斜坡补偿电路的开关电源技术方案如下：
一种开关电源，其中，包括：主功率管NMOS、RS触发器、运算放大器CMP、电阻R、电阻Rcs，以及上述任一项所述的斜坡补偿电路；运算放大器CMP的负向输入端和电阻R的一端连接在一起后输入自适应斜坡补偿电流ISC_SLC，电阻R的另一端、主功率管NMOS的源极和电阻Rcs的一端连接在一起后输入自适应斜坡补偿电流ISK_SLC；电阻Rcs的另一端接地；运算放大器CMP的正向输入端输入开关电源的输出电压反馈信号VFB,输出端连接RS触发器的S端；RS触发器的R端用于输入主功率管NMOS的导通信号ON，Q端连接主功率管NMOS的控制端，QN端悬空。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的斜坡补偿电路具体实施例在开关电源中的应用原理图；
图3为图2中斜坡补偿检测模块REFCLK、PWM以及ENSLC波形图示意图；
图4为图2中跨导放大器OTA输出电流的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应对理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示为本发明的原理框图，包括斜坡补偿检测模块和自适应斜坡补偿模块。斜坡补偿检测模块的第一输入端输入驱动开关电源主功率管的PWM控制信号、第二输入端输入预设的参考时钟信号REFCLK，输出端输出斜坡补偿模块使能信号ENSLC至自适应斜坡补偿模块的第一输入端；自适应斜坡补偿模块的第二输入端输入预设的第一参考电压VREF1、第三输入端输入第二参考电压VREF2、第一输出端和第二输出端分别输出大小相等、方向相反的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC。
图2为本发明的斜坡补偿电路具体实施例在开关电源中的应用原理图，该开关电源包括主功率管NMOS、RS触发器、运算放大器CMP、电阻R、电阻Rcs，以及图1中的斜坡补偿检测模块和自适应斜坡补偿模块；自适应斜坡补偿模块的第一输出端同时连接运算放大器CMP的负向输入端和电阻R的一端，第二输出端同时连接电阻R的另一端、主功率管NMOS的源极和电阻Rcs的一端；电阻Rcs的另一端接地；运算放大器CMP的正向输入端输入开关电源的输出电压反馈信号VFB,输出端连接RS触发器的S端；RS触发器的R端用于输入主功率管NMOS的导通信号ON，即PWM上升沿控制信号，Q端连接主功率管NMOS的控制端，QN端悬空。
图3为图2中斜坡补偿检测模块REFCLK、PWM以及ENSLC波形图示意图，图3中PWM控制信号和预设的参考时钟信号REFCLK为同周期信号，并且PWM控制信号和预设的参考时钟信号REFCLK为上升沿同步的同周期信号，从而可以精准实现自适应斜坡补偿，提高开关电源的稳定性。PWM控制信号的下降沿由开关电源的主功率管导通时源极电压采样信号VCS和开关电源的输出电压反馈信号VFB决定。预设的参考时钟信号REFCLK设定为固定占空比，从而可以预设开关电源工作在大于该固定占空比条件下引入本发明的斜坡补偿功能，其固定占空比可以根据开关电源具体要求进行设计。当PWM控制信号占空比大于预设的参考时钟信号REFCLK的固定占空比时，斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平；当PWM控制信号占空比小于或等于预设的参考时钟信号REFCLK的固定占空比时，斜坡补偿模块使能信号ENSLC为低电平。
图2中的自适应斜坡补偿模块包括反相器INV、偏置电流源IB、开关S1、开关S2、电容C和跨导放大器OTA；反相器INV的输入端同时连接自适应斜坡补偿模块的第一输入端和开关S1的控制端、输出端连接开关S2的控制端；偏置电流源IB的电流流入端用于输入电源电压VDD、电流流出端连接开关S1的一端；开关S1的另一端同时连接开关S2的一端、电容C的一端和跨导放大器OTA的正向端；开关S1的另一端与跨导放大器OTA的正向端连接的线路之间还输入预设的第一参考电压VREF1，跨导放大器OTA的负向端输入预设的第二参考电压VREF2，跨导放大器OTA的两个输出端分别输出相等的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC；开关S2的另一端和电容C的另一端接地。xENSLC为斜坡补偿模块使能信号ENSLC的反向信号，VSLC为偏置电流源IB在开关S1导通时间段对电容C充电所产生的充电电压，VSLC电压与预设的第一参考电压VREF1相加后输出VR电压。
需要说明的是，就跨导放大器OTA本身而言，自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC都是流出自适应斜坡补偿模块的，从外部电路来看，自适应斜坡补偿电流ISC_SLC同样是流出自适应斜坡补偿模块，但自适应斜坡补偿电流ISK_SLC则是流入自适应斜坡补偿模块的，这是本领域的技术人员可以理解的，并不冲突。
图2中斜坡补偿电路工作原理分析如下：
当斜坡补偿模块使能信号ENSLC为低电平时，开关S1断开、开关S2导通，偏置电流源IB不对电容C充电，故对电容C充电所产生的电压VSLC为0。
当斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平时，开关S1导通、开关S2断开，偏置电流源IB对电容C进行充电，产生一个随开关S1导通时间线性变化的电压VSLC，关系式为：其中ts1_on为开关S1的导通时间，即斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平持续的时间。电压VSLC与预设的第一参考电压VREF1相加后输出电压VR，即VR＝VSLC+VREF1，用于跨导放大器OTA的正相输入；预设的第二参考电压VREF2用于跨导放大器OTA的反相输入；可根据开关电源具体需求设计，使得跨导放大器OTA满足：当VR＝VREF1时，跨导放大器OTA的第一输出端和第二输出端分别输出的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC均为零，即自适应斜坡补偿电路不工作；当VR>VREF1时，跨导放大器OTA的第一输出端和第二输出端分别输出大小相等、方向相反的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC，且自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC随电压VR线性增加而增加，即开关电源实现自适应斜坡补偿功能，自适应调整斜坡补偿信号的幅值以提高开关电源的稳定性；当VR≥2×VREF2-VREF1时，跨导放大器OTA的第一输出端和第二输出端分别输出大小相等、方向相反的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC达到最大值，且最大值由跨导放大器OTA根据开关电源的具体需求而设计。
跨导放大器OTA的第一输出端和第二输出端分别输出大小相等、方向相反的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC，可设定ISC_SLC＝ISK_SLC＝Islope；
表达式为：
上述表达式中IOTA_MAX为跨导运算放大器OTA最大输出电流，由跨导运算放大器OTA的尾电流源决定,图4示出了跨导放大器OTA输出电流的示意图。
斜坡补信号幅值，由自适应斜坡补偿电流ISC_SLC、ISK_SLC流经电阻R两端产生的电压ΔV决定，表达式为：ΔV＝Islope×R。
综上所述，斜坡补偿信号幅值随PWM控制信号自动调节，进而实现自适应斜坡补偿功能。
需要指出的是，以上优选的实施方式不应视为本发明的限制。本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的实质精神范围内，还可以做出若干等同替换、改进和润饰等任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (7)

1.一种斜坡补偿电路，应用于开关电源，其特征在于，包括：斜坡补偿检测模块和自适应斜坡补偿模块；斜坡补偿检测模块用于检测驱动开关电源主功率管的PWM控制信号，将其与预设的参考时钟信号REFCLK比较，输出斜坡补偿模块使能信号ENSLC至自适应斜坡补偿模块，其中预设的参考时钟信号REFCLK与PWM控制信号为同周期信号；斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平期间，自适应斜坡补偿模块工作，产生一个随斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平持续的时间变化而变化的电压VSLC，并与预设的第一参考电压VREF1相加产生电压VR，然后将电压VR与预设的第二参考电压VREF2进行比较，依据比较结果输出大小相等、方向相反的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC；
其中，所述自适应斜坡补偿模块包括反相器INV、偏置电流源IB、开关S1、开关S2、电容C和跨导放大器OTA；反相器INV的输入端和开关S1的控制端连接在一起后用于输入斜坡补偿模块使能信号ENSLC，反相器INV的输出端连接开关S2的控制端；偏置电流源IB的电流流入端用于输入电源电压VDD、电流流出端连接开关S1的一端；开关S1的另一端同时连接开关S2的一端、电容C的一端和跨导放大器OTA的正向端；开关S1的另一端与跨导放大器OTA的正向端连接的线路之间还输入预设的第一参考电压VREF1，跨导放大器OTA的负向端输入预设的第二参考电压VREF2，跨导放大器OTA的两个输出端分别输出相等的自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC；开关S2的另一端和电容C的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于：当VR>VREF1时，自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC随电压VR线性增加，直至VR≥2×VREF2-VREF1，自适应斜坡补偿电流ISC_SLC和ISK_SLC达最大值。
3.根据权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于：预设的参考时钟信号REFCLK与PWM控制信号为上升沿同步的同周期信号。
4.根据权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于：PWM控制信号的下降沿由开关电源的主功率管导通时源极电压采样信号VCS和开关电源的输出电压反馈信号VFB决定。
5.根据权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于：预设的参考时钟信号REFCLK的占空比固定。
6.根据权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于：PWM控制信号的占空比大于参考时钟信号REFCLK的占空比时，斜坡补偿模块使能信号ENSLC为高电平；PWM控制信号的占空比小于或等于参考时钟信号REFCLK的占空比时，斜坡补偿模块使能信号ENSLC为低电平。
7.一种开关电源，其特征在于，包括：主功率管NMOS、RS触发器、运算放大器CMP、电阻R、电阻Rcs，以及权利要求1至6任一项所述的斜坡补偿电路；运算放大器CMP的负向输入端和电阻R的一端连接在一起后输入自适应斜坡补偿电流ISC_SLC，电阻R的另一端、主功率管NMOS的源极和电阻Rcs的一端连接在一起后输入自适应斜坡补偿电流ISK_SLC；电阻Rcs的另一端接地；运算放大器CMP的正向输入端输入开关电源的输出电压反馈信号VFB,输出端连接RS触发器的S端；RS触发器的R端用于输入主功率管NMOS的导通信号ON，Q端连接主功率管NMOS的控制端，QN端悬空。
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