CN117650700A - 开关电源及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源及其控制电路。包括：时钟生成电路，其被配置为生成一时钟信号；峰值检测电路，其被配置为在电感器的电感电流上升到最大峰值时生成电流峰值电压信号；以及逻辑控制电路，其被配置为基于时钟信号将第一开关管从第二状态切换到第一状态，以及基于电流峰值电压信号将第一开关管从第一状态切换到第二状态，其中，峰值检测电路还配置为基于开关电源的输入电压、输出电压以及输出电流自适应调整最大峰值，从而可以在轻负载状态下降低每个开关周期中电感器的传输能量，从而可以在保证电路的开关频率维持在音频范围以上的同时避免电路的输入能量过载而降低效率，兼顾了效率和开关频率之间的平衡。

Description

开关电源及其控制电路
技术领域
本发明涉及电源设计领域，更具体地涉及一种开关电源及其控制电路。
背景技术
开关电源变换器是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源变换器一般由脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，简称PWM)控制电路、储能元件(例如电感)和开关管构成。移动终端中会用到大量的开关电源变换器，给其内部的各个模块如中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、客户识别模块(Subscriber Identification Module，简称SIM)卡、射频功率放大器等，提供稳定电源。
开关电源变换器(以下简称开关电源)在负载电流比较大的时候，一般工作于连续接通模式(Continuous Conduction Mode，简称CCM)，此时开关电源的开关频率比较高，通常为几百kHz到几MHz。但是当负载电流比较小或者是没有负载电流的时候，为了降低损耗，提高效率，开关电源一般都会降低工作频率，进入非连续接通模式(DiscontinuousConduction Mode，简称DCM)。在DCM下，一般负载电流越小，工作频率越低。当工作频率落入音频范围(20Hz-20kHz)，会产生音频噪声，此噪声影响客户体验的同时也对移动终端的通讯产生了干扰，是不可接受的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电源及其控制电路，通过根据开关电源的输出电流自适应调整电感电流的最大峰值，以在轻负载状态下保证电路的开关频率维持在音频范围以上的同时避免电路的输入能量过载而降低效率，兼顾了效率和开关频率之间的平衡。
根据本发明的一方面，提供一种开关电源的控制电路，所述开关电源包括连接到开关节点的第一开关管和电感器，所述控制电路基于所述开关电源的输入电压和输出电压在第一与第二状态之间切换所述第一开关管，所述控制电路包括：时钟生成电路，其被配置为生成一时钟信号；峰值检测电路，其被配置为在所述电感器的电感电流上升到最大峰值时生成电流峰值电压信号；以及逻辑控制电路，其被配置为基于所述时钟信号将所述第一开关管从第二状态切换到第一状态，以及基于所述电流峰值电压信号将所述第一开关管从所述第一状态切换到所述第二状态，其中，所述峰值检测电路还配置为基于所述开关电源的输入电压、输出电压以及输出电流自适应调整所述最大峰值。
可选地，所述峰值检测电路包括：第一电流乘法器，其被配置为将表征所述电感电流的第一采样电流进行乘方运算，除以第一参考电流后得到第一电流信号；第二电流乘法器，其被配置为将表征所述输出电流的第二采样电流与所述输入电压和输出电压相关的差值电流进行乘法运算，除以第二参考电流后得到第二电流信号；以及第一比较器，其正输入端用于接收所述第一电流信号，其负输入端用于接收所述第二电流信号，其输出端用于输出所述电流峰值电压信号。
可选地，所述最大峰值通过以下公式确定：
其中，IS1_max为电感电流的最大峰值，VIN和VOUT为开关电源的输入电压和输出电压，IOUT为开关电源的输出电流，η为功率电路的传输效率，L为电感器的电感率，fsw为开关电源的开关频率。
可选地，所述时钟生成电路还配置为在与所述输出电压相关的误差信号小于第一参考电压时，根据所述误差信号与所述第一参考电压之间的差值调整所述时钟信号的频率，以实现降频。
可选地，通过调整所述第一参考电压来设置所述开关电源的最低频率，且所述频率处于音频范围之上。
可选地，还包括：模式比较器，其配置为将所述误差信号与跳跃阈值电压相比较，并在所述误差信号小于所述跳跃阈值电压时向所述时钟生成电路提供一跳跃信号，其中，所述时钟生成电路根据所述跳跃信号屏蔽所述时钟信号的至少一个脉冲的输出。
可选地，所述时钟生成电路包括：定时器模块，其被配置为在所述第一开关管从所述第二状态切换到所述第一状态时产生逐渐升高的斜坡电压以开启计时，并在所述斜坡电压上升到第二参考电压时产生计时信号；以及逻辑运算模块，其被配置为将所述计时信号与所述跳跃信号进行逻辑运算，以生成所述时钟信号。
可选地，所述定时器模块包括：串联连接于电源电压和地之间的电流源与斜坡电容器，所述电流源配置为向所述斜坡电容器提供一充电电流，以在所述斜坡电容的第一端产生所述斜坡电压；并联在所述斜坡电容器的两端之间的开关晶体管，其中所述开关晶体管的接通和关断基于所述时钟信号控制；第二比较器，其正输入端用于接收所述斜坡电压，其负输入端用于接收所述第二参考电压，其输出端用于提供所述计时信号；以及跨导放大器，其被配置为基于所述误差信号与所述第一参考电压之间的误差在所述斜坡电容器的第一端提供一放电电流。
可选地，所述逻辑运算模块包括：反相器，其配置为获得所述计时信号的反相信号；或非门，其配置为将所述计时信号的反相信号与所述跳跃信号进行或非逻辑运算；以及窄脉冲模块，其配置为基于所述或非门的输出产生所述时钟信号。
根据本发明的另一方面，提供一种开关电源，包括：输入端，用于接收输入电压；连接到负载的输出端，用于提供输出电压；与所述输入端和输出端连接的功率电路，所述功率电路采用至少一个电感器以及至少第一开关管调节提供给所述负载的电流；以及上述的控制电路，所述控制电路连接到所述第一开关管且经配置以基于所述输入电压及所述输出电压在第一与第二状态之间切换所述第一开关管。
综上所述，本发明的开关电源可以根据电路的输出电流自适应调整电感电流的峰值，从而可以在轻负载状态下根据输出电流自适应降低电感电流的峰值，继而降低每个开关周期中电感器的传输能量，从而可以在保证电路的开关频率维持在音频范围以上的同时避免电路的输入能量过载而降低效率，兼顾了效率和开关频率之间的平衡。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1为根据本发明实施例的开关电源的结构示意图。
图2为根据本发明实施例的开关电源中的时钟生成电路的结构示意图。
图3A为根据现有技术的开关电源在轻负载状态下的工作时序图。
图3B为根据本发明实施例的开关电源在轻负载状态下的工作时序图。
图4为具有包括本发明实施例的开关电源的计算机***的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1为根据本发明实施例的开关电源100的结构示意图。如图1所示，开关电源100包括功率电路和控制电路110。其中，功率电路是峰值电流模同步整流方式的升压型开关调节器的输出电路，包括一个或多个开关元件和滤波器元件(例如，电感和/或电容等)，所述一个或多个开关元件和滤波器元件被配置为响应于开关驱动信号来调节开关变换器输入端至输出端的电能传输，以将输入电压VIN转换成稳定连续的输出电压VOUT。
但是本发明对此不做限制，可以关联任何类型的DC-DC开关电源架构来使用本发明公开的各种概念，例如根据功率电路的拓扑分类，包括降压型(Buck)开关电源、升压型(Boost)开关电源、反激型(Flyback)开关电源和降压-升压型(Buck-Boost)开关电源等。
此外，虽然在本发明实施例的图例中利用高侧开关装置和低侧开关装置的互补PWM控制，但是本发明所描述的概念能够在仅使用单个开关装置的开关电源转换器中实施，并且/或者在应用多于两个脉冲宽度调制的开关电源转换器中实施。
如图1所示，功率电路包括开关管S1(又称为低侧开关管)、开关管S2(又称为高侧开关管)以及电感器L1。其中，低侧开关管S1和高侧开关管S2的漏极彼此连接，二者的公共端形成开关节点LX，低侧开关管S1的源极与接地端连接，高侧开关管S2的源极与输出电压VOUT连接。电感器L1的第一端与输入电压VIN连接，其第二端与开关节点LX连接。应理解，在本实施例中开关管S1为主功率管，开关管S2为整流管，开关管S1和S2可以是任何类型的场效应管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，在不背离本发明所教导的范围内，还可以是本领域技术人员已知范围内的其他类型的场效应管和、或其他类型的晶体管。
开关电源100还包括输出电容Co，输出电容Co被设置在开关电源100的输出端和接地端之间以在其两端产生输出电压VOUT。电阻器Ra和Rb组成的分压网络用于得到输出电压VOUT的反馈电压VFB。
控制电路110用于产生施加到开关管S1和S2的栅极的驱动信号，控制开关管S1和S2的开关状态，以给负载提供能量。在本实施例中，控制电路110通过反复使得开关管S1和S2交替地接通/截止，利用电感器L1进行能量转换，从而使得输入电压VIN被升压，被升压后地电压通过电感器L1、输出电容Co被平滑化，作为输出电压VOUT被输出。
其中，开关电源100的控制电路110可以被集成在一个半导体衬底上的LSI芯片。在本实施例中，开关管S1和S2可以被设置在控制电路110的外部，但是也可以设置于控制电路的内部。
进一步的，所述开关电源100具有开关周期，所述开关周期包括对所述电感器L1充电的接通时间Ton和对输出端放电的关断时间Toff。当负载较大时，所述开关电源100工作在连续接通模式(Continuous Conduction Mode，简称CCM)下。在每一个所述开关周期内，开关管S1和开关管S2中的至少一个对于每个开关周期的整个部分均接通(忽略切换之间的死区时间以确保在任何给定时间仅有一个开关是接通的)，流经所述电感器L1的电流IL从不会为零，或者说所述电感器L1从不“复位”，意味着在所述开关周期内，所述电感器的磁通从不回到零，所述开关管S2关断时，流经所述电感器L1的电流IL始终保持大于零。
当负载较小时，所述开关电源100工作在非连续接通模式(DiscontinuousConduction Mode，简称DCM)下。当所述开关电源100工作在DCM下时，每一个所述开关周期的大小等于T1+T2。其中，T1定义了以下过程:开关管S1接通，且开关管S2关断，所述输入电压VIN经由所述电感器L1形成对地通路，所述电感器L1储能，流经其上的电感电流IL上升。而后，所述开关管S1受控关断的同时，所述开关管S2受控接通，所述电感器L1将储存的电能传输至所述开关电源100的输出端为其充电，所述输出电压VOUT升高，直至流经所述电感器L1的电感电流IL降为零，意味着所述电感器L被适当地“复位”，所述开关管S2关断时，流经所述电感器L1的电感电流IL为零。所述T2定义了以下过程:流经所述电感器L1的电感电流IL保持为零，流经所述负载的电流对所述输出电容放电，直到所述下一周期的时钟脉冲到来，所述开关电源100在所述控制电路110的控制下开启一个新的开关周期，循环往复。
在本实施例中，开关电源100的控制电路110进一步包括误差放大器121、模式比较器122、峰值检测电路123、逻辑控制电路124、时钟生成电路125以及电流采样电路131和132。
其中，误差放大器121的正输入端用于接收所述反馈电压VFB，误差放大器121的负输入端用于接收一基准电压VBG，误差放大器121被配置为将所述反馈电压VFB与所述基准电压VBG相比较，以产生误差信号VERR，信号VERR表示反馈电压VFB与基准电压VBG之间的差值，信号VERR被提供至逻辑控制电路124。
峰值检测电路123被配置为检测所述电感器L1的电感电流峰值，并在所述电感器L1的电感电流达到最大峰值时，产生电流峰值电压信号VIPEAK以将开关管S1从接通状态切换到关断状态。示例的，所述峰值检测电路123配置为基于表征电感电流的第一采样电流IS1和第一参考电流IREF1得到第一电流信号IO1，基于表征输出电流的平均值的第二采样电流IS2、与输入电压VIN和输出电压VOUT相关的差值电流IK以及第二参考电流IREF2得到第二电流信号IO2，并基于第一电流信号IO1和第二电流信号IO2之间的比较得到所述电流峰值电压信号VIPEAK。
进一步的，峰值检测电路123包括电流乘法器1231和1232以及比较器1233。电流乘法器1231具有用于接收所述第一采样电流IS1的第一端和第二端，用于接收所述第一参考电流IREF1的第三端，以及用于输出所述第一电流信号IO1的第四端。电流乘法器1231可以实现电流数值计算关系：IS1*IS1＝IREF1*IO1。根据上述的电流数值计算关系可以得到：
电流乘法器1232具有用于接收所述第二采样电流IS2第一端，用于接收所述差值电流IK的第二端，用于接收所述第二参考电流IREF2的第三端，以及用于输出所述第二电流信号IO2的第四端。电流乘法器1232可以实现电流数值计算关系：IS2*V1＝IREF2*IO2。根据上述的电流数值计算关系可以得到：
其中，差值电流IK与功率电路的输入电压VIN和输出电压VOUT相关，示例的，差值电流IK＝(VOUT―VIN)/R，R表示将输出电压和输入电压之间的电压差转换为电流的压流转换电路中的电阻值，将差值电流IK代入公式(2)可以得到：
比较器1233的正输入端用于接收所述第一电流信号IO1，比较器1233的负输入端用于接收所述第二电流信号IO2，比较器1233的输出端用于输出所述电流峰值电压信号VIPEAK。由于当第一电流信号IO1大于第二电流信号IO2时，比较器1233将输出有效(例如，为高电平)的电流峰值电压信号VIPEAK，以使得功率电路中的开关管S1从接通状态切换到关断状态，此时电感器L1中的电流将下降，继而会使得第一电流信号IO1下降，因此在本实施例的开关电源的工作过程中，第一电流信号IO1小于或等于第二电流信号IO2，同时结合公式(1)和(3)可以得到：
在本实施例中，设置第二参考电流IREF2为：
其中，a为设定的正比于第一参考电流IREF1的固定比例系数，η为功率电路的传输效率，L为功率电路的输入端和开关节点LX之间的电感器L1的电感率，fsw表示电路的开关频率。
根据公式(4)和(5)可以得到，
因此，本实施例的电感电流的最大值(或峰值)为：
(7)
其中，IOUT表示功率电路的输出电流或者负载电流，由公式(7)可以得到，在η×L相对恒定的情况下，本实施例的开关电源在轻负载状态下可以根据输出电流IOUT自适应调整电感电流的峰值，从而可以在轻负载状态下减少每个开关周期中电感器的能量传输。因此，本实施例的开关电源在轻负载状态下可以根据输出电流自适应调整电感电流的峰值，降低每个开关周期中电感器的能量传输，避免输入能量过载，提高开关电源的传输效率。
在一种实施例中，第一采样电流IS1与流过开关管S1并通过电流采样电路131获得的电流成比例，例如，可以通过电流采样电路131来检测流经功率电路中的电感器的电流，以获得所述第一采样电流IS1。在一种实施例中，第二采样电流IS2与流过开关管S2并通过电流采样电路132获得的电流成比例，例如，可以通过电流采样电路132来检测流经开关管S2的平均电流，以获得所述第二采样电流IS2。示例的，上述采样可以通过采样电阻器、电流互感器或电流镜等方式实现，而且，电流采样电路131和132也可以通过感测跨接在低侧开关管S1和高侧开关管S2两端之间的感测电阻器(未示出)来获得所述第一采样电流IS1和第二采样电流IS2。
时钟生成电路125被配置为电路提供开关定时的内部时钟，以控制功率电路中的开关管S1的开关周期的持续时间，并在开关周期时间期满时产生时钟信号CLK以将所述开关管S1从关断状态切换到接通状态。示例的，所述时钟生成电路125还用于基于所述误差信号VERR与第一参考电压VREF1之间的差值来动态调整所述时钟信号CLK的频率以实现变频。
模式比较器122的负输入端用于接收所述误差信号VERR，模式比较器122的正输入端用于接收跳跃阈值电压VSKIP，模式比较器122配置为将所述误差信号VERR与跳跃阈值电压VSKIP相比较，以产生跳跃信号SKIP。其中，跳跃信号SKIP用于控制功率电路是否在跨周期区间操作，当功率电路进入跨周期区间后，控制电路110输出的开关驱动信号会跳过一些时钟周期，从而减少开关频率。工作在跨周期区间的开关电源在轻负载下具有响应速度快、效率高、抗干扰能力强、电磁兼容性好和鲁棒性强等优点。示例的，当信号VERR小于所述跳跃阈值电压VSKIP时，所述跳跃信号SKIP为有效状态(例如为高电平)，功率电路在跨周期区间操作；以及当信号VERR大于所述跳跃阈值电压VSKIP时，所述跳跃信号SKIP为无效状态(例如为低电平)，功率电路退出跨周期区间。在一种示例性的实施方式中，模式比较器122可以通过具有迟滞功能的比较器(例如，迟滞比较器)来实现。示例的，所述跳跃信号SKIP还被提供至时钟生成电路125，时钟生成电路125配置为基于有效的所述跳跃信号SKIP屏蔽时钟信号CLK的输出，从而可以在一些时钟周期屏蔽开关驱动信号的输出，进一步降低电路的开关频率。
图2为根据本发明实施例的开关电源中的时钟生成电路的结构示意图。如图2所示，本实施例的时钟生成电路125包括定时器模块101和逻辑运算模块102。其中，定时器模块101配置为在开关管S1从关断状态切换到接通状态时采用电流对斜坡电容器进行充电的方式生成逐渐升高的斜坡电压VSLOPE以开启计时，并在所述斜坡电压VSLOPE升高到设定的第二参考电压VREF2时输出有效(例如高电平脉冲)的计时信号ST。
示例的，所述定时器模块101包括电流源1251、跨导放大器1252、斜坡电容器C1、开关晶体管M1以及比较器1253。其中，电流源1251与斜坡电容器C1串联连接于电源电压VCC和地之间，开关晶体管M1连接于斜坡电容器C1的第一端和地之间，所述开关晶体管M1的控制端用于接收所述时钟信号CLK。其中，电流源1251配置为在开关晶体管M1处于关断时向斜坡电容器C1提供充电电流I1，以在所述斜坡电容器C1的一端产生逐渐上升的斜坡电压VSLOPE。所述比较器1253的正输入端用于接收所述斜坡电压VSLOPE，所述比较器1253的负输入端用于接收所述第二参考电压VREF2，比较器1253被配置为在所述斜坡电压VSLOPE上升到所述第二参考电压VREF2时产生有效的所述计时信号ST。
进一步的，所述跨导放大器1252的正输入端用于接收所述第一参考电压VREF1，所述跨导放大器1252的负输入端用于接收所述误差信号VERR，所述跨导放大器1252配置为在所述误差信号VERR降低到所述第一参考电压VREF1后，基于所述第一参考电压VREF1和所述误差信号VERR之间的电压差在所述斜坡电容器C1的第一端提供一放电电流I2，该放电电流I2的存在减小了所述斜坡电压VSLOPE的上升斜率，从而可以改变的所述计时信号ST的有效脉冲的产生时刻，达到调整时钟信号CLK的频率的目的。
逻辑运算模块102配置为将所述计时信号ST与所述跳跃信号SKIP进行逻辑运算，以生成所述时钟信号CLK。示例的，所述逻辑运算模块102包括反相器IN1、或非门NOR1以及窄脉冲模块1254。其中，所述反相器INV1用于产生所述计时信号ST的反相信号，所述或非门NOR1用于将所述计时信号ST的反相信号与所述跳跃信号SKIP进行或非逻辑运算，所述窄脉冲模块1254用于基于所述或非门NOR1的输出产生所述时钟信号CLK。其中，所述或非门NOR1配置为在所述计时信号ST的反相信号以及所述跳跃信号SKIP均无效(例如，为低电平)时提供有效的输出信号，最终在所述窄脉冲模块1254的输出端得到所述时钟信号CLK的有效脉冲。进一步的，所述时钟信号CLK的有效脉冲短暂导通所述开关晶体管M1以对斜坡电容器C1进行放电，从而使得斜坡电压VSLOPE复位并开始下一轮充电，最终产生周期的脉冲信号CLK。
在本实施例中，当开关电源100进入轻负载状态时，电路的输出电流降低，继而使得误差放大器121的输出VERR降低，当误差信号VERR降低到第一参考电压VREF1以下时跨导放大器1251从斜坡电容器C1上抽取电流，继而斜坡电压VSLOPE的斜率减小导致时钟信号CLK的频率降低，直到跨导放大器1251抽取的电流达到上限时，时钟信号CLK的频率停止降低。由于时钟信号CLK的频率决定了开关电源100的开关频率，因此为了避免本实施例的开关电源100在轻负载状态时开关频率降低到音频范围(20Hz-20kHz)而产生音频噪声，本发明实施例还包括通过设置第一参考电压VREF1的值而保证开关电源100在轻负载状态下降频后的开关频率仍旧在音频范围以上。在一种示例的实施方式中，可以通过设置第一参考电压VREF1的值而使得时钟信号CLK的最小频率为50kHz，从而可以在自动降频的基础上保证开关电源的工作频率在音频范围以上，以避免音频噪声的产生。
继续参考图1，逻辑控制电路124用于实现***的逻辑控制功能，其连接到误差放大器121、模式比较器122、峰值检测电路123以及时钟生成电路125的输出，逻辑控制电路124的输出与低侧开关管S1和高侧开关管S2的栅极连接，并且操作这些晶体管以便功率电路向负载输出电能。示例的，逻辑控制电路124接收来自误差放大器121、模式比较器122、峰值检测电路123以及时钟生成电路125的输出，并且生成互补的高侧驱动器信号HSDR和低侧驱动器信号LSDR，并根据这两个信号生成栅极控制信号驱动高侧开关管S2和低侧开关管S1的栅极。在一种示例性的实施方式中，控制电路110还包括与高侧开关管S2和低侧开关管S1对应的高侧驱动器126和低侧驱动器127，高侧驱动器信号HSDR和低侧驱动器信号LSDR作为输入被提供至高侧驱动器126和低侧驱动器127。
在本实施例中，当开关电源100工作于重负载状态时，每个开关周期期满时时钟生成电路125产生所述时钟信号CLK(例如，高电平脉冲)，所述逻辑控制电路124基于所述时钟信号CLK控制所述高侧开关管S2从接通状态切换到关断状态，并经过合适的死区时间后控制所述低侧开关管S1从关断状态切换到接通状态，输入电压VIN对电感器L1进行充电，因此电感器L1上的电流IL不断上升，流经开关管S1的电流经过电流采样电路131的采样后得到第一采样电流IS1并提供至峰值检测电路123，峰值检测电路123将基于所述第一采样电流IS1获得的第一电流信号IO1和与开关电源100的输出电流相关的第二电流信号IO2相比较，随着电感电流IL的上升，当第一电流信号IO1上升得到第二电流信号IO2时，峰值检测电路123产生所述电流峰值电压信号VIPEAK，所述逻辑控制电路124控制所述开关管S1从接通状态切换到关断状态，并经过合适的死区时间后将所述开关管S2从关断状态切换到接通状态，电感器L1中存储的电流流向负载，因此电感器L1中的电流IL下降。
当开关电源100工作于轻负载状态时，由于输出电流的降低，继而使得误差信号VERR降低，当误差信号VERR降低到第一参考电压VREF1以下时，时钟生成电路125根据误差信号VERR与第一参考电压VREF1之间的差值来降低时钟信号CLK的频率，继而降低了功率电路中的开关频率。为了避免功率电路中的开关频率降低到音频范围而产生音频噪声，因此本实施例的时钟信号CLK的频率始终大于最小频率(例如，50kHz)。进一步，本实施例的开关电源100还包括在轻负载状态下根据输出电流自适应降低电感电流的峰值，降低每个开关周期中电感器传输的能量，以防止在轻负载状态下电路的输入能量过载而降低效率。因此，本实施例的开关电源100可以在轻负载的状态下在保证开关频率处于音频范围以上的同时降低电路的效率损失，兼顾了效率和开关频率之间的平衡。
图3A和图3B分别为根据现有技术的开关电源和根据本发明实施例的开关电源在轻负载状态下的工作时序图。在图3A和图3B中分别示出了跳跃信号SKIP、时钟信号CLK、电流峰值电压信号VIPEAK以及电感电流IL的波形图。
如图3A所示，传统的开关电源在输出电流很小时进入DCM模式，在DCM模式下当电感电流IL下降到0时，开关电源强制关断高侧开关管S2，使得电感电流IL维持为0，如图3A中的时间t3-t4所示，直到时钟信号CLK的下一脉冲到来时再次接通低侧开关管S1，使得电感电流IL再次上升。为了降低轻负载状态下的效率损失，传统的开关电源在降频的基础上结合自动跳频的方式来减少开关驱动信号的数量，即传统的开关电源在跳跃信号SKIP翻转为高电平时，屏蔽时钟信号CLK的有效脉冲，从而在一些时间段将高侧开关管S2和低侧开关管S1均关断，以将电感电流IL维持为0，如图3A中的时间t4-t5所示。直到跳跃信号SKIP翻转为低电平之后，才根据时钟信号CLK的下一脉冲接通低侧开关管S1，使得电感电流IL再次上升，如图3A中的时间t5所示。直到电感电流IL上升的设定的电流峰值时，电流峰值电压信号VIPEAK输出有效的脉冲，以关断低侧开关管S1，并接通高侧开关管S2，使得电感电流IL下降，如图3A中的时间t6所示。当电感电流IL再次下降到0时，开关电源强制关断高侧开关管S2，使得电感电流IL维持为0，如图3A中的时间t7所示。
在传统的开关电源中，虽然可以通过减少开关驱动信号的数量来降低电路在轻负载状态下的效率损失，但是降频结合自动跳频的方式会在输出电流降低到一定程度时，导致电路的开关频率降低到音频范围而产生音频噪声。
如图3B所示，本发明实施例的开关电源在输出电流很小时自适应降低电感峰值电流，继而降低每个开关周期中电感器的传输能量，如图3B中的三角波阴影所示。根据输入能量公式：WIN×η＝AIL×VIN×n×η＝WOUT(其中，WIN表示开关电源的输入能量，AIL表示图3B中的三角波阴影面积，n表示能量传输时间T中的三角波个数，WOUT表示开关电源的输出能量)可知，当开关电源的输出电流很小时，电路的输出能量WOUT减小，同时电路的输入能量WIN也需要相应地减小，而本发明实施例的开关电源通过减小每个开关周期中电感器的传输能量，从而可以在能量传输时间T内可以传输更多的三角波，也即与传统的开关电源相比，本发明实施例的开关电源可以得到更高的开关频率，即使因为输出电流很小而产生了跳跃信号SKIP，如图3B中的时间t10-t11所示，开关电源的开关频率也可以维持在音频范围以上，避免音频噪声的产生。
图4为具有包括本发明实施例的开关电源的计算机***200的结构示意图。如图4所示，电源201产生经由连接网络205为计算机***200的其他***设备提供电能的一个或多个供电电压，其中调节器203例如通过上述实施例的开关电源实现，用于对所述供电电压进行调节稳压。连接网络205可以是总线***或开关***或一组导体等。在所示实施例中，计算机***200包括处理器207和外设***209，两者均耦合至连接网络205来从电源201处接收电源电压。在所示实施例中，外设***209可包括***存储器211(例如，包括RAM和ROM类型设备和存储器控制器等的任何组合)和输入/输出(I/O)***213的任何组合，该输入/输出***213可包括***控制器等，例如图形控制器、中断控制器、键盘和鼠标控制器、***存储设备控制器(例如，用于硬盘驱动器的控制器等)等等。所示***只是示例性的，因为本领域技术人员可以理解，许多处理器***和支持装置可以被集成到处理器芯片上。
如上述实施例所述，调节器203具有CCM和DCM模式两种模式，调节器203在较高负载时以CCM工作，当负载减小时切换至DCM且同时开关频率维持在高于音频范围至上，不仅可以提供相比CCM在较轻负载时更高的效率，而且可以防止音频噪声的产生，兼顾了效率与消费者使用体验之间的平衡。
本发明实施例的开关电源可以根据电路的输出电流自适应调整电感电流的峰值，从而可以在轻负载状态下根据输出电流自适应降低电感电流的峰值，继而降低每个开关周期中电感器的传输能量，从而可以在保证电路的开关频率维持在音频范围以上的同时避免电路的输入能量过载而降低效率，兼顾了效率和开关频率之间的平衡。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (10)

1.一种开关电源的控制电路，所述开关电源包括连接到开关节点的第一开关管和电感器，所述控制电路基于所述开关电源的输入电压和输出电压在第一与第二状态之间切换所述第一开关管，所述控制电路包括：
时钟生成电路，其被配置为生成一时钟信号；
峰值检测电路，其被配置为在所述电感器的电感电流上升到最大峰值时生成电流峰值电压信号；以及
逻辑控制电路，其被配置为基于所述时钟信号将所述第一开关管从第二状态切换到第一状态，以及基于所述电流峰值电压信号将所述第一开关管从所述第一状态切换到所述第二状态，
其中，所述峰值检测电路还配置为基于所述开关电源的输入电压、输出电压以及输出电流自适应调整所述最大峰值。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述峰值检测电路包括：
第一电流乘法器，其被配置为将表征所述电感电流的第一采样电流进行乘方运算，除以第一参考电流后得到第一电流信号；
第二电流乘法器，其被配置为将表征所述输出电流的第二采样电流与所述输入电压和输出电压相关的差值电流进行乘法运算，除以第二参考电流后得到第二电流信号；以及
第一比较器，其正输入端用于接收所述第一电流信号，其负输入端用于接收所述第二电流信号，其输出端用于输出所述电流峰值电压信号。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其中，所述最大峰值通过以下公式确定：
其中，IS1_max为电感电流的最大峰值，VIN和VOUT为开关电源的输入电压和输出电压，IOUT为开关电源的输出电流，η为功率电路的传输效率，L为电感器的电感率，fsw为开关电源的开关频率。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述时钟生成电路还配置为在与所述输出电压相关的误差信号小于第一参考电压时，根据所述误差信号与所述第一参考电压之间的差值调整所述时钟信号的频率，以实现降频。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其中，通过调整所述第一参考电压来设置所述开关电源的最低频率，且所述频率处于音频范围之上。
6.根据权利要求4所述的控制电路，其中，还包括：
模式比较器，其配置为将所述误差信号与跳跃阈值电压相比较，并在所述误差信号小于所述跳跃阈值电压时向所述时钟生成电路提供一跳跃信号，
其中，所述时钟生成电路根据所述跳跃信号屏蔽所述时钟信号的至少一个脉冲的输出。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其中，所述时钟生成电路包括：
定时器模块，其被配置为在所述第一开关管从所述第二状态切换到所述第一状态时产生逐渐升高的斜坡电压以开启计时，并在所述斜坡电压上升到第二参考电压时产生计时信号；以及
逻辑运算模块，其被配置为将所述计时信号与所述跳跃信号进行逻辑运算，以生成所述时钟信号。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其中，所述定时器模块包括：
串联连接于电源电压和地之间的电流源与斜坡电容器，所述电流源配置为向所述斜坡电容器提供一充电电流，以在所述斜坡电容的第一端产生所述斜坡电压；
并联在所述斜坡电容器的两端之间的开关晶体管，其中所述开关晶体管的接通和关断基于所述时钟信号控制；
第二比较器，其正输入端用于接收所述斜坡电压，其负输入端用于接收所述第二参考电压，其输出端用于提供所述计时信号；以及
跨导放大器，其被配置为基于所述误差信号与所述第一参考电压之间的误差在所述斜坡电容器的第一端提供一放电电流。
9.根据权利要求7所述的控制电路，其中，所述逻辑运算模块包括：
反相器，其配置为获得所述计时信号的反相信号；
或非门，其配置为将所述计时信号的反相信号与所述跳跃信号进行或非逻辑运算；以及
窄脉冲模块，其配置为基于所述或非门的输出产生所述时钟信号。
10.一种开关电源，包括：
输入端，用于接收输入电压；
连接到负载的输出端，用于提供输出电压；
与所述输入端和输出端连接的功率电路，所述功率电路采用至少一个电感器以及至少第一开关管调节提供给所述负载的电流；以及
权利要求1-9任一项所述的控制电路，所述控制电路连接到所述第一开关管且经配置以基于所述输入电压及所述输出电压在第一与第二状态之间切换所述第一开关管。
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