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CN111327179B - 控制电路、控制方法及应用其的开关电源 - Google Patents

控制电路、控制方法及应用其的开关电源 Download PDF

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CN111327179B CN202010191292.7A CN202010191292A CN111327179B CN 111327179 B CN111327179 B CN 111327179B CN 202010191292 A CN202010191292 A CN 202010191292A CN 111327179 B CN111327179 B CN 111327179B
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Abstract

本发明公开了一种控制电路及控制方法，通过在正常负载时闭环工作，在轻载时，在电流环带宽还未显著降低时，断开电流环路，并从而避免了电流环和电压环相互干扰的问题。并通过减小ontime时间以及减小频率，使得输出电流纹波和电压纹波都随之减小。

Description

控制电路、控制方法及应用其的开关电源
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种控制电路、控制方法及应用其的开关电源。
背景技术
现有技术中，平均电流模式控制的基本原理是，根据输出电压反馈信号和电压参考信号获得电压补偿信号，使得电压补偿信号与电感电流平均值的采样信号进行比较，得到电流补偿信号。电流补偿信号跟一斜坡信号进行比较，以获得控制信号。即采用双环控制：电流内环和电压外环。在设计时，电流内环的带宽要远高于电压外环的带宽，以保证充足的相位裕度。但是，轻载时由于工作频率会随着负载的减小而降低，电流内环的带宽也会随之降低，当内外环的带宽靠近时，系统相位裕度会下降，从而导致稳定性不高的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种控制电路及控制方法，以解决现有的轻载时稳定性不高的问题。
第一方面，提供一种控制电路，用以控制开关型调节器，其特征在于，包括：
控制信号生成电路，用以在第一状态时，根据环路反馈信号以形成闭环反馈控制环路，来生成PWM控制信号；在第二状态时，切断所述闭环反馈控制环路，并根据基准电压信号来生成所述PWM控制信号，以减小输出纹波。
优选地，所述基准电压根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息生成。
优选地，所述基准电压根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息和所述环路反馈信号生成。
优选地，所述控制电路还包括斜坡信号生成电路，用以生成一斜坡信号；
在第一状态时，根据所述斜坡信号和所述环路反馈信号生成所述PWM信号，在第二状态时，根据所述斜坡信号和所述基准电压生成所述PWM信号。
优选地，在所述第一状态时，所述斜坡信号的斜率不变，在所述第二状态时，所述斜坡信号在所述PWM控制信号为有效状态期间具有第一斜率，在所述PWM控制信号为无效状态期间具有第二斜率。
优选地，所述第一斜率大于所述第二斜率。
优选地，所述斜坡信号的峰峰值固定，且所述斜坡信号的斜率与电感电流和电压补偿信号的误差相关。
优选地，所述电压补信号用以表征输出电压的反馈信号和电压参考信号的差值；所述环路反馈信号用以表征所述电感电流的反馈信号和所述电压补信号的差值。
优选地，所述斜坡信号生成电路通过一电流源电路给第三电容充电以生成所述斜坡信号，且在所述控制信号为无效状态期间，根据所述电感电流和电压补偿信号的误差，调节所述电流源电路输出的电流的大小。
优选地，当所述斜坡信号的峰值上升到峰值阈值时，所述第一电容两端的电压被清零。
优选地，所述斜坡信号生成电路包括：
所述电流源电路，通过第一开关连接至第三电容；以及，
所述第三电容，其两端与第二开关并联连接，所述第二开关的一端连接至地，在所述第三电容的非接地端生成所述斜坡信号；
其中，所述第一开关和所述第二开关受控于一复位信号，所述复位信号在所述斜坡信号的峰值上升到峰值阈值时跳变为有效状态并维持预定时间。
优选地，所述电流源电路包括：
第一电流源，用以输出固定的电流，以及，
第三跨导放大器，用以根据所述电感电流和电压补偿信号的误差，抽取或者增大所述第一电流源输出的固定的电流，以调节所述电流源电路输出的电流的大小。
优选地，所述电流源电路还包括：
第三开关，连接在所述第一电流源的输出端以及所述第三跨导放大器的输出端之间，且在所述控制信号为无效状态期间导通。
优选地，所述控制信号生成电路还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阳极接收所述环路反馈信号，阴极连接至所述控制信号生成电路的一个输入端；所述第二二极管的阳极接收所述基准电压，阴极连接至所述控制信号生成电路的同一个输入端。
第二方面，提供一种开关型调节器，其特征在于，包括：
上述的控制电路。
第三方面，提供一种控制方法，用以控制开关型调节器,其特征在于，包括：
在第一状态时，根据环路反馈信号以形成闭环反馈控制环路，来生成PWM控制信号；在第二状态时，切断所述闭环反馈控制环路，并根据基准电压信号来生成所述PWM控制信号，以减小输出纹波。
优选地，所述基准电压根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息生成。
优选地，所述基准电压根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息和所述环路反馈信号生成。
优选地，在第一状态时，根据一斜坡信号和所述环路反馈信号生成所述PWM信号，在第二状态时，根据所述斜坡信号和所述基准电压生成所述PWM信号。
优选地，在所述第一状态时，所述斜坡信号的斜率不变，在所述第二状态时，所述斜坡信号在所述PWM控制信号为有效状态期间具有第一斜率，在所述PWM控制信号为无效状态期间具有第二斜率。
优选地，所述第一斜率大于所述第二斜率。
优选地，所述斜坡信号的峰峰值固定，且所述斜坡信号的斜率与所述环路反馈信号相关。
本发明的控制电路通过在正常负载时闭环工作，在轻载时，在电流环带宽还未显著降低时，断开电流环路，并从而避免了电流环和电压环相互干扰的问题。并通过减小ontime时间以及减小频率，使得输出电流纹波和电压纹波都随之减小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为采用本发明的控制电路的开关电源的结构框图；
图2为本发明的一种斜坡信号生成电路的电路结构图；
图3为本发明的控制电路的工作波形图；
图4本发明的一种基准电压生成电路的电路结构图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
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。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，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，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1为采用本发明的控制电路的开关电源的结构框图。在该实施例中，以降压型开关型调节器(buck)为例对所述控制电路的工作原理进行说明。开关器件Q1、开关器件Q2，电感L和输出电容Cout组成一降压型拓扑结构的功率级电路，其输入端接收输入电压Vin，输出端连接至负载。
控制电路10包括斜坡信号生成电路11、控制信号生成电路12、基准电压生成电路13以及环路补偿电路14。本发明的控制电路旨在电路处于轻载状态时，在电流环路的带宽还未显著降低时，断开电流环路，从而避免了电流内环和电压外环相互干扰的问题。
具体地，斜坡信号生成电路11，用以生成一斜坡信号Vramp，在所述第一状态时，斜坡信号Vramp的斜率不变，在所述第二状态时，斜坡信号Vramp在所述控制信号为有效状态期间具有第一斜率，在所述控制信号为无效状态期间具有第二斜率，且所述第一斜率大于所述第二斜率，斜坡信号Vramp的峰值固定。优选地，设置斜坡信号Vramp的斜率与电感电流和电压补偿信号Vcomp的误差相关。
控制信号生成电路12，用以在第一状态时，根据环路反馈信号以形成闭环反馈控制环路，来生成PWM控制信号；在第二状态时，切断所述闭环反馈控制环路，并根据基准电压信号来生成所述PWM控制信号，以减小输出纹波。具体地，用以在第一状态时，根据斜坡信号Vramp和环路反馈信号Icomp生成PWM控制信号，在第二状态时，根据斜坡信号Vramp和基准电压Vref生成PWM控制信号。基准电压生成电路13，用以根据占空比信息生成基准电压Vref，其中，所述占空比信息表征功率级电路的输出电压Vout与输入电压Vin的比值，也即开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息。在一些实施方式中，基准电压Vref直接根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息生成，在另一些实施方式中，基准电压Vref根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息以及环路反馈信号生成。
环路补偿电路14包括电压补偿电路和电流补偿电路，其中电压补偿电路接收输出电压Vout的反馈信号Vfb和表征期望电压的电压参考电压Vv，输出电压补偿信号Vcomp，在本发明实施例中，电压补偿信号Vcomp表征输出电压Vout的反馈信号Vfb和电压参考电压Vv的差值。在一个优选实施方式中，电压补偿电路包括跨导放大器Gm1和连接在跨导放大器Gm1与接地端之间的第一电容C1和第一电阻R1。跨导放大器Gm1具有接收输出电压的反馈信号Vfb的反相端和接收电压参考电压Vv的同相端。跨导放大器Gm1基于输出电压的反馈信号Vfb与电压参考电压Vv的差值向第一电容C1充电或抽取电流，从而使得电压补偿信号Vcomp可以用于表征输出电压的反馈信号Vfb和表征期望电压的电压参考电压Vv的差值。当然，本领域技术人员容易理解，电压补偿电路也可以利用其它的电路或元件实现，例如差分放大电路。接着，电流补偿电路接收电感电流i的采样信号Vs和电压补偿信号Vcomp，电感电流补偿信号Icomp，在本发明实施例中，电流补偿信号Icomp表征电压补偿信号Vcomp和采样信号Vs的差值。在一个优选实施方式中，电流补偿电路包括跨导放大器Gm2和连接在跨导放大器Gm2与接地端之间的第二电容C2和第二电阻R2。跨导放大器Gm2具有接收电压补偿信号Vcomp的同相端和接收采样信号Vs的反相端。跨导放大器Gm2基于电压补偿信号Vcomp与采样信号Vs的差值向第二电容C2充电或抽取电流，从而使得电流补偿信号Icomp可以用于表征电压补偿信号Vcomp和采样信号Vs的差值。当然，本领域技术人员容易理解，电流补偿电路也可以利用其它的电路或元件实现，例如差分放大电路。这本发明实施例中，将电流补偿信号Icomp作为环路反馈信号，以跟斜坡信号生成电路11产生的斜坡信号Vramp比较生成控制信号。
更具体地，图2为本发明的一种斜坡信号生成电路的电路结构图。如图2所示，斜坡信号生成电路11通过一电流源电路21给第三电容C3充电以生成斜坡信号Vramp，且在所述控制信号为无效状态期间，根据电感电流i和电压补偿信号Vcomp的误差，调节电流源电路21输出的电流I2的大小。
在一个优选的实施例中，斜坡信号生成电路11包括：所述电流源电路21以及第三电容C3。具体地，电流源电路21通过第一开关K1连接至第三电容C3，第三电容C3的两端与第二开关K2并联连接，且第二开关K2的一端连接至地，并在第三电容C3的非接地端生成斜坡信号Vramp。
其中，第一开关K1和第二开关K2受控于一复位信号RST，具体地，第二开关K2直接受控于复位信号RST，第一开关K1受控于复位信号RST的取反信号。参考图3，为本发明的控制电路的工作波形图。复位信号RST在斜坡信号Vramp的峰值上升到峰值阈值Vg时跳变为有效状态并维持较短时间，也即复位信号RST在斜坡信号Vramp的峰值上升到峰值阈值Vg时出现一窄脉冲，用以将第三电容C3上的斜坡信号Vramp清零，以此使得斜坡信号Vramp的峰值固定。
进一步地，电流源电路21包括：第一电流源I1以及第三跨导放大器Gm3。其中，第一电流源I1，用以输出固定的电流I1，第三跨导放大器Gm3，用以根据电感电流i和电压补偿信号Vcomp的误差，生成误差放大电流Ipfm，以抽取或者增大第一电流源输出的固定的电流I1，以调节电流源电路21输出的电流I2的大小。跨导放大器Gm3具有接收电压补偿信号Vcomp的同相端和接收电感电流i的采样信号Vs的反相端。
更进一步地，电流源电路21还包括第三开关K3，第三开关K3连接在第一电流源I1的输出端以及第三跨导放大器Gm3的输出端之间，第三开关K3在所述控制信号为无效状态期间导通，以使得在电流源电路21输出的电流I2只在所述控制信号为无效状态期间受电感电流i和电压补偿信号Vcomp的误差的影响。
当然，本领域技术人员容易理解，斜坡信号生成电路11也可以利用其它的电路或元件实现，只要能够实现在所述控制信号为无效状态期间，根据电感电流i和电压补偿信号Vcomp的误差，调节电流源电路21输出的电流I2的大小即可。
再次结合图3，阐述斜坡信号生成电路11的工作原理：在控制信号为有效状态期间，即Ton时间段内，开关K1闭合，开关K2断开，开关K3断开，第一电流源I1给第三电容C3充电，第三电容C3上的斜坡信号Vramp的上升斜率为正常斜率，即第一斜率。在控制信号为无效状态期间，即Toff时间段内，开关K1闭合，开关K2断开，开关K3闭合，此时，分两种情况，第一种情况下，系统为闭环工作，电感电流i和电压补偿信号Vcomp的误差接近为零，此时误差放大电流Ipfm也为零，从而其不会对第一电流源I1产生影响，第一电流源I1给第三电容C3充电，第三电容C3上的斜坡信号Vramp的上升斜率同样为正常斜率，即第为一斜率；第二种情况下，系统为开环工作，电流环断开，电感电流i和电压补偿信号Vcomp的误差不为零，此时误差放大电流Ipfm大于零，从而其会抵消第一电流源I1输出的电流，第一电流源I1减小，第一电流源I1给第三电容C3充电，第三电容C3上的斜坡信号Vramp的上升斜率也减小，即为第二斜率，由此使得系统工作频率改变。图3中示出的即为第二种情况下的工作波形图。
具体地，控制信号生成电路12，包括比较器CMP，具有接收斜坡信号Vramp的反相端和接收环路反馈信号Icomp或基准电压Vref的反相端。更具体地，在第一状态时，根据斜坡信号Vramp和环路反馈信号Icomp生成控制信号VC，在第二状态时，根据斜坡信号Vramp和基准电压Vref生成控制信号VC。
进一步地，控制信号生成电路12还包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1的阳极接收环路反馈信号Icomp，阴极连接至比较器CMP的同相输入端；第二二极管D2的阳极接收基准电压Vref，阴极连接至比较器CMP的同相输入端。
基准电压生成电路13，用以根据占空比信息VD生成基准电压Vref，占空比信息VD表征功率级电路的输出电压Vout与输入电压Vin的关系。在一个功率级电路为buck电路的实施例中，设置基准电压Vref为：Vref＝K*VD，而占空比信息VD为：VD＝Vout/Vin，也即使得基准电压Vref与占空比信息VD成比例关系。在另一个实施例中，基准电压Vref与占空比信息VD成线性关系，且与电感电流和电压补偿信号的误差比成线性关系。即设置基准电压Vref为：Vref＝K*VD-M*(Vs-Vcomp)，这里，K和M均为系数。基于此，可以选取图4所示的基准电压生成电路。参考图4，基准电压生成电路13包括电阻Rd以及第四跨导放大器Gm4，具体地，电阻Rd的第一端接收占空比信息VD，第二端生成基准电压Vref，且电阻Rd的大小可根据具体需求确定；第四跨导放大器Gm4的输出端连接至电阻Rd的第二端，其用以根据电感电流i和电压补偿信号Vcomp的误差，生成误差放大电流Ipfm，以改变流过电阻Rd的电流的大小，从而改变基准电压Vref的大小。跨导放大器Gm4具有接收电压补偿信号Vcomp的同相端和接收电感电流i的采样信号Vs的反相端。根据该基准电压生成电路13的结构可知，系数M＝kGm4*Rd，其中kGm4为第四跨导放大器Gm4的增益。
至此，再次结合图1，来阐述本发明的控制电路的工作原理：在第一状态下，这里具体指的是正常负载的情况，由于环路反馈信号Icomp大于基准电压Vref，使得第一二极管D1导通，第二二极管D2截止，使得系统闭环工作。系统闭环工作时电感电流i和电压补偿信号Vcomp的误差接近为零，此时误差放大电流Ipfm也为零，斜坡信号Vramp的上升斜率不变，一直保持为第一斜率。同时，由于，Vref＝K*VD-M*(Vs-Vcomp)故此时基准电压Vref也与占空比信息VD成比例关系。在双环路控制下，当斜坡信号Vramp的上升斜率不变时，控制信号的占空比随着基准电压Vref，也即占空比信息VD的变化而变化，这使得系统工作在PWM模式。
在第二状态下，这里具体指的是轻载的情况，当负载变轻，系统进入DCM时，环路反馈信号Icomp会随着负载变轻而逐渐降低，环路反馈信号Icomp小于基准电压Vref时，第一二极管D1截止，第二二极管D2导通，使得系统开环工作，电流环断开。此时电感电流i和电压补偿信号Vcomp的误差不为零，误差放大电流Ipfm大于零，斜坡信号Vramp的上升斜率在控制信号为有效状态期间具有较大的第一斜率；在控制信号为无效状态期间具有第二斜率。且根据Vref＝K*VD-M*(Vs-Vcomp)可知，当负载越轻，基准电压Vref的值会越小，这样也使得控制信号的ontime时间越小，输出电流纹波和电压纹波都会随之减小。同时，在控制信号为无效状态期间斜坡信号Vramp具有较小的第二斜率，也促使系统通过调节offtime以达到降频的目的。且由于此时环路断开，不会出现因电流内环带宽降低而引起系统不稳的现象。
至此可知，本发明的控制电路通过在正常负载时闭环工作，在轻载时，在电流环带宽还未显著降低时，断开电流环路，并从而避免了电流环和电压环相互干扰的问题。并通过减小ontime时间以及减小频率，使得输出电流纹波和电压纹波都随之减小。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种控制电路，用以控制开关型调节器，其特征在于，包括：
控制信号生成电路，用以在第一状态时，根据环路反馈信号以形成闭环反馈控制环路，来生成PWM控制信号；在第二状态时，切断所述闭环反馈控制环路，并根据基准电压来生成所述PWM控制信号，以减小输出纹波，其中，所述基准电压根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息和所述环路反馈信号生成。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述基准电压根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息生成。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括斜坡信号生成电路，用以生成一斜坡信号；
在第一状态时，根据所述斜坡信号和所述环路反馈信号生成所述PWM控制信号，在第二状态时，根据所述斜坡信号和所述基准电压生成所述PWM控制信号。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，在所述第一状态时，所述斜坡信号的斜率不变，在所述第二状态时，所述斜坡信号在所述PWM控制信号为有效状态期间具有第一斜率，在所述PWM控制信号为无效状态期间具有第二斜率。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第一斜率大于所述第二斜率。
6.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述斜坡信号的峰峰值固定，且所述斜坡信号的斜率与所述开关型调节器的电感电流和电压补偿信号的误差相关。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述电压补偿信号用以表征输出电压的反馈信号和电压参考信号的差值；所述环路反馈信号用以表征所述电感电流的反馈信号和所述电压补偿信号的差值。
8.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述斜坡信号生成电路通过一电流源电路给第三电容充电以生成所述斜坡信号，且在所述控制信号为无效状态期间，根据所述电感电流和电压补偿信号的误差，调节所述电流源电路输出的电流的大小。
9.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，当所述斜坡信号的峰值上升到峰值阈值时，所述第三电容两端的电压被清零。
10.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述斜坡信号生成电路包括：
所述电流源电路，通过第一开关连接至第三电容；以及，
所述第三电容，其两端与第二开关并联连接，所述第二开关的一端连接至地，在所述第三电容的非接地端生成所述斜坡信号；
其中，所述第一开关和所述第二开关受控于一复位信号，所述复位信号在所述斜坡信号的峰值上升到峰值阈值时跳变为有效状态并维持预定时间。
11.根据权利要求10所述的控制电路，其特征在于，所述电流源电路包括：
第一电流源，用以输出固定的电流，以及，
第三跨导放大器，用以根据所述电感电流和电压补偿信号的误差，抽取或者增大所述第一电流源输出的固定的电流，以调节所述电流源电路输出的电流的大小。
12.根据权利要求11所述的控制电路，其特征在于，所述电流源电路还包括：
第三开关，连接在所述第一电流源的输出端以及所述第三跨导放大器的输出端之间，且在所述控制信号为无效状态期间导通。
13.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制信号生成电路还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阳极接收所述环路反馈信号，阴极连接至所述控制信号生成电路的一个输入端；所述第二二极管的阳极接收所述基准电压，阴极连接至所述控制信号生成电路的同一个输入端。
14.一种开关型调节器，其特征在于，包括：
根据权利要求1-13中任一项所述的控制电路。
15.一种控制方法，用以控制开关型调节器,其特征在于，包括：
在第一状态时，根据环路反馈信号以形成闭环反馈控制环路，来生成PWM控制信号；在第二状态时，切断所述闭环反馈控制环路，并根据基准电压信号来生成所述PWM控制信号，以减小输出纹波，其中，所述基准电压根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息和所述环路反馈信号生成。
16.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于，所述基准电压根据所述开关型调节器的主功率晶体管的占空比信息生成。
17.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于，在第一状态时，根据一斜坡信号和所述环路反馈信号生成所述PWM控制信号，在第二状态时，根据所述斜坡信号和所述基准电压生成所述PWM控制信号。
18.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，在所述第一状态时，所述斜坡信号的斜率不变，在所述第二状态时，所述斜坡信号在所述PWM控制信号为有效状态期间具有第一斜率，在所述PWM控制信号为无效状态期间具有第二斜率。
19.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于，所述第一斜率大于所述第二斜率。
20.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述斜坡信号的峰峰值固定，且所述斜坡信号的斜率与所述环路反馈信号相关。
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