CN100392967C - 开关电源装置的控制电路及采用该控制电路的开关电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及向两个或者更多个负载供电，并且能够很快消除两个或者多个负载之间电压差的开关电源装置的控制电路。该开关电源装置的控制电路具有用第一导线连接到第一负载电源端和用第二导线连接到第二负载电源端的一个输出端。该控制电路包括稳定输出端上输出电压的第一控制环，和消除第一负载电源端附近的第一导线上电压和第二负载电源端附近的第二导线上电压之间电压差的第二控制环。

Description

开关电源装置的控制电路及采用该控制电路的开关电源装置

技术领域

本发明涉及开关电源装置的控制电路和采用该控制电路的开关电源装置，特别涉及向两个或者更多负载供电的开关电源装置的控制电路和采用该控制电路的开头电源装置。

背景技术

常规的开关电源装置用在例如计算机，家用电器，汽车和诸如此类的各种产品上。典型的开关电源装置包括一个DC/DC转换器，用开关电路把直流输入电压转换为交流电流，然后用输出电路把交流电流转换为直流电流，从而产生与输入电压等级不同的直流输出电压。

在这种开关电源装置中，由控制电路检测输出电压，基于所检测的输出电压，开关电路控制开关操作。其结果是向开关电源装置所供电的负载提供一个稳定的运行电压。

然而，如果开关电源装置的输出端与负载的电源端之间的距离很长，实际供给负载的电源端的电压可能会偏离目标值，这是由于在开关电源装置输出端和负载的电源端之间存在的寄生元件和类似成分的影响。

为了解决这一问题，已经推荐了采用所谓遥测系统的开关电源装置，在近年来也已经投入使用。在遥测系统中，负载的电源端附近安装有一个输出电容器，开关电源装置检测电源端附近的输出电压。

如果开关电源装置的输出端与负载的电源端之间距离很长，利用这样的系统，可以使得处在开关电源装置输出端和负载电源端之间的寄生元件和类似成分的影响为最小。

然而，在用单一开关电源装置向两个或者更多负载供电的情况下，如果流经一个负载的负载电流(开关电源装置的输出电流)突然增加，和该负载连接在一起的输出电容器很快放电，造成负载的电源端的电压下降，从而，使它本身和其它负载的电源端之间产生电压差。

在采用遥测系统的开关电源装置上，开关电源装置输出端上的输出电容器通常省略，或者非常小。当出现这种电压差时，分别连接在各负载上的输出电容器之间会发生电荷传输，结果使得各个负载电源端的电压剧烈波动。

实际上，因为CPU(中央处理单元)或者DSP(数字信号处理器)是一种高速运行的设备，它们的运行状态下消耗大量电流，在不运行状态下消耗很少量电流，负载电流的波动非常快。对应地，如果由单一开关电源装置供电的多个负载里安装有CUP或者DSP，上述问题就变得非常严重。

具体地如图5所示，两个负载LOAD1和LOAD2由一个开关电源装置供电，其中，V1是和负载LOAD1相连的输出电容器C1上电压，V2是和负载LOAD2相连的输出电容器C2上电压，L1是支路点A和输出电容器C1之间的寄生电感元件。L2是支路点A和输出电容器C2之间的寄生电感元件，如果流过负载LOAD1的负载电流快速增加，造成电压V1下降，电压V1和电压V2之间有电压差ΔV(＝V1-V2)，由以下公式(1)给出的电流ΔI从输出电容器C2流到输出电容器C1。

ΔI＝ΔV·t/(L1+L2)         …(1)

在公式(1)中，t是电压V1和电压V2之间电压差ΔV的持续时间段。

由于寄生电感元件L1和L2通常非常小，例如在几十nH的数量级，从输出电容器C2流到输出电容器C1的电流ΔI就变得非常大，结果使得输出电容器C2上的电压V2不可避免地下降。

对应地，在常规开关电源装置里，当流过互相连接的负载中一个的电流突然增加，与其相连的输出电容器的电压便下降，与其他负载相连的输出电容器的电压也显著下降。

尽管可能认为，这一问题可以通过增加开关电源装置的响应速度来克服，它要求连接到开关电源装置输出端的输出电容器被省略，或者容量很小。但是，如果连接到开关电源装置输出端的输出电容器被省略或者容量很小，和相应负载连接的输出电容器上流过的电流就明显的增加。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于开关电源装置的控制电路，它适用于向两个或者更多负载供电，还可以很快地消除两个或者更多负载之间的电压差。

作为本发明的另一个目的是提供一种开关电源装置，它适用于向两个或者更多负载供电，还可以很快地消除两个或者更多负载之间的电压差。

作为本发明的以上和其他目的可以通过具有一个用第一导线连接到第一负载电源端，用第二导线连接到第二负载电源端的输出端的开关电源装置的控制电路完成。该控制电路包括用于稳定输出端上输出电压的第一控制环，和用于消除第一负载电源端附近的第一导线和第二负载电源端附近的第二导线之间电压差的第二控制环。

作为本发明的最佳方面，第一控制环和第二控制环的构成使得互相之间没有干优。

作为本发明的另一个最佳方面，根据权利要求2的控制电路，其中第二控制环的响应频率是一控制环的10倍或者更高。

作为本发明另一个最佳方面，第二控制环增加输出电压，以响应第一和第二电压中至少一个电压下降。

本发明的以上和其他目的也可以通过具有主电路部分和具有一个用第一导线连接到第一负载电源端，用第二导线连接到第二负载电源端的输出端的开关电源装置的控制电路完成，控制电路包括基于输出端上输出电压产生第一反馈信号的第一装置；基于第一负载电源端附近的第一导线上的电压，和第二负载电源端附近的第二导线上的电压，产生第二反馈信号的第二装置；基于第一反馈信号和第二反馈信号产生第三反馈信号的第三装置；和基于第三反馈信号控制主电路部分操作的第四装置。

作为本发明的最佳方面，第一装置的响应频率低于第三装置的响应频率。

本发明的以上和其他目的也可以通过向第一第二负载供电的开关电源装置来完成，它包括用第一导线连接到第一负载电源端和用第二导线连接到第二负载电源端的一个输出端；在包括至少一个开关元件的输出端上产生输出电压的主电路部分；和用来控制开关元件操作的一个控制电路。控制电路具有用来稳定输出电压的第一控制环，和用来消除在第一负载的电源端附近的第一导线电压和在第二负载的电源端附近的第二导线电压之间电压差的第二控制环。

本发明的以上和其他目的也可通过向第一和第二负载供电的开关电源装置来完成，包包括用第一导线连接到第一负载电源端和用第二导线连接到第二负载电源端的一输出端；在包括至少一个开关元件的输出端产生输出电压的主电路部分；和用来控制开关元件操作的一个控制电路。控制电路包括基于输出电压产生第一反馈信号的第一装置；基于第一负载电源端附近的第一导线上的电压，和第二负载电源端附近的第二导线上的电压，产生第二反馈信号的第二装置；基于第一反馈信号和第二反馈信号产生第三反馈信号的第三装置；和基于第三反馈信号决定开关元件分合时间的第四装置。

本发明有可能消除第一负载输出端附近的电压和第二负载输出端附近的电压之间的电压差。因此，例如流过第一和第二负载中一个负载的负载电流迅速增加，使得负载的电源端电压下降的情况下，可以防止另一个负载电源端的电压降低。进一步，第一控制环和第二控制环的构成使得互相之间没有干扰。更具体的是第一控制环和第二控制环的构成可以使得第二控制环的响应频率是第一控制环的10倍或者更高。

通过以下叙述和参考附图，本发明的上述和其他目的、特点将会清楚。

附图说明

图1示出本发明最佳实施例开关电源装置电路图。

图2为一个控制电路的电路图。

图3为一个补偿器例子的电路图。

图4示出PWM发生器产生PWM脉冲S的时间图表。

图5电路图在原理上示出单一开关电源装置向两个负载供电的电路。

具体实施方式

图1示出本发明最佳实施例开关电源装置的电路图。

如图1所示，根据本实施例的开关电源装置结构使得供给输入电源端1的输入电压Vin降低，从而产生输出电压V0，然后将所产生的输出电压V0供给输出电源端2，开关电源装置包括输入电容器3，主电路部分10和控制电路20。

两个直流负载31和32连接到输出电源端2。在负载31的电源端31a附近提供有一个输出电容器C31，和在负载32的电源端32a附近提供有一个输出电容器C32。

进一步如图1所示，在支路点A和输出电容器C31之间存在寄生电感元件L31，在支路点A和输出电容器C32之间存在寄生电感元件L32。寄生电感元件L31和L32的电感很小。通常只有几十nH。

对负载31和32的类型不加特别很制，但是，如果负载31和32中的至少一个是诸如CPU，DSP或者诸如此类其负载电流迅速变化的直流负载，该实施例更为有效。

主电路部分10包括开关元件11和12，和输出电感器13。开关元件11和输出电感器13串联在输入电容器3和输出电源端2之间。开关元件12连接在开关元件11和输出电感器13的连接点和地之间。

在控制电路20控制下，由预先设定的停滞时间干予，开关元件11和12交替地接通。

如图1所示，根据本发明的开关电源装置的主电路10不提供输出电容器，代替了一个输出电容器，提供有输出电容器C31和C32，分别连接到相应的直流负载31和32上。因此，即使开关电源装置的输出电源端2和直流负载31或者32之间的距离很长，电源端31a和32a上的电源仍然可以稳定。

图2是控制电路20的电路图。

如图2所示，该控制电路20包括减法器21和22，电阻23和24，补偿器25和26，一个PWM脉冲发生器27，一个缓冲器28和一个转换器29。

减法器21是比较出现在输出电源端2上的输出电压V0和作为目标值的参考电压Vefr的电路，得到输出电压V0和参考电压Vref之间的电压差，所得到电压差Verf供给补偿器25。

补偿器25是用来改善和稳定控制性能的电路，它具有预先设定的响应频率。在本实施例中，补偿器25的响应频率定义为f1。反馈电压Vf1，即补偿器25的输出电压，供给减法器22。

电阻23和24的电阻值相等。输出电容器C31的电压V1供给电阻23的一端，输出电容器C32的电压V2供给电阻24的一端。电阻23和24的另一端相互连接。结果，反馈电压Vf2；即电阻23和电阻24的连接点(另一端)的电压，与输出电容器C31的电压V1和输出电容器C32电压V2的平均电压值相同。反馈电压Vf2供给减法器22。

减法器22是反馈电压Vf1减去反馈电压Vf2的电路，从而产生电压差，所产生的电压差供给补偿器26。补偿器26是改善和稳定控制性能的电路，它具有预先设定的响应频率。在本实施例中，补偿器26的响应频率定义为f2。必须设定补偿器26的响应频率f2比补偿器25的响应频率f1高得多，补偿器26的响应频率f2最好设定为补偿器25的响应频率f1的10倍或者更高。反馈电压Vf3，即补偿器25的输出电压，供给PWM脉冲发生器27。

PWM脉冲发生器27电路接受补偿器26的输出，在此基础上产生PWM脉冲S。所产生的脉冲S供给转换器29。驱动信号S11和S12，即缓冲器28和转换器29的输出，供给开关元件11和12。当对应的驱动信号S11和S12为高电平(H)时，开关元件11和12接通，当对应的驱信号S11和S12为低电平(L)时，开关元件11和12断开。因此，开关元件11和12是交替接通的。

在组成控制电路20的元件中，除了缓冲器28和转换器29以外的其他元件最好集成在半导体芯片上，因为它们不需要高的驱动容量。然而，本发明不局限与这样的安排。

图3示出补偿器25和26的实例的电路图。

在图3所示的例子中，补偿器25或者26的电路是由电阻41和43，电容器44和45，和运算放大器46组成滤波电路，具有预先设定的增益。如果采用如此结构的补偿25和26，它们响应频率f1和f2的设定可以主要通过适当选择电容器45的常数或者运算放大器46的特性而调整。如上所述，补偿25的响应频率f1和补偿器26的响应频率f2的关系设定为f1＜＜f2，最好设定为10×f1＜f2。

下来将说明根据本实施例的开关电源装置的运行。

当参考电压Vref减去输出电源端2的输出电压V0所产生的电压差供给补偿器25，反馈电压Vf1是补偿器25的输出。因此，随着输出电源端2的输出电压V0相对于参考电压Vref升高，反馈电压Vf1的电平降低。另一方面，随着电源端2的输出电压V0相对于参考电压Vref降低，反馈电压Vf1的电平升高。

进一步，由于反馈电压Vf2等于输出电容器C31的电压V1和输出电容器C32的电压V2的平均值，随着电压V1或者电压V2中的至少一个电压降低，反馈电压Vf2的电平变低。准确地说，如果输出电容器C31的电压V1和输出电容器C32的电压V2稳定在希望的电压值，反馈电压Vf2也保持在希望的电压值，如果输出电容器C31的电压V1和输出电容器C32的电压V2中的一个电压降低，反馈电压Vf2则降低了电压V1和电压V2中的一个电压所降低量的一半。

用减法器22从反馈电压Vf1减去反馈电压Vf2，因此，随着输出电压V0相对于参考电压Vref升高。反馈电压Vf3的电平，即补偿器26的输出变低。另一方面，随着输出电压V0相对于参考电压Vref下降，反馈电Vf3的电平升高。进一步，当电压V1和电压V2中的至少一个电压下降，反馈电压Vf3的电平升高。

图4所示为PWM发生器27产生PWM脉冲S的时间图表。

如图4所示，PWM脉冲发生器27所产生锯齿波CT与补偿器26提供的反馈电压Vf3进行比较。结果，当反馈电压Vf3的电平高于锯齿波CT的电平时，PWM脉冲S的电平定义为高电平。另一方面，当锯齿波CT的电平高于反馈电压Vf3的电平时，PWM脉冲S的电平定义为低电平。

锯齿波CT的波形保持不变。因此，随反馈电压Vf3电压平上升，PWM脉冲S的保持时间(duty)变大，另一方面，随着反馈电压Vf3电平下降，PWM脉冲S的保持时间(duty)变小。

因此，在输出电容器C31的电压V1和输出电容器C32的电压V2稳定在希望值的情况下，随着输出电压V0电平上升，PWM脉冲S的保持时间(duty)变大，另一方面，随着输出电压V0电平下降，PWM脉冲S的保持时间(duty)变小些。

结果，由于驱动信号S11和S12基于PWM脉冲S而产生，并且供给开关元件11和12，输出电压V0便控制得与参考电压Vref相同。

在这里，在此基础上稳定输出电压V0的控制环称为第一控制环”。

如图2所示，因为第一控制环包括了响应频率相对低的补偿器25，第一控制环的响应速度主要取决于补偿器25的响应速度，因此也是相对低的。

另一方面，当这样的控制操作正在进行，输出电容器C31的电压V1和输出电容器C32的电压V2中的一个电压突然下降，从而，反馈电压Vf2的电平下降，反馈电压Vf3的电平增加了电压V1和V2中至少一个电压的减少量。其结果是，如果反馈电压Vf2的电平快速下降。PWM脉冲S的保持时间(duty)快速变大，从而使得输出电压V0很快增加，保持为低电平的输出电容器C31的电压V1和/或者输出电容器C32的电压V2便很快地恢复。

这意味着公式(1)中所示的时间t的值变得非常短，因此，从输出电容器C1(C2)流到输出电容器C2(C1)的电流I比起传统的开关电源装置要明显地降低。其结果是，即使例如直流负载31的负载电流迅速增加，也可以有效地防止在另一个直流负载32的电源端32a的电压V2变低。

把基于电压V1和电压V2的控制环定义为第二控制环”，第二控制环的响应速度主要由补偿器26的响应频率f2确定。因为第二控制环并不包括响应频率低的补偿器25，第二控制环的响应速度便高于第一控制环。因此，在本实施例中，由于没有第一控制环和第二控制环之间的相互干扰，就可以同时稳定在此基础上的输出电压V0，消除基于电压V1和V2的电压差ΔV，还可以防止一个控制操作影响其他的控制操作。

在根据本实施例的开关电源装置中，即使输出电容器C31的电压V1和输出电容器C32的电压V2之间产生电压差ΔV，由于用这样的方式可以很快消除电压差ΔV，就能够有效地降低输出电容器C31和输出电容器C32之间流过的电流ΔI。更进一步，在本实施例中，由于第一控制环和第二控制环不会互相干扰，稳定输出电压V0的操作不会由于消除电压差ΔV的操作而削弱。

已经参考特殊的实施例说明和描述了本发明。然而，必须注意到本发明绝对不局限于所描述的安排细节，在不偏离附属权利要求范围的条件下，可以作改变和修正。

例如，在上述的实施例中，对于由单一开关电源装置供电给两个值流负载31和32的情况作了说明。然而，在本发明中，同时供电的直流负载数量不局限于两个，本发明可以有效地应用到同时供电给三个或者更多直流负载的情况。在这种情况下，三个或者更多直流负载的对应电源端的平均电压，或者与平均值成比例变化的值可以用作为反馈电压Vf2。

进一步，在根据上述实施例的开关电源装置中，输出电压V0被减法器21直接从参考电压Vref中减去。然而，用包括电阻的分压电路将输出电压V0分压，并从参考电压Vref中减去分压所得到的电压而产生反馈电压Vf1。

同样地，在根据上述实施例的开关电源装置中，输出电容器C31的电压V1和输出电容器C32的输出电压V2的平均值用作为反馈电压Vf2。然而，可以由包括电阻的分压电路分压平均值，且将所得到的电压作为反馈电压Vf2。

更进一步，上述实施例的主电路部分10仅是本发明的开关电源装置可以应用的一个例子，因此，本发明开关电源装置也可以应用包括了具有不同电路结构的主电路部分。

如上所述，公共电源供电的多个负载的电源端之间出现电压差的情况下，根据本发明可以迅速地消除电压差。

Claims (4)

1.一种开关电源装置的控制电路，所述开关电源装置具有主电路部分和输出端，所述输出端通过第一导线连接到第一负载电源端，通过第二导线连接到第二负载的电源端，所述控制电路包括：

基于输出端上的输出电压产生第一反馈信号的第一装置；

基于第一负载电源端附近的第一导线上的电压，和第二负载电源端附近的第二导线上的电压，产生第二反馈信号的第二装置；

基于第一反馈信号和第二反馈信号产生第三反馈信号的第三装置；和

基于第三反馈信号控制主电路部分的操作的第四装置。

2.根据权利要求1的控制电路，其中，第一装置的响应频率低于第三装置的响应频率。

3.一种向第一和第二负载供电的开关电源装置，包括：

通过第一导线连接到第一负载电源端和通过第二导线连接到第二负载电源端的输出端；

在包括至少一个开关元件的输出端产生输出电压的主电路部分；和

控制开关元件操作的控制电路，所述控制电路具有基于输出电压产生第一反馈信号的第一装置；基于第一负载电源端附近的第一导线上的电压，和第二负载电源端附近的第二导线上的电压，产生第二反馈信号的第二装置；基于第一反馈信号和第二反馈信号产生第三反馈信号的第三装置；和基于第三反馈信号确定开关元件接通和断开时间的第四装置。

4.根据权利要求3的开关电源装置，其中第一装置的响应频率低于第三装置的响应频率。

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