CN101272092B

CN101272092B - 开关电源系统的控制电路和控制方法

Info

Publication number: CN101272092B
Application number: CN2008100858248A
Authority: CN
Inventors: 菅原聪; 山田耕平
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: US20080247198A1; JP2008236919A; US8174854B2; CN101272092A; JP4315208B2

Abstract

本发明提供一种开关电源系统的控制电路和控制方法，在所述开关电源系统中，设置了延迟电路，通过该延迟电路输出控制开关设备导通/截止的脉冲信号，并使信号的下降(在开关设备为导通且脉冲信号的电平为HIGH的情形中)延迟。通过延迟电路的输出，控制开关电源系统中保护电路的工作/待机。因此，将保护电路设置为能够监视必要的系统电路中异常的存在或不存在的电路，且降低了轻负载或无负载时的功耗。

Description

开关电源系统的控制电路和控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源系统的控制电路和控制方法，尤其涉及通过控制开关设备的ON/OFF操作中的占空比来控制从主单元输出的输出电功率的属性值(诸如电压值和电流值之类的值)，并在轻负载或无负载时降低内电流消耗的开关电源系统的控制电路和控制方法，使得开关式电源的输出转换效率提高。

背景技术

图5是示出当前一般的开关电源系统的构造的框图。开关电源系统当前一般由设置的主单元(用于图5所示系统的DC-DC转换器92)和控制电路(用于图5所示的系统的控制块91)构成。主单元实现某些类型的输入电能至所得的输出的转换。控制电路实现对主单元的控制。

主单元一般由诸如反相器和转换器之类的各种器件构成。在图5所示的系统中，提供DC-DC转换器92作为主单元，它是开关式电源的一个例子。控制块92设置有占空比控制电路911、逻辑电路912和保护电路913。除此之外，对于形成控制块91的组件，还包括诸如基准电压电路和偏置电路之类的模拟电路和其它逻辑电路。然而，这些电路与关于本文的开关电源系统的工作的解释没有直接的联系，因此省略其解释。

在图5所示的开关电源系统中，将DC-DC转换器92的输出电压VOUT反馈到控制块91中的占空比控制电路911。占空比控制电路911输出脉冲信号VCONT，其占空比根据输出电压VOUT和目标输出电压之间的误差来控制。占空比是输出脉冲的电平为HIGH(以低电平电压值和高电平电压值的二进制形式的高电平电压值)或LOW(以低电平电压值和高电平电压值的二进制形式的低电平电压值)的持续时间与脉冲周期之比。此外，占空比被控制的脉冲信号VCONT实现对设置在DC-DC转换器92中的开关器件的ON/OFF控制，这些开关器件诸如以双极晶体管和MOSFET为代表的半导体开关器件或以继电器电路为代表的机械开关器件。通过ON/OFF控制，来控制输出电压VOUT。

此外，借助于外部的启动/关闭信号，一般可实现开关电源系统的启动/关闭。在图5所示的系统中，通过在外部将启动/关闭信号VE1给予控制块91，可实现其启动(以及操作)/关闭。

为了保护电源系统，对于保护电路913，具有诸如监视输入电压VIN、监视输入电流、监视电源温度、监视输出电压或监视输出电流之类的电路。当特定的异常状态的出现被这些种类的监视中的任一种检出时，保护电路913输出电源关闭信号VE2，使电源关闭。

逻辑电路912基于启动/关闭信号VE1和电源关闭信号VE2生成信号VE3以输出信号VE3。当启动/关闭信号VE1是指示启动的信号，且电源关闭信号VE2是指示正常状态的信号时，信号VE3被输出为电源启动信号。当启动/关闭信号VE1是指示关闭的信号或电源关闭信号VE2是指示存在异常状态的信号时，信号VE3被输出为电源关闭信号，以使电源系统关闭。

图6至图13是示出在图5所示的当前的开关电源系统中DC-DC转换器92的特定电路结构的例子。

在图6至图13中所示的DC-DC转换器92的每一个例子中，在各附图中的开关S1和图7、9、11和13中所示的开关S2由控制块91中的占空比控制电路911输出的占空比控制脉冲信号VCONT进行ON/OFF控制。

设开关S1的占空比(开关S1的导通状态的持续时间与其切换周期的比)为D1，而开关S2的占空比(开关S2或二极管D2的导通状态的持续时间与其切换周期的比)为D2，当电源的内部损耗被忽略时，输出电压VOUT由以下的表达式计算。

在图6和图7所示的电路中，都采用了降频转换器，输出电压VOUT由表达式VOUT＝VIN*D1/(D1+D2)来计算。

在图8和图9所示的电路中，都采用了升频转换器，输出电压VOUT由表达式VOUT＝VIN*(D1+D2)/D2来计算。

在图10至图13所示的电路中，都采用了升降压转换器或逆向转换器，输出电压VOUT由表达式VOUT＝VIN*D1/D2来计算。

通过调节从控制块91中的占空比控制电路911输出的占空比控制脉冲信号VCONT的占空比，可控制输出电压的功率属性值(这里是电压值)。

在当前设置有如图6至图13所示的DC-DC转换器的开关电源系统中，诸如开关损耗和由于电源内寄生电阻引起的交流电损耗之类伴随着开关的损耗与总是因为控制电路的驱动功率出现的损失的比例变大，从而降低输出转换效率。

此外，在诸如便携设备之类的设备中，当该设备处于待机状态时，作为开关式电源的负载的诸如CPU(中央处理单元)和DSP(数字信号处理器)之类的组件有时被关闭以延长电池的寿命。在这种情况下，使开关电源系统进入无负载状态。然而，即使负载(诸如CPU和DSP)关闭以减小其驱动损耗，伴随着开关电源系统的开关而产生的损耗和由于控制电路的驱动引起的损耗仍存在。

因此，为了减小无负载或轻负载时的电流消耗，广泛采用以下的方法。在该方法中，在重负载时实现固定开关周期的PWM(脉冲宽度调制)的控制，而在无负载或轻负载时，对于某一持续时间进行PFM(脉冲频率调制)或停止开关操作的操作(即，间歇操作)以使开关的平均周期比重负载时要长。这减小了无负载或轻负载时的开关损耗。同样在将PFM控制用于从轻负载到重负载的范围的情况下，开关的平均周期变得比重负载时要长。因此，可减小无负载或轻负载时的开关损耗。

然而，以此方法，尽管伴随开关的损耗减小了，但控制电路中的模拟电路以及与开关操作无关的电路中的驱动损耗没有减小。具体地，在保护电路中，电流消耗往往是几百微安。电流消耗引起的功耗是控制电路在无负载状态下的主要损耗。目前，诸如蜂窝电话之类的便携电子设备要求将其开关电源系统中的无负载时的电流消耗降低到几十微安或更小。

例如，在JP-A-2003-284241中，建议当电压调节器和DC-DC转换器各自的负载电流值是指定值或更小时，使保护电路不在它们中工作。

专利文献：JP-A-2003-284241

以JP-A-2003-284241中建议的方法，尽管可实现低电流消耗，但存在的问题是在无负载或轻负载下不能监视异常状态的存在或不存在。

鉴于当前的问题进行了本发明，目的是提供一种开关电源系统的控制电路以及开关电源系统的控制方法，该控制电路通过控制开关设备的ON/OFF工作的占空比来实现对输出的控制，可在通过保护电路保持能够监视异常的存在或不存在的状态的同时减小无负载或轻负载时的电流消耗以增强输出转换效率。

发明内容

为了实现以上的目的，根据本发明的开关电源系统的控制电路设置有延迟电路，该延迟电路基于从控制脉冲供给单元提供的用于控制开关电源系统中的开关设备的ON/OFF的脉冲信号产生延迟信号。通过从延迟电路输出的延迟信号或用于控制开关电源系统中的开关设备的ON/OFF的脉冲信号，可控制保护电路的工作/ 待机。延迟信号是用于控制开关电源系统中的开关设备的ON/OFF的脉冲信号的等效信号，脉冲信号状态的终止延迟特定时间，其中脉冲信号在该状态下使开关设备导通。

此外，根据本发明的控制方法供给使开关电源系统中的开关设备导通/截止的脉冲信号，并使保护电路响应于延迟信号或脉冲信号在其工作/待机状态之间切换。延迟信号是使脉冲信号状态的终止延迟特定时间的信号，脉冲信号在该状态下使开关设备导通。脉冲信号是控制开关电源系统中的开关设备的ON/OFF的信号。

利用根据本发明的开关电源系统的控制电路和控制方法，上述的构造在用于使开关电源系统中的开关设备导通/截止的脉冲信号继续使开关设备导通状态时，至少使得保护电路能够保持监视异常的存在或不存在的状态。此外，当脉冲信号的周期在轻负载或无负载时增加时，有时产生令保护电路进入待机状态的信号。此时，可使保护电路进入待机状态以减小内部功耗。

附图简述

图1是示出根据本发明的一个实施例利用控制块的开关电源系统的构造的框图；

图2是示出根据本发明的实施例的控制块的工作的时序图；

图3A是示出根据本发明的实施例在控制块中的脉冲信号VCONT、信号Va和保护电路中在重负载时的消耗电流的波形的示例的波形图；

图3B是示出根据本发明的实施例在控制块中的脉冲信号VCONT、信号Va和保护电路中在轻负载时的消耗电流的波形的示例的波形图；

图4A是示出根据本发明的实施例在控制块中的脉冲信号VCONT、信号Va和保护电路中在重负载时的消耗电流的波形的另一个示例的波形图；

图4B是示出根据本发明的实施例在控制块中的脉冲信号VCONT、信号Va和保护电路中在轻负载时的消耗电流的波形的另一个示例的波形图；

图5是示出当前一般的开关电源系统的构造的框图；

图6是示出其中图5所示的当前开关电源系统中的DC-DC转换器利用降频转换器来实现的特定电路构造的示例1的图；

图7是示出其中图5所示的当前开关电源系统中的DC-DC转换器利用降频转换器来实现的特定电路构造的示例2的图；

图8是示出其中图5所示的当前开关电源系统中的DC-DC转换器利用升频转换器来实现的特定电路构造的示例1的图；

图9是示出其中图5所示的当前开关电源系统中的DC-DC转换器利用升频转换器来实现的特定电路构造的示例2的图；

图10是示出其中图5所示的当前开关电源系统中的DC-DC转换器利用升降压转换器来实现的特定电路构造的示例1的图；

图11是示出其中图5所示的当前开关电源系统中的DC-DC转换器利用升降压转换器来实现的特定的电路构造的示例2的图；

图12是示出其中图5所示的当前开关电源系统中的DC-DC转换器利用逆向转换器来实现的特定电路构造的示例1的图；以及

图13是示出其中图5所示的当前开关电源系统中的DC-DC转换器利用逆向转换器来实现的特定电路构造的示例2的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对根据本发明的开关电源系统的控制电路和控制方法的优选实施例进行详细解释。

图1是示出根据本发明的一个实施例利用控制电路(图中示为控制块1)的开关电源系统的构造的框图。根据图中所示的实施例的开关电源系统具有作为主单元的DC-DC转换器2以及作为控制单元的控制块1(对应于控制电路)。DC-DC转换器2实现将某些类型的输入电能转换成所得的输出。控制块1实现对主单元的控制，并设置有占空比控制电路11(对应于控制脉冲供给单元)、逻辑电路12、保护电路13以及延迟电路14。除此之外，对于形成控制块1的组件，还包括诸如基准电压电路和偏置电路之类的模拟电路和其它逻辑电路。然而，这些电路与关于根据本发明的开关电源系统的工作的解释没有直接的联系，因此省略其解释。

尽管根据该实施例的开关电源系统设置有DC-DC转换器2，但在根据本发明的开关电源系统中，开关电源系统的主单元一般可具有多种器件，包括诸如反相器和转换器之类的组件。此外，DC-DC转换器2可以是当前通用的DC-DC转换器。

此外，在某些开关电源系统中，系统的启动/关闭一般借助于外部的启动/关闭信号来实现。在图1所示的系统中，通过在外部将启动/关闭信号VE1给予控制块1，可实现其启动/关闭。

在下文中，将解释根据该实施例的开关电源系统的工作。

将DC-DC转换器2的输出电压VOUT反馈给控制块1中的占空比控制电路 11。占空比控制电路11输出脉冲信号VCONT，其占空比根据反馈电压VOUT和目标输出电压之间的误差来控制。此外，占空比被控制的脉冲信号VCONT实现对设置在DC-DC转换器2中的开关设备的ON/OFF控制，这些开关设备诸如以双极晶体管和MOSFET为代表的半导体开关器件或以继电器电路为代表的机械开关设备。通过ON/OFF控制，来控制输出电压VOUT。

为了保护电源系统，保护电路13以诸如监视输入电源的输入电压VIN、监视输入电流、监视电源的温度、监视输出电压或监视输出电流之类的方式来实现监视。当特定的异常状态的出现被这些监视方式中的任一种检出时，保护电路913输出电源关闭信号VE2，使电源关闭。

逻辑电路12基于启动/关闭信号VE1和电源关闭信号VE2生成逻辑乘积信号VE3，以将逻辑乘积信号VE3输出到占空比控制电路11。当启动(注意：不仅包括启动，还包括其后的操作)/关闭信号VE1是指示启动的信号，且电源关闭信号VE2是指示正常状态的信号时，逻辑乘积信号VE3被输出为电源启动信号。当启动/关闭信号VE1是指示关闭的信号或电源关闭信号VE2是指示异常状态存在的信号时，逻辑乘积信号VE3被输出为电源关闭信号，使开关电源系统关闭。

延迟电路14将占空比控制电路11的输出信号(脉冲信号VCONT)用作输入信号，输出用于在保护电路13的工作/待机状态之间切换的信号Va。

图2是示出根据本发明的实施例的控制块1工作的时序图。在下文中，将参考图1和图2解释具有延迟电路14的控制块1的工作。工作可包括根据本发明的控制方法。

附带地，假设当图1至4B所示的脉冲信号VCONT的电平为HIGH时主开关(图6至13中所示的开关S1)是导通的，而当脉冲信号VCONT的电平为LOW时主开关是截止的。此外，假设当在保护电路13的工作/待机状态之间切换的信号Va的电平为HIGH时保护电路13进入工作状态，而当信号Va的电平为LOW时保护电路13进入待机状态。通过使其逻辑与另一个相符每一个信号可与其适当反转的极性一起使用。

如图2所示，当脉冲信号VCONT的电平变为HIGH时，信号Va的电平变为HIGH，使得保护电路从待机状态转变成工作状态。之后，即使脉冲信号VCONT的电平转换为LOW，但在将信号Va的状态转换成作为待机状态的LOW电平状态之前的特定延长持续时间td内，延迟电路14将信号Va的状态保持为作为工作状态的HIGH电平状态。信号Va的电平为HIGH的持续时间延长到比脉冲信号 VCONT的电平为HIGH的持续时间长的原因如下。即，这是为了即使在脉冲信号VCONT的电平变为LOW之后，也提供直到从待机状态转换成工作状态的保护电路13作出关于异常的存在或不存在的决定并输出决定的结果所需的时间。因此将调节延长的时间td使得即使在脉冲信号VCONT的电平变为LOW之后也提供必需的时间。

在图2所示的工作中，采用了一种系统，其中信号Va的电平从HIGH至LOW的变化在脉冲信号VCONT的电平从HIGH变化到LOW之后以及持续时间的进一步延长td进行的。这可被安排成使信号Va的电平在脉冲信号VCONT或信号Va的电平从LOW变为HIGH后的特定持续时间中维持为HIGH(这一信号Va对应于延迟信号)。

此外，当保护电路13可在脉冲信号VCONT的电平为HIGH的持续时间内实现从待机状态至工作状态的切换、关于异常存在或不存在的决定以及结果的输出时，可去除延迟电路14，并以脉冲信号VCONT用作信号Va。用于确定哪种类型的信号用作信号Va的切换可通过将保护电路13实现从待机状态至工作状态的切换、关于异常存在或不存在的决定以及结果的输出所需的持续时间与脉冲信号VCONT的电平为HIGH的持续时间(即，开关设备为导通的持续时间)进行比较来实现。即，当后者较长时，脉冲信号VCONT可用作信号Va。而当前者较长时，参考图2解释并在以上的解释中用作延迟信号的信号Va可按原样使用。

信号Va的电平至LOW的变化使保护电路13处于待机状态。正如以上所述，保护电路13仅在信号Va的电平为HIGH时工作而消耗电能，在此期间可监视有无异常的发生。当信号Va的电平为LOW，保护电路13进入待机状态。在待机状态中，仅快速启动保护电路13所需的电路元件或仅保持输出信号所需的电路元件在工作，由此使保护电路13进入低功耗状态。当待机状态的保护电路13不需要快速启动时，可设置一种使处于待机状态的保护电路13中的所有电路元件进入关闭状态的装置。

通过实施上述的操作，同样在无负载或轻负载时，保护电路13基于脉冲信号VCONT根据开关操作重复其工作/待机状态，使实现异常状态存在或不存在的监视成为可能。此外，在保护电路13处于待机状态的持续时间中，功耗仅用于操作快速启动保护电路13所需的有限的电路元件，或维持输出信号所需的有限的电路元件。因此，在持续时间内，保护电路13变为低功耗状态。此外，利用占空比控制电路11使输出的脉冲信号VCONT由PFM操作或间歇地操作，从而延长了开关的平均周期，信号Va的电平为LOW的持续时间的比例变得大于信号Va的电平为HIGH的持续时间的比例。因此，保护电路13处于待机状态的持续时间的比例变得大于电路13处于工作状态的持续时间的比例。这实现了保护电路13中的平均功耗的减小。

图3A和3B是分别示出根据本发明的实施例控制块1中的脉冲信号VCONT、信号Va和保护电路13中消耗的电流的波形的波形图，且图3A示出重负载时的波形，而图3B示出轻负载时的波形。

在图3A和图3B的每一幅中举例说明的波形是在占空比控制电路11在重负载时实施PWM操作或在轻负载时实施PFM操作时，或在占空比控制电路11在全范围的负载时实施PFM操作时信号和消耗电流的波形。

在重负载时，图3A所示的波形，由脉冲信号VCONT提供的短转换周期使得延迟电路14的输出信号Va的电平总是为HIGH，以使保护电路13总是处于工作状态。

在轻负载时，图3B所示的波形，脉冲信号VCONT提供的转换周期变得更长，以显现出延迟电路14的输出信号Va的电平为LOW的持续时间。在该持续时间中，保护电路13进入待机状态，由此保护电路13中的平均电流消耗减小。随着负载变轻，持续时间变长，并将在无负载时最长，由此保护电路中的电流消耗减少的效果变大。

附带地，尽管图3A所示的脉冲信号VCONT的脉冲宽度被绘制成与图3B中所示的脉冲信号VCONT的脉冲宽度相等，但在PWM操作中，两者的脉冲宽度当然不总是彼此相等。

图4A和4B是分别示出根据本发明的实施例控制块1中的脉冲信号VCONT、信号Va和保护电路13中消耗的电流的波形的波形图，且图4A示出重负载时的波形，而图4B示出轻负载时的波形。

在图4A和图4B的每一幅中举例说明的波形是在占空比控制电路11在重负载时实施PWM操作和在轻负载时实施间歇操作时信号和消耗电流的波形。

在重负载时，图4A所示的波形，由脉冲信号VCONT提供的短转换周期使得延迟电路14的输出信号Va的电平总是为HIGH，使保护电路13总是处于工作状态。

在轻负载时，图4B所示的波形，脉冲信号VCONT提供的平均转换周期变得更长，以显现出延迟电路14的输出信号Va的电平为LOW的持续时间。在该持续时间中，保护电路13进入待机状态，由此保护电路13中的平均电流消耗减小。随着负载变轻，持续时间变长，并将在无负载时最长，由此保护电路中的电流消耗减少的效果变大。

如上所述，通过根据本发明的控制电路和控制电路所执行的控制方法，对于需要保护的持续时间，通过保护电路的监视是可能的，而对于不需要保护的持续时间，可使保护电路进入待机状态。这实现了输出转换效率的提高，且在轻负载或无负载时内电流消耗的减小，同时实现必要的监视。

尽管参考本发明的优选实施例具体示出并描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，可在其中进行形式和细节方面的上述和其它变化，而不背离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种开关电源系统的控制电路，所述控制电路通过使开关设备导通或截止来控制输出电压，所述控制电路包括：

控制脉冲供给装置，供给使所述开关设备导通和截止的脉冲信号；

保护电路，所述保护电路产生使所述开关电源系统在异常发生时关闭的信号；以及

延迟电路，所述延迟电路产生使所述脉冲信号状态的终止延迟特定时间的延迟信号，在所述脉冲信号状态中，所述脉冲信号使所述开关设备导通，且该特定时间调节成比所述保护电路从待机状态转换成工作状态、判断是否存在异常并输出其结果所需的时间要长，

所述保护电路响应于所述脉冲信号和所述延迟信号之一进校其工作状态和待机状态之间的切换。

2.如权利要求1所述的开关电源系统的控制电路，其特征在于，当所述脉冲信号的使所述开关设备导通的脉冲信号状态的持续时间比操作所述保护电路所需的时间长时，所述保护电路响应于所述脉冲信号进校其工作状态和待机状态之间的切换，而当所述持续时间比操作所述保护电路所需的时间短时，所述保护电路响应于所述延迟信号进校其工作状态和待机状态之间的切换。

3.如权利要求1所述的开关电源系统的控制电路，其特征在于，所述控制脉冲供给装置通过使信号受到脉冲频率调制来输出脉冲信号，并根据负载的状态或所述开关电源系统的输出电压的状态之一来控制脉冲信号的切换周期。

4.如权利要求1所述的开关电源系统的控制电路，其特征在于，所述控制脉冲供给装置在所述开关电源系统的负载是无负载和轻负载之一的状态下间歇地输出脉冲信号。

5.如权利要求1所述的开关电源系统的控制电路，其特征在于，所述控制脉冲供给装置在所述开关电源系统的负载是无负载和轻负载之一的状态下通过使信号受到脉冲频率调制来输出脉冲信号，与此同时，在重负载状态下通过使信号受到脉冲宽度调制来输出脉冲信号。

6.一种具有如权利要求1至5中的任一项所述的控制电路的开关电源系统。

7.一种开关电源系统的控制方法，所述开关电源系统通过使开关设备导通和截止来控制输出电压，并具有保护电路，所述保护电路产生使所述开关电源系统在异常发生时关闭的信号，所述方法包括以下步骤：

供给使所述开关设备导通和截止的脉冲信号；

产生用于使所述脉冲信号的使所述开关设备导通的状态的终止延迟特定时间的延迟信号，且该特定时间调节成比所述保护电路从待机状态转换成工作状态、判断是否存在异常并输出其结果所需的时间要长；以及

响应于所述脉冲信号和所述延迟信号之一，使所述保护电路在其工作状态和待机状态之间切换。

8.如权利要求7所述的开关电源系统的控制方法，其特征在于，切换所述保护电路的步骤还包括以下步骤：

将所述脉冲信号的使所述开关设备导通的状态的持续时间与操作所述保护电路所需的时间进行比较；

当确定所述持续时间比操作所述保护电路所需的时间长时，响应于所述脉冲信号，使所述保护电路在其工作状态和待机状态之间切换；以及

当确定所述持续时间比操作所述保护电路所需的时间短时，响应于所述延迟信号，使所述保护电路在其工作状态和待机状态之间切换。