CN101510729B - 一种双模式的直流开关电源变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双模式的直流开关电源变换器，包括开关晶体管，用于控制开关晶体管的PWM控制电路，连接开关晶体管输出端的电感和输出支路，所述的PWM控制电路为峰值电流模式控制电路，PWM控制电路中设置有一个最小占空比模块，最小占空比模块发送的信号占空比与直流开关电源变换器的输出电压VOUT和输入电压VIN的比值成正比；当PWM控制电路的控制信号占空比小于最小占空比模块的信号占空比时，开关晶体管的驱动信号占空比为最小占空比模块的信号占空比。本发明在PWM控制环路上实现了PWM和PFM双模式控制方式，并能根据负载情况，自动选择控制模式，可用于高效率、降压型的直流开关电源。

Description

一种双模式的直流开关电源变换器
技术领域
本发明涉及一种直流开关电源变换器，具体地说是一种降压型的PWM模式控制的直流开关电源变换器。、
背景技术
随着半导体器件的发明，伴随而生的电力电子学科从此形成并有了将近50年的迅速发展。各种基于分离功率器件为核心的各种开关电源如DC-DC转换器被研制出来，并运用于各种场合进行电源变换，以得到我们需要的各种性能的电源。进入90年代，便携式电子设备的广泛使用，对电源管理集成电路的发展起到了巨大的推动作用。DC-DC转换控制器由于其高转换效率被广泛应用到各种便携式设备中，成为电源管理集成电路中最重要的品种之一。
目前，市场上的直流电压变换控制器主要有PWM模式、PFM模式控制。PWM模式和PFM模式的控制方式和具体电路各不相同，在对应负载范围内，都能保证有较高的电源转换效率。由于PWM模式和PFM模式的控制方法不同，因此一般分别需要设计两个控制环路控制。
发明内容
本发明提供一种双模式的直流开关电源变换器，在PWM控制环路上增加一个最小占空比模块，实现了直流开关电源变换器的PWM和PFM两种模式控制，并可根据负载电流、输入输出电压的大小自动选择控制模式，在负载宽范围变化时，也能保证较高的电源转换效率。
本发明的直流开关电源变换器，包括开关晶体管，用于控制开关晶体管的PWM控制电路，连接开关晶体管输出端的电感和输出支路，所述的PWM控制电路为带有第一RS触发器的峰值电流模式控制电路。PWM控制电路设置有一个最小占空比模块，所述的最小占空比模块接收直流开关电源变换器的输出电压VOUT、输入电压VIN和第一RS触发器Q端的信号，当PWM控制模式下的控制信号占空比小于最小占空比模块的信号占空比时，最小占空比模块向第一RS触发器的R端发送输出信号，使开关晶体管的驱动信号占空比与输出电压VOUT和输入电压VIN的比值成正比。
所述的最小占空比模块决定了开关晶体管的驱动信号的最小长度，其占空比小于PWM模式下控制信号的占空比。当由PWM模式下的控制信号占空比比最小占空比模块规定的要小时，开关晶体管的驱动信号由最小占空比模块控制，系统即进入PFM控制。为保证宽范围的高效率，最小占空比模块规定的最小占空比，与输出输入电压比成正比，随输出电压Vout和输入电压Vin变化。
所述的PWM控制电路，包括一个接收输出反馈电压和基准电压信号的误差放大器；
一个接收所述误差放大器输出信号和电流检测模块输出信号的第一比较器；
一个接收第一比较器输出信号和最小占空比模块输出信号的与门，与门输出端连接第一RS触发器的R端；
第一RS触发器的S端接收时钟信号，Q端和Q反端连接驱动器；
所述的驱动器接收第一RS触发器的Q端和Q反端的输出信号，并放大信号，控制开关晶体管的开关。
所述电流检测模块对检测到的输出电流信号进行斜波补偿。
所述的最小占空比模块包括：
一个由第一PMOS晶体管和电阻R组成的反馈环路，第一PMOS晶体管的源极连接电源，漏极通过电阻R接地；
一接收输入电压VIN和第一PMOS晶体管漏极的反馈电压，并向第一PMOS晶体管的栅极发送信号的运算放大器；
一个第二PMOS晶体管，源极连接电源，栅极接收运算放大器的输出信号，漏极通过电容接地；
一个第二比较器，接收第二PMOS晶体管的漏极信号和输出电压VOUT；
一个第二RS触发器，其R端接收第二比较器的输出信号，S端接收第一RS触发器的Q端信号；
一个NMOS晶体管，其栅极接收第二RS触发器的Q反端信号，漏极连接第二PMOS晶体管的漏极，源极接地。
本发明的优点是：
1、在PWM模式控制环路上增加一个简单的最小占空比脉冲发生模块，实现了PWM模式和PFM模式，以及两种控制模式之间的切换，电路简单，并且模式之间的过渡自然平滑。
2、能保证在较大的负载电流范围内电能转换效率高；
3、由于最小占空比脉冲发生模块的最小占空比是随输入输出电压变化的，因此能适用于宽范围的输入输出电压的直流电压转换控制电路。
附图说明
图1是本发明的直流开关电源变换器的电路结构示意图；
图2是本发明的最小占空比模块的电路结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的双模式直流开关电源变换器包括开关晶体管1、电感L，PWM控制电路、最小占空比模块10、肖特基二极管2、由电容CL和寄生电阻RESR组成的滤波整流电路，由电阻3和电阻4组成的分压电路。Vref是从片外输入的基准电压信号、CLK是片外输入的时钟信号，VFB是通过分压电路取得输出电压Vout的反馈电压。
PWM控制电路采用峰值电流反馈模式，包括一个接收输出反馈电压和基准电压信号的误差放大器5；
一个接收所述误差放大器5输出信号和电流检测模块6输出信号的第一比较器7；
最小占空比模块10接收输出电压VOUT、输入电压VIN和第一RS触发器8Q端的信号，并发送占空比与输出电压VOUT和输入电压VIN的比值成正比的输出信号；
一与门11接收最小占空比模块10的输出信号和第一比较器7的输出信号；
一个第一RS触发器8，R端接收与门11的输出信号，S端接收时钟信号CLK，Q端和Q反端连接驱动器9；
所述的驱动器9接收第一RS触发器8的Q端和Q反端的输出信号，并放大信号，控制开关晶体管1的开关。
电流检测模块6检测电感L的电流，并加上斜波补偿的斜波信号，作为电流检测模块6的输出。第一比较器7将该输出信号与误差放大器5的输出信号比较，产生PWM模式脉冲。为保证宽范围的稳定性，电流检测模块6中的斜波信号，其斜率是与输出电压Vout成正比，随之变化。
如图2所示，最小占空比模块10包括：
一个由第一PMOS晶体管13和电阻14组成的反馈环路，第一PMOS晶体管13的源极连接电源，漏极通过电阻14接地；
一接收输入电压VIN和第一PMOS晶体管13漏极的反馈电压，并向第一PMOS晶体管13的栅极发送信号的运算放大器12；
一个第二PMOS晶体管15，源极连接电源，栅极接收运算放大器12的输出信号，漏极通过电容16接地；
一个第二比较器17，接收第二PMOS晶体管15的漏极信号和输出电压VOUT；
一个第二RS触发器18，其R端接收第二比较器17的输出信号，S端接收第一RS触发器8的Q端信号；
一个NMOS晶体管N1，其栅极接收第二RS触发器18的Q反端信号，漏极连接第二PMOS晶体管15的漏极，源极接地。
在一个时钟周期的开始，第一RS触发器8被置“1”。这个逻辑“1”由驱动器9放大，使开关晶体管1开启，给电感L充电。最小占空比模块10在第一RS触发器8置“1”后，即输出“0”。ton时间后，再将最小占空比模块10的输出变为“1”，直到新周期开始，第一RS触发器8再被置“1”。所述的最小占空比模块10输出脉冲的占空比ton定义为输出脉冲周期中低电平的持续时间在一个周期中所占的比例。同样，PWM模式下的占空比定义为第一RS触发器8的Q输出为低电平的持续时间在一个周期中所占的比例。
在电路完成上电后，由于输出电压Vout较低，电路进入PWM模式工作。输出电压Vout的反馈电压VFB作为误差放大器5的负端电压输入。误差放大器5的输出信号作为第一比较器7的负端输入电压，而第一比较器7的正端输入电压是电流检测模块6输出的电压信号Vsaw。第一比较器7的输出信号与最小占空比模块10的输出信号分别作为二输入与门11的两个输入信号，而与门11的输出端与第一RS触发器8的R端连接。
最小占空比模块10的输出信号的占空比设为略小于输出与输入电压的比值。与门11取第一比较器7输出和最小占空比模块10的输出中占空比较大的那个。在与门11的输出信号变为“1”的时候，第一RS触发器8被清“0”。这个逻辑“0”由驱动器9放大，使开关晶体管1截止，而片外的肖特基二极管2导通，使电感L放电。
第一比较器7的输出代表了PWM模式下，电感L应处于充电状态的占空比。在电感电流连续时，第一比较器7输出的占空比将等于输出与输入电压比值，因此最小占空比模块10在控制环路中并没有起作用。控制环路只是普通的峰值电流反馈型PWM控制。误差放大器5输出端通过一电阻RZ和一电容CZ接地，电阻RZ和一电容CZ作频率补偿用。
当负载电流减小到使电感电流不连续时，第一比较器7的输出信号的占空比也将小于输出与输入电压的比值。负载电流越小，第一比较器7输出信号的占空比也随之减少。当第一比较器7输出信号的占空比小于最小占空比模块10输出信号的占空比时，第一RS触发器8的清零端实际上就由最小占空比模块10控制，系统进入PFM控制模式。
进入PFM控制模式后，一个周期中，电感L的充电时间长于PWM模式下，输出电压VOUT也随之抬升。VOUT电压的升高会导致在一个周期结束时，第一比较器7的输出仍为逻辑“1”。而此时，最小占空比模块10的输出也是“1”。因为第一RS触发器8清零端R的优先级比置位端S的高，因此，在新周期的开始，第一RS触发器8无法被置“1”，即在这个新周期中，开关晶体管1一直截止，电感L也一直处于放电状态。这将导致输出电压VOUT的下降。这样的状况一直持续，直到在某个周期结束前，第一比较器7的输出变为了逻辑“0”，那么在接下来的新周期，第一RS触发器8就能被置“1”，开关晶体管1被再次开启，一个新的PFM循环开始。
最小占空比模块10中，PMOS管13和电阻14组成反馈环路，其目的是得到一个与输入电压VIN成正比的电流。流过PMOS管13的电流即为VIN/R。PMOS管15拷贝PMOS管13的电流，因此流过PMOS管15的电流也为VIN/R。电容16上的初始电压为0。输入端口IN连接到图1中第一RS触发器8的输出Q端。第二RS触发器18的Q反端作为最小占空比模块10的输出，连接到图1中与门11的输入端。当图1中第一RS触发器8的输出Q端被置“1”后，最小占空比模块10里第二RS触发器18的Q端也被置“1”，也即Q反端被清零。因此在图1中第一RS触发器8的输出Q端被置“1”后，最小占空比模块10输出“0”。同时，图2中与电容16并联的NMOS管N1截止，电容16开始充电，充电电流为VIN/R。第二比较器17比较电容16上的电压和直流开关电源变换器的输出电压VOUT。当电容16上的电压超过VOUT时，最小占空比模块10里第二RS触发器18被清零，即最小占空比模块10输出“1”。经过简单计算可知，电容16上的电压从0增大至VOUT需要RC·VOUT/VIN长的时间，即时间ton为RC·VOUT/VIN，实现了最小占空比模块10输出信号的占空比与VOUT/VIN成正比。
在本发明中，取CLK信号的周期为1MHz，即ts＝1微秒，取RC＝0.8ts，以保证模式之间的转换。

Claims (3)

1.一种双模式的直流开关电源变换器，包括开关晶体管，用于控制开关晶体管的PWM控制电路，连接开关晶体管输出端的电感和输出支路，所述的PWM控制电路为带有第一RS触发器的峰值电流模式控制电路，其特征在于：PWM控制电路设置有一个最小占空比模块，所述的最小占空比模块接收直流开关电源变换器的输出电压VOUT、输入电压VIN和第一RS触发器Q端的信号，当PWM模式下的控制信号占空比小于最小占空比模块的信号占空比时，最小占空比模块向第一RS触发器的R端发送输出信号，使开关晶体管的驱动信号占空比与输出电压VOUT和输入电压VIN的比值成正比；
所述的最小占空比模块包括：
一个由第一PMOS晶体管和电阻R组成的反馈环路，第一PMOS晶体管的源极连接电源，漏极通过电阻R接地；
一接收输入电压VIN和第一PMOS晶体管漏极的反馈电压，并向第一PMOS晶体管的栅极发送信号的运算放大器；
一个第二PMOS晶体管，源极连接电源，栅极接收运算放大器的输出信号，漏极通过电容接地；
一个第二比较器，接收第二PMOS晶体管的漏极信号和输出电压VOUT；
一个第二RS触发器，其R端接收第二比较器的输出信号，S端接收第一RS触发器的Q端信号；
一个NMOS晶体管，其栅极接收第二RS触发器的Q反端信号，漏极连接第二PMOS晶体管的漏极，源极接地。
2.根据权利要求1所述的直流开关电源变换器，其特征在于：所述的PWM控制电路，包括一个接收输出反馈电压和基准电压信号的误差放大器；
一个接收所述误差放大器输出信号和电流检测模块输出信号的第一比较器；
一个接收第一比较器输出信号和最小占空比模块输出信号的与门，与门输出端连接第一RS触发器的R端；
第一RS触发器的S端接收时钟信号，Q端和Q反端连接驱动器；
所述的驱动器接收第一RS触发器的Q端和Q反端的输出信号，并在驱动器中放大所接收的Q端和Q反端的输出信号，控制开关晶体管的开关。
3.根据权利要求2所述的直流开关电源变换器，其特征在于：所述电流检测模块对检测到的输出电流信号进行斜波补偿。
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