CN101834516A

CN101834516A - 多模式频率控制器及开关电源频率控制方法

Info

Publication number: CN101834516A
Application number: CN 201010186664
Authority: CN
Inventors: 何媛; 周署根; 程玉华
Original assignee: Shanghai Research Institute of Microelectronics of Peking University
Current assignee: Shanghai Research Institute of Microelectronics of Peking University
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明提供了多模式频率控制器及开关电源频率控制方法，以简化结构，降低设计难度和制造难度，减小面积及降低功耗等。所述多模式频率控制器，包括电容，还包括：电压电流转换模块，用于将负载反馈电压转换成反馈电流，所述反馈电压与负载值正相关，所述反馈电流值与反馈电压值一一对应；频率控制模块，用于根据所述电压电流转换模块转换得到的反馈电流对电容进行充电，并在将电容充电至预定电压时，或者在电容电压高于预定电压，且功率管控制信号边沿检测信号到来时，跳变频率控制模块输出信号的状态；频率生成模块，用于根据频率控制模块输出的信号，生成新工作频率的功率管控制信号。

Description

多模式频率控制器及开关电源频率控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及多模式频率控制器及开关电源频率控制方法。

背景技术

近年来，通过提高开关电源的工作频率，提高了开关电源的效率并减小了开关电源的体积，不过升高的工作频率也带来了更大的开关损耗，目前主要通过高频软开关技术来解决这一矛盾。

准谐振技术是高频软开关技术的一种，基于准谐振技术，业界开发了多模式准谐振频率控制器。常见多模式准谐振频率控制器的工作原理如下：

通过寄生器件控制功率管电流或电压按照正弦或准正弦规律变动，在功率管漏端电压或功率管电流为零时，导通或断开功率管，并根据功率管连接的负载，选择相应的功率管频率，使得开关电源在整个负载段内均能保持高效率。

下面以一种电流模式控制的多模式准谐振频率控制技术为例介绍常规实现频率控制的方案。

图1是现有技术中多模式准谐振频率控制器的结构示意图，该准谐振频率控制器中，压控振荡器10输出的CLK信号作为D触发器的CP信号，功率管关断信号输入D触发器置零端CLR，D触发器的输出信号连接功率管驱动电路11来控制功率管11。压控振荡器10利用零温度系数电流源I给电容C充电，当电容C电压大于上限电压时，RS触发器清零端R置位，输出信号CLK为低电位，电容C放电，电压下降，当电容C的电压下降到下限电位时，触发器置位端S置位，输出信号CLK为高电位。因此压控振荡器的振荡频率即输出信号CLK的频率受上限电压，下限电压，充电电流及电容C的电容值的限制。根据图1电路，CLK频率影响了输入功率管信号的频率，即开关电源工作频率。通常将充电电流I，电容C大小及下限电压设为固定值，通过调节上限电压来调节CLK频率进而调节开关电源工作频率。

图1结构中上限电压有两个，一个是上限电压比较器C1输入端的4V，另一个是上限电压比较器C2输入端的OSC_CL信号的电压，其中OSC_CL信号电压是由负载反馈电压FB决定，且放大器A1输入端的2V信号决定了OSC_CL信号的最低电压值为1.2V。由于上限电压比较器C1和C2通过或门连接，只要两者中任一比较器输出的信号有跳变，则RS触发器清零端R置位，因此当OSC_CL信号电压值大于4V时，RS触发器清零端置位由上限电压比较器C1确定，图1结构的上限电压最低值为1.2V，最高值为4V，对应的频率最高是130KHz，最低是40KHz。当OSC_CL信号电压值处于1.2V至4V之间时，CLK频率OSC_CL信号电压值对应。对于上限电压比较器C2，不仅需要其输出的信号有跳变，而且需要谷底检测信号到来时，RS触发器清零端R才会置位，其中谷底检测信号示意图如图2所示。

对于放大器A2，当FB从2V变化到1.4V，由公式：

\frac{FB - 2}{R_{2}} = \frac{2 - OSC_CL}{R_{1}}

OSC_CL = (1 + \frac{R_{1}}{R_{2}}) \cdot 2 - \frac{R_{1}}{R_{2}} FB

可以确定OSC-CL的值从1.2V变换到4V。相应的频率变化从130kHz降到40kHz。当FB小于1.4V，OSC-CL上升到4V以上，因为上限电压由较小值决定，工作频率被限制在40kHz。当FB大于4V，OSC-CL被嵌位在1.2V，工作频率为130kHz。

通过上述原理，现有准谐振频率控制器根据不同负载实现了开关电源工作频率的调节，但是从电路结构可以看出，现有准谐振频率控制器采用了多个比较器，在电路实现时，需要考虑内部比较器的设计要求，导致设计难度及制造难度加大，此外比较器使用过多也会带来该控制器面积过大，功耗增加等一系列问题。

发明内容

本发明提供了多模式频率控制器及开关电源频率控制方法，以简化结构，降低设计难度和制造难度，减小面积及降低功耗等。

本发明的一个实施例提供了多模式准谐振频率控制器中频率控制的结构及实现电路，以简化实现频率控制的方法。

本发明的另一个实施例提供了多模式准谐振频率控制器频率控制结构，包括电压控制电流源及将电流转化为电压的结构，电压控制电流源的输入电压为负载反馈的电压，电流转化为电压的输入电流为电压控制电流源电路镜像的电流及固定电流源之和，通过对电容充电将电流转化为电压。频率控制通过充电电流使电容上电压达到固定值的时间不同来实现。

其中较佳的，所述电压控制电流源是将负载反馈电压转化为电流的结构，所述电流转化为电压的结构是将电压控制电流源电路镜像的电流再通过对电容充电转化为电压的结构，所述对电容充电达到固定电压值的时间是推迟谷底检测信号有效的时间，该结构的电容在每一个充电周期开始之前会通过一个由功率管上升沿信号控制的MOS管对其进行放电，使初始电压为零。

本发明的另一个实施例还提供了多模式准谐振频率控制器频率控制结构的电路实现方法，该电路结构包括电压控制电流源，包括将电流转化为电压的结构，其中电压控制电流源是将负载反馈的电压转化为电流作为一支路，另一支路电流通过镜像再对电容充电转化为电压进行比较实现频率控制，电流的大小决定充电时间的长短，而充电时间的长短决定了谷底检测信号有效的时间，从而实现频率控制。其中所述了另一支路电流大小的控制通过电路分流实现，所述电容充电时间长短的控制由镜像电流和一固定电流源共同实现。

本发明的实施例通过将准谐振控制器负载反馈电压先转化为电流，再通过该电流决定电压控制电流源另一支路的电流。另一支路的电流被镜像到后面电路部分并和一固定电流源共同对一固定电容进行充电。当充电电压达到固定值时比较器输出发生跳变，谷底检测信号有效，功率管重新开启，频率得到调制。该结构利用VEN信号频率控制实现系统频率控制，现有方法是利用压控振荡器频率控制实现系统频率控制，本发明结构更加精简，逻辑关系更加简单，实现更加容易。

附图说明

图1是现有一种多模式准谐振频率控制器的结构示意图；

图2是谷底检测信号示意图；

图3是本发明频率控制逻辑结构示意图；

图4是本发明多模式频率控制实现示意图；

图5是本发明提出的频率控制具体电路示意图；

图6是本发明实现频率控制的说明图。

具体实施方式

本实施例提供了多模式频率控制器，包括电容，还包括：电压电流转换模块，用于将负载反馈电压转换成反馈电流，所述反馈电压与负载值正相关，所述反馈电流值与反馈电压值一一对应；频率控制模块，用于根据所述电压电流转换模块转换得到的反馈电流对电容进行充电，并在将电容充电至预定电压时，或者在电容电压高于预定电压，且功率管控制信号边沿检测信号到来时，跳变频率控制模块输出信号的状态；频率生成模块，用于根据频率控制模块输出的信号，生成新工作频率的功率管控制信号。

可选的，所述电压电流转换模块，具体包括：电压控制电流源，用于提供恒定电流；电流转换模块，用于根据负载反馈电压与预定转换电压的比例，从所述电压控制电流源的电流分流出反馈电流。

可选的，所述频率控制模块具体包括：充电电流源，用于提供充电恒定电流；镜像电流生成模块，用于生成所述反馈电流的镜像电流；充电模块，用于采用所述镜像电流及充电电流源对所述电容充电；频率控制子模块，用于在所述电容充电至预定电压值时，或者在电容电压高于预定电压，且功率管控制信号边沿检测信号到来时，跳变频率控制模块输出信号的状态。

可选的，所述边沿检测信号检测上升沿或者下降沿。

此外，本实施例还提供了开关电源频率控制方法，包括步骤：

步骤1，将负载反馈电压转换成反馈电流，所述反馈电压与负载值正相关，所述反馈电流值与反馈电压值一一对应；

其中在转换反馈电流时，可以根据负载反馈电压与预定转换电压的比例，从所述电压控制电流源的电流分流出反馈电流。

步骤2，根据所述电压电流转换模块转换得到的反馈电流对电容进行充电，并在将电容充电至预定电压时，或者在电容电压高于预定电压，且功率管控制信号边沿检测信号到来时，跳变频率控制模块输出信号的状态；

其中可以生成所述反馈电流的镜像电流，并采用该镜像电流及充电电流源提供的电流为电容充电。可选的，所述边沿检测信号检测上升沿或者下降沿。

步骤3，根据频率控制模块输出的信号，生成新工作频率的功率管控制信号。

图3是本发明逻辑结构示意图，本发明频率控制电路的输出VEN信号和谷底检测信号共同决定触发器的SET置位端信号。当VEN信号输出为高电平时，谷底检测信号变为有效，两个信号相与得到SET置位信号，触发器输出信号VFBGD使功率管开启。

图4是本发明多模式频率控制实现的示意图，根据控制器所带负载的不同，得到的负载反馈电压VFBCTRL不同，负载越大反馈电压VFBCTRL越大。当负载为重载时，即系统工作在准谐振模式(quasi resonant)频率较低，不需要调制，这时最先检测到的第一个谷底的信号即为有效信号。随着负载减小，VFBCTRL减小，系统频率增大。在电感电流处于非连续导通模式(discontinuous)下时，频率被限制在上限频率125kHz。当负载反馈电压继续较小至小于2V时，进入降频工作模式，随着负载的减小，频率也逐渐降低。当负载反馈电压减小至1.5V以下时，频率被限制在下限频率25kHz。

图5是本发明电路结构示意图。负载反馈电压VFBCTRL作为栅压控制M3管所在支路的电流，当VFBCTRL大于VREF2时，M3管所在支路电流增加，镜像得到的电流I2也增加。一旦功率管上升沿检测信号到来，M管导通电容C放电使初始电压为零。之后M管关断，电流I2和电流源I1共同对电容C充电，当充电电压达到VREF1时，比较器COM输出高电平信号VEN使谷底检测信号有效，促使RS触发器置位，从而功率管重新开启，频率得到改变。当VFBCTRL大于VREF2足以使电流源I的电流全部流过M3管支路时，I2达到最大值。这时电容的充电电流达到最大值，电容上电压达到VREF1的时间最短，谷底检测信号有效的时间更早，功率管开启的时间也提前，频率达到最大值125kHz。

当轻载时，系统频率增加，VFBCTRL减小导致充电电流I2减小。电容充电电压达到VREF1的时间变长，导致谷底检测有效信号推迟(这时第一个谷底检测信号有可能不再是有效信号，而是第N个信号为有效信号，N＝2，3，4…，推迟的时间越长，N越大)。从而推迟功率管重新动作的时间，也即减小了系统频率。当I2减小至最小值时，系统频率达到最小值25kHz。

图6是本发明实现频率控制的说明图。VFBGD1是功率管轻载时工作状态，频率较高。将VFBGD1上升沿信号反馈至M管栅极控制其导通，一旦M管导通就对电容C放电使其电压为零。这时充电电流对电容充电，因为VEN信号始终为低电平，在充电电压达到VREF1之前功率管都处于关断状态。一旦充电电压达到VREF1之后，比较器输出信号VEN发生跳变，谷底检测信号有效，功率管重新开启，功率管改变后的工作状态为VFBGD2，即系统频率发生了改变。根据充电电流的大小不同，电容上电压达到VREF1的时间不同，即图中VC的上升斜率不同，从而使toff不同。toff不同控制谷底检测信号在不同的时刻变为有效，也就可以控制功率管重新导通的时刻，即实现频率控制。

本发明实施例还提出了具体实现电路的结构和原理，其中包括电压转化为电流的部分，对电容充电电流转化为电压的部分及怎样实现将对电流大小的控制和频率的限制联系起来。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种多模式频率控制器，包括电容，其特征在于，包括：

电压电流转换模块，用于将负载反馈电压转换成反馈电流，所述反馈电压与负载值正相关，所述反馈电流值与反馈电压值一一对应；

频率控制模块，用于根据所述电压电流转换模块转换得到的反馈电流对电容进行充电，并在将电容充电至预定电压时，或者在电容电压高于预定电压，且功率管控制信号边沿检测信号到来时，跳变频率控制模块输出信号的状态；

频率生成模块，用于根据频率控制模块输出的信号，生成新工作频率的功率管控制信号。

2.如权利要求1所述的频率控制器，其特征在于，所述电压电流转换模块，具体包括：

电压控制电流源，用于提供恒定电流；

电流转换模块，用于根据负载反馈电压与预定转换电压的比例，从所述电压控制电流源的电流分流出反馈电流。

3.如权利要求1所述的频率控制器，其特征在于，所述频率控制模块具体包括：

充电电流源，用于提供充电恒定电流；

镜像电流生成模块，用于生成所述反馈电流的镜像电流；

充电模块，用于采用所述镜像电流及充电电流源对所述电容充电；

频率控制子模块，用于在所述电容充电至预定电压值时，或者在电容电压高于预定电压，且功率管控制信号边沿检测信号到来时，跳变频率控制模块输出信号的状态。

4.如权利要求1所述的频率控制器，其特征在于，所述边沿检测信号检测上升沿或者下降沿。

5.一种开关电源频率控制方法，其特征在于，包括步骤：

将负载反馈电压转换成反馈电流，所述反馈电压与负载值正相关，所述反馈电流值与反馈电压值一一对应；

根据所述电压电流转换模块转换得到的反馈电流对电容进行充电，并在将电容充电至预定电压时，或者在电容电压高于预定电压，且功率管控制信号边沿检测信号到来时，跳变频率控制模块输出信号的状态；

根据频率控制模块输出的信号，生成新工作频率的功率管控制信号。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将负载反馈电压转换成反馈电流，具体包括步骤：

根据负载反馈电压与预定转换电压的比例，从所述电压控制电流源的电流分流出反馈电流。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述电压电流转换模块转换得到的反馈电流对电容进行充电，具体包括步骤：

生成所述反馈电流的镜像电流；

采用该镜像电流及充电电流源提供的电流为电容充电。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述边沿检测信号检测上升沿或下降沿。