CN101917123A

CN101917123A - 具有内置线性降频的pwm控制器和pwm控制电路

Info

Publication number: CN101917123A
Application number: CN2010102751257A
Authority: CN
Inventors: 应征; 张军
Original assignee: BCD Semiconductor Manufacturing Ltd
Current assignee: BCD Shanghai Micro Electronics Ltd
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-09-06
Also published as: CN101917123B

Abstract

一种具有内置线性降频的PWM控制器，包括：电压电流转换器，用于将PWM控制器的FB管脚电压与门限电压转换输出电容充电电流和电容放电电流；振荡器，接收所述电压电流转换器输出电容充电电流和电容放电电流，产生时钟信号CLK驱动D触发器；D触发器，根据时钟信号CLK形成控制开关管关断和导通的PWM调制信号。本发明提供一种具有内置线性降频的PWM控制器和PWM控制电路，使得PWM控制器以较低开关频率工作，能够减少待机功耗和提高开关电源待机效率。

Description

具有内置线性降频的PWM控制器和PWM控制电路

技术领域

本发明涉及PWM控制器技术领域，特别涉及一种具有内置线性降频的PWM控制器和PWM控制电路。

背景技术

PWM控制器是在开关电源中经常使用的控制IC，PWM控制器可以调节开关信号的占空比来达到控制输出的目的。

参见图1，该图是PWM反激应用电路。常规的PWM反激应用电路中包括PWM控制芯片100。Vin通过启动电阻101给PWM控制芯片100的VCC充电，当达到PWM控制芯片100的开启电压时便开始正常工作，输出PWM控制信号驱动外部开关管108。二极管106、电容105和电阻104共同组成RCD缓冲电路来降低变压器107的漏感尖峰电压，防止开关管108被击穿而损坏。电阻111串联在功率开关管108的源极，控制变压器107原边电感峰值电流从而控制系统的最大输出功率。电容113和电阻112组成缓冲器来消除当输出整流二极管114关断的时候引起的振荡。通过电阻116与光耦115的输入和系统输出Vo相连，光耦115的输出则与PWM控制芯片100的PIN脚FB相接形成反馈网络。通过反馈网络的控制，改变PWM信号的导通时间从而自动调整输出。

随着能源效率和环保的日益重要，人们对开关电源待机效率期望越来越高，发达国家针对电器产品功耗方面的要求也日益严格，并针对待机功耗制定了很多标准规范。为了符合这些规范，很多新技术应运而生，主要思想是让开关电源在负载很小或空载处于待机状态时能够消耗很小的能量。

因此如何在轻载或空载时减少功耗是开关电源设计中所需关注的一个重要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有内置线性降频的PWM控制器和PWM控制电路，能够使PWM控制器以较低开关频率工作，达到减少待机功耗和提高开关电源待机效率的目的。

本发明提出一种具有内置线性降频的PWM控制器，所述PWM控制器包括：

电压电流转换器，用于将PWM控制器的FB管脚电压与门限电压转换输出电容充电电流和电容放电电流；

振荡器，接收所述电压电流转换器输出电容充电电流和电容放电电流，产生时钟信号CLK驱动D触发器；

D触发器，根据时钟信号CLK形成控制开关管关断和导通的PWM调制信号。

优选地，所述振荡器当FB管脚电压大于门限电压时，电容充电电流逐渐增加，电容放电电流逐渐减小；

当FB管脚电压小于门限电压时，电容充电电流逐渐减小，电容放电电流逐渐增加；

电容充电电流和电容放电电流影响振荡器OSC的电容充放电时间，进而改变了振荡周期，即频率降低。

优选地，所述振荡器的实现电路具体为：

电容充电电流与第一恒定电流源通过第一开关125与第一电容相连；

电容放电电流与第二恒定电流源通过第二开关126与第一电容相连；

第一电容与比较器相连；所述比较器连接有第一非门，第一非门直接连接第二开关；第一非门通过第二非门与第一开关相连；

比较器128内部有效正输入端高电平设定为V_H，比较器128内部有效正输入端低电平设定为V_L。

优选地，所述电压电流转换器包括三个MOS管组成的电流镜，用于将所述第一恒定电流源分为两路电流；

且两路电流分别连接差分对管；设定有第一门限电压的MOS管和通过FB管脚电压输入的第一MOS管组成第一差分对管；

设定有第二门限电压的MOS管和通过FB管脚电压输入的第二MOS管组成第二差分对管；

设定有第一门限电压的MOS管输出电容充电电流；

设定有第二门限电压的MOS管输出电容放电电流。

优选地，第一MOS管源极和第二MOS管源极相连后输出电容放电电流。

本发明还提供一种PWM控制电路，前文所述的任一种具有内置线性降频的PWM控制器。

本发明相对现有技术具有以下的技术效果：

由于本发明实施例所述具有内置线性降频的PWM控制器，包括电压电流转换器，能够将PWM控制器的FB管脚电压V_FB与门限电压V_T转换输出电容充电电流I_S和电容放电电流I_D；振荡器接收所述电压电流转换器输出电容充电电流I_S和电容放电电流I_D，产生时钟信号CLK驱动D触发器根据时钟信号CLK形成控制开关管关断和导通的PWM调制信号。

开关管关断和导通的PWM调制信号即PWM信号的高低电平的持续时间决定了工作频率的大小，本发明实施例所述PWM控制器通过调节时间来影响频率。同时由于每个开关周期PWM信号导通和关断时间都有所调整，因此PWM信号的频谱是均匀分布，抑制了音频噪声。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是PWM反激控制电路的电路图；

图2是本发明所述控制器的功能模块结构图；

图3是本发明所述振荡器实现电路图；

图4是本发明第一实施例所述电压电流转换器转换电路图；

图5是本发明第二实施例所述电压电流转换器转换电路图。

具体实施方式

本发明提供一种具有内置线性降频的PWM控制器和PWM控制电路，使得PWM控制器以较低开关频率工作，能够减少待机功耗和提高开关电源待机效率。

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的原理，下面结合图1进行具体说明。

参见图1，该图为PWM反激控制电路的电路图。

在轻载或空载情况下PWM反激应用电路的功耗主要体现在如下的几个方面：

1)功率开关管108的开关损耗；

在一个周期内的功率开关管108总损耗可表示为：

P_{T} = \frac{t_{ol}}{T} \times {&Integral;}_{0}^{t_{ol}} V_{Q} \times I_{P} dt

或

P_{T} = F_{s} \times t_{ol} \times {&Integral;}_{0}^{t_{ol}} V_{Q} \times I_{P} dt

其中，T是开关周期，F_s是开关频率，V_Q是开关管108两端电压，I_P是变压器107的原边电感电流，t_ol则是V_Q和I_P交叠的时间。

2)输出整流二极管114的开关损耗：

P_{D} = \frac{t_{r}}{T} \times {&Integral;}_{0}^{t_{r}} V_{d} \times I_{d} dt

或

P_{D} = F_{s} \times t_{r} \times {&Integral;}_{0}^{t_{r}} V_{d} \times I_{d} dt

其中，t_r是二极管的反向恢复时间，V_d是二极管关断时刻的两端电压，I_d大小则由变压器副边电感来限定。

3)变压器107的磁通损耗：

P_tr＝K×F_S×V×B_m

其中，B_m是磁通密度，V是磁心的体积，K是常数。

4)缓冲器的损耗：

P_{R} = \frac{1}{2} \times F_{S} \times C \times {V_{c}}^{2}

其中，C是缓冲器的电容，例如电容105，V_c是电容两端压差。

5)变压器漏感的损耗：

P_{L} = \frac{1}{2} \times F_{S} \times L_{t} \times I_{P}^{2}

其中，L_t是变压器原边漏感。电阻104消耗了由漏感产生的这部分能量。

常规的PWM反激应用电路的的功耗还包括了启动电阻、光耦及芯片的损耗等。从上面的分析可以看到，主要的消耗都和开关频率F_s有着直接的关系，减小频率可以降低功耗。开关电源通常都工作在较高的频率，这样做的目的在于减小尺寸，尤其是减小了变压器的体积。

因为输出功率

其中，L_P是变压器原边电感。

由于从上述等式我们可以看到若为了降低功耗而降低频率，则在输出功率固定的前提下I_P会增加，这会使导通时间T_on随之增加。T_on的增加有可能导致变压器磁芯饱和而损坏开关管，因此导通时间T_on是需要一定限制的。不过由于输出功率可表示为从这个公式可以看出轻载或空载时，频率较高时T_on是比较小的，这样降低频率带来的导通时间的增加并不会超出最大限制，因此在轻载或空载时，可以通过降低频率实现减小功耗。

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图具体说明所述PWM控制器。

参见图2，该图为是本发明所述控制器的功能模块结构图。

本发明实施例所述具有内置线性降频的PWM控制器100，包括：

电压电流转换器118，用于将PWM控制器100的FB管脚电压V_FB与门限电压V_T转换输出电容充电电流I_S和电容放电电流I_D；

振荡器119，接收所述电压电流转换器118输出电容充电电流I_S和电容放电电流I_D，产生时钟信号CLK驱动D触发器121。

D触发器121，根据时钟信号CLK形成控制开关管108关断和导通的PWM调制信号。

由于本发明实施例所述具有内置线性降频的PWM控制器，包括电压电流转换器118，能够将PWM控制器100的FB管脚电压V_FB与门限电压V_T转换输出电容充电电流I_S和电容放电电流I_D；振荡器119接收所述电压电流转换器118输出电容充电电流I_S和电容放电电流I_D，产生时钟信号CLK驱动D触发器121根据时钟信号CLK形成控制开关管关断和导通的PWM调制信号。

开关管108关断和导通的PWM调制信号即PWM信号的高低电平的持续时间决定了工作频率的大小，本发明实施例所述PWM控制器100通过调节时间来影响频率。同时由于每个开关周期PWM信号导通和关断时间都有所调整，因此PWM信号的频谱是均匀分布，抑制了音频噪声。

从图1中可以得知系统通过反馈网络的调整改变控制器100(芯片)FB的pin脚电压，因此，控制器100(芯片)FB的pin脚电压大小反应了负载的轻重情况。FB pin脚的电压V_FB通过电压电流转换器118与门限电压V_T进行比较，输出参与后续电容充电电流I_S和电容放电电流I_D。当V_FB大于V_T时，电容充电电流I_S逐渐增加，电容放电电流I_D逐渐减小，当FB pin脚电压V_FB小于V_T时，电容充电电流I_S逐渐减小，电容放电电流I_D逐渐增加，这两路电流影响了振荡器(OSC)119的电容充放电时间，进而改变了振荡周期，即频率降低。振荡器119产生时钟信号CLK去驱动D触发器121形成最终控制开关管108关断和导通的PWM调制信号。

反相器120将振荡器119产生的时钟信号CLK经过一级反相再和D触发器121形成的控制信号通过与门122，共同生成决定工作频率的PWM信号。

因为在本发明中决定工作频率的主体是CLK信号，与门122是作为附加器件决定占空比和其他应用。

参见图3，该图是本发明所述振荡器119实现电路图。

本发明实施例所述具有内置线性降频的PWM控制器的振荡器119具体通过线性降频的振荡器电路实现。

所述振荡器119的实现电路具体为：电容充电电流I_S与第一恒定电流源通过第一开关125与第一电容C_SAW 127相连。电容放电电流I_D与第二恒定电流源通过第二开关126与第一电容C_SAW127相连。第一电容C_SAW127与比较器128相连。所述比较器128连接有第一非门129，第一非门129直接连接控制第二开关126；第一非门129通过第二非门130与第一开关125相连。

在初始阶段，第一电容C_SAW 127上的电压为0，比较器128输出逻辑高电平，驱动第一非门129和第二非门130，然后打开第一开关125，电流开始给第一电容C_SAW 127充电，同时比较器128将内部有效正输入端电平设定为V_H。充电电流由恒定电流源I₁₂₃和可变电流I_S共同组成。第一电容C_SAW 127的电压V_SAW慢慢升高，当电压V_SAW大于比较器128的正端电压V_H时比较器128发生翻转，输出逻辑低电平，驱动第一非门129打开第二开关126，电流开始给第一电容C_SAW 127放电，同时比较器128将内部有效正输入端电平设定为V_L。放电电流由恒定电流源I₁₂₄和可变电流I_D共同组成。第一电容C_SAW 127的电压V_SAW慢慢下降，当电压V_SAW小于比较器128的正端电压V_L时比较器128再次发生翻转，输出逻辑高电平，电流再次给第一电容C_SAW 127充电，如此反复。

由图3可知，给第一电容C_SAW 127的充电电流I_C＝I₁₂₃+I_S，放电电流I_DC＝I₁₂₄-I_D。

当V_FB大于V_T时，电流I_S逐渐增加，电流I_D逐渐减小，此时给第一电容C_SAW127的充电电流设为I_C1＝I₁₂₃+I_S1，放电电流I_DC1＝I₁₂₄-I_D1，因此

T_ON1＝[(V_H-V_L)×C_SAW]÷I_C1＝[(V_H-V_L)×C_SAW]÷(I₁₂₃+I_S1)

T_OFF1＝[(V_H-V_L)×C_SAW]÷I_DC1＝[(V_H-V_L)×C_SAW]÷(I₁₂₄-I_D1)

当V_FB小于V_T时，电流I_S逐渐减小，电流I_D逐渐增加，此时第一电容C_SAW 127的充电电流设为I_C2＝I₁₂₃+I_S2，放电电流I_DC2＝I₁₂₄-I_D2，因此

T_ON2＝[(V_H-V_L)×C_SAW]÷I_C2＝[(V_H-V_L)×C_SAW]÷(I₁₂₃+I_S2)

T_OFF2＝[(V_H-V_L)×C_SAW]÷I_DC2＝[(V_H-V_L)×C_SAW]÷(I₁₂₄-I_D2)

从等式中可以看出，在V_FB小于门限电压V_T的情况下，第一电容C_SAW 127的充电时间增加，放电时间延长，因此振荡周期增加，频率降低。I_S和I_D的大小决定了频率的变化特性，线性的改变电流大小即达到了线性降频的目的。

参见图4，该图是本发明第一实施例所述电压电流转换器转换电路图。

所述电压电流转换器118包括三个MOS管131、132、133组成的电流镜，用于将所述第一恒定电流源I₁₂₃分为两路电流；且两路电流分别连接差分对管。

设定有第一门限电压V_REF1的MOS管134和通过FB管脚电压V_FB输入的第一MOS管135组成第一差分对管。

设定有第二门限电压V_REF2的MOS管137和通过FB管脚电压V_FB输入的第二MOS管136组成第二差分对管。

设定有第一门限电压V_REF1的MOS管134输出电容充电电流I_S。

设定有第二门限电压V_REF2的MOS管137输出电容放电电流I_D。

通过图4所示的电压电流转换电路，将FB电压的变化转变为充放电电流I_S和I_D，进而改变振荡周期及频率。

V_REF1和V_REF2分别为第一、第二门限电压，二者可根据系统及负载灵活设定。

从图4中可以看出，通过电流镜镜像恒定原理，电流源I₁₂₃产生电流I₁₃₂和I₁₃₃，且I₁₃₂＝I₁₃₅+I_S、I₁₃₃＝I₁₃₇+I_D。

由于差分对管的特性，随着FB电压的改变，I_S和I_D将随之变化。当FB的电压大于V_REF1时，大部分电流将流经MOS管134，随着负载减小，FB电压也慢慢降低，电流将逐渐流过MOS管135，I_S随之减小。

同理可知，随着FB电压的降低，与门限电压V_REF2比较后，I_D会随之增加。

图5是本发明第二实施例所述电压电流转换器转换电路图。

本发明第二实施例所述电压电流转换器转换电路与图4所示第一实施例的区别在于，第一MOS管135源极和第二MOS管136源极相连后输出电容放电电流I_D。

图5所示电路是在图4的基础上对I_D相应改动。从图5中可以看出，通过MOS管131、133、140组成的电流镜，镜像恒定电流源I₁₂₃产生电流I₁₄₀和I₁₃₃，且I₁₄₀＝I₁₃₉+I₁₃₈；I₁₃₃＝I₁₃₇+I₁₃₆；I_D＝I₁₃₈+I₁₃₆；V_REF3和V_REF2是门限电压。

随着负载减小，FB电压慢慢降低，流经MOS管136、138的电流逐渐增加，即I_D随之增加，振荡器119的放电电流相应改变，频率得以降低。本发明第二实施例所述电压电流转换器转换电路不仅达到了线性降频的目的，并且降低的斜率可根据门限电压的设定来做相应调整。

本发明利用差分对管的特性来改变电流，从而改变振荡器中对电容C_SAW的充放电电流，进而改变频率。因为差分对管结构简单，但作用明显，所以相比而言在达到相同功能的前提下本发明所述方案可以有效减小芯片的面积。

本发明所述控制器可以根据系统和负载需要灵活改变降频的特性，在减小芯片面积的同时，获得了可以线性变化的开关频率，从而达到减少待机功耗和提高开关电源待机效率的目的。

本发明还提供一种PWM控制电路，所述控制电路可以包括前文所述的任何一种PWM控制器。

以上对本发明所提供的扩散电阻电压系数提取及仿真模型建立的方法和系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种具有内置线性降频的PWM控制器，其特征在于，所述PWM控制器包括：

2.根据权利要求1所述的具有内置线性降频的PWM控制器，其特征在于，所述振荡器当FB管脚电压大于门限电压时，电容充电电流逐渐增加，电容放电电流逐渐减小；

3.根据权利要求1所述的具有内置线性降频的PWM控制器，其特征在于，所述振荡器的实现电路具体为：

4.根据权利要求3所述的具有内置线性降频的PWM控制器，其特征在于，所述电压电流转换器包括三个MOS管组成的电流镜，用于将所述第一恒定电流源分为两路电流；

设定有第一门限电压的MOS管输出电容充电电流；

设定有第二门限电压的MOS管输出电容放电电流。

5.根据权利要求4所述的具有内置线性降频的PWM控制器，其特征在于，第一MOS管源极和第二MOS管源极相连后输出电容放电电流。

6.一种PWM控制电路，其特征在于所述控制电路包括权利要求1至5任一一种具有内置线性降频的PWM控制器。