CN102082511B - 脉宽调变的定频控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

一种脉宽调变的定频控制电路，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制电路包括：频率电流转换器将所述脉宽调变信号的频率转换为第二电流；电流产生器供应参考电流；减法器连接所述频率电流转换器及电流产生器，将所述参考电流减去所述第二电流而产生差值电流；电流放大器连接所述减法器，将所述差值电流放大为误差电流；以及加法器连接所述电流放大器，将所述误差电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述参考电流决定的目标频率。

Description

脉宽调变的定频控制电路及方法

技术领域

本发明涉及一种脉宽调变，具体地说，是一种脉宽调变的定频控制。

背景技术

脉宽调变电源转换器如果使用非定频系统架构，例如固定开启时间控制或固定关闭时间控制，其频率在不同的负载下可能偏移原来的设计，因而引发新的问题。例如在印刷电路板上的两个通道原本试图操作在100KHz以上差距的频率，却因为在某种负载下导致两者的频率相当接近，进而产生音频的现象。图1为固定开启时间及固定关闭时间脉宽调变的基本架构，图2为其波形图。参照图1及图2，比较器10比较输出电压Vout及参考电压Vref1而产生比较信号S1，脉宽调变信号产生器12根据比较信号S1产生脉宽调变信号S2驱动功率输出级14，将输入电压VIN转换为输出电压Vout。在脉宽调变信号产生器12中，定时触发器16触发固定开启时间Ton或固定关闭时间Toff，其宽度由电流产生器18提供电流I1设定。图3为用于固定开启时间脉宽调变的定时触发器16，其中比较信号S1控制开关SW3，因而控制电容C1的充电时间点，比较器22比较电容电压VC1及参考电压Vref2而产生脉宽调变信号S2。在比较信号S1触发正反器20切断开关SW3后，电容电压VC1因电流I1对电容C1充电而以固定速率从零上升，当电容电压VC1上升到参考电压Vref2的大小时，脉宽调变信号S2结束开启时间。因为电流I1是定值，所以脉宽调变信号S2具有固定宽度的开启时间。在图1所示的系统中，在不同的负载下，其误差的来源有三：

(1)相节点电压VP(＝VIN-IL×Ron)随负载电流IL变化，其中Ron为上桥开关SW1的导通电阻值；

(2)电感L及印刷电路板上的寄生电阻RL所造成的压降(IL×RL)；

(3)在重载时因为失效时间(deadtime)较小而造成相节点电压VP的脉宽变小，因而造成频率加快。

美国专利号6,456,050使用时序控制电路因应责任周期(dutycycle)产生时序信号进行固定关闭时间控制，只有在输出/入电压比小于0.5时才有不错的定频效果。美国专利号6,774,611使用锁相回路控制脉宽调变信号的责任周期，虽然准确地控制频率，但是电路很复杂。美国专利号7,508,180将脉宽调变信号的频率转换为电压，经误差放大器与参考电压比较，其差值电压用来调整脉宽调变信号的开启时间与关闭时间，进而控制脉宽调变信号的频率。然而此技艺却未揭露所述差值电压如何调整脉宽调变信号的开启时间与关闭时间。一般而言，定时触发器系根据定电流控制固定开启时间或固定关闭时间的宽度，因此需要额外的电压对电流转换器将所述差值电压转换为电流，这将使电路较复杂。

因此已知的脉宽调变的控制电路及方法存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种脉宽调变的定频控制电路。

本发明的另一目的，在于提出一种脉宽调变的定频控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种脉宽调变的定频控制电路，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制电路包括：

频率电流转换器将所述脉宽调变信号的频率转换为第二电流；

电流产生器供应参考电流；

减法器连接所述频率电流转换器及电流产生器，将所述参考电流减去所述第二电流而产生差值电流；

电流放大器连接所述减法器，将所述差值电流放大为误差电流；以及

加法器连接所述电流放大器，将所述误差电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述参考电流决定的目标频率。

一种脉宽调变的定频控制电路，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制电路包括：

频率产生器，供应具有固定频率的频率信号；

升降计数器连接所述频率产生器，计算所述脉宽调变信号及频率信号之间的频率差值产生计数值；

可程序电流源连接所述升降计数器，根据所述计数值决定误差电流；以及

加法器连接所述可程序电流源，将所述误差电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述频率信号的频率。

本发明的脉宽调变的定频控制电路还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的定频控制电路，其中所述可程序电流源包括多组串联的开关电流源共输出，每一所述开关受所述计数值中的一个位控制。

一种脉宽调变的定频控制电路，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制电路包括：

频率产生器，供应具有固定频率的频率信号；

第一单击电路连接所述频率产生器，受所述频率信号触发而产生第一脉冲信号；

第一电流镜连接所述第一单击电路，根据所述第一脉冲信号产生与所述频率信号的频率相关的参考电流；

第二单击电路受所述脉宽调变信号触发而产生第二脉冲信号；

第二电流镜连接所述第二单击电路，根据所述第二脉冲信号产生与所述脉宽调变信号的频率相关的第二电流；

加法器连接所述二电流镜，将所述参考电流与第二电流之间的差值电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述频率信号的频率。

前述的定频控制电路，其中所述第一电流镜包括：

电流源；

第一晶体管具有闸极与汲极连接在一起；

开关连接在所述电流源及第一晶体管的汲极之间，受控于所述第一脉冲信号；

第二晶体管具有汲极连接所述加法器，镜射所述第一晶体管的电流而产生所述参考电流；以及

低通滤波器连接在所述二晶体管的闸极之间。

前述的定频控制电路，其中所述第二电流镜包括：

电流源；

第一晶体管具有闸极与汲极连接在一起；

开关连接在所述电流源及第一晶体管的汲极之间，受控于所述第二脉冲信号；

第二晶体管具有汲极连接所述加法器，镜射所述第一晶体管的电流产生所述第二电流；以及

低通滤波器连接在所述二晶体管的闸极之间。

一种脉宽调变的定频控制方法，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制方法包括下列步骤：

将所述脉宽调变信号的频率转换为第二电流；

将所述第二电流减去参考电流而产生差值电流；

将所述差值电流放大为误差电流；以及

将所述误差电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述参考电流决定的目标频率。

一种脉宽调变的定频控制方法，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制方法包括下列步骤：

计算所述脉宽调变信号及频率信号之间的频率差值产生计数值；

根据所述计数值决定误差电流；以及

将所述误差电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述频率信号的频率。

前述的定频控制方法，其中所述根据所述计数值决定误差电流的步骤包括：

根据所述计数值决定多个开关的配置；以及

根据所述配置将多个电流源共输出而产生所述误差电流。

一种脉宽调变的定频控制方法，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制方法包括下列步骤：

藉频率信号触发第一脉冲信号；

根据所述第一脉冲信号产生与所述频率信号的频率相关的参考电流；

藉所述脉宽调变信号触发第二脉冲信号；

根据所述第二脉冲信号产生与所述脉宽调变信号的频率相关的第二电流；以及

将所述参考电流与第二电流之间的差值电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述频率信号的频率。

采用上述技术方案后，本发明的脉宽调变的定频控制电路及方法具有电路简单且能准确控制频率的优点。

附图说明

图1为已知的固定开启时间及固定关闭时间脉宽调变的基本架构示意图；

图2为图1的波形图；

图3为用于固定开启时间脉宽调变的定时触发器的示意图；

图4为本发明的第一实施例的示意图；

图5为本发明的第二实施例的示意图；

图6为图5中可程序电流源的实施例的示意图；

图7为本发明的第三实施例的示意图；以及

图8为脉宽调变信号的频率与负载电流IL的关系曲线图。

图中，10、比较器12、脉宽调变信号产生器14、功率输出级16、定时触发器18、电流产生器20、正反器22、比较器24、定频控制电路26、误差电流产生器28、加法器30、频率电流转换器32、电流产生器34、减法器36、电流放大器38、频率产生器40、升降计数器42、可程序电流源44、单击电路46、电流镜48、单击电路50、电流镜52、加法器的输入端54、低通滤波器56、低通滤波器58、脉宽调变信号的频率与负载电流的关系曲线60、脉宽调变信号的频率与负载电流的关系曲线。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。

现请参阅图4，图4为本发明的第一实施例的示意图。如图所示，所述脉宽调变信号产生器12除了定时触发器16及电流产生器18以外，还包括定频控制电路24根据脉宽调变信号S2的频率调整提供给定时触发器16的电流I1’，以控制脉宽调变信号S2的频率。定频控制电路24包括误差电流产生器26根据脉宽调变信号S2的频率产生误差电流I2，以及加法器28结合第一电流I1及误差电流I2而产生电流I1’给定时触发器16。在误差电流产生器26中，频率电流转换器30将脉宽调变信号S2的频率转换为第二电流I3，电流产生器32提供参考电流Iref，减法器34将参考电流Iref减去第二电流I3产生差值电流Id，电流放大器36放大差值电流Id产生误差电流I2。电流放大器36可以用电流镜实现。经过误差电流I2的调整，例如图3所示，定时触发器16产生的固定开启时间Ton或固定关闭时间Toff将受到调整，脉宽调变信号S2的频率因而稳定在参考电流Iref决定的目标频率。藉由调整参考电流Iref可以准确地调整脉宽调变信号S2的频率，而且误差电流产生器26是直接从脉宽调变信号S2的频率产生误差电流I2，故电路较简单。

在图5的实施例中，误差电流产生器26采用数字电路实现。频率产生器38提供具有固定频率的频率信号clk，升降计数器40计算脉宽调变信号S2及频率信号clk之间的频率差值而产生计数值CNT，可程序电流源42根据计数值CNT决定误差电流I2。误差电流产生器26可以是供应误差电流I2给加法器28，或从加法器28抽取误差电流I2，因而调整供应给定时触发器16的电流I1’，脉宽调变信号S2的频率将稳定在频率信号clk的频率。由于误差电流产生器26是直接从脉宽调变信号S2的频率产生误差电流I2，故电路较简单。

图6为图5中可程序电流源42的实施例，其包括并联的电流源IB0、IB1及IB2以及开关SWB0、SWB1及SWB2各自与电流源IB0、IB1及IB2串联，计数值CNT包含位B0、B1及B2分别控制开关SWB0、SWB1及SWB2，因此计数值CNT决定开关SWB0、SWB1及SWB2的配置将决定共输出的电流源，因而决定误差电流I2。例如，当计数值CNT为“101”时，开关SWB0及SWB2闭路且开关SWB1开路，故误差电流I2等于IB0+IB2；当计数值CNT为“110”时，开关SWB1及SWB2闭路且开关SWB0开路，故误差电流I2等于IB1+IB2；其它依此类推。

图7为定频控制电路24的第三实施例，其中误差电流产生器26包括频率产生器38提供具有固定频率的频率信号clk，单击电路44受频率信号clk触发而产生脉冲信号SP1，电流镜46根据脉冲信号SP1产生与频率信号clk的频率相关的参考电流Iref，单击电路48受脉宽调变信号S2触发而产生脉冲信号SP2，电流镜50根据脉冲信号SP2产生与脉宽调变信号S2的频率相关的电流I3，电流镜46和50的输出端连接到加法器28的输入端52，因此加法器28将第一电流I1加上参考电流Iref与第二电流I3之间的差值电流I2而产生电流I1’。在电流镜46中，晶体管M1的汲极与闸极共点并经开关SW4耦接电流源I0，开关SW4受控于脉冲信号SP1，低通滤波器54耦接在晶体管M1的闸极与晶体管M2的闸极之间，晶体管M2的汲极连接输出端52，晶体管M1及M2的源极均连接电源，晶体管M2镜射晶体管M1的电流而产生参考电流Iref。在电流镜50中，晶体管M3的汲极与闸极共点并经开关SW5耦接电流源I0，开关SW5受控于脉冲信号SP2，低通滤波器56耦接在晶体管M3的闸极与晶体管M4的闸极之间，晶体管M4的汲极连接输出端52，晶体管M3及M4的源极均接地，晶体管M4镜射晶体管M3的电流而产生第二电流I3。

图8为脉宽调变信号S2的频率与负载电流IL的关系曲线。如曲线58所示，已知的固定开启时间脉宽调变电压转换器的频率与负载电流IL为非线性相关，经过本发明的定频控制电路26调整后，如曲线60所示，脉宽调变信号S2的频率维持在固定值。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

Claims (10)

1.一种脉宽调变的定频控制电路，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制电路包括：

频率电流转换器将所述脉宽调变信号的频率转换为第二电流；

电流产生器供应参考电流；

减法器连接所述频率电流转换器及电流产生器，将所述参考电流减去所述第二电流而产生差值电流；

电流放大器连接所述减法器，将所述差值电流放大为误差电流；以及

加法器连接所述电流放大器，将所述误差电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述参考电流决定的目标频率。

2.一种脉宽调变的定频控制电路，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制电路包括：

频率产生器，供应具有固定频率的频率信号；

升降计数器连接所述频率产生器，计算所述脉宽调变信号及频率信号之间的频率差值产生计数值；

可程序电流源连接所述升降计数器，根据所述计数值决定误差电流；以及

加法器连接所述可程序电流源，将所述误差电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述频率信号的频率。

3.如权利要求2所述的定频控制电路，其特征在于，所述可程序电流源包括多组串联的开关及电流源，所述多组串联的开关及电流源的输出连接在一起，每一所述开关受所述计数值中的一个位控制。

4.一种脉宽调变的定频控制电路，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制电路包括：

频率产生器，供应具有固定频率的频率信号；

第一单击电路连接所述频率产生器，受所述频率信号触发而产生第一脉冲信号；

第一电流镜连接所述第一单击电路，根据所述第一脉冲信号产生与所述频率信号的频率相关的参考电流；

第二单击电路受所述脉宽调变信号触发而产生第二脉冲信号；

第二电流镜连接所述第二单击电路，根据所述第二脉冲信号产生与所述脉宽调变信号的频率相关的第二电流；

加法器连接所述第一及第二电流镜，将所述参考电流与第二电流之间的差值电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述频率信号的频率。

5.如权利要求4所述的定频控制电路，其特征在于，所述第一电流镜包括：

电流源；

第一晶体管具有闸极与汲极连接在一起；

开关连接在所述电流源及第一晶体管的汲极之间，受控于所述第一脉冲信号；

第二晶体管具有汲极连接所述加法器，镜射所述第一晶体管的电流而产生所述参考电流；以及

低通滤波器连接在所述二晶体管的闸极之间。

6.如权利要求4所述的定频控制电路，其特征在于，所述第二电流镜包括：

电流源；

第一晶体管具有闸极与汲极连接在一起；

开关连接在所述电流源及第一晶体管的汲极之间，受控于所述第二脉冲信号；

第二晶体管具有汲极连接所述加法器，镜射所述第一晶体管的电流产生所述第二电流；以及

低通滤波器连接在所述二晶体管的闸极之间。

7.一种脉宽调变的定频控制方法，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制方法包括下列步骤：

将所述脉宽调变信号的频率转换为第二电流；

将所述第二电流减去参考电流而产生差值电流；

将所述差值电流放大为误差电流；以及

将所述误差电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述参考电流决定的目标频率。

8.一种脉宽调变的定频控制方法，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制方法包括下列步骤：

计算所述脉宽调变信号及频率信号之间的频率差值产生计数值；

根据所述计数值决定误差电流；以及

将所述误差电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述频率信号的频率。

9.如权利要求8所述的定频控制方法，其特征在于，所述根据所述计数值决定误差电流的步骤包括：

根据所述计数值决定多个开关的配置，所述多个开关各自与一电流源串联；

根据所述配置决定要产生电流的电流源；以及

将所有电流源产生的电流加总产生所述误差电流。

10.一种脉宽调变的定频控制方法，所述脉宽调变为触发脉宽调变信号的开启时间或关闭时间，以及根据第一电流以决定所述开启时间或关闭时间的宽度，其特征在于所述定频控制方法包括下列步骤：

藉频率信号触发第一脉冲信号；

根据所述第一脉冲信号产生与所述频率信号的频率相关的参考电流；

藉所述脉宽调变信号触发第二脉冲信号；

根据所述第二脉冲信号产生与所述脉宽调变信号的频率相关的第二电流；以及

将所述参考电流与第二电流之间的差值电流加入所述第一电流中，以调整所述开启时间或关闭时间的宽度，进而使所述脉宽调变信号的频率稳定在所述频率信号的频率。