CN102324842B

CN102324842B - 一种具有最大占空比限制的开关电源控制器

Info

Publication number: CN102324842B
Application number: CN2011102713372A
Authority: CN
Inventors: 胡杰; 王骞
Original assignee: Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Current assignee: Shenzhen Academy of Aerospace Technology
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: CN102324842A

Abstract

本发明适用于电子电路领域，提供了一种具有最大占空比限制的开关电源控制器，所述控制器包括：三角波发生电路，用于产生方波；以及最大占空比限制电路，利用上述三角波电路产生的方波实现最大占空比限制，并且其时序满足脉宽调制的要求，此最大占空比限制电路并且具有补偿PWM发生器延时的功能，使最大占空比限制波形相对于PWM波形的低电平保持对称，避免大占空比时PWM波形中出现异常小脉冲。通过两个高精度恒流源对目标电容充放电实现三角波上升和下降斜率相等，并且恒定，得到高线性度的三角波；幅值调节电路使三角波的幅值和频率可分别独立调节。利用三角波发生器同时产生的方波实现开关电源控制中常用到的最大占空比限制功能。

Description

一种具有最大占空比限制的开关电源控制器

技术领域

本发明属于电子电路领域，尤其涉及一种具有最大占空比限制的开关电源控制器。

背景技术

脉冲宽度调制是当前开关电源控制中最常用的控制方法，其利用固定频率的三角波或锯齿波信号与误差运算结果信号进行比较产生PWM信号，通过驱动电路驱动开关电源中的高频开关管实现对电源的调制。相对锯齿波调制，三角波调制具有双边调制功能，控制精度提高，采用高线性度三角波调制，能实现对控制电路的精确建模。

在驱动为隔离变压器驱动的脉宽调制开关电源中，为了防止电源启动时驱动变压器饱和失效，需要对控制器的PWM信号进行占空比限制，确保驱动变压器正常工作。传统的最大占空比限制的方法有：

1.对误差放大器的输出用稳压管限幅，使其不超过三角波或锯齿波的峰值，但由于稳压管的稳压值不能自由连续调整，故最大占空比值不能随意调整，同时稳压管稳压值随着时间变化，随着其老化，稳压值可能超过三角波或锯齿波的峰值，或往反方向漂移，导致最大占空比限制功能失效；

2.闭环控制的方式实现最大占空比限制，控制器反馈最大占空比限制的输出，控制器的输出与三角波或锯齿波比较，实现对占空比平均值进行闭环控制，由于控制器的输出一般为波动的调整波形，对于要求最大占空比限制很高的场合，如99％，其控制器输出容易超出三角波或锯齿波的峰值导致占空比丢失。

由于PWM发生器的输出相对三角波有一定延时，在PWM发生器的输出占空比接近最大占空比限值时，这一延时会使PWM发生器的输出与最大占空比电路输出相位错开，导致最终控制器的输出波形出现异常，PWM波形中有异常的小脉冲出现。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例的目的在于提供一种开关电源脉宽调制控制器。

本发明实施例是这样实现的，一种具有最大占空比限制的开关电源控制器，所述控制器包括：

三角波发生电路，用于产生方波及三角波；以及

最大占空比限制电路，利用上述三角波电路产生的方波，实现最大占空比限制，并且其时序满足脉宽调制的要求。

进一步地，所述具有最大占空比限制的开关电源控制器还包括：

PWM发生器，其输入端分别与三角波发生电路、误差放大器相连，其输出端与逻辑与电路相连，所述最大占空比限制电路与所述逻辑与电路的输入端相连，所述逻辑与电路与驱动电路相连。

进一步地，所述三角波发生电路包括：第一电流镜电路以及与其相连的第二电流镜电路，所述第一电流镜电路包括：三极管Q201、三极管Q202、电阻R201、电阻R202、电阻R203，三极管Q201的射极与电阻R201的一端相连，其集电极与电阻R203的一端相连，其基极与所述三极管Q202的基极相连，所述三极管Q202的射极与电阻R202相连，所述三极管Q202的集电极与二极管D201、D202的输入端相连，所述电阻R201的另一端与电阻R202另一端连接后与第二电流镜电路相连，所述电阻R203的另一端接地；

所述第二电流镜电路包括：电源B201、电阻R205、R207、R206，三极管Q203、Q204，所述三极管Q203的集电极接电阻R205，其射极接电阻R207，其基极接三极管Q204的基极，三极管Q204的射极接电阻R206的一端，三极管Q204的集电极接电阻R204，所述电阻R205、R207接电源B201，所述电阻R206另一端接地；

所述电阻R204的另一端与D201的输出端相连并同时连接比较器U201的反相输入端及电容C201的一端，所述电容C201的另一端接地，所述比较器U201的同相输入端分别连接三极管Q205的射极、电阻R211以及电阻R212，电阻R212的另一端接地，电阻R211另一端分别与电阻R210、R208以及R202相连，所述电阻R210的另一端接三极管Q205的集电极，所述三极管Q205的基极连接电阻R209的一端，电阻R209的另一端连接R208的另一端以及U201、D202的输出端。

进一步地，所述三角波发生电路包括：

三极管Q501的射极与电阻R502的一端相连，其集电极分别与二极管D501、D502的输入端相连，其基极分别与电阻R501、R503的一端相连，所述电阻R503的另一端接地，二极管D501的输出端与电阻R505相连并同时连接比较器U501的反相输入端及电容C501的一端，所述电容C501的另一端接地，所述比较器U501的同相输入端分别连接三极管Q505的射极、电阻R511以及电阻R512，电阻R512的另一端接地，电阻R511另一端分别与电阻R510、R508、R502以及R501相连，所述电阻R510的另一端接三极管Q505的集电极，所述三极管Q505的基极连接电阻R509的一端，电阻R509的另一端连接R508的另一端以及U501、D502的输出端；

电阻R505的另一端接三极管Q502的集电极，三极管Q502的射极接电阻R507，其基极接电阻R504、R506的一端，电阻R504、R506的另一端接电源B501，所述电阻R506、R507的均接地。

进一步地，所述最大占空比限制电路包括：

大于1的奇数个串联的非门，最后一个非门的输出端与或门的一个输入端相连，或门的另一输入端连接到三角波发生电路的输出端，或门的输出端连接到与门的输入端，与门的另一输入端与PWM发生器相连。

进一步地，所述最大占空比限制电路包括：

与三角波发生电路的输出端相连的一个非门，所述非门的输出端连接了电阻R801，所述电阻R801的另一端分别连接了电容C801以及或门的一输入端，电容C801的另一端接地，或门的另一输入端接三角波发生电路的输出端，或门的输出端接与门的输入端，与门的另一输入端与PWM发生器相连。

进一步地，为了避免大占空比时PWM波形中出现异常小脉冲，所述最大占空比限制电路包括：

与三角波发生电路的输出端相连的一个第七非门(1107)，所述七非门(1107)的输出端分别连接了电阻R1102以及第三非门(1103)，所述第三非门(1103)的输出端连接电阻R1101，所述电阻R1101分别连接电容C1101以及第九非门(1109)，电容C1101的另一端接地，第九非门(1109)的输出端接或门(1105)的一个输入端，在所述电阻R1102两端并联了二极管D1101，所述电阻R1102还分别连接了电容C1102及第八非门(1108)，所述电容C1102的另一端接地，所述第八非门(1108)的输出端接或门(1105)的另一输入端，所述或门(1105)的输出端接与门(1106)的一个输入端，所述与门(1106)的另一个输入端接PWM发生器。

在本发明的实施例中，涉及到一种分立器件实现、三角波调制、具有最大占空比限制的开关电源控制电路，适用于对可靠性要求高的开关电源场合，如空间电源应用，该电路主要包括高线性度、幅值和频率可调的三角波发生器，以及最大占空比限制电路。通过两个高精度恒流源对目标电容充放电实现三角波上升和下降斜率相等，并且恒定，得到高线性度的三角波；幅值调节电路使三角波的幅值和频率可分别独立调节。利用三角波发生器同时产生的方波实现开关电源控制中常用到的最大占空比限制功能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具有最大占空比限制功能的脉宽调制控制器的结构框图；

图2是本发明实施例提供的三角波发生电路的电路图；

图3是本发明实施例提供的仿真电流波形图；

图4是图2中关键点的仿真波形图；

图5是本发明实施例提供的简化的三角波发生电路的电路图；

图6是图2或图5中的三角波发生器的结构图；

图7是本发明实施例提供的最大占空比限制电路的仿真波形图；

图8是本发明实施例提供的最大占空比限制电路中延时的另一种实现方式图；

图9为本发明实施例提供的最大占空比限制的电路图；

图10为本发明实施例提供的输出异常时的波形图；

图11为本发明实施例提供的改进的最大占空比限制电路的电路图；

图12为本发明实施例提供的采用改进最大占空比限制电路的脉宽调制控制器的整体实现图；

图13是本发明实施例提供的具有最大占空比限制的脉宽调制控制器的整体仿真波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于PWM发生器的输出相对三角波有一定延时，在PWM发生器的输出占空比接近最大占空比限值时，这一延时会使PWM发生器的输出与最大占空比电路输出相位错开，导致最终控制器的输出波形出现异常，PWM波形中有异常的小脉冲出现，故最大占空比限制电路需具有补偿PWM发生器延时的功能，使最大占空比限制波形相对于PWM波形的低电平保持对称，避免大占空比时PWM波形中出现异常小脉冲。

本发明涉及到一种脉宽调制开关电源控制电路，更具体地说涉及到开关电源控制电路中的一种采用分立器件实现的、高线性度、幅值、频率可调的三角波发生电路和最大占空比限制电路。

在空间级、汽车级等工作环境恶劣的条件下，对器件的可靠性要求高，开关电源集成控制芯片的质量等级有时满足不了应用要求，故需采用高质量等级的基础半导体器件，如三极管、二极管、比较器、运算放大器等组建开关电源的控制器。本发明基于此应用场合，采用分立器件实现高可靠的开关电源脉宽调制控制器。

本发明所涉及的最大占空比限制电路可以调节最大占空比限制电路输出波形的延时，以匹配PWM发生器的输出延时，使最大占空比限制电路输出波形与PWM发生器输出波形严格对称，消除异常小脉冲。同时本发明所涉及的最大占空比限制电路具有最大占空比值灵活连续可调的特点。

本发明所涉及到的脉宽调制控制电路主要包括图1中的频率和幅值可调、高线性度三角波发生电路和最大占空比限制电路，通过分立器件实现高可靠的电源控制器。

图1为具有最大占空比限制功能的脉宽调制控制器的实现框图，图1中的101为频率和幅值可调、线性度很好的三角波发生电路，通过恒流源充、放电，其输出三角波线性度高，并且上升和下降斜率一致性好，102为最大占空比限制电路，利用101输出的方波产生同频率脉宽可调的脉冲波，实现占空比限制，105为误差放大器，即电源的控制器，106为PWM发生器，其利用101产生的三角波与105的输出进行比较，产生脉冲波，实现脉宽调制，102和106的输出进行与逻辑，得到最终的PWM输出，并实现最大占空比限制，即即使106输出为恒高，103的输出等于102的输出，具有占空比限制。

图2示出了三角波发生电路的电路图，其中Q201和Q202为PNP型三极管，Q203和Q204为NPN型三极管，两组对管分别构成两个电流镜电路，为了实现更精确的电流控制，Q201和Q202、Q203和Q204需要一致性很好，三极管可以采用封装在一起的对管。电流镜电路201还包括电源B201、电阻R201、R202和R203，电流镜电路202还包括电源B201、电阻R205、R206和R207。二极管D201和D202为普通信号二极管。U201为比较器，实现三角波产生过程中的充放电管理。三极管Q205、电阻R208、R209、R210、R211和R212组成电平转换电路，控制三角波的幅值。电容C201是三角波发生电路的执行器，通过对电容的充、放电产生三角波。

本发明的说明书以图2电路为例说明三角波发生电路的原理，三角波的主要特征为电压呈直线上升和下降，并且上升和下降的斜率绝对值一致，也即对电容C201充放电的电流必须大小相等，方向相反，本发明利用两个电流镜电路产生电容C201的充、放电电流。根据电流镜的工作原理，通过电阻R205和R204的电流相等，则选择B201、电阻R205和电阻R207可以控制流过电阻R204的电流，设为I；同理通过电阻R201和R202的电流相等，选择电阻R201和电阻R203可以控制流过电阻R202的电流，设为2I，即为电流镜202的电流的2倍。电阻R204调整电阻中电压的分配，阻值为零时，三角波可利用的幅值最大。

电容C201充电到204的电压超过203电压时，比较器U201输出低，则电流镜201的电流2I通过二极管D202放电，电容C201以电流镜202的电流I放电，U201的输出为低，三极管Q205关断，203的电压降低到电阻R211和R212的分压；当电容C201放电到204的电压低于203的电压时，比较器U201输出高，二极管D202反向截止，电流镜201通过二极管D201给电容C201充电，充电电流为两个电流镜201和202的电流差，即I，与放电电流相等，同时比较器U201输出高电平，三极管Q205导通，203的电压增大到R210并联R211与R212的分压，其中需要考虑Q205的集射极导通压降。

调整电流镜201和202的电流以及电容C201的容值，可以调节三角波的上升和下降斜率；调整电阻R210、R211和R212的阻值，可以调节三角波的幅值。

图3示出了仿真电流波形，n_243为电流镜201的电流，即2I，n_15为电流镜202的电流，即I；n_238为电容C201的电压波形，即三角波输出，仿真证明三角波具有高线性度；n_394为电容C201的充放电波形。

图4为图2中关键点的仿真波形，n_238为204的电压波形，即最终的三角波输出，n_241为流过C201的电流波形，n_49为203的电压波形，n_46为205的电压波形，其为方波，频率与三角波频率相同。

图5为简化的三角波发生电路，将图2中的电流镜201和202简化为图5中的恒流源电路501和502，其三角波线性度相对图2有所降低，但足以满足在开关电源控制中的应用，电路减少三极管的使用，提高了电路集成度和可靠性，降低了成本。

图6中601为图2或图5中的三角波发生器，602为PWM发生器，产生脉宽调制信号，603为非门，将601中输出的方波信号取反，601的方波信号采样于图2中的205，604为偶数个非门串联，用来产生延时，605为或门，将延时后的方波信号与初始方波信号进行或逻辑，其输出即为具有最大占空比限制的脉冲波形，输出低电平的时长为604延时的时长，调整非门的个数即可调整延时的时长，606为与门，将具有占空比限制的脉冲波形与同频率的脉冲宽度调制波形进行与逻辑，得到最终的PWM波形输出，其最大占空比为605的输出，当608的占空比小于607的占空比时，最终输出612即为608。

图7为最大占空比限制电路的仿真波形，n_267为三角波发生器输出的方波，即图6中的609，n_259为经过取反、延时后的方波信号，即图6中的611，n_261为占空比受限的脉冲信号，即图6中的607，n_270为PWM发生器的输出，即图6中608所示的脉宽调制信号，最大为100%，即恒高电平，n_266为最终的控制器输出信号612。当PWM发生器输出信号608的占空比小于607的占空比时，最终输出612为608；当PWM发生器输出信号608的占空比大于607的占空比时，最终输出612为607，如图7所示。

图8为最大占空比限制电路中延时的另一种实现方式，用RC电路可灵活调节延时的长短，取代利用逻辑门的固有延时。

图9为利用上述技术实现的采用图9所示的电路进行最大占空比限制，在PWM发生器输出波形的占空比接近最大占空比时，由于PWM发生器中比较器固有的特性，自身具有延时，导致最终输出波形异常。

图10为输出异常时的波形，n_238为输出三角波，即902的波形，n_264为误差放大器的输出，即901的波形，n_281为PWM发生器的输出，即903的波形，n_261为最大占空比限制电路的输出，即904的波形，n_266为最终输出，可以看到由于n_281的延时，导致与n_261错开，最终输出异常。

开关电源脉宽调制控制器的整体实现框图，三角波发生电路中三角波和方波的时序满足最大占空比限制电路的时序要求，可以将两者结合起来实现开关电源的脉宽调制控制。

图11为改进的最大占空比限制电路，让三角波发生器产生的方波信号下降沿延时T1，T1延时的目的是补偿PWM发生器的延时，方波取反后的信号上升沿延时T2，（T2-T1）即为最大占空比限制输出波形1110的低电平宽度。下降沿延时电路中的二极管D1101用来消除上升沿的延时，避免由于RC延时电路输出的上升沿和下降沿速度不一致导致方波信号的占空比减小。缓冲器1107的作用是避免最大占空比限制电路影响三角波发生器的正常工作，缓冲器1108和缓冲器1109用来对延时后的方波信号整形。

图12为采用改进最大占空比限制电路的脉宽调制控制器的整体实现图。

图13为具有最大占空比限制的脉宽调制控制器的整体仿真波形图，n_264为1201的波形，即误差放大器的输出，n_432为1206的波形，即三角波发生器的输出，n_281为1203的波形，即PWM发生器的输出，n_261为1204的波形，即最大占空比限制电路的输出，n_278为1207的波形，n_438为1209的波形，相对1207的波形，其上升沿基本没有延时，下降沿被延时，n_438为1208的波形，相对1207的反向波形，其上升沿被延时，n_393为具有最大占空比限制的脉宽调制控制器的最终输出，即1205的波形，由于1204与1203的波形对称，故不会图10所示的异常现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有最大占空比限制的开关电源控制器，其特征在于，所述控制器包括：

三角波发生电路，用于产生三角波及方波，所述三角波发生电路包括：第一电流镜电路以及与其相连的第二电流镜电路；以及

最大占空比限制电路，用于利用所述三角波电路产生的方波实现最大占空比限制，并且其时序满足脉宽调制的要求；

PWM发生器，其输入端分别与三角波发生电路、误差放大器相连，其输出端与逻辑与电路相连，所述最大占空比限制电路与所述逻辑与电路的输入端相连，所述逻辑与电路与驱动电路相连；

所述第一电流镜电路包括：三极管Q201、三极管Q202、电阻R201、电阻R202、电阻R203，三极管Q201的发射极与电阻R201的一端相连，其集电极与电阻R203的一端相连，其基极与所述三极管Q202的基极相连，所述三极管Q202的发射极与电阻R202相连，所述三极管Q202的集电极与二极管D201、D202的输入端相连，所述电阻R201的另一端与电阻R202另一端连接后与第二电流镜电路相连，所述电阻R203的另一端接地；

所述第二电流镜电路包括：电源B201、电阻R205、R207、R206，三极管Q203、Q204，所述三极管Q203的集电极接电阻R205，其发射极接电阻R207，其基极接三极管Q204的基极，三极管Q204的发射极接电阻R206的一端，三极管Q204的集电极接电阻R204，所述电阻R205、R207接电源B201，所述电阻R206另一端接地；

所述电阻R204的另一端与D201的输出端相连并同时连接比较器U201的反相输入端及电容C201的一端，所述电容C201的另一端接地，所述比较器U201的同相输入端分别连接三极管Q205的射极、电阻R211以及电阻R212，电阻R212的另一端接地，电阻R211另一端分别与电阻R210、R208以及R202相连，所述电阻R210的另一端接三极管Q205的集电极，所述三极管Q205的基极连接电阻R209的一端，电阻R209的另一端连接R208的另一端以及比较器U201、二极管D202的输出端。

2.一种具有最大占空比限制的开关电源控制器，其特征在于，所述控制器包括：

所述三角波发生电路包括：

三极管Q501的发射极与电阻R502的一端相连，其集电极分别与二极管D501、D502的输入端相连，其基极分别与电阻R501、R503的一端相连，所述电阻R503的另一端接地，二极管D501的输出端与电阻R505相连并同时连接比较器U501的反相输入端及电容C501的一端，所述电容C501的另一端接地，所述比较器U501的同相输入端分别连接三极管Q505的发射极、电阻R511以及电阻R512，电阻R512的另一端接地，电阻R511另一端分别与电阻R510、R508、R502以及R501相连，所述电阻R510的另一端接三极管Q505的集电极，所述三极管Q505的基极连接电阻R509的一端，电阻R509的另一端连接R508的另一端以及比较器U501、二极管D502的输出端；

电阻R505的另一端接三极管Q502的集电极，三极管Q502的发射极接电阻R507，其基极接电阻R504、R506的一端，电阻R504、R506的另一端接电源B501，所述电阻R506、R507均接地。

3.根据权利要求1或2所述的具有最大占空比限制的开关电源控制器，其特征在于，所述最大占空比限制电路包括：

4.根据权利要求1或2所述的具有最大占空比限制的开关电源控制器，其特征在于，所述最大占空比限制电路包括：

5.根据权利要求1或2所述的具有最大占空比限制的开关电源控制器，其特征在于，所述最大占空比限制电路包括：

与三角波发生电路的输出端相连的一个第七非门（1107），所述第七非门（1107）的输出端分别连接了电阻R1102以及第三非门（1103），所述第三非门（1103）的输出端连接电阻R1101，所述电阻R1101分别连接电容C1101以及第九非门（1109），电容C1101的另一端接地，第九非门（1109）的输出端接或门1105的一个输入端，在所述电阻R1102两端并联了二极管D1101，所述电阻R1102还分别连接了电容C1102及第八非门（1108），所述电容C1102的另一端接地，所述第八非门（1108）的输出端接或门1105的另一输入端，所述或门1105的输出端接与门1106的一个输入端，所述与门1106的另一个输入端接PWM发生器。