发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种低静态电流的开关型调节器,通过计时电路控制功率级电路中的开关管的导通时间,并利用电流过零检测电路和输出电压检测电路实现功率级电路中的开关管的零电流导通及其对输出电压在一定的范围内的调节,以解决现有技术中要求电路结构简单,低生产成本与低静态工作电流之间无法同时满足的问题。
依据本发明一实施例的一种低静态电流的开关型调节器,其包括功率级电路,控制电路和驱动电路,其中所述控制电路包括:
一电流过零检测电路,接收功率级电路中开关结点电压信号,用以检测功率级电路中电感的电流过零点,并输出一过零信号;
一输出电压检测电路,其接收所述功率级电路的输出电压反馈信号,并将所述输出电压反馈信号分别与一输出电压上限阈值和一输出电压下限阈值进行比较以产生一使能控制信号;
当所述输出电压反馈信号从所述输出电压下限阈值上升至所述输出电压上限阈值的过程中,所述使能控制信号为有效状态;在输出电压反馈信号从所述输出电压上限阈值下降至所述输出电压下限阈值的过程中,所述使能控制信号为无效状态;
一计时电路,用以在所述功率级电路中开关管的导通时刻开始计时,并且在一设定的时间间隔后输出一计时信号;
一逻辑电路,接收所述过零信号,使能控制信号以及计时信号;
当所述使能控制信号有效,并且所述过零信号有效时,导通所述功率级电路中的开关管;
当所述计时信号有效时,关断所述功率级电路中的开关管;
在所述使能控制信号为无效状态时,保持所述功率级电路中开关管为关断状态;
所述驱动电路接收所述逻辑电路输出的控制信号,并根据所述控制信号产生相应的驱动信号,来驱动所述功率级电路中开关管的开关动作以在其输出端得到一恒定的电信号。
进一步的,所述开关型调节器进一步包括一上电启动电路,与所述控制电路连接,用以在上电初始时刻,保证所述功率级电路中开关管处于导通状态。
优选的,所述电流过零检测电路包括第一比较器,用以比较接收到的所述功率级电路中开关结点电压信号和第一基准电压,其输出信号作为所述过零信号。
优选的,所述输出电压检测电路包括一第二比较器,所述第二比较器为一滞回比较器,具有第二基准电压,其将所述输出电压反馈信号和第二基准电压相比较,其输出信号作为所述使能控制信号。
优选的,所述计时电路控制所述功率级电路的开关管的导通时间为恒定的,其包括第一开关管,由恒定电流源和第一电容组成的充电电路,第三比较器和第一单稳态触发器;其中
所述第一开关管接收所述逻辑电路输出的控制信号,以控制所述充电电路的充放电动作;
所述第三比较器将第一电容电压与一第三基准电压进行比较,其输出通过所述第一单稳态触发器后,作为所述计时信号输入至所述逻辑电路。
优选的,所述计时电路控制所述功率级电路中的开关管的导通时间随着所述功率级电路的输入电压和输出电压的变化而变化,用以提高所述功率级电路的带载能力;
其包括第二开关管,由一电压控制电流源和第二电容组成的充电电路,第四比较器和第二单稳态触发器;其中,
所述第二开关管接收所述逻辑电路输出的控制信号,以控制所述充电电路的充放电动作;
所述第四比较器将所述第二电容电压与一第三基准电压进行比较,其输出通过所述第二单稳态触发器后,作为所述计时信号输入至所述逻辑电路;
所述电压控制电流源的输入电压为所述功率级电路的输入电压和输出电压的差值,所述电压控制电流源的输出电流与其输入电压成比例关系,以此控制所述充电电路的充电时间,进而控制所述功率级电路中开关管的导通时间。
优选的,所述逻辑电路包括第一RS触发器,第二RS触发器、第三单稳态触发器和一与门;其中
所述与门的第一输入端接收所述过零信号,第二输入端接收所述使能控制信号,其输出信号通过所述第三单稳态触发器后,输入至所述第一RS触发器的S端和所述第二RS触发器的R端;
所述第一RS触发器的R端与所述第二RS触发器的S端连接,并接收所述计时信号,其输出信号控制所述功率级电路中的开关管的导通和关断;
所述第二RS触发器的输出信号用以控制所述计时电路在所述功率级电路中开关管开通时开始计时工作,在其关断时停止计时。
优选的,所述功率级电路的拓扑结构为非隔离型同步降压调节器、非隔离型非同步降压调节器、非隔离型升降压调节器、非隔离型升压调节器或隔离型升降压调节器。
依据本发明的实施例,电流过零检测电路通过检测功率级电路中开关结点电压以判断电感电流是否过零,而其他部分的电路结构也比较简单,因而控制电路需要的元器件较少,易于实现,且控制逻辑简单,在实现低静态电流的同时,减小了其芯片面积,更适合单芯片的集成并降低了生产成本。
另外,依据本发明的实施例适用于非隔离型同步降压调节器、非隔离型非同步降压调节器、非隔离型升压调节器、非隔离型升降压调节器、隔离型降压调节器、或隔离型升降压调节器等多种功率级电路。通过下文优选实施例的具体描述,本发明的上述和其他优点更显而易见。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述,但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解,在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节,而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图1,所示为依据本发明的开关型调节器的第一实施例的原理框图;其中功率级电路的拓扑结构为非隔离型非同步降压调节器,控制电路包括电流过零检测电路101,计时电路102,输出电压检测电路103和逻辑电路104。
所述电流过零检测电路101,接收功率级电路中开关结点电压信号,用以检测其功率级电路中电感L的电流过零点,并输出一过零信号;
所述计时电路102,用以在所述功率级电路中开关管SW的导通时刻开始计时,并在一设定的导通时间后,输出一计时信号;
所述输出电压检测电路103,其接收所述功率级电路的输出电压反馈信号Vfb,并将所述输出电压反馈信号Vfb分别与一输出电压上限阈值VH和一输出电压下限阈值VL进行比较以产生一使能控制信号;
所述逻辑电路104,接收所述过零信号,计时信号以及使能控制信号,并据此输出控制信号控制所述开关管SW的开关动作。
本实施例中的控制电路其工作过程如下:在所述开关管SW导通后,所述电感L的电流开始上升,所述计时电路102同时开始计时。在计时到一定时间后,所述计时电路102输出所述计时信号至所述逻辑电路104,经过所述逻辑电路104的逻辑运算后,通过驱动电路关断所述开关管SW。
所述开关管SW关断后,所述电感L开始续流,流过其的电流开始下降。所述电流过零检测电路101在检测到流过所述电感L的电流过零时输出所述过零信号至所述逻辑电路104。
在所述输出电压反馈信号Vfb从所述输出电压下限阈值VL上升至所述输出电压上限阈值VH的过程中,所述输出电压检测电路103输出的所述使能控制信号为有效状态;在所述输出电压反馈信号Vfb从所述输出电压上限阈值VH下降至所述输出电压下限阈值VL的过程中,所述输出电压检测电路103输出的所述使能控制信号为无效状态。
所述逻辑电路104根据接收到的所述过零信号和使能控制信号,进行逻辑运算,在所述使能控制信号和过零信号均为有效状态时,控制所述开关管SW的重新开通,所述计时电路102同时重新计时;在所述使能控制信号为无效状态时,保持所述开关管SW始终关断。
所述驱动电路接收所述逻辑电路输出的控制信号,并根据所述控制信号产生相应的驱动信号,来驱动所述功率级电路中开关管的开关动作以在其输出端得到一恒定的电信号。
参考图2,所示为依据本发明的开关型调节器的第二实施例的原理框图;仍以功率级电路的拓扑结构为非隔离型非同步降压调节器为例,具体描述了电流过零检测电路101,计时电路102,输出电压检测电路103和逻辑电路104的一种实现方法。
所述电流过零检测电路101包括第一比较器CMP1,所述第一比较器CMP1的同相输入端接收功率级电路中开关结点电压信号,其反相输入端接收第一基准电压Vref1,其输出信号为所述过零信号。
所述计时电路102包括第一开关管S1,由恒定电流源ICHG和电容CTON组成的充电电路,具有第三基准电压Vref3的第三比较器CMP3和第一单稳态触发器OS-1;其中:
所述第一开关管S1接收所述逻辑电路104输出的控制信号,以控制所述充电电路的充放电动作;
所述第三比较器CMP3将所述电容CTON的电压与所述第三基准电压Vref3进行比较,其输出通过所述第一单稳态触发器OS-1后,作为所述计时信号输入至所述逻辑电路104;
所述第一单稳态触发器OS-1为一正边沿单稳态触发器。
所述输出电压检测电路103包括第二比较器CMP2,所述第二比较器CMP2为一滞回比较器,具有第二基准电压Vref2,其同相输入端接收所述第二基准电压Vref2,反相输入端接收所述输出电压反馈信号Vfb,其输出信号作为所述使能控制信号,其中所述第二基准电压Vref2大于所述输出电压下限阈值VL并小于所述输出电压上限阈值VH。
所述逻辑电路104包括第一RS触发器201,第二RS触发器202、与门203和第三单稳态触发器OS-3;其中
所述与门203的第一输入端与所述第一比较器CMP1的输出端连接,接收所述过零信号,第二输入端与所述第二比较器CMP2的输出端连接,接收所述使能控制信号,其输出信号通过所述第三单稳态触发器OS-3后,输入至所述第一RS触发器201的S端和所述第二RS触发器202的R端;
所述第一RS触发器201的R端与所述第二RS触发器202的S端连接,并连接至所述第一单稳态触发器OS-1的输出端,接收所述计时信号,其Q端的输出信号与驱动电路连接,用以控制所述开关管SW的开关动作;
所述第二RS触发器202的输出端Q连接至所述第一开关管S1的控制端,用以控制其开关动作;
所述第三单稳态触发器OS-3为一正边沿单稳态触发器。
以下以高电平使能逻辑为例,并结合图3所示的图2所示实施例的工作波形图,详细说明其工作原理,其中图3中VG代表所述开关管SW的控制信号。
在所述开关管SW导通的同时,所述第一开关管S1关断。电感电流iL由零开始逐渐上升,同时,所述恒定电流源ICHG也开始向所述电容CTON充电。所述第三比较器CMP3的同相输入端接收所述电容CTON的电压信号,反相输入端接收第三基准电压Vref3,因此在经过充电时间TON后,所述第三比较器CMP3通过所述第一单稳态触发器OS-1输出一高电平脉冲的计时信号。其中,所述充电时间TON为一恒值,且由下式决定:
所述第一RS触发器201的R端接收所述计时信号,其Q端输出一低电平信号通过所述驱动电路关断所述开关管SW,所述电感电流iL开始下降;同时,所述第二RS触发器202的S端接收所述计时信号,其Q端输出一高电平信号控制所述第一开关管S1导通,所述恒定电流源ICHG停止充电,计时结束。
所述第一比较器CMP1的同相输入端接收功率级电路中开关结点电压信号,并与所述第一基准电压Vref1相比较,当所述电感电流iL下降至过零点时,所述第一比较器CMP1输出一高电平脉冲的过零信号。
因此在电路刚刚开始工作时,所述第二比较器CMP2接收的所述输出电压反馈信号Vfb小于所述输出电压上限阈值VH,因此使能控制信号为高电平有效状态,当所述与门203接收到所述过零信号时,所述与门203输出一高电平至所述第一RS触发器201的S端和第二RS触发器的R端;所述第一RS触发器201的Q端输出一高电平信号控制所述开关管SW重新导通,同时,所述第二RS触发器202的Q端输出一低电平信号从而关断所述第一开关管S1,计时重新开始。
如此反复,在所述输出电压反馈信号Vfb逐渐增大至所述第二基准电压Vref2并继续上升至所述输出电压上限阈值VH的过程中,其输出的所述使能控制信号为高电平有效状态;因此上述过程一直重复直至所述输出电压反馈信号Vfb上升至所述输出电压上限阈值VH时,所述第二比较器CMP2输出的所述使能控制信号开始为一低电平信号,则与门203的输出保持为低电平,则所述第一RS触发器201的输出保持为低电平,因此所述开关管SW保持关断状态,因此所述输出电压反馈Vfb开始下降,其下降至所述第二基准电压Vref2并继续下降至所述输出电压下限阈值VL的过程中,第二比较器CMP2输出的使能控制信号保持为低电平。
当所述输出电压反馈Vfb下降至所述输出电压下限阈值VL时,所述使能控制信号才重新变为为一高电平,当所述与门203接收到所述过零信号时,其输出高电平信号至第一RS触发器201的S端控制所述SW导通,所述输出电压反馈信号Vfb再次缓慢上升,由此可以控制所述功率级电路的输出电压Vout在一定的范围内变化。
可见,采用图2所示的依据本发明的开关型调节器,通过计时电路控制功率级电路中的开关管的导通时间保持恒定,而利用电流过零检测电路和输出电压检测电路实现功率级电路中的开关管的零电流导通并调节功率级电路的输出电压在一定的范围内,其电路的结构以及控制逻辑简单易行,实现了电路的低静态电流。
参考图4,所示为依据本发明的开关型调节器的第三实施例的原理框图;其在图2所示的实施例的基础上增加了一上电启动电路401和一或门402。所述或门402的第一输入端接收所述上电启动电路401的输出信号,其第二输入端接收所述第三单稳态触发器OS-3的输出信号。
在电路上电的初始时刻或掉电重启时,所述上电启动电路401输出一高电平脉冲信号至所述或门402的第一输入端,所述或门402输出一高电平信号至所述第一RS触发器201的S端,从而控制所述开关管SW开始导通。同时,由于所述第一开关管S1初始为关断状态,计时电路开始计时,所述控制电路开始工作,其电路结构,工作过程及工作原理与图2所示实施例类似,在此不再赘述。
在以上实施例中,通过对电感电流的过零检测,使电路工作在临界导通状态,而对功率级电路中开关管的导通时间的恒定控制,实现了对电路中输入电流的限制。由于功率级电路的输出电流平均值
与电感电流峰值I
pk的关系由下式所示:
其中Vin,Vout分别为功率级电路的输入电压和输出电压。
由式(2)可以,当输入电压V
in变大时,电感电流峰值I
pk随之增大,输出电流平均值
也随之增大,功率级电路的带载能力变强,反之亦然,因此在输入电压变化的条件下,电路的带载能力不同。在图5所示的实施例中,采用对功率级电路中开关管的导通时间作输入电压前馈补偿控制解决这一问题。
参考图5,所示为依据本发明的开关型调节器的第四实施例的原理框图。其中,所述计时电路501的电路结构与图2所示实施例中计时电路102的结构类似,但不同之处在于,充电电路中的电流源并不是一恒定电流源,而包括电压控制电流源502,其输出电流I′CHG与其输入电压成一定的比例关系,其比例系数为K。当所述电压控制电流源502的输入电压为功率级电路的输入电压Vin与输出电压Vout的差值时,其输出的充电电流I′CHG可以由下式表示:
I′CHG=K(Vin-Vout) (3)
将式(1)、式(3)代入式(2)中,可推导出如下公式:
由式(4)可以看出,通过功率级电路的输入电压的前馈补偿以控制所述计时电路501的充电电流的大小,继而控制所述功率级电路的开关管SW的导通时间随之变化,能够保证功率级电路的输出电流平均值
为一定值,达到在功率级电路的输入电压变化的条件下电路具有相同的带载能力的技术效果。
但在实际应用过程中,尤其在控制电路采用集成芯片时,其FB引脚一般不直接引入功率级电路的输出电压Vout作为输出电压反馈信号Vfb,而是采用如图5所示的电阻R1,R2组成的分压电路对功率级电路的输出电压Vout进行分压处理后,再反馈至FB引脚,并相应地调节所述第二基准电压的数值。由此带来的问题是:当FB引脚的电压输入至所述电压控制电流源502的输入端时,并不是我们所需的功率级电路的输出电压Vout,而是有一定比例的缩小。为此,在图5所述实施例中,将图示中LX点的电压VLX经过电阻Rf电容Cf组成的滤波电路的滤波后得到其电压平均值VLX-ANG,近似为所述功率级电路的输出电压Vout。而整个控制电路其他部分的电路结构,工作过程及工作原理与图2所示实施例类似,在此不再赘述。
在此需要说明的是,所述滤波电路也可以采用电感和电容组成的二阶LC滤波电路以及其他任何形式的能实现滤波功能的电路结构,本实施例中的形式仅为其中较典型的一种。而当功率级电路的输出电压不经过分压处理直接作为反馈信号时,可将其直接引入或经过所述滤波电路引入至所述电压控制电流源502的输入端,都能够达到同样的技术效果。
可见,采用图5所示的依据本发明的开关型调节器,通过简单的控制逻辑和电路结构实现了低静态电流控制电路的同时,采用对功率级电路中开关管的导通时间作输入电压前馈补偿控制的方法,达到了功率电路的输入电压变化的条件下电路具有相同的带载能力的技术效果。
参见图6,所示为依据本发明的开关型调节器的第五实施例的原理框图;其功率级电路的拓扑结构为隔离型升降压调节器,其中,所述第一比较器CMP1的同相输入端接收所述第一基准电压Vref1,其反相输入端接收功率级电路中开关结点电压信号,其输出信号为所述过零信号。
功率级电路的输出电压Vout通过一含光耦的反馈电路后,得到功率级电路的输出电压反馈信号Vfb,其中的电阻Rf1和Rf2起到限流作用。
第二比较器CMP2,其反相输入端接收所述第二基准电压Vref2,同相输入端接收功率级电路的输出电压反馈信号Vfb,其输出信号作为所述使能控制信号。
其他部分的电路结构和工作原理与图2所示实施例相同,在此不再赘述。
参考图7,所示为依据本发明的开关型调节器的第六实施例的原理框图,其功率级电路的拓扑结构为非隔离型同步降压调节器,其控制电路701产生的控制信号通过驱动电路控制所述功率级电路中开关管SW1和SW2的开关动作。
参考图8,所示为依据本发明的开关型调节器的第七实施例的原理框图;其功率级电路的拓扑结构为非隔离型升降压调节器,其控制电路801产生的控制信号通过驱动电路控制所述功率级电路中开关管SW3的开关动作。
参考图9,所示为依据本发明的开关型调节器的第八实施例的原理框图;其功率级电路的拓扑结构为非隔离型升压调节器。其控制电路901产生的控制信号通过驱动电路控制所述功率级电路中开关管SW4的开关动作。
依据本发明的低静态电流的开关型调节器,其拓扑结构为非隔离型非同步降压调节器和隔离型升降压调节器的实施例如图2和图6所示,而图7,8,9所示的实施例中,其控制电路701,801,901的电路结构和工作原理与图2所示实施例相同,在此不再赘述。
另外,根据本发明的教导可知,依据本发明实现的开关型调节器中,其功率级电路的拓扑结构并不限于说明书中所列举,还包括依据本发明的控制电路所能控制的功率级电路的其他拓扑形式,其整个开关型调节器均在本发明的保护范围之内。
依照本发明的实施例如上文所述,这些实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然,根据以上描述,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。