CN102468752A - 具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路，包括，一能量传输电路、一输出电压检测电路、一电压比较器、一跳频时钟、一触发器连接、一开关电流检测电路、一电流比较器以及一用于控制所述能量传输电路的开关，其中，该开关每闭合一次，一最大参考补偿信号与一参考信号通过一求和电路进行一次相加，且所产生的求和信号为电压比较器的与检测信号比较的第一参考电压；参考信号为未考虑线缆电阻时的电压比较器的原始参考电压，最大参考补偿信号为一根据线缆电阻上的电压进行补偿的电压信号；解决了现有的开关电源电路由于输出的线缆电阻的分压作用，造成的电路的实际负载端的电压不稳定，以及负载电压不足的问题。

Description

具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路

技术领域

本发明涉及一种开关电源电路，尤其涉及一种具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路。

背景技术

图1为现有的开关电源输出线缆电压降产生的原理图，如图1所示，在开关电源电路中，其反馈控制电路是从开关电源1的功率输出端，即输出电容2两端采集的输出反馈信号，所以能够很好的保证输出电容2两端的电压值Vo不随负载电流而变化。图2为现有的开关电源存在输出线缆电阻3时的输出I/V曲线图，如图1以及图2所示，在实际应用中，实际负载4和输出电容2之间会有较长的线缆存在，线缆电阻3会有几百毫欧。因为线缆电阻3的存在，不同的负载电流Io情况下，负载电阻4上实际得到的电压Vload是输出电压Vo减去线缆电阻3上的压降。负载电流越大，线缆电阻3上的电压降就越大，最终得到的输出电压Vload就越小。由于电缆电阻3的分压作用，会造成开关电源电路的实际负载4的电压Vload不稳定，以及实际负载4的电压Vload不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路，用以解决现有的开关电源电路由于输出的线缆电阻的分压作用，造成的电路的实际负载端的电压不稳定，以及负载电压不足的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路，包括，一能量传输电路的输出端连接一输出电压检测电路，该输出电压检测电路连接一电压比较器，该电压比较器的输出端连接一跳频时钟，该跳频时钟的输出端与一触发器连接，一功率开关电流检测电路连接一用于将检测电流和参考电流进行比较的电流比较器，该电流比较器的输出端与所述触发器连接，该触发器用于向一用于控制所述能量传输电路的开关提供闭合信号，其中，一最大参考补偿信号与一参考信号通过一求和电路相加，所产生的求和信号为所述电压比较器的与检测信号比较的第一参考电压；所述跳频时钟能够产生一工作使能信号，用于控制所述最大参考补偿信号；所述参考信号为未考虑线缆电阻时的电压比较器的原始参考电压，最大参考补偿信号为一根据线缆电阻上的电压进行补偿的电压信号。

如上所述的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电压补偿电路，其中，在输出电流为最大条件下，所述线缆电阻上的电压进行补偿的电压信号为：                                               

，

为线缆上需要补偿的电压，

为负载电压，

为所述最大参考补偿信号，

为所述原始参考电压。

如上所述的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电压补偿电路，其中，所述工作使能信号通过一乘积电路控制所述最大参考补偿信号。

如上所述的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电压补偿电路，其中，在一个时钟周期内，如果所述开关获得所述闭合信号，则所述工作使能信号在该时钟周期内为高电平，否则，所述工作使能信号在该时钟周期内为低电平。

如上所述的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电压补偿电路，其中，还包括一用于产生所述最大参考补偿信号的线缆设定电路，包括：一运算放大器，其一输入端连接一第二参考电压；一线缆补偿设定电阻，其一端接地，另一端连接所述运算放大器的另一输入端；一NMOS管，其栅极与所述运算放大器的输出端相连，源极与所述线缆补偿设定电阻相连；一输出电阻，其能够获得NMOS管的输出电流，其两端电压即为所述最大参考补偿信号。

如上所述的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电压补偿电路，其中，所述线缆设定电路还包括一电流镜像电路，其输入端与所述NMOS管的漏极相连，用于将输入电流按比例N进行放大或缩小，并输出给所述输出电阻。

如上所述的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电压补偿电路，其中，所述乘法电路包括：一接地的滤波电容；一滤波电阻，其一端连接所述滤波电容，该端作为所述第一参考电压的输出端；一个逻辑非门，用于将工作使能信号进行反向；一受工作使能信号控制的第一传输开关，其一端连接电流镜像电路的输出端，另一端连接所述滤波电阻；一受工作使能逻辑非信号控制的第二传输开关，其一端连接所述输出电阻的低电位端，另一端连接所述滤波电阻。

如上所述的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电压补偿电路，其中，还包括一放大器，其一输入端连接所述原始参考电压，另一输入端与输出端均与所述输出电阻的低点位端连接。

如上所述的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电压补偿电路，其中，所述最大参考补偿信号为：

，

为所述最大参考补偿电压信号，

为所述第二参考电压，

为线缆补偿设定电阻，其与线缆电阻成比例， N为电流镜电流放大比例。

如上所述的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电压补偿电路，其中，

，

，

为所述原始参考电压，

为最大线缆补偿电压百分比，

为线缆上需要补偿的电压，

为负载电压，R1为芯片内部电流镜输出电阻。

综上所述，本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路，通过对比较器参考电压进行电压补偿，并由跳频时钟对该补偿的电压进行控制，解决了现有的开关电源电路由于输出的线缆电阻的分压作用，造成的电路的实际负载端的电压不稳定，以及负载电压不足的问题。

附图说明

图1为现有的开关电源输出线缆电压降产生的原理图；

图2为现有的开关电源存在输出线缆电阻时的输出I/V曲线图；

    图3为无输出线缆补偿的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电路框图；

图4为本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路框图；

图5为跳频信号、工作使能信号和时钟信号之间的关系图；

图6为本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路的输出I/V曲线图；

图7为本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路的一实施例的电路框图。

具体实施方式

图3为无输出线缆补偿的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电路框图，如图3所示，该脉冲频率调制控制的开关电源输出的电路，包括：一能量传输电路101，其输出端103连接一滤波电容102，一输出电压检测电路110，其检测滤波电容102两端的电压，该电压未经输出线缆上的线缆电阻104分压，输出电压检测电路110连接一电压比较器108，该电压比较器108的输出端连接一跳频时钟113，该跳频时钟113的输出端与一D触发器109的跳频信号输入端口连接，一开关电流检测电路127，其连接能量传输电路101，以检测能量传输电路101的电流，开关检测电路127连接一用于将检测电流和参考电流进行比较的电流比较器118，该电流比较器118的输出端与D触发器109连接，D触发器109的信号输出端连接一功率管驱动模块107，功率管驱动模块107控制功率开关106闭合。

为了实现对该电路的输出电阻上的压降进行补偿，需要在该电路上进一步增加一补偿电路，其原理如下所述：

固定峰值的脉冲频率调制控制的开关电源输出的电路工作在离散电流模式，所以最大输出功率为：

                                     （1）

其中Ipeak是固定峰值电流，L是用于能量传递的电感量，

是电路的功率开关106的平均开关频率，η表示电路的能量传输效率。假如电路以最大开关频率工作，则根据公式（1）可以计算得到最大输出功率。从公式（1）中我们看到输出功率和功率开关106的开关频率成正比，假如电路的输出电压确定，则电源的输出电流和功率开关106的开关频率成正比。所以可以利用输出电流和开关频率成正比的关系来补偿输出线缆上的电压降。

ΔVref为最大输出电流情况下，参考电压需要补偿的量。最大输出电流Io_max满足表达式：

 （2）

在最大输出电流的情况下，线缆上需要补偿的电压量为：

                                       （3）

则ΔVref满足表达式：

                                             （4）

即所述线缆电阻上的电压进行补偿的电压信号为：

其中Vref0为无线缆电阻时，负载上的电压为

时的参考电压，

为线缆电阻，

为负载电压。

在表达式（2）中，一般线缆上的电压降

·和负载电压

相差1个数量级以上，则正常工作时的开关频率和输出电流、电压之间的关系满足表达式：

                           （5）

其中

为功率管的开关频率平均值。从表达式（5）中，可以看到在

和Ipeak固定的情况下，输出电流I_O和功率管的开关频率平均值

成正比。从表达式（3）中可以得知线缆上的电压补偿量和输出电流成正比。这样可以通过产生一个和开关频率平均值成正比的参考电压补偿量来补偿输出反馈参考电压。具体实现电路如下：

图4为本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路框图，参考图3和图4，为了对输出线缆上的压降进行补偿，本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路包括：一最大参考补偿信号ΔVref与一参考信号205通过一求和电路204相加，参考信号205为未考虑线缆电阻时的电压比较器108的原始参考电压，所产生的求和信号为电压比较器108的与检测信号比较的第一参考电压Vref4，即其为经过和开关频率平均值成正比的参考电压补偿的参考电压；可以控制最大参考补偿信号ΔVref，功率开关106每闭合一次，将最大参考补偿信号ΔVref输出并与参考信号205相加，其中，最大参考补偿信号ΔVref为一根据线缆电阻104上的电压进行补偿的电压信号或电流信号，当最大参考补偿信号ΔVref为电流信号时，需要在求和电路中接入电阻，使之成为一电压信号。

其中，如图4所示，上述电路的一种较优实施方式可以为，通过跳频时钟113产生一工作使能信号，工作使能信号通过一乘积电路202控制所述最大参考补偿信号ΔVref，也就是当工作使能信号为0时，最大参考信号ΔVref与工作使能信号经过乘积电路202所输出的乘积信号为0，否则，最大参考信号ΔVref与工作使能信号经过乘积电路202所输出的乘积信号非0。图5为跳频信号、工作使能信号和时钟信号之间的关系图，如图5所示，如果一个时钟周期内，跳频信号和时钟信号均输出一个高电平，则工作使能信号在该时钟周期内保持高电平，也就是，在一个时钟周期内，如功率管驱动模块107控制功率开关106闭合，则工作使能信号在该时钟周期内为高电平，否则，所述工作使能信号在该时钟周期内为低电平。

图6为本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路的输出I/V曲线图，如图6所示，通过本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路，最终负载端的电压Vload和Vo随输出电流Io变化的曲线，亦表明在有输出线缆电阻的情况下，负载端的电压不会随着负载电流的变化而变化，实现了负载端的真正恒定电压。

图7为本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路的一实施例的电路框图，在上述实施例的基础上，本实施例进一步列举了一种能够实现上述的最大参考补偿信号ΔVref，和跳频控制信号的乘积电路202，以及乘积信号206和无线缆补偿时的参考信号205的求和电路204的电路结构：

如图4及图7所示，其包括一用于产生最大参考补偿信号ΔVref的线缆设定电路，包括：一运算放大器301，其正向输入端连接一第二参考电压314，其反向输入端连接一线缆补偿设定电阻303，线缆电阻303的一端接地，运算放大器301的输出端连接一NMOS管315的栅极，NMOS管315的源极与运算放大器301的反向输入端相连，一输出电阻305，其通过电流镜像电路302与NMOS管315的漏极相连，其两端电压即为所述最大参考补偿信号ΔVref。其中电流镜像电路302，其输入端与NMOS管315的漏极相连，以将输入电流镜像电路302的电流按比例N进行放大或缩小，并输出给输出电阻305。

结合图4及图7所示，乘法电路202包括：一接地的滤波电容313与一滤波电阻312相连，该连接端作为第一参考电压Vref4的输出端与电压比较器108的一输入端连接，滤波电容313与一滤波电阻312作为第一参考电压Vref4的滤波电路；一第一传输开关308，其与跳频时钟113的工作使能信号输出端连接，并受工作使能信号控制，第一传输开关308一端连接电流镜像电路的输出端，另一端连接滤波电阻313；一个逻辑非门307，其与第一传输开关308并接在跳频时钟113的工作使能信号输出端，用于将工作使能信号进行反向，且逻辑非门307与一第二传输开关310连接，工作使能信号的逻辑非信号控制第二传输开关310，第二传输开关310的一端连接输出电阻305的低电位端，另一端连接滤波电阻312。

其中，输出电阻305的低电位端还接入原始参考电压，以实现最大参考补偿信号ΔVref与原始参考电压的相加，其包括：一放大器311的正向输入端连接原始参考电压Vref3，反向输入端与其输出端连接，且均与输出电阻305的低电位端连接。

下面详述上述电路的实现原理和应用方式：

通过选取和输出端线缆电阻104成比例的线缆补偿设定电阻303，以及放大器301来产生和线缆电阻104相关的电流：，其中放大器301可以为电压电流转换放大器。此电流通过电流镜302，按比例N将电流进行放大或缩小。此调整后电流流入输出电阻305，输出电阻305的另外一端连接原始参考信号205的缓冲信号306。其中原始参考信号205为未进行线缆补偿时的参考信号。这样第一参考电压Vref4就是原始参考信号205和最大参考补偿信号ΔVref之和。第一传输开关308和第二传输开关310分别受跳频控制信号203以及跳频控制信号203的逻辑非信号309控制。在功率开关106开启的整个周期内最大参考信号304通过电阻312向电容313充电；而当功率开关106关断的整个周期内滤波电容313通过滤波电阻312向缓冲信号306放电。这样最终得到的信号Vref4平均电压就是和跳频控制信号203相关的参考量。此参考量反应了输出负载电流：当输出负载电流重时，开关跳频的比例少，这样得到的信号Vref4的平均电压高，接近于最大参考信号304的电压；当输出负载电流轻的时候，开关跳频的比例大，得到的信号Vref4的平均电压低，接近于无补偿时候的缓冲信号306。第一参考电压Vref4作为最终的反馈参考信号，这样最终得到的输出电压Vo就是和输出电流相关的量。

补偿电阻的选取需要通过以下步骤计算得到。在知道系统的峰值电流

，以及系统的最大开关频率，能量传输用电感量L，效率η，根据公式（6）计算最大输出功率。

                                      （6）

再结合要求得到的输出电压V_Load，通过方程式（7）计算最大输出电流I_{O_Max}。

                             （7）

得到最大输出电流I_{O_Max}后，通过公式（8）就能计算得到线缆上的最大压降V_{Calbe_Max}。

                                        （8）

得到线缆上的最大压降V_{Cable_Max}后，就能够根据公式（9）计算出最大线缆补偿电压百分比η_Cable。

                                        （9）

η_Cable值同时也是最大线缆补偿参考改变量和无线缆补偿时的参考量之间的比值。这样结合电流镜比例n，以及参考电压Vref5（314），参考电压Vref3（205），芯片内部电阻R1（119），根据公式（10）就能计算出线缆补偿设定电阻Rcrc的值。

综上所述，本发明具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路，通过在原参考电压中加入一补偿电压，以补偿在输出电流源的线缆缆上的压降，解决了现有的开关电源电路由于输出的线缆电阻的分压作用，造成的电路的实际负载端的电压不稳定，以及负载电压不足的问题。

Claims (10)

1.一种具有输出电压补偿的脉冲频率调制控制的开关电源电路，包括，一能量传输电路的输出端连接一输出电压检测电路，该输出电压检测电路连接一电压比较器，该电压比较器的输出端连接一跳频时钟，该跳频时钟的输出端与一触发器连接，一开关电流检测电路连接一用于将检测电流和参考电流进行比较的电流比较器，该电流比较器的输出端与所述触发器连接，该触发器用于向一用于控制所述能量传输电路的开关提供闭合信号，其特征在于，所述开关每闭合一次，一最大参考补偿信号与一参考信号通过一求和电路进行一次相加，且所产生的求和信号为所述电压比较器的与检测信号比较的第一参考电压；所述参考信号为未考虑线缆电阻时的电压比较器的原始参考电压，最大参考补偿信号为一根据线缆电阻上的电压进行补偿的电压信号或电流信号。

2.根据权利要求1所述的电压补偿电路，其特征在于，在输出电流为最大条件下，所述线缆电阻上的电压进行补偿的电压信号为：                                               ，

为线缆上需要补偿的电压，

为负载电压，

为所述最大参考补偿信号，

为所述原始参考电压。

3.根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述跳频时钟能够产生一工作使能信号，所述最大参考补偿信号先通过一乘积电路与工作使能信号进行乘积运算后，与所述参考信号相加。

4.根据权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，在一个时钟周期内，如果所述开关获得所述闭合信号，则所述工作使能信号在该时钟周期内为高电平，否则，所述工作使能信号在该时钟周期内为低电平。

5.根据权利要求4所述的开关电源电路，其特征在于，还包括一用于产生所述最大参考补偿信号的线缆设定电路，包括：

一运算放大器，其一输入端连接一第二参考电压；

一线缆补偿设定电阻，其一端接地，另一端连接所述运算放大器的另一输入端；

一NMOS管，其栅极与所述运算放大器的输出端相连，源极与所述线缆补偿设定电阻相连；

一输出电阻，其能够获得NMOS管的输出电流，其两端电压即为所述最大参考补偿信号。

6.根据权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，所述线缆设定电路还包括一电流镜像电路，其输入端与所述NMOS管的漏极相连，用于将输入电流按比例N进行放大或缩小，并输出给所述输出电阻。

7.根据权利要求6所述的开关电源电路，其特征在于，所述乘法电路包括：

一接地的滤波电容；

一滤波电阻，其一端连接所述滤波电容，该端作为所述第一参考电压的输出端；

一个逻辑非门，用于将工作使能信号进行反向；

一受工作使能信号控制的第一传输开关，其一端连接电流镜像电路的输出端，另一端连接所述滤波电阻；

一受工作使能逻辑非信号控制的第二传输开关，其一端连接所述输出电阻的低电位端，另一端连接所述滤波电阻。

8.根据权利要求5或6或7所述的开关电源电路，其特征在于，还包括一放大器，其一输入端连接所述原始参考电压，另一输入端与输出端均与所述输出电阻的低点位端连接。

9.根据权利要求6所述的开关电源电路，其特征在于，所述最大参考补偿信号为：

，

为所述最大参考补偿信号，

为所述第二参考电压，

为线缆补偿设定电阻，其与线缆电阻成比例，N为电流镜电流放大比例。

10.根据权利要求8所述的开关电源电路，其特征在于，线缆补偿设定电阻为：

，

，

为所述原始参考电压，

为最大线缆补偿电压百分比，

为线缆上需要补偿的电压，

为负载电压，，R1为电流镜像电路输出电阻。

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