CN102710238B

CN102710238B - 温度敏感度低的非线性压控振荡器及应用其的开关电源

Info

Publication number: CN102710238B
Application number: CN201210170704.4A
Authority: CN
Inventors: 高耿辉; 王利; 李铎
Original assignee: Fujian Fushun Microelectronics Co ltd; DALIAN LIANSHUN ELECTRONICS CO LTD; Unisonic Technologies Co Ltd
Current assignee: Xiamen unit is along microelectric technique company limited; Unisonic Technologies Co Ltd
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: CN102710238A

Abstract

本发明涉及一种温度敏感度低的非线性压控振荡器，其特征在于：由非线性压控振荡器和低温漂参考电压电流产生器依次电性连接组成；本发明另提供应用该温度敏感度低的非线性压控振荡器电路的开关电源。本发明能实现对开关频率的控制，应用于开关电源能有效提高开关电源效率，并且能有效降低该开关电源温度敏感度，降低应用的地域性限制，电路设计成本低，具有较好的使用价值。

Description

温度敏感度低的非线性压控振荡器及应用其的开关电源

技术领域

本发明涉及一种温度敏感度低的非线性压控振荡器及应用该振荡器的开关电源。

背景技术

广泛应用于消费类电子产品上的开关电源转换器通常包括两种形式：交流转直流（AC-DC）和直流到直流（DC-DC）。传统开关模电源转换器多工作于固定频率，不随负载变化，常常在轻载和待机时无法通过国际能源标准规范。

为提高开关电源转换器在轻载和待机时候的效率，达到国际能源标准要求，近期出现了采用线性压控振荡器降频技术，当负载降低时线性降低开关频率直至十几千赫兹。此方法能够解决上述问题，但带来了一种无法回避的可见噪声干扰，让人无法忍受。传统线性压振荡器降频开关电源如图1所示，图1描绘了一种基于传统频率调变技术的电源转换器10。一控制电路20藕接于一回授单元15，以产生一开关信号VSW，该开关信号调节电源转换器10的输出信号VO，该回授单元15藕接于电源转换器10的输出，以产生一回授信号VCTRL。其中该开关信号VSW是依照回授信号VCTRL而变化。一变压器TR1的一开关电流IS经由捡流电阻器RS被转换成电压信号VS。该信号VS被控制电路20接受且据此产生开关信号VSW。开关信号VSW依据控制电路20内部电路进行频率调变，负载变小时开关频率降低提高电源转换器10的轻载及待机效率。图中，控制电路20包括一线性压控振荡器、一脉宽调制器。该线性压控振荡器响应控制端CRTL的电压信号VCTRL，用以产生一频率调变的脉冲信号PLS1。该脉冲宽度调制器藕接至该线性压控振荡器，响应该脉冲信号PLS2、回授信号VCTRL及信号VS产生一频率调变的开关信号VSW，因此当负载降低时VCTRL降低，线性降低了脉冲信号PLS1，提高了电源转换器10的效率，从而在轻载或者待机时比较容易通过国际能源标准。但是从上述分析我们了解到通过线性降频技术，当极轻负载或者待机时频率降低到十几千赫兹，导致电源转换器10出现客户难以接受的可见噪声，因此，这种缺欠往往使应用此技术的优越性大打折扣。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种温度敏感度低的非线性压控振荡器电路，可应用于开关电源等，通过非线性频率调制来提高开关电源转换器的轻载和待机效率，同时具备无可见噪声以及较低温度敏感度的优越性。

本发明的目的是这样实现的：一种温度敏感度低的非线性压控振荡器，其特征在于：一种温度敏感度低的非线性压控振荡器，其特征在于：包括非线性压控振荡器和低温漂参考电压电流产生器；所述的非线性压控振荡器通过第一、二、三、四参考电压输入端以及第一参考电流输出端与该低温漂参考电压电流发生器相连接；所述的非线性压控振荡器由一第五电压控制端的电压信号控制；所述的非线性压控振荡器输出周期性脉冲逻辑控制信号。

在本发明一实施例中，所述的非线性压控振荡器包括第一开关管、第二开关管、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、充放电电容器、第一比较器、第二比较器、RS触发器、与非门、第三比较器以及压流转换器；所述的压流转换器把第五电压控制端的电压信号转换成电流信号，并经第一、二、三电流镜去控制充放电电容器所需的充放电电流大小；所述的第一、二开关管控制该充放电电容器的充放电，所述充放电电容器的输出端连接有第二比较器和第三比较器，所述的第二比较器和第三比较器的输出信号经RS触发器和与非门输出逻辑信号，该输出逻辑信号又控制着第一、二开关管的导通与关断；所述第五电压控制端的电压信号经第三比较器和与非门控制着该输出逻辑信号；所述的第三比较器为滞回比较器。

在本发明一实施例中，所述的压流转换器包括一对输入匹配晶体管以及依次连接的一对匹配电阻器。

在本发明一实施例中，所述的温度敏感度低的非线性压控振荡器集成于一集成块中。

本发明另一目的是提供一种应用上述温度敏感度低的非线性压控振荡器的开关电源，该电源能较好的提高开关电源轻载及待机的效率并且无可见噪声和低温度敏感性。

该目的采用以下方案实现：一种应用上述温度敏感度低的非线性压控振荡器电路的开关电源，包括变压器和一控制电路，其特征在于：所述控制电路藕接一设于变压器输出端的回授单元，以产生一开关信号调节所述变压器的脉冲宽度，所述的控制电路由所述温度敏感度低的非线性压控振荡器与脉宽调制器藕接组成。

在本发明一实施例中，所述的控制电路是一由所述温度敏感度低的非线性压控振荡器与脉宽调制器藕接组成的集成电路。

本发明采用温度敏感度低的非线性压控振荡器电路实现了提高轻载及待机效率、无可见噪声和低温度敏度性，在功效不变前提下，大大降低电路面积，电路简单，而且可设计成集成电路，成本低，具有较好的市场价值。

附图说明

图1是基于传统线性压控振荡器技术的电源转换器。

图2是本发明温度敏感度低的非线性压控振荡器电路的电路连接示意图。

图3是图2中温度敏感度低的非线性压控振荡器电路的振荡频率曲线图。

图4是基于温度敏感度低的非线性压控振荡器电路的电源转换器的电路原理示意框图。

主要组件符号说明：

20、300：控制电路

Q1：晶体管

TR1：变压器

D1：二极管

P1、N2：开关

A1~A3：比较器

M1~M4a：晶体管

15、104：回授单元

R_S、R₄、R_4a：电阻器

C1、CT：电容器

1000：温度敏感度低的非线性压控振荡器电路

2000：脉冲宽度调制器

CTRL：回授端

PLS1、CLK：脉冲信号

VCC：供电电压输入端

V_CC：供电电压

V_CT：周期电压三角波

SW：切换输出端

V_CTRL：回授电压

V_IN：输入电压

Vref1~Vref4：参考阈值电压

V_O：输出电压

V_S：检流电压

I_S：切换电流

I_CH：充电电流

I_DIS：放电电流

I₆、I₇、I₈：电流

V_SW：开关信号

f_Saving：待机频率

f_TYP：典型频率

f_vco:压控振荡器频率

V_b：降频截止电压

V_c：降频起始电压

Nonlinear VCO:非线性压控振荡器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例子对本发明做进一步描述。

本发明提供一种温度敏感度低的非线性压控振荡器电路，其特征在于：由非线性压控振荡器和低温漂参考电压电流产生器依次电性连接组成。具体的，参见图2，图2是本实施例子的温度敏感度低的非线性压控振荡器电路的电路连接示意图，图中，所述的非线性压控振荡器通过第一、二、三、四参考电压输入端以及第一参考电流输出端与低温漂参考电压电流发生器相连接；所述的非线性压控振荡器由第五电压控制端的电压信号控制；所述的非线性压控振荡器输出周期性脉冲逻辑控制信号；所述的非线性压控振荡器包括第一开关管、第二开关管、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、充放电电容器、第一比较器、第二比较器、RS触发器、与非门、第三比较器以及压流转换器；所述的压流转换器包括一对输入匹配晶体管以及依次连接的一对匹配电阻器；所述的压流转换器把第五电压控制端的电压信号转换成电流信号，并经第一、二、三电流镜去控制充放电电容器所需的充放电电流大小；所述的第一、二开关管控制该充放电电容器的充放电，所述充放电电容器的输出端连接有第二比较器和第三比较器，所述的第二比较器和第三比较器的输出信号经RS触发器和与非门输出逻辑信号，该输出逻辑信号又控制着第一、二开关管的导通与关断；所述第五电压控制端的电压信号经第三比较器和与非门控制着该输出逻辑信号；所述的第三比较器为滞回比较器。

本发明所述的温度敏感度低的非线性压控振荡器电路可集成于一集成块中，可大大减小电路的体积及成本。

为了让一般技术人员更好的理解本发明，下面我们结合电路对本发明的工作原理做进一步的描述：

请继续参见图2，温度敏感度低的非线性压控振荡器电路1000由非线性压控振荡器（Nonlinear VCO）和低温漂参考电压电流产生器组成。非线性压控振荡器由第一电流镜（M1、M1a、M1b）、第二电流镜（M₂、M_2a、M_2b）、第三电流镜（M₃、M_3a）、压流转换器（M₄、M_4a、R₄、R_4a）、比较器A1~A3（A3为滞回比较器）、开关P1和N2、电容器CT、触发器及与非门器构成，其中I_CH和I_DIS为CT的充放电电流。工作时，低温漂参考电压电流发生器产生低温漂的第一至四参考电压V_ref1~ V_ref4以及参考电流I_ref1供非线性压控振荡器使用。来自一第五电压控制端CTRL的电压信号V_CTRL控制非线性压控振荡器输出周期脉冲逻辑输出信号CLK。该温度敏感度低的非线性压控振荡器（Nonlinear VCO）电路详细工作工作原理如下：

V_ref1~ V_ref4为参考电压且V_c>V_ref1> V_b>V_ref2，V_ref3>V_ref4>0。比较器A3的滞回电压值为Δ_A3，I_CH和I_DIS为充放电电流源，CLK为周期脉冲逻辑信号。参考电流I_ref1流经预设比例为n₁：1和n₂：1的第一电流镜及压流转换器，因此，电流I₈=I₆+I₇=α*n₁*I_ref1+ n₂*I_ref1，其中0≤α≤1由电压V_CTRL控制。I₈流经预设比例为n₃：1和n₄：1的第二、三电流镜（n₁~ n₄为常数），因此，I_CH=I₈/n₃=（α*n₁*I_ref1+ n₂*I_ref1）/ n₃，I_DIS=（α*n₁*I_ref1+ n₂*I_ref1）/ n₄。当V_CTRL>V_ref2+Δ_A3时对CLK进行一个信号周期工作过程分析：

① 初始时CT电容电压为“0”，比较器A2的“-”相位端输入信号为V_A2-=V_ref4>0，“+”相位端输入信号V_A2+=V_CT=0，由于V_A2+=V_CT< V_A2-=V_ref4，故比较器的输出信号为“0”，导致送到RS触发器R端信号R=“0”，因此，Q=“0”，导致CLK=“0”。那么，开关P1闭合，N2断开，I_CH给CT充电；此时，对于比较器A1来说，“-”相位端输入信号为V_A1-=V_CT，“+”相位端输入信号V_A1+=V_ref3，V_A1-=V_CT<V_A1+= V_ref3，比较器A1的输出信号为“1”，导致送到RS触发器S端信号S=“1”，RS触发器输出取决于R端信号。

② 在振荡器电容充电过程中，随着V_CT上升，V_A2+=V_CT> V_A2-= V_ref4，比较器A2的输出信号为“1”，导致送到RS触发器R端信号R=“1”，RS触发器输出取决于S端信号。当V_A1-=V_CT>V_A1+=V_ref3时，比较器A1的输出信号为“0”，导致送到RS触发器S端信号S=“0”，因此，Q=“1”，导致CLK=“1”。那么，开关P1断开，N2闭合，I_DIS给CT放电；

③ 在振荡器电容放电过程中，随着V_CT下降，V_A1-=V_CT<V_A1+=V_ref3，比较器A1的输出信号为“1”，导致送到RS触发器S端信号R=“1”，RS触发器输出取决于R端信号。当V_A2+=V_CT< V_A2-=V_ref4时，比较器A2输出信号翻转为“0”，因此，Q=“0”，导致CLK=“0”。那么，开关P1闭合，N2断开，I_CH给CT充电；

④ 之后工作过程重复②和③动作，在电容CT上产生锯齿波电压信号V_CT，同时输出周期性的脉冲逻辑信号CLK。

此外，V_CTRL通过压流转换器和第一、二、三电流镜来控制振荡器电容器的充放电电流I_CH和I_DIS，同时也通过滞回比较器控制振荡器的输出脉冲逻辑信号CLK。在V_CTRL从高到0变化过程中，当V_CTRL<V_ref2后，滞回比较器A1输出为“0”通过与非门后CLK为“1”，振荡器停止震荡f_VCO=0；在V_CTRL从0到高变化过程中，当V_CTRL≥V_ref2+Δ_A3后，滞回比较器A1输出为“1”，与非门输出CLK取决于触发器输出，振荡器开始震荡工作f_VCO≥f_Saving。振荡器频率f_VCO随压控信号V_CTRL的变换关系如图3所示。

图3显示了温度敏感度低的非线性压控振荡器电路输出信号CLK的震荡频率曲线。图中V_CTRL为压控信号，f_VCO为输出信号CLK的频率。频率f_VCO在从0到f_TYP，再到f_Saving之间变化。其中，f_TYP为典型频率，f_Saving为省功频率，f_TYP> f_Saving>20千赫兹。压控信号V_CTRL从高到低变化过程中，当V_CTRL≥V_C时，f_VCO=f_TYP；当V_b<V_CTRL<V_C时，f_VCO=f_TYP-η* V_CTRL（其中0<η<1）；当V_ref2≤V_CTRL≤V_b时，f_VCO=f_Saving；当0≤V_CTRL<V_ref2时，f_VCO=0；反之，压控信号V_CTRL从0到高变化过程中，当0≤V_CTRL<V_ref2+Δ_A3时，f_VCO=0；当V_ref2+Δ_A3≤V_CTRL≤V_b时，f_VCO=f_Saving；当V_b<V_CTRL<V_C时，f_VCO=f_TYP-η* V_CTRL；当V_CTRL≥V_C时，f_VCO=f_TYP。这里值得一提的是，本发明的非线性压控振荡器采用低温漂的参考电压电流作为内部振荡器的翻转参考电压阈值和充放电电流，不仅降低了成本又兼顾了极大地降低了该非线性压控振荡器频率的温度敏感度。

这里要说明的是本发明尽管以示例方式应用于电源转换器中，但本发明本身具有示例以外的更广应用范围。比如压控信号V_CTRL可以通过除示例以外的其它方法实现对振荡器的频率控制（例如V_CTRL通过控制振荡器的翻转参考电压阈值或者电容器CT来达到控制振荡器频率的目的）达到同等控制振荡器频率的功效。

请参见图4，图4是基于温度敏感度低的非线性压控振荡器电路的电源转换器100，包括一控制电路300藕接于一回授单元104，以产生一开关信号V_SW，该开关信号调节电源转换器的输出信号V_O。该回授单元104藕接于电源转换器的输出V_O，以产生一回授信号V_CTRL。其中，该开关信号V_SW是依照回授信号V_CTRL而变化。一变压器TR1的一开关电流I_S经由电阻R_S被转换成电压信号V_S。该信号V_S被控制电路300接受且据此产生开关信号V_SW。该控制电路300通过内部一种温度敏感度低的非线性压控振荡器1000产生频率调变信号CLK。CLK、V_CTRL、V_S藕接至脉宽调制器2000，经脉宽调制器2000产生频率调变的该开关信号V_SW。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而其并不应限定本发明，任何熟悉此领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许改动与替换。因此本发明的保护范围当视后附的专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种温度敏感度低的非线性压控振荡器，其特征在于：包括非线性压控振荡器和低温漂参考电压电流产生器；所述的非线性压控振荡器通过第一、二、三、四参考电压输入端以及第一参考电流输出端与该低温漂参考电压电流发生器相连接；所述的非线性压控振荡器由一第五电压控制端的电压信号控制；所述的非线性压控振荡器输出周期性脉冲逻辑控制信号；所述的非线性压控振荡器包括第一开关管、第二开关管、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、充放电电容器、第一比较器、第二比较器、RS触发器、与非门、第三比较器以及压流转换器；所述的压流转换器把第五电压控制端的电压信号转换成电流信号，并经第一、二、三电流镜去控制充放电电容器所需的充放电电流大小；所述的第一、二开关管控制该充放电电容器的充放电，所述充放电电容器的输出端连接有第二比较器和第三比较器，所述的第二比较器和第三比较器的输出信号经RS触发器和与非门输出逻辑信号，该输出逻辑信号又控制着第一、二开关管的导通与关断；所述第五电压控制端的电压信号经第三比较器和与非门控制着该输出逻辑信号；所述的第三比较器为滞回比较器。

2.根据权利要求1所述的温度敏感度低的非线性压控振荡器，其特征在于：所述的压流转换器包括一对输入匹配晶体管以及依次连接的一对匹配电阻器。

3.根据权利要求1至2任一项所述的温度敏感度低的非线性压控振荡器，其特征在于：所述的温度敏感度低的非线性压控振荡器集成于一集成块中。

4.一种应用权利1所述温度敏感度低的非线性压控振荡器的开关电源，包括变压器和一控制电路，其特征在于：所述控制电路藕接一设于变压器输出端的回授单元，以产生一开关信号调节所述变压器的脉冲宽度，所述的控制电路由所述温度敏感度低的非线性压控振荡器与脉宽调制器藕接组成。

5.根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于：所述的控制电路是一由所述温度敏感度低的非线性压控振荡器与脉宽调制器藕接组成的集成电路。