CN102769378B - 恒定导通时间控制的开关电源及其控制电路和控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了恒定导通时间控制的开关电源及其控制电路和控制方法。在开关电路的开关频率接近音频范围时，开关电源进入睡眠模式，开关管的导通时间被减小以增大开关电路的开关频率，从而避免音频噪声的产生。

Description

恒定导通时间控制的开关电源及其控制电路和控制方法
技术领域
本发明的实施例涉及电子电路，尤其涉及恒定导通时间控制的开关电源及其控制电路和控制方法。
背景技术
恒定导通时间(COT，constant on-time)控制由于其优越的负载瞬态响应、简单的内部结构和平滑的工作模式切换，在电源领域得到了很好的应用。在传统的COT控制开关电源中，开关管在开关电源的输出电压小于参考信号时被导通，而在导通时间到达预设时间时被关断。
对于传统的COT控制开关电源而言，其开关频率会随着负载的减小而逐渐减小。在轻载场合，开关频率可能被减小至落入音频范围(例如200Hz～20kHz)，从而引起音频噪声。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供安静、高效的恒定导通时间控制开关电源及其控制电路和控制方法。
根据本发明实施例的一种用于恒定导通时间控制开关电源的控制电路，该开关电源包括具有第一开关管的开关电路，开关电路通过第一开关管的导通与关断将输入电压转换为输出电压以驱动负载，该控制电路包括：导通时间控制电路，产生控制第一开关管导通时间的导通时间控制信号；比较电路，耦接至开关电路，基于参考信号和代表开关电路输出电压的反馈信号产生比较信号；以及逻辑电路，耦接至导通时间控制电路和比较电路，基于导通时间控制信号和比较信号产生控制信号，以控制开关电路中第一开关管的导通与关断；其中在开关电路的开关频率接近音频范围时，控制电路进入睡眠模式，导通时间控制电路减小导通时间控制信号以增大开关电路的开关频率。
根据本发明实施例的一种恒定导通时间控制开关电源，包括如前所述的控制电路。
根据本发明实施例的一种用于开关电源的恒定导通时间控制方法，该开关电源包括具有第一开关管的开关电路，开关电路通过第一开关管的导通与关断将输入电压转换为输出电压以驱动负载，该控制方法包括：产生控制第一开关管导通时间的导通时间控制信号；基于参考信号和代表开关电路输出电压的反馈信号产生比较信号；基于导通时间控制信号和比较信号产生控制信号，以控制开关电路中第一开关管的导通与关断；判断开关电路的开关频率是否接近音频范围；以及在开关电路的开关频率接近音频范围时，进入睡眠模式，减小导通时间控制信号以增大开关电路的开关频率。
根据本发明的实施例，在开关频率接近音频范围时减小导通时间控制信号，可以减小第一开关管的导通时间并增大开关频率，从而有效避免音频噪声的产生。此外，第一开关管导通时间的减小可以降低第一开关管上的导通损耗，提高开关电源的工作效率。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的开关电源100的框图；
图2为根据本发明一实施例的开关电源200的电路原理图；
图3为根据本发明一实施例的图2所示开关电源200的工作流程图；
图4为根据本发明一实施例的图2所示开关电源200在睡眠模式下的工作流程图；
图5为根据本发明一实施例的图2所示开关电源200在正常工作状态下的工作波形图；
图6和图7为根据本发明一实施例的图2所示开关电源200在睡眠模式下的工作波形图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
根据本发明的实施例，采用恒定导通时间控制的开关电源在其开关频率接近音频范围时进入睡眠模式，减小开关管的导通时间以增大开关频率。通过这种方法，可以有效避免音频噪声的产生。此外，导通时间的减小还可以降低开关管的导通损耗，从而提高开关电源的工作效率。
图1为根据本发明一实施例的开关电源100的框图。开关电源100包括导通时间控制电路101、逻辑电路102、开关电路103、比较电路104和反馈电路105。导通时间控制电路101、逻辑电路102和比较电路104可以被集成在同一集成电路(例如控制IC)中，该集成电路可为数字集成电路、模拟集成电路或数模结合的集成电路。开关电路103包括第一开关管，通过第一开关管的导通与关断将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。开关电路103可采用任何直流/直流或交流/直流变换拓扑结构，例如同步或非同步的升压、降压变换器，以及正激、反激变换器等等。开关电路103中的开关管可以为任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。反馈电路105耦接至开关电路103的输出端以接收输出电压VOUT，并产生代表输出电压VOUT的反馈信号VFB。在一些实施例中，反馈电路105可被省略。
导通时间控制电路101产生控制第一开关管导通时间的导通时间控制信号Ton。比较电路104耦接至反馈电路105，基于反馈信号VFB和参考信号VREF产生比较信号SET。逻辑电路102耦接至导通时间控制电路101和比较电路104，基于导通时间控制信号Ton和比较信号SET产生控制信号CTRL，以控制开关电路103中第一开关管的导通与关断。一般地，第一开关管在反馈信号VFB小于参考信号VREF时被导通，在其导通时间到达导通时间控制信号Ton时被关断。为了避免音频噪声的产生，在开关电路103的开关频率Fs接近音频范围时，开关电源100进入睡眠模式，导通时间控制电路101减小导通时间控制信号Ton以减小第一开关管的导通时间，从而增大开关电路103的开关频率Fs。
判断开关频率Fs是否接近音频范围的方式多种多样，例如可以将开关频率Fs与预设频率Fth，例如25KHz，进行比较。若开关频率Fs小于预设频率Fth或者在一段时间内持续小于预设频率Fth，则认为开关频率Fs已接近音频范围。开关频率Fs的检测可以通过检测控制信号CTRL的开关周期来实现，也可采用任何其他合适的方法。
为了避免开关频率Fs被增大至过高而影响开关电源100的工作效率，在睡眠模式下，导通时间控制信号Ton可被调节以使得开关频率Fs约等于预设睡眠频率。预设睡眠频率通常大于20KHz，例如为25KHz。此外，在睡眠模式下，若检测到开关频率Fs大于最大睡眠频率Fsl_max，例如40KHz，则视为负载增大，开关电源100将离开睡眠模式而回到正常工作状态。
在一个实施例中，导通时间控制电路101包括模式控制电路106、正常导通时间控制电路107、睡眠模式导通时间控制电路108和选择电路109。正常导通时间控制电路107产生控制正常工作状态导通时间的正常导通时间控制信号Ton_nm。睡眠模式导通时间控制电路108产生控制睡眠模式导通时间的睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl。模式控制电路106基于开关电路103的开关频率Fs产生模式标识信号Flag_sl。选择电路109基于模式标识信号Flag_sl，将正常导通时间控制信号Ton_nm或睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl作为导通时间控制信号Ton提供至逻辑电路102。
在一个实施例中，若模式标识信号Flag_sl为逻辑低电平(“0”)，开关电源100处于正常工作状态，选择电路109将正常导通时间控制信号Ton_nm作为导通时间控制信号Ton提供至逻辑电路102。若模式标识信号Flag_sl为逻辑高电平(“1”)，开关电源100工作于睡眠模式，选择电路109将睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl作为导通时间控制信号Ton提供至逻辑电路102。正常导通时间控制信号Ton_nm可以是预设恒定值，也可以是与输入电压VIN和/或输出电压VOUT相关的可变值。
在一些实施例中，为了消除次谐波振荡，开关电源100还包括产生斜坡补偿信号的斜坡补偿电路。该斜坡补偿信号可以被叠加至反馈信号VFB，亦或从参考信号VREF中被减去。
图2为根据本发明一实施例的开关电源200的电路原理图。开关电源200包括导通时间控制电路201、逻辑电路202、开关电路203、比较电路204和反馈电路205。开关电路203采用降压变换器拓扑结构，包括开关管HS、开关管LS、电感器L、输入电容器CIN以及输出电容器COUT。反馈电路205包括电阻器R1和R2组成的电阻分压器。比较电路204包括比较器CMP，比较器CMP的同相输入端接收参考信号VREF，反相输入端耦接至反馈电路205以接收反馈信号VFB，输出端提供比较信号SET。逻辑电路202基于比较信号SET和导通时间控制电路201提供的导通时间控制信号Ton，产生控制信号HCTRL和LCTRL，以控制开关管HS和LS的导通与关断。
为了及时有效地避免音频噪声的产生，在一个实施例中，逻辑电路202在检测到开关频率Fs小于预设频率Fth(例如25kHz)时，将开关管LS导通以对输出电容器COUT进行放电，直至反馈信号VFB小于参考信号VREF。若开关频率Fs在预设时长T1(例如5秒)内持续小于预设频率Fth，开关电源200方进入睡眠模式。
在一个实施例中，在正常工作状态下，开关管LS被用作同步整流管。当反馈信号VFB小于参考信号VREF时，开关管HS被导通而开关管LS被关断，当开关管HS的导通时间到达导通时间控制信号Ton时，开关管HS被关断而开关管LS被导通。在轻载状态下，为了减小开关损耗，开关管LS的体二极管(未示出)代替开关管LS在开关管HS关断时被用作续流。
图3为根据本发明一实施例的图2所示开关电源200的工作流程图，包括步骤S301～S304。
在步骤S301，开关电源200处于正常工作状态，模式标识信号Flag_sl为逻辑低电平。选择电路209基于模式标识信号Flag_sl，将正常导通时间控制信号Ton_nm作为导通时间控制信号Ton提供至逻辑电路202。
在步骤S302，判断开关频率Fs在预设时长T1内是否持续小于预设频率Fth。若是，则至步骤S303，否则继续判断。
在步骤S303，开关电源200进入睡眠模式，标识信号Flag_sl为逻辑高电平。选择电路209基于模式标识信号Flag_sl，将睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl作为导通时间控制信号Ton提供至逻辑电路202。
在步骤S304，判断开关频率Fs是否大于最大睡眠频率Fsl_max，例如40kHz。若是，则至步骤S301，开关电源200回到正常工作状态；否则至步骤S303，开关电源200继续工作在睡眠模式。
图4为根据本发明一实施例的图2所示开关电源200在睡眠模式下的工作流程图，包括步骤S401～S414。
在步骤S401，判断模式标识信号Flag_sl是否为逻辑高电平，是则至步骤S402，否则继续判断。
在步骤S402，使睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl等于正常导通时间控制信号Ton_nm。
在步骤S403，判断开关频率Fs是否小于高睡眠阈值频率Fsl_high(例如28.5kHz)。若是，则至步骤S404，否则至步骤S407。
在步骤S404，进行延时。
在步骤S405，判断睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl是否等于最小导通时间信号Ton_min。若是，则至步骤S403，否则至步骤S406。
在步骤S406，减小睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl，使其等于原睡眠模式导通时间控制信号与步进信号step之差。
在步骤S407，判断开关频率Fs是否大于低睡眠阈值频率Fsl_low。若是，则至步骤S408，否则至步骤S411。低睡眠阈值频率Fsl_low可以等于预设频率Fth，例如25kHz。
在步骤S408，进行延时。
在步骤S409，判断睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl是否等于正常导通时间控制信号Ton_nm。若是，则至步骤S407，否则至步骤S410。
在步骤S410，增大睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl，使其等于原睡眠模式导通时间控制信号与步进信号step之和。
在步骤S411，屏蔽开关管LS，使开关管LS在开关频率Fs小于预设频率Fth时不再被导通。
在步骤S412，进行延时。
在步骤S413，判断开关频率Fs是否位于预设频率范围Fs1～Fs2内(例如20kHz～30kHz)。若是，则至步骤S412，否则至步骤S414。
在步骤S414，开关电源200退出睡眠模式而回到正常工作状态，模式标识信号Flag_sl为逻辑低电平。
步骤S404、S408、S412中的延时时间可根据具体应用情况来确定。在某些实施例中，延时步骤S404、S408、S412可以被省略。在一个实施例中，正常导通时间控制信号Ton_nm、睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl和导通时间控制信号Ton均为数字信号，步进信号step等于1LSB(最低有效位)。
图5为根据本发明一实施例的图2所示开关电源200在正常工作状态下的工作波形图，其中信号Flag_ultra为指示开关频率Fs是否小于预设频率Fth的标识信号。如图5所示，在正常工作状态下，开关管HS的导通时间等于正常导通时间控制信号Ton_nm。当检测到开关频率Fs大于预设频率Fth，即开关周期小于1/Fth时，标识信号Flag_ultra为逻辑低电平，开关管LS维持关断。当检测到开关频率Fs小于预设频率Fth，即开关周期大于1/Fth时，标识信号Flag_ultra为逻辑高电平，开关管LS被导通以对输出电容器COUT进行放电，直至反馈信号VFB小于参考信号VREF。
图6和图7为根据本发明一实施例的图2所示开关电源200在睡眠模式下的工作波形图。其中开关管HS的导通时间等于睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl。图6为睡眠模式下睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl逐渐减小的工作波形图。如图6所示，开关电源200进入睡眠模式后，睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl逐渐减小，开关频率Fs逐渐增大，直至开关频率Fs大于或等于高睡眠阈值频率Fsl_high。
图7为睡眠模式下睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl逐渐增大的工作波形图。如图7所示，在开关频率Fs被调节至大于或等于高睡眠阈值频率Fsl_high后，睡眠模式导通时间控制信号Ton_sl逐渐增大，开关频率Fs逐渐减小，直至开关频率Fs小于或等于低睡眠阈值频率Fsl_low。其后，开关管LS被屏蔽。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种用于恒定导通时间控制开关电源的控制电路，该开关电源包括具有第一开关管、第二开关管以及输出电容器的开关电路，开关电路通过第一开关管的导通与关断将输入电压转换为输出电压以驱动负载，该控制电路包括： 
导通时间控制电路，产生控制第一开关管导通时间的导通时间控制信号； 
比较电路，耦接至开关电路，基于参考信号和代表开关电路输出电压的反馈信号产生比较信号；以及 
逻辑电路，耦接至导通时间控制电路和比较电路，基于导通时间控制信号和比较信号产生控制信号，以控制开关电路中第一开关管和第二开关管的导通与关断，其中在轻载状态下，逻辑电路在检测到开关频率大于预设频率时关断第二开关管，在检测到开关频率小于预设频率时导通第二开关管以对输出电容器进行放电，直至反馈信号小于参考信号；其中 
若开关频率在预设时长内持续小于预设频率，开关电源进入睡眠模式，导通时间控制电路减小导通时间控制信号以增大开关电路的开关频率。 
2.如权利要求1所述的控制电路，其中导通时间控制电路包括： 
正常导通时间控制电路，产生正常导通时间控制信号； 
睡眠模式导通时间控制电路，产生睡眠模式导通时间控制信号； 
模式控制电路，产生模式标识信号； 
选择电路，接收正常导通时间控制信号、睡眠模式导通时间控制信号和模式标识信号，选择电路基于模式标识信号，将正常导通时间控制信号或睡眠模式导通时间控制信号作为导通时间控制信号提供至逻辑电路。 
3.如权利要求1所述的控制电路，其中在睡眠模式下，导通时间控制电路调节导通时间控制信号，使得开关频率约等于预设睡眠频率，其中该预设睡眠频率大于20KHz。 
4.如权利要求1所述的控制电路，其中在睡眠模式下，若开关频率大于最大睡眠频率，则开关电源离开睡眠模式而回到正常工作状态。 
5.如权利要求1所述的控制电路，其中在睡眠模式下，睡眠模式导通时间控制电路进行如下操作： 
使睡眠模式导通时间控制信号等于正常导通时间控制信号； 
逐步减小睡眠模式导通时间控制信号，直至开关频率大于高睡眠阈值频率；以及 
逐步增大睡眠模式导通时间控制信号，直至开关频率小于低睡眠阈值频率； 
其中在开关频率被调节至小于低睡眠阈值频率后，逻辑电路将第二开关管屏蔽，使第二开关管在开关频率小于预设频率时不再被导通。 
6.如权利要求5所述的控制电路，其中低睡眠阈值频率与预设频率相等。 
7.如权利要求5所述的控制电路，其中在第二开关管被屏蔽后，若开关频率变化至预设频率范围外，则开关电源离开睡眠模式而回到正常工作状态，选择电路基于模式标识信号，将正常导通时间控制信号作为导通时间控制信号提供至逻辑电路。 
8.如权利要求2所述的控制电路，其中正常导通时间控制信号为恒定值，亦或为与输入电压和/或输出电压相关的可变值。 
9.一种恒定导通时间控制开关电源,包括如权利要求1至8中任一项所述的控制电路。 
10.一种用于开关电源的恒定导通时间控制方法，该开关电源包括具有第一开关管、第二开关管以及输出电容器的开关电路，开关电路通过第一开关管的导通与关断将输入电压转换为输出电压以驱动负载，该控制方法包括： 
产生控制第一开关管导通时间的导通时间控制信号； 
基于参考信号和代表开关电路输出电压的反馈信号产生比较信号； 
基于导通时间控制信号和比较信号产生控制信号，以控制开关电路中第一开关管和第二开关管的导通与关断，其中在轻载状态下，在检测到开关频率大于预设频率时关断第二开关管，在检测到开关频率小于预设频率时导通第二开关管以对输出电容器进行放电，直至反馈信号小于参考信号； 
判断开关频率在预设时长内是否持续小于预设频率；以及 
若开关频率在预设时长内持续小于预设频率，进入睡眠模式，减小导通时间控制信号以增大开关电路的开关频率。 
11.如权利要求10所述的控制方法，其中在睡眠模式下，导通时间控制信号被调节以使得开关频率约等于预设睡眠频率，其中该预设睡眠频率大于20KHz。 
12.如权利要求10所述的控制方法，其中在睡眠模式下，若开关频率大于最大睡眠频率，则开关电源离开睡眠模式而回到正常工作状态。 
13.如权利要求10所述的控制方法，其中在睡眠模式下的步骤包括： 
逐步减小导通时间控制信号，直至开关频率大于高睡眠阈值频率； 
逐步增大导通时间控制信号，直至开关频率小于低睡眠阈值频率； 
屏蔽第二开关管，使第二开关管在开关频率小于预设频率时不再被导通； 
判断开关频率是否位于预设频率范围内；以及 
若开关频率位于预设频率范围外，则离开睡眠模式而回到正常工作状态。 
14.如权利要求13所述的控制方法，其中低睡眠阈值频率与预设频率相等。 
15.如权利要求10所述的控制方法，其中在正常工作状态下，导通时间控制信号为恒定值，亦或为与输入电压和/或输出电压相关的可变值。 
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