CN102868298B - 一种用于cot控制模式的开关调整器中的定时器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于COT控制模式的开关调整器中的定时器，具体包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一运算放大器、第一比较器、第一容抗单元、第一电阻单元和第一开关单元，其特征在于，还包括：第二开关单元、第三开关单元和第一反相器。本发明的定时器的开关频率只取决于容抗单元和电阻单元的容值和阻值大小，在它们不变的条件下，开关频率是常数，因而克服了传统COT控制电路的工作频率受输出电压影响的问题，实现了CCM状态下的恒定工作频率。本发明的定时器适合于各种开关调整器，能够简化调整器的控制系统，提高转换效率。

Description

一种用于COT控制模式的开关调整器中的定时器

技术领域

本发明属于开关电源技术领域，特别涉及一种用于COT控制模式的开关调整器中的定时器的设计。

背景技术

开关电源最为普遍的控制方式是电压模式控制和电流模式控制，此两种方式都是通过误差放大器来放大输出反馈信号与一个基准电压的差值，再通过误差放大器的输出调整系统的占空比，从而实现稳定输出的目的。这两种控制方式都需要补偿电路调整系统的稳定性，尤其是电流模式控制，在占空比大于50％时，会产生次谐波震荡，需要加入斜坡补偿电路才能消除次谐波震荡带来的影响。由于电压模式控制和电流模式控制存在以上问题，恒定导通时间(ConstantOn-Time，COT)控制模式得到了广泛的应用。

现有的常见的COT控制模式的开关调整器框图如图1所示，由定时器ONtimer、环路比较器Loopcomparator、软启动单元Softstart、最小关断计时器Minofftimer，过零检测电路Zerocrossingdetection、驱动电路Driver、主触发器U1、功率开关M1、M2、数字门U2和U3以及输出外围元件组成。定时器电路用来产生主开关的导通时间Ton；环路比较器将输出的反馈电压与一个基准电压进行比较，当反馈电压小于基准电压时，环路比较器输出高电平，主开关管打开；软启动电路产生整个开关调整器启动时所需要的启动电压；最小关断计时器用来设置主开关管的最小关断时间，避免主开关管常开；过零检测电路检测续流过程中整流管的电流，避免在续流时发生电流倒灌；主触发器和数字门控制驱动电路，驱动电路用来驱动主开关管和整流管；外围元件进行滤波和整流，产生最终的输出。

现有的定时器结构的电路图，如图2所示，Ao和MN1构成嵌位运放，其效果使得A点电位等于VREF1；MN2用来镜像MN1的电流，MP1、MP2构成电流镜，逻辑控制信号VC1与主开关管相关，当主开关管开启时，VC1为低电平，定时电容充电，定时器开始计时，反之，为低电平，定时电容放电。定时器工作分为两个过程：软启动阶段和软启动结束后的正常工作。当系统上电时，系统因为Softstart的存在而进行软启动过程，软启动单元送一个缓慢上升的软启动信号Vsoft到定时器单元，由于COMP1内部逻辑的控制，此时，B点电压与Vsoft进行比较，因为Vsoft是缓慢上升的，那么比较器的比较上限也缓慢上升，而B点因为逻辑控制信号VC1的作用，不停的进行充放电，这样的结果使得软启动阶段比较器输出端V1产生一个占空比逐渐增大的方波信号，直到软启动结束，基准切换到VREF2上，比较器就输出一个恒定占空比的方波信号。

现有的采用COT控制模式的开关调整器工作在CCM(ContinuousConductionMode)模式下时，系统的工作频率F_sw是受V_out影响的，具体推导过程如下：

由开关调整器的输出电压与输入电压的关系，可以得到如下关系：又因为定时器电路决定的导通时间的表达式如下：其中，C1为定时电容，V_REF2为定时电路比较器的参考电压，I₁为流过MP2的电流，表达式如下： $I_1=I_{MP1}=I_{MN2}=I_{MN1}\≈\frac{Vin-V_{REF1}}{R_{on}}.$

这里假设N管和P管的镜像关系均为1:1，那么由T_on和F_sw的关系，可得：

$F_{sw}=\frac{V_{out}}{V_{in}}*\frac{I_1}{C_1*V_{REF2}}=\frac{V_{out}}{V_{in}}*\frac{V_{in}-V_{REF1}}{R_{on}}*\frac{1}{C_1*V_{REF2}}\≈\frac{V_{out}}{C_1*R_{on}*V_{REF2}}$

在这种情况下，V_REF1远小于V_in，F_sw受输出电压V_out的影响，开关频率在CCM模式下并非恒定值，开关频率受输出电压的影响，频率不稳定，EMI分散，不便于处理。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的开关调整器中的定时器的工作频率受输出电压变化的问题，提出了一种在CCM模式下开关频率可恒定为一个常数的定时器结构。

本发明的技术方案为：一种用于COT控制模式的开关调整器中的定时器，具体包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一运算放大器、第一比较器、第一容抗单元、第一电阻单元和第一开关单元，其特征在于，还包括：第二开关单元、第三开关单元和第一反相器，具体连接关系为：

所述的第一电阻单元一端接外部的第一电源，另一端接所述的第一运算放大器的同相输入端和所述的第一晶体管的漏极，所述的第一运算放大器的反相输入端接外部的参考电压，所述的第一运算放大器的输出端接所述的第一晶体管的栅极和所述的第二晶体管的栅极，所述的第一、二晶体管的源极接地，所述的第二晶体管的漏极接所述的第三晶体管的栅极和漏极以及所述的第四晶体管的栅极，所述的第三晶体管的源极和所述的第四晶体管的源极接外部的第二电源，所述的第四晶体管的漏极接所述的第一容抗单元的一端和所述的第一比较器的反相端及所述的第一开关单元的一端，所述的第一容抗单元的另一端和所述的第一开关单元的另一端接地，所述的第一开关单元的控制端接所述开关调整器的逻辑控制信号，所述的第一比较器的同相端和所述的第二开关单元一端和所述的第三开关单元的一端相连接，所述的第二开关单元的另一端和所述的第三开关单元的另一端分别接所述开关调整器的输出电压和软启动信号，所述的第二开关单元的控制端和所述的第三开关单元的控制端分别接所述的第一反相器的输出端和所述开关调整器的软启动结束信号，所述的第一反相器的输入端接所述开关调整器的软启动结束信号。

本发明的有益效果：本发明的定时器的开关频率只取决于容抗单元和电阻单元的容值和阻值大小，在它们不变的条件下，开关频率是常数，因而克服了传统COT控制电路的工作频率受输出电压影响的问题，实现了CCM状态下的恒定工作频率。将本发明的定时器应用于开关调整器中，具有频率稳定，结构简单，EMI集中，便于处理等优点，本发明的恒定开关频率定时器电路适合于各种开关调整器，能够简化调整器的控制系统，提高转换效率。

附图说明

图1为常见的COT控制模式的开关调整器的结构示意图。

图2为现有的定时器的结构示意图。

图3为本发明的恒定开关频率定时器的结构示意图。

图4为采用本发明定时器的开关调整器的结构示意图。

图5为现有的开关调整器的导通时间和开关频率随输出电压的变化波形。

图6为采用本发明定时器的开关调整器的导通时间和开关频率随输出电压的变化波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

恒定开关频率定时器的结构如图3所示，具体包括：晶体管MN1、MN2、MP1、MP2,运算放大器Ao、比较器COMP1、电容C1、电阻Ron和第一开关单元S1，还包括：第二开关单元S2、第三开关单元S3和反相器INV1，具体连接关系为：外部的第一电源Vin接电阻Ron的一端，Ron的另一端接运算放大器Ao的同相输入端和NMOS管MN1的漏极，运算放大器Ao的反相输入端接基准电压VREF1，运算放大器Ao的输出接NMOS管MN1和MN2的栅极，NMOS管MN1和MN2的源极接地电位，NMOS管MN2的漏极接PMOS管MP1的栅极和漏极，PMOS管MP1的源极和PMOS管MP2的源极接外部的第二电源Vdd，PMOS管MP2的栅极接PMOS管MP1的栅极，PMOS管MP2的漏极接电容C1的一端、比较器COMP1的反相输入端和第一开关单元S1的一端，电容C1的另一端接地，第一开关单元S1的控制端接开关调整器的逻辑控制信号VC1，另外一端接地，比较器COMP1的同相端与第二开关单元S2和第三开关单元S3的共同端相连，第二开关单元S2的控制端接反相器INV1的输出，第二开关单元S2的输入端接Vout，反相器INV1的输入接开关调整器的软启动结束信号VC2，第三开关单元S3的控制端接软启动结束信号VC2，第三开关单元S3输入端接参考电压VREF2。

这里的Vin和Vdd可以这样理解，Vdd是通过定时器外部的LDO提供，LDO的电源为外部的第一电源Vin。

下面结合附图4对本发明的工作过程做进一步阐述。采用本发明定时器的开关调整器的结构如图4所示。

在本实例中，对比发明内容中的内容，第一晶体管和第二晶体管为NMOS管、第三晶体管和第四晶体管为PMOS管，第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元可以由单管实现，也可以由传输门或者其他开关结构实现，本领域的技术人员应该意识到，采用其它类型的管子或者开关结构也是可以实现本发明的目的，不影响本发明的实现。以下均以图3中的所示的结构来说明本发明的工作原理和工作过程。

恒定频率开关调整器中的定时器ONtimer工作原理为：当系统上电，逻辑控制信号VC1由高变低时断开第一开关单元S1，NMOS管MN2镜像NMOS管MN1的电流，然后通过由PMOS管构成的电流镜得到一个与输入电压成正比的电流对电容C1充电，反之，逻辑控制信号VC1由低变高时打开第一开关单元S1，这时电容C1通过S1进行放电。由于刚上电的一段时间内系统处于软启动阶段，软启动结束信号VC2为高电平，所以第三开关单元S3打开，参考点为Vsoft，节点B与Vsoft进行比较，根据两者的大小变化，高速比较器COMP1的输出端V1输出一个占空比逐渐增大的方波信号，然后该信号通过RS触发器和驱动电路控制主开关管M1和整流管M2的开关。当软启动结束后，软启动结束信号VC2由高电平翻转为低电平，同时VC2’由低电平翻转为高电平，这样第二开关单元S2打开，参考基准切换到Vout上，这种情况下，比较器COMP1根据节点B和Vout的大小输出一个占空比与Vout正相关的方波信号来控制主开关管M1和整流管M2的开关。

以下推导正常工作时恒定频率开关调整器的工作频率F_sw的表达式：

由于开关调整器的输出电压与输入电压的关系为：因为定时器电路正常工作时比较器的同相输入端的电压为Vout，则由其决定的导通时间的表达式如下：其中，C1为定时电容，I₁为流过MP2的电流，仍假设N管和P管的镜像关系均为1:1。则开关调整器的工作频率F_sw为：

$F_{sw}=\frac{V_{out}}{V_{in}}*\frac{I_1}{C_1*V_{out}}=\frac{I_1}{C_1*V_{in}}=\frac{V_{in}-V_{REF1}}{R_{on}}\frac{1}{C_1*V_{in}}\≈\frac{1}{C_1*R_{on}}$

上式中忽略V_REF1是因为与V_in相比其值很小，所以在这种情况下F_sw为常数，只由C1和Ron决定。

在图4开关调整器中，Switch是一个典型的buck电路；控制电路包括恒定开关频率定时器、逻辑电路、驱动电路Driver、最小关断时间定时器电路Minofftimer、环路比较器Loopcomparator、软启动电路Softstart和过零检测电路Zerocrossingdetectioncircuit。

开关调整器的工作过程如下：

上电后，软启动电路Softstart开始工作，它的作用是在开始工作的一段时间内提供一个缓慢上升的软启动信号Vsoft给定时器，此时由于软启动结束信号VC2为高电平，第三开关单元S3导通，那么定时器的基准信号就是Vsoft，通过比较，定时器产生一个占空比逐渐增大的信号给后边的控制电路，使得主开关管的控制信号HSD在这段时间内也是一个占空比逐渐增大的方波信号，这样做的目的是为了抑制输出端出现浪涌电流。当上电一段时间后，软启动结束，此时软启动电路的比较器给出结束信号，那么VC2翻转为低电平，由于VC2为低电平，所以第二开关单元S2导通，这样定时器的基准信号就切换到Vout上，此时定时时间开关频率由于定时电容C1和电流偏置电阻Ron是一定的，所以开关频率F_sw是恒定的。

环路比较器实时监测输出电压的变化。在软启动阶段或正常工作时，均检测Vout信号的变化，当输出电压Vout下降到一定程度，VFB小于VREF时，环路比较器输出高电平，触发定时器ONtimer，打开主开关管，Vout开始上升，当定时时间到，主开关管关闭，整流管打开，Vout又开始下降，当检测到Vout下降至使VFB又小于VREF时，环路比较器输出高电平，再次触发定时器ONtimer，打开主开关管，Vout又开始上升，这个过程周而复始。

Minofftimer与ONtimer配合使用，作用在于限制每个周期主开关管最大的开启时间，以此来避免主开关管常开的情况出现；由于系统可能出现的常开情况，这里加入Minofftimer，这样做的目的是让系统尽可能避免过流或者过压等极端情况的出现。

过零检测电路的作用是用来在DCM(DiscontinuousConductionMode)模式时及时的关断整流管，防止电流倒灌，以此来提高系统在DCM模式下的效率。当开关调整器工作在轻载模式下且整流管M2开启时，检测续流电流，当检测到续流电流过零时，就及时关断整流管M2，这样就能避免电流发生倒灌，进而提高整个开关调整器的效率。

图5为现有的开关调整器输出电压发生变化时的导通时间和开关频率的变化示意图。由于所以在这种结构当中，当输出电压由小变大时，导通时间Ton不变，但是开关频率F_sw随Vout增大而增大，即工作周期随Vout增大而减小，即在这种结构中，T1大于T2。

图6为采用本发明定时器的开关调整器输出电压发生变化时的导通时间和开关频率的变化示意图。由于故这种结构的导通时间随Vout的增大而增大，即Ton1小于Ton2，而开关频率F_sw只取决于定时电容C1和电流偏置电阻Ron，在它们不变的条件下，开关频率是常数，即开关周期T不随输出电压而变化。

综上可以看出，本发明的定时器克服了COT控制模式的工作频率随输出变化的问题，实现了CCM状态下的恒定工作频率；将本发明的定时器应用于开关调整器中，具有频率稳定，结构简单，EMI集中、便于处理等优点，本发明的恒定开关频率定时器适合于各种开关调整器，能够简化调整器的控制系统，提高转换效率。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于COT控制模式的开关调整器中的定时器，具体包括：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第一运算放大器、第一比较器、第一容抗单元、第一电阻单元和第一开关单元，其特征在于，还包括：第二开关单元、第三开关单元和第一反相器，具体连接关系为：

所述的第一电阻单元一端接外部的第一电源，另一端接所述的第一运算放大器的同相输入端和所述的第一晶体管的漏极，所述的第一运算放大器的反相输入端接外部的参考电压，所述的第一运算放大器的输出端接所述的第一晶体管的栅极和所述的第二晶体管的栅极，所述的第一、二晶体管的源极接地，所述的第二晶体管的漏极接所述的第三晶体管的栅极和漏极以及所述的第四晶体管的栅极，所述的第三晶体管的源极和所述的第四晶体管的源极接外部的第二电源，所述的第四晶体管的漏极接所述的第一容抗单元的一端和所述的第一比较器的反相端及所述的第一开关单元的一端，所述的第一容抗单元的另一端和所述的第一开关单元的另一端接地，所述的第一开关单元的控制端接所述开关调整器的逻辑控制信号，所述的第一比较器的同相端和所述的第二开关单元一端和所述的第三开关单元的一端相连接，所述的第二开关单元的另一端和所述的第三开关单元的另一端分别接所述开关调整器的输出电压和软启动信号，所述的第二开关单元的控制端和所述的第三开关单元的控制端分别接所述的第一反相器的输出端和所述开关调整器的软启动结束信号，所述的第一反相器的输入端接所述开关调整器的软启动结束信号。

2.根据权利要求1所述的用于COT控制模式的开关调整器中的定时器，其特征在于，所述的第一晶体管和第二晶体管具体为NMOS管，第三晶体管和第四晶体管具体为PMOS管。