CN102904435B - 一种改进的补偿电路以及应用其的开关电源 - Google Patents

一种改进的补偿电路以及应用其的开关电源 Download PDF

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Abstract

依据本发明的一种改进的补偿电路以及应用其的开关电源，克服了现有技术中补偿电容占用较大硅片面积、设计成本较高的问题。依据本发明的实施例跨导放大器的传递函数保持不变，但由于开关电路的存在其实际对充电电路输出的电流与减小跨导放大器的跨导系数具有等同的效果，等效增大了补偿电容，因此所述补偿电容相对于现有技术可以选取较小的容值，减小其占用的芯片面积，无需额外的引脚外接电容，节省电路的成本，另外电路的实现更加简单易行。

Description

一种改进的补偿电路以及应用其的开关电源
技术领域
本发明涉及电子技术领域。更具体的说，涉及一种改进的补偿电路以及应用其的开关电源。
背景技术
在开关电源的控制电路中对于补偿电路的应用比较常见，比较典型的如在直流变换器中，将输出电压反馈信号与基准信号输入至跨导放大器，以得到与这个两个信号的误差成固定比例的输出电流，并利用这个输出电流对外接补偿电容的充电将误差信号转换为补偿信号，后续的控制电路根据该补偿信号进行相应的开关动作。但由于补偿电路需要比较大的补偿电容，在工艺上占用了较大的硅片面积，同时额外的电容器和相应的引脚提高了设计的成本，在引脚数量有限的情况下甚至无法实现。
申请号为201010549557.2的专利文件中针对上述问题提出了一种减小补偿电容的跨导放大器，其结构示意图如图1所示。输入信号IN和参考电压Vref的误差信号经过第一级放大电路101的放大后输入到采样电路102作为电容214的充电电流；偏置生成电路104提供电容214的放电支路和第二级放大电路103的参考信号，通过控制采样电路中开关211和开关212以控制电容214的充放电动作以得到采样输出信号，所述采样输出信号和参考信号经过第二级放大电路103放大输出充电电流周期性对补偿电容充电。上述方案虽然在一定程度上减小了补偿电容的容值，减小了芯片面积，但其电路实现比较复杂，除了两级放大电路外，还需要较多的开关管和复杂的开关控制以及额外的偏置生成电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的补偿电路以及应用其的开关电源，克服现有技术中补偿电容占用较大硅片面积、设计成本较高的问题。
依据本发明一实施例的一种改进的补偿电路，应用于一控制电路中，包括跨导放大器、开关电路和充电电路；其中
所述跨导放大器接收第一输入信号和第二输入信号，并根据所述第一输入信号和第二输入信号的差值在其输出端得到一输出信号；
所述开关电路分别连接至所述跨导放大器的输出端和所述充电电路，当所述开关电路处于导通状态时控制所述跨导放大器的输出信号对所述充电电路进行充电，以得到一补偿信号。
进一步的，所述开关电路包括第一开关管，所述第一开关管的第一功率端和第二功率端分别连接所述跨导放大器的输出端和所述充电电路，其控制端接收控制信号。
进一步的，所述充电电路包括一补偿电容，其一端与所述开关电路连接，另一端接地，其两端的电压作为所述补偿信号。
优选的，所述开关电路的控制信号为占空比一定的方波信号。
优选的，所述开关电路的控制信号为占空比变化的方波信号。
进一步的，包括开关控制电路，用以输出所述开关电路的控制信号；
所述开关控制电路包括第一电流源、第二电流源、充放电控制电路和第一电容；其中，
所述第一电流源和第二电流源的差值电流对所述第一电容进行充电，所述第一电容通过所述第二电流源进行放电；
所述充放电控制电路接收第一阈值信号和第二阈值信号，并控制所述第一电容不间断的进行充放电动作，当所述第一电容两端的电压上升至所述第一阈值信号时，所述开关电路的控制信号变为无效状态，所述第一电容开始放电；当所述第一电容两端的电压下降至所述第二阈值信号时，所述开关电路的控制信号变为有效状态，所述第一电容开始充电。
优选的，所述第一电流源和第二电流源的数值是固定的。
优选的，所述第一电流源和第二电流源的数值是变化的。
依据本发明的一实施例的一种开关电源，包括功率级电路和控制电路，所述控制电路包括依据本发明的任一补偿电路、PWM控制电路和驱动电路；
其中所述补偿电路接收开关电源的电压反馈信号和基准信号作为第一输入信号和第二输入信号,并输出补偿信号;
所述PWM控制电路接收所述补偿信号，并据此输出PWM控制信号，并通过所述驱动电路控制所述功率级电路进行电能转换。
优选的，所述开关电源为升压型变换器、降压型变换器或升降压型变换器。
依据本发明的实施例可以方便地实现一种小容值补偿电容的补偿电路，无需额外的引脚外接电容，节省了电路的成本。另外其电路的实现更加简单易行。本发明的上述和其它有益效果通过以下优选实施例的描述会更显而易见。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有的一种减小补偿电容的跨导放大器的结构示意图；
图2为依据本发明的实施例的第一示例补偿电路的原理框图；
图3为图2所示优选实施例中补偿电路的波形示意图；
图4为本发明的实施例的第二示例补偿电路的原理框图；
图5为图2所示优选实施例中开关控制电路的电路结构图；
图6所示为依据本发明的一优选实施例的开关电源电路的原理框图。
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。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
图2中为依据本发明的实施例的第一示例补偿电路的原理方框图；仍以所述补偿电路应用在开关电源的控制电路中为例，所述补偿电路包括跨导放大器201、开关电路202和充电电路203；
其中所述跨导放大器201的输入端分别接收输出电压反馈信号VFB和参考电压VREF作为第一输入信号和第二输入信号，并根据所述第一输入信号和第二输入信号的差值得到一输出电流，其输出电流iout的大小可以表示为iout＝gm*(VREF-VFB)，其中gm为所述跨导放大器201的跨导系数。因此，当跨导放大器的输入端接收的输出电压反馈信号VFB和参考电压VREF的差值发生变化时，所述跨导放大器的输出电流iout相应变化并对跨导放大器输出端的内阻和寄生电容进行充电得到一充电电压作为输出信号V′C；
所述开关电路202连接在所述跨导放大器201的输出端和所述充电电路203之间，当所述开关电路处于导通状态时控制控制所述跨导放大器201的输出信号V′C对所述充电电路203进行充电以得到补偿信号VC；
具体的所述开关电路202包括一第一开关管，所述充电电路203包括一补偿电容；
所述第一开关管的第一功率端和第二功率端分别连接所述跨导放大器201的输出端和所述补偿电容，其控制端接收控制信号。当所述第一开关管导通时，所述跨导放大器201的输出信号对所述补偿电容充电，所述补偿电容的一端接收所述跨导放大器201的输出信号，另一端接地，其两端形成的电压作为所述补偿信号VC。
为了控制所述开关电路202（第一开关管）的开关动作，所述补偿电路进一步包括开关控制电路204，用以输出所述第一开关管的控制信号以使所述跨导放大器的输出信号间歇性地对所述补偿电容充电。
在图2所示的具有单极点补偿的跨导放大器，其传递函数为H(s)＝gm/Ccs，其中Cc为所述补偿电容的容值。因此在保证传递函数不变的情况下，减小补偿电容容值的同时所述跨导系数gm也要随之减小。但是控制电路稳态值精准度与所述跨导系数gm成正比，为了保证一定的控制精度，所述跨导系数gm必须满足一定的下限值；另外当所述跨导系数gm减小时，相应的环路增益减低，整个控制电路的控制误差势必增大，综合以上，直接减小跨导系数以减小补偿电容可能无法实现。
依据本发明的改进的补偿电路是在所述跨导放大器201的输出端和所述充电电路（补偿电容）之间接入了一开关电路，通过控制开关电路的开通和关断使跨导放大器的输出间歇性地对所述充电电路（补偿电容）进行充电。所述第一开关管的控制信号可以为占空比一定的方波信号，也可以为占空比变化的方波信号。在本实施例中以所述第一开关管以固定占空比进行开关动作为例，对其原理进行说明，对应的波形示意图如图3所示。
其中所述第一开关管的控制信号VD的占空比可以根据电路的实际情况选择相应的值，如可以选择为1/10或以下的数值，在本实施中，占空比的大小优选为5%。通过控制第一开关管以固定占空比的导通和关断对补偿电容进行充放电控制，使得所述补偿信号VC缓慢上升或缓慢下降。
由此可以看出虽然整个跨导放大器的传递函数保持不变，但由于开关电路的存在其实际对充电电路输出的电流与减小跨导放大器的跨导系数具有等同的效果，等效增大了补偿电容，因此所述补偿电容相对于现有技术可以选取较小的容值，减小其占用的芯片面积，无需额外的引脚外接电容，节省电路的成本，另外电路的实现更加简单易行。
这里需要说明的是在实际应用中，可以在跨导放大器的输出端连接一电容，其相当与跨导放大器输出端的寄生电容并联，以使得跨导放大器的输出电流对其内阻和寄生电容充电得到的输出信号的波形更为平缓；另外，由于考虑到电路的体积和成本，其连接的电容一般容值非常小。为了简化图形，这部分并没有在原理框图中示出。
另外，根据本发明的技术教导，本领域的技术人员可以推知所述开关电路也不局限于一个开关管的形式，而是可以有很多种变形，如可以将两个开关管串联，并控制其占空比的大小能够实现与图2所示实施例相同的技术效果。而充电电路也不限于仅由补偿电容组成，还可以如图4所示，利用一电容和一电阻串联后，与所述补偿电容并联连接，同样能够实现相同的作用，输出相应的补偿信号。这些对于相应部分的电路结构的变换、拓展都列入本发明的保护范围之内。
参考图5中的原理框图，其具体描述了图2所示实施例中开关控制电路204的具体电路结构。所述开关控制电路204具体包括第一电流源IS1、第二电流源IS2、充放电控制电路501和第一电容C1；其中，所述充放电控制电路501进一步包括比较器502、比较器503、RS触发器504和开关管505；
其中所述第一电流源IS1与开关管505、第二电流源IS2依次串联在供电电源VCC和地之间，所述第一电容C1与所述第二电流源IS2并联连接，因此当所述开关管505导通时，所述第一电流源IS1和第二电流源IS2的差值电流对所述第一电容C1进行充电，此时所述第一开关管保持导通；当所述开关管505关断时，所述第一电容C1通过所述第二电流源IS2进行放电，所述第一开关管保持关断；因此所述开关管505的控制信号即可作为所述第一开关管的控制信号VD。
所述比较器502的反相输入端接收第一阈值信号VTH1，同相输入端接收所述第一电容C1两端的电压信号，其输出端连接至所述RS触发器504的复位端R；所述比较器503的反相输入端接收所述第一电容C1两端的电压信号，其同相输入端接收第二阈值信号VTH2，其输出端连接至所述RS触发器504的置位端S；所述RS触发器Q端的输出信号控制所述开关管505的开关动作。
当所述第一电容C1两端的电压上升至所述第一阈值信号VTH1时，所述比较器502输出高电平信号进而控制所述开关管505关断，所述第一电容C1通过所述第二电流源IS2进行放电，其两端电压开始下降；当所述第一电容C1两端电压降至所述第二阈值信号VTH2时，所述比较器503输出高电平信号进而控制所述开关管505导通，所述第一电流源IS1和第二电流源IS2的差值电流对所述第一电容C1进行充电，其两端电压开始上升，如此反复。由此可以看出，所述充放电控制电路501控制所述第一电容C1不间断的进行充放电动作，其两端的电压始终在所述第一阈值信号VTH1和第二阈值信号VTH2之间变化。同时通过设定所述第一阈值信号VTH1和第二阈值信号VTH2为固定或变化的可以方便的改变所述第一开关管的开关频率为定频或变频。
由以上描述，我们可以得到如下推论：所述控制信号的占空比的大小可以用所述第二电流源与第一电流源的数值比来表示。因此可以根据需要设定所述第二电流源和第一电流源的数值为固定的以输出固定占空比的控制信号，或控制所述第二电流源和第一电流源的数值为可变的以控制所述第一开关管的控制信号占空比也为可变的。
图6所示为依据本发明的一优选实施例的开关电源电路，其包括功率级电路和控制电路，所述控制电路包括依据本发明的任一合适的补偿电路以及PWM控制电路、驱动电路；
其中所述补偿电路的输入端接收开关电源的电压反馈信号VFB和基准信号VREF作为第一输入信号和第二输入信号，并输出补偿信号VC；
所述PWM控制电路接收所述补偿信号VC，并据此输出PWM控制信号，并通过所述驱动电路控制所述功率级电路进行电能转换。
所述开关电源的拓扑结构可以为升压型变换器、降压型变换器或升降压型变换器；依据本发明的跨导放大器所应用的开关电源的拓扑除了所列举的结构外，其他在此基础上的变形、组合等变换得到的其他合适的拓扑均在本发明的保护范围之内。
通过上文对跨导放大器的结构和原理的描述，本领域技术人员可以推知对于所述的开关控制电路中的电流源、充放电控制电路等电路组成部分，能够实现相同的技术效果的其它技术或者结构同样适用于上述实施例。
本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选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方式。显然，根据本说明书的内容，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，是为了最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最好地利用这个发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种改进的补偿电路，应用于一控制电路中，其特征在于，包括跨导放大器、开关电路和充电电路；其中，
所述跨导放大器接收第一输入信号和第二输入信号，并根据所述第一输入信号和第二输入信号的差值在其输出端得到一输出信号；
所述开关电路连接在所述跨导放大器的输出端和所述充电电路之间；
所述充电电路包括补偿电容，其一端与所述开关电路连接，另一端接地，所述补偿电容两端的电压作为补偿信号；
通过控制所述开关电路的开通和关断使所述跨导放大器的输出电流间歇性的对所述补偿电容进行充电，使之等效于减小所述跨导放大器的跨导系数，同时维持所述跨导放大器的传递函数不变。
2.根据权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述开关电路包括第一开关管，所述第一开关管的第一功率端和第二功率端分别连接所述跨导放大器的输出端和所述充电电路，其控制端接收控制信号。
3.根据权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述开关电路的控制信号为占空比一定的方波信号。
4.根据权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述开关电路的控制信号为占空比变化的方波信号。
5.根据权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，进一步包括开关控制电路，用以输出所述开关电路的控制信号；
所述开关控制电路包括第一电流源、第二电流源、充放电控制电路和第一电容；其中，
所述第一电流源和第二电流源的差值电流对所述第一电容进行充电，所述第一电容通过所述第二电流源进行放电；
所述充放电控制电路接收第一阈值信号和第二阈值信号，并控制所述第一电容不间断的进行充放电动作，当所述第一电容两端的电压上升至所述第一阈值信号时，所述开关电路的控制信号变为无效状态，所述第一电容开始放电；当所述第一电容两端的电压下降至所述第二阈值信号时，所述开关电路的控制信号变为有效状态，所述第一电容开始充电。
6.根据权利要求5所述的补偿电路，其特征在于，所述第一电流源和第 二电流源的数值是固定的。
7.根据权利要求5所述的补偿电路，其特征在于，所述第一电流源和第二电流源的数值是变化的。
8.一种开关电源，包括功率级电路和控制电路，其特征在于，所述控制电路包括权利要求1-7所述的任一补偿电路、PWM控制电路和驱动电路；
其中所述补偿电路接收开关电源的电压反馈信号和基准信号作为第一输入信号和第二输入信号,并输出补偿信号；
所述PWM控制电路接收所述补偿信号，并据此输出PWM控制信号，并通过所述驱动电路控制所述功率级电路进行电能转换。
9.根据权利要求8所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源为升压型变换器、降压型变换器或升降压型变换器。
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