CN103051177B - 一种快速响应的控制电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速响应的控制电路及其控制方法，用以控制开关电源，其中控制电路包括补偿信号发生电路、开关信号发生电路、判断电路和环路增益调节电路；其中，所述补偿信号发生电路根据开关电源的输出电压反馈信号和第一基准电压的误差产生一补偿信号；所述开关信号发生电路根据所述补偿信号控制所述开关电源的功率开关器件的开关动作；所述判断电路根据所述输出电压反馈信号判断所述开关电源的工作状态；所述环路增益调节电路根据所述判断电路的判断结果对控制电路的环路增益进行调节。

Description

一种快速响应的控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源的控制电路，尤其涉及一种快速响应的控制电路及其控制方法。
背景技术
开关电源由功率级电路和控制电路两部分组成。控制电路的功能是在输入电压、内部参数和外接负载变化时，调节功率级电路中的开关系统的导通和关断时间，以使开关电源的输出电压或者输出电流保持恒定。开关电源的控制方式可以分为定频控制和变频控制。图1所示为目前广泛使用的定频控制的开关电源控制电路的原理框图，其工作原理如下：利用电感电流采样电路输出表征电感电流信息的三角波信号Stria，并与斜坡信号进行叠加得到第一控制信号V1；由误差放大器101根据输出电压反馈信号VFB和表征期望输出电压的第一基准电压VREF1输出的信号经过补偿网络ZC的补偿作用后，得到补偿信号VCOMP。比较器102接收并比较所述第一控制信号V1和补偿信号VCOMP，根据比较的结果控制开关电源中开关管Q1的导通动作，而利用定频的时钟信号CLK控制开关管Q1的关断动作。
从以上工作过程可以看出无论开关电源处于何种工作状态，控制电路的环路增益始终保持不变。当开关电源处于稳态时，这并不会对控制的效果造成影响，但是当负载发生突变时，则希望开关电源能够提高响应速度以尽快结束暂态过程使系统恢复至稳态。通过增大控制电路的环路增益能够加快动态响应过程，但必然会减小系统的稳态裕度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种快速响应的控制电路及其控制方法，用以解决现有技术中开关电源控制电路动态响应较慢的问题。
为解决以上技术问题，本发明提供以下技术方案
依据本发明一优选实施例的一种快速响应的控制电路，用以控制开关电源，包括补偿信号发生电路、开关信号发生电路、判断电路和环路增益调节电路；其中，
所述补偿信号发生电路根据开关电源的输出电压反馈信号和第一基准电压的误差产生一补偿信号；
所述开关信号发生电路根据所述补偿信号控制所述开关电源的功率开关器件的开关动作；
所述判断电路根据所述输出电压反馈信号判断所述开关电源的工作状态；
所述环路增益调节电路根据所述判断电路的判断结果对控制电路的环路增益进行调节。
优选的，当所述判断电路判断所述开关电源处于第一工作状态时，所述环路增益调节电路停止工作；
当所述判断电路判断所述开关电源处于第二工作状态时，所述环路增益调节电路增大所述环路增益，以提高控制电路的响应速度。
进一步的，所述判断电路接收所述输出电压反馈信号、大于所述第一基准电压的第一阈值信号、小于所述第一基准电压的第二阈值信号；
当所述输出电压反馈信号在所述第一阈值信号和第二阈值信号组成的区间内时，判断所述开关电源处于第一工作状态；
当所述输出电压反馈信号大于所述第一阈值信号或小于所述第二阈值信号时，判断所述开关电源处于第二工作状态。
优选的，所述环路增益调节电路通过改变所述补偿信号发生电路的增益来调节所述环路增益。
进一步的，包括一开关周期调节电路，所述开关周期调节电路控制开关周期与所述输出电压反馈信号的变化趋势相同。
依据本发明一优选实施例的一种快速响应的控制方法，用以控制开关电源，包括以下步骤：
根据开关电源的输出电压反馈信号和第一基准电压的误差产生一补偿信号；
根据所述补偿信号控制所述开关电源的功率开关器件的开关动作；
根据所述输出电压反馈信号判断所述开关电源的工作状态；
根据开关电源工作状态的判断结果对环路增益进行调节。
优选的，当判断所述开关电源处于第一工作状态时，所述环路增益保持不变；
当判断所述开关电源处于第二工作状态时，增大所述环路增益，以提高控制电路的响应速度。
进一步的，包括以下步骤：接收所述输出电压反馈信号、大于所述第一基
准电压的第一阈值信号、小于所述第一基准电压的第二阈值信号；
当所述输出电压反馈信号在所述第一阈值信号和第二阈值信号组成的区间内时，判断所述开关电源处于第一工作状态；
当所述输出电压反馈信号大于所述第一阈值信号或小于所述第二阈值信号时，判断所述开关电源处于第二工作状态。
优选的，通过改变所述补偿信号发生电路的增益来调节所述环路增益。
进一步的，包括以下步骤：控制开关周期与所述输出电压反馈信号的变化趋势相同。
依据本发明所提供的开关电源控制电路，需要首先对开关电源的工作状态做出判断，并根据判断的结果相应调节控制电路的环路增益，这样在稳态工作时维持环路增益的大小从而保证系统的稳态裕度不受影响，在负载突变等动态情况下，增大环路增益以加大环路带宽，进而加快动态响应速度。
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所示为现有的一种定频控制的开关电源控制电路的原理框图；
图2所示为依据本发明第一实施例的控制电路的原理框图；
图3所示为依据本发明第二实施例的控制电路的原理框图；
图4所示为图3所示控制电路的工作波形图；
图5所示为依据本发明的控制电路中开关周期调节电路的原理框图；
图6所示为依据本发明第一实施例的控制方法的流程图；
图7所示为依据本发明第二实施例的控制方法的流程图。
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。
参考图2，所示为依据本发明第一实施例的控制电路的原理框图；为方便说明，在该实施例中，以降压型开关电源为例对快速响应的控制电路的工作原理进行说明。这里，功率开关器件Q1、二极管D0，电感L0和输出电容C0组成一降压型拓扑结构的功率级电路，其输入端接收输入电压VIN，经过转换后的电能为输出负载供电。所述控制电路包括：补偿信号发生电路201、开关信号发生电路202、判断电路203和环路增益调节电路204；其中，
串联连接在输出电压Vout和等电位之间的电阻R1和电阻R2组成的分压电阻网络作为电压反馈电路，接收输出端的输出电压Vout，从而在电阻R1和电阻R2的公共连接端产生一表征输出电压信息的输出电压反馈信号VFB。
所述补偿信号发生电路201接收所述输出电压反馈信号VFB和表征期望输出电压的第一基准电压VREF1，并根据两者的误差产生一补偿信号VCOMP；
所述开关信号发生电路202接收所述补偿信号VCOMP，并据此控制所述开关电源的功率开关器件Q1的开关动作；
所述判断电路203根据所述输出电压反馈信号VFB判断所述开关电源的工作状态；而所述环路增益调节电路204根据所述判断电路203的判断结果对控制电路的环路增益进行调节。具体地，
当所述判断电路203判断所述开关电源处于第一工作状态时，所述环路增益调节电路停止工作；
当所述判断电路203判断所述开关电源处于第二工作状态时，所述环路增益调节电路通过改变所述补偿信号发生电路201的增益来增大所述环路增益，以提高控制电路的响应速度。
可见，依据本发明所提供的开关电源控制电路，需要首先对开关电源的工作状态做出判断，并根据判断的结果相应调节控制电路的环路增益，这样在稳态工作时维持环路增益的大小从而保证系统的稳态裕度不受影响，在负载突变等动态情况下，增大环路增益以加大环路带宽，进而加快动态响应速度。另外，本领域技术人员可以得知：图2中所示的输出电压反馈信号VFB可以通过不同的形式获得，而不限制与实施例中所列举的方法。
以下结合具体的电路结构图详细说明依据本发明的控制电路的实现方法。
参考图3，为依据本发明第二实施例的控制电路的原理框图。其中所述补偿信号发生电路201采用跨导放大器301根据所述输出电压反馈信号VFB和第一基准电压VREF1的误差输出电流对补偿网络中的补偿电容CCOMP进行充放电控制以得到所述补偿信号VCOMP，其中补偿网络也可以采用补偿电容与电阻串联的电路形式。
所述开关信号发生电路202接收所述补偿信号VCOMP；并根据采样得到的电感电流信息输出所述功率开关器件Q1的控制信号Vctrl，并通过驱动器驱动开关，其具体电路结构和工作原理与背景技术中所介绍的控制电路基本相同，在此不再赘述。
所述判断电路203中比较器302的同相输入端接收所述输出电压反馈信号VFB，其反相输入端接收大于所述第一基准电压VREF1的第一阈值信号Vth1（如设定第一阈值信号Vth1数值为102%VREF1），其输出信号经过二极管D1在电阻R3上形成第一判断信号Vde1；比较器303的反相输入端接收所述输出电压反馈信号VFB，其同相输入端接收小于所述第一基准电压VREF1的第二阈值信号Vth2（如设定第二阈值信号Vth21数值为98%VREF1），其输出信号经过二极管D2在电阻R4上形成第二判断信号Vde2。
所述环路增益调节电路204包括跨导放大器304和跨导放大器305，其中所述跨导放大器304的反相输入端接收所述第一判断信号Vde1，其同相输入端接至等电位；而所述跨导放大器305的同相输入端接收所述第二信号Vde2，其反相输入端接至等电位；所述跨导放大器304和跨导放大器305的输出端均与所述跨导放大器301的输出端相连接。
由所述判断电路203和环路增益调节电路204的电路组成可以推知其工作原理如下：
当所述输出电压反馈信号VFB在所述第一阈值信号Vth1第二阈值信号Vth2组成的区间内时，所述开关电源处于稳态工作状态（第一工作状态）；所述第一判断信号Vde1和第二判断信号Vde2均为低电平无效状态，相应的所述跨导放大器304和跨导放大器305的输出端没有电流输出，所述环路增益调节电路204停止工作，因此所述补偿信号发生电路的增益并未受到任何影响。
当所述输出电压反馈信号VFB大于所述第一阈值信号Vth1或小于所述第二阈值信号Vth2时，所述开关电源处于动态响应状态（第二工作状态）；此时所述第一判断信号Vde1或第二判断信号Vde2为高电平有效状态，相应的所述跨导放大器304的输出进一步增大了所述补偿电容CCOMP的放电电流，或跨导放大器305输出一定正向电流增大了所述补偿电容CCOMP的充电电流，因此所述补偿信号发生电路的增益相应增大，导致整个控制环路的增益增大。
参考图4，所示为图3所示实施例中所述补偿信号VCOMP、输出电压Vout的波形图，其中实线表示依据本发明的控制电路波形图，而虚线表示背景技术中的控制电路的波形图。通过对比可以非常清楚的看出：当输出电压反馈信号大于所述第一阈值信号时（对应图形（a））或小于所述第二阈值信号时（对应图形（b）），依据本发明的控制电路中由于改变了补偿信号发生电路的增益，因此所述补偿信号VCOMP的变化速率更快，调节开关管占空比的速度也会相应的更快，所以能更快地调节输出电压Vout至稳定状态。
在图3所示的实施例中，开关电源采用定频控制，即频率一定的时钟信号CLK控制开关的关断动作，因此当负载发生跳变的时候，必须要等到下一个时钟信号到来时系统才能够做出响应。同时，由于系统处于第二工作状态时（动态响应），环路增益调节电路如果将环路增益调节得过大，环路带宽会相应增大，系统将可能在第一工作状态和第二工作状态之间来回切换若干次。为解决上述问题，依据本发明的快速响应的控制电路可以进一步包括一开关周期调节电路用以控制开关周期与所述输出电压反馈信号的变化趋势相同。
具体的，可以通过改变开关信号发生电路中的时钟信号CLK的频率来实现。以下结合图5所示电路来详细说明生成随变的时钟信号CLK以对开关周期进行调节的具体实现方式。为方便说明，附图5中仅仅示出了开关周期调节电路（生成时钟信号CLK），系统的其余部分在此省略。
所述开关周期调节电路中包括一压控电流源，可以根据所述输出电压反馈信号VFB和第一基准电压VREF1之间的差值改变输出电流的大小和方向，以改变电容CSW的电压上升至电压源Vs1的时间。当输出电压反馈信号VFB大于第一基准电压VREF1时，电容CSW的电压上升速度变慢，导致时钟信号CLK的周期变长；相反，当输出电压反馈信号VFB小于第一基准电压VREF1，电容CSW的电压上升速度变快，导致时钟信号CLK的周期变短，从而控制了开关周期与所述输出电压反馈信号的变化趋势相同，这样当负载发生突变时，等待下一个时钟信号到来的时间会相应减小或增大，从而使输出电压的不至于发生太大的改变，同时在动态过程中由于开关频率的改变，使得动态过程中带宽提高的同时仍有足够的稳态裕量，从而实现系统在第一工作状态和第二工作状态之间的平稳过渡。
以下对依据本发明一实施例的快速响应的控制方法进行详细说明，所述快速响应的控制方法用以控制一开关电源。参考图6，所示为依据本发明的第一实施例的控制方法的流程图。其具体包括以下步骤：
S601：根据开关电源的输出电压反馈信号和第一基准电压的误差产生一补偿信号；
S602：根据所述补偿信号控制所述开关电源的功率开关器件的开关动作；
S603：根据所述输出电压反馈信号判断所述开关电源的工作状态；
S604：根据开关电源工作状态的判断结果对环路增益进行调节。
在上述的判断开关电源的工作状态的步骤S603中，进一步包括以下步骤：
接收所述输出电压反馈信号、大于所述第一基准电压的第一阈值信号、小于所述第一基准电压的第二阈值信号；
当所述输出电压反馈信号在所述第一阈值信号和第二阈值信号组成的区间内时，判断所述开关电源处于第一工作状态；
当所述输出电压反馈信号大于所述第一阈值信号或小于所述第二阈值信号时，判断所述开关电源处于第二工作状态。
优选的，步骤S604中通过改变所述补偿信号发生电路的增益来调节所述环路增益。
进一步的，上述控制方法还包括控制开关周期与所述输出电压反馈信号的变化趋势相同。
参考图7，所示为依据本发明的第二实施例的控制方法的流程图，其在图6中根据判断结果调节环路增益的步骤S604中进一步加入以下步骤：
S701：当判断所述开关电源处于第一工作状态时，所述环路增益保持不变；
S702：当判断所述开关电源处于第二工作状态时，增大所述环路增益，以提高控制电路的响应速度。
本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
依照本发明的实施例如上文所述，这些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例。显然，根据以上描述，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，是为了更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很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种快速响应的控制电路，用以控制开关电源，其特征在于，包括补偿信号发生电路、开关信号发生电路、判断电路和环路增益调节电路；其中，
所述补偿信号发生电路根据开关电源的输出电压反馈信号和第一基准电压的误差产生一补偿信号；
所述开关信号发生电路根据所述补偿信号控制所述开关电源的功率开关器件的开关动作；
所述判断电路根据所述输出电压反馈信号判断所述开关电源的工作状态；
所述环路增益调节电路根据所述判断电路的判断结果对控制电路的环路增益进行调节；
当所述判断电路判断所述开关电源处于第一工作状态时，所述环路增益调节电路停止工作；
当所述判断电路判断所述开关电源处于第二工作状态时，所述环路增益调节电路增大所述环路增益，以提高控制电路的响应速度；
所述判断电路接收所述输出电压反馈信号、大于所述第一基准电压的第一阈值信号、小于所述第一基准电压的第二阈值信号；
当所述输出电压反馈信号在所述第一阈值信号和第二阈值信号组成的区间内时，判断所述开关电源处于第一工作状态；
当所述输出电压反馈信号大于所述第一阈值信号或小于所述第二阈值信号时，判断所述开关电源处于第二工作状态。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述环路增益调节电路通过改变所述补偿信号发生电路的增益来调节所述环路增益。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，进一步包括一开关周期调节电路，所述开关周期调节电路控制开关周期与所述输出电压反馈信号的变化趋势相同，通过改变开关信号发生电路中的时钟信号的频率来实现。
4.一种快速响应的控制方法，用以控制开关电源，其特征在于，包括以下步骤：
根据开关电源的输出电压反馈信号和第一基准电压的误差产生一补偿信号；
根据所述补偿信号控制所述开关电源的功率开关器件的开关动作；
根据所述输出电压反馈信号判断所述开关电源的工作状态；
根据开关电源工作状态的判断结果对环路增益进行调节；
当判断所述开关电源处于第一工作状态时，所述环路增益保持不变；
当判断所述开关电源处于第二工作状态时，增大所述环路增益，以提高控制电路的响应速度；
接收所述输出电压反馈信号、大于所述第一基准电压的第一阈值信号、小于所述第一基准电压的第二阈值信号；
当所述输出电压反馈信号在所述第一阈值信号和第二阈值信号组成的区间内时，判断所述开关电源处于第一工作状态；
当所述输出电压反馈信号大于所述第一阈值信号或小于所述第二阈值信号时，判断所述开关电源处于第二工作状态。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，进一步包括，控制开关周期与所述输出电压反馈信号的变化趋势相同。
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