CN103248226A - 平均电流迟滞模式的开关电源控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平均电流迟滞模式的开关电源控制器。本发明公开了一种平均电流迟滞模式的开关电源控制器，改进开关电源的性能。本发明的技术方案是，平均电流迟滞模式开关电源控制器，包括基准模块、误差放大器、补偿网络、电感电流采样模块、迟滞比较器模块、逻辑模块、驱动模块、功率器件、检测电路和保护电路。本发明电路结构简单，采用的电感很小。负载瞬态响应速度快，抗电磁干扰能力强，自身产生的噪声小。电路工作模式为连续工作模式，无需斜率补偿。电路具有限流保护和短路保护功能，轻载时输出纹波小。适用于基于BCD工艺和BiCMOS的工艺集成芯片。

Description

平均电流迟滞模式的开关电源控制器

技术领域

本发明涉及开关电源集成电路，特别涉及一种平均电流迟滞模式的开关电源控制器。

技术背景

目前，DC/DC功率变换器的控制模式主要有电压模式控制、电流模式控制和电压迟滞模式控制三种，三种控制模式都有各自的应用范围。电压模式控制具有环路简单（只有一个单一的电压反馈路径），调制稳定，对噪声不敏感，能在很宽的占空比范围内工作的优点；但是它的环路增益受输入电压的影响大，输出端口的LC滤波器产生的双极点需要复杂的TYPEⅢ频率补偿才能使系统稳定，对输入电压变化的响应速度慢而且控制器必须单独实施电流限制。电流模式控制的优势在于他以电流作为控制参数，本身具有限流和短路保护功能，变压器不存在磁芯饱和的问题，并且具有优良的网压调节功能；但是该模式在占空比大于50%时会发生电流扰动，输入电压下降时电流内环和电压外环会对输出电压产生相反的作用，这两种因素都会使系统形式振荡。斜率补偿的方式可以使系统稳定，不过采用这种方式会增加芯片的面积和功耗。电压迟滞模式有卓越的负载电流瞬态响应特性，采用极少的大容量输出电容器，从而节省成本，但是它没有频率补偿网络，需要非常严格的工作条件（输入输出电压范围、温度和负载电流调节范围）而且它本身采取采样输出电压纹波的方式进行窗口比较，他的抗电磁干扰的能力很弱。所以以上三种控制模式都有其工作的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种平均电流迟滞模式的开关电源控制器，改进开关电源的性能。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，平均电流迟滞模式开关电源控制器，包括基准模块、误差放大器、补偿网络、电感电流采样模块、迟滞比较器模块、逻辑模块、驱动模块、功率器件、检测电路和保护电路；

误差放大器的同相输入端接基准信号，反相输入端接反馈信号，误差放大器输出信号经过频率补偿网络进入到迟滞比较器模块的同相输入端，与电感电流采样模块的输出电压相比较，迟滞比较器模块的输出先后经过逻辑模块和驱动模块连接到功率器件的控制端；基准模块连接输入电压，产生三个输出，分别是：接入误差放大器同相输入端的基准信号、控制器供电电源和驱动模块供电电源；检测模块用来检测控制器在工作时的各种瞬态参数，包括输入输出电压、输入电流、负载电流、温度和噪声；保护模块用于给控制器提供保护，当检测模块检测到错误信号时，保护模块立即启动保护整个控制器；所述逻辑模块输入接迟滞比较模块和保护模块，输出接驱动模块；所述驱动模块用来整形逻辑模块输出信号波形，其输出信号具有一定的电流驱动能力，以便快速的控制功率器件的导通和关断。

进一步的，所述电感电流采样模块由功率器件高电位端或低电位端串联的电阻构成。

具体的，所述功率器件为绝缘栅双极型晶体管或功率三极管或功率场效应管。

本发明的有益效果是，电路结构简单，采用的电感很小。负载瞬态响应速度快，抗电磁干扰能力强，自身产生的噪声小。电路工作模式为连续工作模式，无需斜率补偿。电路具有限流保护和短路保护功能，轻载时输出纹波小。适用于基于BCD工艺和BiCMOS的工艺集成芯片。特别适用于体积小、供电电压低、效率要求高的便携式移动设备。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是图1中电感电流采样模块的一种实现方式；

图3是图1中电感电流采样模块的另一种实现方式；

图4是图1中电感电流采样模块的再一种实现方式；

图5是图1中迟滞比较器模块的一种实现方式；

图6是图1中迟滞比较器模块的另一种实现方式；

图7是图1中迟滞比较器模块的再一种实现方式；

图8是本发明的控制器在恒压输出时的一种实施电路图；

图9是本发明的控制器在恒流输出时的一种实施电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明一种平均电流迟滞模式开关电源控制器在具体应用中的一种实施电路图。该实施例包括：包括基准模块107、误差放大器102、补偿网络103、电感电流采样模块101、迟滞比较器模块104、逻辑模块105、驱动模块107和功率器件108、检测模块109和保护模块110。

具体为：误差放大器102的同相输入端接基准信号Ref（可以是电压信号或电流信号），反向端接反馈信号FB，输出端经过频率补偿网络103到迟滞比较器模块104的同相输入端与电感电流采样模块101的输出电压相比较，比较器的输出先后经过逻辑模块105和驱动模块106到功率器件108的控制端。基准模块107连接输入电压，产生三个输出信号，分别是接入误差放大器102同相输入端的基准信号Ref，控制器供电电源Vdd和驱动模块107供电电源Vdc。检测模块109用来检测控制器在工作时的各种瞬态参数包括输入输出电压、输入电流、负载电流、温度和噪声。保护模块110用于给控制器提供保护，当检测模块109检测到错误信号时，保护模块110立即启动保护整个控制器。

图2是电感电流采样模块101的一种实现方式，其中RS1、R1、R2、R3、R4为相应电阻的阻值。采样电阻1011一端接电感201，另一端接功率器件108（图2中为功率场效应管）的高电位端漏极。运算放大器1012、电阻1013、1014、1015、1016构成差动放大器，他输出采样电阻1011两端的电压差并放大。这里设定R₁=R₂，R₃=R₄。

$V_{\mathrm{sensel}}=\frac{R_1}{R_2}\left(I_L{R}_{S1}\right)$

式中V_sense1为采样电阻1011的输出电压，I_L为电感电流。

图3是电感电流采样模块101的另一种实现方式，其中RS2、R5、R6、R7、R8为相应电阻的阻值。采样电阻1111一端接功率器件108的低电位端源极，另一端接地。运算放大器1112、电阻1113、1114、1115、1116构成差动放大器，他输出采样电阻1111两端的电压差并放大。这里设定R₅=R₆，R₇=R₈。

$V_{\mathrm{sense}2}=\frac{R_5}{R_6}\left(I_L{R}_{S2}\right)$

式中V_sense2为采样电阻1111的输出电压，I_L为电感电流。

图4是电感电流采样模块101的再一种实现方式。这里包括两只采样电阻1211和1217其阻值分别为RS3和RS4，其他相应电阻阻值分别为R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16。采样电阻1211的一端接功率器件的源极，另一端接地。运算放大器1212、电阻1213、1214、1215、1216构成差动放大器，他输出采样电阻1211两端的电压差并放大。这里设定R₉=R₁₁，R₁₂=R₁₀。

$V_{\mathrm{sense}3}=\frac{R_9}{R_{10}}\left(I_L{R}_{S3}\right)$

式中V_sense3为采样电阻1211的输出电压，I_L为电感电流。采样电阻1217的一端接功率器件漏极（或集电极），另一端接续流二极管202的阳极。运算放大器1220、电阻1218、1219、1221、1222构成差动放大器，他输出采样电阻1217两端的电压差并放大。这里设定R₁₄=R₁₅，R₁₃=R₁₆。

$V_{\mathrm{sense}4}=\frac{R_{15}}{R_{16}}\left(I_L{R}_{S4}\right)$

式中V_sense4为采样电阻1217的输出电压，I_L为电感电流。采样输出3和采样输出4可以分别输入到迟滞比较器模块104中进行比较。也可以如附图4的方法，由1223进行一次求和运算得到采样输出5，再进入迟滞比较器模块104中。

迟滞比较器模块可以采用本身具有迟滞功能的比较器实现，也可以通过电感电流分段采样分别进入迟滞比较器模块或者求和后进入迟滞比较器模块，还可以按照附图5、6、7等方式达到效果。由于输入信号较小，迟滞比较器模块必须具有到地的输入共模范围。

图5是迟滞比较器模块104的一种实现方式。它的同相输入端接误差放大器102和补偿网络103的输出，电阻1044、1045起限流的作用，通过设定它们的比可以限制流过功率器件108的电流大小，同时它们的分压形成了迟滞比较器模块的下限电压VL1。运放1043，电阻1046、1047构成同向放大器，它产生迟滞比较器模块的上限电压VH1。迟滞比较器模块的反相输入端接入的是电感电流采样模块101输出的采样波形，当采样电压高于上限电压VH1时，比较器1041输出端R_IN产生高电平，当采样电压低于下限电压VL1时，比较器1042输出端S_IN产生高电平。迟滞比较器模块104的输出（包括R_IN和S_IN）接入逻辑模块105。

$V_{L1}=V_{\mathrm{ea}}\frac{R_{18}}{R_{17}+R_{18}}$

$V_{H1}=V_{L1}\frac{R_{19}+R_{20}}{R_{19}}=V_{\mathrm{ea}}\frac{R_{18}(R_{19}+R_{20})}{R_{19}(R_{17}+R_{18})}$

其中V_ea为误差放大器102经过补偿网络的比较器同向输入电压。

图6是迟滞比较器模块104的另一种实现方式。误差放大器102经过补偿网络的信号进入比较器模块的同相端，这个信号经过两个运算器模块1143、1144得到比较器的上下限电位VH2和VL2。运算器模块的作用是将输入信号和基准信号进行加减乘除等一系列运算，从而得到所需要的VH2、VL2，VH2输入到比较器1141的反相输入端，VL2输入到比较器1142的同相输入端。迟滞比较器模块的反相输入端接入的是电感电流采样模块101输出的采样波形，当采样电压高于上限电压VH2时，比较器1041输出端R_IN产生高电平，当采样电压低于下限电压VL2时，比较器1042输出端S_IN产生高电平。迟滞比较器的输出端接入逻辑模块105。

V_H2=f₁(V_ea,V_ref1,V_ref2)

V_L2=f₂(V_ea,V_ref1,V_ref2)

其中V_ea为误差放大器102经过补偿网络的比较器同向输入电压，f₁、f₂分别为运算器模块1143、1144的函数，V_ref1、V_ref2为基准信号。

图7是迟滞比较器模块104的再一种实现方式。误差放大器102经过补偿网络的信号进入比较器模块的同相端，该信号通过电阻1243、1244、1245串联分压得到VH3和VL3，其中电阻1243其限流作用。VH3输入到比较器1141的反相输入端，VL3输入到比较器1142的同相输入端。迟滞比较器模块的反相输入端接入的是电感电流采样模块101输出的采样波形，当采样电压高于上限电压VH3时，比较器1041输出端R_IN产生高电平，当采样电压低于下限电压VL3时，比较器1042输出端S_IN产生高电平。迟滞比较器模块104的输出接入逻辑模块105。

$V_{H3}=V_{\mathrm{ea}}\frac{R_{22}+R_{23}}{R_{21}+R_{22}+R_{23}}$

$V_{L3}=V_{\mathrm{ea}}\frac{R_{23}}{R_{21}+R_{22}+R_{23}}$

其中V_ea为误差放大器102经过补偿网络的比较器同向输入电压。

图8是本发明一种平均电流迟滞模式的开关电源控制器在恒压输出时的一种实施电路图。电感201一端接至输入电源输入端，另一端连电感电流采样模块101。电感电压采样模块的另一端接功率管108的漏极（集电极）及续流二极管202阳极，续流二极管阴极连接到电容203、负载电阻204及电阻分压器205电容203、电阻204及分压器206的另一端接地。正常工作时，由于误差放大器102两输入端电压近似相等，电阻分压器205、206确定了输出电压的大小

$V_{\mathrm{out}}=\frac{R_a+R_b}{R_b}{V}_{\mathrm{ref}}$

图9是本发明一种平均电流迟滞模式的开关电源控制器在恒流输出时的一种实施电路。与恒压输出不同的是，该实施例中平均输出电流通过一个采样电阻207形成反馈电压输入到误差放大器102的反相输入端，达到恒定输出电流的目的。输出电流的值为

$I_o=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_F}$

综上所述，本发明提出了一种平均电流迟滞模式的开关电源控制器，它的实现方式简单，工作于连续电流模式，不需要斜率补偿，有很好的负载瞬变响应能力，噪声抑制能力和短路保护能力，具体应用中有外部储能元件体积小，轻载时电压纹波小等特点。

本发明中，上述功率器件除了可以采用功率场效应管外，也可以采用绝缘栅双极型晶体管或功率三极管等半导体器件。

Claims (3)

1.平均电流迟滞模式的开关电源控制器，包括基准模块、误差放大器、补偿网络、电感电流采样模块、迟滞比较器模块、逻辑模块、驱动模块、功率器件、检测电路和保护电路；

误差放大器的同相输入端接基准信号，反相输入端接反馈信号，误差放大器输出信号经过频率补偿网络进入到迟滞比较器模块的同相输入端，与电感电流采样模块的输出电压相比较，迟滞比较器模块的输出先后经过逻辑模块和驱动模块连接到功率器件的控制端；基准模块连接输入电压，产生三个输出，分别是：接入误差放大器同相输入端的基准信号、控制器供电电源和驱动模块供电电源；检测模块用来检测控制器在工作时的各种瞬态参数，包括输入输出电压、输入电流、负载电流、温度和噪声；保护模块用于给控制器提供保护，当检测模块检测到错误信号时，保护模块立即启动保护整个控制器；所述逻辑模块输入接迟滞比较模块和保护模块，输出接驱动模块；所述驱动模块用来整形逻辑模块输出信号波形，其输出信号具有一定的电流驱动能力，以便快速的控制功率器件的导通和关断。

2.根据权利要求1所述平均电流迟滞模式的开关电源控制器，其特征在于，所述电感电流采样模块由功率器件高电位端或低电位端串联的电阻构成。

3.根据权利要求1或2所述平均电流迟滞模式的开关电源控制器，其特征在于，所述功率器件为绝缘栅双极型晶体管或功率三极管或功率场效应管。

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