CN103516217A - 一种可调整斜波补偿斜率的开关电源 - Google Patents

Abstract

一种可调整斜波补偿斜率的开关电源，基于峰值电流模Buck电路的结构，包括输入电压源、同步整流电路、峰值电流检测电路、输出滤波电路、误差放大器、脉宽调制控制电路、斜波补偿电路、基准电压源及加法器电路；其特征在于：将斜波补偿电路予以改进并在改进的斜波补偿电路的输入端增设与输出滤波电路的输出V _o值相关的第二基准电压源，当输入电压源固定不变，通过采样误差放大器输入端基准电压V _ref的变化使输出滤波电路的输出V _o相应变化导致峰值电流模电路中占空比D发生变化时，实现可变斜率的斜波补偿。

Description

一种可调整斜波补偿斜率的开关电源

技术领域

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种可调整斜波补偿斜率的开关电源，属于微电子技术领域。

背景技术

在开关电源设计中，瞬态响应这个指标变得越来越重要。瞬态响应是指系统在某一典型信号输入作用下，其系统输出量从初始状态到稳定状态的变化过程，它是衡量一个电路设计优劣的重要指标之一。

峰值电流模电路在开关电源电路中的应用越来越广泛，峰值电流模包含外部电压环和内部电流环。当占空比D较大时，输出电压将会出现次谐波振荡。此时就要对内部峰值电流采样环路进行斜波补偿，来消除次谐波振荡，维持输出的稳定性。一般情况下开关电源的输入和输出电压是一个范围，内部电流环的斜波补偿是根据电路的工作周期通过电流源给电容周期性充电来构建一个斜率固定的锯齿波。但是当输入电压不变，占空比D减小时，对于固定的斜波补偿的斜率，整个开关电源系统环路的带宽会减小，相位裕度也会减小，这将造成输出电压瞬态响应的速度变慢。为了保证D发生变化时，环路的带宽和相位裕度变化较小，内部电流环的补偿（即斜波补偿的斜率）将要做相应的调整。

发明内容

本发明的目的是为了解决峰值电流模电路中占空比D发生变化时的斜波补偿的问题而提供的一种可调整斜波补偿斜率的开关电源，其技术方案如下：

一种可调整斜波补偿斜率的开关电源，基于峰值电流模Buck电路的结构，包括输入电压源、同步整流电路、峰值电流检测电路、输出滤波电路、误差放大器、脉宽调制控制电路、斜波补偿电路、基准电压源及加法器电路；输入电压源的输出连接同步整流电路，同步整流电路的输出连接峰值电流检测电路，峰值电流检测电路的输出分别连接输出滤波电路及加法器电路，输出滤波电路的输出V_o及基准电压源的输出V_ref分别连接误差放大器，基准电压源的输出V_ref还连接斜波补偿电路，斜波补偿电路的输出连接加法器电路，加法器电路及误差放大器的输出分别连接脉宽调制控制电路，脉宽调制控制电路的输出连接同步整流电路；其特征在于：将斜波补偿电路予以改进并在改进的斜波补偿电路的输入端增设与输出滤波电路的输出V_o值相关的第二基准电压源，当输入电压源固定不变，通过采样误差放大器输入端基准电压V_ref的变化使输出滤波电路的输出V_o相应变化导致峰值电流模电路中占空比D发生变化时，实现可变斜率的斜波补偿；

改进的斜波补偿电路包括三个电流源I1、I2、I3，四个开关S1、S2、S3、S6，三个与门And1、And2、And3，六个比较器Comp2、Comp3、Comp4、Comp5、Comp6、Comp7，一个电容C和一个脉冲发生器Vpulse2；电流源I1、I2、I3的负端均接地，电流源I1、I2、I3的正端分别连接开关S1、S2、S3的一端，开关S1、S2、S3的另一端连接在一起作为改进的斜波补偿电路的输出端与加法器电路的输入端、开关S6及电容C的一端连接，开关S6的控制端连接脉冲发生器Vpulse2的输出，脉冲发生器Vpulse2的输入端、开关S6及电容C的另一端均接地，开关S1、S2、S3的控制端分别连接与门And1、And2、And3的输出端，与门And1的两个输入端分别连接比较器Comp2、Comp3的输出端，与门And2的两个输入端分别连接比较器Comp4、Comp5的输出端，与门And3的两个输入端分别连接比较器Comp6、Comp7的输出端，比较器Comp2的负输入端与比较器Comp3的正输入端以及比较器Comp4的负输入端、比较器Comp5的正输入端、比较器Comp6的负输入端、比较器Comp7的正输入端连接在一起与基准电压源的输出V_ref连接；

第二基准电压源包括四个与输出滤波电路的输出V_o值相关、不同基准电压值的基准电压源V_omax、(2V_omax+V_omin)/3、(V_omax+2V_omin)/3及V_omin，基准电压源V_omax连接比较器Comp2的正输入端，基准电压源(2V_omax+V_omin)/3连接比较器Comp3的负输入端和比较器Comp4的正输入端，基准电压源(V_omax+2V_omin)/3连接比较器Comp5的负输入端和比较器Comp6的正输入端，基准电压源V_omin连接比较器Comp7的负输入端。

与现有技术比较，本发明具有如下优点：

（1）当输入电压固定不变，通过采样误差放大器一端基准电压V_ref的变化，来选择斜波补偿的斜率，当基准电压变化时，可以迅速的选择相应的电流源给斜波补偿电路中的电容充电，生成相应的斜波补偿电路达到调整斜波补偿斜率的效果。

（2）能够消除开关电源中峰值电流模电路的次谐波振荡，同时提高输出电压瞬态变化的响应速度。当占空比D减小时，能够减小斜波补偿的斜率，提高基准电压瞬间变化时输出电压瞬态响应速度。

（3）电路简单，无需专用集成电路的复杂控制，成本低，可靠性好。

附图说明

图1是现有技术基于峰值电流模Buck电路的开关电源电路的方框图；

图2是本发明电路的方框图；

图3是图1的电路原理图；

图4是图2的电路原理图；

图5是本发明电路的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，现有技术基于峰值电流模Buck电路的开关电源电路包括输入电压源1、同步整流电路2、峰值电流检测电路3、输出滤波电路4、误差放大器8、脉宽调制控制电路10、斜波补偿电路5、基准电压源7及加法器电路9；输入电压源1的输出连接同步整流电路2，同步整流电路2的输出连接峰值电流检测电路3，峰值电流检测电路3的输出分别连接输出滤波电路4及加法器电路9，输出滤波电路4的输出V_o及基准电压源7的输出V_ref分别连接误差放大器8，基准电压源7的输出V_ref还连接斜波补偿电路5，斜波补偿电路5的输出连接加法器电路9，加法器电路9及误差放大器8的输出分别连接脉宽调制控制电路10，脉宽调制控制电路10的输出连接同步整流电路2。图3是图1的具体电路，为现有已知电路。

与图1比较，本发明的方框图2对斜波补偿电路5进行了改进并增加了斜波补偿电路5输入端的第二基准电压源6。图2的具体实施电路如图4，与图3比较，除斜波补偿电路5和第二基准电压源6外，其余电路与现有技术图3相同。改进后的可变斜率斜波补偿电路5设有三个电流源I1、I2、I3，四个开关S1、S2、S3、S6，三个与门And1、And2、And3，六个比较器Comp2、Comp3、Comp4、Comp5、Comp6、Comp7，一个电容C和一个脉冲发生器Vpulse2；电流源I1、I2、I3的负端均接地，电流源I1、I2、I3的正端分别连接开关S1、S2、S3的一端，开关S1、S2、S3的另一端连接在一起作为改进的斜波补偿电路的输出，与加法器电路的输入端、开关S6及电容C的一端连接，开关S6的控制端连接脉冲发生器Vpulse2的输出，脉冲发生器Vpulse2的输入端、开关S6及电容C的另一端均接地（开关S6、电容C以及脉冲发生器Vpulse2之间的连接关系同图3现有技术）。开关S1、S2、S3的控制端分别连接与门And1、And2、And3的输出端，与门And1的两个输入端分别连接比较器Comp2、Comp3的输出端，与门And2的两个输入端分别连接比较器Comp4、Comp5的输出端，与门And3的两个输入端分别连接比较器Comp6、Comp7的输出端，比较器Comp2的负输入端与比较器Comp3的正输入端以及比较器Comp4的负输入端、比较器Comp5的正输入端、比较器Comp6的负输入端、比较器Comp7的正输入端连接在一起与基准电压源的输出V_ref连接；

第二基准电压源6包括四个与输出滤波电路的输出V_o相关、不同基准电压值的基准电压源V_omax、(2V_omax+V_omin)/3、(V_omax+2V_omin)/3及V_omin，V_omax连接比较器Comp2的正输入端，(2V_omax+V_omin)/3连接比较器Comp3的负输入端和比较器Comp4的正输入端，(V_omax+2V_omin)/3连接比较器Comp5的负输入端和比较器Comp6的正输入端，V_omin连接比较器Comp7的负输入端。

如图3、图4所示，现有技术输出滤波电路4包括电感L、电感L中的寄生电阻R_L、电容C1、电容中的寄生电阻R_C1以及输出负载电阻R1。输入电压源V_in通过同步整流电路2将能量传递给输出滤波电路4。同步整流电路2包括两个MOSFET管S4、S5，S4和S5相连的一端接峰值电流检测电路的输入端，用以检测流入电感L中的电流。误差放大器8是一个跨导误差放大器，它对电路进行补偿，有一个极点和一个零点。跨导误差放大器的反相输入端接输出电压V_o，正相输入端接基准电压源V_ref，通过两端电压值V_o和V_ref的比较，将误差信号放大送至脉宽调制控制电路10中。脉宽调制控制电路10是一个PWM驱动电路，包括比较器Comp1、两个或非门Nor1和Nor2、反相器Inv和脉冲发生器Vpulse1，比较器Comp1的反相端接误差放大器电路8的输出端Vea，正相端是加法器电路9的输出端。加法器Sum将采样电流转换成的电压波形与斜波补偿的电压波形相加，比较器Comp1通过比较两端的电压产生一个脉冲驱动信号，用以控制同步整流电路2。

工作原理如下：

1）在同步整流电路2中，S4为整流管，S5为续流管，两者交替开关。S4与直流输入电压V_in串联，通过S4的开通与关断，在S4的右端产生方波电压。采用恒频控制方式，占空比可调，S4导通时间为T_on，当S4导通时，电流通过串联L和R_L流入输出端。当S4关断时，L产生反电动势，使S4右端电压迅速减小，被S5迅速钳位到某个值。由于S5是MOS管，其导通电阻比续流二极管小很多，所以同步整流电路在大电流的重载情况下，功耗很低。

2）输出滤波电路4中，L和C1都有储能作用，当S4关断时刻，负载电流及电压V_o由这两者来保证。

3）峰值电流采样电路3通过采样S4和电感L之间的电流，然后电流通过采样电阻R_S转换成采样电压，R_S也称为采样系数，即电感电流放大的倍数。

4）误差放大器电路8将输出电压V_o与基准电压V_ref进行比较，被放大的误差信号V_ea被输入到脉宽调制器（电压比较器）PWM的一端。PWM的另一端是电流检测过来的电压波形V_i。当占空比D较大时，输出端会产生次谐波振荡，此时需要斜波补偿电路来消除次谐波振荡，此时V_i是电流检测过来的电压波形和斜波补偿的电压波形之和。

5）脉宽调制控制电路10的V_i端是电流检测过来的电压波形和斜波补偿的电压波形之和，V_ea是被放大了的误差波形，电压比较器将V_ea和V_i端的电压波形进行比较，产生矩形波脉冲，它从锯齿波起点开始到与误差放大器输出电压交点结束。两个或非门构成一个RS触发器，脉冲发生器的频率是整个电路的工作频率，脉宽很小，配合电压比较器产生的矩形波脉冲，从而产生恒频的脉冲驱动信号，驱动同步整流电路中的S4和S5，从而达到控制整个电路正常工作的目的。

当输入电压V_in固定不变时，输出电压V_o随基准电压V_ref变化而变化，占空比D将变化，但V_o有一个变化范围V_omin～V_omax，会存在D_min、(D_min+D_max)/2、D_max。当D=D_max时，斜波补偿的斜率M_a=M₁，若对于固定的充电电容C，此时充电电流源为I1，系统环路的带宽为f_BH1，相位裕度为θ₁。对于固定的斜波补偿的斜率M₁，当D_max时，系统环路的带宽和相位裕度最大；当D<D_max时，系统环路的带宽f_BH<f_BH1，相位裕度θ<θ₁。通过Matlab仿真，当D=(D_min+D_max)/2时，调整斜波补偿的斜率M_a，使系统环路的带宽为f_BH1，相位裕度为θ₁，此时的M_a=M₂，M₂<M₁，对于固定的充电电容C，此时的充电电流源为I2。当D=D_min时，调整斜波补偿的斜率M_a，使系统环路的带宽为f_BH1，相位裕度为θ₁，此时的M_a=M₃，M₃<M₁，对于固定的充电电容C，此时的充电电流源为I3。

脉冲发生器Vpulse2的工作频率为电路的开关频率f，周期为T，脉冲的导通时间t_on接近T，t_off较小，为电容C回路的放电时间。当改变基准电压V_ref的值时则有不同的输出电压V_o，输出电压范围为V_omin～V_omax。通过比较器Comp2、Comp3、Comp4、Comp5、Comp6以及Comp7与误差放大器正端的基准电压源V_ref进行比较，当V_omin<V_ref<(V_omax+2V_omin)/3时，S3=1，S2=0，S1=0，开关S3导通，电流I3给电容C充电，产生谐波补偿，此时斜波补偿的斜率为M₃，即D=D_min时的斜率；当(V_omax+2V_omin)/3<V_ref<(2V_omax+V_omin)/3时，S3=0、S2=1，S1=0，开关S₂导通，电流I2给电容C充电，产生谐波补偿，此时斜波补偿的斜率为M₂，即D=(D_min+D_max)/2时的斜率。当(V_omax+2V_omin)/3<V_ref<V_omax时，S3=0、S2=0，S1=1，开关S1导通，电流I1给电容C充电，产生谐波补偿，此时斜波补偿的斜率为M₁，即D=D_max时的斜率。通过产生具有不同斜率的斜波补偿电路，来调节环路的带宽和相位裕度，加快了输出电压的瞬态响应速度。

参数及说明如下：

输入V_in=2.7～4.5V，输出V_o=0.9～1.5V，开关频率f=6MHz，输出电阻R1=2.4Ω，V_omin=0.9V，V_omax=1.5V。

当输入电压V_in=2.7V固定不变时，当V_ref=1.5V时，输出电压V_o=1.5V，此时占空比D最大，D_max=0.56。此时斜波补偿斜率M_a=6e+5，若产生锯齿波的充电电容C=5uF，则充电电流源I1=3A，环路的带宽为340KHz，相位裕度为81°。

当调整V_ref=0.9V时，输出电压V_o=0.9V时，此时占空比D最小，D_min=0.33。若要保证此时的环路带宽为340KHz，相位裕度为81°，则斜波补偿的斜率M_a=3e+5，给电容充电的电流源I3=1.5A。

当调整V_ref=1.2V时，输出电压V_o=1.2V时，此时的占空比D=(D_min+D_max)/2=0.44。同时要保证此时环路的带宽为340KHz，相位裕度为81°，则斜波补偿的斜率M_a=4.5e+5，给电容充电的电流源I2=2.25A。

故当输入电压固定不变，输出电压0.9V<V_o<1.1V时，S3导通，I3给电容充电；当1.1V<V_o<1.3V时，S2导通，I2给电容充电；当1.3V<V_o<1.5V时，S1导通，I1给电容充电。以此来达到调整斜波补偿斜率的目的。

如图5所示，当基准电压从1V调整到1.4V时，输出电压则相应的从1V调整到1.4V，虚线波形是未采用本发明结构电路的输出负载瞬态响应波形图，实线波形是采用本发明结构电路的输出负载瞬态响应波形图，从图中可以明显看出，采用本发明结构电路可以明显加快输出负载的瞬态响应。

本发明不局限上述的实现方式，凡是采用调整斜波补偿斜率的方法达到加快输出负载瞬态响应的目的都在本专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可调整斜波补偿斜率的开关电源，基于峰值电流模Buck电路的结构，包括输入电压源、同步整流电路、峰值电流检测电路、输出滤波电路、误差放大器、脉宽调制控制电路、斜波补偿电路、基准电压源及加法器电路；输入电压源的输出连接同步整流电路，同步整流电路的输出连接峰值电流检测电路，峰值电流检测电路的输出分别连接输出滤波电路及加法器电路，输出滤波电路的输出V _o及基准电压源的输出V _ref分别连接误差放大器，基准电压源的输出V _ref还连接斜波补偿电路，斜波补偿电路的输出连接加法器电路，加法器电路及误差放大器的输出分别连接脉宽调制控制电路，脉宽调制控制电路的输出连接同步整流电路；其特征在于：将斜波补偿电路予以改进并在改进的斜波补偿电路的输入端增设与输出滤波电路的输出V _o值相关的第二基准电压源，当输入电压源固定不变，通过采样误差放大器输入端基准电压V _ref的变化使输出滤波电路的输出V _o相应变化导致峰值电流模电路中占空比D发生变化时，实现可变斜率的斜波补偿；

改进的斜波补偿电路包括三个电流源I1、I2、I3，四个开关S1、S2、S3、S6，三个与门And1、And2、And3，六个比较器Comp2、Comp3、Comp4、Comp5、Comp6、Comp7，一个电容C和一个脉冲发生器Vpulse2；电流源I1、I2、I3的负端均接地，电流源I1、I2、I3的正端分别连接开关S1、S2、S3的一端，开关S1、S2、S3的另一端连接在一起作为改进的斜波补偿电路的输出端与加法器电路的输入端、开关S6及电容C的一端连接，开关S6的控制端连接脉冲发生器Vpulse2的输出，脉冲发生器Vpulse2的输入端、开关S6及电容C的另一端均接地，开关S1、S2、S3的控制端分别连接与门And1、And2、And3的输出端，与门And1的两个输入端分别连接比较器Comp2、Comp3的输出端，与门And2的两个输入端分别连接比较器Comp4、Comp5的输出端，与门And3的两个输入端分别连接比较器Comp6、Comp7的输出端，比较器Comp2的负输入端与比较器Comp3的正输入端以及比较器Comp4的负输入端、比较器Comp5的正输入端、比较器Comp6的负输入端、比较器Comp7的正输入端连接在一起与基准电压源的输出V _ref连接；

第二基准电压源包括四个与输出滤波电路的输出V _o值相关、不同基准电压值的基准电压源V _omax、 (2V _omax+V _omin)/3、 (V _omax+2V _omin)/3及V _omin，基准电压源V _omax连接比较器Comp2的正输入端，基准电压源(2V _omax+V _omin)/3连接比较器Comp3的负输入端和比较器Comp4的正输入端，基准电压源(V _omax+2V _omin)/3连接比较器Comp5的负输入端和比较器Comp6的正输入端，基准电压源V _omin连接比较器Comp7的负输入端。

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