CN103683929A - 自适应环路补偿方法及电路以及带该补偿电路的开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子领域，公开了一种自适应环路补偿方法及电路以及带该补偿电路的开关电源。方法包括：确定开关电源当前的输出电压；根据输出电压生成偏置电流，偏置电流与输出电压成线性关系；向误差放大电路的偏置控制端输入偏置电流；误差放大电路在偏置电流的控制下，比较开关电源当前的输出反馈电压信号、预设的输出反馈基准信号，生成误差补偿电压，以根据误差补偿电压控制开关电源的输出。应用该技术方案可避免带宽随输出电压变大而变窄的问题，进而有利于确保开关电源具备稳定的瞬态响应性。

Description

自适应环路补偿方法及电路以及带该补偿电路的开关电源

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种自适应环路补偿的方法及电路以及带该补偿电路的开关电源。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

自适应环路补偿是根据开关电源当前的输出反馈对开关电源进行动态控制以实现稳定输出的一项技术。

现有技术中，给误差放大器输入确定的偏置电流，误差放大器（记为EA）比较当前输出反馈电压（记为Vfb）与反映用户期望的输出电压的反馈基准信号（记为Vref1）进行比较，在输出端生成反映当前输出反馈电压与反馈基准信号之间的误差的误差补偿电流信号（记为Ic），通过误差补偿电路得到误差补偿电压信号（记为Vc），从而将该误差补偿电压信号Vc，输入至开关电源的控制电路，以根据误差补偿电压信号实现对开关电源的控制。

但是本发明人在进行本发明的研究过程中发现，现有技术存在以下缺陷：

譬如以Buck型开关电源为例，用于控制开关电源的脉冲宽度调制信号的带宽BWP可以由以下函数式（1）得到

$\mathrm{BWP}=\frac{\mathrm{Rz}\×\mathrm{Gm}\left(\mathrm{EA}\right)\×\mathrm{Gcs}}{2\mathrm{\π}\×\mathrm{Cout}}\×\frac{\mathrm{Vfb}}{\mathrm{Vout}},---\left(1\right),$

其中，Gm(EA)为误差放大器EA的电流增益，Gcs为Vc到输出电流Iout的电流增益。

由函数式（1）可见，在电路结构和参数固定的情况下，带宽BWP随着输出电压Vout的变化而变化。

而通常地，在BUCK型开关电源中，当输出电压Vout最小时，电路的环路稳定性最差，而在输出电压Vout最大时，电路的动态响应特性最差。因此，为了保证在所有输出电压下环路都稳定，就要保证最坏（输出电压最小时）情况下，环路是稳定的；但是这样会导致在最大输出电压时，环路带宽就会变得过窄，从而使得负载的瞬态响应非常差。

发明内容

本发明实施例目的在于：提供一种开关电源控制方法及控制电路及带该控制电路的开关电源。应用该技术方案可避免带宽随输出电压变大而变窄的问题，进而有利于确保开关电源具备稳定的瞬态响应性。

第一方面，本发明实施例提供的一种自适应环路补偿的方法，包括：

确定开关电源当前的输出电压；

根据所述输出电压生成偏置电流，所述偏置电流与所述输出电压成线性关系；

向误差放大电路的偏置控制端输入所述偏置电流；

所述误差放大电路在所述偏置电流的控制下，比较所述开关电源当前的输出反馈电压信号、预设的输出反馈基准信号，生成误差补偿电压，以根据所述误差补偿电压控制所述开关电源的输出。

结合第一方面，在第一种实现方式下，确定开关电源当前的输出电压，包括：

根据所述开关电源当前的输入电压、以及脉冲宽度调制信号的占空比，确定所述输出电压，使所述输出电压等于所述输入电压与所述占空比的乘积。

结合第一方面，在第一种实现方式下，所述偏置电流与所述输出电压成线性关系，具体是：

Iea＝k×Gm2×Vout，所述Vout为所述输出电压，所述Iea为所述偏置电流，所述k为预设的正数，所述Gm2为所述Vout到所述Iea的电流增益。

结合第一方面，在第一种实现方式下，所述开关电源为BUCK型开关电源。

第二方面，本发明实施例提供的一种自适应环路补偿电路，包括：

输出电压采样电路，用于确定开关电源当前的输出电压；

偏置电流生成电路，输入端与所述输出电压采样电路连接，输出端与误差放大电路的偏置控制端连接，用于根据所述输出电压生成偏置电流，所述偏置电流与所述输出电压成线性关系；

所述误差放大电路，用于比较所述开关电源当前的输出反馈电压信号、预设的输出反馈基准信号，生成并且输出误差补偿电压，以根据所述误差补偿电压控制所述开关电源的输出。

结合第二方面，在第一种实现方式下，

所述输出电压采样电路包括输入电流产生电路、开关管、采样电阻，

所述输入电流产生电路的输入端与所述开关电源的电压输入端连接，输出端与所述开关管的一端连接，所述开关管的另一端与所述采样电阻的一端连接，所述采样电阻的另一端接地，所述开关管的控制端输入用于驱动本开关电源的脉冲宽度调制信号。

结合第二方面，在第一种实现方式下，所述偏置电流与所述输出电压成线性关系，具体是：

Iea＝k×Gm2×Vout，所述Vout为所述输出电压，所述Iea为所述偏置电流，所述k为预设的正数，所述Gm2为所述Vout到所述Iea的电流增益。

结合第二方面，在第一种实现方式下，所述误差放大电路包括：误差放大器、补偿电路、输出等效电阻，

所述误差放大器的偏置控制端与所述偏置电流生成电路的输出端连接，第一输入端、第二输入端分别输入所述输出反馈电压信号、输出反馈基准信号，输出端与所述补偿电路的一端、以及所述输出等效电阻的一端连接，所述输出等效电阻、以及所述补偿电路的另一端分别接地，所述补偿电路包括串联的补偿电阻以及补偿电容。

结合第二方面，在第一种实现方式下，所述自适应环路补偿电路的环路带宽满足：

$\mathrm{BWP}=\frac{\mathrm{Rz}\×\left(\frac{k\×\mathrm{Gm}2}{n\×\mathrm{Vt}}\right)\×\mathrm{Gcs}}{2\mathrm{\π}\×\mathrm{Cout}}\×\mathrm{Vfb},$ 其中，

所述BWP为所述环路带宽，所述Rz为所述补偿电阻的阻抗，所述n为非理想因子常数，所述Vt为误差放大器的热电压，所述Cout为所述开关电源的输出电容容值，所述Vfb为所述输出反馈电压信号，所述Gcs为所述误差补偿电压信号到所述开关电源的输出电流的电流增益。

结合第二方面，在第一种实现方式下，所述开关电源为BUCK型开关电源。

第三方面，本发明实施例提供的一种开关电源，包括上述之任一所述的自适应环路补偿电路。

可见，由于应用本实施例技术方案实现自适应环路补偿后，环路带宽BWP不随输出电压Vout变化而变化。进而，在开关电源中应用本实施例技术方案，可以确保开关电源在所有输出电压的情况下均具备稳定的带宽，而不会出现在最大输出电压时带宽变窄的问题，应用本实施例技术方案有利于确保开关电源具备稳定的负载的瞬态响应性。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种自适应环路补偿的方法流程示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种将本实施例自适应环路补偿电路应用于开关电源的电路结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的输出电压采样电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

图1为本实施例提供的一种自适应环路补偿的方法流程示意图，参见图2所示，本方法主要包括以下步骤：

步骤101：确定开关电源当前的输出电压。

在本实施例中，可以在开关电源的输出电压端直接获取开关电源当前的输出电压Vout；

也可以根据当前开关电源的输入电压与输出电压的关系，确定输出电压（该技术方案特别适用于当前开关电源无对外的输出电压引脚的情况应用）。譬如：以Buck电路为例，可以根据输入电压、以及脉冲宽度调制（Pulse WidthModulation，简称PWM）信号的占空比，确定输出电压，使所述输出电压等于输入电压与占空比的乘积。

步骤102：根据输出电压生成偏置电流，使偏置电流与输出电压成线性关系。

在本实施例中，使用于产生误差补偿电压信号的误差放大电路202中的误差放大器的偏置电流（记为Iea）与输出电压成线性关系，使偏置电流随着输出电压的增大而线性增大，随着输出电压的降低而线性降低。

根据误差放大器的特性有以下函数式（2）：

$\mathrm{Gm}\left(\mathrm{EA}\right)=\frac{\mathrm{Iea}}{n\×\mathrm{Vt}},---\left(2\right),$

其中，n为非理想因子，一般取n=2.5，Vt为误差放大器的热电压，在常温下一般约为26mV。

作为本实施例的示意，设本实施例的误差放大器的偏置电流与输出电压Vout成以下正比例的线性关系：

Iea＝k×Gm2×Vout，（3），

其中，k为预设的比例系数，Gm2为Vout到偏置电流Iea的电流增益。

以将本实施例技术方案应用到Buck型开关电源为例，将函数式（2）、（3）分别代入至函数式（1），可以得到函数式（4）：

$\begin{array}{c}\mathrm{BWP}=\frac{R_z\×G_m\left(\mathrm{EA}\right)\×G_{\mathrm{CS}}}{2\mathrm{\π}\×C_{\mathrm{out}}}\×\frac{\mathrm{Vfb}}{\mathrm{Vout}}=\frac{\mathrm{Rz}\×\left(\frac{\mathrm{Vout}\×k\×\mathrm{Gm}2}{n\×\mathrm{Vt}}\right)\×\mathrm{Gcs}}{2\mathrm{\π}\×\mathrm{Cout}}\×\frac{\mathrm{Vfb}}{\mathrm{Vout}}=\frac{\mathrm{Rz}\×\left(\frac{k\×\mathrm{Gm}2}{n\×\mathrm{Vt}}\right)\×\mathrm{Gcs}}{2\mathrm{\π}\×\mathrm{Cout}}\×\mathrm{Vfb}\\ ,\end{array}---\left(4\right)$

根据函数式（4）可见，应用本实施例技术方案实现自适应环路补偿后，环路带宽BWP不随输出电压Vout变化而变化。进而，在开关电源中应用本实施例技术方案，可以确保开关电源在所有输出电压的情况下均具备稳定的带宽，而不会出现在最大输出电压时带宽变窄的问题，应用本实施例技术方案有利于确保开关电源具备稳定的负载的瞬态响应性。

步骤103：向误差放大电路202的误差放大器的偏置控制端输入偏置电流。

与现有技术不同的是，本实施例输入至误差放大器的偏置电流为与输出电压成线性关系的电流而非固定电流值的偏置电流。

步骤104：误差放大电路202比较开关电源当前的输出反馈电压信号、预设的输出反馈基准信号，生成误差补偿电压，以根据误差补偿电压控制所述开关电源的输出。

误差放大电路202在偏置电流的控制下，比较输出反馈电压信号与预设的输出反馈基准信号，生成误差补偿电压，将该误差补偿电压输出至开关电源的控制电路，以供控制电路根据该误差补偿电压实现对开关电源的补偿控制，以得到稳定的输出。

由上可见，应用本实施例技术方案，可以使开关电源环路带宽不受输出电压的影响，在各种输出状态下均具有较宽的带宽。应用本实施例技术方案能确保开关电源具有应用本实施例技术方案有利于确保开关电源既具备较优环路稳定性又具有较宽的带宽以及负载瞬态响应性。

实施例2：

图2提供了一种将本实施例自适应环路补偿电路应用于开关电源的电路结构示意图，参加图示，本实施的自适应环路补偿电路主要包括：输出电压采样电路（其可以但不限于参见图3的301所示）、偏置电流生成电路201、以及误差放大电路202。电路连接关系以及工作原理如下：

偏置电流生成电路201的输入端与输出电压采样电路连接，偏置电流生成电路201的输出端与误差放大电路202的偏置控制端连接，误差放大电路202的第一输入端、第二输入端分别输入开关电源当前的输出反馈电压信号、预设的输出反馈基准信号（其反映了输出电压的输出期望值）。

在工作时，输出电压采样电路确定开关电源当前的输出电压，偏置电流生成电路201根据输出电压生成偏置电流，使生成的偏置电流与输出电压成线性关系（其可以但不限于为正比例关系或者其他），偏置电流生成电路201向误差放大电路202的误差放大器EA的偏置控制端输出该偏置电流，误差放大电路202在偏置电流的控制下，比较输出反馈电压信号、与输出反馈基准信号，生成并且向开关电源的控制电路204（图中以Vc到输出电流Iout之间的增益等效电路简化表示）输出该误差补偿电压，以供开关电源的控制电路204根据该误差补偿电压实现对开关电源的补偿控制，以得到稳定的输出。

进一步的工作原理详细参见实施例1中的详细描述，在此不作赘述。

与实施例1同理地，应用本实施例技术方案，可以使开关电源环路带宽不受输出电压的影响，在各种输出状态下均具有较宽的带宽。应用本实施例技术方案能确保开关电源具有应用本实施例技术方案有利于确保开关电源既具备较优环路稳定性又具有较宽的带宽以及负载瞬态响应性。

作为本实施例的示意，参见图2所示，本实施例的误差放大电路202主要包括：误差放大器EA、补偿电路203、以及输出等效电阻Ro，其中补偿电路203包括相互串联组成的补偿电阻Rz以及补偿电容Cz。其连接关系以及工作原理主要如下：

误差放大器EA的偏置控制端与偏置电流生成电路201的输出端连接，误差放大器EA的第一输入端（图中的反相输入端“-”端）、第二输入端（图中的同相输入端“+”端）分别输入输出反馈电压信号、输出反馈基准信号，误差放大器EA的输出端与补偿电路203的一端、以及输出等效电阻Ro（输出电阻的等效）的一端连接，输出等效电阻Ro的另一端、以及补偿电路203的另一端分别接地，补偿电路203包括串联的补偿电阻Rz以及补偿电容Cz。误差放大器EA在偏置电流的控制下比较输出反馈电压信号、输出反馈基准信号，在输出端输出误差补偿电流信号Ic，经过补偿电路203得到误差补偿电压信号Vc，将该误差补偿电压信号Vc输出至开关电源的控制电路204，以供控制电路204根据该误差补偿电压实现对开关电源的补偿控制，以得到稳定的输出。进一步的工作原理详细但不限于参见实施例1中的相应描述，在此不作赘述。

参见图3所示，本实施例提供了一种根据开关电源的输入电压确定开关电源的输出电压的输出电压采样电路。该电路结构特别适用于当前开关电源无对外的输出电压引脚的情况。

参见图3所示，该输出电压采样电路301主要包括输入电流产生电路302、开关管Q3（图3以N型的晶体MOS管作为示意）、以及采样电阻R2。电流产生电路302与开关电源的电压输入端（即变换器的电压输入端，该变换器可以但不限于Buck型变换器，即Buck Converter）连接，在电流产生电路302的输出端得到输入电流Iin。参见图3所示，本实施例由放大器A、开关管Q1、电阻R1以及开关管Q2实现输入电流产生电路302。参见图示，在放大器的同相输入端“+“端输入电压Vin/K，在电阻R1上得到电流Iin/K，电流Iin/K经过由开关管Q1、Q2组成的镜像电路后，在镜像电路的输出端（即Q2的漏极处得到输入电压Iin），镜像电路的输出端与开关管Q3的一端（图3中的漏极“D”极）连接，开关管Q3的另一端（图3中的源极“S”极）与采样电阻R2的一端连接，并使采样电阻R2的另一端接地，在工作时，在开关管Q3的控制端（图3中的栅极“G”极）输入用于控制本开关电源的PWM信号。在图3中，采样电阻R2以及电阻R1的阻值均为R，其中开关管Q1、开关管Q2的面积比例为1：K。

这样，应用本实施例的输出电压采样电路301可以根据输入电压确定输出电压，具体分析如下：

根据图3，以下关系式（7）成立：

$\mathrm{Iin}=\frac{\mathrm{Vin}}{R},---\left(7\right),$

又由于Vout＝Iin×D×R，在该式中代入关系式（7），有：

$\mathrm{Vout}=\mathrm{Iin}\×D\×R=\frac{\mathrm{Vin}}{R}\×D\×R=D\×\mathrm{Vin},---\left(8\right)$

即，应用图3所示的输出电压采样电路301，输出电压等于PWM的占空比与输入电压的乘积。

另外，作为本实施例的示意，对于有输出电压引脚的开关电源，还可以但不限于直接采用分压电路从该输出引脚处获取输出电压即可。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种自适应环路补偿的方法，其特征是，包括：

确定开关电源当前的输出电压；

根据所述输出电压生成偏置电流，所述偏置电流与所述输出电压成线性关系；

向误差放大电路的偏置控制端输入所述偏置电流；

所述误差放大电路在所述偏置电流的控制下，比较所述开关电源当前的输出反馈电压信号、预设的输出反馈基准信号，生成误差补偿电压，以根据所述误差补偿电压控制所述开关电源的输出。

2.根据权利要求1所述的自适应环路补偿的方法，其特征是，

确定开关电源当前的输出电压，包括：

根据所述开关电源当前的输入电压、以及脉冲宽度调制信号的占空比，确定所述输出电压，使所述输出电压等于所述输入电压与所述占空比的乘积。

3.根据权利要求1所述的自适应环路补偿的方法，其特征是，

所述偏置电流与所述输出电压成线性关系，具体是：

Iea＝k×Gm2×Vout，所述Vout为所述输出电压，所述Iea为所述偏置电流，所述k为预设的正数，所述Gm2为所述Vout到所述Iea的电流增益。

4.根据权利要求1至3之任一所述的自适应环路补偿的方法，其特征是，

所述开关电源为BUCK型开关电源。

5.一种自适应环路补偿电路，其特征是，包括：

输出电压采样电路，用于确定开关电源当前的输出电压；

偏置电流生成电路，输入端与所述输出电压采样电路连接，输出端与误差放大电路的偏置控制端连接，用于根据所述输出电压生成偏置电流，所述偏置电流与所述输出电压成线性关系；

所述误差放大电路，用于比较所述开关电源当前的输出反馈电压信号、预设的输出反馈基准信号，生成并且输出误差补偿电压，以根据所述误差补偿电压控制所述开关电源的输出。

6.根据权利要求5所述的自适应环路补偿电路，其特征是，

所述输出电压采样电路包括输入电流产生电路、开关管、采样电阻，

所述输入电流产生电路的输入端与所述开关电源的电压输入端连接，输出端与所述开关管的一端连接，所述开关管的另一端与所述采样电阻的一端连接，所述采样电阻的另一端接地，所述开关管的控制端输入用于驱动本开关电源的脉冲宽度调制信号。

7.根据权利要求5所述的自适应环路补偿电路，其特征是，

所述偏置电流与所述输出电压成线性关系，具体是：

Iea＝k×Gm2×Vout，所述Vout为所述输出电压，所述Iea为所述偏置电流，所述k为预设的正数，所述Gm2为所述Vout到所述Iea的电流增益。

8.根据权利要求5至7之任一所述的自适应环路补偿电路，其特征是，

所述误差放大电路包括：误差放大器、补偿电路、输出等效电阻，

所述误差放大器的偏置控制端与所述偏置电流生成电路的输出端连接，第一输入端、第二输入端分别输入所述输出反馈电压信号、输出反馈基准信号，输出端与所述补偿电路的一端、以及所述输出等效电阻的一端连接，所述输出等效电阻、以及所述补偿电路的另一端分别接地，所述补偿电路包括串联的补偿电阻以及补偿电容。

9.根据权利要求5至7之任一所述的自适应环路补偿电路，其特征是，

所述自适应环路补偿电路的环路带宽满足：

$\mathrm{BWP}=\frac{\mathrm{Rz}\×\left(\frac{k\×\mathrm{Gm}2}{n\×\mathrm{Vt}}\right)\×\mathrm{Gcs}}{2\mathrm{\π}\×\mathrm{Cout}}\×\mathrm{Vfb},$ 其中，

所述BWP为所述环路带宽，所述Rz为所述补偿电阻的阻抗，所述n为非理想因子常数，所述Vt为误差放大器的热电压，所述Cout为所述开关电源的输出电容容值，所述Vfb为所述输出反馈电压信号，所述Gcs为所述误差补偿电压信号到所述开关电源的输出电流的电流增益。

10.根据权利要求5至7之任一所述的自适应环路补偿电路，其特征是，

所述开关电源为BUCK型开关电源。

11.一种开关电源，包括权利要求5至10之任一所述的自适应环路补偿电路。

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