CN103683935A - 一种开关模式电源及其控制电路和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SMPS及其控制电路和控制方法。SMPS包括开关电路、控制电路和驱动电路；其中控制电路包括加法电路、比较电路和逻辑电路，其中：加法电路提供SMPS输出电压反馈信号和SMPS输出电流反馈信号的复合反馈信号；比较电路比较复合反馈信号和参考信号；逻辑电路的输入端耦接比较电路的输出端；以及驱动电路的输入端耦接逻辑电路的输出端，驱动电路的输出端耦接开关电路的开关用于控制开关的导通和关断。该SMPS具有控制电路简单，控制稳定以及对负载瞬态变化的响应快速等特点。
Description
技术领域
本发明涉及开关电子电路，具体但不限于涉及开关模式电源及其瞬态响应控制电路和控制方法。
背景技术
直流-直流开关模式电源（SMPS）被广泛用于电力电子领域，用于通过控制开关的导通和关断来实现将一直流输入电压转换成通常具有预定值的直流输出电压。开关的定频控制是用于开关模式电源的常用控制方式，它采用定频的时钟信号触发控制开关的开关信号的上升沿或下降沿，使得开关信号具有固定的频率。定频控制能用于降低电磁干扰（EMI）效应，因而具有广泛的应用，如用于数据通信领域等对电磁干扰敏感的系统的供电。此外，当负载变化时，由于响应具有一定滞后，输出电压会有一段时间的波动。而一些应用场合对输出电压的迅速稳定具有较高的要求，因此需要控制电路具有较快的响应速度。
发明内容
为了解决前面描述的一个问题或者多个问题，本发明提出一种开关模式电源，控制电路和瞬态响应控制方法。
根据本发明的一个方面，一种SMPS包括：开关电路，具有电源输入端和电源输出端，其中电源输入端耦接输入电压，电源输出端提供输出电压用于为负载供电，开关电路包括开关；控制电路，其中控制电路包括加法电路、比较电路和逻辑电路，其中：加法电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号，第二输入端用于接收开关电路的输出电流反馈信号，加法电路至少对输出电压反馈信号和输出电流反馈信号进行叠加，加法电路的输出端提供复合反馈信号；比较电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中比较电路的第一输入端耦接加法电路的输出端用于接收复合反馈信号，比较电路的第二输入端接收参考信号，比较电路比较复合反馈信号和参考信号并在输出端提供比较信号；逻辑电路具有输入端和输出端，其中逻辑电路的输入端耦接比较电路的输出端用于接收比较信号；以及驱动电路，具有输入端和输出端，其中驱动电路的输入端耦接逻辑电路的输出端，驱动电路的输出端耦接开关电路的开关用于控制开关的导通和关断。在一个实施例中，控制电路可进一步包括直流校正电路，其中直流校正电路具有输入端和输出端，直流校正电路的输入端耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号，直流校正电路的输出端提供参考信号，其中参考信号为至少对输出电压进行积分的信号；加法电路进一步具有第三输入端接收斜坡信号，加法电路对输出电压反馈信号、斜坡信号和输出电流反馈信号进行叠加，在加法电路的输出端提供复合反馈信号。在一个实施例中，直流校正电路包括：跨导型误差放大电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号，第二输入端耦接参考电压；以及补偿电路，包括串联的电容和电阻，串联的电容和电阻一端耦接参考地，串联的电容和电阻另一端耦接跨导型误差放大电路的输出端，其中跨导型误差放大电路的输出端用于提供参考信号。在一个实施例中，补偿电路具有低通滤波功能。参考信号为直流信号。在一个实施例中，控制电路进一步包括：直流校正电路，具有输入端和输出端，直流校正电路的输入端耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号，直流校正电路的输出端提供输出电压校正信号，其中输出电压校正信号为对输出电压进行积分和滤波的信号；以及第二加法电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接直流校正电路用于接收输出电压校正信号，第二输入端接收斜坡信号，输出端提供参考信号。在一个实施例中，逻辑电路包括：时钟信号发生电路，产生时钟信号；以及RS触发器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接时钟信号发生电路用于接收时钟信号，第二输入端耦接比较电路的输出端，RS触发器的输出端耦接驱动电路的输入端。在一个实施例中，控制电路进一步包括斜坡信号发生电路，斜坡信号发生电路输出斜坡信号，其中斜坡信号具有与时钟信号相同的频率。在一个实施例中，SMPS进一步包括电压反馈电路，电压反馈电路包括：第一电阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接电源输出端；以及第二电阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接第一电阻的第二端，第二端耦接参考地，其中第一电阻的第二端提供输出电压反馈信号。在一个实施例中，输出电流反馈信号通过检测流过开关的电流获得。在一个实施例中，开关电路包括：开关，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接电源输入端，第二端耦接开关节点，控制端耦接驱动电路的输出端；整流管，具有第一端和第二端，其中第一端耦接开关节点，第二端耦接参考地；输出电感，具有第一端和第二端，其中第一端耦接开关节点；以及输出电容，具有第一端和第二端，其中第一端耦接输出电感的第二端，输出电容的第二端耦接参考地，其中输出电容的第一端提供输出电压。在一个实施例中，整流管包括同步整流管，同步整流管进一步具有控制端，同步整流管的控制端耦接驱动电路。
根据本发明的另一个方面，一种用于控制开关电路的控制电路包括上述控制电路。在一个实施例中，控制电路包括：加法电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接开关电路的电源输出端用于接收输出电压反馈信号，第二输入端用于接收开关电路的输出电流反馈信号，加法电路至少对输出电压反馈信号和输出电流反馈信号进行叠加，在输出端提供复合反馈信号；比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中比较电路的第一输入端耦接加法电路的输出端用于接收复合反馈信号，比较电路的第二输入端接收参考信号，比较电路比较复合反馈信号和参考信号并在输出端提供比较信号；以及逻辑电路，具有输入端和输出端，其中逻辑电路的输入端耦接比较电路的输出端用于接收比较信号，逻辑电路的输出端耦接开关电路的开关用于控制开关的导通和关断。在一个实施例中，上述控制电路进一步包括直流校正电路，其中：直流校正电路具有输入端和输出端，直流校正电路的输入端耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号，直流校正电路的输出端提供参考信号，其中参考信号为至少对输出电压进行积分和滤波的信号；以及加法电路进一步具有第三输入端，第三输入端接收斜坡信号，加法电路对输出电压反馈信号、斜坡信号和输出电流反馈信号进行叠加，加法电路在输出端提供复合反馈信号。在一个实施例中，直流校正电路包括：跨导型误差放大电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号，第二输入端耦接参考电压；以及补偿电路，包括串联的电容和电阻，串联的电容和电阻的一端耦接参考地，串联的电容和电阻的另一端耦接跨导型误差放大电路的输出端；其中跨导型误差放大电路的输出端用于提供参考信号。在一个实施例中，控制电路进一步包括：驱动电路，具有输入端和输出端，其中驱动电路的输入端耦接逻辑电路的输出端，驱动电路的输出端耦接开关电路的开关用于控制开关的导通和关断；以及电压反馈电路包括：第一电阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接电源输出端；以及第二电阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接第一电阻的第二端，第二端耦接参考地；其中，第一电阻的第二端提供输出电压反馈信号。在一个实施例中，逻辑电路包括：时钟信号发生电路，产生时钟信号；以及RS触发器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接时钟信号发生电路用于接收时钟信号，第二输入端耦接比较电路的输出端，输出端耦接开关电路的开关用于控制开关的导通和关断。在一个实施例中，控制电路进一步包括斜坡信号发生电路，输出斜坡信号，其中斜坡信号具有与时钟信号相同的频率。
根据本发明的又一个方面，一种用于SMPS的瞬态响应控制方法，包括：检测SMPS的输出电压获得输出电压反馈信号；检测SMPS的输出电流获得输出电流反馈信号；将输出电压反馈信号、输出电流反馈信号进行叠加获得复合反馈信号；将复合反馈信号和参考信号进行比较获得比较信号；以及基于该比较信号控制SMPS的开关的导通或关断。在一个实施例中，该方法进一步包括将斜坡信号与输出电压反馈信号和输出电流反馈信号进行叠加获得复合反馈信号，其中参考信号通过对输出电压反馈信号进行积分和滤波获得。
根据本发明的实施例所提供的开关模式电源、控制电路和控制方法，具有控制电路简单，控制稳定以及瞬态响应快速等优点。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
图1示出了根据本发明一实施例的SMPS示意框图；
图2示出了根据本发明一个实施例的SMPS示意框图；
图3示出了根据本发明又一实施例的SMPS示意框图；
图4示出了根据本发明再一实施例的SMPS示意框图；
图5示出了根据本发明一具体实施例的SMPS的示意图；
图6示出了根据本发明一实施例的SMPS中多个信号的波形示意图；
图7示出了根据本发明一实施例的负载上升时的瞬态响应波形图以及传统控制方法下负载上升时的瞬态响应波形图；
图8示出了根据本发明一实施例的负载下降时的瞬态响应波形图以及传统控制方法下的负载下降时的瞬态响应波形图；
图9示出了根据本发明一实施例的一种用于SMPS瞬态响应控制的方法示意图。
下面将参考附图详细说明本发明的具体实施方式。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同的或相似的部件或特征。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明，描述了大量的细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。为了清晰明了地阐述本发明，本文简化了一些具体结构和功能的详细描述。此外，在一些实施例中已经详细描述过的类似的结构和功能，在其它实施例中不再赘述。尽管本发明的各项术语是结合具体的示范实施例来一一描述的，但这些术语不应理解为局限于这里阐述的示范实施方式。
上述本发明的说明书和实施仅仅以示例性的方式对本发明进行了说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。
本发明的说明书中提到的“耦接”可指直接的连接或通过间接物的连接，如通过导体的连接，该导体具有阻值，也可有寄生参数，如具有电感值和电容值，以及如通过二极管的连接。本发明的说明书提到的“电路”可表现为集成电路，也可表现为器件、电路印刷板模块、系统及其它的形式。
图1示出了根据本发明一实施例的SMPS100示意框图。SMPS100包括开关电路10、加法电路12、比较电路14（CMP）、逻辑电路15（LGC）以及驱动电路16（DRV）。开关电路10具有电源输入端和电源输出端，其中电源输入端耦接输入电压Vin，电源输出端提供输出电压Vout用于为负载LD供电。标记Vin和Vout在下文中也可用于表征电源输入端Vin和电源输出端Vout。开关电路10包括开关Q1，开关电路10在开关Q1的导通和关断动作下将输入电压Vin转换成输出电压Vout。在一个实施例中，开关电路10包括直流-直流降压转换电路（buck），输出的输出电压Vout低于输入电压Vin。加法电路12具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接电源输出端Vout用于接收表征输出电压Vout的输出电压反馈信号FB。在一个实施例中，输出电压反馈信号FB等于输出电压Vout。在另一个实施例中，输出电压反馈信号FB通过电压反馈电路检测输出电压Vout获得的反馈值，其中电压反馈电路的输入端耦接电源输出端Vout，电压反馈电路的输出端提供电压反馈信号FB。加法电路12的第二输入端用于接收开关电路10的输出电流反馈信号CS，其中输出电流反馈信号CS表征流过开关Q1或其它节点的电流值。在一个实施例中，SMPS100包括输出电流反馈电路，输出电流反馈电路的输入端耦接开关电路10用于感测流过开关的电流，输出电流反馈电路的输出端提供输出电流反馈信号。在一个实施例中，输出电流反馈信号CS为通过电流检测电路检测流过开关Q1的电流而得到的表征输出电流的电压信号。加法电路12至少对输出电压反馈信号FB和输出电流反馈信号CS进行叠加，获得复合反馈信号FB2。比较电路14具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中比较电路14的第一输入端耦接加法电路12的输出端用于接收复合反馈信号FB2，比较电路14的第二输入端接收一参考信号V1，比较电路14将复合反馈信号FB2和参考信号V1进行比较并输出比较信号CP。SMPS100根据比较电路14的比较信号CP对开关电路10进行控制。在一个实施例中，参考信号V1为对输出电压反馈信号FB进行积分和滤波的信号，如图2所示，参考信号V1为输出电压校正信号，由直流校正电路23产生，直流校正电路23具有低频滤波性能，使得输出电压校正信号V1变化缓慢。在另一个实施例中，参考信号V1为一直流信号，如图4所示。SMPS100可进一步采用斜率补偿，将一斜坡信号SLP叠加入比较电路12的任意一输入端，如将一斜坡信号SLP和输出电压反馈信号FB以及输出电流反馈信号CS叠加获得复合反馈信号FB2，如图2所示；或者将斜坡信号SLP叠加如比较电路14的一端以获得参考信号V1，如图3所示。斜坡信号SLP在一个周期中的至少一个时间段内具有斜坡波形，如在输出电流上升阶段具有斜坡波形。在一个实施例中，斜坡信号SLP为锯齿波。
继续图1的说明，逻辑电路15具有输入端和输出端，其中逻辑电路的输入端耦接比较电路14的输出端用于接收比较信号CP，逻辑电路15的输出端耦接驱动电路16的输入端。逻辑电路15根据比较电路14提供的比较信号CP输出脉冲宽度调制（PWM）信号。驱动电路16用于将逻辑电路15输出的PWM信号转换成适用于驱动开关Q1的电压信号。驱动电路16的输出端耦接开关电路10的开关Q1用于控制开关Q1的导通和关断。在一个实施例中，SMPS100包括开关电路10和控制电路11。其中控制电路11包括加法电路12、比较电路14、逻辑电路15和驱动电路16。在另一个实施例中，SMPS100包括开关电路10、控制电路和驱动电路16，其中控制电路包括加法电路12、比较电路14和逻辑电路15。在一个实施例中，控制电路制作在一集成电路中。
图2示出了根据本发明一个实施例的SMPS200示意框图。与图1的SMPS100相比，SMPS200进一步包括一直流校正电路23，且加法电路22将输出电压反馈信号FB、输出电流反馈信号CS和斜坡信号SLP进行叠加获得复合反馈信号FB2。为了使描述简单清楚，对SMPS200中与SMPS100相同的部件和连接将不再进行赘述。直流校正电路23具有输入端和输出端，其中直流校正电路23的输入端耦接电源输出端Vout用于接收输出电压反馈信号FB，输出端提供参考信号V1，其中参考信号V1为对输出电压Vout至少进行过积分的输出电压校正信号。在一个实施例中，参考信号V1为对输出电压Vout针对时间进行积分并进行低通滤波后得到的信号。在另一个实施例中，参考信号V1为直流信号。加法电路22除了具有接收输出电压反馈信号FB的第一输入端和接收输出电流反馈信号CS的第二输入端外，还进一步具有第三输入端，其中第三输入端接收斜坡信号SLP，使得加法电路22的输出端提供的复合反馈信号FB2为输出电压反馈信号FB、输出电流反馈信号CS和斜坡信号SLP的叠加信号，即FB2=FB+CS+SLP。比较电路14进一步将FB2与输出电压校正信号V1进行比较，获得比较信号CP。控制电路21基于比较信号CP控制开关电路10中开关Q1的导通或关断。
图3示出了根据本发明又一实施例的SMPS300的示意框图。与图1的SMPS100相比，SMPS300进一步包括直流校正电路23和第二加法电路32。与图2中的SMPS200相比，图3中的SMPS300将斜坡信号SLP与输出电压校正信号Vh进行叠加以获得参考信号V1，而图2中的SMPS200将斜坡信号SLP与输出电压反馈信号FB和输出电流反馈信号CS进行叠加以获得复合反馈信号FB2。是为了使描述简单清楚，对SMPS300中与SMPS100相同的部件和连接将不再进行赘述。其中直流校正电路23用于提供输出电压校正信号Vh，输出电压校正信号Vh可为对输出电压Vout进行积分和滤波的信号。第二加法电路32具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接直流校正电路23用于接收输出电压校正信号Vh，第二输入端接收斜坡信号SLP，输出端提供参考信号V1耦接至比较电路14。这样，比较电路14的第一输入端接收将输出电压反馈信号FB和输出电流反馈信号CS进行叠加的复合反馈信号FB2，即FB2=FB+CS；而比较电路14的第二输入端接收将输出电压校正信号Vh和斜坡信号SLP进行叠加的参考信号V1，即V1=Vh+SLP；比较电路14将复合反馈信号FB2和参考信号V1进行比较获得比较信号CP，控制电路31基于该比较信号CP控制开关电路10中开关Q1的导通和关断。
图4示出了根据本发明再一实施例的SMPS400的示意框图。与图1中的SMPS100相比，SMPS400将斜坡信号SLP与输出电压反馈信号FB和输出电流反馈信号CS进行叠加获得复合反馈信号FB2，同时SMPS400的参考信号V1为一直流信号。是为了使描述简单清楚，对SMPS400中与SMPS100相同的部件和连接将不再进行赘述。直流参考信号V1可通过直流参考电压发生电路产生。这样，比较电路将复合反馈信号FB2（FB2=FB+CS+SLP）与直流的参考信号DC进行比较以获得比较信号CP。控制电路41基于该比较信号CP控制开关电路10中开关Q1的导通和关断。
图5示出了根据本发明一具体实施例的SMPS500的示意图。SMPS500包括开关电路50和控制电路51。其中控制电路51包括加法电路52、斜坡信号发生电路521、直流校正电路53、比较电路54、逻辑电路55、驱动电路56和电压反馈电路57。在一个实施例中，控制电路51集成在一电子封装体内。在另一个实施例中，控制电路51集成在一半导体衬底上并可仅包括加法电路52、斜坡信号发生电路521、直流校正电路53、比较电路54、逻辑电路55、驱动电路56和电压反馈电路57之中的部分电路和部件。
开关电路50为buck型开关电路。开关电路50包括开关Q1、同步整流管Q2、输出电感L以及输出电容Co。其中开关Q1的第一端耦接电源输入端用于接收输入电压Vin，开关Q1的第二端耦接开关节点SW，开关Q1的控制端耦接驱动电路56。同步整流管Q2的第一端耦接开关节点SW，同步整流管Q2的第二端耦接参考地GND，同步整流管Q2的控制端耦接驱动电路56。在另一个实施例中，同步整流管Q2被一个非同步整流管如二极管代替。开关Q1和同步整流管Q2包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。MOSFET管可包括增强型N-沟道MOSFET。在另一个实施例中，开关和同步整流管为P-沟道MOSFET。在其它的实施例中，开关和同步整流管可包括其他类型的器件，如结型场效应晶体管（JFET）或双极结型晶体管（BJT）。输出电感L的第一端耦接开关节点SW，输出电感的第二端耦接输出电容Co。输出电容Co的第一端耦接输出电感L，输出电感Co的第二端耦接参考地GND。输出电感Co的第一端直接耦接电源输出端用于提供输出电压Vout。开关电路50可进一步包括输入电容Cin用于将输入电压Vin进行滤波。开关电路50除了具有接收输入电压Vin的电源输入端和提供输出电压Vout的电源输出端外，还具有接收第一控制信号HS的第一控制信号输入端和接收第二控制信号LS的第二控制信号输入端，其中第一控制信号输入端耦接开关Q1的控制端，第二控制信号输入端耦接同步整流管Q2的控制端。当开关Q1导通时，同步整流管Q2关断，开关节点SW上的电压上升至输入电压Vin，输出电流经输出电感L从开关节点SW流向电源输出端，负载电流Io上升。此时输出电容Co可被充电，输出电压Vout可上升。然后，开关Q1关断，同步整流管Q2导通，输出电流经输出电感L和同步整流管Q2从电源输出端流向参考地GND。此时输出电容Co可放电，输出电压Vout可下降。开关节点SW处的电压被PWM信号调制，波形近可似于PWM波形。开关节点SW处电压经输出电感L和输出电容Co的滤波被转换成直流电压Vout。该直流电压Vout受负载LD大小的影响而波动。例如，当负载LD升高时，如负载LD阻抗降低，输出电压Vout下降。当负载LD降低时，输出电压Vout升高。此外由于输出电容Co等效电阻的存在，输出电压Vout具有与PWM信号周期相近的纹波。在另一些实施例中，开关电路可包括升压型（boost）转换电路或其它类型的开关电路。
加法电路52将输出电流反馈信号CS、输出电压反馈信号FB和斜坡信号SLP进行叠加，生成复合反馈信号FB2。在一个实施例中，加法电路52将输出电流反馈信号CS、输出电压反馈信号FB和斜坡信号SLP以1：1：1的比例进行叠加。在另外的实施例中，加法电路52可将输出电流反馈信号CS、输出电压反馈信号FB和斜坡信号SLP以任意的其它比例进行叠加。输出电流反馈信号CS可通过检测流过开关Q1的电流获得，其中流过开关Q1的电流在上升阶段可反映输出电流的变化。在另一个实施例中，输出电流反馈信号CS通过检测流过输出电感L的电流来获得。输出电流反馈信号可通过任意形式的电流检测电路和电流检测方法获得。
斜坡信号SLP由斜坡信号发生电路521生成并输出。在一个实施例中，斜坡信号SLP具有与时钟信号CLK相同的频率，并至少在输出电流上升阶段具有斜坡。
直流校正电路53包括跨导型误差放大电路531和补偿电路532。跨导型误差放大电路531具有耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号FB的第一输入端，耦接参考电压Vref的第二输入端以及输出端。在图示的实施例中，跨导型误差放大电路531的同相输入端耦接参考电压Vref，反相端耦接输出电压反馈信号FB。跨导型误差放大电路531用于将输出电压反馈信号FB与参考电压Vref的差值进行积分放大，并输出电流信号，该电流信号经补偿电路532的转换在跨导型误差放大电路531的输出端提供输出电压校正信号V1。补偿电路532包括串联的电容Cc和电阻Rc，串联的电容Cc和电阻Rc一端耦接参考地GND，另一端耦接跨导型误差放大电路531的输出端。其中电容Cc耦接参考地，电阻Rc耦接跨导型误差放大电路531的输出端。补偿电路532可设置具有低通滤波功能，使得输出电压校正信号V1具有很低的频率，即输出电压校正信号V1较为平坦。当负载上升时，输出电压反馈信号FB下降，输出电压校正信号V1可平缓上升。在另一个实施例中，当负载上升时，输出电压Vout下降，而输出电压反馈信号可为上升，相应地输出电压反馈信号输入跨导型误差放大电路的同相端，使得输出电压校正信号亦平缓上升。
比较电路54的同相端接收复合反馈信号FB2，比较电路54的反相端接收参考信号V1（该实施例中为输出电压校正信号V1），比较电路54的输出端输出比较信号CP至逻辑电路55用于控制开关Q1的导通或关断。当复合反馈信号FB2大于输出电压校正信号V1时，比较信号CP为高电平，触发逻辑电路55输出低电平的PWM信号用于关断开关Q1。然而在另一个实施例中，比较电路的同相端和反相端接收信号可相反。
逻辑电路55包括时钟信号发生电路551和RS触发器552。其中时钟信号发生电路551产生时钟信号CLK。如图所示，时钟信号CLK在每一个周期开始时出现一高电平脉冲，用于在每个周期将PWM信号置高从而导通开关Q1。RS触发器552具有置位输入端S、复位输入端R和输出端Q，其中置位输入端S耦接时钟信号发生电路551用于接收时钟信号CLK，复位输入端R耦接比较电路54的输出端用于接收比较信号CP，以及输出端Q输出PWM信号用于控制开关Q1的导通和关断。当时钟信号CLK为高电平时，RS触发器552输出高电平的PWM信号。PWM信号一直置高，直到当比较信号CP为高电平时，PWM信号置低。当下一个时钟高电平脉冲到来时，PWM信号再次置高。在另一个实施例中，RS触发器552的置位输入端接收比较信号，而复位输入端接收时钟信号，而当PWM信号为低电平时开关Q1导通。
驱动电路56用于将逻辑电路55输出的逻辑电平的PWM信号转换成适于驱动开关Q1的第一控制信号HS和适于控制同步整流管Q2的第二控制信号LS。在另一个实施例中，开关电路50不包括同步整流管，驱动电路56只输出控制开关的第一控制信号HS。
控制电路51可进一步包括电压反馈电路57，用于耦接开关电路50的电源输出端将输出电压Vout转换成输出电压反馈信号FB。电压反馈电路57包括电阻分压电路，即包括第一电阻R1和第二电阻R2，其中第一电阻R1的第一端作为电压反馈电路57的输入端耦接开关电路50的电源输出端Vout，第一电阻R1的第二端耦接第二电阻R2，第二电阻R2的另一端耦接参考地GND，第一电阻和第二电阻的公共节点即第一电阻R1的第二端作为输出端提供输出电压反馈信号FB。这样，输出电压反馈信号FB正比于输出电压Vout，即FB=R2/(R1+R2)*Vout。在另一些实施例中，电压反馈电路57可包括其它类型的电路，或具有其它类型的检测部件。
图6示出了根据本发明一实施例的SMPS中多个信号的波形示意图。该示意图从上至下分别表示参考信号V1，复合反馈信号FB2，输出电流反馈信号CS，输出电压反馈信号FB，负载电流Io，PWM信号和时钟信号CLK。下面将结合图5和图6中的波形示意图阐述SMPS工作的方式。如图5所示，因为补偿电路532采用低频滤波，输出电压校正信号V1很平坦，在较短时间内基本为直流电压。该电路不需要对补偿电路进行复杂的校正。在另一个实施方式中，参考信号V1为直流参考信号。输出电压反馈信号FB具有周期性的纹波，同时受负载变化的影响。在时间t3，负载增大，即负载电流Io增大，输出电压反馈信号FB跟随输出电压Vout下降而下降。输出电流反馈信号CS为流过开关Q1的输出电流检测信号，在开关Q1导通期间（PWM信号为高）上升，在开关Q1关断期间（PWM信号为低）无电流。复合反馈信号FB2为输出电流反馈信号CS、输出电压反馈信号FB和斜坡信号SLP的叠加信号，即复合反馈信号FB2=CS+FB+SLP。斜坡信号SLP用于斜率补偿，使得复合反馈信号FB2更迅速更稳定地触发开关Q1的变化，降低误触发，提高可靠性。当输出电压反馈信号FB较大时，复合反馈信号FB2信号的上升初始值也较大；当输出电压反馈信号FB较低时，复合反馈信号FB2的上升初始值也较低，从而更好地响应负载的变化。
在时间t1，时钟信号CLK出现高电平脉冲，RS触发器552被置位，输出端Q提供高电平的PWM信号，开关Q1导通，输出电流反馈信号CS上升。复合反馈信号FB2也上升。在时间t2，当复合反馈信号FB2上升到高于参考信号V1时，比较电路24输出高电平的比较信号CP将RS触发器552复位，RS触发器552输出端Q的PWM信号转换为低电平，开关Q1关断。当下一个时钟信号CLK的高电平脉冲到来时，PWM信号再次置高以导通开关Q1。
在时间t3，负载上升，即负载电流Io上升，输出电压反馈信号FB下降。此时PWM信号为低，开关Q1处于关断状态。在时间t4，时钟信号CLK的高电平脉冲到来，PWM信号转换为高电平，开关Q1导通。因为在时间t4时的输出电压反馈信号FB比在时间t1时的输出电压反馈信号FB低，复合反馈信号FB2的初始值较低，因此需要更长的时间使得复合反馈信号FB2上升至高于输出电压校正信号V1，这直接导致在该周期PWM信号占空比提高，因此很好地响应了负载上升的变化。从图上可见，SMPS对负载瞬态变化的响应时间为Td，小于一个时钟周期。这种对负载瞬态变化的快速响应使得系统对输出电压校正信号V1对负载瞬态响应的调节重要性降低，因此不需对补偿电路进行复杂的调节，使得控制电路和控制简单，控制稳定。
图7示出了根据本发明一实施例的负载上升时的瞬态响应波形图以及传统控制方法下负载上升时的瞬态响应波形图。其中信号HS代表了根据本发明一实施例的PWM控制信号波形图。信号FB代表了根据本发明一实施例的输出电压反馈信号波形图。HS-A代表了传统控制方法的采用补偿网络调节控制方法下的PWM控制信号波形图。FB-A代表了传统控制方法下的输出电压反馈信号波形图。其中其它条件如输入电压、输出电压预定值、负载条件等在上述两个例子中一致。可以看到，当负载上升时，输出电压反馈信号下降。当输出电压反馈信号回复到预定值附近时，相比传统控制方法，根据本发明一实施例的PWM信号能及时地适应这种变化，在短时间内具有比传统控制方法更大的占空比，且输出电压反馈信号FB的过冲和波动比较小。而传统控制方法中的输出电压反馈信号FB-A具有较大的过冲和波动。可见根据本发明一实施例的SMPS和控制方法在负载上升时具有更快速更良好的瞬态响应和更稳定的控制。
图8示出了根据本发明一实施例的负载下降时的瞬态响应波形图以及传统控制方法下的负载下降时的瞬态响应波形图。其中HS代表了根据本发明一实施例的PWM控制信号波形图。FB代表了根据本发明一实施例的输出电压反馈信号波形图。HS-A代表了传统控制方法的采用补偿网络调节控制方法下的PWM控制信号波形图。FB-A代表了传统控制方法下的输出电压反馈信号波形图。其中其它条件如输入电压、输出电压预定值、负载条件等在上述两个例子中一致。可以看到，当负载下降时，输出电压反馈信号上升。当输出电压反馈信号回复到预定值附近时，相比传统控制方法，根据本发明一实施例的PWM信号能及时地适应这种变化，在短时间内具有比传统控制方法更小的占空比，输出电压反馈信号FB的过冲和波动比较小。而传统控制方法中的输出电压反馈信号FB-A具有较大的过冲和波动。可见根据本发明一实施例的SMPS和控制方法在负载下降时具有更快速更良好的瞬态响应和更稳定的控制。
图9示出了根据本发明一实施例的一种用于SMPS瞬态响应控制的方法900示意图。瞬态响应控制方法900包括在步骤901检测SMPS的输出电压以获得输出电压反馈信号，以及检测SMPS的输出电流以获得输出电流反馈信号。在一个实施例中，输出电压反馈信号正比于SMPS电源输出端的输出电压。在一个实施例中，输出电流反馈信号正比于流过SMPS的开关的电流。在另一个实施例中，输出电流反馈信号反映流过输出电感的电流。方法900包括在步骤902将输出电压反馈信号和输出电流反馈信号进行叠加获得复合反馈信号。在一个实施例中，将输出电压反馈信号和输出电流反馈信号进行叠加等同于将输出电压反馈信号和输出电流反馈信号以1：1的比例进行叠加，获得复合反馈信号。在另一个实施例中，复合反馈信号通过将输出电压反馈信号、输出电流反馈信号和斜坡信号进行叠加获得。方法900包括在步骤903将复合反馈信号和参考信号进行比较获得比较信号。在一个实施例中，参考信号通过对输出电压进行积分和滤波获得，此时参考信号反映长时间内的输出电压的变化，用于校正输出电压的直流信号偏移。方法900进一步包括在步骤904根据比较信号对SMPS的开关进行导通或关断。在一个实施例中，当复合反馈信号高于参考信号时，SMPS的开关关断，而当时钟信号脉冲到来时，SMPS的开关导通。
上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。
Claims (16)
1.一种开关模式电源（SMPS），包括：
开关电路，具有电源输入端和电源输出端，其中电源输入端耦接输入电压，电源输出端提供输出电压用于为负载供电，开关电路包括开关；
控制电路，其中控制电路包括加法电路、比较电路和逻辑电路，其中：
加法电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中加法电路的第一输入端耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号，加法电路的第二输入端用于接收开关电路的输出电流反馈信号，加法电路至少对输出电压反馈信号和输出电流反馈信号进行叠加并在加法电路的输出端提供复合反馈信号；
比较电路具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中比较电路的第一输入端耦接加法电路的输出端用于接收复合反馈信号，比较电路的第二输入端接收参考信号，比较电路比较复合反馈信号和参考信号并在输出端提供比较信号；
逻辑电路具有输入端和输出端，其中逻辑电路的输入端耦接比较电路的输出端用于接收比较信号；以及
驱动电路，具有输入端和输出端，其中驱动电路的输入端耦接逻辑电路的输出端，驱动电路的输出端耦接开关电路的开关用于控制开关的导通和关断。
2.如权利要求1所述的SMPS，其中控制电路进一步包括直流校正电路，其中：
直流校正电路具有输入端和输出端，直流校正电路的输入端耦接电源输出端，直流校正电路的输出端提供参考信号，其中参考信号为至少对输出电压反馈信号进行积分的信号；以及
加法电路进一步具有第三输入端接收斜坡信号，加法电路对输出电压反馈信号、输出电流反馈信号和斜坡信号进行叠加。
3.如权利要求2所述的SMPS，其中直流校正电路包括：
跨导型误差放大电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中跨导型误差放大电路的第一输入端耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号，跨导型误差放大电路的第二输入端耦接参考电压；以及
补偿电路，包括串联的电容和电阻，串联的电容和电阻一端耦接参考地，串联的电容和电阻另一端耦接跨导型误差放大电路的输出端，其中跨导型误差放大电路的输出端用于提供参考信号。
4.如权利要求3所述的SMPS，其中补偿电路具有低通滤波功能。
5.如权利要求1所述的SMPS，其中参考信号为直流信号。
6.如权利要求1所述的SMPS，其中控制电路进一步包括：
直流校正电路，具有输入端和输出端，直流校正电路的输入端耦接电源输出端用于接收输出电压反馈信号，直流校正电路的输出端提供输出电压校正信号，其中输出电压校正信号为对输出电压进行积分和滤波的信号；以及
第二加法电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第二加法电路的第一输入端耦接直流校正电路用于接收输出电压校正信号，第二加法电路的第二输入端接收斜坡信号，第二加法电路的输出端提供参考信号。
7.如权利要求1所述的SMPS，其中逻辑电路包括：
时钟信号发生电路，产生时钟信号；以及
RS触发器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中RS触发器的第一输入端耦接时钟信号发生电路用于接收时钟信号，RS触发器的第二输入端耦接比较电路的输出端用于接收比较信号，RS触发器的输出端耦接驱动电路的输入端。
8.如权利要求7所述的SMPS，其中控制电路进一步包括斜坡信号发生电路，斜坡信号发生电路输出斜坡信号，其中斜坡信号具有与时钟信号相同的频率。
9.如权利要求1所述的SMPS，进一步包括电压反馈电路，电压反馈电路包括：
第一电阻，具有第一端和第二端，其中第一电阻的第一端耦接电源输出端；以及
第二电阻，具有第一端和第二端，其中第二电阻的第一端耦接第一电阻的第二端，第二电阻的第二端耦接参考地，其中第一电阻的第二端提供输出电压反馈信号。
10.如权利要求1所述的SMPS，其中输出电流反馈信号通过检测流过开关的电流获得。
11.如权利要求1所述的SMPS，其中开关电路包括：
开关，具有第一端、第二端和控制端，其中开关的第一端耦接电源输入端，开关的第二端耦接开关节点，开关的控制端耦接驱动电路的输出端；
整流管，具有第一端和第二端，其中整流管的第一端耦接开关节点，整流管的第二端耦接参考地；
输出电感，具有第一端和第二端，其中输出电感的第一端耦接开关节点；以及
输出电容，具有第一端和第二端，其中输出电容的第一端耦接输出电感的第二端，输出电容的第二端耦接参考地，其中输出电容的第一端提供输出电压。
12.如权利要求11所述的SMPS，其中整流管包括同步整流管，同步整流管进一步具有控制端，同步整流管的控制端耦接驱动电路。
13.一种用于控制开关电路的控制电路，包括权利要求1-8中任一项所述的控制电路。
14.如权利要求13所述的控制电路，进一步包括驱动电路，驱动电路具有输入端和输出端，其中驱动电路的输入端耦接逻辑电路的输出端，驱动电路的输出端耦接开关电路的开关用于控制开关的导通和关断。
15.一种用于SMPS的瞬态响应控制方法，包括：
检测SMPS的输出电压获得输出电压反馈信号；
检测SMPS的输出电流获得输出电流反馈信号；
将输出电压反馈信号、输出电流反馈信号进行叠加获得复合反馈信号；
将复合反馈信号和参考信号进行比较获得比较信号；以及
基于该比较信号控制SMPS的开关的导通或关断。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括将斜坡信号与输出电压反馈信号和输出电流反馈信号进行叠加获得复合反馈信号，其中参考信号通过对输出电压反馈信号进行积分和滤波获得。
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