CN104092374A - 开关电源的斜坡补偿电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关电源的斜坡补偿电路及方法，该开关电源的占空比D的范围为0～D_MAX，D_MAX为最大占空比，该斜坡补偿电路包括：电流源，其输出端产生第一电流；电容，由第一电流充电，电容两端的电压记为曲线电压；第一开关管，其第一端连接电容的第一端，第二端接地，第一开关管在占空比D∈[0,D_S]时开通以将曲线电压置零，在占空比D∈(D_S,D_MAX]时关断，D_S为0至D_MAX之间的预设值；电压转电流电路，跟随曲线电压并将跟随的曲线电压转换为第二电流；第一镜像电路，对第二电流进行镜像以产生第三电流，第三电流对电容充电；第二镜像电路，对第二电流进行镜像以产生补偿电流。本发明采用曲线补偿方式，能够在满足斜率要求的情况下使得斜坡补偿量更小。

Description

开关电源的斜坡补偿电路及方法

技术领域

本发明涉及开关电源技术，尤其涉及一种开关电源的斜坡补偿电路及方法。

背景技术

在开关电源中，斜坡补偿是连续模式开关电源在导通占空比超过50％时维持系统稳定的一种技术方案。具体而言，当电流达到一定大小时，开关关断，如果占空比超过50％，在开关电源中的电感电流的上升时间就大于整个周期的50％，那么电流下降时间就小于一个周期的50％，因此，在较短的时间内电流还没有来得及回到静态初始值，下一个周期接着又开始了；下一个周期的初始电流变大，在接下来的周期里，电感电流很快就上升到参考点，使导通时间变短，占空比变得更窄；和上一个周期相比，这个周期的占空比减小到50％以内，但是这样又导致关断时间太长，下一个周期电流的初始值太小，又使得占空比再一次超过50％；如此循环，电流以间隔一个周期过大和过小的方式出现振荡。而斜坡补偿则是在检测点叠加预设的信号，使得电流闭环的影响可以得到抑制，以维持系统稳定。

一般而言，检测点的极限值都会在固定值的基础上叠加随占空比增大而增大的负增量，该负增量值就是斜坡补偿量。从系统稳定性的需要而言，随着占空比变大，需要的斜坡补偿量的斜率也要大，因而占空比越大，斜坡补偿量也越大。但是，如果斜坡补偿量过大，则极大地影响检测点，甚至在最大占空比的时候检测点的极限值已经变的非常小，导致电路的设计非常困难。

现有技术中的斜坡补偿量通常采用线性补偿方式或者分段线性补偿方式，图1示出了线性补偿方式下的斜坡补偿量的曲线图，图2示出了分段线性补偿方式下的斜坡补偿量的曲线图，其中斜坡补偿量△P可以是电流量或者是与电流量对应的电压量。

参考图1和图2，如果在最大占空比D_MAX处需要的斜坡补偿量的最小斜率为k，那么线性补偿方式在最大占空比D_MAX处的至少斜坡补偿量为△P＝k·D_MAX，而分段线性补偿方式在最大占空比D_MAX处的至少斜坡补偿量为△P＝k·(D_MAX-0.5)。可以看出，在同样的斜率需求下，分段线性补偿方式的至少斜坡补偿量已经比线性补偿方式小很多。例如取D_MAX＝0.8，那么分段线性补偿方式的至少斜坡补偿量是线性补偿方式的3/8。

参考图3，图3示出了实现分段线性补偿方式的斜坡补偿电路10，该斜坡补偿电路10包括：电流源31，产生电流I₁；电容C，电容C由电流I₁充电，电容C两端的电压记为分段线性电压信号22；第一NMOS晶体管32，由输入数字信号21控制，以对分段线性电压信号22进行控制；第二NMOS晶体管34，由运算放大器33的输出信号控制，第二NMOS晶体管34的源端的信号跟随分段线性电压22；第一PMOS晶体管35，流过第一PMOS晶体管35的电流记为电流I₂，该电流I₂与分段线性电压信号22和电阻R相关；第二PMOS晶体管36，流过第二PMOS晶体管36的电流记为补偿电流I₀，补偿电流I₀为反映斜坡补偿量的电流，由电流I₂镜像产生。

更加具体而言，电容C的一端连接电流源31的输出端、第一NMOS晶体管32的漏端以及运算放大器33的正输入端，所述电容C的另一端连接地；电流源31的输入端连接电源VDD。第一NMOS晶体管32的源端连接地，栅端接收输入数字信号21，第一NMOS晶体管32在输入数字信号21的控制下开通或关断。运算放大器33的负输入端连接电阻R的一端和第二NMOS晶体管34的源端，运算放大器33的输出端连接第二NMOS管的栅端，电阻R的另一端连接地。第二NMOS晶体管34的漏端连接第一PMOS管35的漏端。电流源31输出的电流为I₁，第一PMOS晶体管35的源漏电流为I₂，第二PMOS晶体管36的源漏电流为I₃。第一PMOS晶体管35的漏端连接栅端，并连接第二PMOS晶体管36的栅端。第一PMOS晶体管35和第二PMOS晶体管36的源端连接电源VDD。第二PMOS晶体管36的漏端作为输出端，输出补偿电流为I₀。

其中，输入数字信号21仅在有补偿的占空比范围内置0以断开对分段线性电压信号22的控制，在图2所示分段线性补偿方式中，有补偿的占空比范围指的是0.5～D_MAX。实际上，如果有补偿的占空比范围变成0～D_MAX，那么就转换为线性补偿方式，图3就转变为线性补偿方式的实现电路。

但是，无论是线性补偿方式还是分段线性补偿方式，其在接近D_MAX处的至少斜坡补偿量都比较大，使得检测点的极限值较小，导致开关电源的电路设计非常困难。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种开关电源的斜坡补偿电路及方法，采用曲线补偿方式，能够在满足斜率要求的情况下使得斜坡补偿量更小。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种开关电源的斜坡补偿电路，该开关电源的占空比D的范围为0～D_MAX，D_MAX为最大占空比，该斜坡补偿电路包括：

电流源，其输入端连接电源，其输出端产生第一电流；

电容，其第一端连接所述电流源的输出端，其第二端接地，所述第一电流对所述电容充电，所述电容两端的电压记为曲线电压；

第一开关管，其第一端连接所述电容的第一端，其第二端接地，所述第一开关管在占空比D∈[0,D_S]时开通以将所述曲线电压置零，在占空比D∈(D_S,D_MAX]时关断，D_S为0至D_MAX之间的预设值；

电压转电流电路，与所述电容的第一端相连，跟随所述曲线电压并将跟随的曲线电压转换为第二电流；

第一镜像电路，对所述第二电流进行镜像以产生第三电流，该第三电流传输至所述电容的第一端以对所述电容充电；

第二镜像电路，对所述第二电流进行镜像以产生补偿电流。

根据本发明的一个实施例，所述占空比D在D_S以下时，所述补偿电流为0；所述占空比D在D_S以上时，所述补偿电流随占空比增大而增大，而且所述补偿电流的斜率也随占空比增大而增大。

根据本发明的一个实施例，所述电压转电流电路包括：

运算放大器，其正输入端连接所述电容的第一端；

第二开关管，其控制端连接所述运算放大器的输出端，其第二端连接所述运算放大器的负输入端并且经由转换电阻接地；

第一PMOS晶体管，其源端连接电源，其漏端连接该第一PMOS晶体管的栅端以及所述第二开关管的第一端，流经所述第一PMOS晶体管的电流为所述第二电流。

根据本发明的一个实施例，所述第一镜像电路包括：第二PMOS晶体管，其源端连接电源，其漏端连接所述电容的第一端，其栅端连接该第一PMOS晶体管的栅端。

根据本发明的一个实施例，所述第二镜像电路包括：第三PMOS晶体管，其源端连接电源，其漏端输出所述补偿电流，其栅端连接该第一PMOS晶体管的栅端。

根据本发明的一个实施例，所述补偿电流为：其中，I₀为所述补偿电流，m为该第一镜像电路的镜像比，n为该第二镜像电路的镜像比，I₁为所述第一电流，R为电压转电流电路的转换电阻，t为时间，T为所述开关电源的周期。

根据本发明的一个实施例，该斜坡补偿电路还包括：电流转电压电路，将所述补偿电流转换为补偿电压，所述补偿电压的电压值与所述补偿电流的电流值一一对应。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种开关电源的斜坡补偿方法，该开关电源的占空比D的范围为0～D_MAX，D_MAX为最大占空比，该方法包括：

所述占空比D在D_S以下时，补偿电流为0，D_S为0至D_MAX之间的预设值；

所述占空比D在D_S以上时，所述补偿电流随占空比增大而增大，而且所述补偿电流的斜率也随占空比增大而增大。

根据本发明的一个实施例，该方法还包括：将所述补偿电流转换为补偿电压，所述补偿电压的电压值与所述补偿电流的电流值一一对应。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的开关电源的斜坡补偿电路及方法采用曲线补偿方式，提供的斜坡补偿量随占空比的增大而增大，而且其斜率也随着占空比的增大而增大，在相同的斜率下，曲线补偿方式的至少斜坡补偿量比线性补偿方式以及分段线性补偿方式都要小，因而可以在满足斜率要求的情况下使得斜坡补偿量更小，有利于简化开关电源的电路设计。

附图说明

图1是现有技术中线性补偿方式下的斜坡补偿量与占空比的关系曲线；

图2是现有技术中分段线性补偿方式下的斜坡补偿量与占空比的关系曲线；

图3是现有技术中一种实现分段线性补偿方式的斜坡补偿电路；

图4是本发明实施例的斜坡补偿方法的斜坡补偿量与占空比的关系曲线；

图5是本发明实施例的斜坡补偿电路的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图4，本发明实施例的斜坡补偿方法中，斜坡补偿量△P与占空比之间的关系曲线为“分段曲线”，而非现有技术中的“线性”或“分段线性”。

进一步而言，该斜坡补偿量△P可以是电流量或电压量，本申请中又称为“补偿电流”或“补偿电压”。斜坡补偿量△P在占空比为0至最大占空比D_MAX之间有效。该斜坡补偿量△P在预设的占空比D_S以下为0，该预设的占空比D_S可以是0.5或其他介于0～D_MAX之间的数值；该斜坡补偿量△P在预设占空比D_S以上随占空比的增大而增大，而且斜坡补偿量△P的斜率也随占空比的增大而增大。

图5示出了该斜坡补偿方法的一种实现电路，也即斜坡补偿电路100。该斜坡补偿电路100包括：电流源301、电容C、第一开关管302、电压转电流电路20、第一镜像电路以及第二镜像电路。

进一步而言，电流源301的输入端连接电源VDD，其输出端输出第一电流I₁。电流源301可以是现有技术中任意适当的结构。

电容C的第一端连接电流源301的输出端以接收第一电流I₁，电容C的第二端接地。第一电流I₁对电容C充电，电容C两端的电压记为曲线电压202。

第一开关管302的第一端连接电容C的第一端，第一开关管302的第二端接地，第一开关管302的控制端接收输入数字信号201，第一开关管302在输入数字信号201的控制下开通或关断。进一步而言，第一开关管302在占空比D∈[0,D_S]时开通，电容C的第一端经由第一开关管302接地，使得曲线电压202置零；第一开关管302在占空比D∈(D_S,D_MAX]时关断，电容C的第一端与地之间断开，电容C由第一电流I₁和第三电流I₃充电。其中，D_S为0至D_MAX之间的预设值，例如可以是0.5或者其他适当的数值。

作为一个非限制性的例子，第一开关管302可以是NMOS晶体管，其漏端连接电容C的第一端，其源端接地，其栅端接收该输入数字信号201。在占空比D∈[0,D_S]时，输入数字信号201为“1”(也即逻辑高电平)，该NMOS晶体管导通；在占空比D∈(D_S,D_MAX]时，输入数字信号201为“0”(也即逻辑低电平)，该NMOS晶体管关断。

电压转电流电路20与电容C的第一端相连，对曲线电压202进行跟随，并将跟随的曲线电压转换为第二电流I₂。

作为一个非限制性的实例，该电压转电流电路20可以包括：运算放大器303，其正输入端连接电容C的第一端；第二开关管304，其控制端连接运算放大器303的输出端，其第二端连接运算放大器303的负输入端并且经由转换电阻R接地；第一PMOS晶体管305，其源端连接电源VDD，其漏端连接该第一PMOS晶体管305的栅端以及第二开关管304的第一端，流经第一PMOS晶体管305的电流即为第二电流I₂。第二电流I₂与曲线电压202的电压值以及转换电阻R的电阻值相关联。

作为一个非限制性的例子，第二开关管304可以是NMOS晶体管，其漏端连接第一PMOS晶体管305的漏端，其源端还经由转换电阻R接地，其栅端连接运算放大器303的输出端，其源端将跟随曲线电压202。

第一镜像电路对第二电流I₂进行镜像，以产生第三电流I₃。该第三电流I₃也传输至电容C的第一端，以对电容C进行充电。

第二镜像电路对第二电流I₂进行镜像，以产生补偿电流I₀。该补偿电流I₀可以直接作为斜坡补偿量，也可以放大后作为斜坡补偿量。或者，该补偿电流I₀可以通过电流转电压电路转换为补偿电压，而将该补偿电压或者其放大值作为斜坡补偿量。在转换时，补偿电流I₀的电流值与转换得到的补偿电压的电压值一一对应。例如，可以通过电阻将补偿电流I₀转换为相对应的电压值。

本领域技术人员应当理解，斜坡补偿量可以作为叠加在检测点上的负增量，例如，在将补偿电流I₀作为斜坡补偿量时，可以将其叠加至电流检测点的误差比较器。

作为一个非限制性的例子，第一镜像电路包括第二PMOS晶体管306，该第二PMOS晶体管306的源端连接电源VDD，其漏端连接电容C的第一端以向电容C输出第三电流I₃，其栅端连接该第一PMOS晶体管305的栅端。第一镜像电路的电流镜像比可以根据需要进行设定。

第二镜像电路包括第三PMOS晶体管307，该第三PMOS晶体管307的源端连接电源VDD，其漏端输出补偿电流I₀，其栅端连接该第一PMOS晶体管305的栅端。第二镜像电路的电流镜像比可以根据需要进行设定。

在上述实施例中，当占空比D∈[0,D_S]时，输入数字信号201为逻辑“1”，第一NMOS晶体管302开通，电容C两端的曲线电压信号202被置零；当占空比D∈(D_S,D_MAX]时，输入数字信号201为逻辑“0”，第一NMOS晶体管302关断，曲线电压信号202由第一电流I₁和第三电流I₃共同对电容C充电产生。将曲线电压信号202的电压记为V_C，则有关系式：

其中，C为电容C的电容值，I₁为第一电流I₁的电流值，I₃为第三电流I₃的电流值。

第二电流I₂可以认为是曲线电压202经由电阻R产生的，而运算放大器303的正输入端和负输入端电压相等，因此，可以得到如下关系式：

其中，I₂为第二电流I₂的电流值，R为电阻R的电阻值。

设第二电流I₂、第三电流I₃以及补偿电流I₀之间的镜像关系如下： 也即第一镜像电路的镜像比为m，第二镜像电路的镜像比为n，那么由上面两个关系式可得到：

$C\frac{{\mathrm{dV}}_C}{\mathrm{dt}}=I_1+m\·\frac{V_C}{R}$

进而可得：

其中，T为开关电源的开关周期，t为时间；

$I_0=n\frac{V_C}{R}=\frac{{\mathrm{nI}}_1}{m}[e^{\frac{m}{\mathrm{RC}}(t-D_{S}T)}-1]$

由此，可以得到补偿电流I₀的斜率：

$\frac{{\mathrm{dI}}_0}{\mathrm{dD}}=T\frac{{\mathrm{dI}}_0}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{nI}}_{1}T}{\mathrm{RC}}{e}^{\frac{m}{\mathrm{RC}}(t-D_{S}T)}.$

由上，补偿电流I₀的斜率为指数函数，而指数函数是增函数，随着占空比D的增大，补偿电流I₀的斜率是逐渐变大的。

如果在最大占空比D_MAX处需要的斜坡补偿量的斜率为k，斜坡补偿量是补偿电流I₀的a倍，那么补偿电流I₀的斜率为在t＝D_MAXT时刻，将有：

$\frac{k}{a}=\frac{{\mathrm{nI}}_{1}T}{\mathrm{RC}}{e}^{\frac{m}{\mathrm{RC}}(D_{\mathrm{MAX}}-D_S)T}$

即：

$e^{\frac{m}{\mathrm{RC}}\left(D_{\mathrm{MAX}}\text{-}{D}_S\right)T}=\frac{k}{a}\·\frac{\mathrm{RC}}{{\mathrm{nI}}_{1}T}$

从而可以得到在t＝D_MAXT时刻，本实施例的曲线补偿方式的至少斜坡补偿量为

$\mathrm{\&Delta;P}={\mathrm{aI}}_0{|}_{t=(D_{\mathrm{MAX}}-D_S)T}=a\&CenterDot;\frac{{\mathrm{nI}}_1}{m}(\frac{k}{a}\&CenterDot;\frac{\mathrm{RC}}{{\mathrm{nI}}_{1}T}-1)<a\&CenterDot;\frac{{\mathrm{nI}}_1}{m}\&CenterDot;\frac{k}{a}\&CenterDot;\frac{\mathrm{RC}}{{\mathrm{nI}}_1}=k\&CenterDot;\frac{\mathrm{RC}}{\mathrm{mT}}$

通常，在参数m、R、C设计合理的情况下，可以使得因此，本实施例的曲线补偿方式的至少斜坡补偿量比现有技术中常规的分段线性补偿方式要小的多。如果假定取D_S＝0.5，D_MAX＝0.8，那么本实施例的曲线补偿方式的至少斜坡补偿量将是分段线性补偿方式的

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，只是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种开关电源的斜坡补偿电路，该开关电源的占空比D的范围为0～D_MAX，D_MAX为最大占空比，其特征在于，该斜坡补偿电路包括：

电流源，其输入端连接电源，其输出端产生第一电流；

电容，其第一端连接所述电流源的输出端，其第二端接地，所述第一电流对所述电容充电，所述电容两端的电压记为曲线电压；

第一开关管，其第一端连接所述电容的第一端，其第二端接地，所述第一开关管在占空比D∈[0,D_S]时开通以将所述曲线电压置零，在占空比D∈(D_S,D_MAX]时关断，D_S为0至D_MAX之间的预设值；

电压转电流电路，与所述电容的第一端相连，跟随所述曲线电压并将跟随的曲线电压转换为第二电流；

第一镜像电路，对所述第二电流进行镜像以产生第三电流，该第三电流传输至所述电容的第一端以对所述电容充电；

第二镜像电路，对所述第二电流进行镜像以产生补偿电流。

2.根据权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述占空比D在D_S以下时，所述补偿电流为0；所述占空比D在D_S以上时，所述补偿电流随占空比增大而增大，而且所述补偿电流的斜率也随占空比增大而增大。

3.根据权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述电压转电流电路包括：

运算放大器，其正输入端连接所述电容的第一端；

第二开关管，其控制端连接所述运算放大器的输出端，其第二端连接所述运算放大器的负输入端并且经由转换电阻接地；

第一PMOS晶体管，其源端连接电源，其漏端连接该第一PMOS晶体管的栅端以及所述第二开关管的第一端，流经所述第一PMOS晶体管的电流为所述第二电流。

4.根据权利要求3所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述第一镜像电路包括：第二PMOS晶体管，其源端连接电源，其漏端连接所述电容的第一端，其栅端连接该第一PMOS晶体管的栅端。

5.根据权利要求3所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述第二镜像电路包括：第三PMOS晶体管，其源端连接电源，其漏端输出所述补偿电流，其栅端连接该第一PMOS晶体管的栅端。

6.根据权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述补偿电流为：其中，I₀为所述补偿电流，m为该第一镜像电路的镜像比，n为该第二镜像电路的镜像比，I₁为所述第一电流，R为电压转电流电路的转换电阻，t为时间，T为所述开关电源的周期。

7.根据权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于，还包括：电流转电压电路，将所述补偿电流转换为补偿电压，所述补偿电压的电压值与所述补偿电流的电流值一一对应。

8.一种开关电源的斜坡补偿方法，该开关电源的占空比D的范围为0～D_MAX，D_MAX为最大占空比，其特征在于，该方法包括：

所述占空比D在D_S以下时，补偿电流为0，D_S为0至D_MAX之间的预设值；

所述占空比D在D_S以上时，所述补偿电流随占空比增大而增大，而且所述补偿电流的斜率也随占空比增大而增大。

9.根据权利要求8所述的斜坡补偿方法，其特征在于，还包括：将所述补偿电流转换为补偿电压，所述补偿电压的电压值与所述补偿电流的电流值一一对应。