CN104242658B - 开关电源的谷底导通数字控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了开关电源的谷底导通数字控制电路，属于开关电源电路设计的技术领域。谷底导通数字控制电路，包括：采集开关电源电压反馈信号的电压反馈检测模块，采集驱动开关管电流的电流反馈检测模块，根据电压、电流反馈检测模块输出信号得到驱动开关管导通信号的运算器，由电压反馈检测模块输出信号得到谷底导通信号的谷底导通数字控制模块，对驱动开关管导通信号、谷底导通信号做与运算的与门器件，根据与门器件的运算结果生成实际占空比信号的PWM产生模块，有效减小开关损耗的同时做到了谷底精确导通，在谐振周期异常时由谷底导通模式切换至实时导通，适用于PWM和PFM模式的非连续模式开关电源芯片。

Description

开关电源的谷底导通数字控制电路

技术领域

本发明公开了开关电源的谷底导通数字控制电路，属于开关电源电路设计的技术领域。

背景技术

随着便携式的电子设备的流行，开关电源已然成为这类的电子设备的主要电源方案。图1给出了一种传统的开关电源芯片结构，芯片主要包括：电压反馈检测模块、电流反馈检测模块、运算器、PWM产生模块。图2给出了一种传统的开关电源芯片结构的系统方案，该系统主要包括：整流桥D0、滤波电容C1、变压器TR1、电源芯片IC1、与电源芯片IC1OUTPUT引脚连接的开关管、与开关管连接的CS采样回路、与变压器副边连接的DC输出级(二极管D4、电容C4组成)、与变压器辅助线圈连接的VDD供电回路(二极管D3、电容C3、电阻R1、电容C5组成)和FB反馈回路(电阻R3、电阻R4组成)。开关管漏极接变压器TR1原边绕组，开关管源极接电流芯片ISENSE引脚，电流芯片IC1的ISENSE引脚与GND引脚之间接有电阻R2。系统工作原理简要描述如下：当DC输出电压Vout低于目标电压时，FB反馈电压V_SENSE降低，电源芯片ICI会增大开关频率的占空比，让开关管导通时间更长，以传递更多的能量到变压器的副边，使输出电压Vout升高；当DC输出电压Vout高于目标电压时，FB电压升高，电源芯片ICI就会减小开关频率的占空比，开关管导通时间变小，以传递更少的能量到变压器的副边，使输出电压Vout降低。

这种工作方式能够实现输出稳定，然而由于开关管的等效输出电容上的损耗和开关管上的电压的平方成正比，所以此类的工作方式的开关损耗比较大。同时系统稳定时，系统的工作频率恒定，EMI特性比较差。

而开关损耗主要和开关管上的电压大小有关，所以让开关管工作在低电压开关状态是降低开关损耗的重要手段，谷底导通技术就是让开关管工作在低电压开关状态。图3给出了传统的谷底导通芯片的工作波形，在运算器理论计算的导通信号有效之后的第一个谷底导通，能够一定程度上降低开关损耗。

这种工作方式虽然能一定程度上降低开关损耗，但是它有很多的不足。比如当系统发生异常导致谐振区谐振周期异常，不能检测到谷底时，这种工作方式就不能正常工作了。这种工作方式不是实时计算最佳谷底位置，所以当由于负载或者输入电压变化导致谐振周期变化时，这种工作方式就不能做到精确谷底导通，影响降低开关损耗的效率。当系统设计不好时，理论导通点在第一个谷底之前，这种方式必须到谷底才能导通，限制了最大占空比，会让输出越来越低，最终不能输出想要恒定电压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了开关电源的谷底导通驱动电路，能够解决驱动开关管的开关损耗大、稳定时工作频率恒定、谐振区谐振周期抖动导致的谷底导通位置不精确、谐振异常时不工作、开关电源驱动电路设计受限制的问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

开关电源的谷底导通数字控制电路，包括：

采集开关电源反馈电压的电压反馈检测模块；

采集驱动开关管电流的电流反馈检测模块；

根据电压、电流反馈检测模块输出信号得到驱动开关管导通信号的运算器；

所述谷底导通数字控制电路还包括：

由电压反馈检测模块输入信号得到谷底导通信号的谷底导通数字控制模块，

所述谷底导通数字控制模块包括：

谐振周期比较器，由电压反馈检测模块输入信号以及基准电压判定开关电源谐振状态，

第1谐振周期谷底数字运算模块，在谐振周期比较器判定开关电源正常谐振且处于第1谐振周期时计算开关电源反馈电压的第一过零点以及第1谐振周期的最佳谷底导通位置，生成驱动开关管在第一过零点至最佳谷底导通位置之间导通的第一谷底导通信号，

第2到n个谐振周期谷底数字运算模块，在谐振周期比较器判定开关电源正常谐振且处于第2到n个谐振周期时实时计算各谐振周期的最佳谷底导通位置，生成驱动开关管在第2到n个谐振周期内的最佳谷底导通位置导通的第二谷底导通信号，

异常谐振周期谷底数字运算模块，在开关电源处于异常谐振周期时生成驱动开关管实时导通的使能信号，

或门器件，选择第1谐振周期谷底数字运算模块输出的第一谷底导通信号或者第2到n个谐振周期谷底数字运算模块输出的第二谷底导通信号或者异常谐振周期谷底数字运算模块输出的使能信号作为谷底导通信号，

电压反馈检测模块输入端、谐振周期比较器同相输入端均接开关电源反馈电压，谐振周期比较器反相输入端接基准电压，第1谐振周期谷底数字运算模块输入端、第2到n个谐振周期谷底数字运算模块输入端、异常谐振周期谷底数字运算模块输入端均与谐振周期比较器输出端连接，第1谐振周期谷底数字运算模块输出端、第2到n个谐振周期谷底数字运算模块输出端、异常谐振周期谷底数字运算模块输出端分别与或门器件输入端连接，或门器件输出端接与门器件的一个输入端，电流反馈检测模块输入端接驱动开关管电流，电压反馈检测模块输出端、电流反馈检测模块输出端、与门器件的另一个输入端分别与运算器连接，PWM产生模块输入端接与门器件输出端，PWM产生模块输出端接驱动开关管栅极；

对驱动开关管导通信号、谷底导通信号做与运算的与门器件；

根据与门器件的运算结果生成实际占空比信号的PWM产生模块，所述实际占空比信号控制驱动开关管在谐振周期内谷底导通而在异常谐振周期内实时导通。

进一步的，所述第1谐振周期最佳谷底导通位置为四分之一谐振周期与控制电路总时间延时的差。

进一步的，所述第2到n个谐振周期谷底数字运算模块实时计算谐振周期，由谐振周期的实时计算值与控制电路总时间延时确定谐振周期的最佳谷底位置。

进一步的，所述的谷底导通数字控制电路中，控制电路总时间延时为从实际占空比信号产生到谷底导通数字控制电路输出开启功率开关管信号之间的时间。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)谷底导通数字控制模块的设计，使得开关电源在第一过零点到第1谐振周期最佳谷底位置之间的区域导通，输出更大占空比的PWM开关波，开关电源输出最大能量，保证电源系统的稳定，

(2)相比于传统的开关电源在运算器理论计算的导通信号有效之后的第一个谷底导通，本发明描述的控制电路在电源系统稳定时在第n、n+1、n-1个谷底随机导通，改变了工作频率，有效改善了EMI特性，

(3)谷底导通数字控制模块的设计考虑到异常谐振对电源系统的稳定性影响，在谐振周期发生异常时让系统从谷底导通模式切换为实时导通模式，

(4)每个谐振周期实时计算最佳谷底导通位置，延长导通时间，确保在保护电路输出开启开关管信号的时候，开关管上的Drain电压正好在谐振谷底，即电压最低处，做到精确谷底导通，有效地降低开关管的开关损耗，

(5)控制电路的兼容性好，适用于PWM和PFM模式的非连续模式开关电源芯片，同时不改变芯片控制环路。也适用于驱动MOSFET开关管和BJT开关管的开关电源芯片。

附图说明

图1为传统的原边反馈开关电源芯片。

图2为原边反馈开关电源芯片与传统开关驱动芯片组成的系统。

图3为传统谷底导通技术的工作波形图。

图4为本发明谷底导通数字控制模块的框图。

图5为本发明谷底导通数字控制模块中最佳谷底位置波形说明图。

图6为功率MOSFET开关管的Drain波形。

图7为本发明谷底导通方案和传统非谷底导通方案的开关损耗对比图。

图8使用本发明的控制电路后开关电源在第1个谐振周期的工作波形。

图9使用本发明的控制电路后开关电源在第2到n个谐振周期的工作波形。

图10使用本发明的控制电路后开关电源在异常谐振周期的工作波形。

图中标号说明：D0为整流桥，C1为滤波电容，R1、R2、R3、R4为电阻，C3、C4、C5为电容，D3、D4为二极管，IC1为电流芯片。

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。

本发明详细描述了一种开关电源用谷底导通数字控制结构。使用本发明的电源系统，有效减小开关损耗的同时做到了谷底精确导通，在谐振周期异常时由谷底导通模式切换至实时导通，适用于PWM和PFM模式的非连续模式开关电源芯片，EMI特性好。

本发明的控制电路如图4所示主要包括：谷底导通数字控制结构，包括谐振周期比较器、基准电压0.1V、第1个谐振周期谷底数字运算模块、第2到n个谐振周期谷底数字运算模块、异常谐振周期谷底数字运算模块、三输入的或门。其连接关系：谐振周期比较器分别与电压反馈端口V_SENSE、电压基准0.1V、第1个谐振周期谷底数字运算模块、第2到n个谐振周期谷底数字运算模块、异常谐振周期谷底数字运算模块相连；谷底导通数字控制结构中的或门分别与第1个谐振周期谷底数字运算模块、第2到n个谐振周期谷底数字运算模块、异常谐振周期谷底数字运算模块、将谷底导通信号和运算器的输出相与的与门相连。

由于系统输入的波动或者输出的波动，很容易影响系统谐振的周期，所以本发明的是第2到n个谐振周期谷底数字运算模块实时检测并计算最佳谷底位置的，这样可以有效降低外界干扰对谷底导通的影响，做到精确谷底导通。

计算最佳谷底位置计算的原理是每一个谐振周期都计算其周期T，并计算1/4谐振周期位置，也就是谐振周期谷底的位置。而最佳谷底导通位置是在1/4谐振周期减去一个电路延时的时间的位置，具体的位置见图5所示，而电路延时时间是指从实际导通信号产生到芯片端口OUTPUT输出开启功率开关管信号之间的时间，减去这个时间的目的是确保在芯片输出开启开关管信号的时候，开关管上的Drain电压正好在谐振谷底，电压最低处，使得开关损耗降到最小。而每一个谐振周期都会计算这个最佳谷底导通位置，这样确保无论在哪个谷底导通，都能做到精确谷底导通，而不受输入电压的影响。

另外系统中很容易出现谐振区最后谐振波形幅度变低，检测不到。而异常谐振周期谷底数字运算模块就是检测谐振波形小于0.1V的时间，当大于某个设定的值之后，就会让系统从谷底导通模式切换到实时导通模式。同时第一个谐振周期的导通区间设到最大，可以输出更大占空比的PWM开关波，降低系统设计的难度。

谷底导通降低等效输出电容引起的开关损耗的原理描述如下：

等效输出电容引起的开关损耗由式(1)式决定：

其中：P_Loss为开关损耗，V_DS是开关管上的电压，C_osseff等效输出电容，F_sw是开关频率。

从公式中可以看出，当开关管上的电压达到最小时，可以有效减小开关损耗。图6中给出了MOSFET开关管的Drian波形，V2代表谷底电压，V1代表非谷底，假设图中V1＝300V，V2＝100V，F_sw＝60KHz，C_osseff＝50pF，则当在V1处导通的开启损耗为：135mW；在V2谷底出导通的开启损耗为15mW。从结果中可以看出谷底导通损耗相比于非谷底损耗可以减小88.89％。所以使用本发明的谷底导通技术和传统非谷底导通的开关损耗对比如图7所示。所以谷底导通可以有效降低等效输出电容引起开关管的开关损耗。

由于运算器运算的导通信号不可能一直落在谷底处，所以应用了本发明的系统，就会在运算器运算的导通信号有效之后的第一个谷底导通，这样就会让开关管多关断一段时间，结果就是输出的能量变小，输出降低，系统自适应，就会提高工作频率。提高频率之后又会导致输出变高，系统就又降低工作频率，使得整个系统工作在一个频率区间内。应用了本发明的系统，系统就会在第n、n+1、n-1个谷底随机导通，则开关频率就不会是一个定值，相比于只在第一个谷底导通的电源芯片有更好的EMI特性。

本发明控制结构应用在电源系统中的工作波形描述如下：

(1)使用本发明的系统在第一个谐振周期导通工作波形

图8给出了使用本发明的系统在第一个谐振周期导通的工作波形，当控制器输出有效出现在过零之前，如图8中的A。则要等待第1个谐振周期谷底数字运算模块有效之后才能导通，而第1个谐振周期谷底数字运算模块有效区间是过零之后到最佳谷底位置这一段时间如图8中的D区间。如果控制器输出落在D区间内，则立马导通，如图8中的B和C。如果落在第一个谷底之后，则第1个谐振周期谷底数字运算模块就无效，最终让PWM模块产生PWM信号是实际的导通使能信号。

(2)使用本发明的系统在第2到n个谐振周期导通工作波形

图9给出了使用本发明的系统在第2到n个谐振周期导通的工作波形，当控制器输出不在谷底位置有效，则要在第2到n个谐振周期谷底数字运算模块计算出最佳谷底位置并产生有效信号之后才能导通。

(3)使用本发明的系统谐振周期异常工作波形

图10给出了使用本发明的系统谐振异常的工作波形，当运算器输出有效之后，第2到n个谐振周期谷底数字运算模块不能计算出谷底位置，此时异常谐振周期谷底数字运算模块就会开始计时，当超过异常周期阈值之后就会产生信号，让系统从谷底导通模式切换为实时导通。

Claims (4)

1.开关电源的谷底导通数字控制电路，包括：

采集开关电源反馈电压的电压反馈检测模块；

采集驱动开关管电流的电流反馈检测模块；

根据电压、电流反馈检测模块输出信号得到驱动开关管导通信号的运算器；

其特征在于，所述谷底导通数字控制电路还包括：

由电压反馈检测模块输入信号得到谷底导通信号的谷底导通数字控制模块，

所述谷底导通数字控制模块包括：

谐振周期比较器，由电压反馈检测模块输入信号以及基准电压判定开关电源谐振状态，

第1谐振周期谷底数字运算模块，在谐振周期比较器判定开关电源正常谐振且处于第1谐振周期时计算开关电源反馈电压的第一过零点以及第1谐振周期的最佳谷底导通位置，生成驱动开关管在第一过零点至最佳谷底导通位置之间导通的第一谷底导通信号，

第2到n个谐振周期谷底数字运算模块，在谐振周期比较器判定开关电源正常谐振且处于第2到n个谐振周期时实时计算各谐振周期的最佳谷底导通位置，生成驱动开关管在第2到n个谐振周期内的最佳谷底导通位置导通的第二谷底导通信号，

异常谐振周期谷底数字运算模块，在开关电源处于异常谐振周期时生成驱动开关管实时导通的使能信号，

或门器件，选择第1谐振周期谷底数字运算模块输出的第一谷底导通信号或者第2到n个谐振周期谷底数字运算模块输出的第二谷底导通信号或者异常谐振周期谷底数字运算模块输出的使能信号作为谷底导通信号；

对驱动开关管导通信号、谷底导通信号做与运算的与门器件；

根据与门器件的运算结果生成实际占空比信号的PWM产生模块，所述实际占空比信号控制驱动开关管在谐振周期内谷底导通而在异常谐振周期内实时导通。

2.根据权利要求1所述的谷底导通数字控制电路，其特征在于，所述第1谐振周期最佳谷底导通位置为四分之一谐振周期与控制电路总时间延时的差。

3.根据权利要求2所述的谷底导通数字控制电路，其特征在于，所述第2到n个谐振周期谷底数字运算模块实时计算谐振周期，由谐振周期的实时计算值与控制电路总时间延时确定谐振周期的最佳谷底位置。

4.根据权利要求2或3所述的谷底导通数字控制电路，其特征在于，所述控制电路总时间延时为从实际占空比信号产生到谷底导通数字控制电路输出开启功率开关管信号之间的时间。