CN104319984A - 智能调节最大占空比的pwm控制电路 - Google Patents
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Abstract
智能调节最大占空比的PWM控制电路，包括调节功率管占空比的PWM调制器，及振荡器，所述PWM调制器的触发时钟信号为振荡器输出的方波信号，其特征在于，还包括占空比限制电路，所述占空比限制电路包括恒定时间方波发生器、最大占空比方波发生器、D触发器及第一与逻辑电路；所述PWM调制器能够完成以下逻辑功能：当占空比限制电路输出高电平时，关闭功率管；所述恒定时间方波发生器输出方波的下降沿与功率管占空比信号端输出信号的上升沿重合。本发明可以在负载电流瞬间剧烈变换状态下，智能增大PWM信号最大占空比，强制PWM快速响应，这样增加系统响应速度，一方面可以降低输出纹波电压，一方面输出更快保持稳定。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，涉及一种开关电源控制电路，特别是一种智能调节最大占空比的PWM控制电路。
背景技术
随着消费电子产品强劲的需求以及各种电子产品的更新换代，对电源模块的要求也越来越高。电源模块通常为功能模块提供恒定的电压或恒定的电流，以保证它们稳定的工作。
副边反馈开关电源的原理是通过对输出电压反馈采样控制PWM信号的状态，包括PWM信号的脉宽和频率，实现稳定的电压和功率输出。PWM（脉冲宽度调制）是本领域成熟的实现上述控制方式的现有技术，如果负载电流比较大，PWM调制器通过对输出或输入量的采样，在最大频率固定的情况下调整功率管的开关占空比，实现反馈控制；而在负载较轻时，为降低开关损耗，为调整PWM信号频率，通常是对振荡器进行降频，以低于最大频率的较低频率运行，同时占空比通常也会减小，从而实现轻负载状态下的控制。
在实际应用中，电源有时经常使用在负载电流不断变化环境中，一旦负载电流过于剧烈变化，输出电压不可避免的会受到扰动，由于受到固定最大占空比限制，需要根据系统响应时间逐渐恢复稳定。如果在对输出电压精度要求高的应用中，传统的固定最大占空比限制往往不能满足对电压精度和响应速度的需求。
发明内容
为克服现有开关电源控制电路在受到扰动时，由于受到固定最大占空比限制，响应速度不足和不能满足电压精度要求的技术缺陷，本发明公开了一种智能调节最大占空比的PWM控制电路。
本发明所述智能调节最大占空比的PWM控制电路，包括调节功率管占空比的PWM调制器，及振荡器，所述PWM调制器的触发时钟信号为振荡器输出的方波信号，还包括占空比限制电路，所述占空比限制电路包括第一恒定脉宽方波发生器、第二恒定脉宽方波发生器、D触发器及第一与逻辑电路；
所述D触发器的D输入端和时钟分别连接第一恒定脉宽方波发生器的信号输出端和功率管占空比信号端，所述功率管占空比信号端与功率管开关占空比信号相同；所述第一与逻辑电路的两个输入端分别连接D触发器的输出端和第二恒定脉宽方波发生器的输出端；
所述第一恒定脉宽方波发生器与第二恒定脉宽方波发生器输出的方波均与振荡器频率相同，但第一恒定脉宽方波发生器输出信号脉冲宽度小于第二恒定脉宽方波发生器；
所述占空比限制电路的输出端为第一与逻辑电路输出端，并输入到PWM调制器，所述PWM调制器能够完成以下逻辑功能：当占空比限制电路输出高电平时，关闭功率管；
所述第一恒定脉宽方波发生器输出方波的下降沿与功率管占空比信号端输出信号的上升沿重合。
优选的，所述振荡器还包括输出信号与方波同频的三角波输出端，所述第一恒定脉宽方波发生器包括第一基准电压、第一电压比较器和第二与逻辑电路；所述第一电压比较器的正负输入端分别连接第一基准电压和振荡器的三角波输出端，所述第二与逻辑电路的两个输入端分别连接振荡器的方波输出端和第一电压比较器的输出端，所述第二与逻辑电路的输出端作为第一恒定脉宽方波发生器的输出端。
进一步的，所述第二恒定脉宽方波发生器包括第二基准电压和第二比较器，所述第二比较器的正负输入端分别连接第二基准电压和振荡器的三角波输出端，所述第二基准电压的电压值大于第一基准电压，所述第二比较器的输出端作为第二恒定脉宽方波发生器的输出端。
优选的，所述振荡器输出的方波信号占空比为5-25%。
优选的，所述D触发器的复位端连接PWM控制电路的使能端
采用本发明所述的智能调节最大占空比的PWM控制电路，可以在负载电流瞬间剧烈变换状态下，增大PWM信号最大占空比，强制PWM快速响应，这样增加系统响应速度，一方面可以降低输出纹波电压，一方面输出更快保持稳定。
附图说明
图1为现有的典型振荡器电路示意图；
图2为本发明所述智能调节最大占空比的PWM控制电路的一种具体实施方式示意图；
图3为当本发明具体实施方式所述ton<time1时各个电路节点的信号时序示意图；
图4为当本发明具体实施方式所述time1<ton<time2时各个电路节点的信号时序示意图；
图5为当本发明具体实施方式所述time2<ton<12uS时各个电路节点的信号时序示意图；
图中附图标记名称为：Logic1-第一与逻辑电路，Logic2-第二与逻辑电路 Comp1-第一比较器，Comp2-第二比较器，V1-第一基准电压，V2-第二基准电压，Clear-D触发器复位端，VSAW-振荡器输出的三角波信号，Ctr-D触发器的时钟正向输入端，Ctrn-D触发器的时钟反向输入端。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述智能调节最大占空比的PWM控制电路，包括调节功率管占空比的PWM调制器，及振荡器，所述PWM调制器的触发时钟信号为振荡器输出的方波信号，其特征在于，还包括占空比限制电路，所述占空比限制电路包括第一恒定脉宽方波发生器、第二恒定脉宽方波发生器、D触发器及第一与逻辑电路；
所述D触发器的D输入端和时钟分别连接第一恒定脉宽方波发生器的信号输出端和功率管占空比信号端，所述功率管占空比信号端与功率管开关占空比信号相同；所述第一与逻辑电路的两个输入端分别连接D触发器的输出端和第二恒定脉宽方波发生器的输出端；
所述第一恒定脉宽方波发生器与第二恒定脉宽方波发生器输出的方波均与振荡器频率相同，但第一恒定脉宽方波发生器输出信号的脉冲宽度小于第二恒定脉宽方波发生器；
所述占空比限制电路的输出端为第一与逻辑电路输出端，并输入到PWM调制器，所述PWM调制器能够完成以下逻辑功能：当占空比限制电路输出高电平时，关闭功率管；
所述第一恒定脉宽方波发生器输出方波的下降沿与功率管占空比信号端输出信号的上升沿重合。
第一和第二恒定脉宽方波发生器分别输出脉宽为time1和time2的同频恒定脉宽信号，time2大于time1。所述占空比限制电路以反馈回的功率管占空比信号为被检测量，根据本时钟周期内功率管的占空比输出占空比限制信号，对下一时钟周期的功率管占空比进行最大值限制。
PWM调制器完成以下逻辑功能：当占空比限制电路输出高电平时，关闭功率管；反之，当占空比限制电路输出低电平时，则进行正常的反馈环路控制。
上述PWM调制器的逻辑功能实现在本领域内是现有技术，例如采用或非门，只要占空比限制电路输出为高，则或非门输出信号一定为低，对于NMOS类型的功率管，将会被关闭，而当占空比限制电路输出为低时，从或非门另一个输入端输入的调制信号直接输出，完成正常的反馈控制。
以下分情况讨论在功率管占空比不同的情况下，占空比限制电路的不同输出信号，以振荡器时钟为65K赫兹，每周期内低电平时间time3=12微秒，并设定time1=8微秒，time2=10微秒为例。
在图3至图5中，PWM表示功率管占空比信号，如图3所示，例如本周期功率管开启时间TON小于time1时间，由于第一恒定脉宽方波发生器输出方波的下降沿与功率管占空比信号端输出信号的上升沿重合， PWM下降沿时刻对应的第一恒定脉宽方波发生器输出信号Trg为低电平，由于D触发器下降沿触发，则D触发器输出信号Q+输出为低电平信号，第二与逻辑电路受到该低电平信号锁定，持续输出低电平，在第二与逻辑电路输出的PWM_MAX信号一直为低电平的情况下，下一开关周期内，功率管开启时间仅受振荡器输出方波信号限制，可以达到最大占空比，振荡器的输出方波占空比通常设置在5-25%范围内，从而实现功率管75-95%的最大占空比。
如图4所示，本周期功率管开启时间TON大于time1时间但是小于time2（如8.0uS<TON<10.0uS）, 此时在PWM信号下降沿检测到的Trg信号为高电平，那么触发器输出信号Q+输出为高电平信号，经过第二与逻辑电路运算，PWM_MAX信号受到第二恒定占空比方波输出电路输出的Clk-b信号限制，下一时钟周期内功率管开关时间有最大占空比限制，最大只能达到time2=10uS的时间。
如图5所示，本周期功率管开启时间TON大于time2时间（如10.0uS<TON<12.0uS，其中12微秒的上限是被振荡器输出的方波信号所限制），在PWM信号下降沿检测到的Trg信号为高电平，触发器输出信号Q+输出为高电平信号，这样PWM_MAX信号经过第二与逻辑电路的运算，由于TON大于time2时间，PWM_MAX信号实际受到本周期PWM信号的占空比控制，下一时钟周期内的功率管开关时间最大可以达到本周期的开启时间TON。
PWM信号和振荡器输出的方波信号CLK保持同步频率，并由CLK下降沿开启，但在任何时候PWM信号的开启时间TON受到CLK信号自身限制，例如对于频率65K，周期15微秒，CLK占空比为25%时， PWM信号开启时间不能超过12微秒。
电路运行时，负载越轻，功率管占空比信号PWM频率越小，同时开启时间TON越小,也就是占空比越小；负载越重，功率管占空比信号PWM的频率越大，同时TON越大，也就是占空比越大。
下面详细说明该电流在负载电流瞬间变换时电路工作状态：
仍然以time1=8微秒，time2=10微秒，振荡器频率65K，输出CLK信号占空比25%为例。当电路正常工作时，最大占空比信号控制TON最大值由time2=10uS限制。当负载电流剧烈变化时，比如负载电流瞬间从轻载切换成满载时，假设轻载时TON时间是2uS，TON小于time1时间，负载切换成满载后第一个时钟周期内的TON没有最大占空比限制，所以可以达到所需要的最大值例如 11uS，一旦TON时间达到11 uS，根据前述，该时间大于time2=10uS，则下一时钟周期内TON时间继续同样不受到time2=10uS的限制，能够持续以最大不超过11uS(可以保持11uS)的TON时间开启功率管，随着输出电压增加，TON时间减小，只要TON不低于time2，那么它仍然不受time2限制，输出电压继续增加，TON继续减小，输出电压逐渐稳定。这样避免了TON在负载切换最大只能受限于time2=10uS的限制，通过PWM快速响应功能，让输出电压更快恢复稳定状态。
如图2所示的具体实施方式中，D触发器具有时钟正向输入端Ctr和时钟反向输入端Ctrn，D触发器还设置有复位端Clear，复位端连接PWM控制电路的使能端，当电路不工作时，D触发器复位清零。
本发明提供一种第一和第二恒定脉宽方波发生器的优选实施方式，利用振荡器产生的三角波，如图1所示的现有技术振荡器中，利用对电容的充放电产生周期性三角波和方波。
图1中，通过充电控制电路和放电控制电路对电容进行充电和放电，例如设置充电电流和放电电流比例为1:3，这样电容上的斜波电压VSAW上升沿斜率和下降沿斜率为1:3，斜波电压VSAW上升沿时间和下降沿时间比为3:1，通过控制两个比较器的被比较电压点，将斜波电压VSAW起点设置为0.5V，斜波电压高点设置为3.0V；通过振荡器的逻辑电路输出振荡器信号CLK，该振荡器信号CLK周期为斜波电压VSAW周期，振荡器信号CLK高电平时间为VSAW电压上升时间，振荡器信号CLK低电平时间为VSAW下降沿时间。根据斜波电压VSAW上升沿斜率和下降沿斜率为1:3，可以得出振荡器信号CLK高电平时间和低电平时间比为3:1。通过设置电容值和充电、放电电流，将振荡器CLK频率设置为所需要的频率。
图2中给出了第一恒定脉宽方波发生器和第二恒定脉宽方波发生器的一种具体实施方式示意图，所述第一恒定脉宽方波发生器包括第一基准电压、第一电压比较器Comp1和第二与逻辑电路Logic2；所述第一电压比较器的正负输入端分别连接第一基准电压和振荡器的三角波输出端，所述第二与逻辑电路的两个输入端分别连接振荡器的方波输出端和第一电压比较器的输出端，所述第二与逻辑电路的输出端作为第一恒定脉宽方波发生器的输出端。
在振荡器输出三角波信号固定的情况下，通过改变第一基准电压V1的值，可以方便的设置输出方波的脉冲宽度time1，并利用第一与逻辑电路实现输出信号的下降沿与振荡器方波信号的下降沿重合，现有技术中，PWM调制器对功率管控制信号由振荡器输出的方波下降沿触发跳变形成上升沿，因此第一与逻辑电路输出信号下降沿与振荡器方波信号的下降沿重合即可实现与功率管占空比信号端输出信号的上升沿重合。
所述第二恒定脉宽方波发生器包括第二基准电压V2和第二比较器Comp2，所述第二比较器的正负输入端分别连接第二基准电压和振荡器的三角波输出端，所述第二基准电压的电压值大于第一基准电压，所述第二比较器的输出端作为第二恒定脉宽方波发生器的输出端。通过改变第二基准电压V2的值，可以方便的设置输出方波的脉冲宽度时间time2。
与逻辑电路实现与逻辑功能，例如图2中采用与非门加反相器实现。
采用本发明所述的智能调节最大占空比的PWM控制电路，可以在负载电流瞬间剧烈变换状态下，增大PWM信号最大占空比，强制PWM快速响应，这样增加系统响应速度，一方面可以降低输出纹波电压，一方面输出更快保持稳定。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.智能调节最大占空比的PWM控制电路，包括调节功率管占空比的PWM调制器，及振荡器，所述PWM调制器的触发时钟信号为振荡器输出的方波信号，其特征在于，还包括占空比限制电路，所述占空比限制电路包括第一恒定脉宽方波发生器、第二恒定脉宽方波发生器、D触发器及第一与逻辑电路；
所述D触发器的D输入端和时钟分别连接第一恒定脉宽方波发生器的信号输出端和功率管占空比信号端，所述功率管占空比信号端与功率管开关占空比信号相同；所述第一与逻辑电路的两个输入端分别连接D触发器的输出端和第二恒定脉宽方波发生器的输出端；
所述第一恒定脉宽方波发生器与第二恒定脉宽方波发生器输出的方波均与振荡器频率相同，但第一恒定脉宽方波发生器输出信号脉冲宽度小于第二恒定脉宽方波发生器；
所述占空比限制电路的输出端为第一与逻辑电路输出端，并输入到PWM调制器，所述PWM调制器能够完成以下逻辑功能：当占空比限制电路输出高电平时，关闭功率管；
所述第一恒定脉宽方波发生器输出方波的下降沿与功率管占空比信号端输出信号的上升沿重合。
2.如权利要求1所述的智能调节最大占空比的PWM控制电路，其特征在于，所述振荡器还包括输出信号与方波同频的三角波输出端，所述第一恒定脉宽方波发生器包括第一基准电压、第一电压比较器和第二与逻辑电路；所述第一电压比较器的正负输入端分别连接第一基准电压和振荡器的三角波输出端，所述第二与逻辑电路的两个输入端分别连接振荡器的方波输出端和第一电压比较器的输出端，所述第二与逻辑电路的输出端作为第一恒定脉宽方波发生器的输出端。
3.如权利要求2所述的智能调节最大占空比的PWM控制电路，其特征在于，所述第二恒定脉宽方波发生器包括第二基准电压和第二比较器，所述第二比较器的正负输入端分别连接第二基准电压和振荡器的三角波输出端，所述第二基准电压的电压值大于第一基准电压，所述第二比较器的输出端作为第二恒定脉宽方波发生器的输出端。
4.如权利要求1所述的智能调节最大占空比的PWM控制电路，其特征在于，所述振荡器输出的方波信号占空比为5-25%。
5.如权利要求1所述的智能调节最大占空比的PWM控制电路，其特征在于，所述D触发器的复位端连接PWM控制电路的使能端。
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