CN104396130B - 用于电流模式开关电源的控制器和调节器 - Google Patents

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Abstract

可生成代表表示了电流模式开关电源的输出电压的信号与基准电压之间的差异的误差信号。可生成表示周期性时钟信号的每个周期中在电源内的感应器中应当达到的峰值电流的峰值电流阈值信号，该峰值电流阈值信号的电平基于误差信号。可配置通过在周期性时钟信号的每个周期中接通并随后断开至少一个电源开关以调节电源的电压输出的开关控制信号。断开的定时基于峰值电流阈值信号。可提供负斜率补偿，该负斜率补偿使得开关控制电路在周期性时钟信号的每个周期中延迟断开所述至少一个电源开关，所延迟的量随着开关控制信号的占空比的增加而减小。该负斜率补偿可只在开关控制信号的占空比小于阈值时才提供，该阈值例如为50％。

Description

用于电流模式开关电源的控制器和调节器
技术领域
本公开涉及电流模式开关电源以及调节它们的控制器。
背景技术
开关电源可通过恒频开关信号来控制它们的输出，当输出级中的电流达到阈值电平时恒频开关信号周期性地关闭。当在开关信号的占空比高于50％的情况下运行时，有时增加正斜率补偿来防止不需要的次谐波振荡。
但是，正斜率补偿会降低开关级平均到每个开关操作周期上的输出阻抗。这会导致输出感应器在反馈回路中引入相移。进而会降低反馈回路的相位裕度，这会造成瞬时响应不良或者甚至反馈回路不稳定。
发明内容
一种控制器可被配置为控制电流模式开关电源，该电流模式开关电源使用至少一个电源开关和感应器来生成输出电压。该控制器可包括时钟电路、误差放大器、峰值电流阈值电路、开关控制电路和斜率补偿电路。
时钟电路可被配置为生成周期性时钟信号。
误差放大器可被配置为生成误差信号，该误差信号代表表示了输出电压的信号与基准电压之间的差异。
峰值电流阈值电路可被配置为生成峰值电流阈值信号，该峰值电流阈值信号表示周期性时钟信号的每个周期中感应器中应当达到的峰值电流，该峰值电流阈值信号的电平基于误差信号。
开关控制电路可被配置为生成开关控制信号，该开关控制信号被配置为通过在周期性时钟信号的每个周期中接通并随后断开所述至少一个电源开关来调节电压输出。断开的定时可以基于峰值电流阈值信号。
斜率补偿电路可被配置为提供负斜率补偿，该负斜率补偿使得开关控制电路在周期性时钟信号的每个周期中延迟断开所述至少一个电源开关，所延迟的量随着开关控制信号的占空比的增加而减小。该负斜率补偿可只在开关控制信号的占空比小于阈值时才提供，该阈值例如为50％。
斜率补偿电路可被配置为在占空比大于阈值时提供正斜率补偿，该正斜率补偿使得开关控制电路在周期性时钟信号的每个周期中延迟断开所述至少一个电源开关，所延迟的量随着开关控制信号的占空比的增加而增加。
通过审阅下面的对于示例性实施例、附图、权利要求的详细描述，这些以及其它的组件、步骤、特征、对象、益处和优点将会变得清晰。
附图说明
附图是说明性的实施例。它们未示出所有的实施例。可添加或替代性地使用其它实施例。为了节省空间或更有效的说明，显而易见或不必要的细节将会被省略。可使用额外的组件或步骤和/或不使用所示出的全部组件或步骤来实践某些实施例。相同的数字出现在不同附图中时，该数字指的是相同或相似的组件或步骤。
图1示出了具有负斜率补偿的电流模式开关电源的实例。
图2示出了图1中示出的斜率补偿信号的实例，同时示出了也在图1中示出的周期性时钟信号的实例。
图3示出了能够被配置成作为谷值电流模式开关电源运行的电流模式开关电源的实例。
图4示出了瞬时响应V(VOUT)的实例，瞬时响应V(VOUT)可由图1中示出的类型的电路响应于阶梯式负载电流I(Iload)而产生。
图5示出了可用于实施图1中所示出的电路的电路实例的更多细节。
具体实施方式
现在将会对说明性的实施例进行描述。其它的实施例也可被额外或者替代性地使用。为了节省空间或者更有效的说明，可省略显而易见的或不必要的细节。可在使用额外的组件或步骤和/或不使用所描述的全部组件或步骤的情况下实践某些实施例。
图1示出了具有负斜率补偿的电流模式开关电源的实例。如图1所示，电流模式开关电源可包括至少一个电源开关101、感应器103、整流器105、滤波电容107、电流传感器131、控制器111。控制器111可包括时钟电路113、峰值电流阈值电路115、电流比较器116、开关控制电路117、斜率补偿电路119、误差放大器121。
该至少一个电源开关101可以是任何类型。例如，它可以包括一个或多个晶体管或者由一个或多个晶体管组成。
时钟电路113可被配置为生成周期性时钟信号114。它的频率可以是任何固定的数值。例如，它的频率可以固定在17kHz至25MHz范围中的任何点。
误差放大器121可被配置为检测电流模式开关电源的输出电压VOUT与基准电压信号VREF之间的误差。该误差可通过误差放大器121作为误差信号123呈现。如图所示，来自电源的全部输出电压VOUT与误差放大器121连接。但是，可使用该输出电压的缩放版本对其进行替代，其中VREF会被同样缩放。误差放大器121可根据输出电压VOUT(或者它的缩放版本)与基准电压VREF之间的差异来生成误差信号。误差放大器121可以是模拟误差放大器，如运算放大器或跨导放大器。
峰值电流阈值电路115可被配置为生成峰值电流阈值信号125，峰值电流阈值信号125表示周期性时钟信号的每个周期中感应器103中应当达到的峰值电流，从而使得输出电压VOUT(或者它的缩放版本)等于基准电压VREF。该峰值电流阈值信号125的电平可基于来自误差放大器121的误差信号123。例如，如果误差信号123指示了输出电压VOUT过低，则峰值电流阈值电路115会增大峰值电流阈值信号125的值。相反，如果误差信号123指示了输出电压VOUT过高，则峰值电流阈值电路115会减小峰值电流阈值信号125的值。
电流比较器116可被配置为将峰值电流阈值信号125与电流传感器131感测到的电流模式开关电源的输出电流129进行对比。
开关控制电路117可被配置为生成开关控制信号127，开关控制信号127被配置为在周期性时钟信号的每个周期中接通并随后断开至少一个电源开关101，以使得输出电压VOUT(或者它的缩放版本)大体上等于基准电压VREF。开关控制电路117可被配置为生成开关控制信号127，开关控制信号127可被配置为在周期性时钟信号114的每个周期的开始或其它时间接通至少一个电源开关101。开关控制电路117可被配置为在每个周期中当电流比较器116检测到通过感应器的电流(该电流由电流传感器131感测到)达到峰值电流阈值信号125所指示的电平时断开至少一个电源开关101。
斜率补偿电路119可被配置为生成斜率补偿信号120。进而，峰值电流阈值电路115可被配置为以基于斜率补偿信号120的量来对没有斜率补偿信号120的情况下得到的峰值电流阈值信号125进行修改。例如，峰值电流阈值电路115可以被配置为用斜率补偿信号120对误差信号123进行加、减、乘或除。
斜率补偿电路119可被配置为生成提供了负斜率补偿的斜率补偿信号120，该负斜率补偿使得开关控制电路117在周期性时钟信号的每个周期中延迟断开电源开关101，所延迟的量随着开关控制信号的占空比的增加而减小。斜率补偿电路119可被配置为只在周期性时钟信号114的占空比小于阈值时才生成提供了负斜率补偿的斜率补偿信号120。该阈值可以是任何数量，如50％或40％。
斜率补偿电路119可被配置为在占空比大于所述阈值时生成提供了正斜率补偿的斜率补偿信号120，该正斜率补偿使得开关控制电路117在周期性时钟信号的每个周期中延迟断开电源开关101，所延迟的量随着开关控制信号的占空比的增加而增加。
图2示出了图1中示出的斜率补偿信号120的实例，同时示出了也在图1中示出的周期性时钟信号114的实例。如图2所示，斜率补偿信号120可与周期性时钟信号114同步，并可在每个时钟脉冲启动后以下坡开始。在阈值处，如在时钟周期的大约40％处，斜率补偿信号120会上坡，直到下次时钟的启动为止。如图2中所示，斜率补偿信号120可接近于抛物线的形状。
图1所示的电流模式开关电源可以被配置成作为峰值电流模式开关电源来运行。
图3示出了可以被配置成作为谷值电流模式开关电源来运行的电流模式开关电源的实例。它的各个组件301、303、307、311、313、315、316、317、321和331以及它们分别生成的各个信号314、320、323、327和329可与图1中示出的相应组件或信号相同。一个不同点可以是，图1中的整流器105被电子开关305替代，电子开关305可以与电源开关101类型相同，并且可以类似地由来自开关控制电路117的控制信号329驱动，控制信号329可与控制信号327互补。
图4示出了瞬时响应V(VOUT)的实例，瞬时响应V(VOUT)可由图1中示出的类型的电路响应于阶梯式负载电流I(Iload)而产生。
图5示出了可用于实施图1中所示出的电路的电路的更为详细的实例。
所讨论的组件、步骤、特征、对象、益处和优点仅仅是说明性的。它们以及针对它们的讨论都无意以任何方式限制保护范围。许多其它实施例也是可以预期的。这些实施例包括具有较少的、额外的、和/或不同的组件、步骤、特征、对象、益处和优点的实施例。这些实施例还包括其中的组件和/或步骤排列和/或排序不同的实施例。
例如，基准电压VREF可包含在控制器中。同样，斜率补偿信号可以以除了加入到峰值电流阈值电路中以外的其它方式加入到电路中。例如，可将其替代为从所测量的输出电流129中减去。
除非另作说明，本说明书中，包括随附的权利要求书中所列出的所有测量值、数值、额定值、位置、数量、尺寸、以及其它规格，都是近似的，而不是精确的。它们意在具有与它们所论述的功能相符、并且符合它们所属技术领域的惯例的合理范围。
本披露中所引用的所有论文、专利、专利申请、及其它公开都通过引用并入本文中。
权利要求中使用的术语“用于…的装置”意在并且应当被解释为包含所描述的相应的构造和材料以及它们的等价物。同样，权利要求中使用的术语“用于…的步骤”意在并且应当被解释为包含所描述的相应的动作以及它们的等价物。某项权利要求中不存在这些术语表示该项项权利要求无意并且不应当被解释为局限于相应的构造、材料、或动作或它们的等价物中的任何一种。
保护的范围完全由随附的权利要求限定。当按照该说明书和随后的审查历史进行解释时，该范围意在并且应当被解释为与权利要求中所使用的语言文字的通常含义具有的范围一致，并且包含所有的构造和功能上的等价物。尽管如此，任何权利要求都不意在包含不符合专利法的第101、102、或103部分的要求的主题，并且也不应当以这样的方式对它们进行解释。在此放弃任何对于这种主题的非故意的包含。
除非在上面直接指出，所说明的或示出的全部都不意在或应当被解释为导致任何组件、步骤、特征、对象、益处、优点或等价物被奉献给公众，无论在权利要求中是否列举。
本文所使用的术语和表达具有与这种术语和表达在它们各自领域中一致的通常含义，除非阐明了特定的含义。关系术语，如“第一”、“第二”等可仅仅用于对一个实体或动作与其它的实体或动作进行区分，而不是必须在它们之间需要或暗示任何实际上的关系或顺序。在与说明书或权利要求中的元件清单相关地使用的术语“包含”、“包含……的”及其任何其它变体意在指出该清单不是排外的，而是可包括其它元件的。同样，元件前面以“一个”或“一种”修饰，而没有其它限制时，并不排除更多相同类型的元件的存在。
提供摘要是用于帮助读者快速确定该技术公开的性质。该摘要是在其不用于解释或限制权利要求的范围或含义的理解下被提供的。此外，在不同的实施例中，将上面的“具体实施方式”中的不同特征聚集在一起，从而简化该披露。该披露的方法不应被解释为要求所主张的实施例需要比每个权利要求中所明确表达的更多的特征。相反，如下面的权利要求所反映，创造性主题包含所披露的单个实施例的非全部特征。因此，本文将随附的权利要求并入“具体实施方式”中，而每项权利要求本身作为单独主张的主体而存在。

Claims (22)

1.一种用于电流模式开关电源的控制器，该电流模式开关电源使用至少一个电源开关和感应器来生成输出电压，该控制器包括：
时钟电路，其被配置为生成周期性时钟信号；
误差放大器，其被配置为生成误差信号，该误差信号代表表示了所述输出电压的信号与基准电压之间的差异；
峰值电流阈值电路，其被配置为生成峰值电流阈值信号，该峰值电流阈值信号表示所述周期性时钟信号的每个周期中所述感应器中应当达到的峰值电流，该峰值电流阈值信号的电平基于所述误差信号；
开关控制电路，其被配置为生成开关控制信号，该开关控制信号被配置为通过在所述周期性时钟信号的每个周期中接通并随后断开所述至少一个电源开关来调节所述电压输出，断开的定时基于所述峰值电流阈值信号；以及
斜率补偿电路，其被配置为提供负斜率补偿，该负斜率补偿使得所述开关控制电路在所述周期性时钟信号的每个周期中延迟断开所述至少一个电源开关，所延迟的量随着所述开关控制信号的占空比的增加而减小。
2.如权利要求1所述的控制器，其中所述斜率补偿电路被配置为只在所述占空比小于阈值时才提供所述负斜率补偿。
3.如权利要求2所述的控制器，其中所述阈值小于或等于50％。
4.如权利要求2所述的控制器，其中所述阈值小于或等于40％。
5.如权利要求2所述的控制器，其中，所述斜率补偿电路被配置为在所述占空比大于所述阈值时提供正斜率补偿，该正斜率补偿使得所述开关控制电路在所述周期性时钟信号的每个周期中延迟断开所述至少一个电源开关，所延迟的量随着所述开关控制信号的占空比的增加而增加。
6.如权利要求5所述的控制器，其中所述阈值小于或等于50％。
7.如权利要求5所述的控制器，其中所述阈值小于或等于40％。
8.如权利要求5所述的控制器，其中所述斜率补偿电路被配置为在所述占空比小于30％时提供所述负斜率补偿。
9.如权利要求5所述的控制器，其中所述斜率补偿电路被配置为生成接近抛物线形状的信号。
10.如权利要求1所述的控制器，其中所述电流模式开关电源为谷值电流模式开关电源。
11.如权利要求1所述的控制器，其中所述电流模式开关电源为峰值电流模式开关电源。
12.一种用于电流模式开关电源的调节器，该电流模式开关电源使用感应器来生成输出电压，该调节器包括：
至少一个电源开关；
时钟电路，其被配置为生成周期性时钟信号；
误差放大器，其被配置为生成误差信号，该误差信号代表表示了所述输出电压的信号与基准电压之间的差异；
峰值电流阈值电路，其被配置为生成峰值电流阈值信号，该峰值电流阈值信号表示所述周期性时钟信号的每个周期中所述感应器中应当达到的峰值电流，该峰值电流阈值信号的电平基于所述误差信号；
开关控制电路，其被配置为生成开关控制信号，该开关控制信号被配置为通过在所述周期性时钟信号的每个周期中接通并随后断开所述至少一个电源开关来调节所述电压输出，断开的定时基于所述峰值电流阈值信号；以及
斜率补偿电路，其被配置为提供负斜率补偿，该负斜率补偿使得所述开关控制电路在所述周期性时钟信号的每个周期中延迟断开所述至少一个电源开关，所延迟的量随着所述开关控制信号的占空比的增加而减小。
13.如权利要求12所述的调节器，其中所述斜率补偿电路被配置为只在所述占空比小于阈值时才提供所述负斜率补偿。
14.如权利要求13所述的调节器，其中所述阈值小于或等于50％。
15.如权利要求13所述的调节器，其中所述阈值小于或等于40％。
16.如权利要求13所述的调节器，其中，所述斜率补偿电路被配置为在所述占空比大于所述阈值时提供正斜率补偿，该正斜率补偿使得所述开关控制电路在所述周期性时钟信号的每个周期中延迟断开所述至少一个电源开关，所延迟的量随着所述开关控制信号的占空比的增加而增加。
17.如权利要求16所述的调节器，其中所述阈值小于或等于50％。
18.如权利要求16所述的调节器，其中所述阈值小于或等于40％。
19.如权利要求16所述的调节器，其中所述斜率补偿电路被配置为在所述占空比小于30％时提供所述负斜率补偿。
20.如权利要求16所述的调节器，其中所述斜率补偿电路被配置为生成接近抛物线形状的信号。
21.如权利要求12所述的调节器，其中所述电流模式开关电源为谷值电流模式开关电源。
22.如权利要求12所述的调节器，其中所述电流模式开关电源为峰值电流模式开关电源。
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