CN105226953A - 抖频控制电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种可应用于峰值电流控制的开关电源电路的抖频电路，所述抖频电路包括峰值电流信号产生电路，接收表征主开关导通时刻的触发信号，输出可变峰值电流信号；峰值比较器，比较峰值电流信号和电流检测信号，输出电流控制信号；第一RS触发器，基于所述触发信号和电流控制信号，输出功率控制信号控制开关电源电路中的主开关的通断。本发明提供的抖频控制电路电路结构简单，并且可应用于不限模式的峰值电流控制的开关电源电路。

Description

抖频控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种抖频电路及其控制方法。
背景技术
开关电源电路中，通常采用抖频技术来改善EMI(ElectroMagneticInterference)特性。现有的抖频技术一般应用于PWM(PulseWidthModulation)控制的开关电源电路中。其常用手段是对PWM控制的开关电源电路中的时钟信号作频率抖动处理。在PFM(PulseFrequencyModulation)控制的开关电源电路中，虽然电路的开关频率不固定，是根据负载的变化而变化的，但当其负载固定时，其开关频率也固定。因此，PFM控制的开关电源电路也会有EMI问题。
从而，有需要提出一种应用于PFM控制的开关电源电路的抖频技术。
发明内容
考虑到现有技术的一个或多个技术问题，提出了一种抖频电路及其控制方法。
根据本技术的实施例，提出了一种
在一个实施例中，所述
在一个实施例中，所述
根据本发明上述各方面提供的抖频电路及其控制方法，可应用于任意峰值电流控制的开关电源电路。
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开关电源电路10的电路结构示意图；
图2示出了根据本发明一实施例的峰值电流信号产生电路30的电路结构示意图；
图3示出了峰值电流信号Ipk、触发信号ONT和电容C1两端电压Vc的波形示意图。
图4示出了根据本发明一实施例的峰值电流信号产生电路40的电路结构示意图；
图5示出了根据本发明一实施例的峰值电流信号产生电路50的电路结构示意图；
图6示出了根据本发明一实施例的抖频电路的控制方法60。
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。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1示出了根据本发明一实施例的开关电源电路10的电路结构示意图。如图1所示，所述开关电源电路10包括开关电路和抖频控制电路。所述开关电路包括：变压器T1，包括接收输入电压Vin的原边和提供输出电压Vout的副边；主开关PM，耦接在变压器T1和原边地之间；次开关D1，耦接在变压器T1和开关电路的输出电压Vout之间；输出电容Co，耦接在输出电压Vout和副边地之间。所述主开关PM在抖频控制电路提供的功率控制信号VG的控制下有序地导通和关断，将输入电压Vin转换成所需的输出电压Vout。在一个实施例中，所述开关电路还包括电流检测电阻Rcs，耦接在主开关PM和原边地之间。所述主开关PM导通时，电流从输入电压Vin端流过主开关PM和电流检测电阻Rcs，在电流检测电阻Rcs上生成电流检测信号Ics。所述电流检测信号Ics表征流过开关电源电路的储能元件(如变压器T1)或主开关PM的电流的检测信号，并且与开关电源电路的输出电流相关。电流检测信号Ics的采样是本领域公知常识，可通过多种电路和手段实现，此外不再展开叙述。
所述抖频控制电路包括：峰值电流信号产生电路101，具有输入端和输出端，所述输入端接收表征主开关PM导通时刻的触发信号ONT，基于所述触发信号ONT，所述输出端输出峰值电流信号Ipk；峰值比较器102，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至峰值电流信号产生电路101的输出端接收峰值电流信号Ipk，所述第二输入端接收电流检测信号Ics，基于峰值电流信号Ipk和电流检测信号Ics，所述输出端输出电流控制信号Ictr；第一RS触发器103，具有置位端“S”、复位端“R”和输出端“Q”，所述置位端“S”接收触发信号ONT，所述复位端“R”耦接至峰值比较器102的输出端接收电流控制信号Ictr，基于所述触发信号ONT和电流控制信号Ictr，所述输出端“Q”输出功率控制信号VG。
当触发信号ONT置位第一RS触发器103时，功率控制信号VG导通主开关PM；当电流控制信号Ictr复位第一RS触发器103时，功率控制信号VG关断主开关PM。所述触发信号ONT可由多种方式产生。例如可通过将输出电压Vout与一基准电压信号相比较而产生，或者在固定关断时长控制电路中，由固定关断时长电路产生，即当主开关PM的关断时长达到一定值后，产生触发信号ONT来置位第一RS触发器103，从而导通主开关PM。
图1所示的开关电路为FLYBACK开关电路。本领域普通技术人员应该知道，本发明实施例可以包括任意类型的开关电路，如BUCK开关电路，BOOST开关电路，BUCK-BOOST开关电路等。
图2示出了根据本发明一实施例的峰值电流信号产生电路20的电路结构示意图。如图2所示，所述峰值电流信号产生电路20包括：最大值控制电路201，具有输入端和输出端，所述输入端接收触发信号ONT，基于所述触发信号ONT，所述输出端输出最大值控制信号ONP，所述最大值控制信号ONP控制峰值电流信号Ipk在一个时钟周期内保持最大值的时间长度；峰值控制电路202，具有输入端和输出端，所述输入端耦接至最大值控制电路201的输出端接收最大值控制信号ONP，基于最大值控制信号ONP，所述输出端输出峰值电流信号Ipk，其中所述峰值电流信号Ipk：在开关频率大于等于第一预设值时，保持第一电压值V1；在开关频率小于等于第二预设值时，保持第二电压值V2；在开关频率小于第一预设值并且大于第二预设值时，随着开关频率的下降而线性下降；其中，所述第一预设值大于第二预设值，并且第一电压值V1大于第二电压值V2。
在一个实施例中，所述最大值控制电路201包括：延时电路203，具有输入端和输出端，所述输入端接收触发信号ONT，所述输出端输出相比于触发信号ONT具有一定延时T1的延时信号ONT_D；以及第二RS触发器204，具有置位端“S”、复位端“R”和输出端“Q”，所述置位端“S”接收触发信号ONT，所述复位端“R”耦接至延时电路203的输出端接收延时信号ONT_D，基于触发信号ONT和延时信号ONT_D，所述输出端“Q”输出最大值控制信号ONP。所述最大值控制信号ONP的脉冲被触发信号ONT所触发，其脉冲宽度为延时长度T1。任何可将触发信号ONT转换成具有一定脉冲宽度的脉冲信号的电路均可用于本发明。
在一个实施例中，所述峰值控制电路202包括：电容C1，具有第一端和第二端，所述第二端耦接参考地；第一电压源VS1，通过采样开关S1与电容C1并联，提供第一电压值V1，当采样开关S1导通时将电容C1两端的电压Vc箝位至第一电压值V1；电流源I1，与电容C1并联耦接；第二电压源VS2，通过二极管D2与电容C1并联，提供第二电压值V2，当二极管D2导通时，将电容C1两端的电压Vc箝位至第二电压值V2；以及采样保持电路205，具有输入端和输出端，所述输入端耦接至电容C1的第一端，所述输出端输出峰值电流信号Ipk；其中，所述采样保持电路205在主开关PM导通时采样电容C1两端的电压Vc，并保持该值直至主开关PM再次导通时。
在一个实施例中，所述第一电压源VS1包括产生恒定电压信号Vf1的恒定电压源，并且所述第二电压源VS2包括产生恒定电压信号Vf2的恒定电压源。
在一个实施例中，所述触发信号ONT的上升沿对应主开关PM的开启时刻。
图3示出了峰值电流信号Ipk、触发信号ONT和电容C1两端电压Vc的波形示意图。如图3所示，所述峰值电流信号Ipk并非固定值，其值根据开关电路的开关频率变化而变化。当开关电路的开关频率较大并且大于等于第一预设值时，所述峰值电流信号Ipk具有第一电压值V1。当开关电路的开关频率小于等于第一预设值时，峰值电流信号Ipk的值随着开关电路的开关频率的减小而减小。当开关电路的开关频率小于第二预设值时，峰值电流信号Ipk的值具有第二电压值V2。
在一个实施例中，所述开关频率的第一预设值由图2所示的时长T1决定，为1/(T1)，而第二预设值由图2所示的时长T1和T2共同决定，为1/(T1+T2)。
下面结合图2和图3来具体说明峰值电流信号产生电路20的工作过程。当触发信号ONT产生脉冲时，最大值控制信号ONP的脉冲被触发，并且脉冲宽度由延时T1决定。最大值控制信号ONP控制采样开关S1。即在最大值控制信号ONP的脉宽长度内，采样开关S1导通，电容C1两端的电压Vc被箝位至第一电压值V1，并且保持T1的时间长度。当最大值控制信号ONP的脉宽结束后，即时长T1结束后，电容C1被电流源I1放电，电压Vc的值线性下降。当电压Vc的值下降至第二电压值V2时，二极管D2导通，第二电压源VS2将电容C1两端的电压Vc箝位在第二电压值V2。本领域普通技术人员应该知道，所述二极管D2为理想器件。在实际应用中，可通过调整第二电压源VS2的电压值来抵消二极管D2的导通电压。
在一个实施例中，采样保持电路205在触发信号ONT的上升沿采样电容C1上的电压Vc，并保持至触发信号ONT的下一个上升沿，如图3所示。
由图2电路可知，当电压Vc线性下降时，其下降斜率由电容C1的值和电流源I1的放电电流值共同决定。因此，图3所示的时长T2由第一电压值V1、第二电压值V2、电容C1的值和电流源I1的放电电压值共同决定，即本领域普通技术人员可根据实际需要来选择各值。
图4示出了根据本发明一实施例的峰值电流信号产生电路40的电路结构示意图。与图2中的峰值电流信号产生电路20相比，峰值电流信号产生电路40产生的峰值电流信号Ipk的第一电压值V1还包括一曲线波形电压信号Vt1。如图4所示，曲线波形产生电路403产生曲线波形电压信号Vt1，并且通过加法电路A1叠加至恒压源所产生的恒定电压信号Vf1上，即第一电压值为恒定电压信号Vf1和曲线波形电压信号Vt1的叠加值。也就说，即使开关电路的开关频率较高，即开关周期小于延时长度T1时，峰值电流信号Ipk的值也非稳定值，其波动幅度为曲线波形电压信号Vt1的幅值。
在一个实施例中，所述曲线波形电压信号Vt1的值在恒定电压信号Vf1的10％以内。
在一个实施例中，所述曲线波形电压信号Vt1的周期长度大于延时长度T1。
图5示出了根据本发明一实施例的峰值电流信号产生电路50的电路结构示意图。与图2中的峰值电流信号产生电路20相比，峰值电流信号产生电路50产生的峰值电流信号Ipk的第二电压值V2还包括一曲线波形电压信号Vt2。如图5所示，曲线波形产生电路503产生曲线波形电压信号Vt2，并且通过加法电路A2叠加至恒定电压源所产生的恒定电压信号Vf2上。也就说，当开关电路的开关频率较低，以致峰值电流信号Ipk为第二电压值V2时，其值也非稳定值，其波动幅度为曲线波形电压信号Vt2的幅值。
在一个实施例中，所述曲线波形电压信号Vt2的值在恒定电压信号Vf2的10％以内。
在一个实施例中，结合图4和图5的实施例，可以在恒定电压信号Vf1和恒定电压信号Vf2上同时叠加曲线波形电压信号。
本领域普通技术人员应该知道，本发明提供的峰值电流信号产生电路不仅可用于PFM控制电路，而且能应用于任意峰值电流控制的开关电源电路，使其具有抖频功能。
图6示出了根据本发明一实施例的抖频控制电路的控制方法60。所述抖频控制电路可用于峰值电流控制的开关电源电路。所述控制方法60包括：步骤601，在开关电源电路的主开关导通时刻，即开关周期开始时刻，将电压控制信号箝位至第一电压值，并且保持时长T1；步骤602，当开关电源电路的开关频率小于1/T1时，使电压控制信号线性下降；步骤603，在开关电源电路的一个开关周期内，当电压控制信号下降至第二电压值时，保持电压控制信号的值不变；以及步骤604，在主开关导通时刻，采样电压控制信号的值作为峰值电流信号，并保持该值至主开关的下一个导通时刻。
在一个实施例中，所述第一电压值和第二电压值包括分别包括不同的恒定电压信号。
在一个实施例中，所述第一电压值包括恒定电压信号叠加具有曲线波形的电压信号。
在一个实施例中，所述第二电压值包括恒定电压信号叠加具有曲线波形的电压信号。
在一个实施例中，所述具有曲线波形的电压信号包括三角波信号。
在一个实施例中，所述具有曲线波形的电压信号包括正弦波信号。
在一个实施例中，所述曲线波形电压信号的幅值为对应的恒定电压信号的10％以内。
本发明提供的抖频技术，通过改变峰值电流控制的开关电源电路中的峰值电流信号的值，来实现开关电源电路的频率抖动，从而解决开关电源电路的EMI问题。本发明提供的抖频电路，电路结构简单，并且可以应用于任意模式(PWM或PFM)的峰值电流控制的开关电源电路。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种抖频控制电路，包括：
峰值电流信号产生电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收表征主开关导通时刻的触发信号，基于所述触发信号，所述输出端输出峰值电流信号；
峰值比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至峰值电流信号产生电路的输出端接收峰值电流信号，所述第二输入端接收电流检测信号，基于峰值电流信号和电流检测信号，所述输出端输出电流控制信号；
第一RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收触发信号，所述复位端耦接至峰值比较器的输出端接收电流控制信号，基于触发信号和电流控制信号，所述输出端输出功率控制信号。
2.如权利要求1所述的抖频控制电路，其中所述峰值电流信号产生电路包括：
最大值控制电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收触发信号，基于触发信号，所述输出端输出最大值控制信号，所述最大值控制信号控制峰值电流信号在一个时钟周期内保持最大值的时间长度；
峰值控制电路，具有输入端和输出端，所述输入端耦接至最大值控制电路的输出端接收最大值控制信号，基于最大值控制信号，所述输出端输出峰值电流信号；
其中所述峰值电流信号：在开关频率大于等于第一预设值时，保持第一电压值；在开关频率小于等于第二预设值时，保持第二电压值；在开关频率小于第一预设值并且大于第二预设值时，随着开关频率的下降而线性下降；其中，所述第一预设值大于第二预设值，并且所述第一电压值大于所述第二电压值。
3.如权利要求2所述的抖频控制电路，其中，所述最大值控制电路包括：
延时电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收触发信号，所述输出端输出相比于触发信号具有一定延时的延时信号；以及
第二RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，所述置位端接收触发信号，所述复位端耦接至延时电路的输出端接收延时信号，基于触发信号和延时信号，所述输出端输出最大值控制信号。
4.如权利要求2所述的抖频控制电路，其中，所述采样保持电路包括：
电容，具有第一端和第二端，所述第二端接参考地；
第一电压源，通过采样开关与电容并联，提供第一电压值，当采样开关导通时将电容两端的电压箝位至第一电压值；
电流源，与电容并联耦接；
第二电压源，通过二极管与电容并联，提供第二电压值，当二极管导通时，将电容两端的电压箝位至第二电压值；
采样保持电路，具有输入端和输出端，所述输入端耦接至电容的第一端，所述输出端输出峰值电流信号；
其中，所述采样保持电路在主开关导通时采样电容两端的电压，并保持该值直至主开关PM再次导通时。
5.如权利要求4所述的抖频控制电路，其中，所述第一电压源和第二电压源分别包括产生不同恒定电压值的恒定电压源。
6.如权利要求4所述的抖频控制电路，其中，所述第一电压源包括恒定电压源和曲线电压信号源。
7.如权利要求4所述的抖频控制电路，其中，所述第二电压源包括恒定电压源和曲线电压信号源。
8.一种开关电源电路，包括如权利要求1-7任一项所述的抖频控制电路和开关电路。
9.如权利要求8所述的开关电源电路，其中所述开关电路包括FLYBACK开关电路。
10.一种抖频控制电路的控制方法，所述抖频控制电路可用于峰值电流控制的开关电源电路，其中，所述控制方法包括：
在开关电源电路的主开关导通时刻，即开关周期开始时刻，将电压控制信号箝位至第一电压值，并且保持时长T1；
当开关电源电路的开关频率小于1/T1时，使电压控制信号跟随开关频率的下降而线性下降；
在开关电源电路的一个开关周期内，当电压控制信号下降至第二电压值时，保持电压控制信号的值不变；以及
在主开关导通时刻，采样电压控制信号的值作为峰值电流信号，并保持该值至主开关的下一个导通时刻。
11.如权利要求10所述的控制方法，其中所述第一电压值和第二电压值分别包括不同的恒定电压信号。
12.如权利要求10所述的控制方法，其中所述第一电压值包括恒定电压信号叠加具有曲线波形的电压信号。
13.如权利要求10所述的控制方法，所述所述第二电压值包括恒定电压信号叠加具有曲线波形的电压信号。
14.如权利要求12或13任一项所述的控制方法，其中，所述具有曲线波形的电压信号包括三角波信号。
15.如权利要求12或13任一项所述的控制方法，其中，所述具有曲线波形的电压信号包括正弦波信号。
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