CN105322766A - 固定导通或固定关闭时间切换式电源供应器及其控制电路 - Google Patents

固定导通或固定关闭时间切换式电源供应器及其控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器及其控制电路，固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器包含：一功率开关；以及一控制电路，此控制电路包括：一导通时间计算电路或关闭时间计算电路；一逻辑电路；以及一正反器。本发明为不需要使用复杂的锁相回路(PLL,Phase？Lock？Loop)就能够达成定频的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器及其控制电路。

Description

固定导通或固定关闭时间切换式电源供应器及其控制电路
技术领域
本发明涉及一种固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器及其控制电路，特别是指一种不需要使用复杂的锁相回路(PLL,PhaseLockLoop)就能够达成定频的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器及其控制电路。
背景技术
图1显示现有技术的切换式电源供应器电路图，其中功率开关控制电路11控制功率级12中至少一个功率开关，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，并在负载(未示出)需要时提供一输出电流Iout。功率级12例如但不限于可为同步或异步的降压型、升压型、反压型、或升降压型转换电路，如图2A-2H所示。回到图1，回授电路13产生与输出电压Vout相关的回授讯号、并将此回授讯号输入功率开关控制电路11，以使功率开关控制电路11可控制功率级12以调节输出电压Vout或输出电流Iout至欲达到的目标。
功率开关控制电路11控制功率级12中的功率开关的方式，有定频与变频两类。以功率级12采用图2B的异步的降压型转换电路为例，图3A显示采用定频控制方式时，图2B中的功率开关的栅极讯号波形，其中，当负载为重载(耗用较大电流)时，功率开关的导通时间为ton1，又当负载为轻载(耗用较小电流)时，功率开关的导通时间为ton2，周期时间为T不变，但每周期中功率开关的导通时间改变，以适应负载的不同需求。图3B显示采用变频控制方式中的固定导通时间控制方式时，图2B中的功率开关的栅极讯号波形，其中，不论负载为重载或轻载，功率开关的导通时间都为ton，但当负载为重载时，周期时间T1较短、频率较快，又当负载为轻载时，周期时间T2较长、频率较慢，以适应负载的不同需求。图3C显示采用变频控制方式中的固定关闭时间控制方式时，图2B中的功率开关的栅极讯号波形，其中，不论负载为重载或轻载，功率开关的关闭时间都为toff，但当负载为重载时，周期时间T3较长、频率较慢(因此导通时间较长)，又当负载为轻载时，周期时间T4较短、频率较快(因此导通时间较短)，以适应负载的不同需求。
在图3B与3C的控制方式中，虽然是以固定导通时间或固定关闭时间为主要控制机制，但为求电路稳定，在许多应用情况下，仍会希望使功率开关的切换频率为定频。以功率级12采用图2B的异步的降压型转换电路为例，如果输入电压Vin和输出电压Vout皆为已知，则可根据输出电压Vout和输入电压Vin的关系来计算出功率开关的适当工作比(dutyratio,等于导通时间除以周期长度)，则在一给定的频率下，可以相应计算出适当的固定导通时间或固定关闭时间，而当功率开关操作于此适当的固定导通时间或固定关闭时间时，可以使功率开关的切换频率为定频。
以上所述达成定频的方式，必须先将功率开关的切换频率对准该给定的频率、再让功率开关根据所计算出的固定导通时间或固定关闭时间来操作而自然使其切换频率锁定于该给定的频率。若是功率开关的切换频率并未先对准该给定的频率，则虽然计算出适当的固定导通时间或固定关闭时间，功率开关的切换仍然可能无法定频。现有技术对此的解决方式是使用一锁相回路(例如参阅美国专利US6476589)，通过锁相回路来使功率开关的切换频率对准该给定的频率。然而，锁相回路是相当复杂、高成本、耗面积的电路。
有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种不需要使用复杂的锁相回路就能够达成定频的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器及其控制电路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种不需要使用复杂的锁相回路就能够达成定频的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器及其控制电路。
为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器，包含：一功率级，具有至少一功率开关，通过该功率开关的操作以将一输入电压转换为一输出电压；以及一控制电路，用以产生一控制讯号以控制该功率开关，此控制电路包括：一导通时间计算电路或关闭时间计算电路，根据输入电压相关信息和输出电压相关信息，计算出一固定导通时间或一固定关闭时间，当该功率开关操作于此固定导通时间或固定关闭时间时，可以使功率开关的切换频率为定频；一逻辑电路，其一输入接收该导通时间计算电路或关闭时间计算电路的输出、另一输入接收一频率讯号，该频率讯号的频率为所欲达到的定频频率；以及一正反器，根据一设定输入和一重设输入而产生一输出讯号，该输出讯号决定该功率开关的导通时间或关闭时间，其中，该设定输入和该重设输入之一耦接于该逻辑电路的输出，该设定输入和该重设输入之另一者接收一触发讯号，此触发讯号决定该功率开关导通时间或关闭时间的始点。
为达上述目的，就另一个观点言，本发明提供了一种切换式电源供应器的控制电路，该切换式电源供应器包含一功率级，此功率级具有至少一功率开关，通过该功率开关的操作以将一输入电压转换为一输出电压，所述控制电路用以产生一控制讯号以控制该功率开关，此控制电路包含：一导通时间计算电路或关闭时间计算电路，根据输入电压相关信息和输出电压相关信息，计算出一固定导通时间或一固定关闭时间，当该功率开关操作于此固定导通时间或固定关闭时间时，可以使功率开关的切换频率为定频；一逻辑电路，其一输入接收该导通时间计算电路或关闭时间计算电路的输出、另一输入接收一频率讯号，该频率讯号的频率为所欲达到的定频频率；以及一正反器，根据一设定输入和一重设输入而产生一输出讯号，该输出讯号决定该功率开关的导通时间或关闭时间，其中，该设定输入和该重设输入之一耦接于该逻辑电路的输出，该设定输入和该重设输入之另一者接收一触发讯号，此触发讯号决定该功率开关导通时间或关闭时间的始点。
在其中一种较佳的实施例中，在该功率开关的切换频率还没有对准该所欲达到的定频频率之前，该频率讯号的频率较快于功率开关的切换频率。
在其中一种较佳的实施例中，在该功率开关的切换频率达到该所欲的定频频率后，该功率开关的工作比大于50％。
在其中一种较佳的实施例中，该控制电路还包含一比较器，将相关于该输出电压的一回授讯号与一参考讯号比较，以产生该触发讯号。
在其中一种较佳的实施例中，该控制电路还包含：一误差放大器，将相关于该输出电压的一回授讯号与一参考讯号比较，以产生一误差放大输出；以及一比较器，根据该误差放大输出与一相关于该功率级中一电感电流的电流感测讯号，进行一比较后产生该触发讯号。
在其中一种较佳的实施例中，该误差放大输出经过斜率补偿后，与该电流感测讯号比较，以产生该触发讯号。
在其中一种较佳的实施例中，该电流感测讯号经过斜率补偿后，与该误差放大输出比较，以产生该触发讯号。
下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1显示现有技术的切换式电源供应器电路图；
图2A-2H显示同步或异步的降压型、升压型、反压型、或升降压型转换电路；
图3A显示采用定频控制方式时，功率开关的栅极讯号波形；
图3B显示采用变频控制方式中的固定导通时间控制方式时，功率开关的栅极讯号波形；
图3C显示采用变频控制方式中的固定关闭时间控制方式时，功率开关的栅极讯号波形；
图4显示本发明的切换式电源供应器控制电路的一个电路实施例；
图5显示本发明的切换式电源供应器的一个电路实施例；
图6显示本发明的切换式电源供应器的另一个电路实施例；
图7A-7B显示本发明进行斜率补偿的两个实施例；
图8显示本发明的切换式电源供应器控制电路的另一个电路实施例；
图9显示本发明的切换式电源供应器控制电路的另一个电路实施例。
具体实施方式
请参阅图4，显示本发明的切换式电源供应器控制电路的一个电路实施例。本实施例先以采用固定导通时间控制方式来说明，但由后述可知，固定关闭时间控制方式亦可作同样的应用。图4所示的控制电路41可取代图1中的功率开关控制电路11，以控制功率级12中至少一个功率开关的操作。如图4所示，控制电路41包含导通时间计算电路411、正反器412、以及逻辑电路413。其中，导通时间计算电路411根据输入电压Vin相关信息和输出电压Vout相关信息，来计算出适当的导通时间，当功率开关操作于此适当的固定导通时间时，可以使功率开关的切换频率为定频。导通时间计算电路411计算导通时间的方式，例如可参阅本发明申请人的美国专利US8531166，在此不予赘述。
正反器412的输出讯号Q用以控制功率开关的操作，视功率开关的操作位准和正反器412输出讯号Q的操作位准而定，正反器412的输出讯号Q例如可以(但不必须)经过一个驱动闸，来转换成合适的位准，以驱动功率开关的栅极。
正反器412输出讯号Q的高位准起始时间，受正反器412的设定输入S所决定，又，正反器412输出讯号Q的高位准结束时间，受正反器412的重设输入R所决定。在本实施例中，是假设正反器412输出讯号Q的高位准为功率开关的导通时间。若是以正反器412输出讯号Q的低位准为功率开关的导通时间，则可将设定输入S和重设输入R的连接方式作对应的变更。
正反器412的设定输入S接收一触发讯号，以决定功率开关的导通时间始点。此触发讯号表示输出电压Vout降至某一位准，因此需要自输入电压Vin对输出电压Vout补充能量。触发讯号的产生方式，容后说明；需强调的是：适应不同型式的切换式电源供应器控制方式，触发讯号的产生方式可能不同，本发明并不限于其中任何一种产生触发讯号的方式。
本发明的特点是：控制电路41包含逻辑电路413，其一输入接收导通时间计算电路411的输出、另一输入接收一频率讯号；该频率讯号的频率即为所欲达到的定频频率。逻辑电路413的输出耦接于正反器412的重设输入R，以决定功率开关的导通时间结束点。由此，本发明可以不需要使用锁相回路，就能够使功率开关的切换频率对准该给定的频率。在本实施例中，逻辑电路413以或门为例，这是假设频率讯号和导通时间计算电路411的输出都以高位准来进行控制。但如果频率讯号的高低位准或是导通时间计算电路411的输出的高低位准意义有所改变，则逻辑电路413可相应而改变。
详言之，导通时间计算电路411根据输入电压Vin相关信息和输出电压Vout相关信息，计算出导通时间后，会根据正反器412输出讯号Q的上升缘(如前所述，这是假设正反器412输出讯号Q的高位准为功率开关的导通时间)，延迟该导通时间后，产生输出讯号，重设正反器412的重设输入R。而若是频率讯号在导通时间计算电路411的输出重设正反器412的重设输入R之前，就已经重设正反器412的重设输入R(表示频率讯号的频率较快及/或相位超前)，则会导致导通时间较短，自输入电压Vin传递到输出电压Vout的能量不足，因此下一次触发讯号会较早发生。经过一段时间之后，正反器412的输出讯号Q会自然追上频率讯号的频率与相位。
由上也可知，在功率开关的切换频率还没有对准给定的频率之前，如刻意使频率讯号的频率较快于功率开关的切换频率，会较佳地使功率开关的切换频率较快且较顺畅地对准给定的频率(相对于频率讯号的频率较慢于功率开关的切换频率而言)。
图5显示本发明的切换式电源供应器的一个电路实施例，其中显示产生触发讯号的其中一种方式。如图所示，在其中一种控制模式中，控制电路41除了包含导通时间计算电路411、正反器412、以及逻辑电路413之外，还包含比较器414。比较器414将相关于输出电压Vout的回授讯号Vfb与参考讯号Vref比较。当回授讯号Vfb低于或等于参考讯号Vref时，表示输出电压Vout过低，因此可产生触发讯号，使功率开关开始导通。
图6显示本发明的切换式电源供应器的另一个电路实施例，其中显示产生触发讯号的另一种方式。如图所示，在另一种控制模式中，控制电路41除了包含导通时间计算电路411、正反器412、以及逻辑电路413之外，还包含误差放大器415和比较器416。误差放大器415将相关于输出电压Vout的回授讯号Vfb与参考讯号Vref比较，产生误差放大输出Vc。比较器416将误差放大输出Vc与电流感测讯号Isen相比较，其中，电流感测讯号Isen对应于功率级12中的电感电流。当误差放大输出Vc低于或等于电流感测讯号Isen时，表示输出电压Vout过低，因此可产生触发讯号，使功率开关开始导通。
请参阅图7A-7B。在本发明的某些应用情况下，若是进入定频操作之后，功率开关的工作比低于50％，则某些非正常的扰动(例如电感电流或是输出电压瞬间偏离，或是实际并未偏离但对应的讯号瞬间失准)有可能无法收敛，使电路失去平衡。对此，可通过进行斜率补偿来解决。图7A-7B显示本发明进行斜率补偿的两个实施例。在图7A的实施例中，可利用斜率补偿电路417将误差放大输出Vc和一具有正斜率的锯齿波讯号相加，成为补偿后的误差放大输出Vc’，再输入比较器416与电流感测讯号Isen比较。在图7B的实施例中，可利用斜率补偿电路418将电流感测讯号Isen和一具有负斜率的锯齿波讯号相加，成为补偿后的电流感测讯号Isen’，再输入比较器416与误差放大输出Vc比较。经过斜率补偿之后，可使功率开关的工作比即使低于50％并且发生非正常的扰动，仍然可在回授控制的过程中达成收敛。又，若是功率开关的工作比高于50％，则非正常的扰动可在回授控制的过程中自然收敛而不需要斜率补偿。
请参阅图8。如前所述，本发明的概念也可以应用于固定关闭时间的控制方式。在本实施例中，控制电路42包含关闭时间计算电路421、正反器412、以及逻辑电路413。其中，关闭时间计算电路421根据输入电压Vin相关信息和输出电压Vout相关信息，来计算出适当的关闭时间，当功率开关操作于此适当的固定关闭时间时，可以使功率开关的切换频率为定频。
正反器412的输出讯号Q用以控制功率开关的操作。正反器412输出讯号Q的高位准起始时间，受正反器412的设定输入S所决定，又，正反器412输出讯号Q的高位准结束时间，受正反器412的重设输入R所决定。在本实施例中，是假设正反器412输出讯号Q的高位准为功率开关的关闭时间。正反器412的设定输入S接收一触发讯号，以决定功率开关的关闭时间始点。逻辑电路413的一输入接收关闭时间计算电路421的输出、另一输入接收一频率讯号；该频率讯号的频率即为所欲达到的定频频率。逻辑电路413的输出耦接于正反器412的重设输入R，以决定功率开关的关闭时间结束点。与固定导通时间控制方式相似，若是频率讯号在关闭时间计算电路421的输出重设正反器412的重设输入R之前，就已经重设正反器412的重设输入R(表示频率讯号的频率较快及/或相位超前)，则会导致关闭时间变短，自输入电压Vin传递到输出电压Vout的能量过高，因此下一次触发讯号会较早发生。经过一段时间之后，正反器412的输出讯号Q会自然追上频率讯号的频率与相位。
事实上，请参阅图8并对照图4，两实施例的基本架构是相同的，仅是导通时间计算电路411改为关闭时间计算电路421。也就是说，本发明的概念既可以应用于固定导通时间的控制方式、也可以应用于固定关闭时间的控制方式。此外请参阅图9，只要改定义正反器412输出讯号Q的低位准为功率开关的关闭时间，则电路可以等效变化。也就是说，视讯号高低位准的定义而定，正反器412的设定输入S与重设输入R的连接方式、以及逻辑电路413的设计，都可以相对应地变更。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，讯号高低位准的定义可以改变。又如，各实施例中图标直接连接的两电路或元件间，可插置不影响主要功能的其它电路或元件。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (14)

1.一种固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器，其特征在于，包含：
一功率级，具有至少一功率开关，通过该功率开关的操作以将一输入电压转换为一输出电压；以及
一控制电路，用以产生一控制讯号以控制该功率开关，此控制电路包括：
一导通时间计算电路或关闭时间计算电路，根据输入电压相关信息和输出电压相关信息，计算出一固定导通时间或一固定关闭时间，当该功率开关操作于此固定导通时间或固定关闭时间时，可以使功率开关的切换频率为定频；
一逻辑电路，其一输入接收该导通时间计算电路或关闭时间计算电路的输出、另一输入接收一频率讯号，该频率讯号的频率为所欲达到的定频频率；以及
一正反器，根据一设定输入和一重设输入而产生一输出讯号，该输出讯号决定该功率开关的导通时间或关闭时间，其中，该设定输入和该重设输入之一耦接于该逻辑电路的输出，该设定输入和该重设输入之另一者接收一触发讯号，此触发讯号决定该功率开关导通时间或关闭时间的始点。
2.如权利要求1所述的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器，其中，在该功率开关的切换频率还没有对准该所欲达到的定频频率之前，该频率讯号的频率较快于功率开关的切换频率。
3.如权利要求1所述的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器，其中，在该功率开关的切换频率达到该所欲的定频频率后，该功率开关的工作比大于50％。
4.如权利要求1所述的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器，其中，该控制电路还包含一比较器，将相关于该输出电压的一回授讯号与一参考讯号比较，以产生该触发讯号。
5.如权利要求1所述的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器，其中，该控制电路还包含：
一误差放大器，将相关于该输出电压的一回授讯号与一参考讯号比较，以产生一误差放大输出；以及
一比较器，根据该误差放大输出与一相关于该功率级中一电感电流的电流感测讯号，进行一比较后产生该触发讯号。
6.如权利要求5所述的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器，其中，该误差放大输出经过斜率补偿后，与该电流感测讯号比较，以产生该触发讯号。
7.如权利要求5所述的固定导通时间或固定关闭时间切换式电源供应器，其中，该电流感测讯号经过斜率补偿后，与该误差放大输出比较，以产生该触发讯号。
8.一种切换式电源供应器的控制电路，该切换式电源供应器包含一功率级，此功率级具有至少一功率开关，通过该功率开关的操作以将一输入电压转换为一输出电压，所述控制电路用以产生一控制讯号以控制该功率开关，其特征在于，该控制电路包含：
一导通时间计算电路或关闭时间计算电路，根据输入电压相关信息和输出电压相关信息，计算出一固定导通时间或一固定关闭时间，当该功率开关操作于此固定导通时间或固定关闭时间时，可以使功率开关的切换频率为定频；
一逻辑电路，其一输入接收该导通时间计算电路或关闭时间计算电路的输出、另一输入接收一频率讯号，该频率讯号的频率为所欲达到的定频频率；以及
一正反器，根据一设定输入和一重设输入而产生一输出讯号，该输出讯号决定该功率开关的导通时间或关闭时间，其中，该设定输入和该重设输入之一耦接于该逻辑电路的输出，该设定输入和该重设输入之另一者接收一触发讯号，此触发讯号决定该功率开关导通时间或关闭时间的始点。
9.如权利要求8所述的切换式电源供应器的控制电路，其中，在该功率开关的切换频率还没有对准该所欲达到的定频频率之前，该频率讯号的频率较快于功率开关的切换频率。
10.如权利要求8所述的切换式电源供应器的控制电路，其中，在该功率开关的切换频率达到该所欲的定频频率后，该功率开关的工作比大于50％。
11.如权利要求8所述的切换式电源供应器的控制电路，其中，还包含一比较器，将相关于该输出电压的一回授讯号与一参考讯号比较，以产生该触发讯号。
12.如权利要求8所述的切换式电源供应器的控制电路，其中，还包含：
一误差放大器，将相关于该输出电压的一回授讯号与一参考讯号比较，以产生一误差放大输出；以及
一比较器，根据该误差放大输出与一相关于该功率级中一电感电流的电流感测讯号，进行一比较后产生该触发讯号。
13.如权利要求12所述的切换式电源供应器的控制电路，其中，该误差放大输出经过斜率补偿后，与该电流感测讯号比较，以产生该触发讯号。
14.如权利要求12所述的切换式电源供应器的控制电路，其中，该电流感测讯号经过斜率补偿后，与该误差放大输出比较，以产生该触发讯号。
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