CN105337496B - 基于压控振荡器的脉冲频率调制电路 - Google Patents

Abstract

基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，涉及开关电源电路。包括，工作电路，在脉冲调制信号作用下于充放电模式之间切换；控制电路，根据第一参考电压、电压反馈信号和频率可变的时钟信号生成脉冲调制信号，控制电路包括提供误差放大信号的误差放大器；时钟信号产生器，包括，一环形振荡单元，在一电源电压的作用下产生一设定频率的时钟信号；一调整单元，连接于电源电压与环形振荡单元之间，于误差放大信号的作用下调整电路的工作电流，以调整时钟信号。本发明通过误差放大信号以调整时钟信号产生器的工作电流大小，从而改变振荡频率，最终实现调整时钟信号的频率，获得需要的脉冲调制信号，使得周期稳定，减小输出电压的纹波。

Description

基于压控振荡器的脉冲频率调制电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种开关电源电路。

背景技术

脉冲频率调制方式通过改变时钟的频率来调整时钟的占空比，当输出负载较小时，时钟频率较高，占空比变小，而负载变大时，时钟变得很慢，由于负载水平在整个电路工作过程中可能会发生显著的变化，现有技术的脉冲频率调制电路存在频率变化的范围比较大，输出电压的纹波也会随时钟频率的变化而发生显著的变化，控制方法并不理想。现有技术中，在轻负载时，开关电源转换器能自动切换至一种低功耗模式以最大限度地减少电池电流消耗，通过间歇式地发出脉冲信号，以实现恒定频率下通过减小开关次数，增大占空比来提高轻载和待机的效率，这种模式的脉冲调制信号PFM1的波形图如图1所示，然而这种方法同样会造成输出纹波较高，控制方法并不理想。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，其中，包括：

一第一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；

一设置有储能元件的工作电路，在所述第一开关器件组的作用下于充电模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一第一参考电压、一电压反馈信号、一电流检测信号和一频率可变的时钟信号生成脉冲调制信号；

所述控制电路包括，

一误差放大器，用于对所述第一参考电压与所述电压反馈信号进行比较，得到一误差放大信号；

一时钟信号产生器，产生所述时钟信号，并接受所述误差放大信号的补偿调整所述时钟信号；所述时钟信号产生器包括，

一环形振荡单元，在一电源电压的作用下产生一设定频率的时钟信号；

一调整单元，连接于所述电源电压与所述环形振荡单元之间，于所述误差放大信号的作用下调整电路的工作电流，以调整所述时钟信号。

优选地，所述环形振荡单元包括M级串联耦接的逻辑反相单元，每一所述逻辑反相单元包括输入节点、输出节点，一所述逻辑反相单元的输出节点连接下一个所述逻辑反相单元的输入节点，第M个逻辑反相单元的输出节点反馈至第一个逻辑反相单元的输入节点，其中M为大于或等于3的正整数。

优选地，所述环形振荡单元包括一缓冲器，所述第M个逻辑反相单元的输出节点通过所述缓冲器提供所述时钟信号。

优选地，每一所述逻辑反相单元包括一第一电压端、第二电压端，所述第一电压端连接至所述调整单元，通过所述调整单元与所述电源电压连接，所述第二电压端接地。

优选地，所述调整单元采用N沟道MOSFET晶体管，所述N沟道MOSFET晶体管的栅极连接所述误差放大信号，所述N沟道MOSFET晶体管的漏极连接所述电源电压，所述N沟道MOSFET晶体管的源极连接所述环形振荡单元。

优选地，所述控制电路还包括，

一第一比较器，用于对所述误差放大信号与所述电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一PWM控制器，依据所述比较信号和所述时钟信号产生所述脉冲调制信号。

优选地，所述工作电路包括：

一充电控制支路，连接于一输入电压端与一第一交汇结点之间；

一充放电支路，连接于所述第一交汇结点与一输出电压端之间；

一放电控制支路，连接于所述第一交汇结点与一接地端之间，所述储能元件串联于所述充放电支路上；

所述工作电路于充电模式时，所述第一开关器件组控制所述充电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述放电控制支路断开，使所述输入端输入的电流对所述储能元件充电；

所述工作电路于放电模式时，所述第一开关器件组控制所述放电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述充电控制支路断开，使所述储能元件对所述输出端放电。

优选地，所述控制电路还包括，

一反馈网络，连接于所述输出电压端与所述接地端之间，用以产生所述电压反馈信号；

一电流检测电路，可控制的并联于所述输入电压端与所述第一交汇结点之间，用以根据所述脉冲调制信号产生所述电流检测信号。

有益效果：由于采用以上技术方案，本发明通过误差放大信号以调整时钟信号产生器的工作电流大小，从而改变振荡频率，最终实现调整时钟信号的频率，获得需要的脉冲调制信号，使得周期稳定，减小输出电压的纹波。

附图说明

图1为现有技术的脉冲调制信号PFM1的波形图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明的时钟信号产生器的电路示意图；

图4为本发明的脉冲调制信号PFM2的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

参照图2、图3，基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，其中，包括：

一第一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；

一设置有第一储能元件的工作电路，在第一开关器件组的作用下于充电模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一第一参考电压Vref1、一电压反馈信号Vfb、一电流检测信号和一频率可变的时钟信号生成脉冲调制信号；

控制电路包括

一误差放大器1，用于对第一参考电压Vref1与电压反馈信号Vfb进行比较，得到一误差放大信号EAout；

一时钟信号产生器2，产生时钟信号，并接受误差放大信号EAout的补偿调整时钟信号；时钟信号产生器2包括，

一环形振荡单元，在一电源电压VDD的作用下产生一设定频率的时钟信号；

一调整单元，连接于电源电压VDD与环形振荡单元之间，于误差放大信号EAout的作用下调整电路的工作电流，以调整时钟信号。

作为本发明的一种优选的实施例，环形振荡单元包括M级串联耦接的逻辑反相单元，每一逻辑反相单元包括输入节点、输出节点，一逻辑反相单元的输出节点连接下一个逻辑反相单元的输入节点，第M个逻辑反相单元的输出节点反馈至第一个逻辑反相单元的输入节点，其中M为大于或等于3的正整数。如图3所示，可以包括第一逻辑反相单元IMV1、第二逻辑反相单元IMV2、第三逻辑反相单元IMV3。优选地，M为奇数。

作为本发明的一种优选的实施例，环形振荡单元包括一缓冲器BUF，第N个逻辑反相单元的输出节点通过缓冲器BUF提供时钟信号。

作为本发明的一种优选的实施例，每一逻辑反相单元包括一第一电压端、第二电压端，第一电压端连接至调整单元，通过调整单元与电源电压VDD连接，第二电压端接地GND。

作为本发明的一种优选的实施例，调整单元可以采用N沟道MOSFET晶体管N0，N沟道MOSFET晶体管N0的栅极连接误差放大信号EAout，N沟道MOSFET晶体管N0的漏极连接电源电压VDD，N沟道MOSFET晶体管N0的源极连接环形振荡单元。

作为本发明的一种优选的实施例，工作电路包括：

充电控制支路，连接于输入电压端VDD与第一交汇结点Lx之间；

充放电支路，连接于第一交汇结点Lx与输出电压端Vout之间；

放电控制支路，连接于第一交汇结点Lx与接地端GND之间；

储能元件串联于充放电支路上；

工作电路于充电模式时，第一开关器件组控制充电控制支路及充放电支路导通，并控制放电控制支路断开，使输入电压端VDD输入的电流对储能元件充电；

工作电路于放电模式时，第一开关器件组控制放电控制支路及充放电支路导通，并控制充电控制支路断开，使储能元件对输出电压端Vout放电。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括，

一第一比较器3，用于对误差放大信号EAout与电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一PWM控制器5，PWM控制器5连接时钟信号，依据比较信号和时钟信号产生脉冲调制信号。

作为本发明的一种优选的实施例，

控制电路还包括，

一反馈网络，连接于输出电压端Vout与接地端GND之间，用以产生电压反馈信号Vfb；

一电流检测电路，可控制的并联于输入电压端VDD与第一交汇结点Lx之间，用以根据脉冲调制信号产生电流检测信号。

作为本发明的一种优选的实施例，反馈网络主要由一电阻分压电路形成，电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于输出电压端Vout与接地端GND之间的分压电阻，分压电阻间相连接的点形成分压节点；

反馈电压信号自预定的分压节点处引出。

一种具体实施例，反馈网络包括相互串联的第一电阻R1和第二电阻R2，反馈电压信号自第一电阻R1和第二电阻R2相连接的节点处引出。

作为本发明的一种优选的实施例，电流检测电路包括：

一检测电阻Rb，串联于电流检测电路上；

一检测补偿单元4，连接检测电阻Rb的两端，用以检测流过检测电阻的电流；

一受脉冲调制信号控制通断的检测控制开关Mp2，连接于电流检测电路上。

检测补偿单元4还与时钟信号连接，用于对检测电流进行补偿，目的在于稳定电流检测环路。

作为本发明的一种优选的实施例，本发明的储能元件采用电感元件L，输出电压端Vout与接地端GND之间还连接一滤波电容C1。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括一过零检测电路6，过零检测电路6的输出端与PWM控制器5连接。在开关电源电路中，当负载较大时，电感电流在整个周期内不会回到零，使得电路通常处于连续导通模式，但当负载电流持续下降且低到某一临界值时，第一开关管Mp和第二开关管Mn在一个周期内可能同时关闭，此时电感电流的工作模式称为不连续导通模式，在此期间电感上的电流为零，在不连续电感电流模式下时，由于变换器内部的逻辑延迟、线延迟和寄生等因素的影响，致使负载电流继续下降到临界值时，第二开关管Mn并没有关断或没有完全关断，此时会导致电流倒灌，使得输出电压发送极大的波动，影响系统的性能指标，通过设置过零检测电路6用于防止电流倒灌，避免上述问题，可以采用现有技术的过零检测电路来实现，在此不作赘述。

本发明通过误差放大信号以调整时钟信号产生器的工作电流大小，从而改变振荡频率，最终实现调整时钟信号的频率，获得需要的脉冲调制信号，如图4所示的脉冲调制信号PFM2的波形图相比图1所示的脉冲调制信号周期稳定，实现减小输出电压的纹波的目的。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，其特征在于，包括：

一第一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；一设置有储能元件的工作电路，在所述第一开关器件组的作用下于充电模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一第一参考电压、一电压反馈信号、一电流检测信号和一频率可变的时钟信号生成脉冲调制信号；所述控制电路包括，一误差放大器，用于对所述第一参考电压与所述电压反馈信号进行比较，得到一误差放大信号；

一时钟信号产生器，产生所述时钟信号，并接受所述误差放大信号的补偿调整所述时钟信号；所述时钟信号产生器包括，一环形振荡单元，在一电源电压的作用下产生一设定频率的时钟信号；一调整单元，连接于所述电源电压与所述环形振荡单元之间，于所述误差放大信号的作用下调整电路的工作电流，以调整所述时钟信号；

所述环形振荡单元包括M级串联耦接的逻辑反相单元，每一所述逻辑反相单元包括输入节点、输出节点，一所述逻辑反相单元的输出节点连接下一个所述逻辑反相单元的输入节点，第M个逻辑反相单元的输出节点反馈至第一个逻辑反相单元的输入节点，其中M为大于或等于3的正整数；

所述控制电路还包括，

一第一比较器，用于对所述误差放大信号与所述电流检测信号进行比较，产生一比较信号；

一PWM控制器，依据所述比较信号和所述时钟信号产生所述脉冲调制信号，

一过零检测电路，所述过零检测电路的输出端与所述PWM控制器连接，用于防止电流倒灌。

2.根据权利要求1所述的基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，其特征在于，所述环形振荡单元包括一缓冲器，所述第M个逻辑反相单元的输出节点通过所述缓冲器提供所述时钟信号。

3.根据权利要求1所述的基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，其特征在于，每一所述逻辑反相单元包括一第一电压端、第二电压端，所述第一电压端连接至所述调整单元，通过所述调整单元与所述电源电压连接，所述第二电压端接地。

4.根据权利要求1所述的基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，其特征在于，所述调整单元采用N沟道MOSFET晶体管，所述N沟道MOSFET晶体管的栅极连接所述误差放大信号，所述N沟道MOSFET晶体管的漏极连接所述电源电压，所述N沟道MOSFET晶体管的源极连接所述环形振荡单元。

5.根据权利要求1所述的基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，其特征在于，所述工作电路包括：

一充电控制支路，连接于一输入电压端与一第一交汇结点之间；

一充放电支路，连接于所述第一交汇结点与一输出电压端之间；

一放电控制支路，连接于所述第一交汇结点与一接地端之间，所述储能元件串联于所述充放电支路上；

所述工作电路于充电模式时，所述第一开关器件组控制所述充电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述放电控制支路断开，使所述输入电压端输入的电流对所述储能元件充电；

所述工作电路于放电模式时，所述第一开关器件组控制所述放电控制支路及所述充放电支路导通，并控制所述充电控制支路断开，使所述储能元件对所述输出电压端放电。

6.根据权利要求5所述的基于压控振荡器的脉冲频率调制电路，其特征在于，所述控制电路还包括，

一反馈网络，连接于所述输出电压端与所述接地端之间，用以产生所述电压反馈信号；

一电流检测电路，可控制的并联于所述输入电压端与所述第一交汇结点之间，用以根据所述脉冲调制信号产生所述电流检测信号。