CN107040136B - 开关电源及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源及其控制电路，该控制电路包括：第一逻辑单元，所述第一逻辑单元的输入端接收时钟信号，所述第一逻辑单元的输出端产生所述时钟信号的反相信号；置位信号发生模块，用于根据所述时钟信号、所述时钟信号的反相信号、比较信号、导通信号以及开关信号的反相信号产生置位信号；以及开关信号发生模块，用于根据所述置位信号和所述时钟信号的反相信号产生所述开关信号，以控制开关管的导通。其可在开关电源工作于轻载状态时控制开关信号跨周期输出，以减少轻载状态下不必要的能量输出。

Description

开关电源及其控制电路
技术领域
本发明涉及电子电力技术领域，尤其涉及一种开关电源及其控制电路。
背景技术
开关电源是采用开关信号控制开关管的导通和关断，通过对储能元件的充电和放电维持稳定输出的电源电路。在开关电源中，控制电路产生开关信号，以控制开关管的导通和关断。
现有技术中，当开关电源工作在非同步模式时，随着负载的不断减小，开关管的导通时间会越来越短，即开关管的关断时间会越来越长，传递到输出端的能量也越来越少，但由于工作于非同步模式下的开关电源仅允许电流单向导通，导致传递到输出端的能量只能为正。如果在负载非常轻的情况下，每个时钟周期仍持续向输出端传递正的能量，那么输出能量逐渐累积就会导致输出电压升高，造成不必要的能量损耗。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在轻载条件下可实现开关信号的跳周期输出的开关电源及其控制电路。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于开关电源的控制电路，包括：第一逻辑单元，所述第一逻辑单元的输入端接收时钟信号，所述第一逻辑单元的输出端产生所述时钟信号的反相信号；置位信号发生模块，用于根据所述时钟信号、所述时钟信号的反相信号、比较信号、导通信号以及开关信号的反相信号产生置位信号；以及开关信号发生模块，用于根据所述置位信号和所述时钟信号的反相信号产生所述开关信号，以控制开关管的导通。
优选地，所述置位信号发生模块包括：第一触发器，所述第一触发器的输入端接收所述导通信号，所述第一触发器的时钟端接收所述时钟信号的反相信号，所述第一触发器的第一输出端产生跳跃信号，所述第一触发器的第二输出端产生所述跳跃信号的反相信号；第二触发器，所述第二触发器的输入端接收所述跳跃信号，所述第二触发器的时钟端接收所述时钟信号，所述第二触发器的输出端输出采样信号；第三触发器，所述第三触发器的输入端接收所述比较信号，所述第三触发器的时钟端接收所述时钟信号；第二逻辑单元，所述第二逻辑单元的第一输入端接收所述跳跃信号，所述第二逻辑单元的第二输入端接收所述开关信号的反相信号，所述第二逻辑单元的输出端连接至所述第二触发器的复位端以及所述第三触发器的复位端；以及第三逻辑单元，所述第三逻辑单元的第一输入端接收所述采样信号，所述第三逻辑单元的第二输入端连接至所述第三触发器的输出端。
优选地，所述置位信号发生模块还包括第四逻辑单元，所述第四逻辑单元的第一输入端接收所述跳跃信号，所述第四逻辑单元的第二输入端接收所述采样信号；第五逻辑单元，所述第五逻辑单元的第一输入端接收所述比较信号，所述第五逻辑单元的第二输入端连接至所述第四逻辑单元的输出端；第六逻辑单元，所述第六逻辑单元的第一输入端接收所述时钟信号，所述第六逻辑单元的第二输入端连接至所述第一触发器的第二输出端；第七逻辑单元，所述第七逻辑单元的第一输入端连接至所述第五逻辑单元的输出端，所述第七逻辑单元的第二输入端连接至所述第三逻辑单元的输出端，所述第七逻辑单元的输出端输出新比较信号；第八逻辑单元，所述第八逻辑单元的第一输入端连接至所述第六逻辑单元的输出端，所述第八逻辑单元的第二输入端接收所述新比较信号，所述第八逻辑单元的输出端产生置位信号。
优选地，所述开关信号发生模块包括：第四触发器，所述第四触发器的第一输入端接收所述置位信号，所述第四触发器的第二输入端接收所述时钟信号的反相信号，所述第四触发器的第一输出端输出所述开关信号，所述第四触发器的第二输出端输出所述开关信号的反相信号。
优选地，所述第一逻辑单元为非门，所述第二、第三、第五以及第六逻辑单元为与门，所述第四逻辑单元为与非门，所述第七、第八逻辑单元为或门。
优选地，所述第一至第三触发器为D触发器，所述第四触发器为RS触发器，且所述第二触发器和所述第三触发器的复位端低电平有效。
根据本发明的第二方面，提供了一种开关电源，包括主电路；以及前文中任一项所述的控制电路，其中，所述主电路包括开关管，所述控制电路控制所述开关管的导通和关断。
优选地，所述主电路的电路类型包括升压型拓扑、降压型拓扑、升降压型拓扑和反激型拓扑。
相较于现有技术，本发明实施例的提供的控制电路可在开关电源负载过轻时控制开关信号跨周期输出，降低轻载条件下不必要的能量输出。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出本发明第一实施例提供的开关电源的结构图。
图2示出本发明第一实施例提供的开关电源中采用的控制电路的结构图。
图3示出图2所示控制电路的电路图。
图4示出图3所示控制电路第一工作状态下的工作波形图。
图5示出图3所述控制电路第二工作状态下的工作波形图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1示出本发明第一实施例提供的开关电源的结构图。
如图1所示，本发明第一实施例提供的开关电源100例如为升压型(BOOST)，开关电源100具有接收直流输入电压Vin的输入端和用于为负载提供直流输出电压Vout的输出端。开关电源100的主电路包括电容Cin和Cout、电阻RF1和RF2、开关管M1、二极管D1、电感L1以及比较器U1。开关电源100的控制电路110为开关管M1提供开关信号Vg。
在开关电源100的主电路中，电容Cin连接在输入端和地之间，用于对直流输入电压Vin进行滤波。电容Cout连接在输出端和地之间，用于提供直流输出电压Vout。电感L1和开关管M1串联连接在输入端和地之间。开关管M1具有第一端、第二端和控制端。开关管M1的控制端接收开关信号Vg，并且在导通状态下电流从第一端流至第二端。二极管D1的阳极连接在电感L1与开关管M1的中间节点，二极管D1的阴极连接至输出端。电阻RF1和RF2串联于输出端和地之间，比较器U1的同相输入端连接至电阻RF1和RF2的中间节点，比较器U1的反相输入端接收参考电压Vref，比较器U1的输出端输出比较信号compout，比较信号compout用于表征输出电压Vout和参考电压Vref的关系。
开关电源100的控制电路110分别连接输至主电路的输入端和输出端以及开关管M1的控制端。
在开关管M1的导通期间，电感L1与开关管M1的中间节点经由开关管M1接地，二极管D1反向截止。直流输入电压Vin给电感L1充电，电感电流IL流经电感L1且线性增加。二极管D1防止电容Cout经由开关管M1放电，从而维持电容Cout两端的直流输出电压Vout。
在开关管M1的关断期间，由于电感L1的电流保持特性，电感电流IL继续流经电感L1，电感电流IL线性减小。电感L1两端的极性改变，使得二极管D1正向导通。电感电流IL给电容Cout充电，在电容Cout的两端产生直流输出电压Vout。此时，电容Cout两端的直流输出电压Vout高于直流输入电压Vin。
图2示出本发明第一实施例提供的开关电源中采用的控制电路的结构图。
如图2所示，本发明第一实施例提供的开关电源中采用的控制电路110包括非门NOT、置位信号发生模块111以及开关信号发生模块112。
非门NOT接收时钟信号clk，并输出该时钟信号clk的反相信号；置位信号发生模块111根据时钟信号clk、该时钟信号clk的反相信号、开关信号的反相信号vgb、导通信号ton以及比较信号compout产生置位信号set；开关信号发生模块112根据置位信号set和时钟信号clk的反相信号产生开关信号vg及该开关信号的反相信号vgb。
图3示出图2所示控制电路的电路图。
如图3所示，本发明第一实施例提供的开关电源100中采用的控制电路110包括非门NOT、置位信号发生模块111以及开关信号发生模块112。
非门NOT接收时钟信号clk，并输出该时钟信号clk的反相信号。
置位信号发生模块111包括第一至第三触发器DFF1、DFF2、DFF3、与非门NAND、第一至第四与门AND1、AND2、AND3、AND4以及第一至第二或门OR1、OR2。第一触发器DFF1的输入端接收导通信号ton，第一触发器DFF1的时钟端接收时钟信号clk的反相信号，第一触发器DFF1的第一输出端产生跳跃信号skip，第一触发器DFF1的第二输出端产生跳跃信号skip的反相信号；第二触发器DFF2的输入端接收跳跃信号skip，第二触发器DFF2的时钟端接收时钟信号clk，第二触发器DFF2的输出端产生采样信号skip_sample；第三触发器DFF3的输入端接收比较信号compout，第三触发器DFF3的时钟端接收时钟信号clk；第一与门AND1的第一输入端接收跳跃信号skip，第一与门AND1的第二输入端接收开关信号vg的反相信号vgb，第一与门AND1的输出端连接至第二触发器DEE2的复位端以及第三触发器DFF3的复位端；与非门NAND的第一输入端接收跳跃信号skip，与非门NAND的第二输入端接收采样信号skip_sample；第二与门AND2的第一输入端接收比较信号compout，第二与门AND2的第二输入端连接至与非门NAND的输出端；第三与门AND3的第一输入端接收时钟信号clk，第三与门AND3的第二输入端接收跳跃信号skip的反相信号；第四与门AND4的第一输入端接收采样信号skip_sample，第四与门AND4的第二输入端连接至第三触发器DFF3的输出端；第一或门OR1的第一输入端连接至第三与门AND3的输出端，第一或门OR1的第二输入端连接至第四与门AND4的输出端，第一或门OR1的输出端产生新比较信号new_compout；第二或门OR2的第一输入端连接至第三与门AND3的输出端，第二或门OR2的第二输入端连接至第一或门OR1的输出端，第二或门OR2的输出端产生置位信号set，其中，第一至第三触发器DFF3均为边沿触发的D触发器，且第二触发器DFF2和第三触发器DFF3的复位端均为低电平有效。
开关信号发生模块112包括第四触发器DFF4，第四触发器DFF4的第一输入端接收置位信号set，第四触发器DFF4的第二输入端接收时钟信号clk的反相信号，第四触发器DFF4的第一输出端产生开关信号vg，第四触发器DFF4的第二输出端产生开关信号vg的反相信号vgb，其中，该第四触发器DFF4为RS触发器。
图4示出图3所示控制电路第一工作状态下的工作波形图。
如图4所示，第N时钟周期内，在时刻t0，时钟信号clk由高电平跳变为低电平，导通信号ton为高电平，对于第一触发器DFF1，时钟信号clk的下降沿采样到高电平的导通信号ton，说明当前开关电源的负载较轻，此时跳跃信号skip由低电平跳变为高电平，采样信号skip_sample和新比较信号new_compout继续保持低电平，开关信号vg由高电平跳变为低电平，储能元件开始放电。
在本周期内的时刻t1，比较信号compout由低电平跳变为高电平，表明此刻开关电源的负载仍不够轻，仍未达到跨周期的条件，此时控制电路工作在第一工作状态，跳跃信号skip继续保持高电平，采样信号skip_sample和新比较信号new_compout继续保持低电平，开关信号由低电平跳变为高电平，储能元件开始充电。
图5示出图3所示控制电路第二工作状态下的工作波形图。
如图5所示，第N时钟周期内，在时刻t0，时钟信号clk由高电平跳变为低电平，导通信号ton为高电平，对于第一触发器DFF1，时钟信号clk的下降沿采样到高电平的导通信号ton，说明当前开关电源的负载较轻，跳跃信号skip由低电平跳变为高电平，采样信号skip_sample和新比较信号new_compout均继续保持低电平，开关信号vg由高电平跳变为低电平，储能元件开始放电。
由时刻t0开始直至本时钟周期结束，比较信号compout始终保持低电平，表明此刻开关电源的负载已经足够轻，此时控制电路工作在第二工作状态，开关信号vg在接下来的几个时钟周期内继续保持低电平。直至时刻t1，时钟信号clk由低电平跳变为高电平，导通信号ton由低电平跳变为高电平，比较信号compout为高电平，跳跃信号skip和采样信号skip_sample继续保持高电平，新比较信号new_compout由低电平跳变为高电平，开关信号vg由高电平跳变为高电平，开始下一个开关周期，储能元件开始充电。
相对于现有技术，本发明实施例的提供的控制电路可在开关电源负载过轻时控制开关信号跨周期输出，降低轻载条件下不必要的能量输出。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。

Claims (6)

1.一种用于开关电源的控制电路，其特征在于，包括：
第一逻辑单元，所述第一逻辑单元的输入端接收时钟信号，所述第一逻辑单元的输出端产生所述时钟信号的反相信号；
置位信号发生模块，用于根据所述时钟信号、所述时钟信号的反相信号、比较信号、导通信号以及开关信号的反相信号产生置位信号；以及
开关信号发生模块，用于根据所述置位信号进行置位操作，根据所述时钟信号的反相信号进行复位操作，从而产生所述开关信号，以控制开关管的导通，
其中，所述置位信号发生模块根据所述比较信号判断轻载状态，并且在判定轻载时，对置位信号进行跳周期，
其中，所述置位信号发生模块包括：
第一触发器，所述第一触发器的输入端接收所述导通信号，所述第一触发器的时钟端接收所述时钟信号的反相信号，所述第一触发器的第一输出端产生跳跃信号，所述第一触发器的第二输出端产生所述跳跃信号的反相信号；
第二触发器，所述第二触发器的输入端接收所述跳跃信号，所述第二触发器的时钟端接收所述时钟信号，所述第二触发器的输出端输出采样信号；
第三触发器，所述第三触发器的输入端接收所述比较信号，所述第三触发器的时钟端接收所述时钟信号；
第二逻辑单元，所述第二逻辑单元的第一输入端接收所述跳跃信号，所述第二逻辑单元的第二输入端接收所述开关信号的反相信号，所述第二逻辑单元的输出端连接至所述第二触发器的复位端以及所述第三触发器的复位端；以及
第三逻辑单元，所述第三逻辑单元的第一输入端接收所述采样信号，所述第三逻辑单元的第二输入端连接至所述第三触发器的输出端，
所述置位信号发生模块还包括：
第四逻辑单元，所述第四逻辑单元的第一输入端接收所述跳跃信号，所述第四逻辑单元的第二输入端接收所述采样信号；
第五逻辑单元，所述第五逻辑单元的第一输入端接收所述比较信号，所述第五逻辑单元的第二输入端连接至所述第四逻辑单元的输出端；
第六逻辑单元，所述第六逻辑单元的第一输入端接收所述时钟信号，所述第六逻辑单元的第二输入端连接至所述第一触发器的第二输出端；
第七逻辑单元，所述第七逻辑单元的第一输入端连接至所述第五逻辑单元的输出端，所述第七逻辑单元的第二输入端连接至所述第三逻辑单元的输出端，所述第七逻辑单元的输出端输出新比较信号；以及
第八逻辑单元，所述第八逻辑单元的第一输入端连接至所述第六逻辑单元的输出端，所述第八逻辑单元的第二输入端接收所述新比较信号，所述第八逻辑单元的输出端产生置位信号。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述开关信号发生模块包括：
第四触发器，所述第四触发器的第一输入端接收所述置位信号，所述第四触发器的第二输入端接收所述时钟信号的反相信号，所述第四触发器的第一输出端输出所述开关信号，所述第四触发器的第二输出端输出所述开关信号的反相信号。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一逻辑单元为非门，所述第二、第三、第五以及第六逻辑单元为与门，所述第四逻辑单元为与非门，所述第七、第八逻辑单元为或门。
4.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述第一至第三触发器为D触发器，所述第四触发器为RS触发器，且所述第二触发器和所述第三触发器的复位端低电平有效。
5.一种开关电源，其特征在于，包括：
主电路；以及
根据权利要求1-4中任一项所述的控制电路，
其中，所述主电路包括开关管，所述控制电路控制所述开关管的导通和关断。
6.根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述主电路的电路类型包括升压型拓扑、降压型拓扑、升降压型拓扑和反激型拓扑。
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