CN107947766A - 一种应用于开关电源的频率可调的振荡器电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于开关电源的可调频率的振荡器电路，该振荡器电路用于产生开关电源电路所需的时钟信号。所述振荡器包括：可调斜坡产生电路，斜坡比较电路和同步电路。可调斜坡产生电路可通过外接电阻，产生相应频率的斜坡信号；斜坡比较电路可将产生的斜坡信号转换为脉冲信号；同步电路可以通过外接时钟同步芯片频率。本发明电路配置简单，可调频率范围广，可靠度高，可满足不同的应用要求。

Description

一种应用于开关电源的频率可调的振荡器电路

技术领域

本发明涉及开关电源领域，尤其是一种频率可调的振荡器电路。

背景技术

随着便携式电子产品的普及，开关电源越来越重要，现代电子设备使用的电源大致分为线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源的调整管工作在放大区，它的优势在于不会引入额外的干扰，可靠性好，成本低，但是它有体积较大，变换效率低的缺点；开关电源与线性稳压电源相比，可以升压与降压，供电效率高，功耗小等特点。

开关电源是根据电感和电容能够储存能量的特性，并利用开关动作不断将能量从输入端传到输出端，为负载提供能量。电源系统根据不同的负载情况进行自动调整，时钟信号CLK 产生电路是开关电源中十分重要的模块，时钟信号的周期决定了开关频率，并为后续的其他模块比如分频电路等提供参考。时钟信号的稳定性对电路的信号处理性能有很大的影响，通常要求时钟信号在温度、电源电压和工艺等变化的条件下能保证频率的稳定。

在集成电路设计中常用到的振荡器有三种：RC振荡器，环形振荡器和晶体振荡器。RC振荡器是应用最为普遍的一种振荡器电路，它的结构简单，成本较低，另外该电路功耗也较低。但是这种电路的工作电压极大地影响它的频率，精度较差。环形振荡器的振荡频率范围很宽，稳定度较高，但是对电源噪声很敏感，布局尺寸面积较大。晶体振荡器频率很准，而且工作稳定，其精度只与所选择的晶体器件的固有频率有关，但是它的功耗较大，不易集成在芯片内部。

开关电源需要振荡器具有一定的精度、稳定性并且能够内部集成。因此大多是环形振荡器。如图1所示是一般的开关电源中用于产生时钟信号CLK的环形振荡器。这种振荡器的工作原理如下：

起始状态，电容C1上电荷为0，斜坡信号SLOPE为0，比较器输出为0,MN1管关闭，开始对充电电容C1充电；当充电电压SLOPE大于VREF时，比较器输出变为由0翻转为1，此时MN1管打开，电容C1开始向地放电，因为MN1管的栅压为高电位1，流过电流远远大于电流源对C1的充电电流，因此SLOPE信号在很短的时间内下降为0；当斜坡信号SLOPE下降至略小于VREF时，比较器输出由1变为0，MN1又关闭，开始充电，一个震荡周期完成。

图1中的振荡器，内部设定固定，只能产生固定频率的振荡信号，这就导致后级电路的工作频率收到限制。对于开关电源来说，不同的外部条件和工作模式可能需要不同的开关频率。由于开关电源的开关频率与外接电感和电容密切相关，固定的时钟频率限制了开关电源的开关频率，使得外部器件的适用范围受到限制，并且不利于通过调整时钟频率实现内部环路稳定。同时，随着集成系统的应用，集成系统提供的时钟信号更为精准，用在开关电源中更为稳定，而传统的振荡器只使用自己产生的低精度时钟信号，缺乏可继承性和灵活性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种应用于开关电源的频率可调的振荡器电路，能够通过外接电阻，产生相应频率的时钟信号，从而满足不同的应用要求。

一种应用于开关电源的频率可调的振荡器电路，其特征在于包括以下模块：斜坡产生模块，斜坡比较模块，同步模块。斜坡产生模块可以通过外接电阻产生相应频率的斜坡信号；斜坡比较模块将斜坡信号与电阻分压网络产生的电压作比较，产生相应频率的脉冲信号；同步模块的外接同步时钟接地时，输出内部产生的脉冲信号，当外接一定频率的时钟时，同步功能打开，将开关电源的频率同步。

本发明专利的创造性在于可用较简单的结构，通过外接电阻的变化，使得开关电源的频率从100kHz到1MHz变化，也可利用外接同步引脚将频率同步至一个外部时钟。通过外接电阻调整频率时，根据外接电阻的阻值计算充电电流，并将充电电流转化为电压输出给内部振荡器，内部振荡器根据输入电压产生频率与所述的充电电流值对应的时钟信号和斜坡信号；外部时钟同步时，同步模块接收到外部时钟使能信号后启动，实时接收外部时钟信号和内部振荡器反馈的时钟信号，根据外部时钟信号和时钟信号实时产生同步控制信号输出给充电电流控制电路。充电电流控制电路根据外部时钟信号控制对充电电容的充放电以此产生相应的斜坡信号。

因此，本专利具有如下优点：(1)结构简单，有效的降低了开关损耗；(2)可通过外接电阻改变时钟频率，开关频率的范围在100kHz到1MHz；(3)可通过外接时钟信号将开关频率同步。

附图说明

图1为传统环形振荡器电路结构的示意图；

图2为斜坡产生电路结构的示意图；

图3为斜坡比较电路结构的示意图；

图4为同步时钟电路结构的示意图；

图5为说明书摘要附图；

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点更加清晰，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图2所示为本发明的斜坡产生电路的示意图，该电路包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、外接电阻RT、电阻R1、电阻R2以及电容C1。

三极管Q1的基极与集电极相连，Q1的发射极与电源电压VCC相连，集电极与三极管Q2 的发射极相连，Q1的集电极与电阻R1、三极管Q5的集电极相连；外接电阻RT一端连三极管Q2的发射极，一端接地；

三极管Q3与Q4构成镜像管，电阻R1的一端连接三极管Q3的集电极与三极管Q7的基极，另一端连接三极管Q1的基极与三极管Q5的集电极；三极管Q5的基极连接基准电压 V_1P25，三极管Q5的发射极连接电阻R2，三极管Q6的基极连接基准电压V_1P25，三极管 Q6的发射极连接电阻R2，三极管Q6的集电极连接三极管Q4的集电极；电阻R2一端接地，另一端接三极管Q5与Q6的发射极；

三极管Q7的基极接电阻R1，三极管Q7的集电极接电容C1与输出SLOPE端，三极管Q7的发射极接电源电压VCC；电容C1一端接三极管Q7的集电极，一端接地；三极管Q8的集电极与发射极跨接在电容C1的两端，三极管Q8的基极接时钟信号CLK。

具体原理如下：当RT的阻值改变时，可以改变三极管Q1上的基极电压，此电压又通过一固定电流1.25/2R2对电阻R1进行一个抬升，使得三极管Q7的基极电压发生变化，由三极管Q2的集电极电流对电容C1进行充电，以此改变频率。放电时，环路返回的CLK时钟信号高电平将三极管Q8打开，使得电容C1快速放电，形成正反馈，产生振荡周期。

图3所示为斜坡比较模块，由MOS管MP4与MP5组成比较器，正向输入端是电阻分压网络R3、R4、R5与R6得到的偏置电压，负向输入端由上所述斜坡产生电路的输出SLOPE提供，三极管Q3反馈回比较器，为比较器提供一迟滞电压，防止因抖动问题造成输出信号的波动。当SLOPE电压小于分压网络提供的电压时，MOS管MP4几乎没有电流流过，三极管Q2与Q3 截止，输出信号S_CLK输出低电平；当SLOPE电压大于分压网络提供的电压时，电流流向 MOS管MP4支路，三极管Q3导通，此时输出信号S_CLK翻转为高电平。

图4所示为同步模块，当外接同步引脚SYNC接地时，同步功能关闭，由CLK端与S端输出产生的时钟；当外接同步引脚SYNC接一定频率的时钟时，同步功能打开，通过MOS管MN1、MN2与MN3对电容C1的充放电，将外接同步引脚SYNC端输入的方波转变为占空比很小的脉冲信号；MOS管MP4、MN4与MN5组成一两输入的或非门，一端输入为外接同步信号转换后的脉冲，另一端输入为由上所述的斜坡比较电路输出脉冲信号S_CLK，最终输出脉冲信号S；同时输出CLK反馈回由上所述的斜坡产生电路的充放电三极管基极，高电平时快速放电，低电平时充电，从而形成振荡器的循环工作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种应用于开关电源的可调频率的振荡器电路，其特征在于：包括斜坡产生模块、斜坡比较模块和同步模块。所述斜坡产生模块可根据外接电阻值的改变从而产生相应频率的斜坡信号；所述的斜坡比较模块将斜坡信号与偏置电压做比较，得到相应频率的脉冲信号；所述同步模块可通过外接信号同步电源的开关频率。

2.根据权利要求1所述的一种应用于开关电源的可调频率的振荡器电路，其特征在于，所述的斜坡产生模块包括：外接电阻RT，电阻R1，三极管Q1和Q2，偏置电流源1，充放电电容C1，放电三极管Q3；三极管Q1的集电极连接电阻RT，基极经过偏置电流源R1抬升后与三极管Q2的基极相连，三极管Q2的集电极与充放电电容C1相连并输出斜坡信号，输出端接有斜坡比较模块，放电三极管Q3跨接在电容C1两端，其基极与振荡器模块的输出脉冲信号相连。

3.根据权利要求2所述的应用于开关电源的可调频率的振荡器电路，其特征在于，所述的斜坡比较模块包括：电阻分压网络1，电压比较器1，三极管Q4和Q5，电阻分压网络1提供一股偏置电压到电压比较器1的正向输入端，电压比较器1的负向输入端与斜坡产生模块的输出相连，电压比较器1的输出端与三极管Q4的基极相连，Q4的集电极与反向三极管Q5的基极相连，Q5的集电极接输出与同步模块相连，发射极接地。

4.根据权利要求3所述的应用于开关电源的可调频率的振荡器电路，其特征在于，所述的同步模块有两种工作模式，当外接同步接口接一定频率的时钟信号时，同步功能打开，将开关电源的频率同步；当外接同步接口接地时，同步时钟功能关闭，直接输出脉冲信号，并与斜坡产生模块的三极管Q3的基极相连。