CN108900082B - 开关电源变换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种开关电源变换系统，包括系统控制器、第一开关管、第一二极管、电感、第二二极管、第一电容和第二电容，系统控制器包括误差放大器、振荡器可变电流控制单元、振荡器、调制组件、栅极驱动器和补偿网络，振荡器可变电流控制单元包括基准电压电流单元、比较器、第二开关管、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第一电阻，基准电压电流单元产生参考电压信号和偏置电流信号；本案中系统频率的控制信号由系统输出反馈信号、内部基准电压和误差放大器输出产生，为控制模块提供系统负载快速响应的控制环路，在开关系统负载动态变化下，通过工作频率快速变化，实现开关变换系统输出负载的快速响应。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种开关电源变换系统。
背景技术
现有的开关电源变换系统，其基本结构一般如图1所示，包括系统控制器102、开关104、电容器106、第一二极管108、第二二极管110和电感112。其中：系统控制器102的结构如图2所示，系统控制器102包括误差放大器202、控制组件204、振荡器208、振荡器电流控制单元210、补偿网络214和栅极驱动器206。
在上述系统中，误差放大器202接收参考信号Vref和输出电压反馈信号FB，并生成指示系统负载条件的放大信号212，控制组件204接受放大信号212并向栅极驱动器206输出调制信号218，栅极驱动器206生成驱动开关的栅极驱动信号216。补偿网络214连接至误差放大器202的输出端。如果放大信号212变化，控制组件204则调节调制信号218来提高/降低开关频率和占空比因数，从而提供合适的负载能力。该控制环路带宽由环路主极点与误差放大器202和补偿网络214决定，环路带宽一般为工作频率的1/10。补偿网络214中较大的电容在负载条件改变下，严重影响了电源变换系统的动态响应。
为了获得良好的动态响应，常常需要电源变换系统100的控制环路具有宽的带宽，于是需要移除补偿网络214来增加控制环路的带宽，误差放大器变为比较器，但这些措施会引起开关频率和占空比因数的极大改变。因此，较为普遍的做法是，在系统内采用具有大量外部组件的复杂补偿网络，使系统能够获得良好的动态响应和更高的稳定性，但是这样会带来系统成本的显著增加。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种开关电源变换系统。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种开关电源变换系统，包括系统控制器、第一开关管、第一二极管、电感、第二二极管、第一电容和第二电容，所述系统控制器包括误差放大器、振荡器可变电流控制单元、振荡器、调制组件、栅极驱动器和补偿网络，所述振荡器可变电流控制单元包括基准电压电流单元、比较器、第二开关管、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第一电阻，所述基准电压电流单元用于产生参考电压信号Vref、偏置电流信号Ibias0、偏置电流信号Ibias1和偏置电流信号Ibias2；
所述第一开关管的栅极与栅极驱动器的输出端连接，漏极接外部高压电源，源极分别与第一电容的一端、电感的一端、第一二极管的阴极连接且作为系统内部地线，所述第一电容的另一端分别与比较器的反相输入端、误差放大器的负输入端、第二二极管的阴极连接，所述电感的另一端分别与第二二极管的阳极、第二电容的一端连接，所述第一二极管的阳极分别与第二电容的另一端、外部高压电源的地线连接；
所述误差放大器的正输入端接入系统参考电压信号Vref且与比较器的同相输入端连接，输出端分别与补偿网络的COMP信号输入端、调制组件的第一输入端连接，所述补偿网路的浮地端与系统内部地线连接，所述振荡器的输出端与调制组件的第二输入端连接，调制组件的输出端与栅极驱动器的输入端连接；
所述比较器的输出端与第二开关管的栅极连接，所述第二开关管的漏极分别与偏置电流信号Ibias0、偏置电流信号Ibias1和振荡器的输入端连接，源极与第一MOS管的漏极连接，所述第一MOS管的栅极分别与第二MOS管的栅极、漏极、第三MOS管的漏极、偏置电流信号Ibias2连接，所述第三MOS管的栅极与误差放大器的输出端连接，源极与第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端、第一MOS管的源极、第二MOS管的源极均与系统内部地线连接。
作为优选，所述补偿网路包括第三电容、第四电容和第二电阻，所述第三电容的一端与误差放大器的输出端连接，另一端与系统内部地线连接，所述第二电阻的一端与误差放大器的输出端连接，另一端与第四电容的一端连接，所述第四电容的另一端与系统内部地线连接。
作为优选，所述调制组件采用PWM控制器、PFM控制器或者PWM/PFM切换控制器。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
本发明所述的开关电源变换系统中，开关电源变换系统频率的控制信号由系统输出反馈信号，内部基准电压和误差放大器输出产生，为控制模块提供系统负载快速响应的控制环路。在开关系统负载动态变化下，通过工作频率快速变化，实现开关变换系统输出负载的快速响应。
附图说明
图1是现有开关电源变换系统的结构示意图；
图2是现有开关电源变换系统中系统控制器的结构示意图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是本发明中系统控制器的结构示意图；
图5是本发明系统工作频率随误差放大器输出的放大信号变化的示图；
图6是本发明系统负载切换频率响应示图。
具体实施方式
结合图3至图6，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图3和图4所示，一种开关电源变换系统300，包括系统控制器302、第一开关管320、第一二极管322、电感324、第二二极管326、第一电容328和第二电容329，系统控制器302包括误差放大器308、振荡器可变电流控制单元312、振荡器314、调制组件304、栅极驱动器306和补偿网络316，振荡器可变电流控制单元312包括基准电压电流单元414、比较器412、第二开关管406、第一MOS管407、第二MOS管409、第三MOS管410和第一电阻12，基准电压电流单元414用于产生参考电压信号Vref、偏置电流信号Ibias0、偏置电流信号Ibias1和偏置电流信号Ibias2；
第一开关管320的栅极与栅极驱动器306的输出端连接，漏极接外部高压电源HV，源极分别与第一电容328的一端、电感324的一端、第一二极管322的阴极连接且作为系统内部地线GND1，第一电容328的另一端分别与比较器412的反相输入端、误差放大器308的负输入端、第二二极管326的阴极连接，电感324的另一端分别与第二二极管326的阳极、第二电容329的一端连接，第一二极管322的阳极分别与第二电容329的另一端、外部高压电源的地线GND2连接；
误差放大器308的正输入端接入系统参考电压信号Vref且与比较器412的同相输入端连接，输出端分别与补偿网络316的COMP信号输入端、调制组件304的第一输入端连接，补偿网路316的浮地端与系统内部地线GND1连接，振荡器314的输出端与调制组件304的第二输入端连接，调制组件304的输出端与栅极驱动器306的输入端连接；
比较器412的输出端与第二开关管406的栅极连接，第二开关管406的漏极分别与偏置电流信号Ibias0、偏置电流信号Ibias1和振荡器314的输入端连接，源极与第一MOS管407的漏极连接，第一MOS管407的栅极分别与第二MOS管409的栅极、漏极、第三MOS管410的漏极、偏置电流信号Ibias2连接，第三MOS管410的栅极与误差放大器308的输出端连接，源极与第一电阻412的一端连接，第一电阻412的另一端、第一MOS管407的源极、第二MOS管409的源极均与系统内部地线GND1连接。
其中：调制组件采用PWM控制器、PFM控制器或者兼具PWM控制和PFM控制两种控制功能，并且两种控制功能可自由切换的PWM/PFM切换控制器。
本发明的工作原理如下：
误差放大器308接收参考电压信号Vref和输出电压反馈信号FB(即第一电容与第二二极管连接节点的信号)，并生成指示系统负载条件的放大信号334；基准电压电流414产生三路偏置电流Ibias0、Ibias1和Ibias2，其中，Ibias1>>Ibias0，Ibias2>>Ibias0；本实施例中，第一MOS管与第二MOS管的沟道宽长比的比值为1:1，因此，Ibias1应等于Ibias2。比较器412接收参考信号Vref和输出电压反馈信号FB生成比较信号402；放大信号334和比较信号402产生振荡器电流信号408，振荡器电流信号408控制振荡器提供适当频率时钟336；控制组件304接受放大信号334和时钟信号336并向栅极驱动器306输出调制信号332，栅极驱动器306生成驱动开关的栅极驱动信号318；补偿网络316连接至误差放大器308的输出端。
在稳定负载条件下，补偿网络316来提供并确保系统的稳定性。补偿网络316可以和系统控制器302其它组件不在同一芯片上。补偿网络316一般可采用Type-I补偿、Type-II补偿、Type-III补偿，或者其它合适补偿；图4中补偿网络316采用的是Type-II补偿，具体包括第三电容501、第四电容502和第二电阻503，第三电容501的一端与误差放大器308的输出端连接，另一端与系统内部地线连接，第二电阻503的一端与误差放大器308的输出端连接，另一端与第四电容502的一端连接，第四电容502的另一端与系统内部地线连接，其中第三电容501的容值为C1，第四电容502的容值为C2，且C2>>C1，误差放大器308跨导为Gm，从而系统带宽为：BW＝Gm/C2。
输出负载稳定，误差放大器输出的放大信号334控制振荡器电流信号408，从而决定振荡器时钟信号336的频率。
如图5所示，为系统工作频率随误差放大器输出的放大信号334变化的示图，从图中可以看出，当误差放大器输出的放大信号334的值小于第三MOS管410的阈值电压Vth时，振荡器电流信号408由Ibias0决定，为系统最小工作频率；当误差放大器输出的放大信号334的值大于Ibias1*R1+Vth(其中：Vth为第三MOS管410的阈值电压，R1为第一电阻的阻值)时，振荡器电流信号408由Ibias1+Ibias0决定，为系统最大工作频率；当误差放大器输出的放大信号334的值位于Vth与Ibias1*R1+Vth之间时，系统工作频率在最大和最小工作频率间线性变化。
如图6所示，为系统负载切换频率响应示图，其中t0<t1<t2<t3<t4<t5<t6。
在t1之前，输出负载为稳定轻载，误差放大器输出的放大信号334稳定不变，并且误差放大器输出的放大信号334较低，系统以较低工作频率工作；在t1时刻，输出负载由轻载切换为重载，输出电压信号330跌落，误差放大器输出因为连接补偿网络中存在大电容，响应远远落后于输出电压信号；振荡器可变电流控制器312中比较器412接收参考电压信号VREF和输出电压反馈信号FB并提供相应的比较信号402，比较信号402控制第二开关管406关闭，产生由Ibias1和Ibias0决定的最大系统工作频率。
在t1和t2之间，系统以最大工作频率工作，输出电压信号330逐渐上升；在t2时刻，输出电压信号330到达系统输出的稳定电压，误差放大器输出的放大信号334还没有到达负载切换后相对应的稳定值，比较器412输出的比较信号402出现翻转，通过第二开关管406降低振荡器可变电流信号408，此时系统工作频率下降；此时输出电压升高减缓。
在t2和t3之间，比较器412输出的比较信号402跟随输出变化，结合误差放大器308输出的放大信号334逐步上升，振荡器可变电流信号408动态调整系统工作频率，输出电压趋于稳定；
在t3时刻，误差放大器输出的放大信号334到达负载切换后的稳定值，输出也到达稳定值，系统工作频率随之稳定。在t3和t4之间，系统处于固定负载条件，误差放大器输出的放大信号334和输出电压信号330保持不变。
在t4时刻，输出负载由重载调整为轻载，输出电压信号330升高，误差放大器输出的放大信号334因为连接补偿网络中存在大电容，响应远远落后于输出电压信号334；振荡器可变电流控制器312中的比较器412参考电压信号VREF和输出电压反馈信号FB并提供相应的比较信号402，比较信号402控制第二开关管406打开，系统工作在由Ibias0决定的最小系统工作频率。
在t4和t5之间，系统以最小工作功率工作，输出电压在开始升高后逐渐降低，误差放大器308输出的放大信号334逐步跟随输出降低；在t5时刻，输出到达输出稳定电压值，但误差放大器308输出的放大信号334还没有到达负载切换后的稳定值，比较器412输出的比较信号402出现翻转，通过第二开关管406降低振荡器可变电流信号408的升高，此时系统工作频率上升；此时输出电压降低减缓。
在t5和t6之间，比较器412输出的比较信号402跟随输出变化，结合误差放大器308输出的放大信号334逐步上升，振荡器可变电流信号408动态调整系统工作频率，输出电压趋于稳定；
在t6时刻，误差放大器输出的放大信号334到达负载切换后的稳定值，输出也到达稳定值，系统工作频率随之稳定。
从上述描述可以看出，本发明拥有传统开关电源变换系统在稳定负载状态下的工作特性，提出由系统输出反馈信号FB，内部基准电压VREF和误差放大器输出334产生开关电源变换系统频率的控制信号，为控制模块提供系统负载快速响应的控制环路。在开关系统负载动态变化下，通过工作频率快速变化，实现了开关变换系统输出负载的快速响应。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明所述的开关电源变换系统中，开关电源变换系统频率的控制信号由系统输出反馈信号，内部基准电压和误差放大器输出产生，为控制模块提供系统负载快速响应的控制环路。在开关系统负载动态变化下，通过工作频率快速变化，实现开关变换系统输出负载的快速响应。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种开关电源变换系统，其特征在于：包括系统控制器、第一开关管、第一二极管、电感、第二二极管、第一电容和第二电容，所述系统控制器包括误差放大器、振荡器可变电流控制单元、振荡器、调制组件、栅极驱动器和补偿网络，所述振荡器可变电流控制单元包括基准电压电流单元、比较器、第二开关管、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第一电阻，所述基准电压电流单元用于产生参考电压信号Vref、偏置电流信号Ibias0、偏置电流信号Ibias1和偏置电流信号Ibias2；其中，
所述第一开关管的栅极与栅极驱动器的输出端连接，漏极接外部高压电源，源极分别与第一电容的一端、电感的一端、第一二极管的阴极连接且作为系统内部地线，所述第一电容的另一端分别与比较器的反相输入端、误差放大器的负输入端、第二二极管的阴极连接，所述电感的另一端分别与第二二极管的阳极、第二电容的一端连接，所述第一二极管的阳极分别与第二电容的另一端、外部高压电源的地线连接；
所述误差放大器的正输入端接入系统参考电压信号Vref且与比较器的同相输入端连接，输出端分别与补偿网络的COMP信号输入端、调制组件的第一输入端连接，所述补偿网络的浮地端与系统内部地线连接，所述振荡器的输出端与调制组件的第二输入端连接，调制组件的输出端与栅极驱动器的输入端连接；
所述比较器的输出端与第二开关管的栅极连接，所述第二开关管的漏极分别与偏置电流信号Ibias0、偏置电流信号Ibias1和振荡器的输入端连接，源极与第一MOS管的漏极连接，所述第一MOS管的栅极分别与第二MOS管的栅极、漏极、第三MOS管的漏极、偏置电流信号Ibias2连接，所述第三MOS管的栅极与误差放大器的输出端连接，源极与第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端、第一MOS管的源极、第二MOS管的源极均与系统内部地线连接。
2.根据权利要求1所述的开关电源变换系统，其特征在于：所述补偿网络包括第三电容、第四电容和第二电阻，所述第三电容的一端与误差放大器的输出端连接，另一端与系统内部地线连接，所述第二电阻的一端与误差放大器的输出端连接，另一端与第四电容的一端连接，所述第四电容的另一端与系统内部地线连接。
3.根据权利要求1所述的开关电源变换系统，其特征在于：所述调制组件采用PWM控制器、PFM控制器或者PWM/PFM切换控制器。
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| GR01 | Patent grant | ||
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