CN109863675B - 用于操作切换电源的方法和电路 - Google Patents

Abstract

在所描述的用于控制电源的控制器和方法的实例中，控制器(310)包含比较电路(102)，其可操作以将所述控制器(310)的切换频率与预定切换频率进行比较。电压测量电路(324)可操作以测量电源(300)的输出电压。电路(352)可操作以响应于所述切换频率小于所述预定切换频率且所述输出电压大于预定输出电压而停用所述电源(300)中的至少一个组件。

Description

用于操作切换电源的方法和电路

背景技术

通过切换通过变换器的初级侧的电流，切换电源在变换器的次级侧上产生输出电压。用于切换电源的简单控制方法是开/关控制，其中切换基于变换器的初级侧和次级侧之间的控制回路。开/关控制不需要控制回路补偿，而只需要一个比较器来关闭回路。如果输出电压低于比较器测量的参考电压，那么启用切换，这会增加输出电压。当输出电压大于参考电压时，停用切换，这会导致输出电压降低。在一些实施例中，切换的切换频率和占空比是固定的，并且每当输出电压超过参考电压时，停用切换。

发明内容

在所描述的用于控制电源的控制器和方法的实例中，控制器包含比较电路，其可操作以将控制器的切换频率与预定切换频率进行比较。电压测量电路可操作以测量电源的输出电压。电路可操作以响应于切换频率小于预定切换频率并且输出电压大于预定输出电压而停用电源中的至少一个组件。

附图说明

图1是具有与之相关联的电源控制电路的电源的框图。

图2是电源控制电路的实例的框图。

图3是切换电源的实例的示意图。

图4是由图1的振荡器产生的实例信号的图。

图5是切换电源的另一实例的示意图，其中切换频率不固定。

图6是展示由图3的电源产生的实例信号的时序图。

图7是描绘图5的电源控制电路的实例的电路的示意图。

图8是具有不同输入信号的图7的电路的变型的示意图。

图9是展示图5的电源控制电路的另一实例的电路的示意图。

图10是图9的电源控制电路的变型的电路的示意图。

图11是说明用于操作配合开/关控制操作的切换电源的控制器的方法的流程图。

具体实施方式

在附图中，相同的元件符号表示相似或等效的元件。行为或事件的说明性排序不是限制性的，因为一些行为或事件可以以不同的顺序发生和/或与其它行为或事件同时发生。此外，一些说明的动作或事件对于实施根据此描述的方法是可选的。本文描述的电路和方法可与现有电源一起工作，以在组件不使用时停用或禁用某些组件。

图1是具有与之相关联的电源控制电路102的电源100的框图。电源100以如本文所述的开/关控制技术操作。电源100包括切换电路110，所述切换电路110控制通过如本文所述的变换器T11的初级侧的电流I_T1。开关电路110包括开关，例如晶体管，其选择性地使电流I_T1流动和阻止电流I_T1流动。电流I_T1流动的时段有时被称为传导时段。整流器112耦合到变换器T11的次级侧，并将输出电压V_OUT提供到电源100的输出114。驱动电路120驱动切换电路110且可包含驱动器，触发器和其它组件。振荡器122以驱动切换电路110的切换频率F_sw产生信号。当启用切换电路110时，其以称为实际切换频率的频率切换电流I_T1。振荡器122可包含定时器和本文描述的其它组件。切换启用电路126包含在如本文所述的某些条件下启用切换电路110的电路。切换电路110的启用是响应于由电源控制电路102产生的低功率信号LP和全功率信号FP，如下文所述。

图2是图1的电源控制电路102的实例的框图。电源控制电路102包含频率测量电路200，其耦合到指示实际切换频率的频率信号。电源停用电路202耦合到频率测量电路200并接收下文描述的启用信号。启用信号由图1的切换启用电路126产生。电源停用电路202响应于启用信号和频率测量电路200的输出而产生全功率信号FP和低功率信号LP。频率测量电路200测量实际切换频率并产生指示实际切换频率的信号。电源停用电路202分析实际切换频率和启用信号，且响应于分析而产生全功率信号FP和低功率信号LP。在其它实例中，电源停用电路202分析由电源100产生的其它信号。

图3是用作图1的电源100的切换电源300的实例的示意图。电源300包括输入302，其中输入电压V_IN在电源300的操作期间存在于输入302处。输入302耦合到变换器T11的初级侧上的第一节点N31。变换器T11的初级侧的第二节点N32耦合到切换晶体管Q31，切换晶体管Q31调节流过变换器T11的初级侧的电流I_T1。当晶体管Q31处于导通状态时，其阻抗可忽略不计。当晶体管Q31导通时晶体管Q31使电流I_T1流过变换器T11的初级侧，且晶体管Q31在其断开时停止电流I_T1。晶体管Q31的栅极由控制电路(有时称为控制器)310驱动，控制电路310以实际切换频率周期性地驱动晶体管Q31导通和断开，如上所述。

晶体管Q31通过电阻器R31耦合到公共节点，例如接地。公共节点是在小于或不同于输入电压V_IN的电压下操作的电压电位。电流I_T1流过电阻器R31并产生与电流I_T1成比例的电压V_I31。通过比较器312将电压V_I31与参考电压V_REF31进行比较。比较器312产生指示流过晶体管Q31和变换器T11的初级侧的电流I_T1是否已经超过由参考电压V_REF31建立的预定值的信号。电源300的其它实例可使用测量电流I_T1的其它电流感测电路或确定电流I_T1是否超过预定值的电路。

变换器T11的次级侧通过整流器116耦合到输出114，其中输出电压V_OUT在电源300的操作期间存在于输出114处。由电阻器R32和R33组成的电压感测电路320耦合到输出114。电压感测电路320产生与输出电压V_OUT成比例的感测电压V_{OUT_SNS}。感测电压V_{OUT_SNS}通过比较器324与参考电压V_REF32进行比较。可在电源300内采用除电阻分压器之外的电压感测电路320的不同变型。例如，可实施除电压V_{OUT_SNS}和V_REF32之外的信号。

比较器324产生启用信号。如果感测电压V_{OUT_SNS}大于参考电压V_REF32，那么启用信号禁止控制电路310导通晶体管Q31，从而防止输出电压V_OUT增加。如果感测电压V_{OUT_SNS}小于参考电压V_REF32，那么启用信号使控制电路310导通晶体管Q31，从而增加输出电压V_OUT。以类似方式，如果电压V_I31大于参考电压V_REF31，那么电流I_T1过大，因此比较器312产生使晶体管Q31断开的信号。

控制电路310包括振荡器332，其产生用于在切换频率F_SW下切换晶体管Q31的参考信号。图4展示示例信号Q和Q'的图，所述信号是由振荡器332产生的互补信号。

由振荡器332产生的信号Q耦合到D触发器334的时钟输入。比较器324的输出是启用信号，且耦合到触发器334的D输入。触发器334的复位输入耦合到由振荡器332产生的信号Q'。如果从比较器324输出的启用信号为高，意味着电压V_{OUT_SNS}小于参考电压V_REF32，那么输出电压V_OUT需要增加。在这种情况下由比较器324产生的高输出(高启用信号)被输入到触发器334的D输入端，这最终将使晶体管Q31导通。因此，当启用信号为高时，触发器334的Q输出与由振荡器332产生的信号Q相同。

触发器334的输出Q被称为OSC信号，且耦合到S/R触发器336的S输入。触发器336的复位输入耦合到OR门340的输出。OR门340的第一输入耦合到振荡器332的Q'输出，且OR门340的第二输入耦合到比较器312的输出。OR门340的第三输入通过反相器342耦合到全功率信号FP，如下所述。驱动器344耦合在触发器336的Q输出和晶体管Q31的栅极之间，并用于驱动栅极导通晶体管Q31。当振荡器332的输出Q'转变为高时，发生使触发器336复位的第一条件，这意味着振荡器332的输出Q为低，因此晶体管Q31应断开。当电压V_I31超过参考电压V_REF31时，发生使触发器336复位的第二条件，这是由流过晶体管T11的初级侧的电流I_T1过量引起的。在这些过量电流情况期间，控制电路310断开晶体管Q31。当全功率信号FP为低时，发生使触发器336复位的第三条件，如下所述。

电源350以电压VDD和电流IDD的形式向控制电路310提供电力。控制电路310耦合到或包含电源管理电路352，电源管理电路352接收由电源350产生的电力并将其分配给控制电路310中的组件。电源管理电路352将电压V_BIAS分配给控制电路310中的某些组件，如本文所述，且其都吸取偏压电流I_BIAS。在控制电路310内的组件不作用时，电源管理电路352减少或消除供应到其的电力，这相对于常规电源提高了电源300的效率。

图5是具有控制电路(有时称为控制器)502并且以不固定的切换频率操作的另一实例电源500的示意图。电源500类似于图3的电源300，除了控制电路310中的组件外，例如图3的振荡器332和D触发器334已经用第一定时器510、第二定时器512和AND门514替换。电源500的剩余组件与电源300相同并使用相同的元件符号。比较器324的输出耦合到AND门514的第一输入，且第二定时器512的Q'输出耦合到AND门514的第二输入。由电源控制电路102产生的全功率信号FP耦合到AND门514的第三输入。AND门514的输出耦合到S/R触发器336的S输入和第一定时器510的时钟输入。第一定时器510的Q输出耦合到OR门340的第一输入，且有时被称为T_{ON_MAX}信号。第一定时器510的Q'输出耦合到第二定时器512的时钟输入。第二定时器512的Q输出在本文中有时称为T_{OFF_MIN}信号，如下文所述。

图6是展示由图5的电源500产生的实例信号的时序图600。图602展示相对于参考电压V_REF32的实例电压V_{OUT_SNS}。如下文所述，响应于电压V_{OUT_SNS}和参考电压V_REF32之间的关系，在控制电路502内产生某些信号。图604展示由比较器324产生的启用信号。如展示，当电压V_{OUT_SNS}小于参考电压V_REF32时，启用信号为高，而当电压V_{OUT_SNS}大于参考电压V_REF32时，启用信号为低。图606展示第一定时器510的Q输出的实例且图608展示第二定时器512的Q输出的实例。第一定时器510的输出Q是信号T_{ON_MAX}且具有被称为MAX_T_ON的高周期。第二定时器512的输出Q是信号T_{OFF_MAX}且具有被称为MIN_T_OFF的高周期。图610展示比较器312的输出的实例，其描绘电流I_T1超过预定值之时。在实例图610中，当比较器312的输出为高时，电流I_T1超过预定值。图612提供晶体管Q31的栅极处的栅极电压V_GATE的实例。当栅极电压V_GATE为高时，晶体管Q31导通电流I_T1。

如时序图600展示，当图604的启用信号为低时，栅极电压V_GATE无法上升。栅极电压V_GATE可在由第一定时器510产生的信号T_{ON_MAX}变为低时完成的循环中保持高电平，但是只要图604所示的启用信号为低，所述电压就无法再次上升。在实例时序图600中，在时间t61处已经满足电流限制，而图604的启用信号为高。所述组合使栅极电压V_GATE下降到零，立即断开晶体管Q31。如在时间t62处的时序图600中进一步展示，当图604的启用信号为低时，停用由图606展示的第一定时器510产生的信号T_{ON_MAX}。在启用信号转变为高之后，由第一定时器510产生的信号T_{ON_MAX}转变为高，使得栅极电压V_GATE转变为高并使电流I_T1流动。

另外参考图3和5，在控制电路310或502不作用的时段期间，从电源350汲取的当前IDD减少。例如，当控制电路310或502将晶体管Q31保持在断开状态时，控制电路310或502内的组件可能并不保持在作用中。因此，控制电路310和502仅汲取当控制电路310和502的唯一功能是将晶体管Q31保持在断开状态并连续感测输出电压V_OUT时所必需的电力。例如，不需要将比较器312保持在作用中，因为当晶体管Q31处于断开状态时没有电流流过晶体管Q31，因此控制电路310和502不需要监控电压V_I11以确定其是否超过电压V_REF31。

图7是描绘图3的电源控制电路102的实例的电路700的示意图。电路700包含耦合到与实际切换频率相关的信号的输入702，其为晶体管Q31的切换频率，例如图3的OSC信号。输入702耦合到定时器704的复位输入和反相器705的输入。反相器705的输出耦合到定时器704的输入和延迟706的输入，延迟706用作抗尖峰脉冲延迟。延迟706的输出和定时器704的Q'输出耦合到AND门710。定时器704、AND门710和相关组件构成图2的频率测量电路200。一旦晶体管Q31导通，定时器704的Q'输出即使尚未低也转变为低，从而开始晶体管Q31的切换周期。在预定时间(由定时器704设定的时间)之后，如果同时另一个晶体管Q31的切换周期尚未开始，那么定时器输出Q'转变为高。如果没有开始切换周期，那么意味着OSC信号为低，反相器705的输出为高，且抗尖峰脉冲延迟706的输出为高，并且定时器的输出Q'为高。

AND门710的输出耦合到D触发器720的时钟输入。触发器720的复位输入耦合到启用信号，且D输入耦合到逻辑一电压。触发器720的Q输出是低功率信号LP，其指示图3的电源300的组件可进入低功率模式。触发器720的Q'输出耦合到延迟722和AND门724的第一输入。AND门724的第二输入耦合到延迟722的输出。由延迟722和AND门724形成的逻辑电路确保当触发器720输出的低功率信号LP转变为高时，全功率信号FP按延迟转变为高。当触发器720输出的低功率信号LP转变为低时，其立即变低，没有延迟。AND门724的输出是全功率信号FP，其指示电源300的所有组件将以全功率操作。如本文详细描述，FP和LP信号用在电源300中。

图8是电路800的示意图，其为具有可施加到图5的电源500的不同输入的图7的电路700的变形，其具有可变切换频率。电路800包括NOR门802，代替图7的反相器705。NOR门802的输入耦合到T_{OFF_MIN}和T_{ON_MAX}信号，因此如果切换信号有效，那么NOR门802的输出为高。定时器704的复位输入耦合到T_{ON_MAX}信号。电路800以与图7的电路700相同的方式起作用，但使用不同的输入信号。

图9是描绘图3的电源控制电路102的实例的电路900的示意图。总之，电路900将由OSC信号表示的实际切换频率转换为可由电路900处理的信号。电路900分析实际切换频率以及振荡器和启用信号的状态，以设置全功率信号FP和低功率信号LP的状态。电路900包含耦合到振荡器信号OSC的输入902，其是图3的触发器334的Q输出或产生实际切换频率的装置。输入902耦合到切换电路904，其包含电压源V91，反相器908，以及第一开关SW91和第二开关SW92。当第二开关SW92闭合时，反相器908使第一开关SW91断开，反之亦然。切换电路904具有耦合在开关SW91和SW92之间的输出节点N91。

节点N91耦合到低通滤波器910的输入。低通滤波器910的输出是与实际切换频率成比例的电压V_FSW，并且耦合到比较器914的输入。通过比较器914将电压V_FSW与电压V_{FSW_LP}进行比较。电压V_{FSW_LP}是与电路900产生低功率LP信号的实际切换频率的下限成比例的电压。比较器914的输出耦合到AND门918的第一输入。AND门918的第二输入通过反相器920耦合到OSC信号。AND门918的输出耦合到D触发器720的时钟输入。触发器720的输出耦合到参考图7和8描述的电路。

输入902接收以实际切换频率操作的OSC信号，所述OSC信号耦合到开关SW91和反相器908的控制器，反相器908耦合到开关SW92。开关SW91和SW92以实际切换频率切换，产生具有节点N91处的电压V91的振幅的实际切换频率的复制品。节点N91耦合到低通滤波器910的输入，其将实际切换频率转换为电压V_FSW。电压V_FSW输入到比较器914，其中将电压V_FSW与电压V_{FSW_LP}进行比较。如果电压V_FSW小于电压V_{FSW_LP}，那么比较器914将逻辑一输出到AND门918。当OSC信号是逻辑零时，AND门918的另一个输入是逻辑一，意味着图3的晶体管Q31并不传导电流I_T1。因此，当实际切换频率低于由电压V_{FSW_LP}设定的预定值并且晶体管Q31未被设定为导通时，AND门918将仅输出逻辑一。

AND门918的输出耦合到D触发器720的时钟输入，其以与参考图7所述的相同方式起作用。因此，当启用信号为低(指示图3的输出电压V_OUT(或电压V_{OUT_SNS})大于参考电压V_REF32)且AND门918的输出是逻辑一时，产生低功率信号LP。

图10是电路1000的示意图，其为图9的电路900的变型。电路1000接收T_{ON_MAX}和T_{OFF_MIN}信号而不是电路900接收的OSC信号。电路1000具有耦合到T_{ON_MAX}信号的输入1002。输入1002耦合到切换电路904，其以与参考图9描述的相同方式起作用。电路1000包含NOR门1004，其耦合到AND门918的输入以代替图9的反相器920。NOR门1004的一个输入耦合到T_{0FF_MIN}信号，且另一输入耦合到T_{ON_MAX}信号。NOR门1004响应于T_{OFF_MIN}信号和T_{ON_MAX}信号都为低而输出逻辑一。电路1000的剩余部分以与图9的电路900相同的方式起作用。

参考图3，现在将描述施加到电源300的电源控制电路102。电源控制电路102接收OSC信号作为触发器334的Q输出和由比较器324产生的启用信号。基于上文的描述，电源控制电路102产生全功率信号FP和低功率信号LP。全功率信号FP通过反相器342耦合到OR门340，以免触发触发器336的复位信号，除非全功率信号FP为低。低功率信号LP耦合到电源管理电路352，其中其使电源管理电路352从电源300内的某些组件移除偏压电压。从组件移除偏压电压显着降低由控制电路310汲取的电流IDD。

参考图5，现在将进一步描述电源控制电路502。电源控制电路502接收T_{ON_MAX}和T_{OFF_MIN}信号和由比较器324产生的启用信号。基于上文的描述，电源控制电路502产生全功率信号FP和低功率信号LP。全功率信号FP耦合到AND门514的输入，以在控制电路502驱动晶体管Q31时需要全功率信号FP为高。低功率信号LP耦合到电源管理电路352，其中其使电源管理电路352从电源500内的某些组件移除偏压电压。

参考图7到10的延迟722，其相对于低功率信号LP延迟全功率信号FP。当电源100/300以低切换频率工作且满足其它条件(如输出电压V_OUT(或电压V_{OUT_SNS})大于参考电压V_REF32)时，低功率信号LP关闭某些组件。当信号LP变低时，上述组件导通。不幸的是，导通这些组件需要一些时间才能使用。当全功率信号FP为高时启动切换，这发生在从低功率信号LP转变为低的时间起由延迟722设定的延迟之后。全功率信号FP信号不会导通在低功耗模式下被停用的组件，而是指示在低功耗模式下被停用的所有组件现在都完全可操作，因此可启用切换。延迟722防止在完全启用或激活其它组件之前发生切换。如果电路以高切换频率工作，那么组件需要以与导通这些组件所需的时间相比过高的速率导通和断开。因此，仅在切换频率低时断开上述组件。

图11是说明用于操作配合如本文描述的开/关控制操作的切换电源的控制器的方法的流程图1100。在步骤1102，测量控制器的切换频率。在步骤1104测量电源的输出电压。步骤1106包含响应于切换频率小于预定切换频率且输出电压小于预定输出电压而停用控制器中的至少一个组件。

在所描述实施例中的修改是可能的，且在权利要求书的范围内的其它实施例是可能的。

Claims (17)

1.一种用于切换电源的控制器，所述控制器包括：

比较电路，其可操作以将用于所述切换电源的切换频率与预定切换频率进行比较；

电压测量电路，其可操作以测量所述切换电源的输出电压；及

停用电路，其可操作以响应于所述切换频率小于所述预定切换频率且所述输出电压大于预定输出电压而停用所述切换电源中的至少一个组件。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述比较电路包括：

定时器，其具有经耦合以接收具有所述切换频率的振荡信号的复位输入，及反相输出；及

AND门，其具有耦合到所述反相输出的第一输入，经耦合以接收所述振荡信号的反相版本的第二输入，及输出。

3.根据权利要求2所述的控制器，其中所述比较电路包括：

反相器，其具有经耦合以接收所述振荡信号的输入，及反相器输出；及

延迟组件，其耦合在所述反相器输出及所述AND门的所述第二输入之间。

4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述比较电路包含比较器，所述比较器具有经耦合以接收与所述切换频率相关的第一信号的第一输入和经耦合以接收与所述预定切换频率相关的第二信号的第二输入。

5.根据权利要求1所述的控制器，其中所述比较电路包括：

定时器，其具有经耦合以接收与所述切换电源的接通时间相关的第一信号的复位输入，及反相输出；及

AND门，其具有耦合到所述反相输出的第一输入，经耦合以接收与所述切换电源的所述接通时间及关断时间相关的第二信号的第二输入，及输出。

6.根据权利要求5所述的控制器，其中所述比较电路包括：

NOR门，其具有经耦合以接收所述第一信号的第一输入，经耦合以接收与所述切换电源的所述关断时间相关的第三信号的第二输入，及经配置以输出所述第二信号的输出；及

延迟组件，其在所述NOR门的所述输出及所述AND门的所述第二输入之间耦合。

7.一种用于操作切换电源的控制器的方法，所述切换电源以切换频率的开/关控制方法操作，所述方法包括：

测量所述控制器的所述切换频率；

测量所述切换电源的输出电压；及

响应于所述切换频率小于预定切换频率且所述输出电压大于预定输出电压，停用所述控制器中的至少一个组件。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述控制器包含开关，所述开关在传导时段期间传导且在其它时段期间不传导；且其中所述停用包含在所述其它时段期间停用通过所述开关的电流。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述开关是切换晶体管，且其中停用所述开关包含停用所述切换晶体管的栅极电流。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述开关是切换晶体管，且其中停用所述开关包含停用通过所述切换晶体管的所有电流。

11.根据权利要求7所述的方法，其中测量所述控制器的所述切换频率包括将所述控制器的平均切换频率转换为切换信号，并将所述切换信号与和所述预定切换频率相关的信号进行比较。

12.一种切换电源，其包括：

振荡器，其可操作以产生切换频率的参考；

开关，其响应于所述切换频率打开和关闭，其中所述开关传导电流以产生所述切换电源的输出电压；

比较电路，其可操作以将所述开关的所述切换频率与预定切换频率进行比较；

电压测量电路，其可操作以测量所述切换电源的输出电压；及

停用电路，其可操作以响应于所述切换频率小于所述预定切换频率且所述输出电压大于预定输出电压而停用所述切换电源中的至少一个组件。

13.根据权利要求12所述的电源，其中所述比较电路包括：

定时器，其具有经耦合以接收具有所述切换频率的振荡信号的复位输入，及反相输出；及

AND门，其具有耦合到所述反相输出的第一输入，经耦合以接收所述振荡信号的反相版本的第二输入，及输出。

14.根据权利要求13所述的电源，其中所述比较电路包括：

反相器，其具有经耦合以接收所述振荡信号的输入，及反相器输出；及

延迟组件，其耦合在所述反相器输出及所述AND门的所述第二输入之间。

15.根据权利要求12所述的电源，其中所述比较电路包含比较器，所述比较器具有经耦合以接收与所述切换频率相关的第一信号的第一输入和经耦合以接收与所述预定切换频率相关的第二信号的第二输入。

16.根据权利要求12所述的电源，其中所述比较电路包括：

定时器，其具有经耦合以接收与所述切换电源的接通时间相关的第一信号的复位输入，及反相输出；及

AND门，其具有耦合到所述反相输出的第一输入，经耦合以接收与所述切换电源的所述接通时间及关断时间相关的第二信号的第二输入，及输出。

17.根据权利要求16所述的电源，其中所述比较电路包括：

NOR门，其具有经耦合以接收所述第一信号的第一输入，经耦合以接收与所述切换电源的所述关断时间相关的第三信号的第二输入，及经配置以输出所述第二信号的输出；及

延迟组件，其耦合在所述NOR门的所述输出及所述AND门的所述第二输入之间。

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