CN110311538B - 电流模式控制方式的开关模式供电装置及其信号产生方法 - Google Patents

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Abstract

涉及改进的EPCM方式的开关模式供电装置及信号产生方法，开关模式供电装置包括：电感器，用于存储能量；多个开关元件，与电感器连接；误差放大器，接收输出电压放大与参考电压的差；斜坡补偿部，基于输入电压和输出电压之差，输出斜坡补偿信号；电流感应部，用于感测流过电感器的电流；采样保持电路，与电流感应部连接；比较器，比较加算斜坡补偿部和采样保持电路的输出的斜坡信号和误差放大器的输出电压，其包括：开关控制电路，根据上升反转流过电感器的电流的第一时钟和比较器的输出值控制开关元件的开关；时钟发生器，生成并输出第一时钟，以流过电感器的电流上升反转之前使斜坡信号增加的方式生成第二时钟并施加到采样保持电路和斜坡补偿部。

Description

电流模式控制方式的开关模式供电装置及其信号产生方法
技术领域
本发明涉及一种开关模式供电装置，尤其涉及一种改进的EPCM(Emulated-Peak-Current-Mode)方式的开关模式供电装置以及在其装置上的信号产生方法。
背景技术
在电子通信设备中提供稳定的电力的供电装置是系统的最基本部分，作为这样的供电装置积极地研究如DC-DC转换器等的开关模式供电装置。
开关模式供电装置是通过开关的反复导通及关断动作以及过滤器来取得直流电流的装置，有各种控制方法来实现小型化、轻量化及节省生产费用。
作为开关模式供电装置的控制方式大致有电压模式控制和电流模式控制，电流模式控制与使用PWM控制占空比的电压模式控制不同，是用预定频率的时钟导通开关，当开关电流或电感电流达到设定值的瞬间切断开关的控制方式。
并且，具有在电流模式控制方式中，峰值电流模式(也称为Peak-Current-Mode：PCM)可通过限制控制电源的最大值来直接控制开关元件的最大电流，从而容易保护变换器的过电流，在并列运行时容易分配每个变换器的电流的优点。除了这些优点之外，因反应速度快且容易补偿的特性，通常设计开关模式供电装置时设计成利用电流模式控制方式而不是电压模式控制方式。
然而，由于峰值电流模式的特性，在占空比(duty)区间也产生如图1所示的前沿尖峰(leading-edge spike)。图1所示的波形示出了包括在适用通常的PCM时产生的前沿尖峰的感测电压，并且因所述前沿尖峰可能会发生误动作，因此，如在斜坡信号(RAMP_SUM)去除前沿尖峰区域(传统的PCM方法)，防止误动作。
然而，由于相应于被去除的区域会失去控制区间，因此在占空区域中的控制时间减少，并且，在占空比小的区域(Min.duty)中难以正常动作。
作为解决这种问题即因前沿尖峰引起的误动作，在占空比小的区域中也正常动作的方法，介绍了EPCM(Emulated-Peak-Current-Mode)。是一种在EPCM中，如图1所示的第二个斜坡信号(RAMP_SUM)，通过产生包括波形的前沿尖峰区域的模拟波形，而生成没有前沿尖峰的波形的方法。
利用EPCM时，防止因前沿尖峰引起的误动作，并恢复由前沿尖峰消除的区域，相对于PCM可扩大驱动范围，但是，因属于电流模式控制部的比较器、开关驱动器的传播延迟，如图2所示，控制区域只能缩小。
即，即使使用EPCM，随着接近占空比小的区域(min.duty)，传播延迟引起的影响变大，并且，若传播延迟没有减小到最小，则会引起误动作。此时，可以增加电流或者改变结构来最小化传播延迟，但是在这种情况下，会发生电路设计的复杂性增加，并且因电流增加而导致的效率降低的问题。
【在先技术文件】
【专利文件】
(专利文件1)美国授权专利07936160号
发明内容
本发明是为了解决上述的问题而提出的，本发明的目的在于，提供一种在EPCM(Emulated-Peak-Current-Mode)方式中能够防止因传输延迟而引起的误动作的改进的形态的电流模式控制方式的开关模式供电装置以及在该装置上的信号产生方法。
进一步，本发明的其他目的在于，提供一种容易设计、不需要使用额外电流来减少传播延迟的EPCM方式的开关模式供电装置以及在该装置上的信号产生方法。
为了解决上述的技术课题，根据本发明的实施例的电流模式控制方式的开关模式供电装置，包括：电感器，用于存储能量；多个开关元件，与所述电感器相连接；误差放大器，接收输出电压放大与参考电压的差；斜坡补偿部，基于输入电压和输出电压之间的差，输出斜坡补偿信号；电流感应部，用于感测流过所述电感器的电流；采样保持电路，与所述电流感应部相连接；比较器，用于比较加算所述斜坡补偿部和所述采样保持电路的输出的斜坡信号和所述误差放大器的输出电压，其特征在于，包括：开关控制电路，根据用于上升反转流过所述电感器的电流的第一时钟和所述比较器的输出值控制所述开关元件的开关；以及时钟发生器，生成并输出所述第一时钟，以流过所述电感器的电流上升反转之前使所述斜坡信号增加的方式生成第二时钟并施加到所述采样保持电路和斜坡补偿部。
而且，上述结构的开关模式供电装置，其特征在于，进一步包括与所述电感器和所述开关元件的共同连接节点所连接的用于抑制噪声的缓冲电容器。
而且，上述结构的开关模式供电装置，其特征在于，所述时钟发生器生成并输出用于对在流过所述电感器的电流下降的区间的电流采样及保持的第二时钟，然后生成并输出所述第一时钟。
上述结构的开关模式供电装置中，所述开关控制电路，包括：开关驱动器，用于控制所述开关元件的开关；以及触发器，所述第一时钟和所述比较器的输出分别与设置端和重设端连接。
而且，上述结构的开关模式供电装置，其特征在于，所述电流模式控制方式的开关模式供电装置为升压变换器、降压变换器、降压-升压变换器中的一个。
为了解决在电流模式控制方式的开关模式供电装置中因开关驱动器和比较器发生的传播延迟问题，所述电流模式控制方式的开关模式供电装置，包括：电感器，用于存储能量；多个开关元件，与所述电感器相连接；误差放大器，接收输出电压放大与参考电压的差；斜坡补偿部，基于输入电压和输出电压之间的差，输出斜坡补偿信号；电流感应部，用于感测流过所述电感器的电流；采样保持电路，与所述电流感应部相连接；以及比较器，用于比较加算所述斜坡补偿部和所述采样保持电路的输出的斜坡信号和所述误差放大器的输出电压，其特征在于，包括：控制所述开关元件的开关使得根据所述比较器的输出值控制所述开关元件的开关，或者按照预定时间使流过所述电感器的电流上升反转的步骤；以在流过所述电感器的电流上升反转之前使所述斜坡信号增加的方式，生成用于采样及保持所述电流感应部的输出的脉冲并施加到所述采样保持电路及斜坡补偿部的步骤。
发明效果
为了在占空比小的区域(Mim，duty)驱动，当适用EPCM时，由于误差放大器的输出(EA_OUT)在斜坡信号(RAMP_OUT)的斜坡区域不相交，因此，误差放大器的输出(EA_OUT)被降低到地电平以进行比较，但是，本发明中斜坡信号(RAMP_SUM)的产生时点提前到电感器L的电流的下降区间，结果，误差放大器的输出(EA_OUT)在斜坡信号(RAMP_OUT)的斜坡区域相交确保稳定的动作。
因此，本发明具有可以消除在通常的PCM(峰值电流模式)中可能发生的前沿尖峰，并且克服因在通常的EPCM中因比较器和开关驱动器引起的传播延迟而产生最小占空比的限界的缺点，结果，即使是在占空比小(Min.duty)的区域中也能正常动作的优点。
附图说明
图1及图2是用于说明通常的PCM或EPCM方式的开关模式供电装置上出现的问题的信号波形示例图。
图3是根据本发明的一实施例的电流模式控制方式的开关模式供电装置的电路结构示例图。
图4及图5是用于说明图3所示的开关模式供电装置的动作的信号波形示例图。
图6及图7是根据本发明的其他实施例的电流模式控制方式的开关模式供电装置的电路结构示例图。
具体实施方式
以下，参考附图详细说明本发明的优选实施例。在说明本发明的过程中，在判断为对于与本发明相关的公知功能或结构的具体说明使本发明的主旨不清楚的情况下，将省略对其的详细说明。
首先，图3是根据本发明的一实施例的电流模式控制方式的开关模式供电装置的电路结构示例图，更具体而言，图示升压变换器(Boost Converter)的电路结构图。
如图3所示，根据本发明的一实施例的电流模式控制方式的开关模式供电装置，包括：电感器L，与输入电源(VIN)连接，通过后述的开关元件SW1、SW2的开关动作存储能量；开关元件SW1、SW2，连接于所述电感器L的一侧，通过后述的开关驱动器132进行开关动作。
通过共同连接端LX连接到所述电感器L，并且，相互并联连接的所述开关元件SW1、SW2可由功率晶体管体现，以当一个开关元件接通时，另一个开关元件以关闭的方式进行开关动作。
除了所述结构之外，根据本发明的实施例的电流模式控制方式的开关模式供电装置，包括：误差放大器(E/A)，接收输出电压(VOUT)放大与参考电压(VREF)之差；斜坡补偿部105，基于输入电压(VIN)与输出电压(VOUT)之间的差，输出斜坡补偿信号；电流感应部110，与共同连接端LX相连接，用于感测流过所述电感器L的电流；采样保持电路115，根据从后述的时钟发生器134输出的第二时钟(CLK1)的输入，对所述电流感应部110的输出进行采样并保持。
对所述第二时钟(CLK1)优选理解为新增加的形态的脉冲信号使得在所述电感器L中流动的电流离开下降区间上升反转之前使从后述的加算器120输出的斜坡信号(RAMP_SUM)增加。
作为参考，当流过电感器L的电流离开下降区间上升反转之前，即流过电感器L的电流的下降区间使所述斜坡信号(RAMP_SUM)增加时，在电感器的电流增加(具有右上斜坡)之前产生虚拟电感器感应电压(仿真电感器波形)，以抵消因比较器125和开关驱动器132引起的传播延迟。对此将在图4及图5中更详细地描述。
一方面，根据本发明的实施例的电流模式控制方式的开关模式供电装置，除了上述的结构以外，还包括：控制电路，根据用于上升反转流过所述电感器L的电流的第一时钟(CLK2)和所述比较器125的输出值控制所述开关元件SW1、SW2的开关；
时钟发生器134，生成并输出所述第一时钟(CLK2)，并生成第二时钟(CLK1)使得在流过所述电感器L的电流上升反转之前增加所述斜坡信号(RAMP_SUM)，并施加到所述采样保持电路115及斜坡补偿部105。
所述时钟发生器134生成并输出用于采样及保持流过所述电感器L的电流下降的区间的电流的所述第二时钟(CLK1)之后生成并输出所述第一时钟(CLK2)，从而，流过电感器L的电流的下降区间使所述斜坡信号(RAMP_SUM)增加，在电感器的电流增加之前可以生成虚拟的电感器感应电压(仿真电感器波形)。
更具体而言，所述开关控制电路，包括：开关驱动器132，用于控制所述开关元件SW1、SW2的开关；以及RS触发器136，所述第一时钟(CLK2)和所述比较器125的输出分别连接于设置端及重设端。
虽未图示，除了所述结构之外，还可以进一步包括用于抑制噪声的缓冲电容器来构成电流模式控制方式的开关模式供电装置，所述用于抑制噪声的缓冲电容器连接于所述电感器L和所述开关元件SW1、SW2的共同连接节点(LX)。
下面，敷衍说明包括所述结构的电流模式控制方式的开关模式供电装置的动作。
作为参考，图4及图5是用于说明图3所示的开关模式供电装置的动作的信号波形图的示例图。
首先，图4中ILX，VLX分别表示图3中流过电感器L的电流和施加到所述电感器L和开关元件SW1、SW2所连接的共同连接节点LX的电压。
通过开关驱动器132，开关元件SW1成为导通状态、开关元件SW2成为关断状态时，流过电感器L的电流(ILX)上升，相反，开关元件SW1成为关断状态、开关元件SW2成为导通状态时，流过电感器L的电流(ILX)下降。
如图4所示，流过电感器L的电流下降的区间即流过电感器L的电流被第一时钟(CLK2)上升反转之前生成第二时钟(CLK1)向采样保持电路115和斜坡补偿部105输出，则在采样保持电路115通过电流感应部110感测流过电感器L的电流，保持并输出该值。
通过加算器120加算在斜坡补偿部105输出的值和在采样保持电路115输出的值并输出，如图4及5所示，在第二时钟(CLK1)上升的区间，斜坡信号(RAMP_SUM3)开始增加。图4示出斜坡信号(RAMP_SUM1)在通常的电流控制模式中的斜坡信号波形，示出斜坡信号(RAMP_SUM2)在EPCM模式中的斜坡信号波形。这些都是通过第一时钟(CLK2)在采样保持电路通过电流感应部感测流过电感器L的电流保持并输出，因此，斜坡信号(RAMP_SUM)增加的时点相较于本发明的实施例相对延迟。
一方面，如图5所示，根据本发明的斜坡信号(RAMP_SUM3)开始增加具有比误差放大器的输出电压(EA_OUT)大的值(交叉点)，则在该交叉点从比较器125输出用于重设RS触发器136的信号(COMP_OUT：斜线部分)，结果得到减小传播延迟的效果(抵消因传播延迟而引起的损失的效果)，并生成稳定的输出电压。
作为参考，为了稳定操作，斜坡信号(RAMP_SUM)的波形必须在线性增加的区间与误差放大器的输出进行比较，而不是地电平或斜度(slope)非常陡的边缘部分处进行比较。
通常，为了相对于输入电压(VIN)获得所需输出电压(VOUT)，必须满足占空比。在电感器的电流连续流动的区域(CCM：Continuous Conduction Mode)的升压变换器的占空比与
Figure GDA0002903106660000071
相同。
因此，假设发生传播延迟，必须在满足占空比的时点以前比较斜坡信号(RAMP_SUM)和误差放大器的输出(EA_OUT)，因此，如图5所示，根据本发明的实施例的改进形态的电流模式控制方式的开关模式供电装置生成第二时钟(CLK1)使得斜坡信号在流过电感器L的电流上升反转之前增加，并将时钟(CLK1)施加到采样保持电路115和斜坡补偿部105以增加斜坡信号(RAMP_SUM3)，如图5所示，输出在满足占空比的时点以前，比较器125比较斜坡信号(RAMP_SUM)和误差放大器的输出(EA_OUT)而输出用于重设RS触发器136的信号(COMP_OUT)。
即当适用通常的EPCM时，由于误差放大器的输出(EA_OUT)在斜坡信号(RAMP_OUT)的斜坡区域中不相交，因此，误差放大器的输出(EA_OUT)被降低到地电平以进行比较，但是，本发明中斜坡信号(RAMP_SUM3)的产生时点提前到电感器L的电流的下降区间，结果，误差放大器的输出(EA_OUT)在斜坡信号(RAMP_OUT3)的斜坡区域相交确保稳定的动作。
因此，本发明具有可以消除在通常的PCM(Peak-Current-Mode)中可能发生的前沿尖峰，并且克服因在通常的EPCM中由比较器和开关驱动器引起的传播延迟而产生最小占空比的限界的缺点，如图5所示，即使在占空比小(Min.duty)的区域中也能正常动作的优点。
图6及图7示出了根据本发明的其他实施例的电流模式控制方式的开关模式供电装置的电路结构图，图6作为开关模式供电装置的一例示出对降压变换器的电路图，图7示出了降压-升压变换器的电路图。
如图6及7所示的变换器，如图4所示，也包括：电感器L，用于存储能量；多个开关元件SW1、SW2，与所述电感器L相连接；误差放大器125，接收输出电压放大与参考电压的差；斜坡补偿部105，基于输入电压和输出电压之间的差，输出斜坡补偿信号；电流感应部110，用于感测流过所述电感器L的电流；采样保持电路115，与所述电流感应部110相连接；比较器125，用于比较加算所述斜坡补偿部105和所述采样保持电路115的输出的斜坡信号(RAMP_SUM)和所述误差放大器的输出电压(EA_OUT)，包括：开关控制电路，根据用于上升反转流过所述电感器L的电流的第一时钟(CLK2)和所述比较器125的输出值(COMP_OUT)控制所述开关元件SW1、SW2的开关；以及时钟发生器134，输出所述第一时钟(CLK2)，以在流过所述电感器L的电流上升反转之前使所述斜坡信号(RAMP_OUT)增加的方式生成第二时钟(CLK1)并施加到所述采样保持电路115和斜坡补偿部105。
所述开关控制电路，也包括：开关驱动器132，用于控制所述开关元件SW1、SW2的开关；RS触发器136，所述第一时钟(CLK2)和所述比较器125的输出分别与设置端及重设端连接。
包括所述结构的降压变换器或降压-升压变换器，如图3所示的升压变换器，以使得在流过电感器L的电流上升反转之前使斜坡信号增加的方式生成第二时钟(CLK1)并施加到采样保持电路115及斜坡补偿部105，以增加斜坡信号(RAMP_SUM3)，如图5所示，在满足占空比的时点以前，比较器125比较斜坡信号(RAMP_SUM)和误差放大器的输出(EA_OUT)而输出用于重设RS触发器136的信号(COMP_OUT)。
因此，具有适用本发明的降压变换器或降压-升压变换器可以去除在通常的PCM(Peak-Current-Mode)中可能发生的前沿尖峰，并且克服在通常的EPCM中因比较器和开关驱动器引起的传播延迟而产生最小占空比的限界的缺点，从而，如图5所示，即使是在占空比小(Min.duty)的区域也能正常动作的优点。
以上参考图示实施例进行了说明，但应理解这些只是例示而已，本领域的技术人员可由此执行多样的变形及均等的其他的实施例。
例如，以上实施例中说明了具备在不同的时间产生第一时钟(CLK2)及第二时钟(CLK1)的时钟发生器134来提前斜坡信号(RAMP_OUT3)的上升区间来抵消传播延迟的开关模式供电装置的结构，但是，在电流模式控制方式的开关模式供电装置的信号产生方法中，电流模式控制方式的开关模式供电装置，包括：电感器，用于存储能量；多个开关元件，与所述电感器相连接；误差放大器，接收输出电压放大与参考电压的差；斜坡补偿部，基于输入电压和输出电压之间的差，输出斜坡补偿信号；电流感应部，用于感测流过所述电感器的电流；采样保持电路，与所述电流感应部相连接；以及比较器，用于比较加算所述斜坡补偿部和所述采样保持电路的输出的斜坡信号和所述误差放大器的输出电压，控制所述开关元件的开关使得根据所述比较器的输出值控制所述开关元件的开关，或者按照预定时间使流过所述电感器的电流上升反转，以在流过所述电感器的电流上升反转之前使所述斜坡信号增加的方式生成用于采样及保持所述电流感应部的输出的脉冲(例如，时钟脉冲)并施加到所述采样保持电路及斜坡补偿部，可以以此方式提前斜坡信号(RAMP_OUT3)的上升区间抵消传播延迟。因此，本发明的真正的技术保护范围应仅由权利要求范围而定。

Claims (5)

1.一种电流模式控制方式的开关模式供电装置，包括：
电感器，用于存储能量；
多个开关元件，与所述电感器相连接；
误差放大器，接收输出电压放大与参考电压的差；
斜坡补偿部，基于输入电压和输出电压之间的差，输出斜坡补偿信号；
电流感应部，用于感测流过所述电感器的电流；
采样保持电路，与所述电流感应部相连接；以及
比较器，用于比较加算所述斜坡补偿部和所述采样保持电路的输出的斜坡信号和所述误差放大器的输出电压，
其特征在于，包括：
开关控制电路，根据用于上升反转流过所述电感器的电流的第一时钟和所述比较器的输出值控制所述开关元件的开关；以及
时钟发生器，生成并输出所述第一时钟，以流过所述电感器的电流上升反转之前使所述斜坡信号增加的方式生成第二时钟并施加到所述采样保持电路和斜坡补偿部。
2.根据权利要求1所述的电流模式控制方式的开关模式供电装置，其特征在于，
进一步包括与所述电感器和所述开关元件的共同连接节点所连接的用于抑制噪声的缓冲电容器。
3.根据权利要求1所述的电流模式控制方式的开关模式供电装置，其特征在于，
所述时钟发生器生成并输出用于对在流过所述电感器的电流下降的区间的电流采样及保持的第二时钟，然后生成并输出所述第一时钟。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电流模式控制方式的开关模式供电装置，其特征在于，
所述电流模式控制方式的开关模式供电装置为升压变换器、降压变换器、降压-升压变换器中的一个。
5.一种电流模式控制方式的开关模式供电装置的信号产生方法，所述电流模式控制方式的开关模式供电装置包括：
电感器，用于存储能量；
多个开关元件，与所述电感器相连接；
误差放大器，接收输出电压放大与参考电压的差；
斜坡补偿部，基于输入电压和输出电压之间的差，输出斜坡补偿信号；
电流感应部，用于感测流过所述电感器的电流；
采样保持电路，与所述电流感应部相连接；以及
比较器，用于比较加算所述斜坡补偿部和所述采样保持电路的输出的斜坡信号和所述误差放大器的输出电压，
其特征在于，包括：
根据用于上升反转流过所述电感器的电流的第一时钟和所述比较器的输出值控制所述开关元件的开关的步骤；
以流过所述电感器的电流上升反转之前使所述斜坡信号增加的方式生成第二时钟并施加到所述采样保持电路和斜坡补偿部的步骤。
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