CN111431377A - 电压差分采样电路及开关变换器的控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电压差分采样电路及开关变换器的控制电路，所述电压差分采样电路包括：双路差分采样电路，每路采样走线的输入端连接电压采样点，以对电压采样点进行差分采样；频率补偿模块，包括第一频率补偿电路和第二频率补偿电路，第一频率补偿电路连接第一采样走线，第二频率补偿电路连接第二采样走线，用于消除两路采样走线采集到的电压信号中的高频振荡信号；第一电压跟随器，输入端连接第一采样走线；第二电压跟随器，输入端连接第二采样走线；差分运算电路，用于对两个电压跟随器输出的电压信号进行减法运算后将运算结果输出。本发明设置频率补偿模块以衰减高频分量，并通过电压跟随器进行缓冲和隔离，最终得到消除了共模噪声的电压信号。

Description

电压差分采样电路及开关变换器的控制电路

技术领域

本发明涉及电压采样，特别是涉及一种电压差分采样电路及开关变换器的控制电路。

背景技术

采样电路是在模拟电路中涉及反馈环路时必不可少的环节，在开关电源设计中尤为重要。随着电力电子领域的飞速发展，高可靠性和高功率密度成为衡量开关变换器的重要指标。需要将采样的电压输入误差放大器，通过误差放大器输出的误差信号调节环路得到稳定的输出结果。

开关电源设计中常用的采样方式是通过两个采样电阻分压来得到采样电压。但这种做法的稳定性十分有限，准确性较差，容易影响环路控制。

发明内容

基于此，有必要提供一种具有更好的稳定性与精确性的电压差分采样电路及开关变换器的控制电路。

一种电压差分采样电路，包括：双路差分采样电路，包括两路采样走线，每路采样走线的输入端用于连接电压采样点，以对所述电压采样点进行差分采样；频率补偿模块，包括第一频率补偿电路和第二频率补偿电路，所述第一频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第一采样走线，所述第二频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第二采样走线，用于消除所述两路采样走线采集到的电压信号中的高频振荡信号；第一电压跟随器，输入端连接所述第一采样走线以获取采样到的电压信号；第二电压跟随器，输入端连接所述第二采样走线以获取采样到的电压信号；差分运算电路，所述差分运算电路的第一输入端连接第一电压跟随器的输出端，所述差分运算电路的第二输入端连接第二电压跟随器的输出端，所述差分运算电路用于对两个电压跟随器输出的电压信号进行减法运算后将运算结果输出。

在其中一个实施例中，所述第一采样走线包括相互串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电压跟随器的输入端连接所述第一电阻和第二电阻的连接点，所述第一电阻的另一端用于连接所述电压采样点，所述第二电阻的另一端用于连接第一电位点；所述第二采样走线包括相互串联的第三电阻和第四电阻，所述第二电压跟随器的输入端连接所述第三电阻和第四电阻的连接点，所述第三电阻的另一端用于连接所述电压采样点，所述第四电阻的另一端用于连接所述第一电位点；电阻值满足公式R2R3≠R1R4；其中R1为第一电阻的电阻值，R2为第二电阻的电阻值，R3为第三电阻的电阻值，R4为第四电阻的电阻值。

在其中一个实施例中，所述第一频率补偿电路包括与所述第二电阻并联的第一电容，所述第二频率补偿电路包括与所述第四电阻并联的第二电容。

在其中一个实施例中，所述第三电阻的电阻值与第二电容的电容值的乘积与第一电阻的电阻值与第一电容的电容值的乘积趋于一致。

在其中一个实施例中，所述第二电阻的阻抗大于所述第一电容的阻抗，所述第四电阻的阻抗大于所述第二电容的阻抗。

在其中一个实施例中，所述第一采样走线上的寄生电感的电感值与所述第三电阻的电阻值的乘积与所述第二采样走线上的寄生电感的电感值与所述第一电阻的电阻值的乘积趋于一致。

上述电压差分采样电路，设置频率补偿模块来大幅度衰减高频分量从而实现补偿频率，并通过电压跟随器进行缓冲和隔离，最终得到消除了共模噪声的电压信号，该电压信号能够反映电压采样点的电压。

一种开关变换器的控制电路，包括电压差分采样电路和PWM模块，所述PWM模块用于根据所述电压差分采样电路的输出对所述开关变换器进行环路补偿控制，所述电压差分采样电路包括：双路差分采样电路，包括两路采样走线，每路采样走线的输入端用于连接所述开关变换器的输出端，以对所述开关变换器的输出电压进行差分采样；频率补偿模块，包括第一频率补偿电路和第二频率补偿电路，所述第一频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第一采样走线，所述第二频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第二采样走线，用于消除所述两路采样走线采集到的电压信号中的高频振荡信号；第一电压跟随器，输入端连接所述第一采样走线以获取采样到的电压信号；第二电压跟随器，输入端连接所述第二采样走线以获取采样到的电压信号；差分运算电路，所述差分运算电路的第一输入端连接第一电压跟随器的输出端，所述差分运算电路的第二输入端连接第二电压跟随器的输出端，所述差分运算电路用于对两个电压跟随器输出的电压信号进行减法运算后将运算结果通过差分运算电路的输出端输出。

在其中一个实施例中，所述第一采样走线包括相互串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电压跟随器的输入端连接所述第一电阻和第二电阻的连接点，所述第一电阻的另一端用于连接所述开关变换器的输出正端，所述第二电阻的另一端用于连接所述开关变换器的输出地端；所述第二采样走线包括相互串联的第三电阻和第四电阻，所述第二电压跟随器的输入端连接所述第三电阻和第四电阻的连接点，所述第三电阻的另一端用于连接所述输出正端，所述第四电阻的另一端用于连接所述输出负端；电阻值满足公式R2R3≠R1R4；其中R1为第一电阻的电阻值，R2为第二电阻的电阻值，R3为第三电阻的电阻值，R4为第四电阻的电阻值；所述第一频率补偿电路包括与所述第二电阻并联的第一电容，所述第二频率补偿电路包括与所述第四电阻并联的第二电容。

在其中一个实施例中，所述第三电阻的电阻值与第二电容的电容值的乘积与第一电阻的电阻值与第一电容的电容值的乘积趋于一致，所述第二电阻的阻抗大于所述第一电容的阻抗，所述第四电阻的阻抗大于所述第二电容的阻抗。

在其中一个实施例中，所述第一采样走线上的寄生电感的电感值与所述第三电阻的电阻值的乘积与所述第二采样走线上的寄生电感的电感值与所述第一电阻的电阻值的乘积趋于一致。

上述开关变换器的控制电路，设置频率补偿模块来大幅度衰减高频分量从而实现补偿频率，并通过电压跟随器进行缓冲和隔离，能够减小开关变换器的不同带载对采样精度的影响，最终输出给PWM模块消除了共模噪声的电压信号，从而实现对开关变换器准确的控制。

附图说明

图1是开关变换器的控制电路对开关变换器进行环路补偿控制的电路示意图；

图2是一实施例中开关变换器的控制电路的框图；

图3是一实施例中开关变换器的控制电路的电路原理图；

图4是图3所示实施例考虑采样走线的寄生电感后的等效电路原理图；

图5为采用图1所示的采样电路对掺杂高频噪声的直流电压信号采样的仿真结果；

图6为一实施例的电压差分采样电路对同样的电压信号进行采样的仿真结果。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

图1是开关变换器的控制电路对开关变换器进行环路补偿控制的电路示意图。开关变换器的输入电压通过功率变换电路进行功率传输和电压变换后形成输出电压Vo，功率变换电路主要由功率开关器件、二极管、电感、电容和变压器连接组成，图1中的功率变换电路只是示意出了这些代表性的元器件，未示出他们的连接关系。为了使开关变换器的输出电压稳定，需要使用控制电路或控制IC(集成电路)对变换器进行闭环控制。示例性地，控制电路或控制IC可以通过两个采样电阻R1和R2对输出电压Vo进行采样并得到反馈电压，反馈电压输入到控制电路或控制IC内部的误差放大器EA(Error Amplifier，也称为误差比较放大器)的反向输入端，并与连接至误差放大器同相输入端的基准电压Vref进行比较，然后将比较后的误差电压进行放大处理后从误差放大器的输出端输出并形成电压信号Vc，然后将Vc输入给PWM(脉冲宽度调制)模块。PWM模块可以由比较器构成，它将接收到的电压信号Vc与斜坡电压Vcs进行比较后输出PWM信号，以驱动功率变换电路中的开关管的导通与关断，并调节开关管的驱动占空比，从而维持开关变换器输出电压的稳定，使开关变换器对各种扰动都能够快速响应，从而能够高效、稳定、可靠地工作。

图2是一实施例中开关变换器的控制电路的框图。开关变换器的控制电路包括电压差分采样电路100和PWM模块50。PWM模块50的输入端连接电压差分采样电路100的输出端，PWM模块50的输出端连接开关变换器的开关管，PWM模块50用于根据电压差分采样电路100的输出对开关变换器进行环路补偿控制。电压差分采样电路100包括：

双路差分采样电路10，包括两路采样走线(一路为第一采样走线，另一路为第二采样走线，图2中未示)，每路采样走线的输入端用于连接开关变换器的输出端，以对开关变换器的输出电压进行差分采样。

频率补偿模块，包括第一频率补偿电路22和第二频率补偿电路24。第一频率补偿电路22连接第一采样走线，第二频率补偿电路24连接第二采样走线，用于消除两路采样走线采集到的电压信号中的高频振荡信号。

跟随器模块，包括第一电压跟随器和第二电压跟随器(图2中未示)。第一电压跟随器的输入端连接第一采样走线，以获取第一采样走线采样到的电压信号；第二电压跟随器的输入端连接第二采样走线，以获取第二采样走线采样到的电压信号。

差分运算电路40，差分运算电路40的第一输入端连接第一电压跟随器的输出端，差分运算电路40的第二输入端连接第二电压跟随器的输出端。差分运算电路40用于对两个电压跟随器输出的电压信号进行减法运算后，将运算结果通过差分运算电路40的输出端输出。

上述开关变换器的控制电路，设置频率补偿模块，通过大幅度衰减高频分量来实现补偿频率，并通过电压跟随器进行缓冲和隔离，能够减小开关变换器的不同带载对采样精度的影响，最终输出给PWM模块消除了共模噪声的电压信号，从而实现对开关变换器准确的控制。

图3是一实施例中开关变换器的控制电路的电路原理图。在该实施例中，第一采样走线包括相互串联的第一电阻R1和第二电阻R2。第一电压跟随器A1的输入端连接第一电阻R1和第二电阻R2的连接点A，第一电阻R1的另一端(即不连接A的一端)连接开关变换器的输出正端，第二电阻R2的另一端(即不连接A的一端)连接开关变换器的输出地端。第二采样走线包括相互串联的第三电阻R3和第四电阻R4，第二电压跟随器A2的输入端连接第三电阻R3和第四电阻R4的连接点B，第三电阻R3的另一端(即不连接B的一端)用于连接开关变换器的输出正端，第四电阻R4的另一端(即不连接B的一端)用于连接开关变换器的输出地端。由于是差分采样，需要AB两点间的电压不为0，因此电阻值应满足公式：R2R3≠R1R4。

频率补偿模块主要由满足一定关系的电容构成，由于高频信号尤其是采样对象的高频振荡信号会通过电容支路进行消除，可以有效地消除高频噪声对采样的影响。在图3所示的实施例中，第一频率补偿电路包括与第二电阻R2并联的第一电容C2，第二频率补偿电路包括与第四电阻R4并联的第二电容C4。

利用复频域分析A、B两点电压：

A点电压为：

B点电压为：

其中Vout为开关变换器的输出电压Vo的电压值，S为拉普拉斯变化的复数频率，即S＝σ+jω，ω为角频率，对于电容和电感σ＝0即S＝jω。

差分采样信号，即AB两点间的电压为：

由此可知，要使采样信号中的高频分量衰减，使采样电压免受频域影响，提高采样的稳定性，应满足条件：R3C4＝R1C2，为此，设置第三电阻的电阻值与第二电容的电容值的乘积与第一电阻的电阻值与第一电容的电容值的乘积趋于一致，可以获得较好的消除高频分量的效果。

在消除高频分量对采样效果影响时希望高频信号通过第一电容C2和第二电容C4传输，这样能有效减小其对分压采样的影响。一般要求：

例如第二电阻R2的阻抗是第一电容C2阻抗(对于电容为容抗)的十倍以上，第四电阻R4的阻抗是第二电容C4阻抗的十倍以上。

当满足上述条件时可以得到采样得到的AB两点间的电压为：

进一步地，需要考虑采样走线上的寄生电感对采样精度的影响。参见图4，第一采样走线上的寄生电感L2可以等效为串联在第二电阻R2与输出地端之间，第一采样走线上的寄生电感L4可以等效为串联在第四电阻R4与输出地端之间。寄生电感具体数值可以通过实际测试或者仿真软件(例如ANSYS Q3D)仿真得到。图4中A、B两点的电压分别为：

差分采样信号，即AB两点间的电压为：

简化表达式可得AB两点间的电压Vab为：

可以得到需要消除寄生电感L2、L4对采样结果的影响，需要满足：

L2R3＝L4R1。为此，应设置第一采样走线上的寄生电感的电感值与第三电阻的电阻值的乘积与第二采样走线上的寄生电感的电感值与第一电阻的电阻值的乘积趋于一致。

在图3和图4所示的实施例中，差分运算电路包括运算放大器A3。连接点A的电压信号通过第一电压跟随器A1连接到运算放大器A3的正相输入端，连接点B的电压信号通过第二电压跟随器A2连接到运算放大器A3的负相输入端。电压跟随器的显著特点是输入阻抗高、而输出阻抗低，输入阻抗一般可以达到几兆欧姆，输出阻抗通常只有几欧姆、甚至更低。

对于开关变换器的控制电路，若后级的输入阻抗较小，信号会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。发明人在双路差分采样电路与反馈环路之间使用电压跟随器做缓冲级及隔离级，能够提高输入阻抗，输入电容大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证，能够减小开关变换器的不同带载对采样精度的影响。

在图3和图4所示的实施例中，第一电压跟随器A1和第二电压跟随器A2后添加运算放大器A3构成的减法电路。第一电压跟随器A1的输出端与运算放大器A3的同相输入端之间串联第五电阻R5，且运算放大器A3的同相输入端通过第六电阻R6接地。第二电压跟随器A2的输出端与运算放大器A3的反相输入端之间串联第七电阻R7，运算放大器A3的输出端与反相输入端之间接入第八电阻R8。当R5＝R7、R6＝R8时，Vout＝(R6/R5)*(Vb-Va)。当R5＝R6＝R7＝R8时，Vout＝Vb-Va。

上述实例中电压差分采样电路采用差分模式，在输出电压与地线之间有两路不同的电压采样走线，每路采样走线通过采样电阻对开关变换器的输出电压进行采样，并将采样后的电压输入包括电压跟随器的输入端。频率补偿模块主要由满足一定关系的电容构成，由于高频信号尤其是采样对象的高频振荡信号会通过电容支路进行消除，可以有效地消除高频噪声对采样的影响，两条支路的采样电阻比值不能相同，否则差分信号为零。两个差分信号分别经过对应的电压跟随器，跟随器起到缓冲与隔离的作用，并且减小不同带载对采样精度的影响，其后分别连接起减法运算作用的运算放大器，采用差分模式可以有效地消除采样电路中的共模噪声对采样的影响。

可以理解的，电压差分采样电路也可以应用于除开关变换器的控制电路之外的环境中。即，电压差分采样电路包括：

双路差分采样电路，包括两路采样走线，每路采样走线的输入端用于连接电压采样点，以对所述电压采样点进行差分采样；

频率补偿模块，包括第一频率补偿电路和第二频率补偿电路，所述第一频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第一采样走线，所述第二频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第二采样走线，用于消除所述两路采样走线采集到的电压信号中的高频振荡信号；

第一电压跟随器，输入端连接所述第一采样走线以获取采样到的电压信号；

第二电压跟随器，输入端连接所述第二采样走线以获取采样到的电压信号；

差分运算电路，所述差分运算电路的第一输入端连接第一电压跟随器的输出端，所述差分运算电路的第二输入端连接第二电压跟随器的输出端，所述差分运算电路用于对两个电压跟随器输出的电压信号进行减法运算后将运算结果输出。

电压差分采样电路的具体结构可以参见上述任一开关变换器的控制电路的实施例。

图5为采用图1所示的采样电路对掺杂高频噪声的直流电压信号采样的仿真结果，图6为本发明一实施例的电压差分采样电路对同样的电压信号进行采样的仿真结果，图5和图6的横坐标为时间，纵坐标为电压。可以清楚地看到本发明可以有效进行频率补偿，抑制高频振荡，从而加强了采样信号的稳定性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电压差分采样电路，其特征在于，包括：

双路差分采样电路，包括两路采样走线，每路采样走线的输入端用于连接电压采样点，以对所述电压采样点进行差分采样；

频率补偿模块，包括第一频率补偿电路和第二频率补偿电路，所述第一频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第一采样走线，所述第二频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第二采样走线，用于消除所述两路采样走线采集到的电压信号中的高频振荡信号；

第一电压跟随器，输入端连接所述第一采样走线以获取采样到的电压信号；

第二电压跟随器，输入端连接所述第二采样走线以获取采样到的电压信号；

差分运算电路，所述差分运算电路的第一输入端连接第一电压跟随器的输出端，所述差分运算电路的第二输入端连接第二电压跟随器的输出端，所述差分运算电路用于对两个电压跟随器输出的电压信号进行减法运算后将运算结果输出。

2.根据权利要求1所述的电压差分采样电路，其特征在于，所述第一采样走线包括相互串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电压跟随器的输入端连接所述第一电阻和第二电阻的连接点，所述第一电阻的另一端用于连接所述电压采样点，所述第二电阻的另一端用于连接第一电位点；所述第二采样走线包括相互串联的第三电阻和第四电阻，所述第二电压跟随器的输入端连接所述第三电阻和第四电阻的连接点，所述第三电阻的另一端用于连接所述电压采样点，所述第四电阻的另一端用于连接所述第一电位点；电阻值满足公式R2R3≠R1R4；其中R1为第一电阻的电阻值，R2为第二电阻的电阻值，R3为第三电阻的电阻值，R4为第四电阻的电阻值。

3.根据权利要求2所述的电压差分采样电路，其特征在于，所述第一频率补偿电路包括与所述第二电阻并联的第一电容，所述第二频率补偿电路包括与所述第四电阻并联的第二电容。

4.根据权利要求3所述的电压差分采样电路，其特征在于，所述第三电阻的电阻值与第二电容的电容值的乘积与第一电阻的电阻值与第一电容的电容值的乘积趋于一致。

5.根据权利要求4所述的电压差分采样电路，其特征在于，所述第二电阻的阻抗大于所述第一电容的阻抗，所述第四电阻的阻抗大于所述第二电容的阻抗。

6.根据权利要求5所述的电压差分采样电路，其特征在于，所述第一采样走线上的寄生电感的电感值与所述第三电阻的电阻值的乘积与所述第二采样走线上的寄生电感的电感值与所述第一电阻的电阻值的乘积趋于一致。

7.一种开关变换器的控制电路，包括电压差分采样电路和PWM模块，所述PWM模块用于根据所述电压差分采样电路的输出对所述开关变换器进行环路补偿控制，其特征在于，所述电压差分采样电路包括：

双路差分采样电路，包括两路采样走线，每路采样走线的输入端用于连接所述开关变换器的输出端，以对所述开关变换器的输出电压进行差分采样；

频率补偿模块，包括第一频率补偿电路和第二频率补偿电路，所述第一频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第一采样走线，所述第二频率补偿电路连接所述两路采样走线中的第二采样走线，用于消除所述两路采样走线采集到的电压信号中的高频振荡信号；

第一电压跟随器，输入端连接所述第一采样走线以获取采样到的电压信号；

第二电压跟随器，输入端连接所述第二采样走线以获取采样到的电压信号；

差分运算电路，所述差分运算电路的第一输入端连接第一电压跟随器的输出端，所述差分运算电路的第二输入端连接第二电压跟随器的输出端，所述差分运算电路用于对两个电压跟随器输出的电压信号进行减法运算后将运算结果通过差分运算电路的输出端输出。

8.根据权利要求7所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述第一采样走线包括相互串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电压跟随器的输入端连接所述第一电阻和第二电阻的连接点，所述第一电阻的另一端用于连接所述开关变换器的输出正端，所述第二电阻的另一端用于连接所述开关变换器的输出地端；所述第二采样走线包括相互串联的第三电阻和第四电阻，所述第二电压跟随器的输入端连接所述第三电阻和第四电阻的连接点，所述第三电阻的另一端用于连接所述输出正端，所述第四电阻的另一端用于连接所述输出负端；电阻值满足公式R2R3≠R1R4；其中R1为第一电阻的电阻值，R2为第二电阻的电阻值，R3为第三电阻的电阻值，R4为第四电阻的电阻值；

所述第一频率补偿电路包括与所述第二电阻并联的第一电容，所述第二频率补偿电路包括与所述第四电阻并联的第二电容。

9.根据权利要求8所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述第三电阻的电阻值与第二电容的电容值的乘积与第一电阻的电阻值与第一电容的电容值的乘积趋于一致，所述第二电阻的阻抗大于所述第一电容的阻抗，所述第四电阻的阻抗大于所述第二电容的阻抗。

10.根据权利要求8或9所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述第一采样走线上的寄生电感的电感值与所述第三电阻的电阻值的乘积与所述第二采样走线上的寄生电感的电感值与所述第一电阻的电阻值的乘积趋于一致。

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