CN111740572B - 具有双环控制结构的峰值电流模式控制器和开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及峰值电流模式控制器技术领域，公开了一种具有双环控制结构的峰值电流模式控制器和开关电源，该控制器包括内环控制电路和外环控制电路，外环控制电路用于对内环控制电路的误差进行矫正；内环控制电路包括数字输入单元和电流采样电路，电流采样电路的输出与外环控制电路设定的参考电流反向相加，并由数字输入单元与固定阈值相比较从而确定何时停止驱动功率器件的门级，实现脉冲宽度调制和/或脉冲频率调制。实现控制电路功耗的降低和自动轻载跳脉冲工作模式，从而减小了系统的静态、动态损耗，提高了转换器的效率。

Description

具有双环控制结构的峰值电流模式控制器和开关电源
技术领域
本发明涉及峰值电流模式控制器技术领域，特别涉及一种具有双环控制结构的峰值电流模式和开关电源。
背景技术
峰值电流模式控制器是经典的双环控制结构，内环控制电路由电流取样电路、前沿消隐电路、电压比较器、振荡器、斜坡发生器、输出判别电路、输出驱动电路等组成；外环控制电路由平均电压/电流取样电路、参考源、误差放大器、环路补偿器、信号隔离器构成，误差放大器的输出经过或不经过隔离器，作为内环控制电路的峰值电压参考源，从而矫正内环控制电路。
其中，内环控制电路的核心部件为电压比较器，其负责将电流取样电路取样得来的电流与外环控制电路设定的参考电流相比，从而确定何时停止驱动功率器件的门级，实现PWM（脉冲宽度调制）/PFM（脉冲频率调制）。传统上，该电压比较器由模拟电路实现，比如差分电流镜输入，单端输出比较器电路。发明人发现现有技术中至少存在如下问题：该电路的速度与偏置电流正相关，因此要实现高速运转，该电路需要消耗较高的静态电流。同时，因该电路使用较多的晶体管，该电路的动态损耗也非常高。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种具有双环控制结构的峰值电流模式控制器和开关电源，以解决背景技术中的至少一个问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供了以下实施方式：
一方面，一种具有双环控制结构的峰值电流模式控制器，包括内环控制电路和外环控制电路，所述外环控制电路用于对所述内环控制电路的误差进行矫正；所述内环控制电路包括数字输入单元和电流采样电路，电流采样电路的输出与外环控制电路设定的参考电流反向相加，并由数字输入单元与固定阈值相比较，从而确定何时停止驱动功率器件的门级，实现脉冲宽度调制和/或脉冲频率调制。
进一步的，所述内环控制电路还包括斜坡发生器、反馈电路、数字输入单元和输出判别电路；
斜坡发生器的斜坡信号、反馈电路的反馈信号、直流偏置信号及电流采样信号加和，送入所述数字输入单元，所述数字输入单元将输入的加和信号与内置的阈值进行对比，输出峰值电流过流信号，所述峰值电流过流信号经数字前沿消隐处理后进入所述输出判别电路的解除输入，时钟/QR（准谐振）检测信号触发输出判别电路的锁存器的触发输入，以实现脉冲宽度调制和/或脉冲频率调制。
进一步的，通过电阻分压模拟加法器实现电流采样信号、反馈信号、斜坡信号的同向、反向加和。
进一步的，通过增加斜坡信号的幅度对所述内环控制电路的回差进行矫正。
进一步的，所述外环控制电路对所述内环控制电路的误差进行矫正为：所述外环控制电路通过外部平均模式反馈环路对所述内环控制电路的误差进行矫正。
进一步的，通过强制系统工作于非连续导通模式进而增加所述电流采样电路输出电压的幅度对所述内环控制电路的回差（hysteresis）进行矫正。
进一步的，在电流小于由回差决定的预设数值时，自动进入跳脉冲模式，从而提升轻载效率。
进一步的，所述电流小于由回差决定的预设数值时为：电流采样电路输出电压与斜坡发生器电路输出电压叠加之后的峰值小于2倍数字输入单元的回差时。
进一步的，应用于反激变换器、升压转换器或降压转换器。
另一方面，本发明实施例提供一种开关电源，包括上述的具有双环控制结构的峰值电流模式控制器。
本发明实施例提供的具有双环控制结构的峰值电流模式控制器和开关电源，通过使用数字输入单元替换本领域技术人员常规使用的模拟比较器，并通过外环控制电路对内环控制电路的误差进行矫正，以实现控制电路功耗的降低和自动轻载跳脉冲工作模式，从而减小了系统的静态、动态损耗，提高了转换器的效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例中一种具有双环控制结构的峰值电流模式控制器电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
为了控制电路功耗的降低和自动轻载跳脉冲工作模式，进而减小系统的静态、动态损耗，提高转换器的效率，本发明实施例提供一种具有双环控制结构的峰值电流模式控制器，旨在使用固定（类似TTL）或比例（类似CMOS）阈值数字输入单元代替模拟比较器，从而大幅降低该部分的静态功耗和动态功耗。对于数字输入单元的阈值存在的误差及回差，通过外环控制电路在一定范围内对内环控制电路的误差予以矫正，因此该发明主要应用于双环系统。不同于模拟比较器，数字输入单元的过输入恢复时间很短，因此前沿消隐电路可在数字部分实现，进一步减少模拟电路占用的空间、功耗及成本。
参见图1，该具有双环控制结构的峰值电流模式控制器核心在于包括内环控制电路和外环控制电路，其中，外环控制电路用于对内环控制电路的误差进行矫正；内环控制电路包括数字输入单元和电流采样电路，电流采样电路的输出与外环控制电路设定的参考电流反向相加，并由数字输入单元与固定阈值相比，从而确定何时停止驱动功率器件的门级，实现脉冲宽度调制和/或脉冲频率调制。
本实施例提供的具有双环控制结构的峰值电流模式控制器和开关电源，通过使用数字输入单元替换本领域技术人员常规使用的模拟比较器，并通过外环控制电路对内环控制电路的误差进行矫正，以实现控制电路功耗的降低和自动轻载跳脉冲工作模式，从而减小了系统的静态、动态损耗，提高了转换器的效率。
下面对本实施方式的具有双环控制结构的峰值电流模式控制器的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。
进一步的，作为上述实施例的改进，本实施例中，所述内环控制电路还包括斜坡发生器、反馈电路、数字输入单元和输出判别电路；
其中，斜坡发生器的斜坡信号、反馈电路的反馈信号、直流偏置信号及电流采样信号加和，送入所述数字输入单元，所述数字输入单元将输入的加和信号与内置的阈值进行对比，输出峰值电流过流信号，所述峰值电流过流信号经前沿消隐电路进行数字前沿消隐处理后进入所述输出判别电路的解除输入，时钟/QR准谐振检测信号触发输出判别电路的锁存器的触发输入，以实现脉冲宽度调制和/或脉冲频率调制。
本实施例中，通过电阻分压模拟加法器，如图1所示加权加法器实现采样信号、反馈信号、斜坡信号的同向、反向加和，其中，分压正反向加和然后同固定阈值比较从而取代两独立信号直接比较是本发明的核心思想，例如a与b比较可以转换成a-b与0比较，从而允许实现无需高速模拟比较器的高速峰值电流模式控制。
本实施例中，可选的，通过增加斜坡信号的幅度对所述内环控制电路的误差回差进行矫正，从而允许使用较低的采样电压，进而减少导通损耗。
本实施例中，所述外环控制电路对所述内环控制电路的误差进行矫正为：所述外环控制电路通过外部平均模式反馈环路对所述内环控制电路的误差进行矫正。
本实施例中，可选的，通过强制系统工作于非连续导通模式(DiscontinuousConduction Mode，DCM模式)进而增加所述电流采样电路输出电压的幅度对所述内环控制电路的回差进行矫正。
本实施例中，可选的，在电流小于由回差决定的预设数值时，自动进入跳脉冲模式，从而提升轻载效率。进一步可选的，电流采样电路输出电压与斜坡发生器电路输出电压叠加之后的峰值小于2倍数字输入单元的回差时，自动进入跳脉冲模式，从而提升轻载效率。
本实施例中，可选的，上述控制器可以应用于离线AC-DC。
参见图1，逐周期电流检测与解除电路由电流检测器、电平判别器（数字输入单元即数字IO工作在输入模式）、斜坡发生器、模拟信号加和器、前沿消隐电路构成。电流检测器输出一个和开关管源极电流成比例的电压信号，该信号与斜坡发生器的输出相加后与反馈信号想加，再与一个预先设定好的偏置信号相加后得到总控制电压，该电压进入数字IO，与一个预先设计好的阈值进行比较，比较的结果经过一个延时脉冲毛刺过滤器（即前沿消隐电路）后即为解除信号。斜坡发生器根据电平触发信号的逻辑状态向斜坡信号积分器按照预先设计好的速率充电或放电。
为便于读者理解，下面详述前面具有双环控制结构的峰值电流模式控制器的工作原理，
本发明使用数字输入单元取代模拟比较器。现规定电流采样电路、斜坡发生器、反馈电路均有缓冲器，即输入阻抗为零，且电流采样电路输出电压为VS，斜坡发生器电路输出电压为VR，反馈电路输出电压为VF。
设被取代的模拟比较器输入上升沿跳变电压为VHA，下降沿跳变电压为VLA，则过流信号在(VS+VR)/2-VF>VHA时触发，在(VS+VR)/2-VF<VHB时解除。如将模拟比较器替换为数字输入单元，设数字输入单元的上升沿阈值为VHD，下降沿阈值为VLD，并引入直流偏置信号VB，则过流信号在(VS+VR+VF+VB)/4>VHD时触发，在(VS+VR+VF+VB)/4<VLD时解除。
假设模拟比较器的回差为HA，平均判别电压为0V，数字输入单元的回差为HD，平均判别电压为VD，则VHA=HA/2，VLA=-HA/2，VHD=VD+HD/2，VLD=VD-HD/2，带入上述不等式式，则过流信号的触发点为(VS+VR)/2-VF>HA/2或(VS+VR+VF+VB)/4>VD+HD/2，过流信号的解除点为(VS+VR)/2-VF<-HA/2或(VS+VR+VF+VB)/4<VD-HD/2。
从上式可见，如将VB设为4*VD，并适当调节VS、VR、VF的增益，并反转反馈信号VF，则数字输入单元可以等价替代模拟比较器，只是回差较大。回差过大可通过增加斜坡信号的幅度弥补，或通过强制系统工作于DCM模式进而增加VS的幅度来弥补。同时，由于回差较大，本电路在电流较小时（VS+VR的峰峰值小于2*HD时）自动进入跳脉冲模式，从而提升轻载效率。尽管数字输入单元的VD可能随着温度、工艺等变化，该变换与开关频率相比及其缓慢，因此可通过外部平均模式反馈环路矫正、补偿。
可用于任何峰值电流模式内环的开关电源电路，包括Buck、Boost、Flyback等。考虑到回差较大，推荐用于离线AC-DC应用，但是使用适当的斜坡信号本发明也可用于低压应用。本系统通过使用数字输入单元替换模拟比较器大幅降低了静态功耗，提升了环路响应速度，从而提升了最高工作频率，因此本发明更适合基于氮化镓的变换器系统。
本发明实施例提供一种开关电源，包括上述的具有双环控制结构的峰值电流模式控制器。
上述实施例提供的具有双环控制结构的峰值电流模式控制器和开关电源，使用单输入数字输入单元取代双输入模拟比较器，使用电阻分压模拟加法器实现采样信号、反馈信号、斜坡信号的加和，使用数字电路实现前沿消隐，与经典的模拟方案相比，斜坡信号、反馈信号与直流偏置信号及电流采样信号加和，送入数字输入单元。数字输入单元将输入的信号与内置的阈值进行对比，输出峰值电流过流信号，该信号经数字前沿消隐处理后进入输出判别电路，一般为一个SR锁存器，时钟/QR准谐振检测信号触发该锁存器，本信号解除该锁存器，从而实现PWM/PFM控制，锁存器的输出进入门级驱动器，驱动功率器件。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种具有双环控制结构的峰值电流模式控制器，其特征在于，包括内环控制电路和外环控制电路，所述外环控制电路用于对所述内环控制电路的误差进行矫正；所述内环控制电路包括数字输入单元和电流采样电路，电流采样电路的输出与外环控制电路设定的参考电流反向相加，并由数字输入单元与固定阈值相比较，从而确定何时停止驱动功率器件的门极，实现脉冲宽度调制和/或脉冲频率调制；所述内环控制电路还包括斜坡发生器、反馈电路和输出判别电路；
斜坡发生器的斜坡信号、反馈电路的反馈信号、直流偏置信号及电流采样信号加和，送入所述数字输入单元，所述数字输入单元将输入的加和信号与固定阈值进行对比，输出峰值电流过流信号，所述峰值电流过流信号经数字前沿消隐处理后进入所述输出判别电路的解除输入，时钟或QR准谐振检测信号触发输出判别电路的锁存器的触发输入，以实现脉冲宽度调制和/或脉冲频率调制。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，通过电阻分压模拟加法器实现电流采样信号、反馈信号、斜坡信号的同向、反向加和。
3.根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，通过增加斜坡信号的幅度对所述内环控制电路的回差进行矫正。
4.根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，通过强制系统工作于非连续导通模式进而增加所述电流采样电路输出电压的幅度对所述内环控制电路的回差进行矫正。
5.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，在峰值电流小于由回差决定的预设数值时，自动进入跳脉冲模式，从而提升轻载效率。
6.根据权利要求5所述的控制器，其特征在于，所述峰值电流小于由回差决定的预设数值时为：电流采样电路输出电压与斜坡发生器输出电压的峰值小于2倍数字输入单元的回差时。
7.根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，所述外环控制电路对所述内环控制电路的误差进行矫正为：所述外环控制电路通过外部平均模式反馈环路对所述内环控制电路的误差进行矫正。
8.根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，应用于反激变换器、升压转换器或降压转换器。
9.一种开关电源，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的具有双环控制结构的峰值电流模式控制器。
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