CN112290788A - 开关电源及其启动控制电路和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种开关电源及其启动控制电路和方法。用于开关电源的启动控制电路包括：振荡信号生成单元，可操作以基于斜坡电流信号或斜坡电压信号生成振荡信号，其中，斜坡电流信号或斜坡电压信号在开关电源启动时开始随时间增大，振荡信号的频率随斜坡电流信号或斜坡电压信号的增大而增大，并且振荡信号被用作控制开关电源中的功率开关的导通的第一控制信号；控制信号生成单元，可操作以基于输出电压反馈信号、电感电流反馈信号、以及振荡信号生成用于控制功率开关的关断的第二控制信号；以及驱动信号生成单元，可操作以基于第一控制信号和第二控制信号生成用于驱动功率开关的栅极驱动信号。

Description

开关电源及其启动控制电路和方法
技术领域
本发明涉及电路领域，更具体地涉及一种开关电源及其启动控制电路和方法。
背景技术
在开关电源应用中，定频系统是一种常见的系统架构，其优点是功率开关的工作频率不会随输入电感的改变而变化，因此有利于输入电感的选择。图1示出了传统的开关电源中的启动控制电路100及相关外围元件的电路连接的示意图。这里，Vin和Vout分别为开关电源的输入电压和输出电压，C1和C2分别为开关电源的输入电容和输出电容，R1和R2分别为开关电源的输出电压检测电阻和输入电压检测电阻，L1为开关电源的输入电感。
在图1所示的电路连接中，当功率开关Q1处于导通状态时，输入电感L1储存能量；当功率开关Q1处于关断状态时，输入电感L1储存的能量通过续流二极管D1充能到输出电容C2，输出电容C2在充能结束后向开关电源的负载供电；输出电压检测电阻R1在检测到输出电压Vout时，将输出电压Vout的检测电压(下面称为输出电压反馈信号)传输到启动控制电路100的电压反馈脚(即，FB脚)；输入电压检测电阻R2在检测到流过输入电感L1的电感电流IL时，将电感电流IL的检测电压(下面称为电感电流反馈信号)传输到启动控制电路100的电流感测脚(即，CS脚)。
进一步地，如图1所示，启动控制电路100的工作过程如下：误差放大器通过对输出电压反馈信号和基准电压信号Vref_ea之间的差值进行放大生成补偿信号comp；加法器通过将振荡器生成的频率固定的振荡信号clk和电流感测模块基于电感电流反馈信号生成的电感电流感测信号进行叠加生成斜坡信号ramp；脉宽调制(PWM)比较器通过对补偿信号comp和斜坡信号ramp进行比较生成控制功率开关Q1的关断的第二控制信号；振荡器生成的振荡信号clk被用作为控制功率开关Q1的导通的第一控制信号；控制逻辑模块和栅极驱动器基于第一控制信号和第二控制信号生成栅极驱动信号gate，用于驱动功率开关Q1从关断状态切换到导通状态、从导通状态切换到关断状态、保持在导通状态、或者保持在关断状态。
在实际应用中，为了提高开关电源的供电效率，通常会将栅极驱动信号的占空比设置得比较小，从而使得输出电压Vout和输入电压Vin之间的差值比较小。在开关电源的启动过程中，由于输出电压Vout较低，输入电感L1在功率开关Q1处于导通状态时存储的能量无法在功率开关Q1处于关断状态时充分退磁，导致流过输入电感L1的电感电流IL不断增大甚至可能会出现过冲状态，因而可能会导致功率开关Q1损坏。
图2示出了图1所示的开关电源的启动过程中的栅极驱动信号gate、电感电流IL、以及功率开关Q1的工作频率freq的时序图。从图2可以看出，在图1所示的开关电源的启动过程中，功率开关Q的工作频率(即，栅极驱动信号的频率)freq固定，电感电流IL的峰值不断增大且最终可能超出功率开关Q1的最大电流，从而导致功率开关Q1损坏。
发明内容
鉴于以上所述的一个或多个问题，本发明提供了开关电源及其启动控制电路和方法。
根据本发明实施例的用于开关电源的启动控制电路，包括：振荡信号生成单元，可操作以基于斜坡电流信号或斜坡电压信号生成振荡信号，其中，斜坡电流信号或斜坡电压信号在开关电源启动时开始随时间增大，振荡信号的频率随斜坡电流信号或斜坡电压信号的增大而增大，并且振荡信号被用作控制开关电源中的功率开关的导通的第一控制信号；控制信号生成单元，可操作以基于输出电压反馈信号、电感电流反馈信号、以及振荡信号生成用于控制功率开关的关断的第二控制信号；以及驱动信号生成单元，可操作以基于第一控制信号和第二控制信号生成用于驱动功率开关的栅极驱动信号。
根据本发明实施例的用于开关电源的启动控制方法，包括：基于斜坡电流信号或斜坡电压信号生成振荡信号，其中，斜坡电流信号或斜坡电压信号在开关电源启动时开始随时间增大，振荡信号的频率随斜坡电流信号或斜坡电压信号的增大而增大，并且振荡信号被用作控制开关电源中的功率开关的导通的第一控制信号；基于输出电压反馈信号、电感电流反馈信号、以及振荡信号生成用于控制功率开关的关断的第二控制信号；以及基于第一控制信号和第二控制信号生成用于驱动功率开关的栅极驱动信号。
根据本发明实施例的开关电源，包括上述启动控制电路。
在根据本发明一个或多个实施例的开关电源及其启动控制电路和方法中，通过生成频率在开关电源启动时开始随时间逐渐增大的振荡信号并基于振荡信号来控制功率开关的工作频率，使得在开关电源的启动过程中输入电感能够将在功率开关处于导通状态时储存的能量在功率开关处于关断状态时充分退磁，从而可以避免流过输入电感的电感电流过冲导致功率开关损坏的情况出现。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
图1示出了传统的开关电源中的启动控制电路及相关外围元件的电路连接的示意图。
图2示出了图1所示的开关电源的启动过程中的栅极驱动信号gate、电感电流IL、以及功率开关Q1的工作频率freq的时序图。
图3示出了根据本发明实施例的开关电源中的启动控制电路及相关外围元件的电路连接的示意图。
图4示出了图3所示的开关电源的启动过程中的栅极驱动信号GATE、电感电流IL’、以及功率开关Q1的工作频率FREQ的时序图。
图5示出了图3所示的振荡器控制模块的示例逻辑框图。
图6示出了图5所示的电流控制子模块的示例电路实现图。
图7示出了图3所示的振荡器的示例电路实现图。
图8示出了图3所示的振荡器的另一示例电路实现图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
鉴于传统的开关电源存在的一个或多个问题，本发明提出了一种新颖的开关电源及其启动控制电路和方法，其中，在开关电源的启动过程中通过对功率开关的工作频率进行控制，来解决流过输入电感的电流有可能过冲的问题，从而防止功率开关损坏。
下面结合附图，详细描述根据本发明实施例的开关电源及其启动控制电路和方法。
图3示出了根据本发明实施例的开关电源中的启动控制电路100’及相关外围元件的电路连接的示意图。这里，Vin和Vout分别为开关电源的输入电压和输出电压，C1和C2分别为开关电源的输入电容和输出电容，R1和R2分别为开关电源的输出电压检测电阻和输入电压检测电阻，L1为开关电源的输入电感。
在图3所示的开关电源中，当功率开关Q1处于导通状态时，输入电感L1储存能量；当功率开关Q1处于关断状态时，输入电感L1储存的能量通过续流二极管D1充能到输出电容C2，输出电容C2在充能结束后向开关电源的负载供电；输出电压检测电阻R1在检测到输出电压Vout时，将输出电压Vout的检测电压(下面称为输出电压反馈信号)传输到启动控制电路100’的电压反馈脚(即，FB脚)；输入电压检测电阻R2在检测到流过输入电感L1的电感电流IL’时，将电感电流IL’的检测电压(下面称为电感电流反馈信号)传输到启动控制电路100’的电流感测脚(即，CS脚)。
相比图1所示的启动控制电路100，图3所示的启动控制电路100’增加了振荡器控制模块，该振荡器控制模块的作用是在开关电源的启动过程中通过控制振荡器来控制功率开关Q1的工作频率，从而控制输入电感L1将在功率开关Q1处于导通状态时储存的能量在功率开关Q1处于关断状态时充分退磁，从而实现保护功率开关Q1的目的。
下面结合图3，详细描述根据本发明实施例的启动控制电路100’的工作原理。如图3所示，启动控制电路100’包括振荡信号生成单元102、控制信号生成单元104、以及驱动信号生成单元106，其中：振荡信号生成单元102可操作以基于斜坡电流信号或斜坡电压信号生成振荡信号(例如，CLK)，其中，该斜坡电流信号或斜坡电压信号在开关电源启动时开始随时间增大，振荡信号的频率随斜坡电流信号或斜坡电压信号的增大而增大并且被用作控制功率开关Q1的导通的第一控制信号；控制信号生成单元104可操作以基于输出电压反馈信号、电感电流反馈信号、以及振荡信号生成用于控制功率开关Q1的关断的第二控制信号(例如，OFF)；驱动信号生成单元106可操作以基于第一控制信号和第二控制信号生成用于驱动功率开关Q1的栅极驱动信号(例如，GATE)。
在一些实施例中，斜坡电流信号或斜坡电压信号可以是从开关电源启动时到启动后的预定时刻以预定速度增大并且在预定时刻增大到预定大小之后保持不变的信号。这里，当斜坡电流信号或斜坡电压信号保持不变时，振荡信号的频率也保持不变，这使得开关电源的工作频率不再变化。
在一些实施例中，如图3所示，控制信号生成单元106进一步可操作以：基于输出电压反馈信号和第一基准电压信号(例如，Vref_ea)生成补偿信号(例如，COMP)；基于电感电流反馈信号和振荡信号生成三角信号(例如，TRIAN)；以及基于补偿信号和三角信号生成第二控制信号。
在一些实施例中，如图3所示，振荡信号生成单元102包括振荡器控制模块和振荡器，其中，振荡器控制模块可操作以生成在开关电源启动时开始以预定速度增大到预定大小或者从开关电源启动时开始的预定时间内以预定速度增大的斜坡电压信号或斜坡电流信号；振荡器可操作以基于斜坡电压信号或斜坡电流信号生成振荡信号CLK。这里，斜坡电压信号或斜坡电流信号可以在增大到预定大小后保持不变，或者在从开关电源启动时开始经过预定时间后不再增大而保持不变，使得振荡信号的频率也保持不变，从而使得开关电源的工作频率不再变化。
在一些实施例中，如图3所示，控制信号生成单元102包括误差放大器，该误差放大器可操作以通过将输出电压反馈信号和第一基准电压信号之间的差值进行放大生成补偿信号。
在一些实施例中，如图3所示，控制信号生成单元104包括电流感测模块和加法器，其中，电流感测模块可操作以基于电感电流反馈信号生成电感电流感测信号，加法器可操作以通过将电感电流感测信号与振荡信号叠加生成三角信号。
在一些实施例中，如图3所示，控制信号生成单元104包括脉宽调制(PWM)比较器，该PWM比较器可操作以通过将补偿信号和三角信号进行比较生成第二控制信号。
在一些实施例中，如图3所示，驱动信号生成单元106包括控制逻辑模块和栅极驱动器，其中，控制逻辑模块可操作以通过对第一控制信号和第二控制信号进行逻辑运算生成栅极控制信号，栅极驱动器可操作以基于栅极控制信号生成栅极驱动信号。
图4示出了图3所示的开关电源的启动过程中的栅极驱动信号GATE、电感电流IL’、以及功率开关Q1的工作频率FREQ的时序图。如图4所示，在图3所示的开关电源的启动过程中，功率开关Q1的工作频率(即，栅极驱动信号的频率)随时间逐渐增大最后达到一个稳定的工作频率；由于在开关电源的输出电压较低时栅极驱动信号的工作频率也相对较低，输入电感L1在功率开关Q1处于导通状态时储存的能量能够在功率开关Q1处于关断状态时充分退磁，所以流过输出电感L1的电感电流IL’不会出现不断增大甚至过冲的问题。这样，可以保护功率开关Q1不会由于电感电流IL’过大而损坏。
图5示出了图3所示的振荡器控制模块的示例逻辑框图。如图5所示，振荡器控制模块包括斜坡控制子模块和电流控制子模块，其中，斜坡控制子模块可操作以生成在开关电源启动时开始随时间逐渐增大的斜坡电压信号，电流控制子模块可操作以基于斜坡电压信号生成斜坡电流信号。这里，斜坡电流信号可以与斜坡电压信号成比例地增大，因此振荡器可以基于斜坡电流信号生成频率逐渐增大的振荡信号。
图6示出了图5所示的电流控制子模块的示例电路实现图。如图6所示，斜坡电压信号(例如，voltage_ramp)为从开关电源启动时到启动后的预定时刻(例如，T1)以预定速度增大并且在预定时刻达到第二基准电压信号(例如，Vref1)后保持不变的电压信号。斜坡电压信号经过运算后生成随时间变化的电流信号，该随时间变化的电流信号经过与固定的基准电流信号(例如，I_ref)运算后生成斜坡电流信号(例如，I_OSC)。
在图6所示的电路实现中，可以利用以下等式计算斜坡电流信号I_OSC：
Figure BDA0002711821990000071
其中，K1为电流镜PM2与PM1的镜像比，K2为电流镜NM2与NM1的镜像比，K1*K2为电流镜PM2与PM1的镜像比以及电流镜NM2与NM1的镜像比的乘积。
从图6可以看出，电流控制子模块可以通过以下处理生成斜坡电流信号：获取第二基准电压信号与斜坡电压信号之间的差值；基于第二基准电压信号与斜坡电压信号之间的差值生成变化电流信号；对变化电流信号进行放大；以及利用基准电流信号和经放大的变化电流信号生成斜坡电流信号。
图7示出了图3所示的振荡器模块的示例电路实现图。如图7所示，当开关K1和K3闭合、开关K2和K4断开时，斜坡电流信号I_OSC通过电流镜PM3与PM4后对电容C3进行充电；当电容C3上的充电电压增大到比较器的阈值VH时，开关K1和K3断开、开关K2和K4闭合，比较器的阈值从VH切换为VL，同时NM5通过镜像NM3的斜坡电流信号I_OSC对电容C3进行放电；当电容C3上的充电电压减小到比较器的阈值VL时，开关K1和K3再次闭合、开关K2和K4再次断开，并且重复上述对电容C3的充电和放电过程。逻辑单元基于电容C3上的充电电压与比较器的阈值的比较结果生成振荡信号CLK。
可以看出，振荡器可操作以通过以下处理生成振荡信号：利用斜坡电流信号对电容(例如，C3)进行充电；在电容上的充电电压增大到第一阈值电压(例如，VH)之前，通过将充电电压与第一阈值电压进行比较生成振荡信号；在电容上的充电电压增大到第一阈值电压时，利用斜坡电流信号(例如，I_OSC)对电容进行放电；以及在电容上的充电电压减小到第二阈值电压(例如，VL)之前，通过将充电电压与第二阈值电压进行比较生成振荡信号。这里，当电容上的充电电压减小到第二阈值电压时，重复执行生成振荡信号的上述过程。
由于斜坡电流信号I_OSC为随时间逐渐增大的电流信号，振荡信号CLK的频率与斜坡电流信号I_OSC成正比，开关电源启动后输出的振荡信号CLK的频率会出现从低频到高频的过程，开关电源的启动过程中的较低的工作频率使得输入电感L1有足够的时间进行退磁，从而保证了电感电流不会出现过冲。
图8示出了图3所示的振荡器的另一示例电路实现图。如图8所示，当开关K1和K3闭合、开关K2和K4断开时，固定电流I_dc通过电流镜PM4和PM3的镜像后对电容C3进行充电(由于充电电流固定，所以电容C3的充电时间不变)；当电容C3上的充电电压增大到比较器的阈值VH时，开关K1和K3断开、开关K2和L4闭合，比较器的阈值从VH切换为VL，同时NM5通过镜像NM3的斜坡电流信号I_OSC对电容C3进行放电；当电容C3上的充电电压减小到比较器的阈值VL时，开关K1和K3再次闭合、开关K2和K4再次断开，并且重复上述对电容C3的充电和放电过程。逻辑单元基于电容C3上的充电电压与比较器的阈值的比较结果生成振荡信号CLK。
可以看出，振荡器可操作以通过以下处理生成振荡信号：利用固定电流信号(例如，I_dc)对电容(例如，C3)进行充电；在电容上的充电电压增大到第一阈值电压(例如，VH)之前，通过将充电电压与第一阈值电压进行比较生成振荡信号；在电容上的充电电压增大到第一阈值电压时，利用斜坡电流信号(例如，I_OSC)对电容进行放电；以及在电容上的充电电压减小到第二阈值电压(例如，VL)之前，通过将充电电压与第二阈值电压进行比较生成振荡信号。这里，当电容上的充电电压减小到第二阈值电压时，重复执行生成振荡信号的上述过程。
由于斜坡电流信号I_OSC随时间逐渐增大，利用图8所示的振荡器最终也可以使得开关电源启动后的工作频率随时间逐渐增大。与图7不同的是，由于电容C3的充电时间不变，功率开关Q1的工作频率的变化为非线性的，但仍可以实现抑制开关电源的启动过程中电感电流过冲的目的。
需要说明的是，以上描述的启动控制电路不只适用于升压式架构的开关电源应用，在采用定频系统的其他开关电源中同样可以利用根据本发明实施例的启动控制电路。
从以上所述可以看出，结合图3至图8描述的用于开关电源的启动控制电路实现了一种启动控制方法，包括：基于斜坡电流信号或斜坡电压信号生成振荡信号，其中，斜坡电流信号或斜坡电压信号在开关电源启动时开始随时间增大，振荡信号的频率随斜坡电流信号或斜坡电压信号的增大而增大，并且振荡信号被用作控制开关电源中的功率开关的导通的第一控制信号；基于输出电压反馈信号、电感电流反馈信号、以及振荡信号生成用于控制功率开关的关断的第二控制信号；以及基于第一控制信号和第二控制信号生成用于驱动功率开关的栅极驱动信号。
根据本发明实施例的用于开关电源的启动控制方法的其他方面与以上参考图3至图8描述的用于开关电源的启动控制电路的相应方面相同或类似，所以这里不再赘述。
在根据本发明一个或多个实施例的开关电源及其启动控制电路和方法中，通过生成频率在开关电源启动时开始随时间逐渐增大的振荡信号并基于振荡信号来控制功率开关的工作频率，使得在开关电源的启动过程中输入电感能够将在功率开关处于导通状态时储存的能量在功率开关处于关断状态时充分退磁，从而可以避免流过输入电感的电感电流过冲导致功率开关损坏的情况出现。
本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (12)

1.一种用于开关电源的启动控制电路，包括：
振荡信号生成单元，可操作以基于斜坡电流信号或斜坡电压信号生成振荡信号，其中，所述斜坡电流信号或所述斜坡电压信号在所述开关电源启动时开始随时间增大，所述振荡信号的频率随所述斜坡电流信号或所述斜坡电压信号的增大而增大，并且所述振荡信号被用作控制所述开关电源中的功率开关的导通的第一控制信号；
控制信号生成单元，可操作以基于输出电压反馈信号、电感电流反馈信号、以及所述振荡信号生成用于控制所述功率开关的关断的第二控制信号；以及
驱动信号生成单元，可操作以基于所述第一控制信号和所述第二控制信号生成用于驱动所述功率开关的栅极驱动信号。
2.如权利要求1所述的启动控制电路，其中，所述控制信号生成单元进一步可操作以：
基于所述输出电压反馈信号和第一基准电压信号生成补偿信号；
基于所述电感电流反馈信号和所述振荡信号生成三角信号；以及
基于所述补偿信号和所述三角信号生成所述第二控制信号。
3.如权利要求1所述的启动控制电路，其中，所述振荡信号生成单元进一步可操作以：
基于所述斜坡电压信号生成所述斜坡电流信号；以及
基于所述斜坡电流信号生成所述振荡信号。
4.如权利要求3所述的启动控制电路，其中，所述振荡信号生成单元进一步可操作以：
获取第二基准电压信号与所述斜坡电压信号之间的差值；
基于所述第二基准电压信号与所述斜坡电压信号之间的差值生成变化电流信号；
对所述变化电流信号进行放大；以及
基于基准电流信号和经放大的变化电流信号生成所述斜坡电流信号。
5.如权利要求1所述的启动控制电路，其中，所述振荡信号生成单元进一步可操作以：
利用所述斜坡电流信号对电容进行充电；
在所述电容上的充电电压增大到第一阈值电压之前，通过将所述充电电压与所述第一阈值电压进行比较生成所述振荡信号；
在所述电容上的充电电压增大到所述第一阈值电压时，利用所述斜坡电流信号对所述电容进行放电；以及
在所述电容上的充电电压减小到第二阈值电压之前，通过将所述充电电压与所述第二阈值电压进行比较生成所述振荡信号，
其中，当所述电容上的充电电压减小到所述第二阈值电压时，重复执行生成所述振荡信号的上述过程。
6.如权利要求1所述的启动控制电路，其中，所述振荡信号生成单元进一步可操作以：
利用固定电流信号对电容进行充电；
在所述电容上的充电电压增大到第一阈值电压之前，通过将所述充电电压与所述第一阈值电压进行比较生成所述振荡信号；
在所述电容上的充电电压增大到所述第一阈值电压时，利用所述斜坡电流信号对所述电容进行放电；以及
在所述电容上的充电电压减小到第二阈值电压之前，通过将所述充电电压与所述第二阈值电压进行比较生成所述振荡信号，
其中，当所述电容上的充电电压减小到所述第二阈值电压时，重复执行生成所述振荡信号的上述过程。
7.如权利要求1所述的启动控制电路，其中，所述斜坡电流信号或所述斜坡电压信号是从所述开关电源启动时到启动后的预定时刻以预定速度增大并且在所述预定时刻增大到预定大小之后保持不变的信号。
8.如权利要求2所述的启动控制电路，其中，所述控制信号生成单元包括误差放大器，该误差放大器可操作以通过将所述输出电压反馈信号和所述第一基准电压信号之间的差值进行放大生成所述补偿信号。
9.如权利要求2所述的启动控制电路，其中，所述控制信号生成单元包括：
电流感测模块，可操作以基于所述电感电流反馈信号生成电感电流感测信号；以及
加法器，可操作以通过将所述电感电流感测信号与所述振荡信号叠加生成所述三角信号。
10.如权利要求2所述的启动控制电路，其中，所述控制信号生成单元包括脉宽调制(PWM)比较器，该PWM比较器可操作以通过将所述补偿信号和所述三角信号进行比较生成所述第二控制信号。
11.一种用于开关电源的启动控制方法，包括：
基于斜坡电流信号或斜坡电压信号生成振荡信号，其中，所述斜坡电流信号或所述斜坡电压信号在所述开关电源启动时开始随时间增大，所述振荡信号的频率随所述斜坡电流信号或所述斜坡电压信号的增大而增大，并且所述振荡信号被用作控制所述开关电源中的功率开关的导通的第一控制信号；
基于输出电压反馈信号、电感电流反馈信号、以及所述振荡信号生成用于控制所述功率开关的关断的第二控制信号；以及
基于所述第一控制信号和所述第二控制信号生成用于驱动所述功率开关的栅极驱动信号。
12.一种开关电源，包括权利要求1至10中任一项所述的启动控制电路。
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