CN112671233B - 一种补偿电路以及开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于开关电源的补偿电路，包括：数字低通滤波器和比例调节电路，数字低通滤波器和比例调节电路均用于接收基准信号以及开关电源的输出反馈信号，所述数字低通滤波器还用于输出第一补偿信号；所述比例调节电路还用于接收所述第一补偿信号以及输出第二补偿信号，其中，所述比例调节电路使得所述第二补偿信号、基准信号、输出反馈信号、第一补偿信号满足：第二补偿信号＝第一补偿信号+K×(基准信号－输出反馈信号)，其中，K为所述比例调节电路的比例调节系数。本发明实施例提供的补偿电路应用于开关电源中时无需设置额外引脚，且成本较低。

Description

一种补偿电路以及开关电源

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种补偿电路以及开关电源。

背景技术

开关电源中通常需要设置补偿电路来增加零点与极点，并通过调节零点与极点的大小来调整开关电源控制环路的增益带宽积(GBW)与相位裕度，以调节开关电源的稳定性，使得开关电源满足环路设计要求。

相关技术中，所述补偿电路可以为滞后补偿电路。图1为相关技术中所提供的一种滞后补偿电路的结构示意图。其中，图1所示的滞后补偿电路包括有误差放大器、电阻R₁、电阻R₂、电容C₁，图1所示的滞后补偿电路的频域传递函数G₁(s)为：

则由G₁(s)的表达式可以确定出，图1所示的补偿网络在开关电源的控制环路中增加了一个位于原点的开环极点与一个左半平面的零点(即-1/R₂C₁)，对应的波特图如图3所示。通过对R₂、C₁的值的调整即可调节零点的大小，进而可以调整开关电源控制环路的GBW与相位裕度。

以及，图2为相关技术中所提供的另一种滞后补偿电路的结构示意图，所示的滞后补偿电路包括误差放大器、电阻R₃、电容C₂，图2所示的滞后补偿电路的传递函数为G₂(s)为：

其中，R_out为误差放大器的输出电阻。以及，由G₂(s)的表达式可以确定出，图2所示的补偿网络增加了一个左半平面的极点(即-1/((R₃+R_out)×C₂))与一个左半平面的零点(即-1/R₃C₂)，则通过对R₃、C₂的值的调整即可调节极点与零点的大小，进而可以调整开关电源控制环路的GBW与相位裕度。

但是，基于开关电源控制环路的带宽一般较小(例如为10Hz左右)，因此，当采用图1或图2所示的滞后补偿电路时，通常需要使得图1中的电容C₁、图2中的电容C₂的容值较大，一般在100nF量级左右，而如此大的电容无法集成到开关电源控制芯片内，所以通常采用片外补偿的方案，则需要额外设置引脚，且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种补偿电路以及开关电源，以解决相关技术中的补偿电路应用于开关电源中时需要设置额外引脚，且成本较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种补偿电路，所述补偿电路包括：

数字低通滤波器，所述数字低通滤波器的第一输入端用于接收基准信号，所述数字低通滤波器的第二输入端用于接收开关电源的输出反馈信号，所述数字低通滤波器的输出端用于基于所述输出反馈信号以及所述基准信号输出第一补偿信号；

比例调节电路，所述比例调节电路的第一输入端接收所述基准信号，所述比例调节电路的第二输入端用于接收开关电源的输出反馈信号，所述比例调节电路的第三输入端与所述数字低通滤波器的输出端连接，用于接收所述第一补偿信号，所述比例调节电路基于所述基准信号、输出反馈信号、第一补偿信号输出第二补偿信号，用以控制所述开关电源的功率开关动作；

其中，所述第二补偿信号＝第一补偿信号+K×(基准信号－输出反馈信号)，K为所述比例调节电路的比例调节系数。

可选的，所述数字低通滤波器对应的s域传递函数G_EA(s)为：

其中，A₀为所述数字低通滤波器的通带增益。

可选的，所述补偿电路对应的s域传递函数G_EA-K(s)为：

其中，K为所述比例调节电路的比例调节系数；

以及，所述传递函数具有一个极点和一个零点，通过调节所述比例调节系数K，可以调节所述传递函数G_EA-K(s)的零点的位置。

可选的，所述比例调节电路中不包括电容元件。

可选的，所述比例调节电路包括第一电流源、第二电流源、第三电流源以及一电阻；

所述第一电流源输出的电流与所述第一补偿信号成第一比例，所述第一电流源的输出节点连接第一节点；

所述第二电流源输出的电流与所述开关电源的输出反馈信号成第二比例，所述第二电流源的输入节点连接第一节点；

所述第三电流源输出的电流与所述基准信号成第三比例，所述第三电流源的输出节点连接第一节点；

所述电阻的一端连接所述第一节点，另一端接地；

所述第二补偿信号自所述第一节点输出；

以及，所述比例调节电路的比例调节系数K根据所述第一比例、第二比例、第三比例和所述电阻的阻值确定。

可选的，所述比例调节电路的输出端还连接至比较器的负相输入端，所述比较器的正相输入端用于接收斜坡信号；所述比较器的输出端连接至控制电路的第一输入端；所述控制电路的输出端连接功率开关管的栅极；所述控制电路的第二输入端连接至退磁检测电路的输出端，用以控制所述开关电源的功率开关动作，当所述斜坡信号的电压值大于所述第二补偿信号的电压值时，控制所述功率开关管关断。

可选的，所述控制电路的第二输入端连接一退磁检测电路，所述退磁检测电路的输入端连接至功率开关管的栅极；所述退磁检测电路用于检测所述功率开关管的栅极电压，并生成零电流检测信号，所述控制电路基于所述零电流检测信号，控制所述功率开关管开启。

此外，本发明还提供了一种开关电源，所述开关电源包括如上所述的补偿电路。

综上所述，本发明提供的补偿电路以及开关电源中，所述补偿电路包括数字低通滤波器和比例调节电路，所述数字低通滤波器可以用于对开关电源的输出反馈信号和参考值进行差值处理和低通滤波，提供一个零频率处的极点。所述比例调节电路提供一个零点，共同作用，实现了零极点补偿，且可以集成于控制芯片内部，而无需采用片外集成的方式，从而可以不用设置额外的引脚，并且可以降低成本。特别在开关电源控制环路具有较低的带宽时，依然可以调节开关电源控制环路的GBW与相位裕度，以使得开关电源的控制环路满足设计要求。

附图说明

图1和图2分别为相关技术中所提供的两种滞后补偿电路的结构示意图；

图3为图1所示的滞后补偿电路对应的波特图；

图4为本发明实施例提供的一种配置于开关电源中的补偿电路的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种比例调节电路的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种比例调节电路中的电流源的结构示意图；

图7为图4所示的滞后补偿电路对应的波特图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种补偿电路及方法、以及开关电源作进一步详细说明。根据下面说明书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图4为本发明实施例提供的一种配置于开关电源中的补偿电路的结构示意图，如图4所示，所述补偿电路可以包括数字低通滤波器和比例调节电路。

其中，所述数字低通滤波器的第一输入端用于接收基准信号Vref，所述数字低通滤波器的第二输入端用于接收开关电源的输出反馈信号V_FB(t)，所述数字低通滤波器的输出端用于输出第一补偿信号V_COMPPre(t)，所述第一补偿信号V_COMPPre(t)为所述数字低通滤波器对所述开关电源的输出反馈信号V_FB(t)和所述基准信号Vref之差值进行低通滤波之后所得的信号。

以及，本实施例中，所述比例调节电路具备有第一输入端、第二输入端、第三输入端，所述比例调节电路的第一输入端用于接收所述基准信号Vref，所述比例调节电路的第二输入端用于接收开关电源的输出反馈信号V_FB(t)，所述比例调节电路的第三输入端与所述数字低通滤波器的输出端连接，用于接收所述第一补偿信号V_COMPPre(t)，所述比例调节电路的输出端用于基于所述基准信号Vref、输出反馈信号V_FB(t)、第一补偿信号V_COMPPre(t)输出第二补偿信号V_COMPFinal(t)。

在本实施例中，所述比例调节电路应当使得所述第二补偿信号V_COMPFinal(t)、基准信号Vref、输出反馈信号V_FB(t)、第一补偿信号V_COMPPre(t)满足：

第二补偿信号V_COMPFinal(t)＝第一补偿信号V_COMPPre(t)+K×(基准信号Vref－输出反馈信号V_FB(t))，其中，K为所述比例调节电路的比例调节系数。

其中，本发明提供的补偿电路中，数字低通滤波器可以用于对开关电源的输出反馈信号和参考值进行差值处理和低通滤波，提供一个零频率处的极点。

以下对本发明实施例所提供的补偿电路进行详细介绍。

其中，针对所述数字低通滤波器而言，其通过对所述基准信号Vref与所述开关电源的输出反馈信号V_FB(t)进行差值处理和低通滤波，提供一个零频率处的极点。

并且，需要说明的是，本实施例中，所述数字低通滤波器中不包括大电容值(例如大于或等于100nF)的电容元件，由此可以将数字低通滤波器直接内置于开关电源芯片中，而无需采用片外连接电容的方式，从而可以不用设置额外的引脚，并且可以降低成本。

进一步地，针对所述比例调节电路而言，其结构中不包括有电容元件或者不包括有大电容值的电容元件。示例的，图5为本发明实施例提供的一种比例调节电路的结构示意图，如图5所示，所述比例调节电路中不包括有电容元件，其主要包括有第一电流源M1、第二电流源M2、第三电流源M3以及电阻R₄。

具体的，参考图6，其中，所述第一电流源M1的第一输入节点连接一电压源VDD，所述第一电流源M1的第二输入节点连接所述数字低通滤波器的输出端，用于接收所述第一补偿信号V_COMPPre(t)，所述第一电流源的输出节点输出与第一补偿信号V_COMPPre(t)成第一比例的电流，其中，所述第一电流源输出的电流具体为第一补偿信号的电压与第一电流源中的电阻阻值(也即是图6所示的电阻R₅阻值)的比值，在本实施例中，选择所述电阻R₅的阻值与所述电阻R₄的阻值相等，均为第一阻值R。以及，第二电流源、第三电流源的结构与第一电流源类似，在此不再赘述。在另一些实施例中，比例调节电路也可以通过其他的为本领域技术人员所知的模拟电路或其组合实现，只要实现V_COMPFinal＝V_COMPPre+K×(V_ref-V_FB)的关系即可。

再参考图5，所述第二电流源M2的第一输入节点i2连接所述第一节点A/B，所述第二电流源M2的第二输入节点(图中未示出)用于接收所述开关电源的输出反馈信号V_FB(t)，所述第二电流源M2的输出节点o2接地。其中，所述第二电流源输出的电流与所述开关电源的输出反馈信号成第二比例，具体的，所述第二电流源输出的电流为输出反馈信号的电压与第二电流源M2中的电阻阻值的比值。

所述第三电流源M3的第一输入节点i3连接所述预定电压源VDD，所述第三电流源i3的第二输入节点(图中未示出)用于接收所述基准信号Vref，所述第三电流源M3的输出节点o3连接第一节点A/B，所述第一节点A/B还作为所述比例调节电路的输出端，以输出所述第二补偿信号V_COMPFinal(t)。所述第三电流源输出的电流与所述基准信号成第三比例，具体的，所述第三电流源输出的电流为所述基准信号的电压与第三电流源M3中的电阻阻值的比值。其中，在本实施例中，选择第二电流源M2中的电阻阻值等于第三电流源M3中的电阻阻值，均为第二阻值r。

所述电阻R₄的一端连接所述第一节点A/B，所述电阻R₄的另一端接地，阻值为第一阻值R。

由上可知，本实施例中，所述第一电流源M1的输出节点o1的输出电流＝第一补偿信号的电压/第一阻值；所述第二电流源M2的输出节点o2的输出电流＝输出反馈信号的电压/第二阻值。所述第三电流源M3的输出节点o3的输出电流＝基准信号的电压值/第二阻值。

基于此，针对图5所示的比例调节电路而言，其会使得所述第二补偿信号、基准信号、输出反馈信号、第一补偿信号满足：第二补偿信号V_COMPFinal(t)＝第一补偿信号V_COMPPre(t)+K×(基准信号Vref－输出反馈信号V_FB(t)的电压)。也即，得到公式一：

V_COMPFinal＝V_COMPPre+K×(V_ref-V_FB)；

其中，对所述公式一的推导原理进行详细介绍，具体而言，参考图5所示的结构而言，流入至第一节点A/B的电流应当等于从所述第一节点A/B流出的电流。其中，流入至第一节点A/B的电流I_i为：第一电流源M1的输出节点o1的输出电流与第三电流源M3的输出节点o3的输出电流之和。则：

从所述第一节点A/B流出的电流I_o为：流经所述第二电流源M2的电流和流经所述电阻R1的电流。则：

基于I_i＝I_o获得公式二：

化简所述公式二可得：

其中，R/r即为图5所示的比例调节电路的比例调节系数。

由此，所述比例调节电路即会使得所述第二补偿信号、基准信号、输出反馈信号、第一补偿信号满足上述公式一。在此基础上，通过调节所述比例调节系数的大小，即可调节所述开关电源的GBW与相位裕度，其具体原理如下：

本实施例中，所述数字低通滤波器对应的s域传递函数G_EA(s)为：

其中，A₀为所述数字低通滤波器的通带增益。

以及，在图5所示的比例调节电路中，第二补偿信号V_COMPFinal(t)、基准信号Vref、输出反馈信号V_FB(t)、第一补偿信号V_COMPPre(t)在时域满足公式三：

V_COPMFinal(t)＝V_COMPPre(t)+K×(V_ref-V_FB(t))

则将所述公式三转换为S域对应得到公式四，如下：

V_COPMFinal(s)＝V_COMPPre(s)-K×V_FB(s)

又由于数字低通滤波器对应的s域传递函数代入公式四可得：

则可以确定出，所述补偿电路对应的s域传递函数G_EA-K(s)为：

其中，图7为图4所示的滞后补偿电路对应的波特图，则参考传递函数G_EA-K(s)的表达式与图7可知，所述补偿电路提供了一个零频极点以及一个左半平面零点(也即是-A₀/K)。由此，通过调节所述K值的大小，即可调节开关电源控制环路的GBW和相位裕度，以使得开关电源满足环路设计要求。

此外，基于所述比例调节电路，可以集成于控制芯片内部，而无需采用片外集成的方式，从而可以不用设置额外的引脚，并且可以降低成本。

以及，需要说明的是，图5所示的比例调节电路仅为一举例说明，本实施例中的比例调节电路的结构也可以不同于图5所示的结构。事实上，只要可以使得所述第二补偿信号、基准信号、输出反馈信号、第一补偿信号满足上述公式一，且不具备大电容值的电容元件的比例调节结构均可以作为本发明实施例中的比例调节电路，本发明实施例在此不做具体限定。

进一步地，如图4所示，所述开关电源中还包括有比较器、控制电路、栅极驱动电路以及退磁检测电路。

其中，所述比较器的负相输入端连接至所述比例调节电路的输出端，以接收所述第二补偿信号，所述比较器的正相输入端用于接收斜坡信号V_ramp(t)，所述比较器的输出端连接至控制电路的第一输入端；所述控制电路的输出端连接栅极驱动电路的输入端，所述栅极驱动电路的输出端连接功率开关管的GATE端；所述控制电路的第二输入端连接至退磁检测电路的输出端，所述退磁检测电路的输入端连接至功率开关管的GATE端。

其中，所述比较器用于当所述斜坡信号的电压值大于所述第二补偿信号的电压值时，向所述控制电路输出预定电平信号(例如可以为高电平信号)，所述控制电路基于所述预定电平信号生成第一控制信号Gate_OFF并输出至所述栅极驱动电路，以使得所述栅极驱动电路基于所述第一控制信号Gate_OFF控制所述功率开关管关闭。

所述退磁检测电路用于检测所述功率开关管的GATE端的电压，并生成零电流检测信号ZCD，所述控制电路基于所述零电流检测信号ZCD生成第二控制信号Gate_ON并输出至所述栅极驱动电路，以使得所述栅极驱动电路基于所述第二控制信号Gate_ON控制所述功率开关管开启。

可选的，本实施例中，所述功率开关管可以为N型MOS管；则所述第一控制信号为低电平信号；所述第二控制信号为高电平信号。

此外，本发明实施例还提供一种开关电源，所述开关电源包括如图4所示的补偿电路、比较器、控制电路、栅极驱动电路以及退磁检测电路。

综上所述，本发明提供的补偿电路以及开关电源中，所述补偿电路包括数字低通滤波器和比例调节电路，所述数字低通滤波器可以用于对开关电源的输出反馈信号和参考值进行差值处理和低通滤波，提供一个零频率处的极点。所述比例调节电路提供一个零点，共同作用，实现了零极点补偿，且可以集成于控制芯片内部，而无需采用片外连接RC电路的方式，从而可以不用设置额外的引脚，并且可以降低成本。特别在开关电源控制环路具有较低的带宽时，依然可以调节开关电源控制环路的GBW与相位裕度，以使得开关电源的控制环路满足设计要求。

本说明书中各个实施例采用举例的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种补偿电路，用于开关电源，其特征在于，所述补偿电路包括：

数字低通滤波器，所述数字低通滤波器的第一输入端用于接收基准信号，所述数字低通滤波器的第二输入端用于接收开关电源的输出反馈信号，所述数字低通滤波器的输出端用于基于所述输出反馈信号以及所述基准信号输出第一补偿信号；

比例调节电路，所述比例调节电路的第一输入端接收所述基准信号，所述比例调节电路的第二输入端用于接收开关电源的输出反馈信号，所述比例调节电路的第三输入端与所述数字低通滤波器的输出端连接，用于接收所述第一补偿信号，所述比例调节电路基于所述基准信号、输出反馈信号、第一补偿信号输出第二补偿信号，用以控制所述开关电源的功率开关动作；

其中，所述第二补偿信号＝第一补偿信号+K×(基准信号－输出反馈信号)，K为所述比例调节电路的比例调节系数；

所述补偿电路对应的s域传递函数G_EA-K(s)为：

其中，所述传递函数具有一个极点和一个零点，通过调节所述比例调节系数K，可以调节所述传递函数G_EA-K(s)的零点的位置，A₀为所述数字低通滤波器的通带增益。

2.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述数字低通滤波器对应的s域传递函数G_EA(s)为：

3.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述比例调节电路中不包括电容元件。

4.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述比例调节电路包括第一电流源、第二电流源、第三电流源以及一电阻；

所述第一电流源输出的电流与所述第一补偿信号成第一比例，所述第一电流源的输出节点连接第一节点；

所述第二电流源输出的电流与所述开关电源的输出反馈信号成第二比例，所述第二电流源的输入节点连接第一节点；

所述第三电流源输出的电流与所述基准信号成第三比例，所述第三电流源的输出节点连接第一节点；

所述电阻的一端连接所述第一节点，另一端接地；

所述第二补偿信号自所述第一节点输出；

以及，所述比例调节电路的比例调节系数K根据所述第一比例、第二比例、第三比例和所述电阻的阻值确定。

5.如权利要求1所述的补偿电路，其特征在于，所述比例调节电路的输出端还连接至比较器的负相输入端，所述比较器的正相输入端用于接收斜坡信号；所述比较器的输出端连接至控制电路的第一输入端；所述控制电路的输出端连接功率开关管的栅极；所述控制电路的第二输入端连接至退磁检测电路的输出端，用以控制所述开关电源的功率开关动作，当所述斜坡信号的电压值大于所述第二补偿信号的电压值时，控制所述功率开关管关断。

6.如权利要求5所述的补偿电路，其特征在于，所述控制电路的第二输入端连接一退磁检测电路，所述退磁检测电路的输入端连接至功率开关管的栅极；所述退磁检测电路用于检测所述功率开关管的栅极电压，并生成零电流检测信号，所述控制电路基于所述零电流检测信号，控制所述功率开关管开启。

7.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括如权利要求1-6任一所述的补偿电路。