CN112751483A - 一种恒压控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种恒压控制电路，涉及开关电源技术领域。该电路包括滤波输出子电路、比较器、计时器、触发器、开关管子电路；所述滤波输出子电路连接于所述比较器，用于输出采样电压至所述比较器与基准电压进行比较；所述比较器将比较结果输入至所述触发器，所述计时器接收时钟信号进行计时、并发送计时信号至所述触发器，所述触发器根据比较结果或计时信号发送触发信号至所述开关管子电路，所述开关管子电路根据所述触发器发送的触发信号接通或断开滤波输出子电路，所述滤波输出子电路通过输出端输出稳定的电压。本发明的恒压控制电路结构简单，不需要误差放大器，极大的提高了系统稳定性。

Description

一种恒压控制电路
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别是涉及一种恒压控制电路。
背景技术
目前的恒压开关电源，需要通过采样电路精确采样输出电压，再将输出电压反馈至电路中的误差放大器，与基准电压进行比较，根据比较结果产生脉宽调制波，实现恒定的输出电压。采样电路大多是采用电阻分压网络，但是这样就需要两个分压电阻，增加了电路面积；另一方面，由于存在稳定性的问题，需要对误差放大器进行补偿，需要很大的补偿电容，而补偿电容会增加电路面积或者外部增加补偿元器件，会进一步增加电路成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种恒压控制电路，旨在提高开关电源的稳定性、动态响应性。
为实现上述目的，本发明提供一种恒压控制电路，所述恒压控制电路包括滤波输出子电路、比较器、计时器、触发器、开关管子电路；所述滤波输出子电路连接于所述比较器，用于输出采样电压至所述比较器与基准电压进行比较；所述比较器将比较结果输入至所述触发器，所述计时器接收时钟信号进行计时、并发送计时信号至所述触发器，所述触发器根据比较结果或计时信号发送触发信号至所述开关管子电路，所述开关管子电路根据所述触发器发送的触发信号接通或断开滤波输出子电路，所述滤波输出子电路通过输出端输出稳定的电压。
优选地，所述电路还包括驱动子电路，所述驱动子电路连接于所述触发器和所述开关管子电路，用于将所述触发器发送的触发信号进行放大后发送至所述开关管子电路。
优选地，所述滤波输出子电路包括连接于所述开关管子电路的电感、电阻、滤波电容和输出电容；所述电感的一端连接于所述开关管子电路、另一端连接于所述输出端；所述电阻的一端连接于所述开关管子电路、另一端连接于所述滤波电容，所述滤波电容的另一端连接于所述输出端；所述输出电容一端连接于所述输出端、另一端接地。
优选地，所述电路还包括峰值限制子电路，所述峰值限制子电路连接于所述驱动子电路，用于限制所述电感电流的最大值。
优选地，所述开关管子电路包括第一PMOS管和第一NMOS管，所述第一PMOS管和所述第一NMOS管连接于所述触发器，根据所述触发器发送的触发信号接通所述第一PMOS管、关断所述第一NMOS管或关断所述第一PMOS管、接通所述第一NMOS管。
优选地，所述第一PMOS管和所述第一NMOS管的栅极连接于所述驱动子电路；所述第一PMOS管的源极连接于电源、漏极连接于所述滤波输出子电路中的电感和电阻；所述第一NMOS管的源极接地、漏极连接于所述第一PMOS管的漏极。
优选地，所述电路还包括消磁检测子电路，所述消磁检测子电路连接于所述驱动子电路，用以当所述电感电流为零时，发送关断信号以控制关断所述第一NMOS管。
本发明技术方案通过滤波输出子电路进行采样得到采样电压，比较器将采样电压与基准电压进行比较，当采样电压小于基准电压时，比较器输出比较结果至触发器，触发器控制开关管子电路开启；同时，计时器开始计时，经过预设时间后，计时器发送关闭脉冲信号至触发器，触发器控制开关管子电路关闭。本发明的恒压控制电路结构简单，不需要误差放大器，极大的提高了系统稳定性。
附图说明
图1为本发明恒压控制电路的电路结构示意图；
图2为本发明实施例恒压控制电路中各个电压的波形示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明实施例提供一种恒压控制电路，如图1所示，包括滤波输出子电路、比较器、计时器、触发器、开关管子电路；所述滤波输出子电路连接于所述比较器，用于输出采样电压VX_RC至所述比较器与基准电压VREF进行比较；所述比较器将比较结果S输入至所述触发器，所述计时器接收时钟信号进行计时、并发送计时信号R至所述触发器，所述触发器根据比较结果S或计时信号R发送触发信号PWM至所述开关管子电路，所述开关管子电路根据所述触发器发送的触发信号PWM接通或断开滤波输出子电路，所述滤波输出子电路通过输出端输出稳定的电压。
本发明实施例的恒压控制电路通过滤波输出子电路进行采样得到采样电压VX_RC，如图2所示，该采样电压VX_RC为锯齿波。比较器将采样电压VX_RC与基准电压VREF进行比较，当采样电压VX_RC小于基准电压VREF时，比较器输出比较结果S至触发器，触发器控制开关管子电路开启；同时，计时器开始计时，经过预设时间后，计时器发送关闭脉冲信号至触发器，触发器控制开关管子电路关闭。
本发明实施例的恒压控制电路结构简单，不需要误差放大器，极大的提高了系统稳定性。同时，电路采用电压型控制，由系统内部滤波输出子电路输出的采样电压VX_RC与基准电压VREF比较，产生用以接通开关管子电路的开启信号；再由系统内部的计时器控制导通时间，产生用以断开开关管子电路的关闭信号；根据系统的负载要求，选择电感以及设置的导通时间，可以避免脉宽调制模式下的次谐波震荡，从而无需斜率补偿电路，进一步简化电路设计。
在具体实施例中，计时器通过时钟输入端口CTRL输入的时钟信号进行计时。电路可通过具体需要选择不同的时钟信号，以满足不同的计时时长，无需重新设计电路，降低了电路设计研发成本。
优选地，电路还包括驱动子电路，所述驱动子电路连接于所述触发器和所述开关管子电路，用于将所述触发器发送的触发信号PWM进行放大后发送至所述开关管子电路。驱动电路用于增强电路的驱动能力。
在具体实施例中，驱动电路包括至少两个串联的反相器。在另一些实施例中，驱动电路的驱动功能也可以通过现有技术中已有的其他电路结构完成。
优选地，如图1所示，所述滤波输出子电路包括连接于所述开关管子电路的电感L、电阻R、滤波电容C1和输出电容COUT；所述电感L的一端连接于所述开关管子电路、另一端连接于所述输出端；所述电阻R的一端连接于所述开关管子电路、另一端连接于所述滤波电容C1，所述滤波电容C1的另一端连接于所述输出端；所述输出电容COUT一端连接于所述输出端、另一端接地GND。
优选地，所述开关管子电路包括第一PMOS管P1和第一NMOS管N1，所述第一PMOS管P1和所述第一NMOS管N1连接于所述触发器，根据所述触发器发送的触发信号PWM接通所述第一PMOS管P1、关断所述第一NMOS管N1或关断所述第一PMOS管P1、接通所述第一NMOS管N1。
具体地，当触发器控制开关管子电路开启时，触发器接通所述第一PMOS管P1、关断所述第一NMOS管N1；当触发器控制开关管子电路关断时，触发器关断所述第一PMOS管P1、接通所述第一NMOS管N1。
优选地，所述第一PMOS管P1和所述第一NMOS管N1的栅极连接于所述驱动子电路；所述第一PMOS管P1的源极连接于电源VDD、漏极连接于所述滤波输出子电路中的电感L和电阻R；所述第一NMOS管N1的源极接地GND、漏极连接于所述第一PMOS管P1的漏极。
优选地，所述电路还包括峰值限制子电路，所述峰值限制子电路连接于所述驱动子电路，用于限制所述电感L电流的最大值。峰值限制子电路用于限制开关管子电路每一开启周期内流过电感L电流的最大值，以保护电感L连接的功率管。在正常工作状态时，触发器发送信号以使开关管子电路开启或关断；在过流时，第一PMOS管P1为开启状态，此时，若输入电流的峰值大于电感L电流的最大值，则峰值限制子电路会发送信号控制第一PMOS管P1提前关断，以保护开关管子电路的功率管。
优选地，所述电路还包括消磁检测子电路，所述消磁检测子电路连接于所述驱动子电路，用以当电感L电流为零时，发送关断信号以控制关断第一NMOS管N1。
本发明实施例的工作原理为：
如图1所示，当第一PMOS管P1导通时，点VX处的电压为VX=VDD-ILP* Rds_pmos，其中ILP为流过第一PMOS管P1的瞬时电流，Rds_pmos为第一PMOS管P1的导通阻抗，由于第一PMOS管P1处于线性区，Rds_pmos 很小可以忽略，因此此时VX≈VDD；电阻R两端存在压差，有电流通过电阻R流入滤波电容C1，采样电压VX_RC近似为线性升高；同时计时器开始计时，经过预设的固定时间以后，计时器发出关闭脉冲信号，触发器发送的信号翻低，第一PMOS管P1关闭，第一NMOS管N1开启，电感L开始退磁；
在电感L退磁期间，第一NMOS管N1导通，点VX处的电压为VX=GND-ILN* Rds_nmos，其中ILN为流过第一NMOS管N1的瞬时电流，Rds_nmos为第一NMOS管N1的导通阻抗，由于第一NMOS管N1处于线性区，Rds_nmos很小可以忽略，因此此时VX≈GND=0；电阻R两端存在压差，有电流通过电阻R流出滤波电容C1，采样电压VX_RC近似为线性降低；当采样电压VX_RC低于基准电压VREF时，比较器输出比较结果S，以使触发器发送的信号翻高，控制第一NMOS管N1关闭，第一PMOS管P1开启；
重复以上工作过程，以使电路输出端输出稳定的电压VOUT。
在系统稳定工作时，滤波电容C1在一个周期内充放电平衡、并要维持两端压差一致，因此采样电压VX_RC的平均值等于输出电压VOUT的平均值；
根据上述情况，可以计算滤波输出子电路产生的放电电流（这里取一阶线性近似，采样电压VX_RC近似为线性变化）：
电容放电阶段TOFF的电流：
Figure 289713DEST_PATH_IMAGE001
，其中R为电阻R的值，VOUT 为输出电压的值，
再根据电容充放电电流公式：
Figure 708188DEST_PATH_IMAGE002
，
可以计算出放电时间：
Figure 580329DEST_PATH_IMAGE003
，其中C1为滤波电容C1的值，△U为采 样电压VX_RC的峰峰值，△U=（VOUT-VREF）×2，其中VREF为基准电压的值；
而电容充电时间TON由计时器固定，于是可以计算出连续导通模式下的PWM开关周期：
Figure 42534DEST_PATH_IMAGE004
。
当负载较轻时，TOFF时间内，采样电压VX_RC线性下降很缓慢，TOFF时间很长，开关频率自然降低，进入断续导通模式，消磁检测子电路检测到电感电流降低至0，则会发送信号至开关管子电路以关闭第一NMOS管N1，此时，第一PMOS管P1和第一NMOS管N1都关闭，直到输出电压VOUT小于基准电压VREF时，比较器输出比较结果S至触发器，触发器输出信号控制第一PMOS管P1开启，以维持输出电压VOUT恒定；
当负载发生突变时，假设负载突然增大，采样电压VX_RC迅速降低到基准电压VREF以下，比较器立刻输出比较结果S至触发器，触发器输出信号翻高，控制第一PMOS管P1开启；经过一次TON时间后，若输出电压仍然未能回到正常值，采样电压VX_RC依然低于基准电压VREF，则再经过最小的TOFF时间后，第一PMOS再次导通；重复上述几个周期，即可将输出电压VOUT调制回正常值。负载突然减小的情况与上述调制过程相反。
由于负载电压的变化立刻反馈到电路内部比较器，立刻使开关管电路发生变化，而无需经过误差放大器，无需经过内部补偿电容的调整，因此电路对于负载的响应非常迅速，动态特性极好。
本发明实施例的恒压控制电路仅有外部电感L和输出电容COUT产生一对共轭极点，并通过输出电容COUT的ESR抵消其中一个极点，内部无需误差放大器，不会带来新的极点，因此电路没有稳定性问题。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种恒压控制电路，其特征在于，所述恒压控制电路包括滤波输出子电路、比较器、计时器、触发器、开关管子电路；所述滤波输出子电路连接于所述比较器，用于输出采样电压至所述比较器与基准电压进行比较；所述比较器将比较结果输入至所述触发器，所述计时器接收时钟信号进行计时、并发送计时信号至所述触发器，所述触发器根据比较结果或计时信号发送触发信号至所述开关管子电路，所述开关管子电路根据所述触发器发送的触发信号接通或断开滤波输出子电路，所述滤波输出子电路通过输出端输出稳定的电压。
2.根据权利要求1所述的恒压控制电路，其特征在于，所述电路还包括驱动子电路，所述驱动子电路连接于所述触发器和所述开关管子电路，用于将所述触发器发送的触发信号进行放大后发送至所述开关管子电路。
3.根据权利要求2所述的恒压控制电路，其特征在于，所述滤波输出子电路包括连接于所述开关管子电路的电感、电阻、滤波电容和输出电容；所述电感的一端连接于所述开关管子电路、另一端连接于所述输出端；所述电阻的一端连接于所述开关管子电路、另一端连接于所述滤波电容，所述滤波电容的另一端连接于所述输出端；所述输出电容一端连接于所述输出端、另一端接地。
4.根据权利要求3所述的恒压控制电路，其特征在于，所述电路还包括峰值限制子电路，所述峰值限制子电路连接于所述驱动子电路，用于限制所述电感电流的最大值。
5.根据权利要求3所述的恒压控制电路，其特征在于，所述开关管子电路包括第一PMOS管和第一NMOS管，所述第一PMOS管和所述第一NMOS管连接于所述触发器，根据所述触发器发送的触发信号接通所述第一PMOS管、关断所述第一NMOS管或关断所述第一PMOS管、接通所述第一NMOS管。
6.根据权利要求5所述的恒压控制电路，其特征在于，所述第一PMOS管和所述第一NMOS管的栅极连接于所述驱动子电路；所述第一PMOS管的源极连接于电源、漏极连接于所述滤波输出子电路中的电感和电阻；所述第一NMOS管的源极接地、漏极连接于所述第一PMOS管的漏极。
7.根据权利要求5所述的恒压控制电路，其特征在于，所述电路还包括消磁检测子电路，所述消磁检测子电路连接于所述驱动子电路，用以当所述电感电流为零时，发送关断信号以控制关断所述第一NMOS管。
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