CN112865497A - 不受占空比影响的斜波注入电路和开关电源误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

不受占空比影响的斜波注入电路和开关电源误差补偿方法，斜波注入电路中利用斜波电压产生模块在第一控制信号的控制下产生电压值线性上升的斜波电压，仅当第一控制信号从第一状态转变为第二状态时控制斜波电压的电压值复位至零；利用误差补偿模块采样斜波电压的峰值电压作为补偿电压，斜波注入电路将斜波电压减去补偿电压后作为最终斜波电压输出。将本发明应用于开关电源时，能够解决传统内部集成斜波注入电路的开关电源中由于斜波电压与开关电源中开关器件的工作占空比有关而引入的输出误差问题，并实现对斜波电压的峰值在系统上产生误差的补偿，使得不同占空比情况下开关电源的输出电压保持恒定，消除了开关电源的输出误差。

Description

不受占空比影响的斜波注入电路和开关电源误差补偿方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种具有误差补偿功能的斜波注入电路，特别是一种基于斜波复位和峰值采样的斜波注入电路，以及开关电源中采用本发明提出的斜波注入电路进行误差补偿的方法。

背景技术

随着技术发展，为满足市场需求，对开关电源的要求也越来越高，通常要求开关电源具有响应速度快等优点。固定导通时间的开关电源为了简化外围器件，减小输出纹波，在内部会集成斜波注入电路。如图1所示，传统内部集成斜波注入电路的固定导通时间开关电源中，斜波注入电路产生斜波电压Vripple并与参考电压Vref叠加后与开关电源输出电压Vout的反馈电压Vfb进行比较，根据比较结果进行脉冲宽度调制PWM。

但这种结构在不同的占空比情况下，注入的斜波不同，如图3所示，图3中(b)、(c)、(d)分别是三种不同占空比对应的斜波电压Vripple与参考电压Vref叠加后再与反馈电压Vfb进行比较的情况，图3中(a)是将图3中(b)、(c)、(d)三种情况画在一起的示意图，可以看出三种不同占空比对应的斜波电压Vripple不同，导致Vripple与Vref叠加的值不同，从而导致反馈电压Vfb的变化。

由于开关电源输出电压Vout＝Vfb*(R1+R2)/R1＝(Vref+Vripple)*(R1+R2)/R1，因此在不同的占空比情况下，反馈电压Vfb不同，开关电源的输出电压Vout也是不同的。可见传统的斜波注入电路会令开关电源引入输出误差，需要提出一种能够补偿输出误差的斜波注入电路。

发明内容

针对内部集成斜波注入电路的开关电源中由于斜波电压与开关电源中开关器件的工作占空比有关而引入的输出误差问题，本发明提出一种不受占空比影响的斜波注入电路，通过特殊的时序控制产生一个与开关电源中开关器件的工作占空比无关的斜波电压，再通过采样产生的斜波电压的峰值电压用于补偿误差。另外还提出一种将本发明的斜波注入电路应用于开关电源中的方案，消除开关电源的输出误差。

本发明提出的斜波注入电路技术方案为：

一种不受占空比影响的斜波注入电路，包括斜波电压产生模块和误差补偿模块；所述斜波电压产生模块用于在第一控制信号的控制下产生电压值线性上升的斜波电压，仅当第一控制信号从第一状态转变为第二状态时控制所述斜波电压的电压值复位至零；所述误差补偿模块用于采样所述斜波电压的峰值电压作为补偿电压，所述斜波注入电路将所述斜波电压减去所述补偿电压后作为最终斜波电压。

具体的，所述斜波电压产生模块包括时序控制单元和斜波产生单元；

所述时序控制单元用于根据所述第一控制信号产生第一脉冲信号，仅当所述第一控制信号从第一状态转变为第二状态时所述第一脉冲信号有效，否则所述第一脉冲信号无效；

所述斜波产生单元包括第一电容、第一开关、第二开关和电流源，第一电容的第一连接端接地，其第二连接端一方面通过第一开关后连接电流源，另一方面通过第二开关后接地；第一开关和第二开关由所述第一脉冲信号控制，所述第一脉冲信号有效时控制第一开关断开、第二开关导通，所述第一脉冲信号无效时控制第一开关导通、第二开关断开；第一电容的第二连接端输出所述斜波电压。

具体的，所述时序控制单元还用于根据所述第一控制信号产生第二脉冲信号，仅当所述第一控制信号从第一状态转变为第二状态时所述第二脉冲信号有效，否则所述第二脉冲信号无效，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号互不交叠且所述第二脉冲信号的有效状态早于所述第一脉冲信号的有效状态；

所述误差补偿模块包括第二电容和第三开关，第二电容的第一连接端接地，其第二连接端通过第三开关后连接第一电容的第二连接端；第三开关由所述第二脉冲信号控制，当所述第二脉冲信号有效时控制第三开关导通，当所述第二脉冲信号无效时控制第三开关断开，第二电容的第二连接端输出所述补偿电压。

具体的，所述时序控制单元包括第一非门、第二非门、第三非门、第一与门、第二与门和第三与门；第一非门的输入端连接第一与门的第一输入端和第二与门的第一输入端，其输出端连接第一与门的第二输入端和第二非门的输入端；第一与门的输出端产生所述第二脉冲信号；第二与门的第二输入端连接第二非门的输出端，其输出端连接第三非门的输入端和第三与门的第一输入端；第三与门的第二输入端连接第三非门的输出端，其输出端产生所述第一脉冲信号。

将本发明提出的斜波注入电路应用于开关电源中消除输出误差，技术方案如下：

开关电源误差补偿方法，所述开关电源将参考电压叠加斜波电压后的信号作为比较基准并用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，根据比较结果产生脉宽调制信号控制所述开关电源中开关器件的工作占空比；

所述开关电源中误差补偿方法为：

步骤一、所述开关电源中开关器件包括串联并接在供电电源和地之间的上功率管和下功率管，取上功率管和下功率管串联点的信号作为第一控制信号；

步骤二、令所述斜波电压的电压值线性上升，并且仅在所述第一控制信号从低电平转变为高电平时将所述斜波电压的电压值复位至零，使得所述斜波电压与所述开关电源中开关器件的工作占空比无关；

步骤三、采样所述斜波电压的峰值电压作为补偿电压，将所述参考电压叠加所述斜波电压并减去所述补偿电压后的信号作为最终的比较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，使得比较基准恒定，消除斜波电压带来的误差。

具体的，根据所述第一控制信号产生第一脉冲信号和第二脉冲信号，仅当所述第一控制信号从低电平转变为高电平时所述第一脉冲信号和第二脉冲信号有效，否则所述第一脉冲信号和第二脉冲信号无效，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号互不交叠且所述第二脉冲信号的有效状态早于所述第一脉冲信号的有效状态；所述步骤二中在所述第一脉冲信号有效时将所述斜波电压的电压值复位至零；所述步骤三中在所述第二脉冲信号有效时采样所述斜波电压的峰值电压。

本发明的有益效果为：本发明提出的斜波注入电路利用斜波复位技术产生一个与开关电源中开关器件的工作占空比无关的斜波电压，并通过对斜波电压Vripple的斜波峰值电压进行采样滤波获得补偿电压Vec，实现了对斜波电压Vripple的斜波峰值电压在系统上产生误差的补偿；将本发明应用于开关电源中，能够实现不同占空比情况下开关电源的输出电压保持恒定，消除了开关电源的输出误差。

附图说明

下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。

图1是传统集成斜波注入电路的开关电源示意图。

图2是现有的产生斜波电压的一种实现电路示意图。

图3是传统集成斜波注入电路的开关电源中在不同占空比下关键信号的波形图，其中(b)(c)(d)分别是三种占空比情况下由控制信号Vsw控制产生斜波电压Vripple并与参考电压Vref叠加后信号Vref+Vripple的波形图、以及对应反馈电压Vfb的波形图，图(a)为整合三种情况的的对比图，可以看出在不同的占空比情况下，开关电源的反馈电压Vfb不同，输出电压也不同，具有较大误差。

图4是将本发明提出的一种不受占空比影响的斜波注入电路应用在开关电源中的电路框图。

图5是将本发明提出的一种不受占空比影响的斜波注入电路应用在开关电源中的关键节点波形图，其中(b)(c)(d)分别是三种占空比情况下将参考电压Vref叠加斜波电压Vripple并减去补偿电压Vec后再与开关电源输出电压的反馈电压Vfb进行比较的波形图，图(a)为整合三种情况的的对比图，可以看出在不同的占空比情况下，其开关电源的反馈电压相同，即输出电压相同，由于斜波电压引入的误差得以补偿。

图6是本发明提出的一种不受占空比影响的斜波注入电路在实施例中的具体电路示意图。

图7是本发明提出的一种不受占空比影响的斜波注入电路中由第一控制信号Vsw产生第一脉冲信号Vswd和第二脉冲信号Vsh的时序图，以及由第一脉冲信号Vswd和第二脉冲信号Vsh控制产生斜波电压Vripple和采样斜波电压的峰值电压得到补偿电压Vec的波形图，可以看出补偿电压Vec能快速稳定到斜波电压Vripple的峰值。

图8是本发明提出的一种不受占空比影响的斜波注入电路中在不同占空比下关键信号的波形图，其中(b)(c)(d)分别是三种占空比情况下由第一控制信号Vsw控制产生的斜波电压Vripple以及产生的补偿电压Vec的波形图，图(a)为整合三种情况的的对比图，可以看出在不同的占空比情况下，斜波电压Vripple的峰值保持与补偿电压Vec相同，以补偿由于斜波电压引入的误差。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。比如控制信号的第一状态和第二状态可以互换，可以是第一状态表示高电平、第二状态表示低电平，也可以是第一状态表示低电平、第二状态表示高电平，不影响本发明技术方案的实现。

本发明提出的一种不受占空比影响的斜波注入电路包括斜波电压产生模块和误差补偿模块，其中斜波电压产生模块用于在第一控制信号Vsw的控制下产生电压值线性上升的斜波电压Vripple，控制逻辑为仅当第一控制信号Vsw从第一状态转变为第二状态时控制斜波电压Vripple的电压值复位至零，随后从零开始线性上升。如图6所示给出了斜波电压产生模块的一种实现结构，本实施例中斜波电压产生模块包括时序控制单元和斜波产生单元，时序控制单元用于根据第一控制信号Vsw产生第一脉冲信号Vswd，仅当第一控制信号Vsw从第一状态转变为第二状态时第一脉冲信号Vswd有效，控制斜波电压Vripple的电压值复位至零；否则第一脉冲信号Vswd无效，控制斜波电压Vripple电压值线性上升。

斜波产生单元在脉冲信号的控制下产生斜波电压Vripple，如图6所示，本实施例中斜波产生单元包括第一电容201、第一开关202、第二开关203和电流源204，第一电容201的第一连接端接地，其第二连接端一方面通过第一开关202后连接电流源204，另一方面通过第二开关203后接地；第一开关202和第二开关203由第一脉冲信号Vswd控制，第一脉冲信号Vswd有效时控制第一开关202断开、第二开关203导通，第一脉冲信号Vswd无效时控制第一开关202导通、第二开关203断开；第一电容201的第二连接端输出斜波电压Vripple。

本发明能够应用于开关电源，由于固定导通时间(包括固定关断时间)的开关电源中为了减小输出纹波往往有斜波注入需求，因此本发明尤其适用于固定导通时间的开关电源。在将本发明应用于固定导通时间的开关电源时，可以根据开关电源中上功率管106和下功率管107的连接处电压Vsw产生第一控制信号，比如图5所示实施例中直接取开关电源中上功率管106和下功率管107的连接处电压Vsw作为第一控制信号Vsw，因此本实施例中第一控制信号Vsw的第一状态为低电平，第二状态为高电平，脉冲信号在第一控制信号Vsw从低翻高时产生有效脉冲。

开关电源中，上功率管106和下功率管107串联并接在供电电源和地之间，其栅极驱动信号由PWM脉宽调制模块101控制，传统集成斜波电路的开关电源将参考电压Vref叠加斜波电压Vripple作为比较基准，再与开关电源输出电压的反馈电压Vfb进行比较，根据比较结果来调整PWM脉宽调制模块101，由于斜波电压Vripple根据上功率管106和下功率管107的连接处电压Vsw来产生，因此斜波电压Vripple与开关电源中开关器件的工作占空比有关，当开关电源中开关器件的工作占空比不同时叠加的斜波电压Vripple也不同，造成了比较基准的变化。

而本实施例中利用时序控制单元产生一个与第一控制信号V_SW上升沿对齐的第一脉冲信号Vswd以复位斜波，由于斜波总与开关电源的工作周期Tsw对齐，且工作周期不随占空比改变，故当占空比改变时本实施例产生的斜波电压Vripple不变，因此可以由误差补偿模块产生一个合适的直流电压Vec补偿斜波电压Vripple引入的误差。

本发明提出的误差补偿模块通过采样斜波电压Vripple的峰值电压作为补偿电压Vec，并将斜波电压Vripple减去补偿电压Vec得到的信号作为最终斜波电压并输出。如图5所示给出了误差补偿模块的一种实现结构，包括第二电容205和第三开关206，并且和斜波产生单元共用第一电容201和第一开关202，第二电容205的第一连接端接地，其第二连接端通过第三开关206后连接第一电容201的第二连接端；第二电容205的第二连接端输出斜波电压的峰值电压作为补偿电压Vec。本实施例中误差补偿模块与斜波电压产生模块共用第一电容201，再增加了一个第三开关206和第二电容205构成自采样并联开关电容滤波器，实现对斜波电压Vripple峰值电压的采样和开关电容滤波并输出Vec。

第三开关206由第二脉冲信号Vsh控制，第一脉冲信号Vswd和第二脉冲信号Vsh都是在第一控制信号Vsw上升沿产生的脉冲信号，且第一脉冲信号Vswd和第二脉冲信号Vsh互不交叠，第二脉冲信号Vsh的有效状态早于第一脉冲信号Vswd的有效状态，使得第二脉冲信号Vsh先有效用于采样斜波电压Vripple的峰值电压，随后第一脉冲信号Vswd有效用于复位斜波电压Vripple。

第一脉冲信号Vswd和第二脉冲信号Vsh由时序控制单元产生，如图6所示给出了时序控制单元在实施例中的一种具体实现电路，本实施例中时序控制单元包括第一非门210、第二非门212、第三非门214、第一与门211、第二与门213和第三与门215；第一非门210的输入端连接第一与门211的第一输入端和第二与门213的第一输入端，其输出端连接第一与门211的第二输入端和第二非门212的输入端；第一与门211的输出端产生第二脉冲信号Vsh；第二与门213的第二输入端连接第二非门212的输出端，其输出端连接第三非门214的输入端和第三与门215的第一输入端；第三与门215的第二输入端连接第三非门214的输出端，其输出端产生第一脉冲信号Vswd。

将本发明应用于开关电源中时，可以将斜波电压Vripple连接到比较器102的一个正向输入端，将补偿电压Vec连接到比较器102的一个负向输入端，如图4所示，比较器102的另一个正向输入端连接参考电压Vref，比较器102的另一个负向输入端连接输出电压经过电阻分压后的反馈电压Vfb，使得参考电压Vref叠加初始的斜波电压Vripple并减去补偿电压Vec后的信号作为新的比较基准与反馈电压Vfb进行比较。

如图5所示是将新的比较基准Vref+Vripple-Vec与反馈电压Vfb进行比较的波形图，图5中(b)、(c)、(d)分别是三种不同占空比对应的新的比较基准Vref+Vripple-Vec与反馈电压Vfb的比较情况，图5中(a)是将图5中(b)、(c)、(d)三种情况画在一起的示意图，可以看出三种不同占空比对应的斜波电压Vripple结合补偿电压Vec后得到的新的比较基准与反馈电压Vfb的比较结果是相同的，因此不同占空比对应的反馈电压Vfb是相同的，开关电源的输出电压Vout也相同，实现了对斜波电压引入误差的补偿。

由于补偿电压Vec为斜波电压Vripple的峰值滤波得到，故稳定时有Vripple＝Vec，使得斜波引入的误差得以补偿。又由于斜波总与工作周期Tsw对齐，且工作周期不随占空比改变，故当占空比改变时斜波峰值不变，无需误差补偿电路调整输出电压，这样就加快了系统的响应速度。

综上所述，本发明基于斜波复位技术，产生一个与开关电源中开关器件的工作占空比无关的斜波电压，同时误差补偿模块通过采样斜波电压Vripple的峰值得到补偿电压，将该斜波电压减去补偿电压得到最终的斜波电压，实施例中虽然给出斜波电压产生模块和误差补偿模块的具体结构，但本领域技术人员应当知晓，其余能够实现相同作用的结构都可以适用本发明，本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种不受占空比影响的斜波注入电路，其特征在于，包括斜波电压产生模块和误差补偿模块；所述斜波电压产生模块用于在第一控制信号的控制下产生电压值线性上升的斜波电压，仅当第一控制信号从第一状态转变为第二状态时控制所述斜波电压的电压值复位至零；所述误差补偿模块用于采样所述斜波电压的峰值电压作为补偿电压，所述斜波注入电路将所述斜波电压减去所述补偿电压后作为最终斜波电压。

2.根据权利要求1所述的不受占空比影响的斜波注入电路，其特征在于，所述斜波电压产生模块包括时序控制单元和斜波产生单元；

所述时序控制单元用于根据所述第一控制信号产生第一脉冲信号，仅当所述第一控制信号从第一状态转变为第二状态时所述第一脉冲信号有效，否则所述第一脉冲信号无效；

所述斜波产生单元包括第一电容、第一开关、第二开关和电流源，第一电容的第一连接端接地，其第二连接端一方面通过第一开关后连接电流源，另一方面通过第二开关后接地；第一开关和第二开关由所述第一脉冲信号控制，所述第一脉冲信号有效时控制第一开关断开、第二开关导通，所述第一脉冲信号无效时控制第一开关导通、第二开关断开；第一电容的第二连接端输出所述斜波电压。

3.根据权利要求2所述的不受占空比影响的斜波注入电路，其特征在于，所述时序控制单元还用于根据所述第一控制信号产生第二脉冲信号，仅当所述第一控制信号从第一状态转变为第二状态时所述第二脉冲信号有效，否则所述第二脉冲信号无效，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号互不交叠且所述第二脉冲信号的有效状态早于所述第一脉冲信号的有效状态；

所述误差补偿模块包括第二电容和第三开关，第二电容的第一连接端接地，其第二连接端通过第三开关后连接第一电容的第二连接端；第三开关由所述第二脉冲信号控制，当所述第二脉冲信号有效时控制第三开关导通，当所述第二脉冲信号无效时控制第三开关断开，第二电容的第二连接端输出所述补偿电压。

4.根据权利要求3所述的不受占空比影响的斜波注入电路，其特征在于，所述时序控制单元包括第一非门、第二非门、第三非门、第一与门、第二与门和第三与门；第一非门的输入端连接第一与门的第一输入端和第二与门的第一输入端，其输出端连接第一与门的第二输入端和第二非门的输入端；第一与门的输出端产生所述第二脉冲信号；第二与门的第二输入端连接第二非门的输出端，其输出端连接第三非门的输入端和第三与门的第一输入端；第三与门的第二输入端连接第三非门的输出端，其输出端产生所述第一脉冲信号。

5.开关电源误差补偿方法，所述开关电源将参考电压叠加斜波电压后的信号作为比较基准并用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，根据比较结果产生脉宽调制信号控制所述开关电源中开关器件的工作占空比；

其特征在于，所述开关电源中误差补偿方法为：

步骤一、所述开关电源中开关器件包括串联并接在供电电源和地之间的上功率管和下功率管，取上功率管和下功率管串联点的信号作为第一控制信号；

步骤二、令所述斜波电压的电压值线性上升，并且仅在所述第一控制信号从低电平转变为高电平时将所述斜波电压的电压值复位至零，使得所述斜波电压与所述开关电源中开关器件的工作占空比无关；

步骤三、采样所述斜波电压的峰值电压作为补偿电压，将所述参考电压叠加所述斜波电压并减去所述补偿电压后的信号作为最终的比较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，使得比较基准恒定，消除斜波电压带来的误差。

6.根据权利要求5所述的开关电源误差补偿方法，其特征在于，根据所述第一控制信号产生第一脉冲信号和第二脉冲信号，仅当所述第一控制信号从低电平转变为高电平时所述第一脉冲信号和第二脉冲信号有效，否则所述第一脉冲信号和第二脉冲信号无效，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号互不交叠且所述第二脉冲信号的有效状态早于所述第一脉冲信号的有效状态；所述步骤二中在所述第一脉冲信号有效时将所述斜波电压的电压值复位至零；所述步骤三中在所述第二脉冲信号有效时采样所述斜波电压的峰值电压。

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