CN114024441A - 一种自适应负载的降频控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自适应负载的降频控制电路，包含：锯齿波发生器模块、降频补偿器模块、降频比较器模块、选频器模块、两个输入端和一个输出端；其中第一输入端接收反映变换器的电感电流过零点的信号ZCD，第二输入端接收反映输出电流信息的信号Vio；输出端输出置位信号VSET。本发明的降频控制电路可根据输出电流的大小适当的调节开关管开关频率：当负载较大即输出电流大于某一阈值时，降频信号不影响开关管正常工作状态；当低于某一阈值，开始实现降频，频率大小由输出电流的大小决定，输出电流越小则频率越低，最终实现随负载减小程度成比例降频的效果。

Description

一种自适应负载的降频控制电路
技术领域
本发明涉及开关电源，特别是涉及一种自适应负载的降频控制电路。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，人们对开关变换器的小体积、高效率和高可靠性要求逐渐提升。针对高效率的要求，单个开关电源对应不同负载情况一种工作状态往往是不够的。
准谐振变换器，如准谐振反激变换器，通过检测电感电流过零点，经过一定的延时之后可以实现开关管的谷底导通，从而降低开关损耗，提升变换器效率。但是准谐振变换器工作频率会随负载降低而上升，显著增加开关损耗，导致变换器效率难以提升。
对于轻载工作状态，传统的控制器采用根据控制环路的补偿电路生成的补偿信号实现降频。通常而言，针对补偿信号设计一个降频阈值。当负载降低，补偿信号随之降低，当补偿信号低于该降频阈值时，变换器进入降频模式。但是传统控制器的补偿信号不仅与负载有关，还与输入电压有关。所以很难在全电压范围内得到优化的降频曲线，影响了电路全电压和全负载范围的平均效率。具体解释如下：负载一致情况下，高输入电压下的补偿信号远低于低输入电压。因此，补偿信号的降频阈值必须按照高输入电压情况的补偿信号来设计，补偿信号的降频阈值较低。因此，低输入电压下，满载到轻载变换时，补偿信号降低，直到补偿信号低于降频阈值，变换器进入降频模式。导致在很长一段负载区间内，准谐振变换器工作频率反而随负载降低而增加，使得变换器效率降低。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种自适应负载的降频控制单元，可根据输出电流的大小适当的调节开关管开关频率。当负载较大即输出电流大于某一阈值时，降频信号不影响开关管正常工作状态；当低于某一阈值，开始实现降频，频率大小由输出电流的大小决定，输出电流越小则频率越低，最终实现随负载减小程度成比例降频的效果。
本发明的提供一种自适应负载的降频控制电路，包含：锯齿波发生器模块、降频补偿器模块、降频比较器模块、选频器模块、两个输入端和一个输出端；，其中第一输入端接收反映变换器的电感电流过零点的信号ZCD，第二输入端接收反映输出电流信息的信号Vio；输出端输出置位信号VSET。
所述锯齿波发生器模块根据所述选频器输出的VSET信号产生锯齿波信号Vramp。产生方法为，当VSET信号切换为高电平，Vramp电压开始线性上升，当VSET信号为低电平，Vramp电压复位，由此生成周期性的锯齿波。
所述降频补偿器模块接收反映输出电流信息的信号Vio，产生所述降频比较器的基准信号Vref1-Vio，输出给降频比较器模块；其中Vref1为降频补偿器模块内部预设的参考电压信号。
所述降频比较器模块接收的所述降频补偿器模块产生的基准信号Vref1-Vio与所述锯齿波发生器模块产生锯齿波信号Vramp，输出降频ST信号。
ZCD信号是降频控制电路输入的反映电感电流过零点的信号，所述选频器ZCD信号与所述降频比较器模块生成的降频ST信号，输出置位信号VSET。
优选地，所述的锯齿波发生器模块包括：电流源Iramp1，电容Cramp1和开关S1；
电流源Iramp1与电容Cramp1并联，电流源Iramp1正极为输出端，负极接地；
开关S1为受控开关，受控端与选频器模块的输出端电连接，开关S1与电流源Iramp1并联；降频比较器的输出信号ST作为开关S1的控制信号发生器。在开关S1关断时，电流源Iramp1给电容Cramp1充电；开关S1导通时，电容Cramp1快速放电至零，形成锯齿波信号Vramp。
优选地，所述的降频补偿器模块为一个减法器，减法器的正输入端接收参考电压信号Vref1，负输入端接收信号Vio，输出端与降频比较器模块电连接；在模拟电路上采用差分运放电路搭建。所述降频补偿器模块输出信号Vref1-Vio，负载越轻时，降频补偿器模块的输出信号幅值越大。
优选地，所述的降频比较器模块采用一个比较器U1，比较器U1的正极与锯齿波发生器模块的输出端电连接，负极与降频补偿器模块的输出端电连接，输出端与选频器模块的第二输入端电连接；当Vramp>Vref1-Vio，比较器U1的输出为高电平，反之为低电平。比较器U1输出波形为降频ST信号，表现为一系列单脉冲信号。
所述的选频器模块采用一个与门U2，与门U2的第一输入端接收ZCD信号，第二输入端与降频比较器模块的输出端电连接，输出端输出置位信号VSET。
优选地，为了实现变换器开关管谷底开通，可在反映电感电流过零点的信号ZCD之后加入一个延时环节。
本发明的有益效果在于：本发明的降频控制单元可应用于现有各种电源变换器拓扑的控制器中，根据得到的负载电流值实现变换器自适应降频，降频初始点可精确地与设定的负载值相关，不受输入电压变化的影响，有利于变换器全负载范围的效率优化。
附图说明
图1示出本发明的自适应负载大小的降频控制电路结构框图；
图2示出本发明的自适应负载大小的降频控制电路的具体实施例示意图；
图3示出本发明的自适应负载大小的降频控制电路的具体实施例应用原理图；
图4示出本发明的自适应负载大小的降频控制电路的具体实施例中的关键波形；
图中：101、锯齿波发生器模块，102、降频补偿器模块，103、降频比较器模块，104、选频器。
具体实施方式
本文没有详细描述公知的实施方式和操作手段，以免混淆本发明的各种技术实施方案，但是对本领域的技术人员而言，缺乏一个或者多个具体的细节或者组件，不影响对本发明的理解以及实施。
参见图1，本发明的降频控制电路包括锯齿波发生器模块101、降频补偿器模块102、降频比较器模块103、选频器104。
本发明降频控制单元含两个输入端，分别接收反映变换器的电感电流过零信息的信号ZCD、反映变换器的输出电流信息的信号Vio，以及一个输出端，输出置位信号VSET。
锯齿波发生器模块101根据选频器输出的VSET信号产生锯齿波信号Vramp。具体实现方法为：当VSET信号切换为高电平，Vramp电压开始线性上升，当VSET信号为低电平，Vramp电压复位，由此生成一系列周期性的锯齿波。
降频补偿器模块102接收反映输出电流信息的信号Vio，产生降频比较器的基准信号Vref1-Vio，输出给降频比较器模块103；
降频比较器模块103根据接收的基准信号Vref1-Vio与锯齿波发生器模块101产生Vramp产生降频ST信号，具体实现方法为，当Vramp大于Vref1-Vio时，ST信号为高电平，反之则为低电平。
选频器104根据降频控制电路输入的反映电感电流过零点的信号ZCD与内部生成的降频ST信号，输出置位信号VSET，以实现跟随负载降频的效果。
图2示出了本发明的降频控制单元的一个具体实施例，其中：
锯齿波模块101包括电流源Iramp1，电容Cramp1和开关S1。电流源Iramp1，电容Cramp1和开关S1并联连接，一端接地，另一端接到比较器U6的正输入端，输出锯齿波信号Vramp。降频比较器的输出信号ST同时也是开关S1的控制信号发生器。在开关S1关断时，电流Iramp1给电容Cramp1充电；开关S1导通时，电容Cramp1快速放电至零，形成锯齿波信号Vramp。如图4波形四所示。
降频补偿器模块102由一个减法器U3构成，在模拟电路上可采用差分运放电路实现。减法器U3的负输入端接收外部输入的负载电流信号Vio，其正输入端接收内置的基准电压信号Vref1，输出信号Vref1-Vio。图4示出了重载切换到轻载过程中的变换器关键波形，负载减轻时Vref1-Vio提高，使得ST信号的产生滞后。
降频比较器模块U1的负输入端接降频补偿器模块102的输出端，即Vref1-Vio信号，正输入端接收锯齿波发生器101输出的锯齿波信号Vramp，当Vramp>Vref1-Vio，比较器U6的输出为高电平，反之为低电平。比较器U1输出波形为降频ST信号，表现为一系列单脉冲信号，如图4所示。
选频器采用与门U2实现，与门一端接电感电流经过零检测电路获得的ZCD信号，另一端接降频ST信号，输出置位信号VSET。
参考图3所示为依据本发明的一个具体应用实施例。其中，本发明的降频控制电路与补偿电路、复位模块以及RS触发器构成了变换器的控制器。
所述应用实施例以降压型开关电源(Buck电路)为例，所述降压型开关电源包括功率开关管Q、整流管D、电感L以及输入/输出滤波电容器Cin和Co。所述控制器接收电感电流信号ViL、输出电流信号Vio，输出电压反馈信号VFB。
开关信号产生电路由SR触发器以及置位信号VSET和复位信号VRESET产生。本实施例置位信号VSET的产生如下：从变换器获得的电感电流信号ViL，经过零检测模块获得ZCD信号。其中，过零检测模块可采用一个正输入端接地，负输入端接ViL的滞回比较器实现。将ZCD信号输入本发明的自适应降频电路，产生置位信号VSET。VSET的具体产生将在下文结合图4实施例中的关键波形进行介绍。
复位信号VRESET的产生如下：通过并联变换器输出端口的分压电阻获得所述输出电压反馈信号VFB,通过误差放大电路获得所述补偿控制信号VCOMP，误差放大电路一般选择运算放大器以及电阻电容等器件搭建的补偿网络。复位模块有多种实现方式，如峰值电流控制、恒导通控制(COT)等。
图4所示实施例中的关键波形反映了负载从重载切换到轻载的时序波形，左侧运行在重载工作模式，工作于电感电流临界连续(BCM)模式；右侧是轻载工作模式，工作于电感电流断续(DCM)模式。
其中，ZCD信号是ViL经过零检测模块获得的。在BCM模式下，ZCD信号表现为电感电流过零瞬间的单脉冲；DCM模式下，在电流断续的时间段(图中Td时间段)，由于二极管D寄生电容的存在，电感L与二极管D的寄生电容，谐振ViL在零点上下振荡，同样可以触发过零检测信号，故ZCD信号表现为一串脉冲信号。在ZCD高电平经过一小段延时之后即可实现变换器开关管谷底导通，降低开关损耗。由于控制线路上通常会有一定的延时，因此不需要加入额外延时。某些情况下，也可以在ZCD信号之后引入一延时环节。
如图4的波形所示，当VSET为高电平时，附图3中的锯齿波发生模块101中的开关S1导通时，电容Cramp1快速放电至零，结束一个锯齿波周期。当VSET变为低电平后，开关S1关断时，电流源Iramp1给电容Cramp1充电，形成周期性锯齿波。
图2中降频比较器的两个输入信号为锯齿波Vramp和Vref1-Vio，其中锯齿波Vramp由自锯齿波模块101产生，充当载波；而降频补偿器模块102的输出Vref1-Vio充当调制波。重载时，负载电流信号Vio较大，而Vref1为一定值，所以Vref1-Vio电压较低，锯齿波在VSET出现高电平之前就已经达到调制波Vref1-Vio幅值，比较器U1输出表现为一个宽度大于等于ZCD脉宽的脉冲波ST信号。ST信号和ZCD信号经过与门生成降频信号VSET。所以重载时，ST与ZCD同步，VSET与ViL的第一个过零信号同步。可见，重载时本发明的控制器不影响开关频率。轻载时，负载电流信号Vio较小，而Vref1为一定值，所以Vref1-Vio电压幅值较高，锯齿波达到Vref1-Vio的幅值所需时间较长，使得比较器输出的ST信号高电平之间区间变长，对应的VSET周期变小，变换器进入降频模式，即DCM模式。
结合图4波形，以恒导通时间控制(COT)为例介绍复位模块的实现方式之一。COT控制的复位模块接收输出电压反馈信号VFB通过误差放大电路获得所述补偿控制信号VCOMP以及置位信号VSET，输出复位信号VRESET。所述复位模块内置一个三角波发生器、比较器以及取前沿电路，三角波发生器在置位信号VSET高电平结束时开始产生三角波VCOT_ramP，该三角波在比较器输出为高电平后复位为0。比较器正输入端接收VCOMP，负输入接收VCOT_ramP。当VCOT_ramP幅值达到VCOMP时，比较器输出高电平。其后VCOT_ramP被置位到零，比较器输出变为低电平。因此比较器输出为一个固定脉宽的窄脉冲，即为复位信号VRESET。RS触发器根据接收的置位信号VSET和复位信号VRESET，产生变换器开关管的控制脉冲信号VG。
根据上述分析可知，变换器进入降频的初始点与设置的基准值Vref1以及负载信息Vio相关，二者决定了变换器在多少负载下开始进入降频模式。
以上所述的具体实施方式、方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种自适应负载的降频控制电路，其特征在于，包括：锯齿波发生器模块、降频补偿器模块、降频比较器模块、选频器模块、两个输入端和一个输出端；
其中第一输入端接收反映变换器的电感电流过零点的信号ZCD，第二输入端接收反映输出电流信息的信号Vio；输出端输出置位信号VSET；
所述锯齿波发生器模块输入端与述选频器模块的输出端电连接，锯齿波发生器模块根据选频器模块输出的VSET信号产生锯齿波信号Vramp；
降频补偿器模块输入端接受信号Vio，输出端与降频比较器模块的第二输入端电连接，降频补偿器模块用于产生降频比较器的基准信号Vref1-Vio；
降频比较器模块的第一输入端与锯齿波发生器模块的输出端电连接，输出端与选频器模块的第二输入端电连接，降频比较器模块根据降频补偿器模块产生的基准信号Vref1-Vio与锯齿波发生器模块产生锯齿波信号Vramp，输出降频ST信号；
选频器模块的第一输入端接受ZCD信号，选频器模块根据ZCD信号与的降频ST信号，输出置位信号VSET。
2.根据权利要求1所述的一种自适应负载的降频控制电路，其特征在于，所述的锯齿波发生器模块包括：电流源Iramp1，电容Cramp1和开关S1；
电流源Iramp1与电容Cramp1并联，电流源Iramp1正极为输出端，负极接地；
开关S1为受控开关，受控端与选频器模块的输出端电连接，开关S1与电流源Iramp1并联；所述的降频补偿器模块为一个减法器，减法器的正输入端接收基准信号Vref1，负输入端接收信号Vio，输出端与降频比较器模块电连接；
所述的降频比较器模块采用一个比较器U1，比较器U1的正极与锯齿波发生器模块的输出端电连接，负极与降频补偿器模块的输出端电连接，输出端与选频器模块的第二输入端电连接；
所述的选频器模块采用一个与门U2，与门U2的第一输入端接收ZCD信号，第二输入端与降频比较器模块的输出端电连接，输出端输出置位信号VSET。
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