CN114337266B - 开关电源及用于开关电源的控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关电源及用于开关电源的控制电路。所述控制电路除了误差放大模块、PWM比较模块以及软启动电压发生模块之外，还包括限幅模块，所述限幅模块用于根据软启动参考电压限制误差放大信号的幅度，使所述误差放大模块输入所述PWM比较模块的信号幅度较好地跟随软启动信号而平稳变化，降低开关电源启动时由于直流环路的建立过程而导致的输出电压和电感电流过冲的风险，提高电源系统启动的稳定性和安全性，并且直流环路的建立速度加快。

Description

开关电源及用于开关电源的控制电路
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种用于开关电源的控制电路以及一种开关电源。
背景技术
误差放大器(EA，error amplifier)是开关电源的电源系统中常用的反馈调节模块，这类开关电源通常利用包含误差放大器、滤波网络及脉宽调制等模块的直流环路形成负反馈来调节输出的电压，可以有效消除因为加工引入的随机失调及因为设计引入的失调等，实现精准的输出电压控制。
在开关电源的上电过程中，对片外电容的快速充电，会在片内电感中产生很大的浪涌电流，这个电流可能会导致启动阶段的过冲现象，容易使电路工作不正常，甚至损坏。为了解决这个问题，目前大多数开关电源都拥有软启动(soft-start)的功能。在软启动过程中，系统会先限制输出的电压、电流或者功率到比较低的值，再将该限制逐步解除。
但是现有的开关电源在刚开始启动时，由于负反馈环路刚刚开始建立，目前的软启动设计难以将失调电压校准，误差放大器输出的信号往往偏离其平衡位置或者发生饱和，如果直接将误差放大器的输出接入直流环路，会导致输出纹波较大，产生输出电压和电感电流的过冲。
发明内容
为了避免在启动阶段开关电源的输出电压和电感电流产生过冲，提升电源系统的稳定性和安全性，本发明提供一种用于开关电源的控制电路，另外还提供一种开关电源。
一方面，本发明提供一种用于开关电源的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：
误差放大模块，一个输入端接入一反馈电压，另一个输入端接入一参考电压，所述误差放大模块输出一误差放大信号；
软启动电压发生模块，用于产生一幅值逐渐增大的软启动参考电压；
限幅模块，用于根据所述软启动参考电压限制所述误差放大信号的幅度；以及
PWM比较模块，第一输入端接收所述限幅后的误差放大信号，第二输入端接收一高频信号，所述PWM比较模块输出一PWM信号；
其中，所述反馈电压表征所述开关电源的输出电压、输出电流或输出功率，所述PWM信号用于控制所述开关电源的工作。
可选的，所述误差放大模块还包括滤波电路，所述误差放大信号经所述滤波电路进行低通滤波处理。
可选的，所述限幅模块包括在所述误差放大模块的输出端设置的可变增益级，所述可变增益级根据所述软启动参考电压调整其增益。
可选的，所述限幅模块还包括一受控电流源；所述受控电流源受控于所述软启动参考电压，并向所述可变增益级输出偏置电流，所述可变增益级由偏置电流控制增益大小，随着所述偏置电流逐渐增大，所述可变增益级的增益逐渐增大。
可选的，所述限幅模块还包括一受控电流源；所述受控电流源受控于一偏置电压，并向所述可变增益级输出偏置电流，所述可变增益级由偏置电流控制增益大小，随着所述偏置电流逐渐增大，所述可变增益级的增益逐渐增大。
可选的，所述偏置电压信号的变化趋势与所述软启动参考电压的变化趋势相同。
可选的，所述限幅模块包括在所述误差放大模块的输出端设置的乘法器，所述乘法器接收所述误差放大信号和一偏置电压信号，并输出所述误差放大信号和所述偏置电压信号的乘积至所述PWM比较模块的第一输入端。可选的，所述偏置电压信号的变化趋势与所述软启动参考电压的变化趋势相同。
可选的，所述限幅模块包括在所述误差放大模块的偏置电流端设置的可变电流源，所述可变电流源根据所述软启动参考电压调整其输出电流的幅值，进而控制所述误差放大器输出的电压和电流的幅值。可选的，所述可变电流源的输出电流的变化趋势与所述软启动参考电压的变化趋势相同。
一方面，本发明提供一种开关电源，所述开关电源包括上述控制电路。
可选的，所述开关电源采用软启动方式开始工作，所述开关电源的输出电压、输出电流或输出功率逐渐增加至目标值。
本发明提供的用于开关电源的控制电路除了误差放大模块、PWM比较模块以及软启动电压发生模块之外，还包括限幅模块，所述限幅模块用于根据软启动参考电压限制误差放大信号的幅度，限制了所述开关电源在软启动的期间由所述误差放大模块输入所述PWM比较模块的信号幅度，使所述信号幅度较好地跟随软启动参考电压而平稳变化，减少开关电源启动时输出电压和电感电流的过冲，提高电源系统启动的稳定性和安全性，并且直流环路的建立速度加快。本发明提供的开关电源具有类似的优点。
附图说明
图1是本发明一实施例的用于开关电源的控制电路的示意图。
图2是本发明另一实施例的用于开关电源的控制电路的示意图。
图3是本发明又一实施例的用于开关电源的控制电路的示意图。
图4是本发明又一实施例的控制电路的具体电路示意图。
图5是本发明另一实施例的用于开关电源的控制电路的示意图。
图6是一种现有的开关电源在软启动期间的电感电流波形和输出电压波形示意图。
图7是采用本发明实施例控制电路的开关电源在软启动期间的电感电流波形和输出电压波形示意图。
图8是本发明一实施例的开关电源的示意图。
附图标记说明：
110-误差放大模块；120-PWM比较模块；130-软启动电压发生模块；140-限幅模块；141-偏置电压模块；150-驱动控制模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的开关电源及及用于开关电源的控制电路作进一步详细说明。根据下面的说明，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。
为了避免开关电源在启动阶段发生过冲，提升系统的稳定性和安全性，本发明通过限制直流环路中误差放大(EA)模块输出端或者PWM比较模块(亦称主比较模块)的输入端在启动阶段的信号幅度，可以有效解决该问题。以下通过具体实施例进行说明。
本发明实施例包括一种用于开关电源的控制电路。该开关电源可采用非隔离降压(Buck)拓扑、非隔离升压(Boost)拓扑、非隔离升降压(Buck-boost)拓扑以及隔离反激式(Flyback)拓扑中的一种。该开关电源例如采用COT(constant on-time，恒定导通时间)控制模式进行控制，COT控制模式的环路简单，对外围器件依赖较少，有助于提升板级集成度，同时响应速度快，轻载效率高。以下以降压型DC-DC变换器为例进行说明。所述控制电路例如被制造为控制芯片，所述控制电路也可以与所述开关电源的其它部分集成为一个芯片。
图1是本发明一实施例的用于开关电源的控制电路的示意图。图2是本发明另一实施例的用于开关电源的控制电路的示意图。参照图1和图2，该控制电路包括误差放大模块110、PWM比较模块120、软启动电压发生模块130以及限幅模块140。具体的，所述误差放大模块110的一个输入端接入开关电源的反馈电压VFB，另一个输入端接入一参考电压Vref，所述误差放大模块110输出一误差放大信号，所述反馈电压VFB表征所述开关电源的输出电压、输出电流或输出功率。所述PWM比较模块120的第一输入端连接所述误差放大模块110的输出端(即接收限幅后的误差放大信号)，PWM比较模块120的第二输入端接收一高频信号，所述PWM比较模块120输出一PWM信号，所述PWM信号用于控制所述开关电源的工作。所述软启动电压发生模块130用于产生一幅值逐渐增大的软启动参考电压Vref，送入直流环路中作为参考值，以实现开关电源的软启动；所述限幅模块140用于根据软启动参考电压Vref限制所述误差放大信号的幅度(即限制了由所述误差放大模块110输入所述PWM比较模块120的信号幅度)。通过所述限幅模块140限制所述误差放大模块110输入所述PWM比较模块120的信号幅度，可以避免软启动期间(尤其是软启动的初始阶段)产生电感电流和输出电压的过冲。
本发明实施例的用于开关电源的控制电路中，误差放大模块110、PWM比较模块120、软启动电压发生模块130的具体电路可以采用本领域已知的设计。所述误差放大模块110可包括滤波电路，误差放大模块110输出的误差放大信号可以是经所述滤波电路进行低通滤波处理后的信号。具体的，如图1和图2所示，所述误差放大模块包括一误差放大器EA和一滤波电路(Filters)，所述误差放大器EA接收所述开关电源的反馈电压VFB和软启动参考电压Vref，此处以所述误差放大器EA输出的放大信号经所述滤波电路处理后的信号作为所述误差放大模块110输出的误差放大信号。所述误差放大模块110的输出端与PWM比较模块120的第一输入端连接，PWM比较模块120的第二输入端可以接入一高频信号(如高频三角波信号)，则通过PWM比较模块120，可以产生一个占空比与所述误差放大模块110输出的误差放大信号大小相关的PWM信号。该PWM信号例如为方波信号，所述PWM信号例如用于生成开关电源的控制信号，控制所述开关电源中功率开关器件的动作。
所述软启动电压发生模块130可以采用本领域已知的数字或模拟电路设计。作为示例，本发明实施例的所述软启动电压发生模块130可包括D触发器、边沿检查电路、T触发器等数字电路和数模转换器DAC等元件，形成逐渐增大的软启动参考电压Vref，所述软启动参考电压Vref的值可以为连续变化的，也可以是台阶状增大。如图1和图2所示，软启动电压发生模块130的软启动参考电压Vref的波形呈台阶上升状，取值范围为[0，Vtarget]。将软启动电压发生模块130的软启动参考电压Vref作为与反馈电压VFB作比较的参考电压。
图1和图2所示的实施例的主要区别在于限幅模块140的设置不同。如图1所示，一实施例中，限幅模块140设置于误差放大模块110的偏置电流端，以直接对误差放大模块110的偏置电流进行控制，进而控制误差放大模块110的输出的信号幅度。具体的，该实施例中，所述限幅模块140可包括一可变电流源(未示出)，所述可变电流源用于输出一稳定增加的电流信号，所述电流信号根据所述软启动参考电压Vref调整其幅值，并作为所述误差放大模块110的偏置电流。文中“稳定增加”指增加速度的变化配合软启动过程，以达到避免电压和电流过冲的效果，具体设定范围可根据具体电路进行设置。该实施例中，通过限制所述误差放大模块110的偏置电流，可以限制所述误差放大模块110输出端的信号幅度，即限制了PWM比较模块120的第一输入端的输入信号的幅度，从而达到减小开关电源在启动阶段的输出电压纹波以及避免发生电感电流过冲的目的。如图2所示，一实施例中，限幅模块140设置于误差放大模块110的输出端一侧，以直接控制误差放大模块110的输出端(电流或者电压)的信号幅度。如图2所示，该实施例中，所述限幅模块140可包括在所述误差放大模块110的输出端设置的乘法器(Multiplier)，并利用所述乘法器调节由误差放大模块110输入PWM比较模块120的信号幅度。所述乘法器的一个输入端连接所述误差放大模块110的输出端，另一个输入端接收所述软启动参考电压Vref，通过乘法操作使得输入到PWM比较模块120的第一输入端的信号幅值随所述软启动参考电压Vref增大而逐渐增大，从而达到减小开关电源在启动阶段的输出电压纹波以及避免发生电感电流过冲的目的。
图3是本发明一实施例的采用可变增益级作为限幅模块的控制电路的示意图。参照图3，本发明一实施例的用于开关电源的控制电路中，限幅模块140包括在所述误差放大模块110的输出端设置的可变增益级，所述可变增益级(即图中的“Gain stage”)由偏置电流(Bias Current)控制其输出信号的增益大小，在开关电源的软启动阶段，使所述可变增益级的偏置电流随着参考电压Vref从0(或者某个比较小的值)开始逐步增加到一目标值，从而使得输入到PWM比较模块120的第一输入端的信号幅值从0(或者某个比较小的值)开始逐步增加到设定值，避免软启动开始阶段产生过大的电压纹波和电流过冲。
如图3所示，所述限幅模块140可包括一压控电流源VCCS，所述压控电流源VCCS接收一稳定增加的电压信号，并向所述可变增益级输出相应的偏置电流信号，随着所述偏置电流信号逐渐增大到目标值，所述可变增益级的输出幅值达到一设定值。所述压控电流源VCCS接收的稳定增加的电压信号可采用上述软启动电压发生模块130输出的参考电压信号，即对直流环路中软启动电压发生模块130输出的参考电压Vref进行复用，除了作为参考电压Vref输入误差放大模块110外，还作为压控电流源VCCS的控制电压，但是本发明不限于此，在另外的一些实施例中，所述限幅模块140也可以包括独立的偏置电压单元，以生成一独立于软启动电压发生模块130的稳定增加的电压信号，该稳定增加的电压信号被输入上述压控电流源VCCS，以生成向所述可变增益级输出的偏置电流信号。
图4是本发明一实施例的采用可变增益级的控制电路的电路示意图。图4示出了图3中的压控电流源VCCS和可变增益级(gain stage)的一种可能的内部电路。参照图4，一实施例中，压控电流源VCCS包括一运算放大器OP1以及晶体管MN0、MN1和MN5，OP1的同相输入端接入一稳定增加的电压信号(本实施例采用软启动电压发生模块130输出的参考电压Vref的信号)，OP1的反相输入端接入可变增益级输出的电流Iout，OP1的输出端接MN5的控制端(即栅极端)，MN5与MN1串联且MN5的源端与OP1的反相输入端短接，MN0的漏端和控制端短接且连接MN1的控制端，MN0的漏端接一偏置电流Ibias，MN0和MN1的源端连接且输出电流记为I0，I0的取值范围为[0，Ibias]。可变增益级包括晶体管MP0、MP1、MP2、MP3、MN2、MN3以及MN6；其中，MP0的漏端与VCCS的MN5的漏端连接；MP0与MP1及MP2的源端连接在一起且控制端也连接在一起，构成共源共栅架构，增益分别为1:1和1：M；MP1的漏端与MN2的漏端连接，MN2的漏端与其控制端短接；MN2与MN3的控制端相互连接，源端也相互连接，构成共源共栅架构，增益为1:N；MP2的漏端分别与MP3的源端和MN6的漏端连接，MP3的控制端连接一片上栅偏压VCG(common gate bias)，MP3的漏端与MN3的漏端连接，MN6的源端通过一电阻接地，MN6的控制端与误差放大模块110的输出端(具体为滤波电路(Filters)的输出端)连接。该可变增益级中，MN1、MN2及MN3的源端连接在一起并接地，MN3的漏端连接上述PWM比较模块120的第一输入端，且连接节点与OP1的反相输入端之间通过电阻Rout连接，流经电阻Rout的电流记为Iout，MN6为跨导(gm)，Iout表示为：Iout＝gm*VEA，VEA为误差放大模块110输出的误差放大信号对应的电压。MP0的源端电流I1为MN1的源端电流I0与Iout的差值(即I1＝I0-Iout)，Iout在范围[-N*I1，(M-N)*I1]内取值。PWM比较模块120的第一输入端的电压Vout可表示为：Vout＝Vref+IoutRout。需要说明的是，图4所示的压控电流源VCCS和可变增益级(gain stage)的内部电路仅是示例，在另外的实施例中，也可以采用其它的电路设计。
参照图4，该控制电路中，在软启动阶段，随着参考电压Vref的逐步增加(从0逐步增加到目标电压Vtarget)，上述可变增益级的增益也会从0开始增加。当Vref为0时，MN1工作在线性区且VDS＝0，故其电流I0也为0，MN3、MN6、MP3和MP2的电流都为0，可变增益级的增益也为0，可变增益级的输出电压为Vref，直流环路不工作。随着Vref从0逐渐增大，MN1逐步离开线性区，图中的电流I0逐渐增大到Ibias，可变增益级的输出摆幅逐渐达到设定的值。
图5是本发明另一实施例的采用可变增益级的控制电路的示意图。参照图5，另一实施例中，用于开关电源的控制电路包括上述误差放大模块110、PWM比较模块120、软启动电压发生模块130以及限幅模块140，且其功能与如图2所示的实施例相同。所述限幅模块140包括一乘法器(Multiplier)，所述乘法器的一个输入端连接所述误差放大模块110的输出端，另一个输入端接收一稳定增加的电压信号Vbias，与图2中实施例不同之处在于，本实施例中，该稳定增加的电压信号独立提供而不来源于所述软启动电压参考信号Vref，以在软启动期间限制由所述误差放大模块110输入所述PWM比较模块120的信号幅度，所述稳定增加的电压信号Vbias变化的速度需要同软启动电压参考信号Vref配合，以达到减小开关电源在启动阶段的输出电压纹波以及避免发生电感电流过冲的目的。所述乘法器的输出端与所述PWM比较模块120的第一输入端连接，PWM比较模块120的第二输入端接收高频信号。
参照图5，当开关电源刚开始软启动，Vbias的电压为0或者不为0的较小值，所述乘法器的输出也是0或者不为0的较小值，限制了PWM比较模块120的第一输入端的信号幅度。随后，随着Vbias逐步增大到目标值，乘法器的输出也从0逐步增加到目标的幅度。图2和图5所示的实施例中，限幅模块140在软启动电压发生模块130开始时即开始起作用，从而使PWM比较模块120的第一输入端的信号幅度在软启动阶段逐渐增加，避免输出电压和电感电流的过冲，随着软启动逐渐完成，开关电源的输出较为稳定，限幅模块140可以在软启动阶段结束前即达到其输出的目标值(可以利用专门的功能模块来产生限幅模块140的限幅控制信号)，但不限于此，例如通过由软启动电压发生模块130提供对限幅进行控制的信号，限幅模块140可以在软启动阶段的整个区段内进行限幅。
图7是采用本发明实施例控制电路的开关电源在软启动期间的电感电流波形和输出电压波形示意图。可以看到，在开关电源的软启动期间，输出电压的纹波以及电感电流的过冲幅度均很小，相较于图6所示的一种现有的开关电源在软启动期间(虚线框内)的电感电流波形和输出电压波形示意图，采用本发明实施例的控制电路，可以减小开关电源启动时由于直流环路的建立过程而导致的输出纹波变大及电感电流过冲的风险，提升电源系统启动的稳定性和安全性，使输出电压和电流能更佳地跟随软启动信号，可以加快直流环路的建立速度。
本发明实施例还包括一种开关电源，所述开关电源包括上述实施例描述的控制电路。所述开关电源采用例如COT(恒定导通时间)控制模式，可采用非隔离降压(Buck)拓扑、非隔离升压(Boost)拓扑、非隔离升降压(Buck-boost)拓扑、以及隔离反激式(Flyback)拓扑等电路结构中的一种。
图8是本发明一实施例的开关电源的示意图。参照图8，示例的，该开关电源例如为采用COT控制模式的DC-DC转换器。所述开关电源包括上功率管PM、下功率管NM、电感L和滤波电容C，还可以包括上述控制电路以及驱动电路。所述控制电路除了包括上述误差放大模块110、PWM比较模块120、软启动电压发生模块130及限幅模块140外(图8中限幅模块140的设置仅是一种实施例，具体可以参考图1-图5中关于限幅模块的具体描述)，还可包括分压电阻Rf1和Rf2以及驱动控制模块150。在开关电源工作时，分压电阻Rf1和Rf2将开关电源的输出电压Vout进行分压，得到反馈电压VFB，并接到误差放大模块110的一个输入端。所述驱动控制模块150连接PWM比较模块130的输出端，以对PWM比较模块130输出的PWM信号进行处理而得到两路控制信号并输入到所述驱动电路，驱动电路利用所述两路控制信号分别驱动开关电源中的上功率管PM和下功率管NM进行开启和关断。开关电源的输入电压Vin连接在上功率管PM的源极，而下功率管NM的源极接地，上功率管PM和下功率管NM的漏极连接到电感L的一端，电感L的另一端与滤波电容C相连，从而将上功率管PM的输出电压进行滤波，形成稳定的直流电压输出(Vout)。
本发明实施例的开关电源由于采用了上述实施例描述的控制电路，其中限幅模块140可以在软启动期间限制由所述误差放大模块110输入所述PWM比较模块130的信号幅度，使所述信号幅度较好地跟随软启动信号而平稳变化(如以基本不变的增速逐渐增加到目标值)，可以降低开关电源启动时由于直流环路的建立过程而导致的输出电压和电感电流过冲的风险，电源系统启动的稳定性和安全性较高，并且直流环路的建立速度加快。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，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和相似的部分互相参见即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于开关电源的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：
误差放大模块，一个输入端接入一反馈电压，另一个输入端接入一参考电压，所述误差放大模块输出一误差放大信号；
软启动电压发生模块，用于产生一幅值逐渐增大的软启动参考电压；
限幅模块，用于根据所述软启动参考电压限制所述误差放大信号的幅度，控制所述误差放大信号的幅度随所述软启动参考电压增大而逐渐增大，使限幅后的所述误差放大信号在软启动阶段逐渐增加至目标值；以及
PWM比较模块，第一输入端接收限幅后的误差放大信号，第二输入端接收一高频信号，所述PWM比较模块输出一PWM信号；
其中，所述反馈电压表征所述开关电源的输出电压、输出电流或输出功率，所述PWM信号用于控制所述开关电源的工作。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述误差放大模块还包括滤波电路，所述误差放大信号经所述滤波电路进行低通滤波处理。
3.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，所述限幅模块包括在所述误差放大模块的输出端设置的可变增益级，所述可变增益级根据所述软启动参考电压调整其增益。
4.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述限幅模块还包括一受控电流源；所述受控电流源受控于所述软启动参考电压，并向所述可变增益级输出偏置电流，所述可变增益级由偏置电流控制增益大小，随着所述偏置电流逐渐增大，所述可变增益级的增益逐渐增大。
5.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述限幅模块还包括一受控电流源；所述受控电流源受控于一偏置电压信号，并向所述可变增益级输出偏置电流，所述可变增益级由偏置电流控制增益大小，随着所述偏置电流逐渐增大，所述可变增益级的增益逐渐增大。
6.如权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述偏置电压信号的变化趋势与所述软启动参考电压的变化趋势相同。
7.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述限幅模块包括在所述误差放大模块的输出端设置的乘法器，所述乘法器接收所述误差放大信号和一偏置电压信号，并输出所述误差放大信号和所述偏置电压信号的乘积至所述PWM比较模块的第一输入端；所述偏置电压信号的变化趋势与所述软启动参考电压的变化趋势相同。
8.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，所述限幅模块包括在所述误差放大模块的偏置电流端设置的可变电流源，所述可变电流源根据所述软启动参考电压调整其输出电流的幅值，进而控制所述误差放大模块输出的电压和电流的幅值。
9.如权利要求8所述的控制电路，其特征在于，所述可变电流源的输出电流的变化趋势与所述软启动参考电压的变化趋势相同。
10.一种开关电源，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的控制电路。
11.如权利要求10所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源采用软启动方式开始工作，所述开关电源的输出电压、输出电流或输出功率逐渐增加至目标值。
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