CN114900040A - 一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子电路技术领域，具体的说是一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路。本发明主要是采用充电电路用于产生一个与控制信号对齐的斜波，该斜波电压通过比较器与基准电路产生的阈值电压进行比较，产生导通时间控制信号，然后通过控制电路产生一个与开关电源放电时间对应的输出信号，以控制第二开关的通断，使开关电源在断续电流模式，比较器的阈值电压在充电时间内为K*Vout，在放电时间内为0。本发明能够在断续电流模式也能保证工作频率固定的自适应导通时间电路。

Description

一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，具体的说是一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路。
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，逐渐发展出了固定导通时间模式的开关电源。如图1所示，传统的固定导通时间开关电源中，通过导通时间电路Ton获得一个固定的导通时间，由反馈电压Vfb和参考电压Vref比较控制输出电压稳定在预设电压值，达到稳压的效果，如图2所示。
此时，固定导通时间模式开关电源在连续电流模式的工作周期和工作频率分别为
Figure BDA0003665956220000011
Figure BDA0003665956220000012
可见原始的固定导通时间模式开关电源，其工作周期和工作频率随输入电压和输出电压变化。
现阶段固定导通时间模式开关电源采用自适应固定导通时间电路，在导通时间内通过电流Vin/R对电容C充电，当电容C的电压达到输出电压的分压K*Vout时比较器输出翻转，导通时间结束，其导通时间由以下公式计算：
Figure BDA0003665956220000013
Figure BDA0003665956220000014
自适应固定导通时间模式开关电源在连续电流模式的工作周期和工作频率分别为
Figure BDA0003665956220000015
Figure BDA0003665956220000016
可见自适应固定导通时间模式开关电源，在连续电流模式其工作周期和工作频率不随输入电压和输出电压变化，实现了固定工作频率。
但是，当输出负载电流减小，开关电源将进入断续电流模式，输出负载电流将在每个工作周期输出与开关电源导通时流入电荷等量的电荷，工作频率将变化为：
Figure BDA0003665956220000021
Figure BDA0003665956220000022
如图3所示，可见即使是自适应固定导通时间模式开关电源，在断续电流模式其工作周期和工作频率也将随输入电压和输出电压以及输出负载电流变化，且输出负载电流Iout越小，工作周期将越长，甚至使开关电源工作频率进入音频。
可见传统的自适应导通时间电路不能够在任何情况下保持开关电源工作于固定工作频率，需要提出一种能够在断续电流模式也能保证工作频率固定的自适应导通时间电路。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路。
本发明的技术方案是：
一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路，用于开关电源，开关电源包括导通时间电路、驱动电路、高侧功率管和低侧功率管，其中驱动电路根据导通时间电路输出的导通时间控制信号产生驱动高侧功率管和低侧功率管开启的驱动信号，高侧功率管和低侧功率管的连接点通过电感后产生输出电压，定义输出电压为Vout；其特征在于，所述导通时间电路为自适应导通时间电路，包括充电电路、基准电路、比较器和控制电路；
所述充电电路用于产生一个与控制信号对齐的斜波，包括第一电源、第一电容和第一开关，第一电源的一端接输入电压，另一端分别接比较器的同相输入端、第一电容的一端和第一开关的一端，第一电容的另一端和第一开关的另一端接地；第一开关的使能信号为控制信号，该控制信号即为导通时间控制电压；所述第一电源为压控电流源，其电流大小受输入电压控制；
所述基准电路用于产生一个与输出电压Vout相关的比较器阈值电压，基准电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第二开关、第三电阻和第二电容；输出电压Vout依次经过第一分压电阻和第二分压电阻后接地，定义第一分压电阻和第二分压电阻的连接点为分压节点，分压节点经过第三电阻后接比较器的反相输入端和第二电容的一端，第二电容的另一端接地；分压节点还接第二开关的一端，第二开关的另一端接地，第二开关的使能信号为控制电路的输出信号；分压节点的的电压为K*Vout，K＝R205/(R205+R204)，其中R205为第二分压电阻的阻值，R204为第一分压电阻的阻值；
所述比较器用于比较充电电路产生的斜波电压和基准电路产生的阈值电压，并输出导通时间控制信号；
所述控制电路用于产生一个与开关电源放电时间对应的输出信号，以控制第二开关的通断，使开关电源在断续电流模式，比较器的阈值电压在充电时间内为K*Vout，在放电时间内为0。
进一步的，所述控制电路为或门，同时定义高侧功率管的驱动信号为Vgh，低侧功率管的驱动信号为Vgl，则或门的一个输入端接Vgh，另一个输入端接Vgl。
进一步的，所述控制电路包括第一异或门和第二异或门，第一异或门的第一输入端接控制信号，第二输入端接第二异或门的输出端；第二异或门的第一输入端接第一异或门的输入端，第二异或门的第二输入端接过零检测信号，第二异或门的输出端为控制电路的输出端。
本发明的有益效果为，本发明能够在断续电流模式也能保证工作频率固定的自适应导通时间电路。
附图说明
图1是表示以往的导通时间电路的开关电源。
图2是表示以往的导通时间电路。
图3是表示以往的基于导通时间电路的开关电源的波形图，在不同的负载电流/连续电流模式和断续电流模式，工作周期和频率不同。
图4是表示本发明的一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路的开关电源。
图5是表示本发明的一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路的开关电源的波形图，图示在不同的负载电流和断续电流模式，其工作周期和时间相同。
图6是表示本发明的一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路。
图7是表示本发明的一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路，包含控制电路220的一种实现方式。
图8是表示本发明的一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路，包含控制电路220的一种实现方式。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方法。
如图6所示，本发明的电路包括：
充电电路，用于产生一个与控制信号对齐的斜波。充电电路由第一电源201，第一电容202和第一开关202实现。第一电源为压控电流源，其电流大小受输入电压控制，其电流值为Vin/R。
基准电路，用于产生一个与输出电压Vout相关的比较器阈值电压。基准电路由第一分压电阻204，第二分压电阻205，第二开关209以及由第三电阻206和第二电容207实现。其中第一分压电阻204和第二分压电阻205组成一个分压电阻网络，使分压节点的电压为K*Vout，K＝R205/(R205+R204)。其中第三电阻206和第二电容207构成一个低通滤波器，稳定比较器阈值电压。
比较器208，用于比较充电电路产生的斜波电压和基准电路产生的阈值电压。
控制电路220，用于产生一个与开关电源放电时间对应的控制信号Vdis，以控制第二开关209的通断，使开关电源在断续电流模式，比较器的阈值电压在充电时间Tch内为K*Vout，在放电时间Tdis内为0，则滤波得到的直流电压将为K*Vout*Tch/Tsw。包含具体控制电路的断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路可以由图7图8具体实现。
连续电流模式，由于没有放电时间Tdis，显然与现有通用设计相同，周期时间Tsw和工作频率Fsw为
Tsw＝K×R×C
Figure BDA0003665956220000041
断续电流模式，可以将周期时间Tsw划分为输出电容充电时间Tch和放电时间Tdis，其中的充电时间Tch又可划分为开关电源的开启时间Ton和关断时间Toff。
Figure BDA0003665956220000042
Tsw＝Ton+Toff+Tdis＝Tch+Tdis
在断续电流模式，比较器的阈值电压由于受到控制，在充电时间Tch内为K*Vout，在放电时间Tdis内为0，则滤波得到的直流电压将为K*Vout*Tch/Tsw。同样，在导通时间Ton内通过电流Vin/R对电容C充电，当电容C的电压达到输出电压的分压K*Vout*Tch/Tsw时比较器输出翻转，导通时间结束，其周期时间Tsw由以下公式计算：
Figure BDA0003665956220000051
Tsw＝K×R×C
Figure BDA0003665956220000052
以上，即使在断续电流模式，开关电源的工作周期Tsw与工作频率Fsw也与连续电流模式相同。
图7图8为本发明的2种具体的实现方式，特别是包含其中的控制电路220。本发明的主要创新点是在断续电流模式固定工作频率这一方法，图7图8主要证明发明的可行性，发明不限于图7图8所示的具体实现方式。
以上输出电压Vout为开关电源的输出电压，同时由于Vout为Vsw的滤波输出，且Vout＝Vin*Ton/(Ton+Toff)，故附图(图2、图6、图7、图8)中输入的Vout可以是开关电源的Vout，也可以是开关电源的Vsw，同时也可以是用Ton控制的Vin都可以。
以上输入电压Vin为开关电源的输入电压，同时由于Vin只在Ton阶段对电容充电，故附图(图2图4图6、图7、图8)中输入的Vout可以是开关电源的Vout，也可以是开关电源的Vsw。

Claims (3)

1.一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路，用于开关电源，开关电源包括导通时间电路、驱动电路、高侧功率管和低侧功率管，其中驱动电路根据导通时间电路输出的导通时间控制信号产生驱动高侧功率管和低侧功率管开启的驱动信号，高侧功率管和低侧功率管的连接点通过电感后产生输出电压，定义输出电压为Vout；其特征在于，所述导通时间电路为自适应导通时间电路，包括充电电路、基准电路、比较器和控制电路；
所述充电电路用于产生一个与控制信号对齐的斜波，包括第一电源、第一电容和第一开关，第一电源的一端接输入电压，另一端分别接比较器的同相输入端、第一电容的一端和第一开关的一端，第一电容的另一端和第一开关的另一端接地；第一开关的使能信号为控制信号，该控制信号即为导通时间控制电压；所述第一电源为压控电流源，其电流大小受输入电压控制；
所述基准电路用于产生一个与输出电压Vout相关的比较器阈值电压，基准电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第二开关、第三电阻和第二电容；输出电压Vout依次经过第一分压电阻和第二分压电阻后接地，定义第一分压电阻和第二分压电阻的连接点为分压节点，分压节点经过第三电阻后接比较器的反相输入端和第二电容的一端，第二电容的另一端接地；分压节点还接第二开关的一端，第二开关的另一端接地，第二开关的使能信号为控制电路的输出信号；分压节点的的电压为K*Vout，K＝R205/(R205+R204)，其中R205为第二分压电阻的阻值，R204为第一分压电阻的阻值；
所述比较器用于比较充电电路产生的斜波电压和基准电路产生的阈值电压，并输出导通时间控制信号；
所述控制电路用于产生一个与开关电源放电时间对应的输出信号，以控制第二开关的通断，使开关电源在断续电流模式，比较器的阈值电压在充电时间内为K*Vout，在放电时间内为0。
2.根据权利要求1所述的一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路，其特征在于，所述控制电路为或门，同时定义高侧功率管的驱动信号为Vgh，低侧功率管的驱动信号为Vgl，则或门的一个输入端接Vgh，另一个输入端接Vgl。
3.根据权利要求1所述的一种断续电流模式固定频率的自适应导通时间电路，其特征在于，所述控制电路包括第一异或门和第二异或门，第一异或门的第一输入端接控制信号，第二输入端接第二异或门的输出端；第二异或门的第一输入端接第一异或门的输入端，第二异或门的第二输入端接过零检测信号，第二异或门的输出端为控制电路的输出端。
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