CN115242227A - 适用于pfm控制芯片的频率控制电路及相关装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种适用于PFM控制芯片的频率控制电路及相关装置，该频率控制电路中运放电路的正输入端接入系统检测输出后反馈的反馈电压、负输入端接入第一电流源，通过第一电阻连接比较器的负输入端，通过第一电阻和第二电阻连接第一NMOS管的源极；运放电路的输出端连接第一NMOS管的栅极；第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极和栅极；第一PMOS管的源极和衬底与第二PMOS管的源极和衬底连接外部电源；第一PMOS管的栅极连接第二PMOS管的栅极；第二PMOS管的漏极连接第二NMOS管的漏极；第二NMOS管的栅极连接脉冲电路；比较器连接脉冲电路的输入端。本申请实施例能够降频点出现的可闻噪声问题。

Description

适用于PFM控制芯片的频率控制电路及相关装置
技术领域
本申请涉及电子技术领域，具体涉及一种适用于PFM控制芯片的频率控制电路及相关装置。
背景技术
在目前流行的开关电源控制芯片中，常见的主要控制技术可以分为三种，脉冲宽度调制（PWM，Pulse Width Modulation）、脉冲频率调制（PFM，Pulse FrequencyModulation）和（PSM，Pulse Skip Modulation）。
实际应用中，在PFM控制方式下，通过使用频率控制电路检测反馈电压（FB），进而调节频率大小的输出。但是，在降频点附近，频率的变化受FB的影响最大，将会引入以下风险：环路稳定性不好设计，容易不稳定，出现可闻噪声，对于有谷底锁定电路，谷底锁定失效，因此，如何解决在PFM控制方式下带来的上述缺陷的问题亟待解决。
发明内容
本申请实施例提供了一种适用于PFM控制芯片的频率控制电路及相关装置，能够解决在PFM控制方式下，降频点出现的可闻噪声问题、优化谷底锁定问题、以及降频点附近负载所对应环路稳定性问题，同时，能够提高系统在轻载时的效率。
第一方面，本申请实施例提供一种适用于PFM控制芯片的频率控制电路，所述频率控制电路包括：运放电路、第一电流源、第二电流源、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、比较器和脉冲电路，其中，
所述运放电路的正输入端用于接入系统检测输出后反馈的反馈电压，所述运放电路的负输入端用于接入所述第一电流源，且通过第一电阻连接所述比较器的负输入端，以及通过所述第一电阻和第二电阻连接所述第一NMOS管的源极；所述运放电路的输出端连接所述第一NMOS管的栅极；所述第一电流源连接外部电源；
所述第一NMOS管的源极通过第三电阻接地；所述第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极和栅极；所述第一NMOS管的漏极通过所述第二电流源接地；
所述第一PMOS管的源极和衬底与所述第二PMOS管的源极和衬底均连接所述外部电源；所述第一PMOS管的栅极连接所述第二PMOS管的栅极；所述第二PMOS管的漏极连接所述比较器的正输入端以及通过电容接地，所述第二PMOS管的漏极连接所述第二NMOS管的漏极；所述第二NMOS管的栅极连接所述脉冲电路的输出端，所述第二NMOS管的源极接地；所述比较器的输出端连接所述脉冲电路的输入端，所述脉冲电路的输出端用于输出频率信号。
第二方面，本申请实施例提供一种PFM控制芯片，所述PFM控制芯片包括如第一方面所述的频率控制电路。
第三方面，本申请实施例提供一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括如第一方面所述的频率控制电路，或者，如第二方面所述的PFM控制芯片。
第四方面，本申请实施例提供一种充电器，其特征在于，所述充电器包括如第一方面所述的频率控制电路，或者，如第二方面所述的PFM控制芯片，或者，如第三方面所述的开关电源。
实施本申请实施例，具备如下有益效果：
可以看出，本申请实施例中所描述的适用于PFM控制芯片的频率控制电路及相关装置，频率控制电路包括：运放电路、第一电流源、第二电流源、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、比较器和脉冲电路，其中，运放电路的正输入端用于接入反馈电压，运放电路的负输入端用于接入第一电流源，且通过第一电阻连接比较器的负输入端，以及通过第一电阻和第二电阻连接第一NMOS管的源极；运放电路的输出端连接第一NMOS管的栅极；第一电流源连接外部电源；第一NMOS管的源极通过第三电阻接地；第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极和栅极；第一NMOS管的漏极通过第二电流源接地；第一PMOS管的源极和衬底与第二PMOS管的源极和衬底均连接外部电源；第一PMOS管的栅极连接第二PMOS管的栅极；第二PMOS管的漏极连接比较器的正输入端以及通过电容接地，第二PMOS管的漏极连接第二NMOS管的漏极；第二NMOS管的栅极连接脉冲电路的输出端，第二NMOS管的源极接地；比较器的输出端连接脉冲电路的输入端，脉冲电路的输出端用于输出频率信号，可以解决降频点出现的可闻噪声问题，优化谷底锁定问题，以及降频点附近负载所对应环路稳定性问题，同时提高系统在轻载时的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种适用于PFM控制芯片的频率控制电路的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种FB与FRE之间关系的演示示意图。
具体实施方式
为了本技术领域人员更好理解本申请的技术方案，下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的部分实施例，而并非全部的实施例。基于本申请实施例的描述，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请所保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、软件、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是还包括没有列出的步骤或单元，或还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面结合附图对本申请实施例进行介绍，附图中相交导线的交叉处有圆点表示导线相接，交叉处无圆点表示导线不相接。
请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种适用于PFM控制芯片的频率控制电路的结构示意图，所述频率控制电路包括：运放电路OP、第一电流源I1、第二电流源I2、第一NMOS管MN0、第二NMOS管MN1、第一PMOS管MP0、第二PMOS管MP1、比较器CMP和脉冲电路PULSE，其中，
所述运放电路OP的正输入端（+）用于接入反馈电压FB，所述运放电路OP的负输入端（-）用于接入所述第一电流源I1，且通过第一电阻R1连接所述比较器CMP的负输入端（-），以及通过所述第一电阻R1和第二电阻R2连接所述第一NMOS管（MN0）的源极；所述运放电路OP的输出端（-）连接所述第一NMOS管（MN0）的栅极；所述第一电流源I1连接外部电源VCC；
所述第一NMOS管MN0的源极通过第三电阻R3接地；所述第一NMOS管MN0的漏极连接第一PMOS管MP0的漏极和栅极；所述第一NMOS管MN0的漏极通过所述第二电流源I2接地；
所述第一PMOS管MP0的源极和衬底与所述第二PMOS管MP1的源极和衬底均连接所述外部电源VCC；所述第一PMOS管MP0的栅极连接所述第二PMOS管MP1的栅极；所述第二PMOS管MP1的漏极连接所述比较器CMP的正输入端（+）以及通过电容C1接地，所述第二PMOS管MP1的漏极连接所述第二NMOS管MN1的漏极；所述第二NMOS管MN1的栅极连接所述脉冲电路PULSE的输出端，所述第二NMOS管MN1的源极接地；所述比较器CMP的输出端连接所述脉冲电路PULSE的输入端，所述脉冲电路PULSE的输出端用于输出频率信号FRE。
具体实现中，运放电路OP，电流源I1、I2，电阻R1、R2和R3，NMOS管MN0、MN1，PMOS管MP0、MP1，电容C1、比较器CMP和脉冲电路PULSE构成了频率控制电路。
实际应用中，在降频点如果频率斜率太大，就会常出现频率变化太大，导致输出纹波变大，进而影响FB电压，反馈到芯片，又影响到频率，导致频率忽高忽低，从而出现可闻噪声、严重引起环路稳定性、以及锁谷问题。
本申请实施例中，频率控制电路，其可以用在开关电源控制芯片中。可以解决降频点出现的可闻噪声问题，优化谷底锁定问题，以及降频点附近负载所对应环路稳定性问题，同时提高系统在轻载时的效率。
可选的，所述频率控制电路用于实现如下功能：
通过所述运放电路OP、所述第三电阻R3和所述第一NMOS管MN0产生一个与所述反馈电压FB相关的第一控制电流；
将所述第一控制电流通过所述第一PMOS管MP0、所述第二PMOS管MP1缩小1/K倍后，得到第二控制电流，该第二控制电流用于给所述电容C1充电，所述第二控制电流为一斜坡信号，K为大于1；
通过所述第一电流源I1和所述第一电阻R1产生一固定电压；
将所述反馈电压FB与所述固定电压之间的差值电压作为所述比较器CMP的阈值，该阈值用于给不同的负载提供相应的阈值。
本申请实施例中，利用运放电路OP，R3和MN0产生一个和FB相关的电流，然后，再将该电流通过MP0、MP1减小1/K倍后给电容C1充电，产生一个斜坡信号，再通过I1，R1产生一个固定电压，FB电压减去该电压作为比较器的阈值，该阈值的特点是随着FB的变化而变化，这就为不同负载提供了不同的阈值，具体的，该阈值具体可以为FB减去R1上的固定电压值，所以实际上是控制R1上的固定电压值，就可以得到不同频率曲线，其结果如图2所示。即只要控制好该阈值，就可以得到需要的频率曲线。
可选的，所述频率控制电路还用于实现如下功能：
通过所述脉冲电路控制所述第二NMOS管的开断以及所述电容的电压，得到与所述反馈电压相关的频率。
然后通过比较器CMP比较这两个值后，再通过PULSE电路控制MN1的开断，复位电容C1的电压。最终得到一个和FB相关的频率。
可选的，所述频率控制电路还用于实现如下功能：
按照如下公式确定所述频率信号：
f=(FB-I1*R1-I1*R2)/(R3*C1*K*(FB-I1*R1))
其中，f表示所述频率信号，FB表示所述反馈电压，I1表示所述第一电流源的电流值，R1表示所述第一电阻的阻值，R2表示所述第二电阻的阻值，R3表示所述第三电阻的阻值，C1表示所述电容的电容值。
可选的，所述第二电流源用于抵消所述第一电流源引入的电流误差。
其中，I2是用来抵消I1引入电流误差，脉冲电路的脉冲宽度尽量小，可以减小最终得到频率的误差值。
通过以上对以上电路元件取不同的值进行仿真，可以得到图2所示的FB与频率FRE的关系图。
举例说明下，如图2所示，实际仿真实验中，假设A为I1*R1的值，可以得到，通过调节A的值，实现频率曲线曲率的调节，满足不同系统的需求。同时从实际的仿真曲线图中可以发现，在降频点附近，频率变化缓慢，避免可闻噪声产生，优化谷底锁定问题。到轻载时，频率变化加快，提高了轻载的效率。
可以看出，本申请实施例中所描述的适用于PFM控制芯片的频率控制电路，频率控制电路包括：运放电路、第一电流源、第二电流源、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、比较器和脉冲电路，其中，运放电路的正输入端用于接入反馈电压，运放电路的负输入端用于接入第一电流源，且通过第一电阻连接比较器的负输入端，以及通过第一电阻和第二电阻连接第一NMOS管的源极；运放电路的输出端连接第一NMOS管的栅极；第一电流源连接外部电源；第一NMOS管的源极通过第三电阻接地；第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极和栅极；第一NMOS管的漏极通过第二电流源接地；第一PMOS管的源极和衬底与第二PMOS管的源极和衬底均连接外部电源；第一PMOS管的栅极连接第二PMOS管的栅极；第二PMOS管的漏极连接比较器的正输入端以及通过电容接地，第二PMOS管的漏极连接第二NMOS管的漏极；第二NMOS管的栅极连接脉冲电路的输出端，第二NMOS管的源极接地；比较器的输出端连接脉冲电路的输入端，脉冲电路的输出端用于输出频率信号，可以解决降频点出现的可闻噪声问题，优化谷底锁定问题，以及降频点附近负载所对应环路稳定性问题，同时提高系统在轻载时的效率。
本申请实施例中，还可以提供一种PFM控制芯片，其包括上述频率控制电路，通过PFM控制芯片可以解决降频点出现的可闻噪声问题，优化谷底锁定问题，以及降频点附近负载所对应环路稳定性问题，同时提高系统在轻载时的效率。
本申请实施例中，还可以提供一种开关电源，其包括上述频率控制电路，或者，上述PFM控制芯片，通过频率控制电路可以解决降频点出现的可闻噪声问题，优化谷底锁定问题，以及降频点附近负载所对应环路稳定性问题，同时提高系统在轻载时的效率。
本申请实施例中，还可以提供一种充电器，其包括上述频率控制电路，或者，上述PFM控制芯片，或者，上述开关电源，通过频率控制电路可以解决降频点出现的可闻噪声问题，优化谷底锁定问题，以及降频点附近负载所对应环路稳定性问题，同时提高系统在轻载时的效率。
以上是本申请实施例的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于PFM控制芯片的频率控制电路，其特征在于，所述频率控制电路包括：运放电路、第一电流源、第二电流源、第一NMOS管、第二NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、比较器和脉冲电路，其中，
所述运放电路的正输入端用于接入系统检测输出后反馈的反馈电压，所述运放电路的负输入端用于接入所述第一电流源，且通过第一电阻连接所述比较器的负输入端，以及通过所述第一电阻和第二电阻连接所述第一NMOS管的源极；所述运放电路的输出端连接所述第一NMOS管的栅极；所述第一电流源连接外部电源；
所述第一NMOS管的源极通过第三电阻接地；所述第一NMOS管的漏极连接第一PMOS管的漏极和栅极；所述第一NMOS管的漏极通过所述第二电流源接地；
所述第一PMOS管的源极和衬底与所述第二PMOS管的源极和衬底均连接所述外部电源；所述第一PMOS管的栅极连接所述第二PMOS管的栅极；所述第二PMOS管的漏极连接所述比较器的正输入端以及通过电容接地，所述第二PMOS管的漏极连接所述第二NMOS管的漏极；所述第二NMOS管的栅极连接所述脉冲电路的输出端，所述第二NMOS管的源极接地；所述比较器的输出端连接所述脉冲电路的输入端，所述脉冲电路的输出端用于输出频率信号。
2.根据权利要求1所述的频率控制电路，其特征在于，所述频率控制电路用于实现如下功能：
通过所述运放电路、所述第三电阻和所述第一NMOS管产生一个与所述反馈电压相关的第一控制电流；
将所述第一控制电流通过所述第一PMOS管、所述第二PMOS管缩小1/K倍后，得到第二控制电流，该第二控制电流用于给所述电容充电，所述第二控制电流为一斜坡信号，K为大于1；
通过所述第一电流源和所述第一电阻产生一固定电压；
将所述反馈电压与所述固定电压之间的差值电压作为所述比较器的阈值，该阈值用于给不同的负载提供相应的阈值。
3.根据权利要求2所述的频率控制电路，其特征在于，所述频率控制电路还用于实现如下功能：
通过所述脉冲电路控制所述第二NMOS管的开断以及所述电容的电压，得到与所述反馈电压相关的频率。
4.根据权利要求2所述的频率控制电路，其特征在于，所述频率控制电路还用于实现如下功能：
按照如下公式确定所述频率信号：
f=(FB-I1*R1-I1*R2)/(R3*C1*K*(FB-I1*R1))
其中，f表示所述频率信号，FB表示所述反馈电压，I1表示所述第一电流源的电流值，R1表示所述第一电阻的阻值，R2表示所述第二电阻的阻值，R3表示所述第三电阻的阻值，C1表示所述电容的电容值。
5.根据权利要求1-4任一项所述的频率控制电路，其特征在于，所述第二电流源用于抵消所述第一电流源引入的电流误差。
6.根据权利要求1-4任一项所述的频率控制电路，其特征在于，所述脉冲电路的脉冲宽度小于预设阈值。
7.一种PFM控制芯片，其特征在于，所述PFM控制芯片包括如权利要求1-6任一项所述的频率控制电路。
8.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括如权利要求1-6任一项所述的频率控制电路，或者，如权利要求7所述的PFM控制芯片。
9.一种充电器，其特征在于，所述充电器包括如权利要求1-6任一项所述的频率控制电路，或者，如权利要求7所述的PFM控制芯片，或者，如权利要求8所述的开关电源。
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