CN116111838A - 一种基于电流模的定频pwm控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电流模的定频PWM控制器及控制方法，属于模拟集成电路设计领域。所述定频PWM控制器包括：滤波及反馈模块、误差放大及补偿模块、电压电流转换模块、第一取差模块、第二取差模块、时钟发生器、PWM触发器及驱动模块和开关功率级。本发明利用误差放大及补偿模块的输出VCOMP电压自带的电流信息，采用电压电流转换模块和取差模块，使得轻载时定频PWM控制器自动进入轻载变频，其电路结构和控制逻辑简单，且轻载效率高，PFM进入点可预测，并且不需要额外的运放做PFM管理，电路简洁性高，具有较强可移植性和较低的实现难度。

Description

一种基于电流模的定频PWM控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及模拟集成电路设计技术领域，特别是涉及一种基于电流模的定频PWM控制器及控制方法。
背景技术
DC/DC转换器作为重要的电源管理类电路广泛应用于手机、平板电脑和数码相机等各类便携式产品中。而在便携式应用中，DC/DC在轻负载下效率的高低很大程度上决定了便携式产品系统的待机时间。因此，在最近几年，低功耗、高效率的DC/DC轻载控制电路设计成为了众多便携式应用的研究热点之一。
现有的各种使用时钟的定频DC/DC轻载控制电路中，其轻载变频控制所需控制逻辑比较复杂，需要比较多的逻辑电路和时钟进行同步，并且需要另外的控制电路延展关断时间或者延长时钟周期来减少轻载时的开关频率，因此普遍存在电路结构和控制逻辑较为复杂的技术缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电流模的定频PWM控制器及控制方法，以采用较为简单的电路结构和控制逻辑实现轻载高效率的DC/DC变换。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于电流模的定频PWM控制器，包括：滤波及反馈模块、误差放大及补偿模块、电压电流转换模块、第一取差模块、第二取差模块、时钟发生器、PWM触发器及驱动模块和开关功率级；
所述开关功率级的输出端SW引脚分别连接所述滤波及反馈模块的输入端SW引脚和所述PWM触发器及驱动模块的输入端SW引脚；所述滤波及反馈模块的输出端VOUT引脚产生输出电压VOUT给外部负载供电；
所述滤波及反馈模块的输出端FB引脚连接所述误差放大及补偿模块的输入端FB引脚；所述误差放大及补偿模块的输出端VCOMP引脚连接所述电压电流转换模块的输入端引脚；所述电压电流转换模块的输出端引脚分别连接所述第一取差模块的正相输入端引脚和所述第二取差模块的负相输入端引脚；所述第一取差模块的负相输入端引脚连接斜坡补偿电流ISP；所述第二取差模块的正相输入端引脚连接PFM阈值电流ITURN；所述第二取差模块的输出端引脚连接所述时钟发生器的输入端IOSC引脚；所述时钟发生器的输出端CLK引脚连接所述PWM触发器及驱动模块的输入端CLK引脚；所述第一取差模块的输出端引脚连接所述PWM触发器及驱动模块的输入端ISET引脚；所述PWM触发器及驱动模块的输出端HS引脚连接所述开关功率级的输入端HS引脚；所述PWM触发器及驱动模块的输出端LS引脚连接所述开关功率级的输入端LS引脚；所述开关功率级的输入端VIN引脚连接输入电压VIN。
可选地，所述滤波及反馈模块包括：电感L、输出电容C、上分压电阻R1和下分压电阻R2；所述电感L的一端为所述滤波及反馈模块的输入端SW引脚，连接所述开关功率级的输出端SW引脚产生的开关信号SW；所述电感L的另一端分别连接所述输出电容C的一端以及所述上分压电阻R1的一端；所述上分压电阻R1的另一端连接所述下分压电阻R2的一端，且为所述滤波及反馈模块的输出端FB引脚，产生采样反馈电压FB；所述下分压电阻R2的另一端以及所述输出电容C的另一端均接地；所述电感L的另一端为所述滤波及反馈模块的输出端VOUT引脚，产生输出电压VOUT。
可选地，所述误差放大及补偿模块包括：误差运算放大器U1；所述误差运算放大器U1的正相输入端连接参考电压VREF；所述误差运算放大器U1的反相输入端为所述误差放大及补偿模块的输入端FB引脚，连接所述采样反馈电压FB；所述误差运算放大器U1的输出端为所述误差放大及补偿模块的输出端VCOMP引脚，产生电压信号VCOMP。
可选地，所述电压电流转换模块包括：电压电流转换器U2；所述电压电流转换器U2的正相输入端为所述电压电流转换模块的输入端引脚，连接所述电压信号VCOMP；所述电压电流转换器U2的负相输入端信号接地；所述电压电流转换器U2的输出端为所述电压电流转换模块的输出端引脚，产生电流信号ICOMP。
可选地，所述第一取差模块包括：电流镜U3和斜坡补偿电流源ISP；所述电流镜U3的输入端为所述第一取差模块的正相输入端引脚，连接所述电流信号ICOMP；所述电流镜U3的输出端连接所述斜坡补偿电流源的一端；所述斜坡补偿电流源的一端为所述第一取差模块的负相输入端引脚，产生斜坡补偿电流ISP；所述斜坡补偿电流源的另一端信号接地；所述电流镜U3和所述斜坡补偿电流源的连接点引出所述第一取差模块的输出端引脚，产生第一取差电流ISET’。
可选地，所述第二取差模块包括：电流镜U4、电流镜U5、二极管D1、二极管D2和PFM阈值电流源ITURN；所述电流镜U4的输入端为所述第二取差模块的负相输入端引脚，连接所述电流信号ICOMP；所述电流镜U4的输出端分别连接所述二极管D1的正极、所述二极管D2的负极和所述PFM阈值电流源的一端；所述PFM阈值电流源的一端为所述第二取差模块的正相输入端引脚，产生所述PFM阈值电流ITURN；所述PFM阈值电流源的另一端信号接地；所述二极管D1的负极连接电源电压VCC；所述二极管D2的正极连接所述电流镜U5的输入端；所述电流镜U5的输出端为所述第二取差模块的输出端引脚，产生第二取差电流IOSC。
可选地，所述时钟发生器包括：时钟振荡电流源ICLK、电容C_CLK、复位器S3和比较器U6；所述时钟振荡电流源ICLK的一端分别连接所述电容C_CLK的一端、所述复位器S3的一端以及所述比较器U6的正相输入端；所述时钟振荡电流源ICLK的另一端、所述电容C_CLK的另一端以及所述复位器S3的另一端信号接地；所述比较器U6的正相输入端为所述时钟发生器的输入端IOSC引脚，连接所述第二取差电流IOSC；所述比较器U6的负相输入端连接所述参考电压VREF；所述比较器U6的输出端连接所述复位器S3的控制端；所述比较器U6的输出端为所述时钟发生器的输出端CLK引脚，产生时钟信号CLK。
可选地，所述PWM触发器及驱动模块包括：电流镜U7、电流采样电阻RSNS、PWM比较器U8、锁存器U9和驱动及死区控制电路U10；所述电流镜U7的输入端为所述PWM触发器及驱动模块的输入端ISET引脚，连接所述第一取差电流ISET’；所述电流镜U7的输出端分别连接所述电流采样电阻RSNS的一端和所述PWM比较器U8的正相输入端；所述PWM比较器U8的负相输入端为所述PWM触发器及驱动模块的输入端SW引脚，连接所述开关信号SW；所述PWM比较器U8的输出端连接所述锁存器U9的R输入端；所述锁存器U9的S输入端为所述PWM触发器及驱动模块的输入端CLK引脚，连接所述时钟信号CLK；所述锁存器U9的正相输出端产生控制信号PWM；所述驱动及死区控制电路U10的输入端连接所述控制信号PWM；所述驱动及死区控制电路U10的两个输出端分别为所述PWM触发器及驱动模块的输出端HS引脚和输出端LS引脚，分别产生上管驱动信号HS和下管驱动信号LS。
可选地，所述开关功率级包括：上功率管S1和下功率管S2；所述上功率管S1的栅极为所述开关功率级的输入端HS引脚，连接所述上管驱动信号HS；所述上功率管S1的漏极为所述开关功率级的输入端VIN引脚，连接所述输入电压VIN；所述上功率管S1的源极为所述开关功率级的输出端SW引脚，产生所述开关信号SW；所述下功率管S2的栅极为所述开关功率级的输入端LS引脚，连接所述下管驱动信号LS；所述下功率管S2的漏极连接所述上功率管S1的源极；所述下功率管S2的源极接地。
一种基于电流模的定频PWM控制方法，基于所述的定频PWM控制器；所述定频PWM控制方法包括：
所述滤波及反馈模块将所述开关信号SW经过LC滤波后得到输出电压VOUT给外部负载进行供电；所述输出电压VOUT通过所述滤波及反馈模块的电压采样反馈后得到所述采样反馈电压FB；
所述误差放大及补偿模块将所述采样反馈电压FB送入内部进行放大和补偿处理后，产生所述电压信号VCOMP；
所述电压电流转换模块将所述电压信号VCOMP按照预设转换增益GVI转化成所述电流信号ICOMP；
所述第一取差模块将所述电流信号ICOMP与所述斜坡电流补偿ISP取差，得到所述第一取差电流ISET’；
所述第二取差模块将所述电流信号ICOMP与所述PFM阈值电流ITURN取差，得到所述第二取差电流IOSC；
所述时钟发生器根据所述第二取差电流IOSC进行时钟频率的调节，产生所述时钟信号CLK；
所述PWM触发器及驱动模块根据所述开关信号SW、所述第一取差电流ISET’和所述时钟信号CLK共同控制开关功率级中所述上管和所述下管的开通时间和时序，产生所述上管驱动信号HS和所述下管驱动信号LS；
所述开关功率级根据所述上管驱动信号HS和所述下管驱动信号LS将所述输入电压VIN处理成所述开关信号SW。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种基于电流模的定频PWM控制器及控制方法，所述定频PWM控制器包括：滤波及反馈模块、误差放大及补偿模块、电压电流转换模块、第一取差模块、第二取差模块、时钟发生器、PWM触发器及驱动模块和开关功率级。本发明利用误差放大及补偿模块的输出VCOMP电压自带的电流信息，采用电压电流转换模块和取差模块，使得轻载时定频PWM控制器自动进入轻载变频，其电路结构和控制逻辑简单，且轻载效率高，PFM进入点可预测，并且不需要额外的运放做PFM管理，电路简洁性高，具有较强可移植性和较低的实现难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的基于电流模的定频PWM控制器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于电流模的定频PWM控制器的具体电路连接示意图；
图3为本发明实施例提供的基于电流模的定频PWM控制器进入PFM时的逻辑流程图；
图4为本发明实施例提供的基于电流模的定频PWM控制方法的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于电流模的定频PWM控制器及控制方法，以采用较为简单的电路结构和控制逻辑实现轻载高效率的DC/DC变换。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的基于电流模的定频PWM控制器的整体结构示意图。参见图1，所述基于电流模的定频PWM控制器，包括：滤波及反馈模块1、误差放大及补偿模块2、电压电流转换模块3、第一取差模块4、第二取差模块5、时钟发生器6、PWM触发器及驱动模块7和开关功率级8。
参见图1，所述开关功率级8的输出端SW引脚分别连接所述滤波及反馈模块1的输入端SW引脚和所述PWM触发器及驱动模块7的输入端SW引脚；所述滤波及反馈模块1的输出端VOUT引脚产生输出电压VOUT给外部负载进行供电。所述滤波及反馈模块1的输出端FB引脚连接所述误差放大及补偿模块2的输入端FB引脚；所述误差放大及补偿模块2的输出端VCOMP引脚连接所述电压电流转换模块3的输入端引脚；所述电压电流转换模块3的输出端引脚分别连接所述第一取差模块4的正相输入端引脚和所述第二取差模块5的负相输入端引脚；所述第一取差模块4的负相输入端引脚连接斜坡补偿电流ISP；所述第二取差模块5的正相输入端引脚连接PFM阈值电流ITURN；所述第二取差模块5的输出端引脚连接所述时钟发生器6的输入端IOSC引脚；所述时钟发生器6的输出端CLK引脚连接所述PWM触发器及驱动模块7的输入端CLK引脚；所述第一取差模块4的输出端引脚连接所述PWM触发器及驱动模块7的输入端ISET引脚；所述PWM触发器及驱动模块7的输出端HS引脚连接所述开关功率级8的输入端HS引脚；所述PWM触发器及驱动模块7的输出端LS引脚连接所述开关功率级8的输入端LS引脚；所述开关功率级8的输入端VIN引脚连接输入电压VIN。
其中，滤波及反馈模块1有一个输入端SW引脚和两个输出端FB和VOUT引脚。输入端SW引脚接入的开关信号SW为开关功率级8的其中一个输出。开关信号SW经过滤波后得到输出电压VOUT给外部负载进行供电。而输出电压VOUT通过电压采样反馈得到采样反馈电压FB后连接到误差放大及补偿模块2的输入端。
误差放大及补偿模块2有一个输入端FB引脚和一个输出端VCOMP引脚。采样反馈电压FB送入内部进行放大和补偿处理之后，产生电压信号VCOMP送到电压电流转换模块3。
电压电流转换模块3将VCOMP信号以与上管导通电阻Rds(on)、采样电阻阻值RSNS和VCOMP引脚电压的上下限有关的预设比例转化成电流信号ICOMP之后，分别送入第一取差模块4对ICOMP电流与斜坡补偿电流ISP进行取差以及送入第二取差模块5对ICOMP电流与PFM阈值电流ITURN进行取差。其中，与ISP取差时ICOMP符号为正，ISP符号为负，求和得到ISET’送入PWM触发器及驱动模块7的输入端；与ITURN取差时ICOMP符号为负，ITURN为正，求和得到IOSC电流净值送入时钟发生器6。
时钟发生器6根据输入电流IOSC进行时钟CLK频率的调节，产生的新的时钟信号CLK并输入至PWM触发器及驱动模块7的输入端。
PWM触发器及驱动模块7的输入端有3个，分别是开关功率级8的SW、ISET和时钟CLK信号，输出为控制开关功率级8的上管和下管开通和关断的信号HS和LS。SW、ISET’和CLK信号共同控制HS和LS的开通时间和时序。SW与VIN信号可以反映上管的电流信息，用于环路控制。
开关功率级8受HS和LS控制基于VIN生成SW信号，并将SW信号输入滤波及反馈模块1。
图2为本发明实施例提供的基于电流模的定频PWM控制器的具体电路连接示意图。参见图2，所述滤波及反馈模块1包括：电感L、输出电容C、上分压电阻R1和下分压电阻R2；所述电感L的一端为所述滤波及反馈模块的输入端SW引脚，连接所述开关功率级的输出端SW引脚产生的开关信号SW；所述电感L的另一端分别连接所述输出电容C的一端以及所述上分压电阻R1的一端；所述上分压电阻R1的另一端连接所述下分压电阻R2的一端；所述下分压电阻R2的另一端以及所述输出电容C的另一端均接地；所述电感L的另一端为所述滤波及反馈模块的输出端VOUT引脚，产生输出电压VOUT；所述上分压电阻R1的另一端为所述滤波及反馈模块的输出端FB引脚，产生采样反馈电压FB。
可见，滤波及反馈模块1由电感L、输出电容C、上分压电阻R1和下分压电阻R2组成。开关信号SW经过LC滤波后得到输出电压VOUT，R1和R2采样VOUT后得到采样反馈电压FB，代表VOUT的电压信息。
参见图2，所述误差放大及补偿模块2包括：误差运算放大器U1；所述误差运算放大器U1的正相输入端连接参考电压VREF；所述误差运算放大器U1的反相输入端为所述误差放大及补偿模块的输入端FB引脚，连接所述采样反馈电压FB；所述误差运算放大器U1的输出端为所述误差放大及补偿模块的输出端VCOMP引脚，产生电压信号VCOMP。
可见，采样反馈电压FB连接到误差放大及补偿模块2中，误差运算放大器(ErrorAmplifier,EA)U1的反相输入端。EA的正相输入端是参考电压VREF。将VREF与采样得到的FB电压比较后放大误差并补偿，得到电压信号VCOMP，对于峰值电流模式控制的DC/DC而言，VCOMP代表电感电流的峰值电流参考，当输出电压VOUT因为扰动增大时，FB增大，VCOMP减小，电感电流峰值减小，使得输出电压减小，反之亦然。因此，VCOMP能表征维持DC/DC稳定运行所需电感电流的信息，当DC/DC在稳定工作时，电感电流等于负载电流，VCOMP就能表征负载电流信息。
参见图2，所述电压电流转换模块3包括：电压电流转换器U2；所述电压电流转换器U2的正相输入端为所述电压电流转换模块的输入端引脚，连接电压信号VCOMP；所述电压电流转换器U2的负相输入端信号接地；所述电压电流转换器U2的输出端为所述电压电流转换模块的输出端引脚，产生电流信号ICOMP。
可见，电压信号VCOMP送入电压电流转换模块3，转换成电流信号，转换增益为预设值GVI，得到电流信号ICOMP。
参见图2，所述第一取差模块4包括：电流镜U3和斜坡补偿电流源；所述电流镜U3的输入端为所述第一取差模块的正相输入端引脚，连接电流信号ICOMP；所述电流镜U3的输出端连接所述斜坡补偿电流源的一端；所述斜坡补偿电流源的另一端信号接地；所述斜坡补偿电流源的一端为所述第一取差模块的负相输入端引脚，产生斜坡补偿电流ISP；所述电流镜U3和所述斜坡补偿电流源的连接点引出所述第一取差模块的输出端引脚，产生第一取差电流ISET’。
所述第二取差模块5包括：电流镜U4、电流镜U5、二极管D1、二极管D2和PFM阈值电流源；所述电流镜U4的输入端为所述第二取差模块的负相输入端引脚，连接电流信号ICOMP；所述电流镜U4的输出端分别连接所述二极管D1的正极、所述二极管D2的负极和所述PFM阈值电流源的一端；所述PFM阈值电流源的一端为所述第二取差模块的正相输入端引脚，产生PFM阈值电流ITURN；所述PFM阈值电流源的另一端信号接地；所述二极管D1的负极连接电源电压VCC；所述二极管D2的正极连接所述电流镜U5的输入端；所述电流镜U5的输出端为所述第二取差模块的输出端引脚，产生第二取差电流IOSC。
可见，ICOMP电流分别送到第一取差模块4和第二取差模块5中，U3和U4是1:1电流镜。在第一取差模块4中，将ICOMP电流与预设的斜坡补偿电流ISP进行取差。由节点电流定律可知，第一取差电路ISET’的电流值为ICOMP减去ISP。而对于第二取差模块5中将ICOMP电流与PFM阈值电流ITURN进行取差而言，比较逻辑略有不同。第二取差模块5由电流镜U4、两个二极管D1和D2、VCC电源电压、PFM阈值电流ITURN和1:1电流镜U5组成。当ICOMP大于ITURN时，D1导通，D2截止，U5的输入电流为0，而IOSC为0。当负载电流，ICOMP下降至小于ITURN时，D1截止，D2导通，U5的输入电流为ITURN减去ICOMP，为两者差的净值，从而得到第二取差电流IOSC给到时钟发生器6。
参见图2，所述时钟发生器6包括：时钟振荡电流源ICLK、电容C_CLK、复位器S3和比较器U6；所述时钟振荡电流源ICLK的一端分别连接所述电容C_CLK的一端、所述复位器S3的一端以及所述比较器U6的正相输入端；所述时钟振荡电流源ICLK的另一端、所述电容C_CLK的另一端以及所述复位器S3的另一端信号接地；所述比较器U6的正相输入端为所述时钟发生器的输入端IOSC引脚，连接第二取差电流IOSC；所述比较器U6的负相输入端连接参考电压VREF；所述比较器U6的输出端连接所述复位器S3的控制端；所述比较器U6的输出端为所述时钟发生器的输出端CLK引脚，产生时钟信号CLK。
可见，时钟发生器6由时钟振荡电流源ICLK、电容C_CLK、复位器S3、参考电压VREF和比较器U6组成。时钟发生器6的原理为：假定C_CLK上的电压为0，则U6的正相输入电压小于反相输入电压VREF，CLK为0，ICLK给C_CLK充电。当C_CLK充电到其两端电压大于VREF时，CLK为1，S3导通，复位C_CLK电容，CLK重新回到0，CLK为1的持续时间取决于U6的传递延时，一般比较器的延时在ns级，每两次CLK的脉冲间隔定义为一个时钟周期，也就是开关周期。当ICOMP电流与第二取差模块5产生的电流IOSC给到时钟发生器6时，可知给C_CLK充电的实际电流为ICLK减去IOSC。IOSC越大，C_CLK充电斜率越小，C_CLK两端电压从0充电到VREF所需时间越长，开关周期越长，则开关频率越小。
结合ICOMP电流与第二取差模块5和时钟发生器6的原理可知，当负载电流减小时，EA控制VCOMP减小，ICOMP减小，当ICOMP减小到预设的ITURN时，也就是负载电流减小到ITURN所对应的预设值时，开始减小时钟发生器的开关周期，负载电流越小，ICOMP越小，ITURN和ICOMP的差值越大，则开关周期越长，开关频率越小。这就达到了重载定频、轻载降频的轻载高效的控制效果。
参见图2，所述PWM触发器及驱动模块7包括：电流镜U7、电流采样电阻RSNS、PWM比较器U8、锁存器U9和驱动及死区控制电路U10；所述电流镜U7的输入端为所述PWM触发器及驱动模块的输入端ISET引脚，连接第一取差电流ISET’；所述电流镜U7的输出端分别连接所述电流采样电阻RSNS的一端和所述PWM比较器U8的正相输入端；所述PWM比较器U8的负相输入端为所述PWM触发器及驱动模块的输入端SW引脚，连接开关信号SW；所述PWM比较器U8的输出端连接所述锁存器U9的R输入端；所述锁存器U9的S输入端为所述PWM触发器及驱动模块的输入端CLK引脚，连接时钟信号CLK；所述锁存器U9的正相输出端产生控制信号PWM；所述驱动及死区控制电路U10的输入端连接所述控制信号PWM；所述驱动及死区控制电路U10的两个输出端分别为所述PWM触发器及驱动模块的输出端HS引脚和输出端LS引脚，分别产生上管驱动信号HS和下管驱动信号LS。
所述开关功率级8包括：上功率管S1和下功率管S2；所述上功率管S1的栅极为所述开关功率级的输入端HS引脚，连接上管驱动信号HS；所述上功率管S1的漏极为所述开关功率级的输入端VIN引脚，连接所述输入电压VIN；所述上功率管S1的源极为所述开关功率级的输出端SW引脚，产生开关信号SW；所述下功率管S2的栅极为所述开关功率级的输入端LS引脚，连接下管驱动信号LS；所述下功率管S2的漏极连接所述上功率管S1的源极；所述下功率管S2的源极接地。
可见，对于PWM触发器及驱动模块7，其由电流镜U7、电流采样电阻RSNS、PWM比较器8、锁存器U9和驱动及死区控制电路U10组成。其工作原理是，当每个周期开始时CLK为高，U9的SET置1，Q为高，PWM为高，驱动及死区控制电路U10控制HS为高，上功率管S1导通。SW电压应为VIN减去上管电流IDS乘以上管导通阻抗Rds(on)。上管电流增加时，SW电压减小。U8反相输入减小。由回路电压定律可知，U8的正相输入电压应为VIN减去RSNS乘以ISET。上管导通时ISP增大，ISET减小，U8的正相输入增大，当其大于SW电压时，PWM比较器U8为高，锁存器U9的RESET输入为1，PWM为低。驱动和死区控制芯片U10控制HS为低，上功率管S1关断，下功率管S2导通续流。注意当负载电流减小，ISET低于ISET_MIN时，U7的输出不在减小，意味着当负载电流较低时，电感电流的峰值恒定，不再随着负载减小而减小。
图3为本发明实施例提供的基于电流模的定频PWM控制器进入PFM时的逻辑流程图。参见图3，为了方便理解，设定输入电压VIN为12V，输出电压VOUT为5V，开关信号TSW周期为1us，即开关频率为1MHz。控制模式为峰值电流控制模式(Peak CurrentMode,PCM)。负载不处于轻载时，上功率管S1的导通时间受误差放大器U1和时钟CLK控制。误差放大器U1的输出电压VCOMP，经过比例为GVI的电压电流(V-I)变换后，得到电流ICOMP。当负载变小时，VCOMP减小，ICOMP也变小。若ICOMP大于ITURN，则开关周期不变。当ICOMP小于ITURN，取这两者的差IOSC。下一个开关周期变大，开关频率变小，控制器进入PFM控制模式。负载越小，IOSC越大，开关周期越大，开关频率越低，效率越高。当负载增加，VCOMP也增加，通过V-I变换得到的ICOMP大于ITURN时，控制器从PFM退出，返回PWM控制，开关周期回到CLK时钟控制。
基于所述的定频PWM控制器，本发明还提供一种基于电流模的定频PWM控制方法，所述定频PWM控制方法包括：
滤波及反馈模块1将开关信号SW经过LC滤波后得到输出电压VOUT给外部负载进行供电；所述输出电压VOUT通过所述滤波及反馈模块的电压采样反馈后得到采样反馈电压FB；
误差放大及补偿模块2将所述采样反馈电压FB送入内部进行放大和补偿处理后，产生电压信号VCOMP；
电压电流转换模块3将所述电压信号VCOMP按照预设转换增益GVI转化成电流信号ICOMP；
第一取差模块4将所述电流信号ICOMP与斜坡电流补偿ISP取差，得到第一取差电流ISET’；
第二取差模块5将所述电流信号ICOMP与PFM阈值电流ITURN取差，得到第二取差电流IOSC；
时钟发生器6根据所述第二取差电流IOSC进行时钟频率的调节，产生时钟信号CLK；
PWM触发器及驱动模块7根据所述开关信号SW、所述第一取差电流ISET’和所述时钟信号CLK共同控制开关功率级中上管和下管的开通时间和时序，产生上管驱动信号HS和下管驱动信号LS；
开关功率级8根据所述上管驱动信号HS和所述下管驱动信号LS将输入电压VIN处理成开关信号SW。
本发明基于电流模的定频PWM控制器的核心由误差放大及补偿模块、电压电流转换模块和电流比较器组成。相关的控制方法适用于电流控制模式(CurrentMode,CM)。在这种控制模式下，EA的输出电压VCOMP可以表征拓扑中的电感电流的峰值/谷值或者平均值信息，同样地，也可以表征负载的电流信息。当负载下降时，VCOMP电压也必然下降。通过V-I变换之后，得到一个有电感电流信息的电流ICOMP，该电流比预设的电流ITURN大时，不减小时钟频率，当此电流比预设的ITURN小时，取ICOMP和ITURN的差值，来减小时钟的频率。负载越小，ICOMP越小，和ITURN的差值越大，时钟频率就越小，达到了重载定频、轻载降频的轻载高效的控制效果。
现有的轻载变频控制，所需控制逻辑比较复杂，需要比较多的逻辑电路和时钟进行同步，并且需要另外的控制电路延展关断时间或者延长时钟周期来减少轻载时的开关频率，并且有的技术不能使用于需要极高/极低占空比的应用中。而本发明方法利用EA的输出COMP电压自带的电流信息，采用V-I变换和电流比较器，使得轻载时定频PWM控制器自动进入轻载变频，逻辑简单，且轻载效率高，PFM进入点可预测，并且不需要额外的运放做PFM管理，电路简洁性高。并且本发明方法提供的控制逻辑和方法可以用于各种使用时钟的定频DC/DC电路中，具有较强可移植性和较低的实现难度。
图4示出了本发明控制方法的仿真结果，其横坐标为时间，纵坐标为输出电压VOUT。由图4可见，初始负载为5mA，在1ms加入电流为2A/us的负载突增到2.005A，3ms时负载突降为5mA，斜率为2A/us。可以看到本发明控制方法良好实现了轻载变频的要求，降低了轻载时的开关频率，提升了轻载效率。
本发明提供的基于电流模的定频PWM控制器及控制方法应用于使用时钟的定频PWM DC/DC变换器，基于电流模使得其进入轻载工作时自动变频，减少开关相关损耗，保证变换器的轻载高效率。本发明方法通用性高，可以使用在多种不同的工况下，包括极高/极低占空比情况，高/低开关频率情况，并且基于单Pulse控制可以保证输出电压纹波尽可能小，具有广泛的应用前景。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的控制方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于电流模的定频PWM控制器，其特征在于，包括：滤波及反馈模块、误差放大及补偿模块、电压电流转换模块、第一取差模块、第二取差模块、时钟发生器、PWM触发器及驱动模块和开关功率级；
所述开关功率级的输出端SW引脚分别连接所述滤波及反馈模块的输入端SW引脚和所述PWM触发器及驱动模块的输入端SW引脚；所述滤波及反馈模块的输出端VOUT引脚产生输出电压VOUT给外部负载供电；
所述滤波及反馈模块的输出端FB引脚连接所述误差放大及补偿模块的输入端FB引脚；所述误差放大及补偿模块的输出端VCOMP引脚连接所述电压电流转换模块的输入端引脚；所述电压电流转换模块的输出端引脚分别连接所述第一取差模块的正相输入端引脚和所述第二取差模块的负相输入端引脚；所述第一取差模块的负相输入端引脚连接斜坡补偿电流ISP；所述第二取差模块的正相输入端引脚连接PFM阈值电流ITURN；所述第二取差模块的输出端引脚连接所述时钟发生器的输入端IOSC引脚；所述时钟发生器的输出端CLK引脚连接所述PWM触发器及驱动模块的输入端CLK引脚；所述第一取差模块的输出端引脚连接所述PWM触发器及驱动模块的输入端ISET引脚；所述PWM触发器及驱动模块的输出端HS引脚连接所述开关功率级的输入端HS引脚；所述PWM触发器及驱动模块的输出端LS引脚连接所述开关功率级的输入端LS引脚；所述开关功率级的输入端VIN引脚连接输入电压VIN。
2.根据权利要求1所述的定频PWM控制器，其特征在于，所述滤波及反馈模块包括：电感L、输出电容C、上分压电阻R1和下分压电阻R2；所述电感L的一端为所述滤波及反馈模块的输入端SW引脚，连接所述开关功率级的输出端SW引脚产生的开关信号SW；所述电感L的另一端分别连接所述输出电容C的一端以及所述上分压电阻R1的一端；所述上分压电阻R1的另一端连接所述下分压电阻R2的一端，且为所述滤波及反馈模块的输出端FB引脚，产生采样反馈电压FB；所述下分压电阻R2的另一端以及所述输出电容C的另一端均接地；所述电感L的另一端为所述滤波及反馈模块的输出端VOUT引脚，产生输出电压VOUT。
3.根据权利要求2所述的定频PWM控制器，其特征在于，所述误差放大及补偿模块包括：误差运算放大器U1；所述误差运算放大器U1的正相输入端连接参考电压VREF；所述误差运算放大器U1的反相输入端为所述误差放大及补偿模块的输入端FB引脚，连接所述采样反馈电压FB；所述误差运算放大器U1的输出端为所述误差放大及补偿模块的输出端VCOMP引脚，产生电压信号VCOMP。
4.根据权利要求3所述的定频PWM控制器，其特征在于，所述电压电流转换模块包括：电压电流转换器U2；所述电压电流转换器U2的正相输入端为所述电压电流转换模块的输入端引脚，连接所述电压信号VCOMP；所述电压电流转换器U2的负相输入端信号接地；所述电压电流转换器U2的输出端为所述电压电流转换模块的输出端引脚，产生电流信号ICOMP。
5.根据权利要求4所述的定频PWM控制器，其特征在于，所述第一取差模块包括：电流镜U3和斜坡补偿电流源；所述电流镜U3的输入端为所述第一取差模块的正相输入端引脚，连接所述电流信号ICOMP；所述电流镜U3的输出端连接所述斜坡补偿电流源的一端；所述斜坡补偿电流源的一端为所述第一取差模块的负相输入端引脚，产生所述斜坡补偿电流ISP；所述斜坡补偿电流源的另一端接地；所述电流镜U3和所述斜坡补偿电流源的连接点引出所述第一取差模块的输出端引脚，产生第一取差电流ISET’。
6.根据权利要求5所述的定频PWM控制器，其特征在于，所述第二取差模块包括：电流镜U4、电流镜U5、二极管D1、二极管D2和PFM阈值电流源；所述电流镜U4的输入端为所述第二取差模块的负相输入端引脚，连接所述电流信号ICOMP；所述电流镜U4的输出端分别连接所述二极管D1的正极、所述二极管D2的负极和所述PFM阈值电流源的一端；所述PFM阈值电流源的一端为所述第二取差模块的正相输入端引脚，产生所述PFM阈值电流ITURN；所述PFM阈值电流源的另一端信号接地；所述二极管D1的负极连接电源电压VCC；所述二极管D2的正极连接所述电流镜U5的输入端；所述电流镜U5的输出端为所述第二取差模块的输出端引脚，产生第二取差电流IOSC。
7.根据权利要求6所述的定频PWM控制器，其特征在于，所述时钟发生器包括：时钟振荡电流源ICLK、电容C_CLK、复位器S3和比较器U6；所述时钟振荡电流源ICLK的一端分别连接所述电容C_CLK的一端、所述复位器S3的一端以及所述比较器U6的正相输入端；所述时钟振荡电流源ICLK的另一端、所述电容C_CLK的另一端以及所述复位器S3的另一端信号接地；所述比较器U6的正相输入端为所述时钟发生器的输入端IOSC引脚，连接所述第二取差电流IOSC；所述比较器U6的负相输入端连接所述参考电压VREF；所述比较器U6的输出端连接所述复位器S3的控制端；所述比较器U6的输出端为所述时钟发生器的输出端CLK引脚，产生时钟信号CLK。
8.根据权利要求7所述的定频PWM控制器，其特征在于，所述PWM触发器及驱动模块包括：电流镜U7、电流采样电阻RSNS、PWM比较器U8、锁存器U9和驱动及死区控制电路U10；所述电流镜U7的输入端为所述PWM触发器及驱动模块的输入端ISET引脚，连接所述第一取差电流ISET’；所述电流镜U7的输出端分别连接所述电流采样电阻RSNS的一端和所述PWM比较器U8的正相输入端；所述PWM比较器U8的负相输入端为所述PWM触发器及驱动模块的输入端SW引脚，连接所述开关信号SW；所述PWM比较器U8的输出端连接所述锁存器U9的R输入端；所述锁存器U9的S输入端为所述PWM触发器及驱动模块的输入端CLK引脚，连接所述时钟信号CLK；所述锁存器U9的正相输出端产生控制信号PWM；所述驱动及死区控制电路U10的输入端连接所述控制信号PWM；所述驱动及死区控制电路U10的两个输出端分别为所述PWM触发器及驱动模块的输出端HS引脚和输出端LS引脚，分别产生上管驱动信号HS和下管驱动信号LS。
9.根据权利要求8所述的定频PWM控制器，其特征在于，所述开关功率级包括：上功率管S1和下功率管S2；所述上功率管S1的栅极为所述开关功率级的输入端HS引脚，连接所述上管驱动信号HS；所述上功率管S1的漏极为所述开关功率级的输入端VIN引脚，连接所述输入电压VIN；所述上功率管S1的源极为所述开关功率级的输出端SW引脚，产生所述开关信号SW；所述下功率管S2的栅极为所述开关功率级的输入端LS引脚，连接所述下管驱动信号LS；所述下功率管S2的漏极连接所述上功率管S1的源极；所述下功率管S2的源极接地。
10.一种基于电流模的定频PWM控制方法，其特征在于，基于权利要求1-9中任一项所述的定频PWM控制器；所述定频PWM控制方法包括：
所述滤波及反馈模块将所述开关信号SW经过LC滤波后得到输出电压VOUT给外部负载进行供电；所述输出电压VOUT通过所述滤波及反馈模块的电压采样反馈后得到所述采样反馈电压FB；
所述误差放大及补偿模块将所述采样反馈电压FB送入内部进行放大和补偿处理后，产生所述电压信号VCOMP；
所述电压电流转换模块将所述电压信号VCOMP按照预设转换增益GVI转化成所述电流信号ICOMP；
所述第一取差模块将所述电流信号ICOMP与所述斜坡电流补偿ISP取差，得到所述第一取差电流ISET’；
所述第二取差模块将所述电流信号ICOMP与所述PFM阈值电流ITURN取差，得到所述第二取差电流IOSC；
所述时钟发生器根据所述第二取差电流IOSC进行时钟频率的调节，产生所述时钟信号CLK；
所述PWM触发器及驱动模块根据所述开关信号SW、所述第一取差电流ISET’和所述时钟信号CLK共同控制开关功率级中所述上管和所述下管的开通时间和时序，产生所述上管驱动信号HS和所述下管驱动信号LS；
所述开关功率级根据所述上管驱动信号HS和所述下管驱动信号LS将所述输入电压VIN处理成所述开关信号SW。
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