CN116436293B - 一种开关电源的混合控制电路、控制方法及开关电源 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种开关电源的混合控制方案，通过构建的电感电流与上限值比较，控制主功率开关管的导通时间，然后通过采样的电感电流与下限值比较，系统整体上实现I2即上下限值的控制。本技术方案由于主功率开关管的导通时间根据重构电流的方式控制，而主功率管的关断时刻通过峰值控制模式，可以满足在较小的导通时间情况下接近恒定导通时间模式，并且通过I2控制方案，负载的瞬态变化可以通过反馈环路快速调整主功率开关管的导通时间，从而优化动态响应，系统整体性能佳。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种开关电源的混合控制电路、控制方法及开关电源。
背景技术
在当前开关电源的电路控制中，通过控制开关电源中主功率开关管的导通、关断来控制输出电压。开关电源电路包括BUCK（降压）电路、BOOST（升压）电路等电路结构。例如，图1为一种BUCK（降压）拓扑的开关电源的电路结构示意图，如图1所示，所述BUCK电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2和电感L，其中，第一开关管Q1为主功率MOS管，第二开关管Q2为续流二极管，Vin为BUCK电路的输入电压，Vout为BUCK电路的输出电压，通过采样电感电流VI，将采样的信号与电感电流的上下限值信号进行比较以产生驱动信号，驱动信号对第一开关管Q1和/或第二开关管Q2进行开通/关断控制，以调整输出电压为期望的电压值。
在上述的控制方案中，误差补偿信号Vc根据输出电压信息的输出电压反馈信号FB和基准电压信号Vref1获得，上下限值根据误差补偿信号Vc获得，并且上限值和下限值相差固定的值，如差值为△Vc，这种方案在△Vc为比较小的情况下，系统容易受到干扰，控制环路不稳定。
因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电源的混合控制电路、控制方法及开关电源，用以解决现有技术存在的开关电源系统容易受到干扰，控制环路不稳定的技术问题。
依据本申请的一种开关电源的混合控制电路，所述开关电源包括连接的主功率开关管和电感，限值产生电路，基于第一补偿信号获得电感电流的上限值和下限值，所述第一补偿信号为根据所述开关电源的输出电压反馈信号和基准电压信号获得；电流构建电路，基于所述开关电源的拓扑结构构建与所述开关电源的输入电压或输出电压或输入电压和输入电压运算后成比例的电流构建信号，所述电流构建信号的斜率随着所述开关电源的工作频率可调；比较电路，基于所述开关电源的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电流采样信号和所述电感电流的下限值的比较以控制所述主功率开关管的开通，根据所述电流构建信号和所述电感电流的上限值的比较以控制所述主功率开关管的关断。
优选地，所述电流构建信号的斜率随着所述开关电源的工作频率成反比调节。
优选地，当开关电源的工作频率高时，调节电流构建信号的斜率降低，当开关电源的工作频率低时，调节电流构建信号的斜率增大。
优选地，所述电流构建电路包括采样保持电路和斜坡电流构建电路，所述采样保持电路采样在所述主功率开关管导通之前时刻的电感电流，获得第一采样信号，所述斜坡电流构建电路在所述主功率开关管的导通时间段构建斜坡电流信号，所述电流构建信号基于所述第一采样信号和所述斜坡电流信号获得。
优选地，所述电感电流的上限值和下限值相差预设的差值，所述电感电流的下限值为根据所述第一补偿信号限定，所述电感电流的上限值为根据所述第一补偿信号和所述预设的差值之和限定。
优选地，所述预设的差值为根据经验设定的电压值或者是根据所述第一补偿信号的变化范围设定的电压值。
优选地，当所述预设的差值为根据所述第一补偿信号的变化范围设定的电压值时，设置所述预设的差值与所述第一补偿信号的变化范围成线性比例关系。
优选地，所述斜坡电流构建电路包括电流源、充电电容与所述充电电容并联的第一开关，所述第一开关的开关状态与所述主功率开关管的开关状态相反，所述电流源用于给所述充电电容充电，所述充电电容的两端电压信号为表征所述斜坡电流信号的第一斜坡电压信号，所述电流源的电流大小与所述开关电源的输入电压和/或输出电压成比例关系，并且所述电流源的大小与所述开关电源的工作频率成反比变化。
优选地，所述斜坡电流构建电路包括电流源、充电电容与所述充电电容并联的第一开关，所述第一开关的开关状态与所述主功率开关管的开关状态相反，所述电流源用于给所述充电电容充电，所述充电电容的两端电压信号为表征所述斜坡电流信号的第一斜坡电压信号，所述电流源的电流大小与所述开关电源的输入电压和/或输出电压成比例关系，并且所述充电电容的大小与所述开关电源的工作频率成正比变化。
优选地，所述比较电路包括第一比较器和第二比较器，所述第一比较器接收所述电流采样信号和所述电感电流的下限值，以产生第一比较结果控制所述主功率开关管的开通，所述第二比较器接收所述电流构建信号和所述电感电流的上限值，以产生第二比较结果控制所述主功率开关管的关断。
第二方面，依据本申请的一种开关电源的混合控制方法，所述开关电源包括连接的主功率开关管和电感，包括步骤：基于所述开关电源的输出电压反馈信号和基准电压信号获得第一补偿信号，根据所述第一补偿信号限定电感电流的下限值，根据所述第一补偿信号和预设的差值之和限定所述电感电流的上限值，基于所述开关电源的拓扑结构构建与所述开关电源的输入电压或输出电压或输入电压和输入电压运算后成比例的电流构建信号，所述电流构建信号的斜率随着所述开关电源的工作频率可调；基于所述开关电源的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电流采样信号和所述电感电流的下限值的比较以控制所述主功率开关管的开通，根据所述电流构建信号和所述电感电流的上限值的比较以控制所述主功率开关管的关断。
优选地，其特征在于当开关电源的工作频率高时，调节电流构建信号的斜率降低，当开关电源的工作频率低时，调节电流构建信号的斜率增大。
优选地，所述预设的差值为根据经验设定的电压值或者是根据所述第一补偿信号的变化范围设定的电压值。
第三方面，依据本申请的一种开关电源，包括上述的混合控制电路，还包括功率级电路以及逻辑和驱动电路，所述功率级电路包括连接的主功率开关管和电感；所述逻辑和驱动电路接收所述比较电路输出的比较信号，以根据比较信号输出开关信号控制所述主功率开关管的通断。
采用本发明的开关电源的混合控制方案，通过构建的电感电流与上限值比较，控制主功率开关管的导通时间，然后通过采样的电感电流与下限值比较，系统整体上实现I2控制即上下限值的控制。本技术方案由于主功率开关管的导通时间根据重构电流的方式控制，而主功率管的关断时刻通过峰值控制模式，可以满足在较小的导通时间情况下接近恒定导通时间模式，并且通过I2控制策略负载的瞬态变化可以通过反馈环路快速调整主功率开关管的导通时间，从而优化动态响应，系统整体性能佳。
附图说明
图1为现有技术的开关电源的电路系统的电路图；
图2为依据本发明的包括开关电源的控制电路的电路图；
图3为依据本发明的图2中的电流构建电路的具体电路图；
图4为依据本发明的图3中的斜坡电流构建电路的具体电路图；
图5为依据本发明的图2中的限值产生电路的具体电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为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。
参考图2为依据本发明的包括开关电源的控制电路的电路图,图3为依据本发明的图2中的电流构建电路的具体电路图，图4为依据本发明的图3中的斜坡电流构建电路的具体电路图；本实施方式开关电源包括功率级电路和控制电路，所述功率变换器采用降压拓扑结构为例，该拓扑结构包括主功率开关管Q1、与主功率开关管Q1连接的电感L、与电感L连接的同步整流管Q2以及输出电容Co。功率变换器接收输入信号Vin，经主功率开关管Q1的开关转换，输出直流输出信号Vout供给负载，输出电容Co两端的电压记为输出电压信号Vout。控制电路输出开关控制信号如Ton和Bon控制主功率开关管Q1和同步整流管Q2的开关状态，主功率开关管Q1和同步整流管Q2可以互补通断。
本申请的控制电路包括限值产生电路、电流构建电路和比较电路。所述限值产生电路用以提供电感电流的上限值（如记为Vc+△Vc）和下限值（如记为Vc），这里，限值产生电路基于第一补偿信号（如Vcomp）获得电感电流的上限值和下限值，所述第一补偿信号为根据所述开关电源的输出电压反馈信号和基准电压信号获得，如第一补偿信号通过将所述开关电源的输出电压反馈信号和基准电压信号的误差放大然后通过电容和电阻构成的补偿电路进行补偿获得；所述电感电流的上限值和下限值相差预设的差值△Vc，所述电感电流的下限值为根据所述第一补偿信号限定，如设置为与所述第一补偿信号相等，所述电感电流的上限值为根据所述第一补偿信号和所述预设的差值之和限定，如设置为所述第一补偿信号的值与差值△Vc相加获得。
具体地，所述电流构建电路基于所述开关电源的拓扑结构构建与所述开关电源的输入电压或输出电压或输入电压和输入电压运算后成比例的电流构建信号，例如，当开关电源的拓扑结构为降压型拓扑时，则所述电流构建信号与输入电压和输出电压的差值成比例，当开关电源的拓扑结构为升压型拓扑时，则所述电流构建信号与输入电压成比例，所述电流构建信号的斜率随着所述开关电源的工作频率可调；在一个示例中，所述电流构建信号的斜率随着所述开关电源的工作频率成反比调节。
结合图3和图4，所述电流构建电路包括采样保持电路和斜坡电流构建电路，所述采样保持电路可与电流采样电路连接，以采样在所述主功率开关管导通之前时刻的电感电流，获得第一采样信号，可记为IBot，转换为表征其的电压信号可记为VIBot；所述斜坡电流构建电路在所述主功率开关管的导通时间段构建斜坡电流信号，所述电流构建信号基于所述第一采样信号和所述斜坡电流信号获得。在连续导通模式下，主功率开关管导通之前，电感电流的值有一定的大小，因此，构建的电流以该值为起点，使得构建的电流接近真实电流大小，准确。所述电流构建信号可以基于所述第一采样信号和所述斜坡电流信号的叠加获得。
继续参考图4，所述斜坡电流构建电路包括电流源I、充电电容C与所述充电电容并联的第一开关S，所述第一开关的开关状态与所述主功率开关管的开关状态相反，如第一开关通过信号Ton的非信号控制，所述电流源用于给所述充电电容充电，所述充电电容的两端电压信号为表征所述斜坡电流信号的第一斜坡电压信号Vgj，这里，本实施例以buck为例，所述电流源的电流大小与所述开关电源的输入电压和输出电压的差值成比例关系，如电流源的电流I设置为I∝K×(Vin-Vo)，当主功率开关管Q1导通时，则第一开关S断开，电流源I给充电电容充电，则所述第一斜坡电压信号相应地为：Vgj∝K×(Vin-Vo)，如此，比例系数K=1/L，L为电感的感值。
这里，为了提高系统的整体稳定性，通过调节斜坡电流信号与开关电源工作频率相关，则可以使得斜坡电流信号的变化△I与差值△Vc匹配，本实施例中，如图4，控制所述电流源的大小与所述开关电源的工作频率成反比变化，这样，当开关电源的工作频率高时，电流构建信号的斜率降低，当开关电源的工作频率低时，电流构建信号的斜率增大。
具体的，所述比较电路包括第一比较器CMP1和第二比较器CMP2，所述第一比较器接收电流采样信号Vcy和所述电感电流的下限值Vc，所述电流采样信号基于所述开关电源的电感电流信息获得，以产生第一比较结果Vc1控制所述主功率开关管的开通，所述第二比较器接收所述电流构建信号Vgj和所述电感电流的上限值Vc+△Vc，以产生第二比较结果Vc2控制所述主功率开关管的关断。
需要说明的是本申请的控制电路还包括电流采样电以及逻辑驱动电路，电流采样电路用以采样电感电流信息，电流采样电路可用现有技术的电阻等器件来实现，逻辑驱动电路连接比较器之后，用以接收比较信号，以转换为能驱动开关管的驱动信号，这里功率级变换器还包括一些实现输入输出功率转换的其他器件，因与本发明技术方案无直接关联，在图2中未示出。
通过上述的电路结构，其工作原理为：当开关电源的工作频率高时，例如，高于一定的阈值，则控制电流源的电流减小，则电流构建信号Vgj的斜率降低，如此，由于电流构建信号与上限值比较，斜率降低则导致导通时间增加，对应开关电源的工作频率降低；当开关电源的工作频率低时，如低于一定的阈值，则控制电流源的电流增大，电流构建信号的斜率增大，斜率降低则导致导通时间减小，对应开关电源的工作频率增大。如此，通过调节电流构建信号的斜率，使得系统的频率趋于稳定，系统整体工作稳定性好。而本申请中，上限值和下限值均设置为跟第一补偿信号相关联，当负载发生变化，第一补偿信号的变化可以快速的调节主功率开关管的导通时间，使得系统动态响应好。另外，由于本申请的控制方案中，在主功率开关管导通过程中，通过构建的电流信号与上限值比较，即便在导通时间较小的情况下，本申请的方案仍然可以实现接近于恒定导通时间控制方案，例如控制每个开关周期中的构建电流的起点、斜率和上限值基本保持相同，则可以实现恒定导通时间控制方案。
除了通过开关电源工作频率调节电流源的方式，还可以采用通过开关工作频率调节充电电容的大小来实现，例如，控制所述充电电容的大小与所述开关电源的工作频率成正比变化，当开关电源的工作频率高时，例如，高于一定的阈值，则控制充电电容的容值增大，则电流构建信号Vgj的斜率降低，如此，由于电流构建信号与上限值比较，斜率降低则导致导通时间增加，对应开关电源的工作频率降低；当开关电源的工作频率低时，如低于一定的阈值，则控制充电电容的容值减小，电流构建信号的斜率增大，斜率降低则导致导通时间减小，对应开关电源的工作频率增大。如此，通过调节电流构建信号的斜率，使得系统的频率趋于稳定，系统整体工作稳定性好。
具体地，所述预设的差值为根据经验设定的电压值或者是根据所述第一补偿信号的变化范围设定的电压值。在一些应用场合中，当所述第一补偿信号的变化范围较大时，会导致连续的开关周期中主功率开关管的导通时间波动较大，因此，当所述预设的差值为根据所述第一补偿信号的变化范围设定的电压值时，设置所述预设的差值与所述第一补偿信号的变化范围成线性比例关系，具体地，参考图5，限值产生电路接收第一补偿信号，根据第一补偿信号的变化来获得差值△Vc，然后根据该差值和第一补偿信号来获得上限值。如此可以提高系统的均衡性，当所述第一补偿信号的变化范围较大时，提高△Vc的值，可以使得主功率开关管的导通时间在连续的周期中更加均匀，不会出现较大的波动。
本领域技术人员可知，虽本申请撰写中构建电流的斜坡与工作频率相关，但是也可以与工作周期相关，两者是同一个意思表示，均在本申请的保护范围之内。
上述实施例以buck拓扑结构为例，本领域技术人员应当理解，在其他实施例中，功率级电路可以采用任何合适的直流-直流拓扑结构，如采用降压拓扑结构、升压拓扑结构、同步升压拓扑结构，反激，同步反激及其他合适的拓扑结构，如为升压拓扑结构时，电感在主开关管导通的时间内，上升的电感电流与输入电压成正比例关系，则在构建斜坡电流信号时设置电流源与输入电压成正比例关系，如此，可构建一个开关周期内的准确的电感电流信号。
最后，本申请还提出了一种开关电源，包括上述的混合控制电路，还包括功率级电路以及逻辑和驱动电路，所述功率级电路包括连接的主功率开关管和电感；所述逻辑和驱动电路接收所述比较电路输出的比较信号，以根据比较信号输出开关信号控制所述主功率开关管的通断。
补充说明的是，给出的具体实施以及对应的图例，仅仅是描述本发明实施方法的一种方式，并非限制本发明实施方案的具体结构，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种开关电源的混合控制电路，所述开关电源包括连接的主功率开关管和电感，其特征在于，
限值产生电路，基于第一补偿信号获得电感电流的上限值和下限值，所述第一补偿信号为根据所述开关电源的输出电压反馈信号和基准电压信号获得；
电流构建电路，基于所述开关电源的拓扑结构构建与所述开关电源的输入电压或输出电压或输入电压和输入电压运算后成比例的电流构建信号，所述电流构建信号的斜率随着所述开关电源的工作频率可调,
比较电路，基于所述开关电源的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电流采样信号和所述电感电流的下限值的比较以控制所述主功率开关管的开通，根据所述电流构建信号和所述电感电流的上限值的比较以控制所述主功率开关管的关断,
所述电流构建电路包括采样保持电路和斜坡电流构建电路，所述采样保持电路采样在所述主功率开关管导通之前时刻的电感电流，获得第一采样信号，所述斜坡电流构建电路在所述主功率开关管的导通时间段构建斜坡电流信号，所述电流构建信号基于所述第一采样信号和所述斜坡电流信号获得。
2.根据权利要求1所述的混合控制电路，其特征在于，所述电流构建信号的斜率随着所述开关电源的工作频率成反比调节。
3.根据权利要求2所述的混合控制电路，其特征在于，当开关电源的工作频率高时，调节电流构建信号的斜率降低，当开关电源的工作频率低时，调节电流构建信号的斜率增大。
4.根据权利要求1所述的混合控制电路，其特征在于，所述电感电流的上限值和下限值相差预设的差值，
所述电感电流的下限值为根据所述第一补偿信号限定，所述电感电流的上限值为根据所述第一补偿信号和所述预设的差值之和限定。
5.根据权利要求4所述的混合控制电路，其特征在于，所述预设的差值为根据经验设定的电压值或者是根据所述第一补偿信号的变化范围设定的电压值。
6.根据权利要求5所述的混合控制电路，其特征在于，当所述预设的差值为根据所述第一补偿信号的变化范围设定的电压值时，
设置所述预设的差值与所述第一补偿信号的变化范围成线性比例关系。
7.根据权利要求1所述的混合控制电路，其特征在于，所述斜坡电流构建电路包括电流源、充电电容与所述充电电容并联的第一开关，所述第一开关的开关状态与所述主功率开关管的开关状态相反，
所述电流源用于给所述充电电容充电，所述充电电容的两端电压信号为表征所述斜坡电流信号的第一斜坡电压信号，
所述电流源的电流大小与所述开关电源的输入电压和/或输出电压成比例关系，并且所述电流源的大小与所述开关电源的工作频率成反比变化。
8.根据权利要求1所述的混合控制电路，其特征在于，所述斜坡电流构建电路包括电流源、充电电容与所述充电电容并联的第一开关，所述第一开关的开关状态与所述主功率开关管的开关状态相反，
所述电流源用于给所述充电电容充电，所述充电电容的两端电压信号为表征所述斜坡电流信号的第一斜坡电压信号，
所述电流源的电流大小与所述开关电源的输入电压和/或输出电压成比例关系，并且所述充电电容的大小与所述开关电源的工作频率成正比变化。
9.根据权利要求1所述的混合控制电路，其特征在于，所述比较电路包括第一比较器和第二比较器，
所述第一比较器接收所述电流采样信号和所述电感电流的下限值，以产生第一比较结果控制所述主功率开关管的开通，
所述第二比较器接收所述电流构建信号和所述电感电流的上限值，以产生第二比较结果控制所述主功率开关管的关断。
10.一种开关电源的混合控制方法，所述开关电源包括连接的主功率开关管和电感，其特征在于，包括步骤：
基于所述开关电源的输出电压反馈信号和基准电压信号获得第一补偿信号，根据所述第一补偿信号限定电感电流的下限值，根据所述第一补偿信号和预设的差值之和限定所述电感电流的上限值，
基于所述开关电源的拓扑结构构建与所述开关电源的输入电压或输出电压或输入电压和输入电压运算后成比例的电流构建信号，所述电流构建信号的斜率随着所述开关电源的工作频率可调；其中，采样在所述主功率开关管导通之前时刻的电感电流，获得第一采样信号，在所述主功率开关管的导通时间段构建斜坡电流信号，所述电流构建信号基于所述第一采样信号和所述斜坡电流信号获得；
基于所述开关电源的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电流采样信号和所述电感电流的下限值的比较以控制所述主功率开关管的开通，根据所述电流构建信号和所述电感电流的上限值的比较以控制所述主功率开关管的关断。
11.根据权利要求10所述的混合控制方法，其特征在于当开关电源的工作频率高时，调节电流构建信号的斜率降低，当开关电源的工作频率低时，调节电流构建信号的斜率增大。
12.根据权利要求10所述的混合控制方法，其特征在于，所述预设的差值为根据经验设定的电压值或者是根据所述第一补偿信号的变化范围设定的电压值。
13.一种开关电源，包括权利要求1-9任一所述的混合控制电路，还包括功率级电路以及逻辑和驱动电路，
所述功率级电路包括连接的主功率开关管和电感；
所述逻辑和驱动电路接收所述比较电路输出的比较信号，以根据比较信号输出开关信号控制所述主功率开关管的通断。
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