CN116647098A - 开关电源导通时间控制电路、方法和开关电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种开关电源导通时间控制电路、方法和开关电源，该控制电路包括：包括：斜坡电压获取模块，用于根据输入电压输出斜坡电压；第一参考电压获取模块，用于根据开关频率信号和参考时钟信号输出第一参考电压；第二参考电压获取模块，用于根据开关电源的输出电压输出第二参考电压；切换控制模块，用于根据开关电源的模式检测参数选取第一参考电压与第二参考电压中的任一项作为目标参考电压；比较模块，用于对斜坡电压和目标参考电压进行比对，根据比对结果输出匹配的导通时间信号。本发明基于电源工作模式切换导通时间生成方式，避免基于锁相环生成的导通时间过短影响频率恒定性和变换器正常工作，有利于降低开关频率变化幅度。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种开关电源导通时间控制电路、方法和开关电源。
背景技术
直流-直流变换器的控制方式通常包括脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）和恒定导通时间（Constant On Time，COT）。COT控制技术是一种脉冲频率调制（PulseFrequency Modulation，PFM）控制方式，具有轻载效率高、瞬态响应速度快等优点。
在COT控制技术中，随着变换器输入输出电压变化，工作频率不固定，容易导致较大的电磁干扰。在现有技术中，可通过自适应恒定导通时间（Adaptive Constant On Time，ACOT）的控制方式，根据输入输出电压变化调节主功率开关管的导通时间，或者，通过锁相环（Phase Lock Loop，PLL）产生导通时间，使工作频率保持恒定。
图1为现有的一种基于锁相环的导通时间控制电路的电路原理图。
如图1所示，锁相环根据时钟信号和开关频率信号（例如为上功率管开关信号或者下功率管开关信号）调节参考电压VPLL＇的电位；充电电流IRMP＇对电容C＇充电以产生斜坡电压VRMP＇；比较器COMP对斜坡电压VRMP＇和参考电压VPLL＇进行比较，当斜坡电压VRMP＇等于参考电压VPLL＇时，比较器输出的导通时间Ton＇翻转为结束信号，该信号在关断主功率开关管的同时，控制斜坡电压VRMP＇重置到地，等待下一次计时的启动。其中，导通时间Ton＇所对应的工作频率与时钟信号的频率相等。
现有的基于锁相环的导通时间控制电路存在以下问题：基于锁相环的控制系统采用闭环反馈控制方式。在轻载状态下，直流-直流变换器存在两种工作模式：强制续流模式（Continuous Conduction Mode，CCM）或者断流模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）。在断流模式下，导通时间在闭环环路的作用下不断降低，以保证工作频率正常。随着负载越来越轻，即使导通时间达到最小值，也难以维持工作频率，即言，基于锁相环的控制环路达到饱和。锁相环环路饱和状态下的导通时间Ton＇太短，会造成直流-直流变换器的主回路控制困难，导致基于锁相环生成导通时间Ton＇的控制方式无法正常工作。
图2为现有的一种降压变换器的电路原理图。
结合图2所示，PLL导通时间控制电路基于锁相环环路调节导通时间Ton＇，在降压变压器中，导通时间Ton＇太短的影响主要体现在以下方面：
其一，在VIN等于5V，VOUT 等于3.3V，电感值L等于2.2uH，500KHz的工作频率下，Ton＇=1.32uS，电感电流变化值等于1.02A；在轻载状态下，如果锁相环环路饱和状态下的导通时间限制为50nS，则电感电流iL＇变化只有38.6mA。这么小的电流变化，很难准确采样，会影响断流模式下的稳定性。
其二，导通时间定义了直流-直流变换器在强制续流模式下允许的最小占空比。在小占空比工作时，如果导通时间无法降低到所需的范围，则唯一的选择只有降低工作频率，这会影响变换器工作频率的恒定性。
其三，影响自举电容的充电。自举电容作为浮动电源，在直流-直流变换器上常用来开启上功率管HQ，每次上功率管HQ开启，自举电容对外放电，在下功率管LQ开启时再充电，以维持足够的电量。如果导通时间太短，则上功率管HQ和下功率管LQ开启时间都变短，导致自举电容充电时间变短，不一定能够弥补损失的电量，长时间开关几次后，自举电容的电量过低，不足以再次开启上功率管HQ，导致变换器只能停止工作，直至自举电容电量恢复。
发明内容
本发明提供了一种开关电源导通时间控制电路、方法和开关电源，以解决现有的导通时间控制电路中环路饱和导致导通时间过短，影响开关频率恒定性和工作可靠性的问题，减小导通时间和频率的变化幅度。
根据本发明的一方面，提供了一种开关电源导通时间控制电路，包括：斜坡电压获取模块，用于获取所述开关电源的输入电压，并根据所述输入电压确定斜坡电压；第一参考电压获取模块，用于获取所述开关电源的开关频率信号和参考时钟信号，并根据所述开关频率信号和所述参考时钟信号输出第一参考电压；第二参考电压获取模块，用于根据所述开关电源的输出电压输出第二参考电压；切换控制模块，用于获取所述开关电源的模式检测参数，并根据所述模式检测参数选取所述第一参考电压与所述第二参考电压中的任一项作为目标参考电压；比较模块，用于接收所述斜坡电压和所述目标参考电压，对所述斜坡电压和所述目标参考电压进行比对，根据所述斜坡电压和所述第一参考电压输出第一导通时间信号，或者，根据所述斜坡电压和所述第二参考电压输出第二导通时间信号。
可选地，所述切换控制模块包括：选择开关，设有第一子开关和第二子开关，所述第一子开关设置于所述第一参考电压获取模块与所述比较模块的第一输入端之间，所述第二子开关设置于所述第二参考电压获取模块与所述比较模块的第一输入端之间；切换信号获取单元，用于根据所述模式检测参数确定切换控制信号；其中，所述切换控制信号用于控制所述第一子开关或者所述第二子开关中的任一项闭合。
可选地，所述模式检测参数包括：连续多个开关周期内的开关管电流参数，或者，连续多个开关周期内的电感电流参数。
可选地，所述第一参考电压获取模块，包括：鉴频鉴相单元和电荷泵电路；所述鉴频鉴相单元的第一输入端接收所述参考时钟信号，所述鉴频鉴相单元的第二输入端接收所述开关频率信号，所述鉴频鉴相单元用于检测所述开关频率信号与所述参考时钟信号之间的相位频率差，并输出与所述相位频率差对应的误差脉冲信号；所述电荷泵电路用于根据所述误差脉冲信号确定所述第一参考电压；其中，所述误差脉冲信号包括第一数字信号和第二数字信号，所述第一数字信号用于抬升所述第一参考电压的电压值；所述第二数字信号用于降低所述第一参考电压的电压值。
可选地，所述第二参考电压获取模块，包括：串联连接的多个分压电阻；所述多个分压电阻至少包括：第一分压电阻和第二分压电阻；所述第一分压电阻的第一端与所述开关电源的输出端电连接，所述第一分压电阻的第二端与所述第二分压电阻的第一端电连接；所述第二分压电阻的第二端接地，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻之间设有采样节点，所述采样节点用于基于预设采样信号输出所述第二参考电压；其中，所述预设采样信号的频率与所述开关频率信号的频率相等或者近似相等。
可选地，所述第二参考电压获取模块，还包括：延时补偿单元，所述延时补偿单元设置于所述采样节点与所述比较模块的第一输入端之间，所述延时补偿单元用于对所述比较模块的延时时间进行补偿，使补偿后的系统延时时间小于预设时间阈值。
可选地，所述斜坡电压获取模块包括：充电电容，所述充电电容的第一端与所述比较模块的第二输入端电连接，所述充电电容的第二端接地；充电电流获取单元，用于根据所述开关电源的输入电压输出所述充电电流，并将所述充电电流传输至所述充电电容，使所述充电电容输出所述斜坡电压；充电控制开关，与所述充电电容并联连接，所述充电控制开关的控制端与所述比较模块的输出端电连接，所述充电控制开关用于根据所述第一导通时间信号或者所述第二导通时间信号控制所述斜坡电压重置或者保持。
根据本发明的另一方面，提供了一种开关电源导通时间控制方法，用于上述导通时间控制电路，所述方法包括：获取所述开关电源的输入电压，并根据所述输入电压输出斜坡电压；获取所述开关电源的开关频率信号和参考时钟信号，并根据所述开关频率信号和所述参考时钟信号输出第一参考电压；根据所述开关电源的输出电压输出第二参考电压；获取所述开关电源的模式检测参数，并根据所述模式检测参数选取所述第一参考电压与所述第二参考电压中的任一项作为目标参考电压；对所述斜坡电压和所述目标参考电压进行比对，根据所述斜坡电压和所述第一参考电压输出第一导通时间信号，或者，根据所述斜坡电压和所述第二参考电压输出第二导通时间信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种开关电源，包括：上述开关变换器导通时间控制电路。
本发明实施例的技术方案，在基于锁相环生成导通时间的开关电源中，设置参考电压切换控制模块，在轻载状态下，检测开关电源的工作模式，在轻载强制续流模式，采用第一参考电压获取模块基于锁相环控制模式生成的第一参考电压，将第一参考电压作为目标参考电压，与斜坡电压获取模块提供的斜坡电压进行比较，基于锁相环生成第一导通时间信号；在轻载断流模式下，由于锁相环环路饱和状态下的导通时间太短，导致电感电流纹波太小，没有足够时间采样电感电流会造成更大的输出电压波动，此时，采用第二参考电压获取模块基于自适应控制模式生成第二参考电压，将第二参考电压作为目标参考电压，与斜坡电压获取模块提供的斜坡电压进行比较，基于自适应模式生成第二导通时间信号。通过在轻载断流模式下，切换导通时间控制方式，采用导通时间自适应调节方式替代原来的基于锁相环生成导通时间的方式，延长导通时间（例如，将导通时间延长一倍），导致电感电流纹波增大（例如将电感电流的波动峰值增大一倍），便于采样电感电流变化，减小输出电压波动，解决了现有的基于锁相环的导通时间控制电路中环路饱和导致导通时间过短，影响电流采样，进而影响开关频率恒定性和工作可靠性的问题，避免轻载状态下基于锁相环生成导通时间突变，有利于降低开关频率变化幅度。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为现有的一种基于锁相环的导通时间控制电路的电路原理图。
图2为现有的一种降压变换器的电路原理图。
图3为本发明实施例提供的一种开关电源导通时间控制电路的结构示意图。
图4为现有的一种基于锁相环生成导通时间的仿真波形的示意图。
图5为本发明实施例提供的一种开关电源导通时间的仿真波形的示意图。
图6为本发明实施例提供的另一种开关电源导通时间控制电路的结构示意图。
图7为本发明实施例提供的一种第一参考电压获取模块的结构示意图。
图8为本发明实施例提供的一种第二参考电压获取模块的结构示意图。
图9为本发明实施例提供的另一种第二参考电压获取模块的结构示意图。
图10为本发明实施例提供的一种斜坡电压获取模块的结构示意图。
图11为本发明实施例提供的一种开关电源导通时间控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，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、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图3为本发明实施例提供的一种开关电源导通时间控制电路的结构示意图，本实施例可适用于轻载状态下，基于开关电源的工作模式切换比较器的参考电压的应用场景。其中，开关电源的工作模式包括但不限于：强制续流模式（Continuous Conduction Mode，CCM）或者断流模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）。
如图3所示，该开关电源导通时间控制电路100包括：斜坡电压获取模块110、第一参考电压获取模块120、第二参考电压获取模块130、切换控制模块140和比较模块150。
斜坡电压获取模块110用于获取开关电源的输入电压VIN，将输入电压VIN转换为充电电流IRMP，并根据充电电流IRMP输出斜坡电压VRMP。其中，斜坡电压VRMP可为基于充电电流IRMP对电容C0充电后得到的电压。本实施例中，充电电流IRMP可设置为与输入电压正相关的变量，即言，输入电压越大，充电电流IRMP的数值越大。
第一参考电压获取模块120，用于获取开关电源的开关频率信号和参考时钟信号CLK，并根据开关频率信号和参考时钟信号CLK输出第一参考电压Vref1。其中，开关频率信号为用于表征开关电源实际工作频率的信号，典型地，开关频率信号包括但不限于：上功率管开关信号HS或者下功率管开关信号LS。参考时钟信号CLK为用于表征开关电源理论工作频率的信号，该参考时钟信号CLK可由设计人员根据实际开关频率需要进行设置。
第二参考电压获取模块130，用于根据开关电源的输出电压输出第二参考电压Vref2。其中，第二参考电压Vref2为与输出电压正相关的变量，即言，输出电压越大，第二参考电压Vref2的数值越大。
切换控制模块140，用于获取开关电源的模式检测参数，并根据模式检测参数选取第一参考电压Vref1与第二参考电压Vref2中的任一项作为目标参考电压。其中，模式检测参数为用于区分开关电源的工作模式的参数。典型地，模式检测参数可为充电回路电感电流或者流经辅功率开关管的开关管电流。
比较模块150，用于接收斜坡电压VRMP和目标参考电压，对斜坡电压VRMP和目标参考电压进行比对，根据斜坡电压VRMP和第一参考电压Vref1输出第一导通时间信号Ton1，或者，根据斜坡电压VRMP和第二参考电压Vref2输出第二导通时间信号Ton2。当第一导通时间信号Ton1和第二导通时间信号Ton2为高电平信号时，斜坡电压VRMP等于充电电容C0的充电电压；当第一导通时间信号Ton1和第二导通时间信号Ton2为低电平信号时，斜坡电压VRMP重置为地。
如图3所示，斜坡电压获取模块110，设有充电电容C0和充电控制开关S0，充电电容C0的第一端a1与比较模块150的第二输入端电连接，充电电容C0的第二端a2接地；充电控制开关S0与充电电容C0并联连接，充电控制开关S0的控制端与比较模块150的输出端电连接，充电控制开关S0用于根据第一导通时间信号Ton1或者第二导通时间信号Ton2控制斜坡电压VRMP重置或者保持。
本实施例中，斜坡电压获取模块110、第一参考电压获取模块120和比较模块150构成第一导通时间控制回路，第一导通时间控制回路基于锁相环生成导通时间；斜坡电压获取模块110、第二参考电压获取模块130和比较模块150构成第二导通时间控制回路，第二导通时间控制回路基于自适应恒定导通时间控制模式生成导通时间。
具体地，第一参考电压获取模块120基于锁相环控制模式生成第一参考电压Vref1，第二参考电压获取模块130基于自适应控制模式生成第二参考电压Vref2。在开关电源处于轻载运行状态时，切换控制模块140按照预设采样频率获取开关电源的模式检测参数，根据模式检测参数判断当前开关电源的工作模式。若当前工作模式为强制续流模式，则切换控制模块140选择第一参考电压Vref1作为目标参考电压，比较模块150根据斜坡电压和第一参考电压Vref1输出第一导通时间信号Ton1，此时，导通时间的产生方式等效于图1。若当前工作模式为断流模式，则切换控制模块140选择第二参考电压Vref2作为目标参考电压，比较模块150根据斜坡电压和第二参考电压Vref2输出第二导通时间信号Ton2。通过设置两种参考电压获取模块，结合锁相环控制模式和自适应恒定导通时间控制模式共同参与导通时间控制，实现比较器参考电压的适应性切换，解决了现有的基于锁相环的导通时间控制电路中环路饱和导致导通时间过短，影响开关频率恒定性和工作可靠性的问题，在开关电源处于轻载运行状态时，通过识别当前工作模式匹配相应的导通时间生成电路。
图4为现有的一种基于锁相环生成导通时间的仿真波形的示意图，图4示出了一种基于锁相环输出的参考电压生成导通时间的仿真结果。
如图4所示，曲线Ⅰ为在基于锁相环的导通时间控制电路中电感电流iL＇的波动曲线，曲线Ⅱ为在基于锁相环的导通时间控制电路中输出电压VOUT的波动曲线。Δ1表示在基于锁相环的导通时间控制电路中电感电流iL＇的波动参数，其中，dx1表示上功率管单次开启时间，dy1表示电感电流iL＇的波动值；Δ2表示在基于锁相环的导通时间控制电路中输出电压VOUT的波动参数，其中，dx2表示上功率管单次开启时间，dy1表示输出电压VOUT的波动值。
图5为本发明实施例提供的一种开关电源导通时间的仿真波形的示意图，图5示出了一种基于本申请的技术方案生成导通时间的仿真结果。
如图5所示，曲线Ⅲ表示在本申请的导通时间控制电路中电感电流IL的波动曲线，曲线Ⅳ表示在本申请的导通时间控制电路中输出电压VOUT的波动曲线。Δ3表示在本申请的导通时间控制电路中电感电流IL的波动参数，其中，dx3表示上功率管单次开启时间，dy3表示电感电流IL的波动值；Δ4表示在本申请的导通时间控制电路中输出电压VOUT的波动参数，其中，dx4表示上功率管单次开启时间，dy4表示输出电压VOUT的波动值。
结合图4和图5所示，基于锁相环的导通时间控制电路和本申请的导通时间控制电路均设置如下测试条件：VIN等于5V，VOUT 等于3.3V，负载电流等于1mA。如图4所示，由于每次开启时间过短（例如为499ns），导致电感电流纹波太小（例如电感电流峰值约为400mA），需要连续开关多次。而且，过小的电流纹波导致下功率管没有足够的时间检测到电感电流降低到0A。等检测到的时候，电感电流已经变为负电流了，使得输出电压VOUT进一步降低，导致输出电压VOUT更大的波动（例如为106mV）。相比之下，如图5所示，上功率管每次开启时间约为1uS，相对于基于锁相环模式下的导通时间（如图4所示的499ns），导通时间增加一倍，产生的电感电流纹波约为800mA，电感电流不存在负值，输出电压VOUT仅仅存在20mV的波动，相对于基于锁相环模式下的输出电压波动值（如图4所示的106mV），输出电压波动值大幅减小。
由此，在轻载模式下，通过识别开关电源的工作模式，匹配不同的导通时间控制模式，通过在轻载断流模式下，采用导通时间自适应调节方式替代原来的基于锁相环生成导通时间的方式，可延长导通时间（例如，将导通时间由锁相环模式下的499ns延长至1us），导致电感电流纹波增大（例如将电感电流的波动峰值由锁相环模式下的400mA增大至800MA），便于采样电感电流变化，减小输出电压波动，解决了现有的基于锁相环的导通时间控制电路中环路饱和导致导通时间过短，影响电流采样，进而影响开关频率恒定性和工作可靠性的问题，避免轻载状态下基于锁相环生成导通时间突变，降低开关频率变化幅度。
图6为本发明实施例提供的另一种开关电源导通时间控制电路的结构示意图，在图3所示实施例的基础上，示例性地示出了一种切换控制模块的具体实施方式。
如图6所示，切换控制模块140包括：选择开关104Ⅰ，设有第一子开关S1和第二子开关S2，第一子开关S1设置于第一参考电压获取模块120与比较模块150的第一输入端（例如为反相输入端）之间，第二子开关S2设置于第二参考电压获取模块130与比较模块150的第一输入端之间，比较模块150的第二输入端（例如为正相输入端）用于接收斜坡电压；切换信号获取单元104Ⅱ，用于根据模式检测参数确定切换控制信号SEL；其中，切换控制信号SEL用于控制第一子开关S1或者第二子开关S2中的任一项闭合。
结合图6所示，切换信号获取单元104Ⅱ与第二子开关S2的控制端之间设有逻辑非门电路，使第一子开关S1与第二子开关S2不同时开通。
一实施例中，切换信号获取单元104Ⅱ可为人机交互单元或者逻辑控制芯片，即言，可由用户根据模式检测参数确定实际开关电源的工作模式，并人为设置切换控制信号SEL，或者，由逻辑控制芯片根据模式检测参数自动决策匹配对应的切换控制信号SEL。
具体地，切换控制信号SEL可为高/低电平信号。当开关电源运行于强制续流模式时，切换控制信号SEL设置为高电平信号，控制第一子开关S1闭合，并控制第二子开关S2断开，选择第一参考电压Vref1作为比较模块150的目标参考电压。此时，导通时间的产生方式等效于图1，比较模块150根据斜坡电压和第一参考电压Vref1的比较结果输出第一导通时间信号Ton1。当开关电源运行于断流模式时，切换控制信号SEL设置为低电平信号，控制第一子开关S1断开，并控制第二子开关S2闭合，选择第二参考电压Vref2作为比较模块150的目标参考电压，比较模块150根据斜坡电压和第二参考电压Vref2的比较结果输出第二导通时间信号Ton2。由此，通过设置多路选择开关，实现比较器参考电压的切换，既保证了强制续流模式下开关频率的恒定性，又保证了轻载断流模式下，导通时间处于合适的时间长度以维持变换器正常工作，避免轻载状态下导通时间突变，有利于降低开关频率变化幅度。
一实施例中，模式检测参数包括：连续多个开关周期内的开关管电流参数，或者，连续多个开关周期内的电感电流参数。
具体地，模式检测参数用于识别开关电源的当前工作模式，其中， 强制续流模式的运行特点是下功率管在其电流降低到0A时会关断。因此，可将下功率开关管电流参数作为模式检测参数，当检测下功率开关管电流参数等于零时，将切换控制信号SEL置为低电平信号。当开关电源的负载处于强制续流模式与断流模式切换的临界点附近时，该切换控制信号SEL可能在几个开关周期内反复变化。为了防止比较器的参考电压被反复切换，可以判断下功率开关管电流参数降低到0A这个事件是否连续出现。如果是，则说明开关电源真正进入强制续流模式，进而，将切换控制信号SEL置为低电平信号，实现比较器的参考电压切换。同理，在切换回断流模式时，也要等待下功率开关管电流参数连续在多个周期内没有降低到0A。
需要说明的是，区分强制续流模式与断流模式的检测也能够通过其它方式实现，例如：检测电感电流，本申请不对用于区分工作模式的检测参数的具体类型进行限定。
图7为本发明实施例提供的一种第一参考电压获取模块的结构示意图。
如图7所示，第一参考电压获取模块120包括：鉴频鉴相单元102Ⅰ和电荷泵电路102Ⅱ。鉴频鉴相单元102Ⅰ的第一输入端接收参考时钟信号，鉴频鉴相单元102Ⅰ的第二输入端接收开关频率信号，鉴频鉴相单元102Ⅰ用于检测开关频率信号（上功率管开关信号HS或者下功率管开关信号LS）与参考时钟信号CLK之间的相位频率差，并输出与相位频率差对应的误差脉冲信号；电荷泵电路102Ⅱ用于根据误差脉冲信号输出第一参考电压。
其中，误差脉冲信号包括第一数字信号UP和第二数字信号DN，第一数字信号UP用于启动充电，抬升第一参考电压的电压值；第二数字信号DN用于启动放电，降低第一参考电压的电压值。
一实施例中，电荷泵电路102Ⅱ内部集成滤波功能，对输出的第一参考电压进行高频滤波。
结合图7所示，若开关频率信号（上功率管开关信号HS或者下功率管开关信号LS）的频率低于参考时钟信号CLK的频率，则说明导通时间太长，电荷泵电路102Ⅱ根据第一数字信号UP和第二数字信号DN降低第一参考电压Vref1，使斜波电压更早地与第一参考电压Vref1交汇，从而降低导通时间。反之，若开关频率信号（上功率管开关信号HS或者下功率管开关信号LS）的频率高于参考时钟信号CLK的频率，则说明导通时间太短，电荷泵电路102Ⅱ根据第一数字信号UP和第二数字信号DN提高第一参考电压Vref1，使斜波电压更晚地与第一参考电压Vref1交汇，从而延长导通时间。最终，第一参考电压Vref1在鉴频鉴相单元102Ⅰ和电荷泵电路102Ⅱ的作用下，稳定在一个电压下，比较模块150对该电压与斜波电压进行比对，生成的导通时间控制信号使得开关频率等于参考时钟频率。
图8为本发明实施例提供的一种第二参考电压获取模块的结构示意图。
如图8所示，该第二参考电压获取模块130包括：串联连接的多个分压电阻。其中，多个分压电阻至少包括：第一分压电阻Rtop和第二分压电阻Rbot，第一分压电阻Rtop的第一端top1与开关电源的输出端电连接，第一分压电阻Rtop的第二端top2与第二分压电阻Rbot的第一端bot1电连接；第二分压电阻Rbot的第二端bot2接地，第一分压电阻Rtop与第二分压电阻Rbot之间设有采样节点FB，采样节点FB用于基于预设采样信号输出第二参考电压Vref2；其中，预设采样信号的频率与开关频率信号的频率相等或者近似相等。
如图8所示，第二参考电压Vref2可采用如下公式一计算：
(公式一)
其中，表示输出电压。
图9为本发明实施例提供的另一种第二参考电压获取模块的结构示意图。
如图9所示，第二参考电压获取模块130还包括：延时补偿单元131，延时补偿单元131设置于采样节点FB与比较模块150的第一输入端之间，延时补偿单元131用于在自适应恒定导通时间控制模式下，对比较模块150的延时时间进行补偿，使补偿后的系统延时时间小于预设时间阈值。
本实施例中，预设时间阈值可为保证模式切换前后导通时间近似相等的延时时间上限阈值。
具体地，比较模块150内部的逻辑控制存在滞后，导致比较器自身存在固有延时时间。在自适应恒定导通时间控制模式下，延时时间越大，实际的导通时间与目标频率所对应的导通时间差异越大，实际频率变化也就越大。通过设置延时补偿单元，缩短比较模块150的延时时间，减小不同工作模式下，参考电压切换前后导通时间的差距，避免轻载状态下导通时间突变，有利于降低开关频率变化幅度。
图10为本发明实施例提供的一种斜坡电压获取模块的结构示意图。
如图10所示，斜坡电压获取模块110包括：充电电流获取单元101，用于根据开关电源的输入电压VIN输出充电电流IRMP，并将充电电流IRMP传输至充电电容C0，使充电电容C0输出斜坡电压。
如图10所示，充电电流获取单元可为电压电流转换器V-I，充电电流IRMP可采用如下公式二计算：
(公式二)
其中，R为电压电流转换器的跨阻。
需要说明的是，在传统的COT架构中，根据目标导通时间设置相应的充电电流和参考电压。一旦选定，充电电流和参考电压就固定下来，不随工作条件变化。在本发明的实施例中，如果充电电流和参考电压设置为固定值，则导通时间在某些工况下进行强制续流模式与断流模式的切换时会出现巨大的变化。因为工作频率在基于锁相环的控制模式下保持恒定，导通时间一定随着工作条件变化而变化。在强制续流模式下，小占空比时，导通时间很短；大占空比时，导通时间很长。如果充电电流和参考电压设置为固定值，则从强制续流模式切换到断流模式时，切换前后的导通时间一定在某些占空比的情况下差异巨大。例如：如果充电电流和参考电压设置的导通时间偏向小占空比时的需求，在大占空比下进行强制续流模式到断流模式切换时，导通时间会变的很短，有可能在接下来的开关周期内不再触发0A关断，控制逻辑判断当前是强制续流模式，会把导通时间切换回去，造成状态的反复；相反，如果充电电流和参考电压设置的导通时间偏向大占空比时的需求，在小占空比下进行强制续流模式到断流模式切换时，导通时间会变的很长，电感电流增加过高，会在输出造成大的纹波。
由此，本发明的实施例，通过定义充电电流与输入电压之间的关联关系，及参考电压与输出电压之间的关联关系，对参与导通时间生成的充电电流和参考电压进行自适应调节，使强制续流模式与断流模式下的导通时间相等或者近似相等，避免工作模式变化导致的导通时间突变，有利于降低开关频率变化幅度。
基于同一发明构思，本发明提供了一种开关电源导通时间控制方法，用于上述导通时间控制电路，该方法可以由控制装置来执行，该控制装置可以采用硬件和/或软件的形式实现，该控制装置可配置于开关电源中。
图11为本发明实施例提供的一种开关电源导通时间控制方法的流程图。
如图11所示，该开关电源导通时间控制方法包括以下步骤S1至S5示出的技术特征。
S1：获取开关电源的充电电流，并根据充电电流输出斜坡电压。
S2：获取开关电源的开关频率信号和参考时钟信号，并根据开关频率信号和参考时钟信号输出第一参考电压。
S3：根据开关电源的输出电压输出第二参考电压。
S4：获取开关电源的模式检测参数，并根据模式检测参数选取第一参考电压与第二参考电压中的任一项作为目标参考电压。
S5：对斜坡电压和目标参考电压进行比对，根据斜坡电压和第一参考电压输出第一导通时间信号，或者，根据斜坡电压和第二参考电压输出第二导通时间信号。
其中，第一参考电压基于锁相环控制模式生成，第二参考电压基于自适应控制模式生成。
一实施例中，根据模式检测参数选取第一参考电压与第二参考电压中的任一项作为目标参考电压，包括：在开关电源处于轻载运行状态时，按照预设采样频率获取开关电源的模式检测参数，根据模式检测参数判断当前开关电源的工作模式；若当前工作模式为强制续流模式，则选择第一参考电压作为目标参考电压；若当前工作模式为断流模式，则选择第二参考电压作为目标参考电压。
一实施例中，该开关电源导通时间控制方法包括：根据模式检测参数确定切换控制信号；其中，切换控制信号用于控制第一子开关或者第二子开关中的任一项闭合，第一子开关设置于第一参考电压获取模块与比较模块的第一输入端之间，第二子开关设置于第二参考电压获取模块与比较模块的第一输入端之间。
一实施例中，模式检测参数包括：连续多个开关周期内的开关管电流参数，或者，连续多个开关周期内的电感电流参数。
一实施例中，该开关电源导通时间控制方法包括：检测开关频率信号与参考时钟信号之间的相位频率差，并输出与相位频率差对应的误差脉冲信号;根据误差脉冲信号输出第一参考电压；其中，误差脉冲信号包括第一数字信号和第二数字信号，第一数字信号用于抬升第一参考电压的电压值；第二数字信号用于降低第一参考电压的电压值。
一实施例中，在根据开关电源的输出电压输出第二参考电压之时，该开关电源导通时间控制方法包括：根据开关电压的输出电压进行电压采样，根据采样电压确定第二参考电压；其中，预设采样信号的频率与开关频率信号的频率相等或者近似相等。
一实施例中，在执行步骤S1之时，该开关电源导通时间控制方法包括：根据开关电源的输入电压输出充电电流，并将充电电流传输至充电电容，使充电电容输出斜坡电压。
一实施例中，在执行步骤S3之时，该开关电源导通时间控制方法包括：对比较模块的延时时间进行补偿；其中，补偿后的延时时间小于预设时间阈值。
本发明的开关变换器导通时间控制方法，通过设置两种参考电压获取方式，结合锁相环控制模式和自适应恒定导通时间控制模式共同参与导通时间控制，在开关电源的轻载状态下，检测开关电源的工作模式，在轻载强制续流模式，采用第一参考电压获取模块基于锁相环控制模式生成的第一参考电压，将第一参考电压作为目标参考电压，与斜坡电压获取模块提供的斜坡电压进行比较，基于锁相环生成第一导通时间信号；在轻载断流模式下，由于锁相环环路饱和状态下的导通时间太短，导致电感电流纹波太小，没有足够时间采样电感电流会造成更大的输出电压波动，此时，采用第二参考电压获取模块基于自适应控制模式生成第二参考电压，将第二参考电压作为目标参考电压，与斜坡电压获取模块提供的斜坡电压进行比较，基于自适应模式生成第二导通时间信号。通过在轻载断流模式下，切换导通时间控制方式，采用导通时间自适应调节方式替代原来的基于锁相环生成导通时间的方式，延长导通时间（例如，将导通时间延长一倍），导致电感电流纹波增大（例如将电感电流的波动峰值增大一倍），便于采样电感电流变化，减小输出电压波动，解决了现有的基于锁相环的导通时间控制电路中环路饱和导致导通时间过短，影响电流采样，进而影响开关频率恒定性和工作可靠性的问题，避免轻载状态下基于锁相环生成导通时间突变，有利于降低开关频率变化幅度。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种开关电源，包括：上述开关变换器导通时间控制电路。
由此，本发明的开关电源，设置开关电源导通时间控制电路，该开关电源导通时间控制电路适用于基于锁相环生成导通时间的开关电源，通过设置参考电压切换控制模块，在轻载状态下，检测开关电源的工作模式，在轻载强制续流模式，采用第一参考电压获取模块基于锁相环控制模式生成的第一参考电压，将第一参考电压作为目标参考电压，与斜坡电压获取模块提供的斜坡电压进行比较，基于锁相环生成第一导通时间信号；在轻载断流模式下，由于锁相环环路饱和状态下的导通时间太短，导致电感电流纹波太小，没有足够时间采样电感电流会造成更大的输出电压波动，此时，采用第二参考电压获取模块基于自适应控制模式生成第二参考电压，将第二参考电压作为目标参考电压，与斜坡电压获取模块提供的斜坡电压进行比较，基于自适应模式生成第二导通时间信号。通过在轻载断流模式下，切换导通时间控制方式，采用导通时间自适应调节方式替代原来的基于锁相环生成导通时间的方式，延长导通时间（例如，将导通时间延长一倍），导致电感电流纹波增大（例如将电感电流的波动峰值增大一倍），便于采样电感电流变化，减小输出电压波动，解决了现有的基于锁相环的导通时间控制电路中环路饱和导致导通时间过短，影响电流采样，进而影响开关频率恒定性和工作可靠性的问题，避免轻载状态下基于锁相环生成导通时间突变，有利于降低开关频率变化幅度。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种开关电源导通时间控制电路，其特征在于，用于实现开关电源在轻载状态下的导通时间控制，所述开关电源导通时间控制电路包括：
斜坡电压获取模块，用于获取所述开关电源的输入电压，并根据所述输入电压确定斜坡电压；
第一参考电压获取模块，用于获取所述开关电源的开关频率信号和参考时钟信号，并根据所述开关频率信号和所述参考时钟信号输出第一参考电压；
第二参考电压获取模块，用于根据所述开关电源的输出电压输出第二参考电压；
切换控制模块，用于获取所述开关电源的模式检测参数，并根据所述模式检测参数选取所述第一参考电压与所述第二参考电压中的任一项作为目标参考电压；
比较模块，用于接收所述斜坡电压和所述目标参考电压，对所述斜坡电压和所述目标参考电压进行比对，根据所述斜坡电压和所述第一参考电压输出第一导通时间信号，或者，根据所述斜坡电压和所述第二参考电压输出第二导通时间信号；
其中，所述第一参考电压获取模块基于锁相环控制模式生成第一参考电压，所述第二参考电压获取模块基于自适应控制模式生成第二参考电压；
在所述开关电源处于轻载运行状态时，所述切换控制模块按照预设采样频率获取所述开关电源的模式检测参数，根据所述模式检测参数判断当前开关电源的工作模式；
若当前工作模式为强制续流模式，则所述切换控制模块选择第一参考电压作为目标参考电压；
若当前工作模式为断流模式，则所述切换控制模块选择第二参考电压作为目标参考电压。
2.根据权利要求1所述的开关电源导通时间控制电路，其特征在于，所述切换控制模块包括：
选择开关，设有第一子开关和第二子开关，所述第一子开关设置于所述第一参考电压获取模块与所述比较模块的第一输入端之间，所述第二子开关设置于所述第二参考电压获取模块与所述比较模块的第一输入端之间；
切换信号获取单元，用于根据所述模式检测参数确定切换控制信号；
其中，所述切换控制信号用于控制所述第一子开关或者所述第二子开关中的任一项闭合。
3.根据权利要求2所述的开关电源导通时间控制电路，其特征在于，所述模式检测参数包括：连续多个开关周期内的开关管电流参数，或者，连续多个开关周期内的电感电流参数。
4.根据权利要求1所述的开关电源导通时间控制电路，其特征在于，所述第一参考电压获取模块，包括：鉴频鉴相单元和电荷泵电路；
所述鉴频鉴相单元的第一输入端接收所述参考时钟信号，所述鉴频鉴相单元的第二输入端接收所述开关频率信号，所述鉴频鉴相单元用于检测所述开关频率信号与所述参考时钟信号之间的相位频率差，并输出与所述相位频率差对应的误差脉冲信号；
所述电荷泵电路用于根据所述误差脉冲信号确定所述第一参考电压；
其中，所述误差脉冲信号包括第一数字信号和第二数字信号，所述第一数字信号用于抬升所述第一参考电压的电压值；所述第二数字信号用于降低所述第一参考电压的电压值。
5.根据权利要求1所述的开关电源导通时间控制电路，其特征在于，所述第二参考电压获取模块，包括：串联连接的多个分压电阻；
所述多个分压电阻至少包括：第一分压电阻和第二分压电阻；
所述第一分压电阻的第一端与所述开关电源的输出端电连接，所述第一分压电阻的第二端与所述第二分压电阻的第一端电连接；
所述第二分压电阻的第二端接地，所述第一分压电阻与所述第二分压电阻之间设有采样节点，所述采样节点用于基于预设采样信号输出所述第二参考电压；
其中，所述预设采样信号的频率与所述开关频率信号的频率相等。
6.根据权利要求5所述的开关电源导通时间控制电路，其特征在于，所述第二参考电压获取模块，还包括：
延时补偿单元，所述延时补偿单元设置于所述采样节点与所述比较模块的第一输入端之间，所述延时补偿单元用于对所述比较模块的延时时间进行补偿，使补偿后的系统延时时间小于预设时间阈值。
7.根据权利要求1所述的开关电源导通时间控制电路，其特征在于，所述斜坡电压获取模块包括：
充电电容，所述充电电容的第一端与所述比较模块的第二输入端电连接，所述充电电容的第二端接地；
充电电流获取单元，用于根据所述开关电源的输入电压输出所述充电电流，并将所述充电电流传输至所述充电电容，使所述充电电容输出所述斜坡电压；
充电控制开关，与所述充电电容并联连接，所述充电控制开关的控制端与所述比较模块的输出端电连接，所述充电控制开关用于根据所述第一导通时间信号或者所述第二导通时间信号控制所述斜坡电压重置或者保持。
8.一种开关电源导通时间控制方法，其特征在于，用于权利要求1-7中任一项所述的开关电源导通时间控制电路，用于实现开关电源在轻载状态下的导通时间控制，所述方法包括：
获取所述开关电源的输入电压，并根据所述输入电压确定斜坡电压；
获取所述开关电源的开关频率信号和参考时钟信号，并根据所述开关频率信号和所述参考时钟信号输出第一参考电压；
根据所述开关电源的输出电压输出第二参考电压；
获取所述开关电源的模式检测参数，并根据所述模式检测参数选取所述第一参考电压与所述第二参考电压中的任一项作为目标参考电压；
对所述斜坡电压和所述目标参考电压进行比对，根据所述斜坡电压和所述第一参考电压输出第一导通时间信号，或者，根据所述斜坡电压和所述第二参考电压输出第二导通时间信号；
其中，所述第一参考电压基于锁相环控制模式生成，所述第二参考电压基于自适应控制模式生成；
根据所述模式检测参数选取所述第一参考电压与所述第二参考电压中的任一项作为目标参考电压，包括：
在所述开关电源处于轻载运行状态时，按照预设采样频率获取所述开关电源的模式检测参数，根据所述模式检测参数判断当前开关电源的工作模式；
若当前工作模式为强制续流模式，则选择第一参考电压作为目标参考电压；
若当前工作模式为断流模式，则选择第二参考电压作为目标参考电压。
9.一种开关电源，其特征在于，包括：权利要求1-7中任一项所述的开关电源导通时间控制电路。
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