CN116995936B - 一种供电调整电路、降压变换器及直流电源 - Google Patents

Abstract

本申请适用于电子电路技术领域，提供了一种供电调整电路、降压变换器及直流电源。供电调整电路包括第一电流生成模块、开关模块、第二电流生成模块、充放电模块和比较模块，开关模块分别与第一电流生成模块、第二电流生成模块、充放电模块和比较模块电连接，第一电流生成模块用于与第一电源和第二电源电连接，开关模块用于与降压变换器中的上管的栅极电连接，第二电流生成模块用于与降压变换器中的原级输出模块电连接，比较模块用于与降压变换器中的控制模块电连接，第二电流生成模块和充放电模块均用于接地。本申请实施例提供的供电调整电路解决了基于断续导通模式的Fly‑Buck降压变换器在原级轻载时，无法保证次级带载能力的问题。

Description

一种供电调整电路、降压变换器及直流电源

技术领域

本申请属于电子电路技术领域，尤其涉及一种供电调整电路、降压变换器及直流电源。

背景技术

随着电力电子技术的快速发展，人们对各类电子产品的需求也日益提高，同时对直流电源的需求也越来越高。对于采用Fly-Buck拓扑的降压变换器由于能够提供一路隔离输出和一路非隔离输出受到了越来越多的关注，与常见的Fly-Back拓扑相比，Fly-Buck拓扑可提供更低成本的替代方案。

采用Fly-Buck拓扑的降压变换器包括控制模块、上管、下管、变压器、原级输出模块和次级输出模块。现有技术中，一般采用强制连续导通模式(FCCM)进行控制，虽然在原级轻载时能够保证次级带载能力，但是整体效率低。如果采用断续导通模式(DCM)进行控制，虽然整体效率较高，但在原级轻载时无法保证次级带载能力。

发明内容

本申请实施例提供了一种供电调整电路、降压变换器及直流电源，可以解决基于断续导通模式的Fly-Buck降压变换器在原级轻载时，无法保证次级带载能力的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种供电调整电路，包括第一电流生成模块、开关模块、第二电流生成模块、充放电模块和比较模块，所述开关模块分别与所述第一电流生成模块、所述第二电流生成模块、所述充放电模块和所述比较模块电连接，所述第一电流生成模块用于与第一电源和第二电源电连接，所述开关模块用于与降压变换器中的上管的栅极电连接，所述第二电流生成模块用于与所述降压变换器中的原级输出模块电连接，所述比较模块用于与所述降压变换器中的控制模块电连接，所述第二电流生成模块和所述充放电模块均用于接地；

所述第一电流生成模块用于根据所述第二电源提供的直流电压生成第一电流；所述开关模块用于接收第一控制信号，根据所述第一控制信号导通，使所述第一电流为所述充放电模块充电；所述第二电流生成模块用于根据所述原级输出模块提供的第一输出电压生成第二电流，使所述充放电模块以所述第二电流放电；所述充放电模块用于根据所述第一电流和所述第二电流向所述比较模块输出第一电压；所述比较模块用于接收第一参考电压，根据所述第一参考电压和所述第一电压向所述控制模块输出第一过零信号，使所述控制模块调整所述降压变换器的开关频率；其中，所述第一控制信号为控制所述上管导通的信号。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述开关模块包括第一开关，所述第一开关的控制端用于与所述上管的栅极电连接，所述第一开关的第一导通端与所述第一电流生成模块电连接，所述第一开关的第二导通端分别与所述第二电流生成模块、所述充放电模块和所述比较模块电连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一电流生成模块包括第一电阻、第一电流镜和第二电流镜，所述第一电阻的第一端用于与所述第二电源电连接，所述第一电阻的第二端与所述第一电流镜的第一端电连接，所述第一电流镜的第二端与所述第二电流镜的第一端电连接，所述第一电流镜的第三端和所述第一电流镜的第四端均用于接地，所述第二电流镜的第二端和所述第二电流镜的第三端均用于与所述第一电源电连接，所述第二电流镜的第四端与所述开关模块电连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一电流镜包括第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管的栅极分别与所述第二NMOS管的栅极、所述第一NMOS管的漏极和所述第一电阻的第二端电连接，所述第二NMOS管的漏极与所述第二电流镜的第一端电连接，所述第一NMOS管的源极和所述第二NMOS管的源极均用于接地。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二电流镜包括第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管的栅极分别与所述第二PMOS管的栅极、所述第一PMOS管的漏极和所述第一电流镜的第二端电连接，所述第一PMOS管的源极和所述第二PMOS管的源极均用于与所述第一电源电连接，所述第二PMOS管的漏极与所述开关模块电连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二电流生成模块包括第二电阻和第三电流镜，所述第二电阻的第一端用于与所述原级输出模块电连接，所述第二电阻的第二端与所述第三电流镜的第一端电连接，所述第三电流镜的第二端分别与所述开关模块、所述充放电模块和所述比较模块电连接，所述第三电流镜的第三端和所述第三电流镜的第四端均用于接地；其中，所述第一电阻的阻值等于所述第二电阻的阻值。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述充放电模块包括第一电容，所述第一电容的正极分别与所述开关模块、所述第二电流生成模块和所述比较模块电连接，所述第一电容的负极用于接地。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述比较模块包括比较器，所述比较器的正输入端分别与所述充放电模块、所述开关模块和所述第二电流生成模块电连接，所述比较器的负输入端用于接收所述第一参考电压，所述比较器的输出端用于与所述控制模块电连接。

第二方面，本申请实施例提供了一种降压变换器，包括上管、下管、变压器、控制模块、原级输出模块、次级输出模块、过零检测模块和第一方面中任一项所述的供电调整电路，所述供电调整电路中的第一电流生成模块和所述上管的漏极均用于与第二电源电连接，所述上管的源极分别与所述下管的漏极、所述过零检测模块和所述变压器的原级绕组的一端电连接，其连接处称为开关节点，所述下管的源极用于接第一地，所述控制模块分别与所述上管的栅极、所述下管的栅极、所述供电调整电路中的开关模块、所述供电调整电路中的比较模块、所述原级输出模块和所述过零检测模块电连接，所述变压器的原级绕组的另一端与所述原级输出模块电连接，所述原级输出模块用于与原级负载电连接，所述原级输出模块还用于接第一地，所述变压器的次级绕组的一端用于接第二地，所述变压器的次级绕组的另一端与所述次级输出模块电连接，所述次级输出模块用于与次级负载电连接，所述次级输出模块还用于接第二地；

所述控制模块用于向所述供电调整电路输出第一控制信号，其中，所述第一控制信号为控制所述上管导通的信号；所述原级输出模块用于向所述供电调整电路输出第一输出电压；所述供电调整电路用于根据所述第一控制信号、所述第一输出电压和所述第二电源提供的直流电压向所述控制模块输出第一过零信号；所述过零检测模块用于检测所述开关节点处的电流，在所述电流为零时，向所述控制模块输出第二过零信号；所述控制模块用于根据所述第一过零信号和所述第二过零信号调整所述降压变换器的开关频率。

第三方面，本申请实施例提供了一种直流电源，包括第二方面中所述的降压变换器。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请实施例提供了一种供电调整电路，包括第一电流生成模块、开关模块、第二电流生成模块、充放电模块和比较模块。开关模块分别与第一电流生成模块、第二电流生成模块、充放电模块和比较模块电连接，第一电流生成模块用于与第一电源和第二电源电连接，开关模块用于与降压变换器中的上管的栅极电连接，第二电流生成模块用于与降压变换器中的原级输出模块电连接，比较模块用于与降压变换器中的控制模块电连接，第二电流生成模块和充放电模块均用于接地。

第一电流生成模块用于根据第二电源提供的直流电压生成第一电流。开关模块用于接收第一控制信号，根据第一控制信号导通，使第一电流为充放电模块充电。第二电流生成模块用于根据原级输出模块提供的第一输出电压生成第二电流，使充放电模块以第二电流放电。充放电模块用于根据第一电流和第二电流向比较模块输出第一电压。比较模块用于接收第一参考电压，根据第一参考电压和第一电压向控制模块输出第一过零信号，使控制模块调整降压变换器的开关频率。其中，第一控制信号为控制上管导通的信号。

本申请实施例提供的供电调整电路通过检测降压变换器中励磁电流的过零点，可间接获得降压变换器的次级负载的变化情况，在降压变换器的次级负载增加时，使控制模块根据第一过零信号提高降压变换器的开关频率，以提高降压变换器的次级带载能力。

综上，本申请实施例提供的供电调整电路解决了基于断续导通模式的Fly-Buck降压变换器在原级轻载时，无法保证次级带载能力的问题。

可以理解的是，上述第二方面至第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有Fly-Buck降压变换器的电路连接示意图；

图2是图1所示Fly-Buck降压变换器基于断续导通模式的电路连接示意图；

图3是图2所示Fly-Buck降压变换器的电流变化示意图；

图4是本申请一实施例提供的供电调整电路的原理框图；

图5是本申请一实施例提供的供电调整电路的电路连接示意图；

图6是本申请另一实施例提供的供电调整电路的电路连接示意图；

图7是本申请一实施例提供的供电调整电路输出的第一过零信号的变化示意图；

图8是本申请一实施例提供的降压变换器的原理框图；

图9是本申请一实施例提供的降压变换器的控制逻辑框图；

图10是本申请一实施例提供的降压变换器的电流变化示意图。

图中：10、供电调整电路；11、第一电流生成模块；111、第一电流镜；112、第二电流镜；12、开关模块；13、第二电流生成模块；131、第三电流镜；14、充放电模块；15、比较模块；20、原级输出模块；30、次级输出模块；40、过零检测模块；50、控制模块；60、第一电源；70、第二电源；80、原级负载；90、次级负载。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当…时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

图1示出了现有Fly-Buck降压变换器的电路连接示意图。参见图1所示，Fly-Buck降压变换器包括控制模块50、上管S1、下管S2、变压器、原级输出模块20和次级输出模块30。其中，原级输出模块20包括原级电容C11。次级输出模块30包括二极管D1和次级电容C12。控制模块50包括同步降压控制芯片。原级输出模块20提供第一输出电压VOUT1。次级输出模块30提供第二输出电压VOUT2。其工作原理为：同步降压控制芯片控制上管S1和下管S2，以使输出电压维持稳定。其与同步降压变换拓扑最大的不同在于将电感换成了变压器（或耦合电感），然后次级绕组再经过二极管D1整流以产生第二输出电压VOUT2，该电压通过变压器的匝数比与第二输出电压VOUT1相关。由此，就得到了一路非隔离输出，即输出的第一输出电压VOUT1，但同时也得到了一路隔离输出，即输出的第二输出电压VOUT2。图1中的L_lkg是变压器的漏感。I1为流过变压器原级绕组的电流，称为原级电流，I2为流过变压器次级绕组的电流，称为次级电流。

Fly-Buck降压变换器的次级只有在上管S1关断、下管S2导通时，才能使得二极管D1导通，从而给次级电容C12充电，在上管S1和下管S2都关断时，励磁电流会逐渐减小至0，因此只有保证下管S2有足够的导通时间，才能够保证Fly-Buck降压变换器的次级带载能力。

现有技术中，一般使用强制连续导通模式的方式进行控制，从而在原级轻载时依旧能够保证次级带载能力，但是整体效率低。而如果采用断续导通模式进行控制，虽然整体效率较高，但会导致下管S2的导通时间不够，次级电容C12的电荷补充小于电荷消耗，会出现第二输出电压VOUT2不稳定，甚至无法满足要求的情况。

出现这种问题的原因是Fly-Buck降压变换器事实上只能实现原级反馈，尤其是在断续导通模式下，原级负载很轻，即使次级负载很重，对同步降压控制芯片的控制影响也不会特别大，只是让原级电流I1下降的更快一些，给原级供电的能量减小了一点，工作频率会因此上升一点，但是效果十分有限。

在一些情况下，为了更好的保证次级带载能力，会将次级输出信息通过光耦或者高压电容的方式反馈回来，但是光耦和高压电容的成本很高，这就违背了最开始使用Fly-Buck拓扑实现一个低成本解决方案的初衷。

如图2和图3所示，展示了Fly-Buck降压变换器在断续导通模式下的电路结构及电流变化情况，图3中的Im为励磁电流，等于原级电流I1与次级电流I2之和，假设原次级绕组匝数比为1:1，实际若匝数比不为1，将电流关系与匝数比关联起来即可，若次级有多个输出，也同样的可以将电流叠加成一个用来分析。

在上管S1导通、下管S2关断时，节点sw1处的电压为直流电压VIN，大于第一输出电压VOUT1，原级电流I1开始增大，节点sw2处的电压相对于GND2为负压，次级电流I2为0。在上管S1关断、下管S2导通时，节点sw1处的电压为GND1，小于第一输出电压VOUT1，原级电流I1开始减小，由变压器的关系可得：

(Vsw2-GND2)=(VOUT1-GND1)

因此节点sw2处的电压Vsw2为正电压，开始通过漏感L_lkg以及二极管D1给次级电容C12充电，并且随着第二输出电压VOUT2被充高以及二极管D1压降增大，漏感L_lkg两端电压减小，次级电流I2上升速度减小，此时次级电流I2会通过变压器反射到原级电流I1上，让原级电流I1快速下降，直到原级电流I1下降到0，上管S1和下管S2都关断，原级电流I1保持为0，但此时励磁电流Im还没有为0，此时次级电流I2会保持和励磁电流Im一样的下降速度，直到次级电流I2也下降到0。

在次级负载突然增加的时候，第二输出电压VOUT2会下降，然后导致次级电流I2在下管S2导通的时候增加的更快，原级电流I1也下降的更快，其用虚线在图3中示出了，于是在相同时间内给原级电容C11补充的电荷变少了，开关频率会有一定的提升。给次级电容C12补充的电荷也会变多一些，但是若原级负载很轻，还是会维持很长的零电流时间，若要保证原级输出，所以其开关频率的提升十分有限，给次级补充的电荷也十分有限，进而导致次级带载能力受限。

为了解决Fly-Buck降压变换器在原边轻载下，效率和次级带载能力相冲突的问题，本申请通过励磁电流Im下降到0和原级电流I1下降到0的时间差，可以间接得到次级负载的变化情况，从而可以通过内部反馈提高次级带载能力。

在图3中，可以发现当次级负载增加时，第二输出电压VOUT2会下降，次级电流I2上升的更快，原级电流I1下降的更快，于是原级电流I1会更快的下降到0，将励磁电流Im下降到0和原级电流I1下降到0的时间差记为T_ZC，可以发现当次级负载增加时会导致T_ZC增大。如图3所示，次级负载增加后，T_ZC时间由T_ZC1变成了T_ZC2，因此只要对T_ZC时间进行检测，则可以间接得到次级负载的变化情况。在得到次级负载的情况后，则可以对原级控制环路进行调整，通过提高降压变换器的开关频率来提高降压变换器的次级带载能力。

其中原级电流I1的过零点检测通过过零检测模块40即可实现，因此如何得到励磁电流Im的过零点是本申请的关键部分。

针对上述问题，本申请提出了一种供电调整电路，如图4所示，供电调整电路10包括第一电流生成模块11、开关模块12、第二电流生成模块13、充放电模块14和比较模块15。开关模块12分别与第一电流生成模块11、第二电流生成模块13、充放电模块14和比较模块15电连接，第一电流生成模块11用于与第一电源60和第二电源70电连接，开关模块12用于与降压变换器中的上管S1的栅极电连接，第二电流生成模块13用于与降压变换器中的原级输出模块20电连接，比较模块15用于与降压变换器中的控制模块50电连接，第二电流生成模块13和充放电模块14均用于接地。

具体的，第一电流生成模块11用于根据第二电源70提供的直流电压VIN生成第一电流。开关模块12用于接收第一控制信号，根据第一控制信号导通，使第一电流为充放电模块14充电。第二电流生成模块13用于根据原级输出模块20提供的第一输出电压VOUT1生成第二电流，使充放电模块14以第二电流放电。充放电模块14用于根据第一电流和第二电流向比较模块15输出第一电压。比较模块15用于接收第一参考电压，根据第一参考电压和第一电压向控制模块50输出第一过零信号。其中，第一控制信号为控制上管S1导通的信号，为高电平信号。第一电流与直流电压VIN之间的比例系数等于第二电流与第一输出电压VOUT1之间的比例系数。第一过零信号用于表征降压变换器中励磁电流的过零点。

本申请实施例提供的供电调整电路10通过检测励磁电流的过零点，可间接获得降压变换器的次级负载的变化情况，在降压变换器的次级负载增加时，使控制模块50根据第一过零信号提高降压变换器的开关频率，以提高降压变换器的次级带载能力。

综上，本申请实施例提供的供电调整电路10解决了基于断续导通模式的Fly-Buck降压变换器在原级轻载时，无法保证次级带载能力的问题。

如图5所示，开关模块12包括第一开关K1，第一开关K1的控制端用于与上管S1的栅极电连接，第一开关K1的第一导通端与第一电流生成模块11电连接，第一开关K1的第二导通端分别与第二电流生成模块13、充放电模块14和比较模块15电连接。

具体的，第一开关K1用于接收第一控制信号HON，根据第一控制信号HON导通，使第一电流生成模块11产生的第一电流为充放电模块14充电。需要指出的是，第一开关K1的导通状态与上管S1的导通状态同步。

示例性的，第一开关K1可以为MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）开关、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）开关或BJT（双极型晶体管）开关等。

需要说明的是，开关模块12也可由实现其功能的其他模块替换，不限于此。

如图5所示，第一电流生成模块11包括第一电阻R1、第一电流镜111和第二电流镜112，第一电阻R1的第一端用于与第二电源70电连接，第一电阻R1的第二端与第一电流镜111的第一端电连接，第一电流镜111的第二端与第二电流镜112的第一端电连接，第一电流镜111的第三端和第一电流镜111的第四端均用于接地，第二电流镜112的第二端和第二电流镜112的第三端均用于与第一电源60电连接，第二电流镜112的第四端与开关模块12电连接。根据图5可知，第二电流镜112的第四端与第一开关K1的第一导通端电连接。

具体的，第一电阻R1根据第二电源70提供的直流电压VIN产生第一电流，并通过电流镜的镜像作用流入开关模块12所在的支路。假设第一电流用Is1表示，第一电阻R1的阻值用R表示，则Is1=VIN/R。那么第一电流Is1与直流电压VIN之间的比例系数为1/R。

需要说明的是，第一电流生成模块11也可由实现其功能的其他模块替换，不限于此。

如图6所示，第一电流镜111包括第一NMOS（N-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体）管M1和第二NMOS管M2，第一NMOS管M1的栅极分别与第二NMOS管的栅极M2、第一NMOS管M1的漏极和第一电阻R1的第二端电连接，第二NMOS管M2的漏极与第二电流镜112的第一端电连接，第一NMOS管M1的源极和第二NMOS管M2的源极均用于接地。具体的，第一电流镜111由两个NMOS管组成，其工作原理为现有技术，此处不再赘述。

如图6所示，第二电流镜112包括第一PMOS（positive channel Metal OxideSemiconductor，P沟道金属氧化物半导体）管P1和第二PMOS管P2，第一PMOS管P1的栅极分别与第二PMOS管P2的栅极、第一PMOS管P1的漏极和第一电流镜111的第二端电连接，第一PMOS管P1的源极和第二PMOS管P2的源极均用于与第一电源60电连接，第二PMOS管P2的漏极与开关模块12电连接。根据图6可知，第一PMOS管P1的栅极分别与第二PMOS管P2的栅极、第一PMOS管P1的漏极和第二NMOS管M2的漏极电连接。第二PMOS管P2的漏极与第一开关K1的第一导通端电连接。具体的，第二电流镜112由两个PMOS管组成，其工作原理为现有技术，此处不再赘述。

如图5所示，第二电流生成模块13包括第二电阻R2和第三电流镜131，第二电阻R2的第一端用于与原级输出模块20电连接，第二电阻R2的第二端与第三电流镜131的第一端电连接，第三电流镜131的第二端分别与开关模块12、充放电模块14和比较模块15电连接，第三电流镜131的第三端和第三电流镜131的第四端均用于接地。其中，第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值。

具体的，第二电阻R2根据原级输出模块20提供的第一输出电压VOUT1产生第二电流，并通过电流镜的镜像作用流入开关模块12所在的支路。假设第二电流用Is2表示，第二电阻R2的阻值的等于第一电阻R1的阻值，用R表示，则Is2=VOUT1/R。那么第二电流Is2与第一输出电压VOUT1之间的比例系数也为1/R。

需要说明的是，第二电流生成模块13也可由实现其功能的其他模块替换，不限于此。

如图6所示，第三电流镜131包括第三NMOS管M3和第四NMOS管M4，第三NMOS管M3的栅极分别与第四NMOS管M4的栅极、第三NMOS管M3的漏极和第二电阻R2的第二端电连接，第四NMOS管M4的漏极分别与开关模块12、充放电模块14和比较模块15电连接，第三NMOS管M3的源极和第四NMOS管M4的源极均用于接地。根据图6可知，第四NMOS管M4的漏极分别与第一开关K1的第二导通断、充放电模块14和比较模块15电连接。具体的，第三电流镜131由两个NMOS管组成，其工作原理为现有技术，此处不再赘述。

如图6所示，充放电模块14包括第一电容C1，第一电容C1的正极分别与开关模块12、第二电流生成模块13和比较模块15电连接，第一电容C1的负极用于接地。根据图6可知，第一电容C1的正极分别与第一开关K1的第二导通端、第四NMOS管M4的漏极和比较模块15电连接。

具体的，第一电容C1根据第一电流和第二电流向比较模块15输出第一电压V1。

需要说明的是，充放电模块14也可由实现其功能的其他模块替换，不限于此。

如图6所示，比较模块15包括比较器COMP，比较器COMP的正输入端分别与充放电模块14、开关模块12和第二电流生成模块13电连接，比较器COMP的负输入端用于接收第一参考电压Vref1，比较器COMP的输出端用于与控制模块50电连接。根据图6可知，比较器COMP的正输入端分别与第一电容C1的正极、第一开关K1的第二导通端和第四NMOS管M4的漏极电连接。

具体的，比较器COMP根据第一电压V1和第一参考电压Vref1向控制模块50输出第一过零信号Im_ZC。

需要说明的是，比较模块15也可由实现其功能的其他模块替换，不限于此。

下面结合图6和图7，说明本申请的工作原理。在图6中，通过直流电压VIN产生第一电流，通过第一输出电压VOUT1产生第二电流，其中第一电流等于VIN/R，第二电流等于VOUT1/R，第一控制信号HON为控制上管S1导通的信号，为高电平信号，高电平信号的维持时间为上管S1的导通时间T_HON，通过第一控制信号HON控制第一开关K1导通，进而使第一电流VIN/R给第一电容C1充电，然后第一电容C1的放电是一直存在的，其以第二电流VOUT1/R进行放电，需要说明的是，其最多将第一电压V1放至地，不会让第一电压V1继续降低。第一参考电压Vref1是设定的一个参考电压，其根据想要设定的最小T_ZC值决定，即在T_ZC小于一定值时，T_ZC不会被检测到。

当上管S1导通时，第一控制信号HON为高电平，第一开关K1导通，给第一电容C1充电的电流实际是VIN/R-VOUT1/R，因此第一电压V1会上升，当上管S1关断时，第一开关K1的控制端处的信号为低电平信号，第一开关K1关断，则给第一电容C1放电的电流是VOUT1/R，因此第一电压V1会下降。而对于励磁电流Im来说，其在上管S1导通的时候上升，在上管S1关断的时候下降，则可以得到励磁电流Im上升的斜率k1，具体如公式(1)所示，励磁电流Im下降的斜率k2，具体如公式(2)所示。

k1=(VIN-VOUT1)/L (1)；

k2=VOUT1/L(2)；

其中，L为降压变换器中变压器的原级绕组的电感量。

而根据第一电容C1的充放电公式，可以得到第一电压V1上升的斜率k3，具体如公式(3)所示，第一电压V1下降的斜率k4，具体如公式(4)所示。

k3=(VIN-VOUT1)/R (3)；

k4=VOUT1/R(4)。

由此可得k1/k2=k3/k4，又由于励磁电流Im和第一电压V1上升的时间都是上管S1的导通时间，因此励磁电流Im下降到0的时间与第一电压V1下降到0的时间是相同的。因此通过检测第一电压V1，则可以预测励磁电流Im的过零点。

如图7所示，第一过零信号Im_ZC的下降沿的时间为励磁电流Im的过零点，将第一过零信号Im_ZC的下降沿的时间与原级电流I1过零点的时间的差为T_ZC，第一参考Vref1会比0略高，一方面是为了方便比较，一方面是当原级电流I1的过零点和励磁电流Im的过零点比较接近的时候，T_ZC可以不被检测到，因为此时相对来说已经能够满足次级带载能力了，那么降低一些频率可以更好的保证效率，而且也能保证次级输出稳定。

综上，本申请通过检测励磁电流Im的过零点，来间接获得降压变换器的次级负载的变化情况，在降压变换器的次级负载增加时，使控制模块50根据第一过零信号提高降压变换器的开关频率，以提高降压变换器的次级带载能力。

本申请实施例还提供了一种降压变换器，如图8所示，降压变换器包括上管S1、下管S2、变压器、控制模块50、原级输出模块20、次级输出模块30、过零检测模块40和上述所述的供电调整电路10，供电调整电路10中的第一电流生成模块和上管S1的漏极均用于与第二电源70电连接，上管S1的源极分别与下管S2的漏极、过零检测模块40和变压器的原级绕组的一端电连接，其连接处称为开关节点，下管S2的源极用于接第一地GND1，控制模块50分别与上管S1的栅极、下管S1的栅极、供电调整电路10中的开关模块、供电调整电路10中的比较模块、原级输出模块20和过零检测模块40电连接，变压器的原级绕组的另一端与原级输出模块20电连接，原级输出模块20用于与原级负载80电连接，原级输出模块20还用于接第一地GND1，变压器的次级绕组的一端用于接第二地GND2，变压器的次级绕组的另一端与次级输出模块30电连接，次级输出模块30用于与次级负载90电连接，次级输出模块30还用于接第二地GND2。其中，第一地GND1和第二地GND2可以为同一地，也可以为不同的地。

具体的，控制模块50用于向供电调整电路10输出第一控制信号HON，其中，第一控制信号HON为控制上管S1导通的信号。原级输出模块20用于向供电调整电路10输出第一输出电压VOUT1。供电调整电路10用于根据第一控制信号HON、第一输出电压VOUT1和第二电源70提供的直流电压VIN向控制模块50输出第一过零信号Im_ZC，其中，第一过零信号Im_ZC用于表征降压变换器中励磁电流的过零点。具体的，供电调整电路10中的第一电流生成模块用于根据第二电源70提供的直流电压生成第一电流。供电调整电路10中的开关模块用于接收第一控制信号HON，根据第一控制信号HON导通，使第一电流为供电调整电路10中的充放电模块充电。供电调整电路10中的第二电流生成模块用于根据第一输出电压生成第二电流，使供电调整电路10中的充放电模块以第二电流放电。供电调整电路10中的充放电模块用于根据第一电流和第二电流向供电调整电路10中的比较模块输出第一电压。供电调整电路10中的比较模块用于接收第一参考电压，根据第一参考电压和第一电压向控制模块50输出第一过零信号。

过零检测模块40用于检测开关节点sw1处的电流（即原级电流I1），在电流为零时（即在原级电流I1为零时），向控制模块50输出第二过零信号。控制模块50用于根据第一过零信号Im_ZC和第二过零信号调整降压变换器的开关频率。

由上可知，本申请实施例提供的降压变换器通过供电调整电路10可以检测励磁电流的过零点，根据励磁电流的过零点和原级电流I1的过零点，可间接获得降压变换器的次级负载90的变化情况，在降压变换器的次级负载90增加时，控制模块50根据第一过零信号Im_ZC和第二过零信号提高降压变换器的开关频率，以提高降压变换器的次级带载能力。

图9表示了控制模块50用于根据第一过零信号Im_ZC和第二过零信号提高降压变换器的开关频率的控制逻辑。在次级输出（即第二输出电压VOUT2）跌落后，原级电流I1的过零检测提前，这时候会判断T_ZC是否大于T_ZCref，T_ZCref是设定的一个参考值，T_ZCref设定的越小，意味着对次级的输出要求越高，在次级负载90增加一点的时候就会提高频率，反之则是允许次级输出有一定的下降，但这样能够让次级负载90没那么大的时候，继续保持相对较低的开关频率，从而提高效率。在T_ZC大于T_ZCref后，会判断下管S1的关闭电流阈值是否小于NOC（Negative over current），NOC是负电流保护阈值，让输出通过下管S2的放电电流不能大于NOC的绝对值。若下管S2的关闭电流阈值还小于NOC，则继续调低下管S2的关闭电流阈值，则下管S2导通的时间更长，会给次级电容C12补充更多的电荷，同时也会让原级输出放掉更多的电荷，从而提高降压变换器的开关频率，于是给次级提供的能量越来越多，会使得次级输出（即第二输出电压VOUT2）上升，以提升降压变换器的次级带载能力；之后次级电流I2减小，原级电流I1过零检测延后，然后再一次判断T_ZC和_ZCref的关系，通过该反馈环路，会使得T_ZC的值一直维持在小于或等于T_ZCref的值上面，从而确保次级输出。另一方面，在次级负载90特别大的时候，该反馈环路可以将同步降压控制芯片调整至强制连续导通模式，这是因为下管S2的关闭电流阈值很低，而在原级电流I1还没下降到这么低的时候，原级输出已经掉落的比较多了，于是就会直接控制上管S1导通了，不会有上管S1和下管S2同时关断的情况。同步降压控制芯片自动随着次级负载90调整频率，最终可进入强制连续导通模式，最大程度的保证次级输出，同时在原次级都轻载的情况下，又能以很低的频率工作在断续导通模式下，实现最高效率，同步降压控制芯片“智能”更高。

如图10中的虚线所示，在单个周期内给次级电容C12补充的电荷相比图3中的虚线变得更多了，因为下管S2导通的时间更长，且由于原级电流I1会下降到负电流，将原级电容C11上的电荷又给放掉，因此在原级轻载下能够提高开关频率，甚至即使原级完全空载，由于有负电流放电，也能够正常工作，且开关频率在次级负载90较重的情况下能够提升上来。

本申请的核心思想是通过检测原级电流和励磁电流的过零时间，间接获得次级负载90的变化情况。图9所示的控制逻辑只是其中一个实例，实际也可用其他方式控制，例如在得到T_ZC时间后，在上管S1和下管S2都关断的期间再插入一段控制下管S2导通的时间，而该时间与T_ZC时间相关，也能够实现次级负载90的反馈。或者是通过T_ZC时间来限制上管S1和下管S2都关断的时间，使原级电流I1的过零时间与T_ZC成负相关，则可以在T_ZC较大时，将开关频率提高从而保证次级输出，进而保证次级带载能力。在开关频率提高后需要将原级多余的电荷放掉，所以需要在原级电流I1的过零之后再控制下管S2导通，将原级电流I1变负，然后等待同步降压控制芯片重新发波。

本申请实施例还提供了一种直流电源，包括上述所述的降压变换器。本申请实施例提供的直流电源在原级轻载时，可以提高次级带载能力，具体工作原理请参照上述所述降压变换器工作原理的描述，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种供电调整电路，应用于降压变换器，所述降压变换器包括控制模块、原级输出模块、次级输出模块、过零检测模块、上管、下管和变压器；所述控制模块分别与所述上管的栅极、所述下管的栅极、所述过零检测模块和所述原级输出模块电连接，所述上管的源极分别与所述下管的漏极、所述过零检测模块和所述变压器的原级绕组的一端电连接，所述变压器的原级绕组的另一端与所述原级输出模块电连接，所述原级输出模块用于与原级负载电连接，所述变压器的次级绕组的另一端与所述次级输出模块电连接，所述次级输出模块用于与次级负载电连接，所述上管的漏极用于与第二电源电连接，所述下管的源极和所述原级输出模块均用于接第一地，所述变压器的次级绕组的一端和所述次级输出模块均用于接第二地，其特征在于，包括第一电流生成模块、开关模块、第二电流生成模块、充放电模块和比较模块，所述开关模块分别与所述第一电流生成模块、所述第二电流生成模块、所述充放电模块和所述比较模块电连接，所述第一电流生成模块用于与第一电源和第二电源电连接，所述开关模块用于与降压变换器中的上管的栅极电连接，所述第二电流生成模块用于与所述降压变换器中的原级输出模块电连接，所述比较模块用于与所述降压变换器中的控制模块电连接，所述第二电流生成模块和所述充放电模块均用于接地；

所述第一电流生成模块用于根据所述第二电源提供的直流电压生成第一电流；所述开关模块用于接收第一控制信号，根据所述第一控制信号导通，使所述第一电流为所述充放电模块充电；所述第二电流生成模块用于根据所述原级输出模块提供的第一输出电压生成第二电流，使所述充放电模块以所述第二电流放电；所述充放电模块用于根据所述第一电流和所述第二电流向所述比较模块输出第一电压；所述比较模块用于接收第一参考电压，根据所述第一参考电压和所述第一电压向所述控制模块输出第一过零信号，使所述控制模块调整所述降压变换器的开关频率；其中，所述第一控制信号为控制所述上管导通的信号。

2.根据权利要求1所述的供电调整电路，其特征在于，所述开关模块包括第一开关，所述第一开关的控制端用于与所述上管的栅极电连接，所述第一开关的第一导通端与所述第一电流生成模块电连接，所述第一开关的第二导通端分别与所述第二电流生成模块、所述充放电模块和所述比较模块电连接。

3.根据权利要求1所述的供电调整电路，其特征在于，所述第一电流生成模块包括第一电阻、第一电流镜和第二电流镜，所述第一电阻的第一端用于与所述第二电源电连接，所述第一电阻的第二端与所述第一电流镜的第一端电连接，所述第一电流镜的第二端与所述第二电流镜的第一端电连接，所述第一电流镜的第三端和所述第一电流镜的第四端均用于接地，所述第二电流镜的第二端和所述第二电流镜的第三端均用于与所述第一电源电连接，所述第二电流镜的第四端与所述开关模块电连接。

4.根据权利要求3所述的供电调整电路，其特征在于，所述第一电流镜包括第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管的栅极分别与所述第二NMOS管的栅极、所述第一NMOS管的漏极和所述第一电阻的第二端电连接，所述第二NMOS管的漏极与所述第二电流镜的第一端电连接，所述第一NMOS管的源极和所述第二NMOS管的源极均用于接地。

5.根据权利要求3所述的供电调整电路，其特征在于，所述第二电流镜包括第一PMOS管和第二PMOS管，所述第一PMOS管的栅极分别与所述第二PMOS管的栅极、所述第一PMOS管的漏极和所述第一电流镜的第二端电连接，所述第一PMOS管的源极和所述第二PMOS管的源极均用于与所述第一电源电连接，所述第二PMOS管的漏极与所述开关模块电连接。

6.根据权利要求3所述的供电调整电路，其特征在于，所述第二电流生成模块包括第二电阻和第三电流镜，所述第二电阻的第一端用于与所述原级输出模块电连接，所述第二电阻的第二端与所述第三电流镜的第一端电连接，所述第三电流镜的第二端分别与所述开关模块、所述充放电模块和所述比较模块电连接，所述第三电流镜的第三端和所述第三电流镜的第四端均用于接地；其中，所述第一电阻的阻值等于所述第二电阻的阻值。

7.根据权利要求1-3任一项所述的供电调整电路，其特征在于，所述充放电模块包括第一电容，所述第一电容的正极分别与所述开关模块、所述第二电流生成模块和所述比较模块电连接，所述第一电容的负极用于接地。

8.根据权利要求1-3任一项所述的供电调整电路，其特征在于，所述比较模块包括比较器，所述比较器的正输入端分别与所述充放电模块、所述开关模块和所述第二电流生成模块电连接，所述比较器的负输入端用于接收所述第一参考电压，所述比较器的输出端用于与所述控制模块电连接。

9.一种降压变换器，其特征在于，包括上管、下管、变压器、控制模块、原级输出模块、次级输出模块、过零检测模块和权利要求1-8任一项所述的供电调整电路，所述供电调整电路中的第一电流生成模块和所述上管的漏极均用于与第二电源电连接，所述上管的源极分别与所述下管的漏极、所述过零检测模块和所述变压器的原级绕组的一端电连接，其连接处称为开关节点，所述下管的源极用于接第一地，所述控制模块分别与所述上管的栅极、所述下管的栅极、所述供电调整电路中的开关模块、所述供电调整电路中的比较模块、所述原级输出模块和所述过零检测模块电连接，所述变压器的原级绕组的另一端与所述原级输出模块电连接，所述原级输出模块用于与原级负载电连接，所述原级输出模块还用于接第一地，所述变压器的次级绕组的一端用于接第二地，所述变压器的次级绕组的另一端与所述次级输出模块电连接，所述次级输出模块用于与次级负载电连接，所述次级输出模块还用于接第二地；

所述控制模块用于向所述供电调整电路输出第一控制信号，其中，所述第一控制信号为控制所述上管导通的信号；所述原级输出模块用于向所述供电调整电路输出第一输出电压；所述供电调整电路用于根据所述第一控制信号、所述第一输出电压和所述第二电源提供的直流电压向所述控制模块输出第一过零信号；所述过零检测模块用于检测所述开关节点处的电流，在所述电流为零时，向所述控制模块输出第二过零信号；所述控制模块用于根据所述第一过零信号和所述第二过零信号调整所述降压变换器的开关频率。

10.一种直流电源，其特征在于，包括权利要求9所述的降压变换器。