CN117526717B - 一种用于开关电源的频率调节电路、调节方法及开关电源 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于开关电源的频率调节电路、调节方法及开关电源，通过轻载调节电路调节使得在断续工作模式下，在主功率开关管和续流开关管均关断的时间超出预设时间后，则开通续流开关管，使得系统的频率提高，从而减小了系统的噪声，并且通过输出电压的反馈调整续流开关管开通的时间，系统的频率稳定，输出电压稳定，系统损耗低。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源控制技术领域，更具体地说，涉及一种用于开关电源的频率调节电路、调节方法及开关电源。
背景技术
开关电源作为常用的功率变换电路，用于将输入电压转换为输出电压输出，常用的开关电源如Buck降压型开关电源，其包括主功率开关管和续流开关管，主功率开关管和续流开关管交替通断，以输出稳定的输出电压。在负载轻载情况下关断开关电源的功率开关管（包括主功率开关管以及其他功率开关管如续流开关管），使得开关电源进入到断续工作模式，直至控制器再发出一个主功率开关管的开通脉冲，进入到下一个开关周期。
在断续工作模式下，如果主功率开关管和续流开关管的关断时间较长，会导致系统的频率很低，产生噪声。
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用于开关电源的频率调节电路、调节方法及开关电源，用以解决现有技术存在的开关电源在轻载情况下频率太低引起噪声的技术问题。
提供一种用于开关电源的频率调节电路所述开关电源包括主功率开关管和续流开关管，包括开关信号电路和轻载控制电路，所述开关信号电路产生开关控制信号控制所述主功率开关管和所述续流开关管的通断，所述轻载控制电路与所述开关信号电路连接，在检测到所述主功率开关管和所述续流开关管均关断后开始计时，当计时时间达到预设的第一时间，产生开通信号以控制所述续流开关管导通；所述轻载控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号，并据此控制所述续流开关管的导通时长。
优选地，在轻载情况下，所述开关信号电路控制所述主功率开关管和所述续流开关管均关断。
优选地，所述预设的第一时间的时长设置为表征所述开关电源的工作频率达到频率下限值。
优选地，所述轻载控制电路在所述续流开关管的导通达到导通时长时，产生关断信号控制所述续流开关管关断，并且产生主功率开关管的开通信号以控制所述主功率开关管导通。
优选地，所述轻载控制电路包括计时电路，所述计时电路接收所述主功率开关管和所述续流开关管的开关控制信号，当所述开关控制信号表征所述主功率开关管和所述续流开关管均关断时，则所述计时电路开始计时，当计时时间达到预设的第一时间，产生所述开通信号。
优选地，所述轻载控制电路还包括导通时长控制电路，所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号并据此获得第一基准电流，当所述开关电源的电感电流采样信号达到所述第一基准电流时，则控制所述续流开关管关断。
优选地，所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，获得误差补偿信号，所述误差补偿信号与第一基准信号进行误差放大获得所述第一基准电流；所述导通时长控制电路接收所述开关电源的电感电流采样信号，并将电感电流采样信号与所述第一基准电流进行比较，当所述电感电流采样信号达到所述第一基准电流，则产生关断信号控制所述续流开关管关断。
优选地，所述轻载控制电路还包括导通时长控制电路，所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，获得表征两者差值的第一参数，根据所述第一参数调整预设的导通时长，当所述续流开关管的导通时间达到预设的导通时长时，则控制所述续流开关管的关断。
优选地，所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，其将两者进行比较获得比较信号，所述比较信号经过模数转换处理后获得表征两者差值的第一参数，所述第一参数调整预设脉冲信号的脉宽，以调整预设的导通时长，其中，所述脉冲信号的脉宽表征导通时长。
优选地，所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，其将两者进行误差补偿处理获得补偿信号，所述导通时长控制电路设置脉冲信号的脉宽与所述补偿信号正相关，以调整预设的导通时长，其中，所述脉冲信号的脉宽表征导通时长。
第二方面，提供一种用于开关电源的频率调节方法，所述开关电源包括主功率开关管和续流开关管，包括步骤：在检测到所述主功率开关管和所述续流开关管均关断后开始计时，当计时时间达到预设的第一时间，产生开通信号以控制所述续流开关管导通；根据所述开关电源的输出反馈信号，并据此控制所述续流开关管的导通时长，当所述续流开关管的导通达到导通时长时，关断所述续流开关管，在关断所述续流开关管后，开通所述主功率开关管。
优选地，在轻载情况下，控制所述主功率开关管和所述续流开关管均关断。
优选地，所述预设的第一时间的时长设置为表征所述开关电源的工作频率达到频率下限值。
第三方面，提供一种开关电源，包括主功率开关管和续流开关管，其特征在于，还包括上述的用于开关电源的频率调节电路，所述频率调节电路控制所述主功率开关管和所述续流开关管的开关动作以调节所述开关电源的工作频率。
采用本发明的开关电源的频率调节电路及开关电源，通过轻载调节电路调节使得在断续工作模式下，在主功率开关管和续流开关管均关断的时间超出预设时间后，则开通续流开关管，从而使得系统的频率提高，减小了系统的噪声，并且通过输出电压的反馈调整续流开关管开通的时间，系统的频率稳定，输出电压稳定，系统损耗低。
附图说明
图1为依据本发明的开关电源的控制电路的电路框图；
图2为依据图1中的轻载调节电路的第一种电路框图；
图3为依据本发明的图2中的轻载调节电路的第一种实现电路图；
图4为依据图1中的轻载调节电路的第二种电路框图；
图5为依据本发明的图4中的轻载调节电路的第一种实现电路图；
图6为依据本发明的图4中的轻载调节电路的第二种实现电路图；
图7为依据图3电路图的工作波形图。
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1为依据本发明的开关电源的控制电路的电路框图，图2为依据图1中的轻载调节电路的第一种电路框图，开关电源的控制电路包括频率控制电路、逻辑电路1和驱动电路，控制电路控制主功率开关管Q1和续流开关管Q2交替通断以将输入电压Vin转换为预定的输出电压Vout输出，这里，逻辑电路1和驱动电路可以为现有的电路结构，逻辑电路可以为RS触发器，驱动电路可以为开关管构成的上下驱动电流电路。本示例中，频率调节电路包括开关信号电路和轻载控制电路，在正常负载状态下，控制电路的开关信号电路产生开关信号以控制主功率开关管Q1和续流开关管Q2的开关动作。一种开关信号电路实现的方式为：根据输出电压反馈信号VFB和输出参考信号VREF的误差放大补偿后获得补偿信号Vcomp，补偿信号Vcomp和开关电源的电感电流采样信号Isen信号比较后获得控制主功率开关管Q1关断的信号，主功率开关管Q1开通可以根据固定时间电路控制，如主功率开关管Q1关断后固定时间Ton，则获得触发信号以控制主功率开关管Q1的开通。
当系统的负载进入到轻载的情况下，由于输出的功率降低，系统会进入断续工作模式，即主功率开关管Q1和续流开关管Q2在完成一个导通和关断动作后均进入关断状态。当负载功率在极轻载的情况下，主功率开关管Q1和续流开关管Q2的关断时间较长，系统会进入一个极低的工作频率，引起系统明显的噪声，在本申请中，通过设置一个预设的时长，以防止系统的工作频率过低。本申请中，在主功率开关管Q1和续流开关管Q2均关断，轻载控制电路开始计时，当计时时间达到预设的时间，控制续流开关管Q2导通，之后，根据输出电压反馈信号控制续流开关管Q2的时长，并产生续流开关管的关断信号以控制续流开关管Q2关断，产生主功率开关管的开通信号以导通主功率开关管Q1。这里，所述预设的第一时间的时长设置为所述开关电源的工作频率达到频率下限值，这里频率下限值是设置为系统工作频率的最低值，即是，当所述开关电源的工作频率达到下限值，则开通续流开关管，以提高系统的工作频率。
图2为依据图1中的轻载调节电路的第一种电路框图，以及图3为依据本发明的图2中的轻载控制电路的第一种实现电路图；在图2和图3的示意图中，所述轻载控制电路包括计时电路，所述计时电路接收所述主功率开关管和所述续流开关管的开关控制信号，如TON和BON，当所述开关控制信号表征所述主功率开关管和所述续流开关管均关断时，则所述计时电路开始计时，当计时时间达到预设的第一时间，产生控制所述续流开关管导通的开通信号。具体地，计时电路包括电流源I1、开关S1、电容C1以及比较器CMP2，当开关控制信号TON和BON均为低时，则开关S1断开，电流源I1给电容C1充电，比较器CMP2一输入端接收电容C1的充电电压，另一输入端接收第一参考信号Vref1，当电容C1的充电电压达到第一参考信号Vref1时，比较器的输出信号变为高电平有效状态以控制续流开关管导通，这里，开关S1断开后，电容C1的充电电压达到第一参考信号Vref1的时长即为第一时间的时长，第一参考信号Vref1的大小设置为系统的工作频率不低于最小值，从而可以主动控制系统工作频率。
继续参考图3，所述轻载控制电路还包括导通时长控制电路，所述导通时长控制电路包括参考值电路、电流采样电路、比较电路，参考值电路接收所述开关电源的输出反馈信号并据此获得第一基准电流IUSM，电流采样电路获得电感电流采样信号Isen，比较电路比较电感电流采样信号Isen和第一基准电流IUSM，当所述开关电源的电感电流采样信号Isen达到所述第一基准电流IUSM时，则产生开通信号控制所述续流开关管Q2关断。这里，电流采样信号可以是现有的采样电路，电感电流采样信号Isen和第一基准电流IUSM可以是表征电流信息的电压信号。具体地，参考值电路包括跨导放大器，其接收所述误差补偿信号Vcomp与第一基准信号Vref2，进行误差放大获得所述第一基准电流IUSM；误差补偿信号Vcomp由所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号进行误差放大补偿处理后获得。所述比较电路包括比较器CMP1，其将电感电流采样信号与所述第一基准电流进行比较，当所述电感电流采样信号达到所述第一基准电流，则产生关断信号控制所述续流开关管关断。续流开关管Q2的开关控制信号BON包括所述续流开关管的开通信号和关断信号。
如图7为依据图3电路图的工作波形图。在t1时刻，开关电源进入断续工作模式，主功率开关管Q1和续流开关管Q2均关断，电感电流采样信号Isen为零，输出电压Vo开始下降，之后当频率控制电路检测到主功率开关管Q1和续流开关管Q2均关断的时长达到了预设时长，即t1至t2的时长，则产生控制续流开关管Q2导通的信号，这时，电感电流继续下降，补偿信号Vcomp减小，参考值电路获得第一基准电流IUSM，当电感电流采样信号Isen达到第一基准电流IUSM，在t3时刻，则控制续流开关管Q2关断，同时经过死区时间后控制主功率开关管Q1导通。到t4时刻，输出电压Vo开始上升。根据上述的图形可以看出，在t2时刻，主动开通续流开关管，可以控制系统的频率进行调节，提高系统的工作频率，并且输出电压可以稳定，不会过高或过低。
参考图4为依据图1中的轻载调节电路的第二种电路框图以及图5为依据本发明的图4中的轻载调节电路的第一种实现电路图；所述轻载控制电路还包括导通时长控制电路，所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，获得表征两者差值的第一参数，根据所述第一参数调整预设的导通时长，当所述续流开关管的导通时间达到预设的导通时长时，则控制所述续流开关管的关断。具体地，参考图5，所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，其将两者进行误差补偿处理获得补偿信号Vcomp，所述导通时长控制电路也可以从开关信号电路中获得补偿信号Vcomp，补偿信号Vcomp作为第一参数，所述导通时长控制电路通过计时电路2可以设置一个脉冲信号的脉宽，所述脉冲信号的脉宽表征导通时长，计时电路2接收补偿信号Vcomp，并根据补偿信号Vcomp调整所述脉冲信号的脉宽，如设置脉冲信号的脉宽与所述补偿信号正相关，如此，当输出反馈信号发生变化时，则补偿信号Vcomp跟随变化，导通时长随之变化，可以很好的根据输出的情况及时调整续流开关管的导通时长，从而使得输出电压稳定，之后，脉冲电路根据计时电路的触发获得脉冲信号，用以触发续流开关管关断。这里轻载控制电路还包括逻辑电路2，逻辑电路2可以为RS触发器，其根据比较器CMP2的输出信号和脉冲电路的输出信号以产生控制信号控制续流开关管的通断。
参考图6为依据本发明的图4中的轻载调节电路的第二种实现电路图；本实施例与图5示例中的计时电路2和脉冲电路均相同，所不同的是，这里的所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，其将两者进行比较获得比较信号，所述比较信号经过模数转换处理后获得表征两者差值的第一参数，所述第一参数调整预设脉冲信号的脉宽，以调整预设的导通时长，其中，所述脉冲信号的脉宽表征导通时长，这里第一参数可以为表征比较信号的步进数据，从而根据步进数据调整预设脉冲信号的脉宽。同理，本示例也可以很好的根据输出的情况及时调整续流开关管的导通时长，从而使得输出电压稳定。
最后，本申请还提出了一种开关电源，包括主功率开关管和续流开关管，还包括所述的用于开关电源的频率调节电路，所述频率调节电路控制所述主功率开关管和所述续流开关管的开关动作以调节所述开关电源的工作频率。本申请的所述开关电源可以是升压型开关电源，降压型开关电源或者升降压型开关电源，本申请的开关电源在负载非常轻载的情况下，系统工作频率降低到极限值时，通过主动开通续流开关管以提高系统工作频率，可以解决系统在极低频率下带来的噪声问题。并且通过输出反馈信号控制续流开关管的开通时间，可以很好的稳定输出电压。
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 (14)
1.一种用于开关电源的频率调节电路，所述开关电源包括主功率开关管和续流开关管，其特征在于，包括开关信号电路和轻载控制电路，
所述开关信号电路产生开关控制信号控制所述主功率开关管和所述续流开关管的通断，
所述轻载控制电路与所述开关信号电路连接，在检测到所述主功率开关管和所述续流开关管均关断后开始计时，当计时时间达到预设的第一时间，产生开通信号以控制所述续流开关管导通；
所述轻载控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号，并根据输出反馈信号和输出基准信号获得误差补偿信号或第一参数，以控制所述续流开关管的导通时长。
2.根据权利要求1所述的用于开关电源的频率调节电路，其特征在于，
在轻载情况下，所述开关信号电路控制所述主功率开关管和所述续流开关管均关断。
3.根据权利要求2所述的用于开关电源的频率调节电路，其特征在于，
所述预设的第一时间的时长设置为表征所述开关电源的工作频率达到频率下限值。
4.根据权利要求1所述的用于开关电源的频率调节电路，其特征在于，
所述轻载控制电路在所述续流开关管的导通达到导通时长时，产生关断信号控制所述续流开关管关断，并且产生主功率开关管的开通信号以控制所述主功率开关管导通。
5.根据权利要求1所述的用于开关电源的频率调节电路，其特征在于，所述轻载控制电路包括计时电路，
所述计时电路接收所述主功率开关管和所述续流开关管的开关控制信号，当所述开关控制信号表征所述主功率开关管和所述续流开关管均关断时，则所述计时电路开始计时，当计时时间达到预设的第一时间，产生所述续流开关管的开通信号。
6.根据权利要求5所述的用于开关电源的频率调节电路，其特征在于，所述轻载控制电路还包括导通时长控制电路，
所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号并据此获得第一基准电流，当所述开关电源的电感电流采样信号达到所述第一基准电流时，则控制所述续流开关管关断。
7.根据权利要求6所述的用于开关电源的频率调节电路，其特征在于，
所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，获得误差补偿信号，所述误差补偿信号与第一基准信号进行误差放大获得所述第一基准电流；
所述导通时长控制电路接收所述开关电源的电感电流采样信号，并将电感电流采样信号与所述第一基准电流进行比较，当所述电感电流采样信号达到所述第一基准电流，则产生关断信号控制所述续流开关管关断。
8.根据权利要求5所述的用于开关电源的频率调节电路，其特征在于，所述轻载控制电路包括还导通时长控制电路，
所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，获得表征两者差值的第一参数，根据所述第一参数调整预设的导通时长，当所述续流开关管的导通时长达到预设的导通时长时，则控制所述续流开关管关断。
9.根据权利要求8所述的用于开关电源的频率调节电路，其特征在于，所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，其将两者进行比较获得比较信号，
所述比较信号经过模数转换处理后获得表征两者差值的第一参数，
所述第一参数调整预设脉冲信号的脉宽，以调整预设的导通时长，其中，所述脉冲信号的脉宽表征导通时长。
10.根据权利要求8所述的用于开关电源的频率调节电路，其特征在于，
所述导通时长控制电路接收所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号，其将两者进行误差补偿处理获得补偿信号，
所述导通时长控制电路设置脉冲信号的脉宽与所述补偿信号正相关，以调整预设的导通时长，其中，所述脉冲信号的脉宽表征导通时长。
11.一种用于开关电源的频率调节方法，所述开关电源包括主功率开关管和续流开关管，其特征在于，包括步骤：
在检测到所述主功率开关管和所述续流开关管均关断后开始计时，当计时时间达到预设的第一时间，产生开通信号以控制所述续流开关管导通；
根据所述开关电源的输出反馈信号和输出基准信号获得误差补偿信号或第一参数，并据此控制所述续流开关管的导通时长，当所述续流开关管的导通达到导通时长时，关断所述续流开关管，
在关断所述续流开关管后，开通所述主功率开关管。
12.根据权利要求11所述的用于开关电源的频率调节方法，其特征在于，
在轻载情况下，控制所述主功率开关管和所述续流开关管均关断。
13.根据权利要求12所述的用于开关电源的频率调节方法，其特征在于，
所述预设的第一时间的时长设置为表征所述开关电源的工作频率达到频率下限值。
14.一种开关电源，包括主功率开关管和续流开关管，其特征在于，还包括权利要求1-10任一项所述的用于开关电源的频率调节电路，
所述频率调节电路控制所述主功率开关管和所述续流开关管的开关动作以调节所述开关电源的工作频率。
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