CN1441540A - 开关电源控制电路和利用开关电源控制电路的开关电源 - Google Patents

开关电源控制电路和利用开关电源控制电路的开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种开关电源控制电路，该控制电路能够以高精度和高速度开关输出电压。控制电路包括：A/D转换器31，用于产生输出电压数字值D1以响应时钟信号CLK1，数字值D1指出实际输出电压V0；参考电压发生电路32，用于产生参考电压数字值D2以响应时钟信号CLK2，数字值D2指出输出电压的目标值；减法器33，用于比较输出电压数字值D1和参考电压数字值D2，并基于比较结果产生误差电压数字值D3；锁存电路34，用于读出误差电压数字值D3以响应时钟信号CLK3，并基于电压数字值D3控制开关电路部件10的工作；和算术电路35。时钟信号CLK1和时钟信号CLK3的相位是显著移位的，且时钟信号CLK2和时钟信号CLK3的相位是显著移位的。

Description

开关电源控制电路和利用 开关电源控制电路的开关电源
技术领域
本发明涉及开关电源控制电路和利用开关电源控制电路的开关电源，本发明具体涉及完成开关电源数字控制的控制电路和利用开关电源数字控制电路的开关电源。
背景技术
开关电源通常用于计算机，家用电器，汽车和各种其他的产品。典型的开关电源是这样一种单元(DC/DC变换器)，首先利用开关电路把DC输入转换成AC，然后把它转换回DC，因此，能够得到不同于输入电压的DC输出电压。
在这种开关电源中，控制电路用于检测输出电压，并基于输出电压，开关电路控制开关工作。因此，开关电源给被驱动的负载提供稳定的工作电压。
然而，近年来使用的中央处理器(CPU)或数字信号处理器(DSP)的时钟速度有了很大的提高，因此，CPU或DSP的功率消耗远远超过以往的功率消耗。在此背景下，减小CPU和DSP的功率消耗最近以来已成为一个重要的问题，作为解决这个问题的一种方法，有人建议根据工作状态改变所需工作电压的技术。所以，给这些类型CPU或DSP供电的开关电源必须能够快速地开关其输出电压。
另一方面，为了实现这种低功率消耗，CPU和DSP的工作电压逐年来变得越来越低，因此，开关电源中容许的输出电压余量已变得极小。
在此背景下，能够以高精度和高速度开关输出电压的开关电源近年来已变得十分诱人。
发明内容
所以，本发明的目的是提供一种开关电源控制电路，该控制电路能够以高精度和高速度开关输出电压。
本发明的另一个目的是提供一种开关电源，该电源能够以高精度和高速度开关输出电压。
因此，实现本发明目的是利用一种控制电路，该控制电路用于完成装有开关电路部件的开关电源的数字控制，包括：第一装置，用于产生输出电压数字值以响应第一时钟信号，输出电压数字值指出开关电源的实际输出电压；第二装置，用于产生参考电压数字值以响应第二时钟信号，参考电压数字值指出开关电源的输出电压目标值；第三装置，用于比较输出电压数字值和参考电压数字值，并基于比较结果产生误差电压数字值；和第四装置，用于读出误差电压数字值以响应第三时钟信号，并基于误差电压数字值控制开关电路部件的工作，其中：第一时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的，且第二时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的。
在本发明的一个优选实施例中，第一时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第一装置的工作时间延迟与第三装置的工作时间延迟之和。
在本发明的另一个优选实施例中，第二时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第二装置的工作时间延迟与第三装置的工作时间延迟之和。
在本发明的另一个优选实施例中，第一时钟信号至第三时钟信号的频率是基本一致的。
在本发明的另一个优选实施例中，第一时钟信号和第二时钟信号的相位是基本一致的。
在本发明的另一个优选实施例中，第二装置包括：包含各不相同数字值的多个存储器；和一个复用器，复用器用于选取多个存储器中的一个存储器以响应第二时钟信号，并输出包含在选取存储器中的数字值作为参考电压数字值。
在本发明的另一个优选实施例中，第二装置包括：寄存器，用于读出数字值以响应第二时钟信号，并输出这个数字值作为参考电压数字值。
在本发明的另一个优选实施例中，第一装置是A/D转换器，而第三装置是逻辑电路。
实现本发明目的还利用一种开关电源，开关电源包括：开关电路部件，用于把DC输入电压转换成AC电压；输出电路部件，用于接收从开关电路部件输出的AC电压，并把它转换成DC电压；和控制电路，用于控制开关电路部件的工作，使输出电路部件的输出电压是确定值，其中开关电路部件包括：第一装置，用于产生输出电压数字值以响应第一时钟信号，输出电压数字值指出开关电源的实际输出电压；第二装置，用于产生参考电压数字值以响应第二时钟信号，参考电压数字值指出开关电源的输出电压目标值；第三装置，用于比较输出电压数字值和参考电压数字值，并基于比较结果产生误差电压数字值；和第四装置，用于读出误差电压数字值以响应第三时钟信号，并基于误差电压数字值控制开关电路部件的工作，其中：第一时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的，且第二时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的。
在本发明的一个优选实施例中，第一时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第一装置的工作时间延迟与第三装置的工作时间延迟之和，而第二时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第二装置的工作时间延迟与第三装置的工作时间延迟之和。
利用有上述结构的本发明，能够以高精度和高速度开关输出电压。
根据以下的描述并结合附图，本发明的以上目的和特征以及其他目的和特征是显而易见的。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例的开关电源电路图。
图2表示一个例子中参考电压发生电路32的电路图。
图3表示输出电压V0的开关工作时序图。
图4表示另一个例子中参考电压发生电路32的电路图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地描述本发明的优选实施例。
图1是按照本发明优选实施例的开关电源电路图。
如图1所示，按照这个实施例的开关电源是由开关电路部件10，输出电路部件20和控制电路部件30组成的一种单元，该单元使输入电源端子1与2之间提供的DC输入电压Vin降压，并产生出现在输出电源端子3与4之间的DC输出电压V0。
开关电路部件10是由输入电容器11和开关元件12和13组成的一种电路，该电路把输入电源端子1与2之间提供的DC输入电压Vin转换成AC电压。输入电容器11连接在输入电源端子1与2之间，其作用是稳定输入电压Vin。此外，开关元件12串联在输入电容器11与输出电路部件20之间，而开关元件13并联在开关元件12与输出电路部件20之间。这些开关元件12和13交替地接通，其规定的空载时间是在控制电路部件30的控制之下。
输出电路部件20是由输出电抗器21和输出电容器22组成的一种电路，该电路接收开关电路部件10的AC输出，并把这个AC输出转换成DC。输出电抗器21串联在开关电路部件10与输出电源端子3之间，而输出电容器22连接在输出电源端子3与4之间。
控制电路部件30是由模数(A/D)转换器31，参考电压发生电路32，减法器33，锁存电路34和算术电路35组成的数字控制电路。A/D转换器31是这样一种电路，该电路接收在输出电源端子3出现的输出电压V0，并把这个输出电压变换成数字值以响应时钟信号CLK1。在这个说明书中，A/D转换器31输出的数字值称之为“输出电压数字值D1”。参考电压发生电路32是这样一种电路，该电路产生对应于输出电压V0目标值的数字值，以下详细地给予描述，而在这个说明书中，参考电压发生电路32的输出值称之为“参考电压数字值D2”。减法器33是一种逻辑电路(逻辑门电路)，该电路用于从输出电压数字值D1中减去参考电压数字值D2，而在这个说明书中，这个输出称之为“误差电压数字值D3”。锁存电路34是多比特锁存电路，用于锁存误差电压数字值以响应时钟信号CLK3，而在这个说明书中，这个输出称之为“控制数字值D4”。
算术电路35是这样一种电路，该电路接收从锁存电路34提供的控制数字值D4，并基于这个数字值控制开关元件12和13的开关工作。具体地说，沿正方向的控制数字值D4越大，即，输出电压数字值D1超过参考电压数字值D2越大，则控制开关元件12的运行时间就越短(控制开关元件13的运行时间就越长)。相反，沿负方向的控制数字值D4越大，即，参考电压数字值D2超过输出电压数字值D1越大，则控制开关元件12的运行时间就越长(控制开关元件13的运行时间就越短)。因此，实际输出电压V0稳定到参考电压数字值D2所指出的数值。
图2表示一个例子中参考电压发生电路32的电路图。
如图2所示，参考电压发生电路32是由多个存储器40-1至40-n和一个复用器41组成。存储器40-1至40-n中的每个存储器包含对应于不同输出电压V0的数字值(目标数字值)。此处，不同的输出电压V0是指DC负载5要求可变工作电压时的各种工作电压。例如，若DC负载5要求1.0V，1.3V和1.5V的三种不同工作电压，则对应于1.0V，1.3V和1.5V的目标数字值分别存储在存储器40-1至40-3中。请注意，在实际输出电压V0与目标值一致的情况下，目标数字值设定为等同于从A/D转换器31得到的输出电压数字值D1。这些存储器40-1至40-n中存储的目标数字值Vref1至Vrefn各自提供给复用器41。
复用器41是这样一种电路，该电路接收目标数字值Vref1至Vrefn，时钟信号CLK2，和与时钟信号CLK2同步的选择信号SEL，提供选择信号SEL所指出的目标数字值(Vref1至Vrefn中的一个数值)给减法器33作为参考电压数字值D2。这个选择信号SEL是由DC负载5给出的信号，为的是规定待提供的输出电压V0。
请注意，虽然以下要详细地描述，时钟信号CLK1，CLK2和CLK3最好是在频率上互相一致的，但至少时钟信号CLK1和CLK3的相位和时钟信号CLK2和CLK3的相位是显著地移位的。
以下，借助于这个实施例中的开关电源，描述输出电压V0的开关工作。
图3表示输出电压V0的开关工作时序图。在这个实施例中，时钟信号CLK1，CLK2和CLK3在频率上是互相一致的，时钟信号CLK1和CLK2的相位是一致的，而时钟信号CLK1和CLK2的相位是从CLK3的相位中约移位半个周期。
如图3所示，当输出电压V0起伏时，响应于时钟信号CLK1的上升边缘，输出电压数字值D1发生变化，但由于A/D转换器31需要一定量的开关时间，时间延迟T1出现在时钟信号CLK1的上升边缘与输出电压数字值D1之间。换句话说，当输出电压V0起伏时，在时钟信号CLK1上升之后，一旦时间延迟T1消逝，输出电压数字值D1就发生变化。
类似地，当选择信号SEL变化时，响应于时钟信号CLK2的上升边缘，参考电压数字值D2发生变化，但由于复用器41需要一定量的开关时间，时间延迟T2出现在时钟信号CLK2的上升边缘与参考电压数字值D2之间。换句话说，当选择信号SEL变化时，在时钟信号CLK2上升之后，一旦时间延迟T2消逝，参考电压数字值D2就发生变化。
因为减法器33进行运算是通过接收输出电压数字值D1和参考电压数字值D2，如图3所示，这两个数字值D1和D2随这个时序发生变化，只有在输出电压数字值D1和参考电压数字值D2稳定之后，一旦时钟信号CLK1和CLK2上升(一旦时间延迟T1或T2中较长的时间延迟(图3中的T1)消逝)，就可以正常地进行运算。所以，一旦输出电压数字值D1和参考电压数字值D2稳定，在运算所需的一段时间(时间延迟T3)消逝之前(不确定的输出周期)，误差电压数字值D3是不确定的。
由于这个原因，在时钟信号CLK1和CLK2上升之后，在时间延迟T1或T2中较长的一个时间延迟+时间延迟T3消逝后，误差电压数字值D3是稳定的。所以，若时钟信号CLK3相对于时钟信号CLK1和CLK2的相移设定为大于时间延迟T1或T2中较长的一个时间延迟+时间延迟T3，则不管从DC负载5提供的选择信号SEL变化的时序，锁存电路34在误差电压数字值D3的这个不确定周期内不能完成它的锁存操作，可以实现输出电压V0的平滑开关。就是说，能够实现高精度和高速度开关输出电压V0，没有因开关输出电压V0的顺序而发生输出电压V0的扰动。
图4表示另一个例子中参考电压发生电路32的电路图。
如图4所示，这个实施例的参考电压发生电路32是由寄存器42组成，寄存器42用于接收目标数字值Vref以响应时钟信号CLK2。例如，这个目标数字值Vref是DC负载5给出的信号，它直接指出待提供的输出电压值V0作为数字值。
即使在利用有这种结构的参考电压发生电路32的情况下，当目标数字值Vref发生变化时，在参考电压数字值D2稳定之前要求一定的时间量(时间延迟T2′)，但通过设定时钟信号CLK3相对于时钟信号CLK1和CLK2的相移值大于时间延迟T1或T2′中较长的一个时间延迟+时间延迟T3，则不管目标数字值Vref发生变化的时序，能够实现高精度和高速度开关输出电压V0，而没有输出电压V0的扰动。
本发明决不限制于上述的实施例，在权利要求书所叙述的本发明范围内，各种不同的改型是可能的，当然，这些改型都包括在本发明的范围内。
例如，在上述的实施例中，时钟信号CLK1和CLK2的相位是一致的，但在本发明中，这两个相位一致不是强制性的。相反，这两个相位可以互相移位，只要时钟信号CLK1与时钟信号CLK3之间的相移大于时间延迟T1+T3，而时钟信号CLK2与时钟信号CLK3之间的相移大于时间延迟T2(T2′)+T3。然而，若时钟信号CLK1和CLK2的相位是一致的，如同上述实施例中所示，且这两个时钟信号的频率也是一致的，则时钟信号CLK1和CLK2可以利用相同的时钟信号，因此可以简化电路的配置。
此外，在上述的实施例中，时钟信号CLK1至CLK3的频率是一致的，但在本发明中，这些频率一致不是强制性的。相反，这些频率可以是不同的，只要保持时钟信号CLK1与时钟信号CLK3之间的相移以及时钟信号CLK2与时钟信号CLK3之间的相移。例如，只要保持上述的相移，时钟信号CLK2的频率可以设定为时钟信号CLK1和CLK3频率的1/2。然而，若时钟信号CLK1至CLK3的频率是一致的，如同上述实施例中所示，则可以最容易地保持上述的相移。
此外，在按照上述各个实施例的开关电源中，所谓的降压变换器用作开关电路部件10，但本发明决不限制于这种情况，它也可适用于利用另一种类型开关电路的开关电源。此外，在按照上述各个实施例的开关电源中，开关电路部件10和输出电路部件20不是隔绝的，但本发明决不限制于这种情况，它也可适用于利用变压器隔绝的开关电源类型。
如上所述，利用本发明，能够以高精度和高速度开关输出电压V0。

Claims (20)

1.一种控制电路，用于完成装有开关电路部件的开关电源的数字控制，包括：
第一装置，用于产生输出电压数字值以响应第一时钟信号，输出电压数字值指出开关电源的实际输出电压；
第二装置，用于产生参考电压数字值以响应第二时钟信号，参考电压数字值指出开关电源的输出电压目标值；
第三装置，用于比较输出电压数字值和参考电压数字值，并基于比较结果产生误差电压数字值；和
第四装置，用于读出误差电压数字值以响应第三时钟信号，并基于误差电压数字值控制开关电路部件的工作，其中：
第一时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的，且第二时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的。
2.按照权利要求1的控制电路，其中第一时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第一装置的工作时间延迟与第三装置的工作时间延迟之和。
3.按照权利要求1的控制电路，其中第二时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第二装置的工作时间延迟与第三装置的工作时间延迟之和。
4.按照权利要求2的控制电路，其中第二时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第二装置的工作时间延迟与第三装置的工作时间延迟之和。
5.按照权利要求1的控制电路，其中第一时钟信号至第三时钟信号的频率是基本一致的。
6.按照权利要求1的控制电路，其中第一时钟信号和第二时钟信号的相位是基本一致的。
7.按照权利要求1的控制电路，其中第二装置包括：包含各不相同数字值的多个存储器；和一个复用器，复用器用于选取多个存储器中的一个存储器以响应第二时钟信号，并输出包含在选取存储器中的数字值作为参考电压数字值。
8.按照权利要求1的控制电路，其中第二装置包括：寄存器，用于读出数字值以响应第二时钟信号，并输出这个数字值作为参考电压数字值。
9.按照权利要求1的控制电路，其中第一装置是A/D转换器，而第三装置是逻辑电路。
10.一种开关电源，包括：
开关电路部件，用于把DC输入电压转换成AC电压；
输出电路部件，用于接收从开关电路部件输出的AC电压并把它转换成DC电压；和
控制电路，用于控制开关电路部件，使输出电路部件的输出电压是一个确定值，其中
开关电路部件包括：
第一装置，用于产生输出电压数字值以响应第一时钟信号，输出电压数字值指出开关电源的实际输出电压；
第二装置，用于产生参考电压数字值以响应第二时钟信号，参考电压数字值指出开关电源的输出电压目标值；
第三装置，用于比较输出电压数字值和参考电压数字值，并基于比较结果产生误差电压数字值；
第四装置，用于读出误差电压数字值以响应第三时钟信号，并基于误差电压数字值控制开关电路部件的工作，其中：
第一时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的，且第二时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的。
11.按照权利要求10的开关电源，其中第一时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第一装置的工作时间延迟与第三装置的工作时间延迟之和，而第二时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第二装置的工作时间延迟与第三装置的工作时间延迟之和。
12.一种控制电路，用于完成装有开关电路部件的开关电源的数字控制，包括：
第一发生器，用于产生第一数字值以响应第一时钟信号，第一数字值指出开关电源的实际输出电压；
第二发生器，用于产生第二数字值以响应第二时钟信号，第二数字值指出开关电源的输出电压目标值；
比较器，用于比较第一数字值和第二数字值，并基于比较结果产生第三数字值；
锁存电路，用于锁存第三数字值以以响应第三时钟信号；
算术电路，基于锁存电路的内容，控制开关电路部件的工作，其中：
第一时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的，和第二时钟信号和第三时钟信号的相位是显著移位的。
13.按照权利要求12的控制电路，其中第一时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第一发生器的工作延迟时间与比较器的工作延迟时间之和。
14.按照权利要求12的控制电路，其中第二时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第二发生器的工作延迟时间与比较器的工作延迟时间之和。
15.按照权利要求13的控制电路，其中第二时钟信号与第三时钟信号之间的相位差大于第二发生器的工作延迟时间与比较器的工作延迟时间之和。
16.按照权利要求12的控制电路，其中第一时钟信号至第三时钟信号的频率是基本一致的。
17.按照权利要求12的控制电路，其中第一时钟信号和第二时钟信号的相位是基本一致的。
18.按照权利要求12的控制电路，其中第二比较器包括：包含各不相同数字值的多个存储器；和一个复用器，复用器用于选取多个存储器中的一个存储器以响应第二时钟信号，并输出包含在选取存储器中的数字值作为第二数字值。
19.按照权利要求12的控制电路，其中第二比较器包括：寄存器，用于读出数字值以响应第二时钟信号，并输出这个数字值作为第二数字值。
20.按照权利要求12的控制电路，其中第一发生器是A/D转换器，而比较器是逻辑电路。
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