CN204669221U - 一种直流转直流开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流转直流开关电源，旨在针对现有的开关电源电路尚无法满足低噪声、快速瞬态响应的要求的缺陷提供一种改进的开关电源电路，包括输入端、开关管、储能元件及控制单元；输入端通过开关管、储能元件与输出端连接；其中，控制单元包括反馈网络、基准电压电源、运算放大器及PWM信号发生器；所述反馈网络用于采集反应输出端输出电压大小的反馈信号；运算放大器的第一输入端接入所述反馈信号，运算放大器的第二输入端接入所述基准电压电源；运算放大器的输出端与PWM信号发生器连接，PWM信号发生器用于根据运算放大器输出的信号输出一定占空比的PWM信号以驱动开关管的导通与关闭；所述反馈网络为RC反馈网络。

Description

一种直流转直流开关电源

技术领域

本实用新型涉及一种DC-DC开关电源。 

背景技术

开关电源通常用于数字电路或是对LDO供电。瞬态响应和噪声对于数字电路和LDO的影响是不容忽视的。需要尽可能减小开关电源中的噪声，以及提高其瞬态响应速度。

具体如图1展示的是现有技术中的可调节输出的DC-DC开关电源电路的简化框图。输出电压V_OUT等于基准电压与运算放大器直流闭环增益的乘积：

$V_{\mathrm{OUT}}=\mathrm{Vref}\×(1+\frac{R1}{R3})$

其中是误差放大器的直流闭环增益。

在本电路中，运算放大器噪声V_AN和基准电压噪声V_RN放大相同的倍数，使输出噪声与设定的输出电压成比例增加。这使得输出电压上的噪声比参考电压高但小于2倍，输出噪声适度增加，但在敏感应用中哪怕这种适度增加都有可能无法接受。

另外，R1和R3构成的衰减网络衰减了瞬变的高频负载能量，导致瞬态负载响应性能降低。对于数字应用电路来说，系统从休眠到运行状态的切换，会导致电流瞬态变化。开关电源的瞬态性能会严重影响电路的稳定性。

开关电源的主要噪声源是开关切换引起的开关噪声。当然，内部基准电压和运算放大器噪声也不可忽略。当今的器件工作时内部偏置电流低于1μA，可实现高达20μA的静态电流。这些小电流需要使用高达几百MΩ的偏置电阻，使得运算放大器和基准电压电路放大器带来更多的噪声。图1中的开关电源采 用电阻分压器设置输出电压，对于理想电阻来说，直流闭环增益，与交流闭环增益相同，等于噪声增益。

可见当应用在某些敏感电路中，现有的开关电源电路尚无法满足低噪声、快速瞬态响应的要求。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种改进的开关电源电路。

本实用新型采用的技术方案是这样的：包括输入端、开关管、储能元件及控制单元；输入端用于与直流电源连接；输入端通过开关管、储能元件与输出端连接；控制单元用于控制开关管周期性的导通与断开；

其中，控制单元包括反馈网络、基准电压电源、运算放大器及PWM信号发生器；所述反馈网络用于采集反应输出端输出电压大小的反馈信号；运算放大器的第一输入端接入所述反馈信号，运算放大器的第二输入端接入所述基准电压电源；运算放大器的输出端与PWM信号发生器连接，PWM信号发生器用于根据运算放大器输出的信号输出一定占空比的PWM信号以驱动开关管的导通与关闭；

所述反馈网络为RC反馈网络。 

进一步，所述反馈网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻及电容；所述第一电阻的一端与所述输出端连接，第一电阻的另一端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端接地；第一电阻与第三电阻的公共端与所述运算放大器的反相输入端连接；第二电阻与电容串联后再与所述第一电阻并联。

进一步，所述控制单元用于当运算放大器输出信号减小时提高PWM信号的占空比。

进一步，所述运算放大器的反相输入端接入所述反馈信号，运算放大器的正相输入端接入所述基准电压电源。

进一步，所述PWM信号发生器包括比较器，所述比较器的正相输入端接入一锯齿波信号，所述比较器的反相输入端与所述运算放大器的输出端连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.由于在反馈网络中增加了电容，使得开关电源的交流闭环增益大大减小，从而降低了电路中的交流噪声，改善了电源抑制比。

2.第一电阻、第二电阻和电容执行补偿环路的前馈功能，放大了负载瞬态的高频分量，提高了开关电源对负载瞬态高频分量的敏感度及响应速度。

附图说明

图1为现有的开关电源电路原理图。

图2为本实用新型中的开关电源电路原理图。

图3为本实用新型开关电源的开环增益、直流闭环增益及交流闭环增益对比图。

图4（a）、（b）为本实用新型开关电源与现有开关电源的瞬态负载响应对比图。

图5为本实用新型开关电源与现有开关电源的电源抑制比对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2所述，本实用新型提供的一个开关电源的具体实施例包括：

输入端DC IN，用于接收直流电源。输入端通过开关管、电感连接至输出端DC OUT。

控制单元根据反馈网络反馈回来的输出电压控制开关管周期性的断开与导通，从而实现将直流电源进行降压后由输出端供给负载。

其中，控制单元包括反馈网络、基准电压电源Vref、运算放大器及PWM 信号发生器。

其中反馈网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3及电容C2。电阻R1的一端与所述输出端DC OUT连接，电阻R1的另一端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端接地；电阻R1与电阻R3的公共端与所述运算放大器的反相输入端连接；电阻R2与电容C2串联后再与电阻R1并联。

运算放大器的正相输入端接入所述基准电压Vref，运算放大器的输出端与PWM信号发生器连接。

在一个具体实施例中，PWM信号发生器包括比较器，所述比较器的正相输入端接入一锯齿波信号，所述比较器的反相输入端与所述运算放大器的输出端连接。

下面结合本实用新型电路结构及实验结果阐述本实用新型有益效果。

降低噪声

由于在反馈网络中引入了电容，通过计算可得交流闭环增益为 相比较直流闭环增益减小了。参见图3，选择R2将交流闭环增益设为1.1左右，当交流噪声频率达到一定值时，在大部分带宽中交流增益接近0db，因此基准电压噪声和运算放大器噪声放大的程度较低。

加快负载瞬态响应

同时，电阻R1、电阻R2和电容C2执行补偿环路的前馈功能。负载瞬态的高频分量，由未经衰减的运算放大器检测，使得运算放大器快速响应负载瞬态。图4显示了现有开关电源与本实用新型开关电源的电源负载瞬态响应情况。当负载变化使得输出电流发生突然跌落时，使用RC反馈网络后，本实用新型中的开关电源的输出电压能在100μs内响应负载瞬态，而不使用RC反馈网络的现有的开关电源的输出电压需要1ms响应负载瞬态。图4中，a、b中的方 波表示输出电路，a中方波下的波形表示未使用RC反馈网络的开关电源的输出电压，b中方波下的波形表示使用RC反馈网络的开关电源的输出电压。

改善电源抑制比

RC反馈网络能改善开关电源的低频PSRR。本实用新型中的电阻R1、电阻R2及电容C2形成超前-滞后网络，其零点大致在处，极点大致在处。超前-滞后网络为补偿环路提供正反馈功能，因此能改善PSR。对于低于闭环增益和开环增益融合的频率而言，若改善的量以dB表示，则数值约为  $20\log (1+\frac{R1}{R2}).$

图5显示RC反馈网络对本实用新型开关电源所产生的影响。若输出为9V，则R1＝64kΩ、R3＝10kΩ、R2＝1kΩ、C1＝1μF。R1和C1在大约2.5Hz时建立的零点，证明10Hz以上PSRR得到了改善。在100Hz至1kHz范围内，总PSRR增加约17dB。改善情况直到约20kHz处才有所下降；在该处，开环增益和闭环增益融合。图5中NO NR代表现有开关电源的PSRR曲线，NR代表本实用新型中开关电源的PSRR曲线。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直流转直流开关电源，其特征在于，包括：输入端、开关管、储能元件及控制单元；输入端用于与直流电源连接；输入端通过开关管、储能元件与输出端连接；控制单元用于控制开关管周期性的导通与断开；

其中，控制单元包括反馈网络、基准电压电源、运算放大器及PWM信号发生器；所述反馈网络用于采集反应输出端输出电压大小的反馈信号；运算放大器的第一输入端接入所述反馈信号，运算放大器的第二输入端接入所述基准电压电源；运算放大器的输出端与PWM信号发生器连接，PWM信号发生器用于根据运算放大器输出的信号输出一定占空比的PWM信号以驱动开关管的导通与关闭；

所述反馈网络为RC反馈网络。

2.根据权利要求1所述的一种直流转直流开关电源，其特征在于，所述反馈网络包括第一电阻、第二电阻、第三电阻及电容；

所述第一电阻的一端与所述输出端连接，第一电阻的另一端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端接地；第一电阻与第三电阻的公共端与所述运算放大器的反相输入端连接；

第二电阻与电容串联后再与所述第一电阻并联。

3.根据权利要求1或2所述的一种直流转直流开关电源，其特征在于，所述控制单元用于当运算放大器输出信号减小时提高PWM信号的占空比。

4.根据权利要求3所述的一种直流转直流开关电源，其特征在于，所述运算放大器的反相输入端接入所述反馈信号，运算放大器的正相输入端接入所述基准电压电源。

5.根据权利要求4所述的一种直流转直流开关电源，其特征在于，所述PWM信号发生器包括比较器，所述比较器的正相输入端接入一锯齿波信号，所述比较器的反相输入端与所述运算放大器的输出端连接。