CN205622513U - 保持切换模式电源中的所需切换频率的系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，在一些实施例中，所述系统包括：放大器，所述放大器接收由切换模式电源生成的反馈电压信号；耦合至所述放大器的频率检测器，以基于所述切换模式电源的切换频率和目标频率的比较产生误差信号；以及耦合至所述放大器的滞后比较器，以控制所述切换频率，其中所述放大器使用所述误差信号调整所述反馈电压信号中的波纹的振幅，并且其中所述滞后比较器使用所述反馈电压信号控制所述切换频率。

Description

保持切换模式电源中的所需切换频率的系统
技术领域
本实用新型涉及一种用于保持切换模式电源中的所需切换频率的装置或系统。
背景技术
直流(DC)-DC变换器通常用于使电源电压逐步降低以满足特定电路的需要。在许多情况下，此类电路具有可变负载—例如，在DC电机中。DC电机存在于从医疗设备到汽车的无数种类型的电子产品中。为了节省电能同时保持对可变负载的适当电压供应，DC-DC变换器常采用脉冲宽度调制(PWM)，其中将快速接通和断开的输入电压施加至输出滤波器以便以有效方式对供应给负载的电压和电流进行调节(称为“切换模式电源(switch-mode power supplies)”)。切换操作常常通过滞后比较器执行，该比较器使用来自电源输出的反馈回路来确定调节负载所需的适当切换占空比。
然而，电源的输出电压通常包含一定程度的波纹。滞后比较器的滞后跳变点可被设定为将该波纹考虑在内，以使得滞后比较器以所需频率改变输出状态，从而生成所需电源切换频率。然而，输出电压中的波纹的振幅可动态增大或减小，从而导致滞后比较器过于频繁或很少改变输出状态。这继而导致不适当的电源切换频率。因此，需要一种用于即使在面对波纹振幅变化时也可靠地控制切换模式电源的切换频率的技术。
实用新型内容
本实用新型解决了现有技术中的一项或多项技术问题。
至少一些实施例涉及一种系统，该系统包括：放大器，该放大器接收由切换模式电源生成的反馈电压信号；耦合至放大器的频率检测器，以基于切换模式电源的切换频率和目标频率的比较产生误差信号；以及耦合至放大器的滞后比较器，以控制所述切换频率，其中放大器使用误差信号调整反馈电压信号中的波纹的振幅，并且其中滞后比较器使用反馈电压信号控制所述切换频率。这些实施例可以各种方式进行补充，包括以任何顺序和任何组合利用如下概念中的任一者或全部：其中滞后比较器从放大器接收反馈电压信号；其中放大器为包括高通滤波器或带通滤波器的有源滤波器；其中放大器使用误差信号保持波纹的所述振幅。
至少一些实施例涉及一种系统，该系统包括：直流(DC)-DC变换器，该变换器产生具有波纹的输出电压信号和具有所述波纹的反馈电压信号；耦合至变换器的频率检测器，该检测器将变换器的切换频率与目标频率进行比较并且基于所述比较产生误差信号；耦合至变换器和频率检测器的放大器，该放大器基于误差信号调整反馈电压信号中的所述波纹的振幅；以及耦合至放大器的滞后比较器，该比较器使用所述反馈电压信号控制变换器的切换频率。这些实施例可以各种方式进行补充，包括以任何顺序和任何组合利用如下概念中的任一者或全部：其中滞后比较器从放大器的输出接收反馈电压信号；其中放大器包括有源滤波器，该滤波器为高通滤波器或带通滤波器；其中变换器为降压变换器、升压变换器、升降压变换器、反相变换器、反激式变换器或单端初级电感器变换器(SEPIC)；其中滞后比较器使用固定滞后；其中频率检测器包括锁相回路(PLL)；还包括耦合至放大器的分压器，其中穿过分压器的反馈电压信号的一部分具有DC分量和交流电(AC)分量，并且其中穿过放大器的反馈电压信号的另一部分仅具有AC分量；其中放大器从DC-DC变换器的一部分而非产生输出电压信号的节点获得所述反馈电压信号。
附图说明
在附图以及在以下描述中公开了用于动态调整反馈电压波纹振幅以控制电源切换频率的技术。在附图中：
图1为实施本文所述技术中的至少一些技术的一种示例性切换模式电源的电路示意图。
图2为图1的切换模式电源中可用的一种示例性高通滤波器的电路示意图。
图3为波特图，示出了本文所述的至少一些技术对波纹振幅的作用。
图4为可用于执行本文所公开的技术中的至少一些技术的一种示例性方法的流程图。
然而，应当理解，附图中给定的具体实施例以及对它们的详细描述并不限制本发明。相反，这些实施例和详细描述为普通技术人员提供了识别替代形式、等同形式和修改形式的基础，这些替代形式、等同形式和修改形式与给定实施例中的一个或多个一起被包括在所附权利要求书的范围内。
具体实施方式
本文公开了一种用于可靠地保持切换模式电源中的所需切换频率的技术。该技术尤其可用于往往经历不稳定切换频率的切换模式电源中，诸如接收可变输入电压的那些切换模式电源。该技术包括使用频率检测器生成误差信号，该误差信号反映切换模式电源的实际切换频率与目标频率之间的差值。放大器诸如有源滤波器使用误差信号增大或减小由切换模式电源提供的反馈电压信号中的波纹的振幅。放大器对波纹振幅进行调整，以使得放大器向其提供反馈电压信号的滞后比较器切换输出状态的频率比其电流输出状态切换频率更频繁或没有那么频繁。例如，如果放大器增大波纹的振幅，则波纹将更经常地超出滞后比较器的滞后，从而导致滞后比较器更频繁变化输出状态。这继而导致切换模式电源以更大频率切换。反之，如果放大器减小波纹的振幅，则波纹将不那么经常地超出滞后比较器的滞后，从而导致滞后比较器不那么频繁变化输出状态。这继而导致切换模式电源以更小频率切换。
通过动态响应由系统中的不稳定性引起的波纹振幅变化，放大器能够在反馈电压信号中保持基本上恒定的波纹振幅(如，在5％内)，以及因此基本上恒定的电源切换频率。因此，例如，如果切换模式电源的输入处的较大输入电压摆幅导致波纹振幅增大以及由此切换频率增大，则频率检测器将确定电源的实际切换频率已超出目标频率并且将向放大器发出误差信号。放大器继而将向下调谐波纹振幅，直至实际电源切换频率返回到目标频率并且目标频率和实际切换频率之间的差异得以解决。
图1为实施本文所述技术中的至少一些技术的一种示例性切换模式电源100的电路示意图。电源100可为例如DC-DC变换器，诸如降压变换器、升压变换器、升降压变换器、反相变换器、反激式变换器或单端初级电感器变换器(SEPIC)。电源100包括开关102,104(如，晶体管开关)；耦合至接地108的输入电压源极106(如，汽车电池、主电源)；耦合至开关104的接地110；电感器112；输出电压节点114，在该节点提供输出电压VOUT；耦合至接地118的电容器116；包括阻抗120,122的分压器电路；耦合至阻抗122的接地124；耦合至节点114的放大器126；耦合至放大器126的求和放大器128；相位和频率检测器130(如，锁相回路(PLL))；耦合至检测器130的目标频率信号产生器132(如，振荡器)；检测器130和切换模式电源之间的切换频率信号133；检测器130和放大器126之间的误差信号134；从求和放大器128提供给滞后比较器144的反相输入140的反馈电压信号VFB 136；以及耦合至滞后比较器144的同相输入142的参考信号138。符号VFB和标号136用于区分提供给滞后比较器144的反馈电压信号与提供给分压器电路和放大器126的反馈电压信号；然而，术语“反馈电压信号”通常是指穿过电压和频率反馈回路119的信号，而不考虑该信号的任何修改形式。滞后比较器144驱动开关102,104，并且反相器146耦合于比较器144和开关104之间。至少放大器126、阻抗120,122、接地124、求和放大器128、频率检测器130、目标频率信号产生器132以及信号133,134,136形成电压和频率反馈回路119。可针对正在实施电源的特定应用，由熟练的电路技术人员根据必需和需要选择电感器112、电容器116、阻抗120和阻抗122以及其他此类电路组件的规格。公开的范围并不限于图1所示的具体电路。相反，任何使用本文所公开的技术实现切换模式电源中切换频率稳定化的电路均落入本本发明的范围内。例如，在一些实施例中，感测电阻器可耦合于电感器112和节点114之间，其中分压器电路耦合至感测电阻器的一侧并且放大器126耦合至感测电阻器的另一侧。
在操作中，电压源极106将电压信号提供给开关102，同时接地110耦合至开关104。滞后比较器144使得开关102,104打开和关闭。例如，当滞后比较器144输出HIGH信号时，开关102关闭并且开关104打开(由于反相器146)。因此，由于电压源极106，HIGH信号被输出至电感器112。反之，当滞后比较器144输出LOW信号时，开关102打开并且开关104关闭。因此，由于接地110，LOW信号被输出至电感器112。在电压源极106和接地110之间快速切换将导致脉冲信号被提供给电感器112。如本领域的普通技术人员所熟知，电感器112和电容器116充当切换模式电源的滤波器。输出电压信号VOUT在节点114处提供。VOUT信号为包含一定程度波纹的DC信号。可在节点114处建立任何合适的电路或连接以根据需要使用输出电压VOUT—例如，作为导轨式电源。
电压和频率反馈回路119接收反馈电压信号。在一些实施例中，诸如图1所示的那些实施例，回路119所接收的反馈电压信号可与输出电压信号VOUT相同。在其他实施例中，反馈电压信号可从节点114之外的电源的一部分获得，并且在另一些其他实施例中，反馈电压信号的不同部分(如，交流部分和直流部分)可从电源的不同部分获得。在其中反馈电压信号的一些或全部从节点114之外的节点获得的实施例中的至少一些实施例中，该信号中的波纹优选地与VOUT中的波纹类似或相同。
分压器包括阻抗120,122，主要接收反馈电压信号的DC分量，但可能包括一定程度的波纹。在至少一些实施例中，放大器126仅接收反馈电压信号的AC分量。如上所述，在一些实施例中，放大器126接收信号，该信号包括与输出电压信号VOUT中的波纹类似或相同、但来自电源中节点114之外的位置的波纹。可将阻抗120,122和放大器126的具体参数选择为对其接收的信号施加所需增益。由阻抗120,122施加的增益是固定的，因为阻抗120,22的阻抗值是固定的。然而，放大器126对其接收的AC信号施加可变增益。更具体地讲，放大器126施加于AC信号的具体增益取决于从检测器130接收的误差信号134。检测器130将从目标频率信号产生器132接收的目标频率与在滞后比较器144的输出处检测到的实际电源切换频率进行比较。由检测器130输出的误差信号134反映目标切换频率和实际切换频率之间的差值。如果误差信号134指示实际切换频率比所需切换频率更快，则放大器126动态地减少施加于AC信号的增益，从而减小AC信号的振幅。反之，如果误差信号134指示实际切换频率比所需切换频率更慢，则放大器126动态地增大施加于AC信号的增益，从而增大AC信号的振幅。AC信号振幅的增大或减小对切换模式电源100的实际切换频率的影响，在下文中针对滞后比较器144进行描述。
放大器126的输出与求和放大器128处的分压器的输出相组合。求和放大器128的输出为电压反馈信号VFB 136，该信号被提供到滞后比较器144的反相输入140。滞后比较器144优选地设置有固定滞后。该滞后可根据系统100中的其余组件的参数例如放大器126的增益进行设定。如果在电压反馈信号VFB 136上升时触发上部滞后跳变点，滞后比较器144的输出改变状态，并且如果在电压反馈信号VFB 136下降时触发下部滞后跳变点，其也改变状态。当放大器126增大其增益并且因此增大VFB 136的波纹振幅时，更经常地触发滞后跳变点。因此，滞后比较器144的输出状态更频繁地改变，从而导致切换模式电源的切换频率提高。反之，当放大器126减少其增益并且因此减少VFB 136的波纹振幅时，较不经常地触发滞后跳变点。因此，滞后比较器144的输出状态改变不那么频繁，从而导致切换模式电源的切换频率下降。放大器126继续调整其增益，从而增大或减小切换模式电源100的切换频率，直至误差信号134指示实际切换频率与目标切换频率产生器132所产生的目标切换频率匹配。以这种方式，系统将电源切换频率保持在目标频率，而不管由例如不稳定输入电压106导致的波纹振幅波动如何。
图2为可用作图1的放大器126的一种示例性高通滤波器198的电路示意图。尽管图2示出了高通滤波器，但本发明的范围并不限于任何特定类型的放大器126。在一些实施例中，例如，放大器126可为任何合适类型的有源滤波器。在一些实施例中，放大器126可为任何合适类型的高通滤波器。在一些实施例中，放大器126可为任何合适类型的带通滤波器。在一些实施例中，放大器126可包括与传统放大器结合的频率滤波器，诸如运算放大器。在一些实施例中，放大器126具有最大单位增益。能够施加可变增益的任意或全部其他合适类型的滤波器和/或放大器均可用作放大器126。
高通滤波器198包括如图所示耦合至阻抗120,122的电容器200,202。电容器200和阻抗120均耦合至节点114，节点114处产生VOUT。电容器202耦合至晶体管204(如，n沟道MOSFET)，其栅极受误差信号134控制。晶体管204和阻抗122耦合至接地124。阻抗120,122之间的节点206产生信号VFB 136。电容器200,202和阻抗120,122的参数可由普通技术人员根据需要进行选择，具体取决于所需的特定应用和电源行为。求和放大器在图2的实施例中未具体示出，但可根据需要包括一个求和放大器。误差信号134的增大或减小改变晶体管204的阻抗。这继而导致滤波器198的频率响应的偏移。现在参照图3描述误差信号134和滤波器198的频率响应之间的关系。
图3为图2的高通滤波器198的波特图300，以示出如何通过使滤波器198的频率响应偏移来调整指定频率下的增益。图300包括x轴上的目标频率和y轴上的波纹振幅。图300包括多条曲线。通过在100kH(以标号302标记)的示例性频率下研究这些曲线来最好地解释这些曲线的行为。在100kHz下，示例性曲线304,306示出随着误差信号134减小时(即，从对于曲线306为2.0V至对于曲线304为0.8V)，极点偏移至更低频率，使得100kHz下的增益增大。这使得VFB 136(图1)上的波纹振幅更大，从而产生增大的电源切换频率。反之，增大误差信号134(即，从对于曲线304为0.8V至对于曲线306为2.0V)，会使频率响应偏移至右侧并且因此由于波纹振幅较小而减慢电源切换频率。
图4为可用于执行本文所公开的技术中的至少一些技术的一种示例性方法400的流程图。同时结合图1和图4对方法400进行描述。方法400从生成误差信号134(步骤402)开始。误差信号134是通过将产生器132产生的目标频率与使用滞后比较器144的输出所确定的实际电源切换频率进行比较而生成。方法400随后包括使用误差信号134调整反馈电压信号的波纹振幅(步骤404)。这通过将误差信号134提供给放大器126而实现，放大器126使用误差信号134调谐其增益，直至误差信号134减弱至零或尽可能地接近零。在至少一些实施例中，使用高通滤波器，诸如图2中所示的高通滤波器，并且在此类实施例中可将误差信号134施加至耦合在滤波器内的晶体管的栅极，如上所述。方法400接着是使用滞后比较器144和使用信号VFB 136执行电源切换(步骤406)。具体地讲，滞后比较器144具有固定滞后，并且VFB 136(通过放大器126连续调整其振幅以解决误差信号134)的波纹触发滞后带的跳变点的频率决定电源切换频率。方法400可以任何合适方式修改，包括加入、删除、修改和/或重新布置所述步骤中的一者或多者。
因此，本发明至少一些实施例涉及一种方法，该方法包括：接收由切换模式电源生成的反馈电压信号；基于切换模式电源的切换频率和目标频率之间的差值生成误差信号；并且使用误差信号调整反馈电压信号的波纹振幅，以控制切换模式电源中的所述切换频率。这些实施例可以各种方式进行补充，包括以任何顺序和任何组合利用如下概念中的任一者或全部：其中切换模式电源包括直流(DC)-DC变换器，该变换器选自降压变换器、升压变换器、升降压变换器、反向变换器、反激式变换器和单端初级电感器变换器(SEPIC)；其中调整所述波纹振幅包括将误差信号提供给有源滤波器；还包括使用有源滤波器保持所述波纹振幅；其中有源滤波器为高通滤波器或带通滤波器；其中有源滤波器包括多个电容器和与所述多个电容器中的一个串联的晶体管；其中控制所述切换频率包括将反馈电压信号提供给滞后比较器；还包括在滞后比较器中保持固定滞后。
一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多其他变型形式和修改形式就将变得显而易见。以下权利要求书被解释为旨在包含所有此类变型形式、修改形式和等同形式。另外，术语“或”应当被解释为包含的含义。

Claims (10)

1.一种用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，其特征在于所述系统包括：
放大器，所述放大器接收由切换模式电源生成的反馈电压信号；
频率检测器，所述频率检测器耦合至所述放大器，以基于所述切换模式电源的切换频率与目标频率的比较产生误差信号；以及
滞后比较器，所述滞后比较器耦合至所述放大器，以控制所述切换频率，
其中所述放大器使用所述误差信号调整所述反馈电压信号中的波纹的振幅，并且
其中所述滞后比较器使用所述反馈电压信号控制所述切换频率。
2.根据权利要求1所述的用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，其中所述滞后比较器从所述放大器接收所述反馈电压信号。
3.根据权利要求1所述的用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，其中所述放大器为有源滤波器，所述有源滤波器包括高通滤波器或带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，其中所述放大器使用所述误差信号保持所述波纹的所述振幅。
5.一种用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，其特征在于所述系统包括：
DC-DC变换器，所述变换器产生具有波纹的输出电压信号和具有所述波纹的反馈电压信号；
频率检测器，所述频率检测器耦合至所述变换器，所述频率检测器将所述变换器的切换频率与目标频率进行比较并且基于所述比较产生误差信号；
放大器，所述放大器耦合至所述变换器和所述频率检测器，所述放大器基于所述误差信号调整所述反馈电压信号中的所述波纹的振幅；以及
滞后比较器，所述滞后比较器耦合至所述放大器，所述滞后比较器使用所述反馈电压信号控制所述变换器的所述切换频率。
6.根据权利要求5所述的用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，其中所述滞后比较器从所述放大器的输出接收所述反馈电压信号。
7.根据权利要求5所述的用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，其中所述放大器包括有源滤波器，所述有源滤波器为高通滤波器或带通滤波器。
8.根据权利要求5所述的用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，其中所述滞后比较器使用固定滞后。
9.根据权利要求5所述的用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，所述系统还包括耦合至所述放大器的分压器，其中穿过所述分压器的所述反馈电压信号的一部分具有DC分量和AC分量，并且其中穿过所述放大器的所述反馈电压信号的另一个部分仅具有AC分量。
10.根据权利要求5所述的用于保持切换模式电源中的所需切换频率的系统，其中所述放大器从产生所述输出电压信号的节点之外的所述DC-DC变换器的一部分获得所述反馈电压信号。
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