CN208094463U - 用于斜坡补偿的电路和开关模式电源电路 - Google Patents

用于斜坡补偿的电路和开关模式电源电路 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例涉及用于斜坡补偿的电路和开关模式电源电路。控制信号被施加到脉冲生成电路，脉冲生成电路被配置为生成宽度被调制的脉冲。电路提供控制信号的斜坡补偿。该电路包括生成渐减的锯齿信号的数模转换器。触发电路操作以触发锯齿信号的步长并且重置锯齿信号。锯齿信号以宽度被调制的脉冲频率的节奏被重置。

Description

用于斜坡补偿的电路和开关模式电源电路
技术领域
本描述总体上涉及电子电路，并且更具体地涉及开关模式电源(SMPS)领域。本描述更具体地涉及一种用于控制开关模式电源的斜坡补偿的数模转换器。本描述还涉及一种可编程数模转换器和一种渐减的锯齿信号的可编程发生器。
背景技术
在基于开关模式电源的原理的功率转换器中，输出电压对设定点值的闭环控制是通过调制用于斩波开关的控制信号的脉冲宽度来实现的，斩波开关用于开关向电感元件的能量传递。在本描述所针对的实现中，控制是数字的，并且脉冲的宽度使用其值与阈值进行比较的电流斜坡来获取。在某些情况下，当控制脉冲的占空比达到或大于50％时，系统变得不稳定。
某些已知的解决方案使用存储在转换器中的值的表，其构成特别复杂的解决方案。
本领域需要用于控制开关模式电源并且特别是控制斜坡补偿的数模转换器的斜坡补偿功能。
实用新型内容
本公开的实施例的目的在于至少部分地解决现有技术中的以上技术问题。结合使用用于开关模式电源的斩波开关控制电路，一个实施例提供了一种适用于斜坡补偿的数模转换器的控制的电路。一个实施例提供了一种可编程数模转换器，例如渐减的锯齿信号的可编程发生器。
在一个实施例中，一种用于生成宽度被调制的脉冲的模块的控制信号的斜坡补偿的电路包括：用于生成锯齿信号的数模转换器；以及用于触发锯齿信号的步长和用于重置该信号的电路，该信号以宽度被调制的脉冲的第一频率的节奏被重置。
根据一个实施例，触发电路是数字电路。
根据一个实施例，触发电路包括：以高于脉冲的调制频率的第二频率的节奏递增的至少一个计数器；用于存储表示第一频率的周期的值的第一寄存器；以及比较计数器的值与第一寄存器的值的第一比较器，第一比较器提供用于重置锯齿信号的信号。
根据一个实施例，触发电路还包括：其值在第二频率的节奏递增增量值的第二寄存器；以及计数器的值与第二寄存器的值的第二比较器，第二比较器提供用于触发锯齿信号的步长的信号。
根据一个实施例，触发电路包括用于存储增量值的第三寄存器。
根据一个实施例，锯齿信号具有渐减的斜率。
根据一个实施例，锯齿信号具有渐增的斜率。
在一个实施例中，一种用于控制开关模式电源的开关的电路包括：用于生成用于控制开关的脉冲的电路；用于基于表示由开关控制的电感元件中的电流电平的信息与阈值的比较来为电路生成触发信号的比较器；以及斜坡补偿电路。
在一个实施例中，一种开关模式电源电路包括：用于开关电感式能量传递的斩波开关；以及控制电路。
根据一些实施例，避免了在占空比增加的情况下生成的脉冲序列的不稳定性。
根据一些实施例，解决方案是数字的，并且实现起来特别简单。
根据一些实施例，解决方案的实现与用于在脉宽调制模式下生成控制信号的常见架构兼容。
附图说明
这些特征和优点以及其他特征和优点将结合附图在不以限制的方式呈现的特定实施例的以下描述中详细描述，在附图中：
图1是用于所描述的实施例适用的类型的开关模式电源的架构的一个示例的非常示意性的部分表示；
图2以框的形式示出了用于控制具有用于控制斩波开关的电流斜坡的斜坡补偿的数模转换器的电路的一个实施例；
图3A、图3B、图3C和图3D通过时序图示出了图2中的电路的操作；
图4是可编程数模转换器的一个实施例的框图；以及
图5以框的形式示出了被设计成形成渐减的锯齿信号的可编程发生器的图4中的发生器的数字级的一个实施例。
具体实施方式
在各图中，相同的附图标记表示相同的元件。
为了清楚起见，仅示出了用于理解将要描述的实施例的步骤和元件，并且将对其进行详细描述。特别地，开关模式电源的操作和能量转换本身的操作没有被详细描述，所描述的实施例与开关模式电源的常规操作兼容。
除非另有说明，否则当提及两个元件连接在一起时，表示直接连接而没有除了导体之外的任何中间元件，并且当提及两个元件链接在一起时，表示这两个元件可以直接链接(连接)或经由一个或多个其他元件链接。
在下面的描述中，当提及术语“近似”、“大约”和“……的数量级”时，表示精确到10％，优选地精确到5％。
图1是用于所描述的实施例适用的类型的开关模式电源的控制电路1的一个实施例的框形式的示意表示。
电路1被设计为控制斩波开关K(通常为MOS晶体管)以用于电感式能量传递。取决于实施例，该开关与电感元件和/或与续流二极管(未示出)并联或串联。开关K的控制是通过一系列具有可变宽度的脉冲来执行的，通常在固定频率(周期T)。脉冲的占空比根据负载的需求固定能量传递的持续时间，以便为该负载保持电源电压。
脉冲序列由脉冲宽度调制(PWM)模块12提供，用于以时钟CK的频率生成脉冲。脉冲的宽度(占空比)根据负载的需求被闭环控制。例如，这些需求可以通过负载的电源电压的测量或者该负载或电感元件中的电流的测量而导出。在这两种情况下，与负载所需要的能量成比例的信息V(ILOAD)被测量，并且被提供在比较器14的输入处，比较器14将其与表示期望的设定点电压的阈值进行比较。比较器14的输出触发由模块12生成的电流斜坡被重置为零，因此触发每个周期的脉冲的结束。
根据所示的实施例，用于比较器14的比较基准不是固定的，而是由包括由电路2(CTR)控制的数模转换器16(DAC)的斜坡补偿单元(SCU)电路18提供的，电路2用于触发由转换器16生成的锯齿信号S16的渐减步长。斜坡补偿单元18的作用是向比较器14提供是由模块12生成的斜率倒数的斜率作为基准信号。因此，即使在稳定的输出电压的情况下，也可能会导致由模块12生成的信号P的不稳定性，用作基准的值的减少避免了这种不稳定性。
触发电路2的作用是向数模转换器16提供用于重置电压斜坡的信号R和用于触发斜坡的值的减小的信号S。换言之，信号R是频率与由模块12生成的脉冲P的频率相同的信号，并且信号S是用于转换器16的减量或步长信号。
触发电路2是数字电路，换言之，它仅处理数字信号并且仅提供数字信号。
图2是用于对用于生成宽度被调制的脉冲的模块12的控制信号进行斜坡补偿的单元18的数模转换器16的触发电路2的一个实施例的框图。
重置信号R通过将以时钟CK'的节奏递增的计数器21(COUNTER)的值CNT与表示期望的重置周期的值VAL进行比较来生成。VAL值存储在寄存器22(REG1)中。在时钟信号CK'的每个周期(例如，在每个上升沿)，相应的值VAL和CNT由比较器23进行比较，比较器23的输出(信号R)在计数器的值达到VAL值时切换。计数器21在周期T的每个结束时(换言之，每次输出R切换到高状态时)被重置。为此，比较器23的输出连接到计数器21的重置输入RST。
由转换器16生成的电流斜坡的减量或步长信号S由比较器24提供，比较器24被配置为将计数器21的值CNT与由寄存器25(REG2)提供的值ACT进行比较。包含在寄存器25中的值被加法器26递增了存储在寄存器27(REG3)中的增量值INC。当计数器21的值CNT达到在寄存器25中读取的当前值ACT时，值ACT被增加了在寄存器27中读取的值INC。在每个周期T，寄存器25的值ACT被重置为增量INC的值。选择器28(二合一多路复用器)在由信号R激活的输入上接收被包含在寄存器27中的值INC。在静态时，选择器28选择在加法器26的输出与寄存器25的输出之间的选择器29的输出(值ACT)。选择器29由信号S控制，并且在输出S的每个边沿处(换言之，在每个增量步长INC处)选择加法器26的输出。因此，每当计数器21到达与值INC相对应的递增步长时，输出S产生边沿。
根据一个简化的实施例，增量值INC等于单位1，并且因此信号S在每个时钟周期CK'处递增。
优选地，电路2的值VAL和INC可编程为时钟CK'的周期数，这使得电路易于适应各种应用。特别地，表示脉冲的周期T的数字值VAL(值VAL对应于包含在一个周期T内的时钟CK'的周期数)是可设置的参数。加载到寄存器22(REG1)中的值正好需要改变。为此，寄存器22的输出例如连接到选择器30(二合一多路复用器)的第一输入。多路复用器30的第二输入用于在需要修改存储在寄存器22中的值VAL时接收要存储在寄存器22中的值VAL。多路复用器30通过更新信号CRTL来控制，更新信号CRTL例如在有效(断言、高或1)状态下选择第一输入的值，并且在静态(解除断言、低或0)时选择寄存器22的输出值。
此外，增量值INC也优选地为可设置的参数。为此，寄存器27的输出例如连接到选择器31(二合一多路复用器)的第一输入。多路复用器31的第二输入用于在需要修改存储在寄存器27中的值INC时接收要存储在寄存器27中的值INC。例如，多路复用器31通过信号CRTL(或通过与信号CTRL无关的信号)来控制，信号CRTL例如在有效(断言、高或1)状态下选择第一输入的值，并且在静态(解除断言、低或0)时选择寄存器27的输出值。在INC值改变的情况下，INC值也必须在寄存器25中初始化。为此，输出被链接到寄存器25的输入的选择器32在第一输入上接收信号INC，并且在第二输入上接收选择器28的输出。选择器32例如通过信号CTRL来控制，以在新值INC被加载到寄存器27中的同时将新值INC重新加载到寄存器25中。
图3A、图3B、图3C和图3D通过时序图示出了图1中的斜坡补偿单元电路18的操作。图3A、图3B和图3C示出了信号S、R和S16的相应曲线的示例。图3D示出了由模块12生成的电流斜坡的一个示例。
可以看出，转换器16生成具有与增量INC的值相对应的宽度的步长的周期T的渐减的锯齿斜坡(以时钟行程CK'的数目)。通过使用该斜坡作为比较器14(图1)的比较基准(阈值)，在电流斜坡(图3D)上升的同时(因此，随着时间在时间段T内前进)降低比较电压基准。因此，如果表示负载的能量需求的电压V(ILOAD)变得太高而导致占空比高于50％的风险，则比较基准较低的事实会降低在模块12的输入处呈现的差值的幅度。这防止了当占空比超过50％时系统变得不稳定。
增量INC的值调节由转换器16提供的电压斜坡的递减步长的数目。根据一个特定的示例性实施例，在一个周期T中提供4至50个步长。
转换器16的电压增量步长的选择取决于应用，并且具体地取决于电压V(ILOAD)的变化范围。
例如，时钟CK'的频率等于控制模块12(图1)的脉冲宽度调制步长的频率CK。
在上文中，以渐减的锯齿信号S16作为示例。然而，根据其他实施例，转换器16可以生成渐增的锯齿或三角形信号。这取决于下游电路(比较器14和模块12)的结构以及它们所需要的斜坡补偿曲线。
所描述的实施例的一个优点是，它们避免了在占空比增加的情况下生成的脉冲序列的不稳定性。
另一优点是，解决方案是数字的，并且实现起来特别简单。
另一优点是，所描述的解决方案的实现与用于在脉宽调制模式下生成控制信号的常见架构兼容。实际上，这种实现仅应用于调节脉冲宽度的比较器14的基准。
图4是可编程数模转换器4的一个实施例的框图。
例如，该发生器可以用于形成图1中的转换器16或者形成渐减的锯齿信号的可编程发生器。
根据这个实施例，转换器包括数字级5和模拟级6。
数字级5是被设计用于在模拟级的输入处并行地提供多个位(信号B)的可编程数字电路，模拟级操作转换本身。模拟级6是常见的模拟级，其包括例如由通过信号B的位分别控制的电流源的网络、用于运算放大器的可开关的输入电阻器网络等。
在级6的输入处提供的二进制字B调节在转换器4的输出处提供的电压V的值。转换器的步长(精度)取决于信号B中的位的数目。
图5以框的形式示出了被设计成形成渐减的锯齿信号的可编程发生器的图4中的发生器的数字级5的一个实施例。
根据所示实施例，数字级5构成可编程电路，其包括：
用于存储最大值(INIT)的寄存器51；
用于存储输出字B的递减值(DEC)的寄存器53，其表示输出字B的递减步长；
计算寄存器55(BUFFER)；
被设计为包含字B的输出寄存器57(OUTPUT)；以及
从计算寄存器的当前值中减去该递减值的减法器59。
数字级5接收用于触发值B递减的信号CLK和重置信号RESET。
数字级5的操作如下。在信号CLK的每个边沿(例如，上升沿)处，读取寄存器55和53的内容，并且从寄存器55中读取的内容中减去值DEC。结果被存储在计算寄存器55中。在信号RESET的每个边沿(例如，上升沿)处，将计算寄存器55和输出寄存器57重置为在寄存器51中读取的值INIT。计算寄存器55的内容例如在信号CLK的每个边沿处被传送到寄存器57。因此，寄存器57在信号CLK的两个边沿之间包含在两个边沿中的第一边沿处加载到减法器59中的值，该值因此比计算寄存器55的内容大值DEC。
图4中的转换器4可以用作提供给定模拟电压的可编程转换器。为此，选择要应用于最大值的递减的数目。
发生器4也可以用作锯齿信号的可编程发生器。取决于所选择的INIT和DEC值，对于给定的时钟CLK，锯齿信号的递减频率和最大幅度是固定的。
根据一个优选实施例，递减寄存器53和计算寄存器55中的位的数目大于寄存器51和57中的位的数目。寄存器51的位用作用于计算寄存器55的初始化的最高有效位。寄存器55的最高有效位用于更新输出寄存器57。一个优点是，这避免了舍入误差，因为只使用最高有效位。作为一个特定的示例性实施例，寄存器51和57超过十二位，并且寄存器53和55超过十六位。
根据一个特定的示例性实施例，信号RESET和CLK分别对应于由电路2(图2)生成的信号R和S。
已经描述了各种实施例，各种变型和修改对于本领域技术人员而言将变得很清楚。特别地，要存储在各个寄存器中的值的选择以及触发信号的频率的选择取决于应用，并且它们的确定是本领域技术人员可以实现的。此外，基于上文中给出的功能描述，本领域技术人员可以实现实施例的实际实现和部件的尺寸。

Claims (24)

1.一种用于调制电路的控制信号的斜坡补偿的电路，其特征在于，所述调制电路被配置为生成宽度被调制的脉冲，所述电路包括：
数模转换器，被配置为生成锯齿信号；以及
触发电路，被配置为触发所述锯齿信号的步长并且重置所述锯齿信号，其中所述锯齿信号以宽度被调制的所述脉冲的第一频率的节奏被重置。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述触发电路是数字电路。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述触发电路包括：
以第二频率的节奏递增的计数器，其中所述第二频率高于所述第一频率；
第一寄存器，被配置为存储表示所述第一频率的周期的值；以及
第一比较器，被配置为将所述计数器的值与所述第一寄存器的值进行比较并且响应于所述比较来生成用于重置所述锯齿信号的信号。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述触发电路还包括：
第二寄存器，具有以所述第二频率的节奏递增增量值的值；以及
第二比较器，被配置为将所述计数器的值与所述第二寄存器的值进行比较并且生成用于触发所述锯齿信号的步长的信号。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述触发电路包括第三寄存器，所述第三寄存器被配置为存储所述增量值。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述锯齿信号具有渐减的斜率。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述锯齿信号具有渐增的斜率。
8.一种用于控制开关模式电源的开关的电路，其特征在于，包括：
脉冲生成电路，被配置为生成用于控制所述开关的脉冲；
比较器电路，被配置为基于表示由所述开关控制的电感元件中的电流的电平的信息与阈值的比较来生成施加到所述脉冲生成电路的控制信号；以及
斜坡补偿电路，包括：
数模转换器，被配置为生成锯齿信号；以及
触发电路，被配置为触发所述锯齿信号的步长并且重置所述锯齿信号，其中所述锯齿信号以用于控制所述开关的脉冲的第一频率的节奏被重置。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述触发电路是数字电路。
10.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述触发电路包括：
以第二频率的节奏递增的计数器，其中所述第二频率高于所述第一频率；
第一寄存器，被配置为存储表示所述第一频率的周期的值；以及
第一比较器，被配置为将所述计数器的值与所述第一寄存器的值进行比较并且响应于所述比较来生成用于重置所述锯齿信号的信号。
11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，所述触发电路还包括：
第二寄存器，具有以所述第二频率的节奏递增增量值的值；以及
第二比较器，被配置为将所述计数器的值与所述第二寄存器的值进行比较并且生成用于触发所述锯齿信号的步长的信号。
12.根据权利要求11所述的电路，其特征在于，所述触发电路包括第三寄存器，所述第三寄存器被配置为存储所述增量值。
13.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述锯齿信号具有渐减的斜率。
14.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述锯齿信号具有渐增的斜率。
15.一种开关模式电源电路，其特征在于，包括：
斩波开关，被配置为响应于脉冲信号来开关电感式能量传递；以及
控制电路，被配置为生成所述脉冲信号，其中所述控制电路包括：
比较器电路，被配置为基于表示由所述斩波开关控制的电感元件中的电流的电平与阈值的比较来生成用于控制所述脉冲信号的生成的控制信号；以及
斜坡补偿电路，包括：
数模转换器，被配置为生成锯齿信号；以及
触发电路，被配置为触发所述锯齿信号的步长并且重置所述锯齿信号，其中所述锯齿信号以所述脉冲信号的第一频率的节奏被重置。
16.根据权利要求15所述的开关模式电源电路，其特征在于，所述触发电路包括：
以第二频率的节奏递增的计数器，其中所述第二频率高于所述第一频率；
第一寄存器，被配置为存储表示所述第一频率的周期的值；以及
第一比较器，被配置为将所述计数器的值与所述第一寄存器的值进行比较并且响应于所述比较来生成用于重置所述锯齿信号的信号。
17.根据权利要求16所述的开关模式电源电路，其特征在于，所述触发电路还包括：
第二寄存器，具有以所述第二频率的节奏递增增量值的值；以及
第二比较器，被配置为将所述计数器的值与所述第二寄存器的值进行比较并且生成用于触发所述锯齿信号的步长的信号。
18.根据权利要求17所述的开关模式电源电路，其特征在于，所述触发电路包括第三寄存器，所述第三寄存器被配置为存储所述增量值。
19.一种电路，其特征在于，包括：
数模转换器，被配置为生成锯齿信号，所述锯齿信号响应于重置信号而被重置并且响应于触发信号而被改变步长；以及
触发电路，被配置为生成所述重置信号和所述触发信号，所述触发电路包括：
第一寄存器，被配置为存储定义与第一频率相关的所述锯齿信号的周期的第一值；
计数器，被配置为以第二频率进行计数并且输出计数值；
第一比较器，被配置为当所述计数值等于所述第一值时断言所述重置信号，所述重置信号还使所述计数器重置；
第二寄存器，被配置为存储以所述第二频率递增增量值的第二值；以及
第二比较器，被配置为当所述计数值等于所述第二值时断言所述触发信号。
20.根据权利要求19所述的电路，其特征在于，还包括：
第三寄存器，被配置为存储所述增量值；以及
求和电路，被配置为响应于所述触发信号的断言来将所述增量值加到所述第二值并且将求和值存储在所述第二寄存器中作为所述第二值。
21.根据权利要求20所述的电路，其特征在于，所述求和电路还被配置为响应于所述触发信号的断言和所述重置信号的解除断言两者来将所述求和值存储在所述第二寄存器中作为所述第二值。
22.根据权利要求19所述的电路，其特征在于，所述第一寄存器和所述第二寄存器以及所述计数器由共同的时钟信号以所述第二频率驱动。
23.根据权利要求19所述的电路，其特征在于，还包括负载电路，所述负载电路被配置为用所述第一值加载所述第一寄存器。
24.根据权利要求19所述的电路，其特征在于，还包括负载电路，所述负载电路被配置为用所述第二值的初始值加载所述第二寄存器。
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