TWI472132B - 恆定導通時間控制的開關電源及其控制電路和控制方法 - Google Patents

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Description

恆定導通時間控制的開關電源及其控制電路和控制方法
本發明的實施例係有關電子電路，尤其有關恆定導通時間控制的開關電源及其控制電路和控制方法。
恆定導通時間(COT，constant on-time)控制由於其優越的負載瞬態響應、簡單的內部結構和平滑的操作模式切換，在電源領域得到了很好的應用。在傳統的COT控制開關電源中，電晶體在開關電源的輸出電壓係小於參考信號時被導通，而在導通時間到達預設時間時被關斷。
對於傳統的COT控制開關電源而言，其開關頻率會隨著負載的減小而逐漸減小。在輕載場合，開關頻率可能被減小至落入音頻範圍(例如，200Hz~20kHz)內，從而引起音頻雜訊。
本發明要解決的技術問題是提供安靜、高效的恆定導 通時間控制開關電源及其控制電路和控制方法。
根據本發明實施例的一種用於恆定導通時間控制開關電源的控制電路，該開關電源包括具有第一電晶體的開關電路，開關電路透過第一電晶體的導通與關斷而將輸入電壓轉換為輸出電壓以驅動負載，該控制電路包括：導通時間控制電路，產生控制第一電晶體導通時間的導通時間控制信號；比較電路，係耦接至開關電路，基於參考信號和代表開關電路輸出電壓的回饋信號而產生比較信號；以及邏輯電路，係耦接至導通時間控制電路和比較電路，基於導通時間控制信號和比較信號而產生控制信號，以控制開關電路中之第一電晶體的導通與關斷；其中，在開關電路的開關頻率接近音頻範圍時，控制電路進入睡眠模式，導通時間控制電路減小導通時間控制信號以增大開關電路的開關頻率，從而避免音頻雜訊的產生。
根據本發明實施例的一種恆定導通時間控制開關電源，包括如前所述的控制電路。
根據本發明實施例的一種用於開關電源的恆定導通時間控制方法，該開關電源包括具有第一電晶體的開關電路，開關電路透過第一電晶體的導通與關斷而將輸入電壓轉換為輸出電壓以驅動負載，該控制方法包括：產生控制第一電晶體導通時間的導通時間控制信號；基於參考信號和代表開關電路輸出電壓的回饋信號而產生比較信號；基於導通時間控制信號和比較信號而產生控制信號，以控制開關電路中之第一電晶體的導通與關斷；判斷開關電路的 開關頻率是否接近音頻範圍；以及在開關電路的開關頻率接近音頻範圍時，進入睡眠模式，減小導通時間控制信號以增大開關電路的開關頻率，從而避免音頻雜訊的產生。
根據本發明的實施例，在開關頻率接近音頻範圍時減小導通時間控制信號，可以減小第一電晶體的導通時間並增大開關頻率，從而有效避免音頻雜訊的產生。此外，第一電晶體導通時間的減小可以降低第一電晶體上的導通損耗，提高開關電源的操作效率。
100‧‧‧開關電源
101‧‧‧導通時間控制電路
102‧‧‧邏輯電路
103‧‧‧開關電路
104‧‧‧比較電路
105‧‧‧回饋電路
106‧‧‧模式控制電路
107‧‧‧正常導通時間控制電路
108‧‧‧睡眠模式導通時間控制電路
109‧‧‧選擇電路
200‧‧‧開關電源
201‧‧‧導通時間控制電路
202‧‧‧邏輯電路
203‧‧‧開關電路
204‧‧‧比較電路
205‧‧‧回饋電路
206‧‧‧模式控制電路
207‧‧‧正常導通時間控制電路
208‧‧‧睡眠模式導通時間控制電路
209‧‧‧選擇電路
圖1為根據本發明一實施例的開關電源100的方塊圖；圖2為根據本發明一實施例的開關電源200的電路原理圖；圖3為根據本發明一實施例的圖2所示開關電源200的操作流程圖；圖4為根據本發明一實施例的圖2所示開關電源200在睡眠模式下的操作流程圖；圖5為根據本發明一實施例的圖2所示開關電源200在正常操作狀態下的操作波形圖；圖6和圖7為根據本發明一實施例的圖2所示開關電源200在睡眠模式下的操作波形圖。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裏描述的實施例只被用來舉例說明，並不被用來限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了許多特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，並未具體描述公知的電路、材料或方法。
在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以用任何適當的組合和、或子組合而將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例來予以繪製的。應當理解，當稱“元件”“連接到”或“耦接”到另一元件時，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在有中間元件。相反地，當稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，不存在有中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裏使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。
根據本發明的實施例，採用恆定導通時間控制的開關 電源在其開關頻率接近音頻範圍時進入睡眠模式，減小電晶體的導通時間以增大開關頻率。透過這種方法，可以有效避免音頻雜訊的產生。此外，導通時間的減小還可以降低電晶體的導通損耗，從而提高開關電源的操作效率。
圖1為根據本發明一實施例的開關電源100的方塊圖。開關電源100包括導通時間控制電路101、邏輯電路102、開關電路103、比較電路104和回饋電路105。導通時間控制電路101、邏輯電路102和比較電路104可以被集成在同一積體電路(例如，控制IC)中，該積體電路可為數位積體電路、類比積體電路或數位類比結合的積體電路。開關電路103包括第一電晶體，透過第一電晶體的導通與關斷而將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓VOUT。開關電路103可採用任何直流/直流或交流/直流變換拓撲結構，例如同步或非同步的升壓、降壓變換器，以及正激、反激變換器等等。開關電路103中的電晶體可以為任何可控半導體開關裝置，例如金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)等。回饋電路105係耦接至開關電路103的輸出端以接收輸出電壓VOUT，並產生代表輸出電壓VOUT的回饋信號VFB。在一些實施例中，回饋電路105可被省略。
導通時間控制電路101產生控制第一電晶體導通時間的導通時間控制信號Ton。比較電路104係耦接至回饋電路105，基於回饋信號VFB和參考信號VREF而產生比較信號SET。邏輯電路102係耦接至導通時間控制電路101 和比較電路104，基於導通時間控制信號Ton和比較信號SET而產生控制信號CTRL，以控制開關電路103中之第一電晶體的導通與關斷。一般地說，第一電晶體在回饋信號VFB小於參考信號VREF時被導通，在其導通時間到達導通時間控制信號Ton時被關斷。為了避免音頻雜訊的產生，在開關電路103的開關頻率Fs接近音頻範圍時，開關電源100進入睡眠模式，導通時間控制電路101減小導通時間控制信號Ton以減小第一電晶體的導通時間，從而增大開關電路103的開關頻率Fs。
判斷開關頻率Fs是否接近音頻範圍的方式有多種多樣，例如可以將開關頻率Fs與預設頻率Fth，例如25KHz，進行比較。若開關頻率Fs係小於預設頻率Fth或者在一段時間內持續小於預設頻率Fth，則認為開關頻率Fs已接近音頻範圍。開關頻率Fs的檢測可以透過檢測控制信號CTRL的開關週期來予以實現，也可採用任何其他合適的方法。
為了避免開關頻率Fs被增大至過高而影響開關電源100的操作效率，在睡眠模式下，導通時間控制信號Ton可被調節以使得開關頻率Fs約等於預設睡眠頻率。預設睡眠頻率通常係大於20KHz，例如為25KHz。此外，在睡眠模式下，若檢測到開關頻率Fs係大於最大睡眠頻率Fsl_max，例如40KHz，則視為負載增大，開關電源100將離開睡眠模式而回到正常操作狀態。
在一個實施例中，導通時間控制電路101包括模式控 制電路106、正常導通時間控制電路107、睡眠模式導通時間控制電路108和選擇電路109。正常導通時間控制電路107產生控制正常操作狀態導通時間的正常導通時間控制信號Ton_nm。睡眠模式導通時間控制電路108產生控制睡眠模式導通時間的睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl。模式控制電路106基於開關電路103的開關頻率Fs而產生模式旗標信號Flag_sl。選擇電路109基於模式旗標信號Flag_sl，將正常導通時間控制信號Ton_nm或睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl作為導通時間控制信號Ton而提供至邏輯電路102。
在一個實施例中，若模式旗標信號Flag_sl為邏輯低位準(“0”)，開關電源100係處於正常操作狀態，選擇電路109將正常導通時間控制信號Ton_nm作為導通時間控制信號Ton而提供至邏輯電路102。若模式旗標信號Flag_sl為邏輯高位準(“1”)，開關電源100操作於睡眠模式，選擇電路109將睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl作為導通時間控制信號Ton而提供至邏輯電路102。正常導通時間控制信號Ton_nm可以是預設的恆定值，也可以是與輸入電壓VIN和/或輸出電壓VOUT相關的可變值。
在一些實施例中，為了消除次諧波振盪，開關電源100還包括產生斜坡補償信號的斜坡補償電路。該斜坡補償信號可以被疊加至回饋信號VFB，亦或從參考信號VREF中被減去。
圖2為根據本發明一實施例的開關電源200的電路原理圖。開關電源200包括導通時間控制電路201、邏輯電路202、開關電路203、比較電路204和回饋電路205。開關電路203採用降壓變換器拓撲結構，包括電晶體HS、電晶體LS、電感器L、輸入電容器CIN以及輸出電容器COUT。回饋電路205包括由電阻器R1和R2所組成的電阻分壓器。比較電路204包括比較器CMP，比較器CMP的同相輸入端接收參考信號VREF，反相輸入端係耦接至回饋電路205以接收回饋信號VFB，輸出端提供比較信號SET。邏輯電路202基於比較信號SET和導通時間控制電路201提供的導通時間控制信號Ton，產生控制信號HCTRL和LCTRL，以控制電晶體HS和LS的導通與關斷。
為了及時有效地避免音頻雜訊的產生，在一個實施例中，邏輯電路202在檢測到開關頻率Fs係小於預設頻率Fth(例如，25kHz)時，將電晶體LS導通以對輸出電容器COUT進行放電，直至回饋信號VFB小於參考信號VREF為止。若開關頻率Fs在預設時長T1(例如，5秒)內持續小於預設頻率Fth，開關電源200才進入睡眠模式。
在一個實施例中，在正常操作狀態下，電晶體LS被用作為同步整流管。當回饋信號VFB係小於參考信號VREF時，電晶體HS被導通而電晶體LS被關斷，當電晶體HS的導通時間到達導通時間控制信號Ton時，電晶體 HS被關斷而電晶體LS被導通。在輕載狀態下，為了減小開關損耗，電晶體LS的體二極體(body diode)(未示出)代替電晶體LS在電晶體HS關斷時被用作為續流。
圖3為根據本發明一實施例的圖2所示之開關電源200的操作流程圖，包括步驟S301~S304。
在步驟S301，開關電源200係處於正常操作狀態，模式旗標信號Flag_sl為邏輯低位準。選擇電路209基於模式旗標信號Flag_sl，將正常導通時間控制信號Ton_nm作為導通時間控制信號Ton而提供至邏輯電路202。
在步驟S302，判斷開關頻率Fs在預設時長T1內持續小於預設頻率Fth。若是，則至步驟S303，否則繼續判斷。
在步驟S303，開關電源200進入睡眠模式，旗標信號Flag_sl為邏輯高位準。選擇電路209基於模式旗標信號Flag_sl，將睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl作為導通時間控制信號Ton而提供至邏輯電路202。
在步驟S304，判斷開關頻率Fs是否大於最大睡眠頻率Fsl_max，例如40kHz。若是，則至步驟S301，開關電源200回到正常操作狀態；否則至步驟S303，開關電源200繼續操作在睡眠模式。
圖4為根據本發明一實施例的圖2所示之開關電源200在睡眠模式下的操作流程圖，包括步驟S401~S414。
在步驟S401，判斷模式旗標信號Flag_sl是否為邏輯高位準，若是，則至步驟S402，否則繼續判斷。
在步驟S402，使睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl等於正常導通時間控制信號Ton_nm。
在步驟S403，判斷開關頻率Fs是否小於高睡眠閾值頻率Fsl_high(例如，28.5kHz)。若是，則至步驟S404，否則至步驟S407。
在步驟S404，進行延時。
在步驟S405，判斷睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl是否等於最小導通時間信號Ton_min。若是，則至步驟S403，否則至步驟S406。
在步驟S406，減小睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl，使其等於原睡眠模式導通時間控制信號與步進信號step之差。
在步驟S407，判斷開關頻率Fs是否大於低睡眠閾值頻率Fsl_low。若是，則至步驟S408，否則至步驟S411。低睡眠閾值頻率Fsl_low可以等於預設頻率Fth，例如，25kHz。
在步驟S408，進行延時。
在步驟S409，判斷睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl是否等於正常導通時間控制信號Ton_nm。若是，則至步驟S407，否則至步驟S410。
在步驟S410，增大睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl，使其等於原睡眠模式導通時間控制信號與步進信號step之和。
在步驟S411，遮蔽電晶體LS，使電晶體LS在開關 頻率Fs小於預設頻率Fth時不再被導通。
在步驟S412，進行延時。
在步驟S413，判斷開關頻率Fs是否位於預設頻率範圍Fs1~Fs2內(例如，20kHz~30kHz)。若是，則至步驟S412，否則至步驟S414。
在步驟S414，開關電源200退出睡眠模式而回到進入正常操作狀態，模式旗標信號Flag_sl為邏輯低位準。
步驟S404、S408、S412中的延時時間可根據具體應用情況來加以確定。在某些實施例中，延時步驟S404、S408、S412可以被省略。在一個實施例中，正常導通時間控制信號Ton_nm、睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl和導通時間控制信號Ton均為數位信號，步進信號step等於1LSB(最低有效位)。
圖5為根據本發明一實施例的圖2所示之開關電源200在正常操作狀態下的操作波形圖，其中，信號Flag_ultra為指示開關頻率Fs是否小於預設頻率Fth的旗標信號。如圖5所示，在正常操作狀態下，電晶體HS的導通時間等於正常導通時間控制信號Ton_nm。當檢測到開關頻率Fs係大於預設頻率Fth，亦即，開關週期係小於1/Fth時，旗標信號Flag_ultra為邏輯低位準，電晶體LS維持關斷。當檢測到開關頻率Fs係小於預設頻率Fth，亦即，開關週期係大於1/Fth時，旗標信號Flag_ultra為邏輯高位準，電晶體LS被導通以對輸出電容器COUT進行放電，直至回饋信號VFB小於參考信號VREF為止。
圖6和圖7為根據本發明一實施例的圖2所示之開關電源200在睡眠模式下的操作波形圖。其中，電晶體HS的導通時間等於睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl。圖6為睡眠模式下睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl逐漸減小的操作波形圖。如圖6所示，開關電源200進入睡眠模式後，睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl逐漸減小，開關頻率Fs逐漸增大，直至開關頻率Fs大於或等於高睡眠閾值頻率Fsl_high為止。
圖7為睡眠模式下睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl逐漸增大的操作波形圖。如圖7所示，在開關頻率Fs被調節至大於或等於高睡眠閾值頻率Fsl_high後，睡眠模式導通時間控制信號Ton_sl逐漸增大，開關頻率Fs逐漸減小，直至開關頻率Fs小於或等於低睡眠閾值頻率Fsl_low為止。其後，電晶體LS被遮蔽。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附之申請專利範圍所限定的精神和範圍內被廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範疇內的全部變化和變型都應為隨附之申請專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧開關電源
101‧‧‧導通時間控制電路
102‧‧‧邏輯電路
103‧‧‧開關電路
104‧‧‧比較電路
105‧‧‧回饋電路
106‧‧‧模式控制電路
107‧‧‧正常導通時間控制電路
108‧‧‧睡眠模式導通時間控制電路
109‧‧‧選擇電路

Claims (19)

  1. 一種用於恆定導通時間控制開關電源的控制電路，該開關電源包括具有第一電晶體的開關電路，該開關電路透過該第一電晶體的導通與關斷而將輸入電壓轉換為輸出電壓以驅動負載，該控制電路包括：導通時間控制電路，產生控制該第一電晶體導通時間的導通時間控制信號；比較電路，係耦接至該開關電路，基於參考信號和代表開關電路輸出電壓的回饋信號而產生比較信號；以及邏輯電路，係耦接至該導通時間控制電路和該比較電路，基於導通時間控制信號和比較信號而產生控制信號，以控制該開關電路中之該第一電晶體的導通與關斷；其中在該開關電路的開關頻率接近音頻範圍時，該開關電源進入睡眠模式，該導通時間控制電路減小導通時間控制信號以增大該開關電路的開關頻率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中，該導通時間控制電路包括：正常導通時間控制電路，產生正常導通時間控制信號；睡眠模式導通時間控制電路，產生睡眠模式導通時間控制信號；模式控制電路，產生模式旗標信號；以及選擇電路，接收正常導通時間控制信號、睡眠模式導通時間控制信號和模式旗標信號，該選擇電路基於模式旗 標信號，將正常導通時間控制信號或睡眠模式導通時間控制信號作為導通時間控制信號而提供至該邏輯電路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中，在睡眠模式下，該導通時間控制電路調節導通時間控制信號，使得開關頻率約等於預設睡眠頻率，其中，該預設睡眠頻率係大於20KHz。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中，在睡眠模式下，若開關頻率係大於最大睡眠頻率，則該開關電源離開睡眠模式而回到正常操作狀態。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中，該開關電路還包括第二電晶體以及與負載並聯的輸出電容器，該邏輯電路在檢測到開關頻率係小於預設頻率時，導通第二電晶體以對輸出電容器進行放電，直至回饋信號小於參考信號為止，其中，該預設頻率係大於20KHz。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的控制電路，其中，若開關頻率在預設時長內持續小於預設頻率，則該開關電源進入睡眠模式，該選擇電路基於模式旗標信號，將睡眠模式導通時間控制信號作為導通時間控制信號而提供至邏輯電路。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的控制電路，其中，在睡眠模式下，該睡眠模式導通時間控制電路進行如下操作：使睡眠模式導通時間控制信號等於正常導通時間控制信號； 逐步減小睡眠模式導通時間控制信號，直至開關頻率係大於高睡眠閾值頻率為止；以及逐步增大睡眠模式導通時間控制信號，直至開關頻率係小於低睡眠閾值頻率為止；其中，在開關頻率被調節至小於低睡眠閾值頻率後，該邏輯電路將第二電晶體遮蔽，使該第二電晶體在開關頻率小於預設頻率時不再被導通。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的控制電路，其中，低睡眠閾值頻率與預設頻率相等。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的控制電路，其中，在第二電晶體被遮蔽後，若開關頻率變化至預設頻率範圍外，則該開關電源離開睡眠模式而回到正常操作狀態，該選擇電路基於模式旗標信號，將正常導通時間控制信號作為導通時間控制信號而提供至邏輯電路。
  10. 如申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中，正常導通時間控制信號為恆定值，亦或為與輸入電壓和/或輸出電壓相關的可變值。
  11. 一種恆定導通時間控制開關電源，其包括如申請專利範圍第1至10項中任一項所述的控制電路。
  12. 一種用於開關電源的恆定導通時間控制方法，該開關電源包括具有第一電晶體的開關電路，該開關電路透過第一電晶體的導通與關斷而將輸入電壓轉換為輸出電壓以驅動負載，該控制方法包括：產生控制該第一電晶體導通時間的導通時間控制信 號；基於參考信號和代表開關電路輸出電壓的回饋信號而產生比較信號；基於導通時間控制信號和比較信號而產生控制信號，以控制該開關電路中之該第一電晶體的導通與關斷；判斷該開關電路的開關頻率是否接近音頻範圍；以及在該開關電路的開關頻率接近音頻範圍時，進入睡眠模式，減小導通時間控制信號以增大該開關電路的開關頻率。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的控制方法，其中，在睡眠模式下，導通時間控制信號被調節而使得開關頻率約等於預設睡眠頻率，其中，該預設睡眠頻率係大於20KHz。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的控制方法，其中，在睡眠模式下，若開關頻率係大於最大睡眠頻率，則該開關電源離開睡眠模式而回到正常操作狀態。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的控制方法，其中，該開關電路還包括第二電晶體以及與負載並聯的輸出電容器，該第二電晶體在開關頻率小於預設頻率時被導通，以對輸出電容器進行放電，直至回饋信號係小於參考信號為止，其中，該預設頻率係大於20KHz。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的控制方法，其中，若開關頻率在預設時長內持續小於預設頻率，則該開關電源進入睡眠模式。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的控制方法，其中，在睡眠模式下的步驟包括：逐步減小導通時間控制信號，直至開關頻率係大於高睡眠閾值頻率為止；逐步增大導通時間控制信號，直至開關頻率係小於低睡眠閾值頻率為止；遮蔽該第二電晶體，使該第二電晶體在開關頻率小於預設頻率時不再被導通；判斷開關頻率是否係位於預設頻率範圍內；以及若開關頻率係位於預設頻率範圍外，則離開睡眠模式而回到正常操作狀態。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的控制方法，其中，低睡眠閾值頻率與預設頻率相等。
  19. 如申請專利範圍第12項所述的控制方法，其中，在正常操作狀態下，導通時間控制信號為恆定值，亦或為與輸入電壓和/或輸出電壓相關的可變值。
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