TWI675537B - 控制電路、開關電源和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種控制電路、開關電源和控制方法。所述控制電路用於控制開關型變換器，其包括：狀態獲取電路，用於根據回饋電壓和參考電壓生成誤差放大信號，利用具有預定頻率的斜坡補償信號對所述誤差放大信號進行斜坡補償，比較經斜坡補償的誤差放大信號和電壓紋波，輸出狀態信號；此電壓紋波與開關型變換器的儲能元件電流同步變化；控制信號生成電路，根據所述狀態信號輸出開關控制信號，控制開關型變換器，此開關控制信號具有一預定頻率。將與開關型變換器儲能元件電流同步變化的電壓紋波作為參量進行定頻控制，提高了開關型變換器的控制精確性。

Description

控制電路、開關電源和控制方法
發明係關於一種電力電子技術，特別係關於一種控制電路、開關電源和控制方法。
開關電源通常包括功率級電路和控制電路。控制電路的功能是在輸入電壓、內部參數和外接負載變化時，調節開關型變換器中的開關系統的導通和關斷時間，以使開關電源的輸出電壓或者輸出電流保持恒定。因此，在開關電源的設計中，控制方法的選擇和設計對於開關電源的性能來說是十分重要的。採用不同的檢測信號和不同的控制電路會有不同的控制效果。
功率級電路通常使用開關型變換器實現。在現有技術中，用於控制開關型變換器的控制電路一般通過同時控制固定導通時間以及輸出電壓紋波來實現控制頻率的目的。
但是，由於導通時間本身存在計算誤差，而且在不同的輸入和輸出條件下，不同的負載均會引起開關型變換器中開關系統的占空比的變化，因此，現有的控制電路難以得到精確的開關週期，使得精確的頻率控制難以實現。
有鑒於此，提供一種控制電路、開關電源和控制方法，基於電壓紋波進行開關型變換器的控制，使得開關型變換器的開關在穩態工作條件下開關週期很定，由此，可以實現精確的頻率控制。
第一方面，提供一種控制電路，用於控制開關型變換器，所述控制電路包括：狀態獲取電路，用於根據回饋電壓和參考電壓生成誤差放大信號，利用具有一預定頻率的斜坡補償信號對所述誤差放大信號進行斜坡補償，比較經斜坡補償的誤差放大信號和電壓紋波，以輸出狀態信號，其中，所述電壓紋波與所述開關型變換器的儲能元件電流同步變化；及控制信號生成電路，用於根據所述狀態信號輸出開關控制信號，控制開關型變換器。
優選地，所述控制信號生成電路用於根據所述狀態信號和具有所述預定頻率的時鐘信號輸出所述開關控制信號，其中，所述控制信號生成電路根據所述狀態信號控制所述開關控制信號由第一狀態轉換為第二狀態，根據所述時鐘信號控制所述開關控制信號由所述第二狀態轉換為所述第一狀態。
優選地，所述狀態獲取電路包括：誤差放大器，用於輸入所述回饋電壓和參考電壓生成所述誤差放大信號；加法器，用於輸入所述斜坡補償信號對所述誤差放大信號進行斜坡補償；及第一比較器，用於比較經斜坡補償的誤差放大信號和所述電壓紋 波，以輸出所述狀態信號。
優選地，所述控制電路還包括：電壓紋波獲取電路，用於將所述回饋電壓與紋波信號疊加獲得所述電壓紋波，所述紋波信號隨所述開關型變換器的儲能元件電流同步變化。
優選地，所述電壓紋波獲取電路為受控電壓源，所述受控電壓源連接在回饋電壓輸入端和第一比較器輸入端之間，所述受控電壓源的兩端電壓隨所述開關型變換器的儲能元件電流同步變化。
優選地，所述控制電路還包括時鐘信號生成電路和斜坡補償信號生成電路：所述時鐘信號生成電路包括電流源、充電電容、放電開關和第二比較器；所述電流源、充電電容和所述放電開關並聯連接在所述第二比較器的第一輸入端和接地端之間；所述第二比較器的第二輸入端輸入閥值電壓，輸出端輸出所述時鐘信號；及所述放電開關由所述時鐘信號控制；及所述斜坡補償信號生成電路輸入所述充電電容的兩端電壓，輸出所述斜坡補償信號。
優選地，所述控制信號生成電路包括RS觸發器和驅動電路：所述RS觸發器的重定端輸入所述狀態信號，所述RS觸發器的置位元端輸入所述時鐘信號，輸出端輸出脈寬調製信號；及所述驅動電路輸入所述脈寬調製信號，輸出所述開關控制信號。
優選地，所述控制信號生成電路在所述狀態信號為第一電平時控制所述開關控制信號為第一狀態，在所述狀態信號為第二電平時控制所述開關控制信號為第二狀態。
優選地，所述狀態獲取電路包括：誤差放大器，輸入所述回饋電壓和參考電壓生成所述誤差放大信號；加法器，用於輸入所述斜坡補償信號對所述誤差放大信號進行斜坡補償；及第一比較器，用於比較經斜坡補償的誤差放大信號和所述電壓紋波，以輸出所述狀態信號。
優選地，所述控制電路還包括：電壓紋波獲取電路，用於將所述回饋電壓與紋波信號疊加獲得所述電壓紋波，所述紋波信號隨所述開關型變換器的儲能元件電流同步變化。
優選地，其特徵在於，所述電壓紋波獲取電路為受控電壓源，所述受控電壓源連接在回饋電壓輸入端和第一比較器輸入端之間，所述受控電壓源的輸出電壓隨所述開關型變換器的儲能元件電流同步變化。
第二方面，提供一種開關電源，包括如上所述的控制電路和開關型變換器。
第三方面，提供一種開關型變換器控制方法，包括：根據回饋電壓和參考電壓生成誤差放大信號；利用具有預定頻率的斜坡補償信號對所述誤差放大信號進行斜坡補償； 比較經斜坡補償的誤差放大信號和電壓紋波，以輸出狀態信號，所述電壓紋波信號與所述開關型變換器的儲能元件電流同步變化；及根據所述狀態信號輸出開關控制信號，控制所述開關型變換器。
優選地，所述根據所述狀態信號輸出開關控制信號，控制所述開關型變換器包括：根據所述狀態信號和具有所述預定頻率的時鐘信號輸出所述開關控制信號，根據所述狀態信號控制所述開關控制信號由第一狀態轉換為第二狀態，根據所述時鐘信號控制所述開關控制信號由所述第二狀態轉換為所述第一狀態。
優選地，所述根據所述狀態信號輸出開關控制信號，控制所述開關型變換器包括：在所述狀態信號為第一電平時控制所述開關控制信號為第一狀態，在所述狀態信號為第二電平時控制所述開關控制信號為第二狀態。
通過將與開關型變換器儲能元件電流同步變化的電壓紋波作為參量進行定頻控制，提高了開關型變換器的控制精確性，使得頻率控制更加精確。
10、10’、10”‧‧‧控制電路
11、11’、11”‧‧‧狀態獲取電路
12、12’、12”‧‧‧控制信號生成電路
13‧‧‧電壓紋波獲取電路
14‧‧‧時鐘信號生成電路
15‧‧‧斜坡補償信號生成電路
20‧‧‧開關型變換器
A1‧‧‧第一比較器
A2‧‧‧第二比較器
ADD‧‧‧加法器
Cc‧‧‧充電電容
Cf‧‧‧紋波採樣電容
CLK‧‧‧時鐘信號
CO‧‧‧輸出電容
DR、DR’‧‧‧驅動電路
EA‧‧‧誤差放大器
Ic‧‧‧電流源
iL‧‧‧儲能元件電流
io‧‧‧輸出電流
k1‧‧‧變換係數
L‧‧‧儲能電感
LX‧‧‧中間端
PWM‧‧‧脈寬調製信號
Q1、Q2‧‧‧開關控制信號
Rf‧‧‧紋波採樣電阻
RS‧‧‧RS觸發器
S1‧‧‧第一功率開關
S2‧‧‧第二功率開關
Sc‧‧‧放電開關
v1‧‧‧分量
vc‧‧‧誤差放大信號
ve‧‧‧誤差放大信號
vfb‧‧‧回饋電壓
vth‧‧‧閥值電壓
vin‧‧‧輸入電壓源
vo‧‧‧輸出電壓
vr‧‧‧電壓
vramp‧‧‧斜坡補償信號
vref‧‧‧參考電壓
vrip‧‧‧電壓紋波
vslop‧‧‧電壓
vslop_ac‧‧‧紋波信號
vst‧‧‧狀態信號
U‧‧‧受控電壓源
通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其他目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中：圖1是本發明第一實施例的開關電源的電路示意圖；圖2是本發明第一實施例的開關電源的工作波形圖；圖3是本發明第二實施例的開關電源的電路示意圖； 圖4是本發明第二實施例的開關電源在穩態工作時的工作波形圖；圖5是本發明第二實施例的開關電源在負載突減時的工作波形圖；圖6是本發明第三實施例的開關電源的電路示意圖；圖7是本發明第三實施例的開關電源在穩態工作時的工作波形圖；圖8是本發明第三實施例的開關電源在負載突減時的工作波形圖；及圖9是本發明第四實施例的開關型變換器控制方法的流程圖。
以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述。雖然本發明是結合以下的優選實施例進行描述的，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敍述。
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繪製的。
同時，應當理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個元件或子電路通過電氣連接或電磁連接構成的導電回路。當稱元件或電路“連接到”另一元件或稱元件/電路“連接在”兩個節點之間時，它可以是直接耦接或連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。相反，當稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時，意味著兩者不存在中間元件。
在如下描述中(除另有說明)，“已知”、“固定”、“給定”和“預 定”通常情況下，指的是一個值，數量、參數、約束條件、條件、狀態、流程、過程、方法、實施，或各種組合等在理論上是可變的，但是如果提前設定，則在後續使用中是保持不變的。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
在本發明的描述中，功率開關是指開關電源或開關型轉換器中在其導通時使得儲能元件(例如，電感)開始儲能，流過儲能元件電流開始上升的開關器件。
本發明可以各種形式呈現，以下將描述其中一些示例。以下以降壓型拓撲的開關調節器為例對本發明的具體實施例進行描述。
圖1是本發明第一實施例的開關電源的電路示意圖。如圖1所示，開關電源包括控制電路10和開關型變換器20。
開關型變換器20為降壓型拓撲(BUCK)，其包括第一功率開關S1、第二功率開關S2、儲能電感L和輸出電容CO。在本實施例中，開關型變換器20以儲能電感L作為其儲能元件。
第一功率開關S1連接在輸入電壓源vin和中間端LX之間，第二功率開關S2連接在中間端LX和接地端之間。第一功率開關S1和第二功率開關S2受控制電路10輸出的開關控制信號Q1和Q2的控制來導通和關斷，以使得開關型變換器20輸出恒定的輸出電壓vo。在本實施例中，第一功率開關S1和第二功率開關S2互補導通和關斷，也即，第一功率開關S1導通時，第二功率開關S2關斷，而第一功率開關S1關斷時，第二功率開關S2導通。這 通過使得開關控制信號Q1和Q2為互補信號即可實現。
在本實施例中，開關控制信號指代互補的控制第一功率開關S1和第二功率開關S2的一對控制信號Q1和Q2，開關控制信號的狀態指代該對控制信號Q1和Q2所處的狀態。
在本實施例中，第一功率開關S1為NMOS功率電晶體，第二功率開關S2為NMOS功率電晶體。本領域技術人員可以理解，功率開關也可以是任何可控半導體開關器件，例如金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)等。
輸出電壓vo通過分壓網路分壓後形成回饋電壓vfb並輸入到控制電路10。控制電路10基於其生成開關控制信號Q1和Q2。
控制電路10包括狀態獲取電路11和控制信號生成電路12。狀態獲取電路11用於根據回饋電壓vfb和參考電壓vref生成誤差放大信號ve，利用具有預定頻率的斜坡補償信號vramp對誤差放大信號進行斜坡補償，並進而比較經斜坡補償的誤差放大信號vc和電壓紋波vrip，以輸出狀態信號vst。其中，電壓紋波vrip隨開關型變換器20的儲能元件電流iL同步變化。也即，其在儲能元件電流iL上升階段上升，在儲能元件電流iL下降時下降。其可以通過由儲能元件電流iL或其相關參量控制的受控電壓源獲得。
在一個實施方式中，可以通過在中間端LX和接地端之間設置串聯的紋波採樣電阻Rf和紋波採樣電容Cf，基於紋波採樣電容Cf兩端的電壓來控制受控電壓源生成電壓紋波vrip。當然，本領域技術人員容易理解，也可以採用其他的適當的方式來獲取電壓紋波vrip。
控制信號生成電路12用於根據狀態信號vst輸出開關控制信 號Q1和Q2，控制開關型變換器20，在穩態工作時，開關控制信號Q1和Q2具有預定頻率。
優選地，控制信號生成電路12用於根據狀態信號vst和具有預定頻率的時鐘信號CLK輸出開關控制信號Q1和Q2。時鐘信號CLK與斜坡補償信號vramp具有相同的所述預定頻率。其中，控制信號生成電路12根據狀態信號vst控制開關控制信號Q1和Q2由第一狀態轉換為第二狀態，根據時鐘信號CLK控制開關控制信號Q1和Q2由第二狀態轉換為第一狀態。例如，控制信號生成電路12在狀態信號vst由低電平變化為高電平時，控制開關控制信號Q1由指示導通轉換為指示關斷，Q2由指示關斷轉換為指示導通，也即，開關控制信號Q1和Q2由第一狀態(Q1導通，Q2關斷)切換為第二狀態(Q1關斷，Q2導通)；同時，控制信號生成電路12在具有預定頻率的時鐘信號CLK的時鐘脈衝出現時，控制開關控制信號Q1和Q2由第二狀態(Q1關斷，Q2導通)轉換為第一狀態(Q1導通，Q2關斷)。
優選地，在另一個優選實施方式中，控制信號生成電路12可以在狀態信號vst為第一電平(例如高電平)時控制開關控制信號Q1和Q2為第一狀態(Q1導通，Q2關斷)，在狀態信號vst為第二電平(例如低電平)時控制開關控制信號Q1和Q2為第二狀態(Q1關斷，Q2導通)。在本實施方式中，由於斜坡補償信號vramp為頻率固定的週期性信號，每當斜坡補償信號vramp週期性地回到最大值時，其大於電壓紋波，使得狀態信號vst的電平改變，由此，在穩態工作條件下，開關控制信號Q1和Q2具有預定頻率。
圖2是本發明第一實施例的開關電源的工作波形圖。如圖2所示，電壓紋波vrip隨開關型變換器20的儲能元件電流iL同步變化，其上升到 大於經斜坡補償的誤差放大信號vc時，狀態信號vst跳變，由此觸發開關控制信號Q1和Q2的狀態變化，使得儲能元件電流iL開始下降。在預定週期到來時，電壓紋波vrip開始小於經斜坡補償的誤差放大信號vc，狀態信號vst再次跳變，由此觸發開關控制信號Q1和Q2的狀態變換，或者，時鐘信號CLK的時鐘脈衝會觸發開關控制信號Q1和Q2的狀態變換，使得儲能元件電流iL重新開始上升。由此，使得開關型變換器20可以輸出基本恒定的輸出電壓vo。
本實施例通過將與開關型變換器的儲能元件電流同步變化的電壓紋波作為參量進行定頻控制，提高了開關型變換器的控制精確性，使得頻率控制更加精確。
圖3是本發明第二實施例的開關電源的電路示意圖。如圖3所示，開關電源包括控制電路10’和開關型變換器20。開關型變換器20與第一實施例中的開關型變換器具有相同的結構。
控制電路10’包括狀態獲取電路11’和控制信號生成電路12’。
狀態獲取電路11’用於根據回饋電壓vfb和參考電壓vref生成誤差放大信號ve，利用具有預定頻率的斜坡補償信號vramp對誤差放大信號進行斜坡補償，並進而比較經斜坡補償的誤差放大信號vc和電壓紋波vrip，以輸出狀態信號vst。
其中，電壓紋波vrip隨開關型變換器20的儲能元件電流iL同步變化。
具體地，狀態獲取電路11’可以包括誤差放大器EA，加法器ADD和第一比較器A1。
誤差放大器EA用於輸入回饋電壓vfb和參考電壓vref生成誤 差放大信號ve。其中，回饋電壓vfb為開關型變換器20的輸出電壓vo通過分壓網路分壓後獲得的電壓，其用於回饋當前開關型變換器的輸出狀態。
加法器ADD用於輸入斜坡補償信號vramp對誤差放大信號ve進行斜坡補償。加法器將斜坡補償信號vramp與誤差放大信號ve疊加或相減。具體採用疊加方式還是相減方式需要視斜坡補償信號的形態而定，例如，在本實施例中，斜坡補償信號vramp為由零線性增加大預定值後跳變為零的鋸齒波信號，此時，進行斜坡補償需要將誤差放大信號ve與斜坡補償信號vramp相減。但是，如果斜坡補償信號vramp為由零跳變到預定值後再線性下降的信號，則需要將斜坡補償信號vramp與誤差放大信號ve相加以進行斜坡補償。由於誤差放大信號ve為一個變化較慢的信號，因此，與斜坡補償信號vramp疊加或相減後可以獲得一個按斜坡補償信號vramp的週期變化的經斜坡補償的誤差放大信號vc。
斜坡補償信號vramp可以由專門的電路產生，也可以利用控制電路10’中其他電路產生的斜坡信號進行處理後產生。
在一個優選實施方式中，斜坡補償信號vramp可以利用產生時鐘信號CLK的電路中的斜坡信號來產生。
第一比較器A1用於比較經斜坡補償的誤差放大信號vc和電壓紋波vrip，以輸出狀態信號vst。
電壓紋波vrip可以表徵開關型變換器的電感電流的狀態，由此，通過比較經斜坡補償的誤差放大信號vc和電壓紋波信號vrip可以獲得狀態信號vst，狀態信號vst可以表徵開關型變換器20的狀態是否需要調整。
在一個優選的實施方式中，電壓紋波vrip通過電壓紋波獲取 電路13生成。電壓紋波獲取電路13用於將回饋電壓vfb與紋波信號vslop_ac疊加獲得所述電壓紋波vrip。紋波信號vslop_ac隨開關型變換器20的儲能元件電流iL同步變化。紋波信號vslop_ac可以通過對於可以表徵開關型變換器20的儲能元件電流iL的電壓參量處理獲得。例如，可以在中間端LX和接地端之間設置串聯的紋波採樣電阻Rf和紋波採樣電容Cf，紋波採樣電容Cf的兩端電壓vslop可以用於表徵儲能元件電流iL，將電壓vslop減去一自身的直流分量v1使其變為交流電壓後，再乘以變換係數k1可以獲得所述紋波信號vslop_ac，也即，vslop_ac=k1(vslop-v1)。
優選地，電壓紋波獲取電路13可以通過一受控電壓源U實現，受控電壓源U連接在回饋電壓輸入端和第一比較器輸入端之間，其兩端電壓等於紋波信號vslop_ac的電壓值，其可以為受電壓vslop控制的受控電壓源。
控制信號生成電路12’用於根據狀態信號vst和具有預定頻率的時鐘信號CLK輸出開關控制信號Q1和Q2。時鐘信號CLK與斜坡補償信號vramp具有相同的所述預定頻率。其中，控制信號生成電路12根據狀態信號vst控制開關控制信號Q1和Q2由第一狀態轉換為第二狀態，根據時鐘信號CLK控制開關控制信號Q1和Q2由第二狀態轉換為第一狀態。例如，控制信號生成電路12根據狀態信號vst由低電平變化為高電平控制開關控制信號Q1由指示導通轉換為指示關斷，Q2由指示關斷轉換為指示導通，也即，開關控制信號Q1和Q2由第一狀態(Q1導通，Q2關斷)切換為第二狀態(Q1關斷，Q2導通)；同時，控制信號生成電路12根據週期性出現的時鐘信號CLK的脈衝控制開關控制信號Q1和Q2由第二狀態(Q1關斷，Q2導通)轉換為第一狀態(Q1導通，Q2關斷)。
具體地，控制信號生成電路12’包括RS觸發器RS和驅動電路DR。
RS觸發器RS的重定端輸入所述狀態信號vst，RS觸發器RS的置位元端輸入時鐘信號CLK，輸出端輸出脈寬調製信號PWM。
驅動電路DR輸入脈寬調製信號PWM，輸出開關控制信號Q1和Q2。
在一個優選的實施方式中，控制電路10還包括時鐘信號生成電路14和斜坡補償信號生成電路15。
時鐘信號生成電路14包括電流源Ic、充電電容Cc、放電開關Sc和第二比較器A2。
電流源Ic、充電電容Cc和放電開關Sc並聯連接在第二比較器的第一輸入端(在圖3中為同相輸入端)和接地端之間。
第二比較器A2的第二輸入端輸入閥值電壓vth，輸出端輸出時鐘信號CLK。放電開關Sc由時鐘信號控制導通和關斷。
在放電開關Sc關斷時，電流源Ic對充電電容Cc充電，充電電容Cc兩端電壓以預定的斜率線性上升，當其上升到閥值電壓vth時，第二比較器A2輸出高電平，該高電平使得放電開關Sc導通，放電開關Sc使得充電電容Cc放電，其兩端電壓下降到零。由於充電電容Cc兩端電壓下降到小於閥值電壓vth，第二比較器A2輸出低電平，使得放電開關Sc關斷。由此，時鐘信號生成電路14能夠產生具有預定頻率的時鐘信號。
而且，利用時鐘信號生成電路14中的充電電容Cc的兩端電壓vr可以生成斜坡補償信號vramp。
斜坡補償信號生成電路15輸入充電電容Cc的非接地端的電壓，輸出斜坡補償信號vramp。具體地，充電電容Cc的非接地端的電壓vr為逐漸上升到閥值電壓vth然後在較短時間下降到0的三角波。斜坡補償信號生成電路15可以為乘法器，對充電電容Cc的非接地端的電壓乘以調整係數，獲得具有預定週期的斜坡補償信號vramp。
圖4是本發明第二實施例的開關電源在穩態工作時的工作波形圖。如圖4所示，通過連接在中間端LX和接地端之間的RC電路可以採樣到與電感電流同步變化的電壓vslop，受控電壓源U基於電壓vslop產生電壓vslop_ac，其與回饋電壓vfb疊加後生成電壓紋波vrip輸入到第一比較器A1。
同時，回饋電壓vfb與參考電壓vref的誤差被放大以生成誤差放大信號ve，誤差放大信號ve與斜坡補償信號vramp相減(或疊加)以獲得經斜坡補償的誤差放大信號vc。
在t1時刻，時鐘信號CLK的時鐘脈衝到來，RS觸發器RS被置位元，PWM信號為高電平(此時狀態信號為低電平(第一電平))，驅動電路DR進而根據高電平的PWM信號輸出互補的開關控制信號Q1和Q2，使得Q1指示導通，Q2指示關斷，由此，開關型變換器20的第一功率開關S1導通，第二功率開關S2關斷，其儲能電感L的電感電流iL開始上升。
在圖3所示的電路中，當電壓紋波vrip上升到大於電壓vc時(t2時刻)，狀態信號vst由低電平(第一電平)轉換為高電平(第二電平)，RS觸發器RS被復位，輸出低電平的PWM信號(此時時鐘信號CLK為低電平)，驅動電路DR進而根據低電平的PWM信號輸出互補的開關控制信號Q1和Q2，使得Q1指示關斷，Q2指示導通，由此，開關型變換器20的第一功率開 關S1被關斷，第二功率開關S2被導通，其儲能電感L的電感電流iL開始下降，直到下一個時鐘脈衝到來(t3)。
由此，控制電感電流iL在預定的範圍內變化，開關型變換器20輸出恒定的輸出電壓vo。
圖5是本發明第二實施例的開關電源在負載突減時的工作波形圖。如圖5所示，當負載突減時(t1時刻)，輸出電流io突減，由此導致回饋電壓vfb突然增大，進而使得電壓紋波vrip突然上升到大於經斜坡補償的誤差放大信號vc，第一比較器A1輸出高電平的狀態信號vst，進而使得RS觸發器RS復位，輸出低電平。在此情況下，第一功率開關S1關斷，第二功率開關S2導通，電感電流iL持續下降。
到t2時刻，時鐘信號CLK的時鐘脈衝到來，狀態信號vst保持為高電平。由此，RS觸發器RS的置位端和復位端均被輸入高電平，由於RS觸發器的置位端具有更高優先順序，RS觸發器RS被置位，輸出高電平，驅動電路DR輸出開關控制信號Q1和Q2控制第一功率開關S1導通，第二功率開關S2關斷。
在t3時刻，時鐘脈衝結束，時鐘信號CLK恢復為低電平，由於此時狀態信號vst仍然保持為高電平，RS觸發器RS被復位，輸出低電平，驅動電路DR輸出開關控制信號Q1和Q2控制第一功率開關S1關斷，第二功率開關S2導通，電感電流iL在短暫上後再次持續下降。
經過1-2個週期的重複，在t4時刻，電感電流iL下降到當前的輸出電流io附近，使得電壓紋波vrip逐漸下降到小於經斜坡補償的誤差放大信號vc。此時，時鐘脈衝到來，RS觸發器RS被置位，輸出高電平，導致驅動 電路DR輸出開關控制信號Q1和Q2控制第一功率開關S1導通，第二功率開關S2關斷。電感電流iL開始上升，而由於電壓紋波vrip小於經斜坡補償的誤差放大信號vc，狀態信號vst為低電平，在時鐘脈衝結束後，開關控制信號Q1和Q2的狀態仍然保持，直到電壓紋波vrip上升到大於經斜坡補償的誤差放大信號vc。由此，控制電路10’控制開關型變換器20重新進入穩態工作。
由此，在負載突減時，在過渡過程中，第一功率開關S1和第二功率開關S2仍然按照預定頻率導通和關斷。
本實施例通過將與開關型變換器儲能元件電流同步變化的電壓紋波作為參量進行定頻控制，提高了開關型變換器的控制精確性，使得頻率控制更加精確。
圖6是本發明第三實施例的開關電源的電路示意圖。如圖6所示，開關電源包括控制電路10”和開關型變換器20。開關型變換器20與第一實施例中的開關型變換器具有相同的結構。
控制電路10”包括狀態獲取電路11”和控制信號生成電路12”。
狀態獲取電路11”用於根據回饋電壓vfb和參考電壓vref生成誤差放大信號ve，利用具有預定頻率的斜坡補償信號vramp對誤差放大信號進行斜坡補償，並進而比較經斜坡補償的誤差放大信號vc和電壓紋波vrip輸出狀態信號vst。其與第二實施例的狀態獲取電路11’結構基本相同。在圖6中，狀態獲取電路11”的第一比較器A1的信號輸入與第二實施例中的第一比較器A1的信號輸入相反。
在一個優選實施方式中，狀態獲取電路11”所使用的斜坡補 償信號vramp基於與第二實施例中相同的時鐘信號生成電路14和斜坡補償信號15生成電路產生。
在一個優選實施方式中，電壓紋波vrip基於與第二實施例中相同的電壓紋波獲取電路13生成。
在本實施例中，控制信號生成電路12”在狀態信號vst為第一電平(例如高電平)時控制開關控制信號Q1和Q2為第一狀態(Q1導通，Q2關斷)，在狀態信號vst為第二電平(例如，低電平)時控制開關控制信號Q1和Q2為第二狀態(Q1關斷，Q2導通)。由於斜坡補償信號vramp為頻率固定的週期性信號，每當斜坡補償信號vramp週期性地回到最大值時，其大於電壓紋波，使得狀態信號vst的電平改變，由此，在穩態工作條件下，開關控制信號Q1和Q2具有預定頻率。也即，本實施例的控制信號生成電路12”無需輸入時鐘信號即可實現開關控制信號的生成。
具體地，控制信號生成電路12”可以僅包括驅動電路DR’，其根據狀態信號vst輸出對應的開關控制信號Q1和Q2。
圖7是本發明第三實施例的開關電源穩態工作時的工作波形圖。本實施例的開關電源在穩態工作時的波形圖與圖4基本相同。通過連接在中間端LX和接地端之間的RC電路可以採樣到與電感電流同步變化的電壓vslop，受控電壓源U基於電壓vslop產生電壓vslop_ac，其與回饋電壓vfb疊加後生成電壓紋波vrip輸入到第一比較器A1。
同時，回饋電壓vfb與參考電壓vref的誤差被放大以生成誤差放大信號ve，誤差放大信號ve與斜坡補償信號vramp疊加(或相減)獲得經斜坡補償的誤差放大信號vc。
不同的是，在t1時刻，具有預定頻率的斜坡補償信號vramp跳變，使得經斜坡補償的誤差放大信號vc跳變為大於電壓紋波vrip，進而使得狀態信號vst為高電平(第一電平)。驅動電路DR’根據高電平的狀態信號vst輸出互補的開關控制信號Q1和Q2，使得Q1指示導通，Q2指示關斷，由此，開關型變換器20的第一功率開關S1導通，第二功率開關S2關斷，其儲能電感L的電感電流iL開始上升。
在電感電流iL上升期間，經斜坡補償的誤差放大信號vc雖然持續下降，但是仍然大於電壓紋波vrip，使得狀態信號vst保持高電平，進而使得第一功率開關S1保持導通，第二功率開關S2保持關斷。
在t2時刻，電壓紋波vrip上升到大於電壓vc，狀態信號vst由高電平(第一電平)轉換為低電平(第二電平)，使得驅動電路DR’根據低電平的狀態信號vst輸出互補的開關控制信號Q1和Q2，使得Q1指示關斷，Q2指示導通，由此，開關型變換器20的第一功率開關S1關斷，第二功率開關S2的導通，其儲能電感L的電感電流iL開始下降，直到下一週期斜坡補償信號vramp跳變。
由此可見，在穩態工作期間，開關控制信號Q1和Q2的頻率為固定頻率。
圖8是本發明第三實施例的開關電源在負載突減時的工作波形圖。如圖8所示，當負載突減時(t1時刻)，輸出電流io突減，由此導致回饋電壓vfb突然增大，進而使得電壓紋波vrip突然上升到大於經斜坡補償的誤差放大信號vc，第一比較器A1輸出低電平的狀態信號vst。在此情況下，第一功率開關S1關斷，第二功率開關S2導通，電感電流iL持續下降。
在t2時刻，斜坡補償信號vramp週期性地跳變，同時，經斜坡補償的誤差放大信號vc也跳變，但是，跳變後的電壓vc仍然小於電壓紋波vrip，由此，使得第一比較器A1輸出的狀態信號vst保持為低電平，第一功率開關S1繼續保持關斷，第二功率開關S2繼續保持導通，電感電流iL持續下降，直到t3時刻。
在t3時刻，電感電流iL下降到當前的輸出電流io附近，使得電壓紋波vrip逐漸下降到小於經斜坡補償的誤差放大信號vc。此時，在經斜坡補償的誤差放大信號vc跳變後，跳變後的電壓vc大於電壓紋波vrip，第一比較器A1輸出高電平的狀態信號vst，從而使得第一功率開關S1導通，第二功率開關關斷，電感電流iL重新開始上升。電路重新進入穩態工作。
本實施例中，在負載突減時的過渡過程中，第一功率開關S1和第二功率開關S2的會減少一至兩次開關動作。
本實施例中，對於控制信號生成電路12”根據高電平的狀態信號輸出開關控制信號，使得第一功率開關S1導通，第二功率開關S2關斷，根據低電平的狀態信號輸出開關控制信號，使得第一功率開關S1關斷，第二功率開關S2導通。
本領域技術人員容易理解，上述設置方式並不是唯一的，也可以設置使得控制信號生成電路12”根據低電平的狀態信號輸出開關控制信號，使得第一功率開關S1導通，第二功率開關S2關斷，根據高電平的狀態信號輸出開關控制信號，使得第一功率開關S1關斷，第二功率開關S2導通。這僅需要將狀態獲取電路11”的第一比較器的同相輸入端和反相輸入端互換，即將狀態獲取電路11”調整為與第二實施例的狀態獲取電路11’完全相 同。
本實施例通過將與開關型變換器儲能元件電流同步變化的電壓紋波作為參量進行定頻控制，提高了開關型變換器的控制精確性，使得頻率控制更加精確。
圖9是本發明第四實施例的開關型變換器控制方法的流程圖。如圖9所示，所述方法包括：步驟910、根據回饋電壓和參考電壓生成誤差放大信號；步驟920、利用具有預定頻率的斜坡補償信號對所述誤差放大信號進行斜坡補償；及步驟930、比較經斜坡補償的誤差放大信號和電壓紋波，以輸出狀態信號。
其中，所述電壓紋波信號與所述開關型變換器的儲能元件電流同步變化。
步驟940、根據所述狀態信號輸出開關控制信號，控制開關型變換器。
優選地，步驟940具體包括：根據所述狀態信號和具有所述預定頻率的時鐘信號輸出所述開關控制信號，根據所述狀態信號控制所述開關控制信號由第一狀態轉換為第二狀態，根據所述時鐘信號控制所述開關控制信號由第二狀態轉換為第一狀態。
優選地，在另一種實施方式下，步驟940具體包括：在所述狀態信號為第一電平時控制所述開關控制信號為第一狀 態，在所述狀態信號為第二電平時控制所述開關控制信號為第二狀態。
本實施例通過將與開關型變換器儲能元件電流同步變化的電壓紋波作為參量進行定頻控制，提高了開關型變換器的控制精確性，使得頻率控制更加精確。
以上對本發明的實施例進行了描述。但是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而並非為了限制本發明的範圍。本發明的範圍由所附申請專利範圍第及其等價物限定。不脫離本發明的範圍，本領域技術人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應落在本發明的範圍之內。

Claims (13)

  1. 一種控制電路，用於控制一開關型變換器，該控制電路包括：一狀態獲取電路，用於根據一回饋電壓和一參考電壓生成一誤差放大信號，利用具有一預定頻率的一斜坡補償信號對該誤差放大信號進行斜坡補償，比較經斜坡補償的該誤差放大信號和一電壓紋波，以輸出一狀態信號，其中，該電壓紋波與該開關型變換器的一儲能元件電流同步變化；一電壓紋波獲取電路，用於將該回饋電壓與一紋波信號疊加獲得該電壓紋波，該紋波信號隨該開關型變換器的該儲能元件電流同步變化；及一控制信號生成電路，用於根據該狀態信號輸出一開關控制信號，控制該開關型變換器。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中，該控制信號生成電路用於根據該狀態信號和一具有預定頻率的時鐘信號輸出該開關控制信號，其中，該控制信號生成電路根據該狀態信號控制該開關控制信號由一第一狀態轉換為一第二狀態，根據該時鐘信號控制該開關控制信號由該第二狀態轉換為該第一狀態。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中，該狀態獲取電路包括：一誤差放大器，用於輸入該回饋電壓和該參考電壓生成該誤差放大信號； 一加法器，用於輸入該斜坡補償信號對該誤差放大信號進行斜坡補償；及一第一比較器，用於比較經斜坡補償的該誤差放大信號和該電壓紋波，以輸出該狀態信號。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的控制電路，其中，該電壓紋波獲取電路為一受控電壓源，該受控電壓源連接在一回饋電壓輸入端和該第一比較器輸入端之間，該受控電壓源的兩端電壓隨該開關型變換器的該儲能元件電流同步變化。
  5. 根據申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中，該控制電路還包括：一時鐘信號生成電路包括一電流源、一充電電容、一放電開關和一第二比較器，其中，該電流源、充電電容和該放電開關並聯連接在該第二比較器的第一輸入端和接地端之間，該第二比較器的第二輸入端輸入閥值電壓，輸出端輸出該時鐘信號，該放電開關由該時鐘信號控制；及一斜坡補償信號生成電路輸入該充電電容的兩端電壓，輸出該斜坡補償信號。
  6. 根據申請專利範圍第2項所述的控制電路，其中，該控制信號生成電路包括：一RS觸發器的重定端輸入該狀態信號，該RS觸發器的置位元端輸入該時鐘信號，輸出端輸出脈寬調製信號；及一驅動電路輸入該脈寬調製信號，輸出該開關控制信 號。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中，該控制信號生成電路在該狀態信號為一第一電平時控制該開關控制信號為該第一狀態，在該狀態信號為一第二電平時控制該開關控制信號為該第二狀態。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述的控制電路，其中，該狀態獲取電路包括：一誤差放大器，輸入該回饋電壓和參考電壓生成該誤差放大信號；一加法器，用於輸入該斜坡補償信號對該誤差放大信號進行斜坡補償；及一第一比較器，用於比較經斜坡補償的誤差放大信號和該電壓紋波，以輸出該狀態信號。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的控制電路，其中，該電壓紋波獲取電路為受控電壓源，該受控電壓源連接在回饋電壓輸入端和第一比較器輸入端之間，該受控電壓源的輸出電壓隨該開關型變換器的儲能元件電流同步變化。
  10. 一種開關電源，包括根據申請專利範圍第1至9項中任一項所述的控制電路，其中該開關型變換器包含可受該開關控制信號控制的一第一功率電晶體及一第二功率電晶體。
  11. 一種開關型變換器控制方法，包括：根據一回饋電壓和一參考電壓生成一誤差放大信號； 利用一具有預定頻率的斜坡補償信號對該誤差放大信號進行斜坡補償；比較經斜坡補償的該誤差放大信號和一電壓紋波，以輸出一狀態信號，該電壓紋波信號與該開關型變換器的一儲能元件電流同步變化；將該回饋電壓與一紋波信號疊加獲得該電壓紋波，該紋波信號隨該開關型變換器的該儲能元件電流同步變化；及根據該狀態信號輸出開關控制信號，控制該開關型變換器。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的開關型變換器控制方法，其中，該根據該狀態信號輸出開關控制信號，控制該開關型變換器包括：根據該狀態信號和具有該預定頻率的時鐘信號輸出該開關控制信號，根據該狀態信號控制該開關控制信號由第一狀態轉換為第二狀態，根據該時鐘信號控制該開關控制信號由該第二狀態轉換為該第一狀態。
  13. 根據申請專利範圍第11項所述的開關型變換器控制方法，其中，該根據該狀態信號輸出開關控制信號，控制該開關型變換器包括：在該狀態信號為第一電平時控制該開關控制信號為第一狀態，在該狀態信號為第二電平時控制該開關控制信號為第二狀態。
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