开关电源调制电路和开关电源的制作方法

本发明涉及开关电源技术领域，具体涉及一种开关电源调制电路和一种开关电源。

背景技术：

开关电源(开关稳压器)一般有三种基本调制方案：脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲密度调制(PDM)。

1)脉冲宽度调制，即脉宽调制。其特点是开关信号的周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比。此方案在开关电源中应用最普遍。

2)脉冲频率调制，即脉频调制。其特点是开关信号的脉冲宽度为恒定值，通过调节信号周期来改变占空比。

3)脉冲密度调制，即脉密调制。其特点是开关信号的脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数量来实现稳压目的。

开关电源通过上述三种基本调制方案中的一种或两种的组合来调控开关元件，并与输出级的反馈信号构成一个完整的负反馈系统，实现稳压的目的。

但上述三种调制方案实现起来都需要复杂的电路(如三角波或锯齿波发生器)；在反馈信号内有一部分阈值是作为线性调控响应信号的，这也使得输出电压有一定的阈值波动，使负载调整率偏高；PWM和PFM的响应速度还受信号周期限制，反馈信号到达后需要等待下一周期才响应；PWM方案中当负载小，占空比较小时，会使开关元件的开关消耗比例增大，严重影响效率。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种开关电源调制电路和相应的一种开关电源，以解决上述问题。

第一方面，本发明提供一种开关电源调制电路，其特征在于，包括：方波发生电路和异步复位电路；其中，

所述异步复位电路与所述方波发生电路和开关电源的输出反馈端均连接，用于根据所述开关电源的输出反馈端的电压大小产生复位信号，并将所述复位信号发送至所述方波发生电路；

所述方波发生电路用于接收所述复位信号，根据所述复位信号产生脉冲信号以及输出所述脉冲信号。

可选的，所述方波发生电路采用多谐振荡电路实现。

可选的，所述多谐振荡电路采用555时基芯片实现。

可选的，所述异步复位电路采用所述555时基芯片和三极管实现。

可选的，所述三极管的基极与所述开关电源的输出反馈端连接，所述三极管的集电极与所述555时基芯片的强制复位引脚连接，所述三极管的发射极与所述555时基芯片的输出引脚连接。

可选的，所述异步复位电路采用所述555时基芯片和三极管型光电耦合器实现。

可选的，所述三极管型光电耦合器的输入端阳极与所述开关电源的输出反馈端连接，所述三极管型光电耦合器的输入端阴极接输出反馈信号地，所述三极管型光电耦合器的集电极与所述555时基芯片的强制复位引脚连接，所述光电耦合器的发射极与所述555时基芯片的输出引脚连接。

可选的，所述555时基芯片为采用TTL工艺的555时基芯片。

可选的，所述555时基芯片为采用CMOS工艺的555时基芯片。

第二方面，本发明提供一种开关电源，包括：本发明提供的任一项所述的开关电源调制电路。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种开关电源调制电路，包括：方波发生电路和异步复位电路；其中，所述异步复位电路与所述方波发生电路和开关电源的输出反馈端均连接，用于根据所述开关电源的输出反馈端的电压大小产生复位信号，并将所述复位信号发送至所述方波发生电路；所述方波发生电路用于接收所述复位信号，根据所述复位信号产生脉冲信号以及输出所述脉冲信号。本发明提供的所述开关电源调制电路，基于全新的采集开关电源的输出反馈端的电压信号作为反馈信号，进而响应反馈信号而进行调制的调制机理，可以替代现有技术中的上述三种基本调制方案。本发明提供的所述开关电源调制电路省去了原有调制信号的周期元素、占空比元素，电路结构大大简化；反馈信号可以把整个阈值波动段的电压压缩成某一固定电压值，使负载调整率可以降得很低；此外，本发明提供的所述开关电源调制电路在小负载工作时，效率也不会明显下降。

本发明提供的一种开关电源，采用了上述开关电源调制电路，与上述开关电源调制电路基于相同的发明构思，具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本发明第一实施例所提供的一种开关电源调制电路的结构示意图；

图2示出了本发明第二实施例所提供的一种开关电源调制电路的电路图；

图3示出了本发明第三实施例所提供的一种开关电源调制电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

请参考图1，其为本发明第一实施例所提供的一种开关电源调制电路的结构示意图，所述开关电源调制电路，包括：方波发生电路101和异步复位电路102；其中，

所述异步复位电路102与所述方波发生电路101和开关电源的输出反馈端103均连接，用于根据所述开关电源的输出反馈端103的电压大小产生复位信号，并将所述复位信号发送至所述方波发生电路101；

所述方波发生电路101用于接收所述复位信号，根据所述复位信号产生脉冲信号以及输出所述脉冲信号。

本发明实施例中，所述方波发生电路101可以由多种实施方式，例如可以利用迟滞比较器构建简单的方波产生电路，也可以采用复杂些的多谐振荡电路实现，其均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例优选的使用多谐振荡电路作为方波产生电路，在具体实施时，可以采用555时基芯片实现，555时基芯片也称为555时基电路、555集成电路或555定时器。555时基芯片由于工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555时基芯片内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，能够产生精确的时间延迟和震荡。

典型的555时基芯片是8脚封装，双列直插型，其中6脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3脚是输出端(Vo)，它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(MR)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。

本发明实施例中，所述异步复位电路102可以采用所述555时基芯片和三极管实现，具体的，可以将所述三极管的基极与所述开关电源的输出反馈端103连接，所述三极管的集电极与所述555时基芯片的强制复位引脚连接，所述三极管的发射极与所述555时基芯片的输出引脚连接，从而利用所述555时基芯片和所述三极管构成异步复位电路102。

为了实现本发明提供的所述开关电源调制电路输入和输出的电隔离，在本发明提供的一个实施例中，可以用三极管型光电耦合器代替上述三极管，所述异步复位电路102采用所述555时基芯片和三极管型光电耦合器实现。具体的，可以将所述三极管型光电耦合器的输入端阳极与所述开关电源的输出反馈端103连接，所述三极管型光电耦合器的输入端阴极接输出反馈信号地，所述三极管型光电耦合器的集电极与所述555时基芯片的强制复位引脚连接，所述光电耦合器的发射极与所述555时基芯片的输出引脚连接。

555时基芯片按照制作原理可以分为采用TTL工艺的555时基芯片(双极型555时基芯片)和采用CMOS工艺的555时基芯片(CMOS型555时基芯片)，本发明实施例可以根据实际需求选择使用，例如，采用双极型555时基芯片，复位端引脚4与芯片供电电压之间不需要串接电阻，可以进一步简化电路；采用CMOS型555时基芯片，能进一步降低调制功耗。

本发明实施例提供的所述开关电源调制电路的原理为脉冲响应调制，其原理为：

设定：

脉冲保持时间t_on(某一恒定值，根据实际设定)

脉冲结束后延时时间t_off(某一恒定值，根据实际设定)

等待时间t_wait(变化值，在0～∞时间内变化)

t_on时间内，调制信号输出高电平(正逻辑)；t_off和t_wait时间内，调制信号输出低电平(正逻辑)。

其中一个脉冲保持时间t_on后面紧跟一个脉冲结束后延时时间t_off，称为一个响应单位t_response，记作t_rsp(t_rsp＝t_on+t_off)。

整个调制输出由响应单位t_rsp和等待时间t_wait构成，t_rsp和t_wait之间互不能重叠(与本身也不能重叠)。

在t_wait时间内，时刻监控输出电压的反馈信号，当反馈信号低于某一设定值时，立即终止t_wait模式，同时来一个响应单位t_rsp；一个响应单位t_rsp结束后立即切换到等待时间t_wait模式。循环此步骤。

注：当两个相邻t_rsp间的t_wait非常小(t_wait→0)，可以看作t_rsp到t_rsp之间的直接切换(t_wait＝0)。

以理想元件进行数据分析。

定义：

拓扑电感L

拓扑输入电容C_in

拓扑输出电容C_out

拓扑充放电回路内阻R₀

拓扑电感中电流I_L

刚开始对电感充电时，电感上次余留的电流I_L′

电感刚对外放电时，电感上次余留的电流I_L″

拓扑输入电压U_in

拓扑输出电压U_out

电感充电电压U_L

开关元件开启后保持时间t_on

开关元件关闭后保持时间t_off

其中在串联型拓扑结构中U_L＝U_in-U_out，并联型拓扑结构中U_L＝U_in。

开关电源的各种拓扑结构都可以看作U_L对L(有些采用变压器，但分析原理类似，这里不做累述)一阶充电，再把L内的能量释放到输出级的循环过程。对于串联型拓扑结构，由于每次对电感充电时间比较短，输出级电容的电压变化很小，即ΔU_L变化很小，此结论也成立。

对电感充电时：

$I_L=\frac{U_L}{R_0}\×(1-e^{-\frac{t_{on}}{\mathrm{\τ}}})+{I_L}^{\′}$

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{R_0}$

由于实际应用中t_on＜＜τ，可看作t_on→0(I_L′对其影响忽略)：

$\underset{t_{on}\→0}{\lim }{I}_L=\underset{t_{on}\→0}{\lim }\frac{U_L}{R_0}\×(1-e^{-\frac{t_{on}}{\mathrm{\τ}}})+{I_L}^{\′}$

计算得：

$I_L=\frac{U_L}{L}\×t_{on}+{I_L}^{\′}$

对电感放电时，可看作L和C构成的LC并联震荡周期的一部分(L对C放电电流的过零时刻)，其中并联拓扑电路中U_C＝U_out-U_in,串联拓扑电路中C＝C_out,U_C＝U_out：

由于实际应用中且可看作t_off→0：

计算得：

$I_L={I_L}^{\′\′}-\frac{U_C}{L}\×t_{off},(I_L\≥0)$

电感放完电：

I_L＝0,(I_L＝0)

由电感的充电公式和放电公式可以得出：

电感电流随充电时间正比增大，随放电时间正比减小(减小到0为止)。

以某次响应脉冲的开启时刻为零时刻，在下一脉冲到来之前开关电源的前级向后级传输的能量随时间t(t≥t_rsp)为:

串联型拓扑结构中:

$W={\∫}_0^{t_{on}}(\frac{U_L}{L}\×t+{I_L}^{\′})U_{out}dt+{\∫}_{t_{on}}^t({I_L}^{\′\′}-\frac{U_C}{L}\×(t-t_{on}\left)\right)U_{out}dt$

并联型拓扑结构中:

$W={\∫}_0^{t_{on}}0\×U_{out}dt+{\∫}_{t_{on}}^t({I_L}^{\′\′}-\frac{U_C}{L}\×(t-t_{on}\left)\right)U_{out}dt$

此处

开关电源在正常工作中，可以看作输入级和输出级电压不变，能量从输入级一份份向输出级传输的过程。该脉冲响应调制原理的每个响应单位对应每次的传输能量。

开关电源搭载该脉冲响应调制方案，分析一个响应单位过程和多个连续响应单位过程，都能有效工作。

考虑到开关元器件的内阻、开关消耗等因素，电感电流不易增加过大，每次开启后保持时间不易过短，响应单位里t_on和t_off应选择合理值，开关电源可工作在连续模式和非连续模式。

该调制方案每一响应单位里都至少有一固定的放电时间，有效限制了电感电流的上限。当小负载或者空载时，该调制方案中相邻两响应单位间隔会响应增大，脉冲宽度不变，有效地保证了效率。

该脉冲响应调制方案有如下优点：省去了原有调制信号的周期元素、占空比元素，只采用反馈响应模式；同时反馈无需等待下一周期响应；反馈信号把整个阈值波动段的电压压缩成某一固定电压值；信号的信息只有两种，一种是输出电压达到或超过预设值，需等待，另一种是输出电压没达到预设值，需响应脉冲；脉冲宽度不变。

本发明实施例提供的所述开关电源调制电路基于上述脉冲响应调制方案，具有相同的有益效果。

请参考图2，其为本发明第二实施例所提供的一种开关电源调制电路的电路图，本发明第二实施例所提供的所述开关电源调制电路采用555时基芯片实现，图2中，VDD为芯片供电电压；Uout为开关电源输出电压；Uout-GND为开关电源输出地；PRM为脉冲响应调制的输出(即为开关电源调制电路最终输出的脉冲信号，可直接驱动开关元件)，其他各元器件符号为电子电路技术领域通用符号，具体连接关系请参照附图所示。

该发明实施例中，高电平仅取决于R1C1，低电平仅取决于R2C2。

此外，2和3引脚间的二极管可以再串联一个电阻，减小输出信号的上升时间，但其阻值选取应保证复位后首次脉冲宽度和连续脉冲宽度一致。

请参考图3，其为本发明第三实施例所提供的一种开关电源调制电路的电路图，本发明第三实施例所提供的所述开关电源调制电路采用555时基芯片实现，并采用了三极管型光电耦合器进行电隔离，图3中，VDD为芯片供电电压；Uout为开关电源输出电压；Uout-GND为开关电源输出反馈信号地；PRM为脉冲响应调制的输出(即为开关电源调制电路最终输出的脉冲信号，可直接驱动开关元件)，其他各元器件符号为电子电路技术领域通用符号，具体连接关系请参照附图所示。

该发明实施例中，高电平仅取决于R1C1，低电平仅取决于R2C2。

此外，2和3引脚间的二极管可以再串联一个电阻，减小输出信号的上升时间，但其阻值选取应保证复位后首次脉冲宽度和连续脉冲宽度一致。

本发明还提供一种开关电源，包括：本发明提供的任一项所述的开关电源调制电路。由于本发明提供的所述开关电源采用本发明提供的开关电源调制电路，因此，请参照上述开关电源调制电源的实施例进行理解，此处不再赘述，所述开关电源与上述开关电源调制电路基于相同的发明构思，具有相同的有益效果。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。