一种精确快速响应的降压型开关电源开关频率调整器的制作方法

本发明涉及电路领域技术，尤其是指一种精确快速响应的降压型开关电源开关频率调整器。

背景技术：

降压型开关电源作为一种高效率的电压调整器在各类电子设备中有十分广泛的应用。

例如，近年来，伴随汽车产品对能效的要求越来越高，超高效率的开关电源成为车载电源的首选。降压型开电源将大约12v的汽车电池电压换成车载电子设备需要的低电压（常见为5v或3.3v），为这些低电压电子设备提供电源。

降压型开关电源作为一种开关型电压调整器，在实现高效率的同时也存在幅射干扰较大的问题，传统开关电源500khz左右的开关频率与调辐广播信号频率相近，容易对调辐广播信号的接收带来干扰。于是最新的开关电压调整器开始使用2.1mhz的开关频率以避开调辐广播信号的工作频段。但由于开关电源工作的最小开启与最小关断时间有限，对于相同的最小开启与最小关断时间，2.1mhz的开关频率对比500khz的开关频率意味着更窄的占空比范围，这对输入输出电压比率产生更多的限制。当工作的输入输出电压比率过小或过大时，需要降低开关频率来取得合适的占空比，以保证开关电源的正常工作。因此，开关频率调整装置成为此类降压型开电源必不可少的组成部分。

以往的频率调整装置由于比较粗略，仅根据输入电压的变化做出大致的调整，为了达到充分的降频的目的，往往进行过大的调整，造成调整后的工作性能下降，输出纹波增大，对输出有大幅扰动等问题。

降压型开关电源需要性能更好的开关频率调整装置，主要包括以下部分:

1.它需要精确的频率调整，保证降频充分且不过分，即足够充分的前提下尽可能保持高的开关频率。以保持输出的纹波的最小化以及内部补偿电路的有效。

2.它需要能快速响应以应对汽车电池可能出现的快速电压变化。

3.它需要频率调整动作平顺柔和，对输出尽可能小的扰动。

这些要求以往简单的开关频率调整装置难以实现，需要新的开关频率调整电路设计来满足。

下面，通过计算分析降压型开关电源需要调频的原理:输出频率，输入电压，输出电压及最小开启与最小关断时间的关系。

vin=vout/d=vout/(ton*f)<公式一>

f:振荡器输出频率f=1/t

t:振荡器输出周期

vin:输入电压

vout：输出电压

d：占空比

ton:开启时间

d=ton*f

根据<公式一>，当输入电压上升时，开启时间就必须下降以保证公式成立，但最小的开启时间是有限的，当开启时间下降到最小开启时间时，就需要降低输出频率以保证公式继续成立。

与之相反，当输入电压下降时，开启时间就必须上升（即关断时间下降）以保证公式成立，最小的关断时间也是有限的，当关断时间下降到最小关断时间时，也需要降低输出频率以保证公式继续成立。

以上便是降压型开关电源需要调频的原理。

以往降压型开关电源的开关频率调整装置结构的电路图参见图1，电路图由３个部分组成。

1.输入电压检测器：功能是把输入电压与数个电压基准相比较，得到输入电压所处的电压区间，并生成数字编码信号输出。这种方式所设置的电压区间不能太多，通常仅分三个区间，即过高区间隔(需要调频)，过低区间(需要调频)及合适区间。

2.频率选择器：功能是根据输入电压检测器生成数字编码信号，选择合适的工作频率，并生成频率选择信号输出，通常为简单的数字逻辑电路。

3.振荡器：功能是产生时钟信号作为降压型开关电源的工作频率基准，它的输出频率就频率选择器选定。

合适的振荡器输出频率是由输入电压，输出电压及最小开启与最小关断时间共同决定的，而该结构由于仅检测输入电压，设计人员必须在设计电路时选预设电路的允许输出电压范围和最小开启与最小关断时间进行计算，进而预先设置输入电压区间与振荡器输出频率的对应关系。

依据图纸1的以往结构设计计算举例：

假设一个降压型开关电源的正常工作频率为2mhz，输入电压范围是6v~36v，输出电压范围是3v~5.5v，设计的最小开启时间为100ns，最小关断时间为100ns.则可计算得，该电源在输入电压为6.875v~15v之间时可工作在2mhz，不需要降频率.在6v~6.875v区间，为满足输出5.5v时正常工作，工作频率需要降到1.67mhz，而在15v~36v区间，为满足输出3v时正常工作，工作频率需要降到833khz.

通过这个计算举例我们可以看到，以往结构因为仅根据输入电压决定工作频率，在设计时需要考虑降频量能满足整个允许输出范围的正常工作，就必须进行大幅降频。从而带来降频后的频响，纹波等性能下降。与此同时，如此大幅度的降频不可避免地带来对输出的瞬态扰动问题，又需要设计其它的结构对扰动进行补偿。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种精确快速响应的降压型开关电源开关频率调整器，用以满足应用端对开关频率调整器的性能要求。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种精确快速响应的降压型开关电源开关频率调整器，包括调频判断器、n位频率调整器、振荡器，该调频判断器的输出连接n位频率调整器，该n位频率调整器的输出连接振荡器，该振荡器的输出连接于调频判断器，形成闭环的控制回路。

作为一种优选方案，调频判断器对输入电压，输出电压，最小开启时间，最小关断时间进行处理分析，以及振荡器输出频率反馈到调频判断器进行实时判断，输出判断信号，该判断信号携带了振荡器输出频率是否满足正常工作要求的判断结果，再输入到n位频率调整器，ｎ位频率调整器又根据调频判断器的输出进行实时调整，直到振荡器的输出频率稳定在正好合适的频率上。

作为一种优选方案，所述调频判断器包括第一逻辑减法器、第二逻辑减法器、第一模拟减法器、第二模拟减法器、第一积分器、第二积分器、第三积分器、第四积分器、第一比较器、第二比较器、或门；所述第一逻辑减法器电性连接于第一积分器，第一模拟减法器电性连接于第二积分器，该第一积分器和第二积分器电性连接于第一比较器；同时第二逻辑减法器和第二模拟减法器均电性连接于第三积分器，第三积分器和第四积分器均电性连接于第二比较器；第一比较器和第二比较器均连接于或门。

作为一种优选方案，振荡器输出频率和最小开启时间接入第一逻辑减法器，第一逻辑减法器运算出周期-最小开启时间，送入第一积分器，同时输出电压也接入第一积分器，由第一积分器运算出（周期-最小开启时间）*输出，此输出再接入第一比较器中；

与此同时，输入电源和输出电压还接入到第一模拟减法器中，运算出输入电源-输出，再接入到第二积分器中，同时最小开启时间也接入第二积分器中，由第二积分器运算出（输入电源-输出）*最小开启时间，再接入第一比较器中；

第一比较器运算出调频判断信号1，接入或门；

振荡器输出频率和最小关断时间还接入到第二逻辑减法器，第二逻辑减法器运算出周期-最小关断时间，接入到第三积分器，同时输入电源和输出电压还接入到第二模拟减法器，该第二模拟减法器运算出输入电源-输出，接入第三积分器，由第三积分器运算出（周期-最小关断时间）*（输入电源-输出），接入第二比较器中；

与此同时，最小关断时间和输出电压还接入第四积分器，由第四积分器运算出输出*最小关断时间，接入第二比较器中；

第二比较器运算出调频判断信号2，接入或门；

或门选择出合适的判断信号输出到n位频率调整器。

作为一种优选方案，所述调频判断器的工作基于以下公式

开启时ton需要大于最小的开启时间ton_min。

即ton>ton_min

可以将vin=vout/d=vout/(ton*f)<公式一>演化成：

ton=(vout*t)/vin

所以(vout*t)/vin>ton_min，

即vout>ton_min*vin/t=d_min*vin

其中ton_min为最小开启时间，d_min为最小占空比，d_min=ton_min/t稍加演化，上式可改写为:

vout*(t-ton_min)>(vin-vout)*ton_min

如果当前工作频率使上述不等式成立，则不需要进行调频；反之，则需要调低工作频率；

相反，关断时间也要大于最小关断时间；

即toff>toff_min

类似地，可以演化出:

(vin-vout)*(t-toff_min)>vout*toff_min

如果当前工作频率使上述不等式成立，则不需要进行调频；反之，则需要调低工作频率。

作为一种优选方案，所述n位频率调整器为8位频率调整器。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，本发明的带反馈的、精确，快速响应，无输出扰动的降压型开关电源开关频率调整器设计的电路图，电路结构包括３个部分：调频判断器、n位频率调整器、振荡器。电路根据当前的输入输出电压以及当前电路的最大最小占空比，对降压型开关电源的开关频率进行实时的，逐周期的动态调整，并将调整结果反馈回检测电路重新判断，从而精确地将降压型开关电源的开关频率稳定在保证其正常工作的最高值。频率调整动作平顺柔和，对输出电压不产生扰动。本发明提供了以下特性：

1、设计新的调频检测及判断电路，检测当前的输入电压，输出电压，当前的最大，最小关断时间信号，将这些信号引入判断电路，得到这些信息的判断电路可以对当前是否需要做频率调整做出精确的判断。

2、调整后的频率作为检测变量反馈回到检测电路，判断调整是否已经到位。

3、判断是逐周期进行的，每个开关周期均可完成一次检测判断，并立即做出调整动作，不需要做误差的积分过程，从而可以实现快速调整。

4、调频动作也逐周期进行的，并不会发生频率的大辐跳变，对输出电压不产生扰动。

与之对应，以往的频率调整装置是开环的（无反馈的），仅仅根据输入电压做出粗略的调整，因而对开关电源的频响，纹波等性能影响是显著的．并且在调整瞬间还会对输出产生扰动，本发明完全克服了以往电路的不足。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是现有降压型开关电源的开关频率调整装置结构的电路图。

图2是本发明之实施例的降压型开关电源的开关频率调整装置结构的电路图。

图3是本发明之实施例的调频判断器的示意图。

附图标识说明：

10、调频判断器101、第一逻辑减法器

102、第二逻辑减法器103、第一模拟减法器

104、第二模拟减法器105、第一积分器

106、第二积分器107、第三积分器

108、第四积分109、第一比较器

110、第二比较器111、或门

20、n位频率调整器30、振荡器。

具体实施方式

请参照图2和图3所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，是一种带反馈的、精确，快速响应，无输出扰动的降压型开关电源开关频率调整器设计的电路图，电路结构包括３个部分：调频判断器10、n位频率调整器20、振荡器30。

其中，所述调频判断器10的功能是对输入电压，输出电压，最小开启时间，最小关断时间，振荡器30输出频率进行处理分析，振荡器30输出频率是否满足正常工作要求的判断结果。调频判断器10的这些输入信号包括了判断振荡器30输出频率是否满足正常工作要求的所有要素，因而能直接得到准确的结果。

所述ｎ位频率调整器的功能是根据调频判断器10的输出，对振荡器30的频率做出向下或向上的调整动作。一个８位的频率调整器，能对频率做出每步0.4%的精细调整动作。

所述振荡器30的功能是产生时钟信号作为降压型开关电源的工作频率基准，它的输出频率由ｎ位频率调整器控制。

该调频判断器10的输出连接n位频率调整器20，该n位频率调整器20的输出连接振荡器30，该振荡器30的输出连接于调频判断器10，形成闭环的控制回路。各输入信号：输入电源、输出电压、最小开启时间、最小关断时间和振荡器30输出频率输入到调频判断器10，振荡器30的输出频率反馈到调频判断器10进行实时判断，ｎ位频率调整器又根据调频判断器10的输出进行实时调整，直到振荡器30的输出频率稳定在正好合适的频率上。

本实施例中，调频判断器10的设计如下：调频判断器10包括第一逻辑减法器101、第二逻辑减法器102、第一模拟减法器103、第二模拟减法器104、第一积分器105、第二积分器106、第三积分器107、第四积分器108、第一比较器109、第二比较器110、或门111。

其中，第一逻辑减法器101电性连接于第一积分器105，第一模拟减法器103电性连接于第二积分器106，该第一积分器105和第二积分器106电性连接于第一比较器109。同时，第二逻辑减法器102和第二模拟减法器104均电性连接于第三积分器107，第三积分器107和第四积分器108均电性连接于第二比较器110；第一比较器109和第二比较器110均连接于或门111。

振荡器30输出频率和最小开启时间接入第一逻辑减法器101，第一逻辑减法器101运算出周期-最小开启时间，送入第一积分器105，同时输出电压也接入第一积分器105，由第一积分器105运算出（周期-最小开启时间）*输出，此输出再接入第一比较器109中。

与此同时，输入电源和输出电压还接入到第一模拟减法器103中，运算出输入电源-输出，再接入到第二积分器106中，同时最小开启时间也接入第二积分器106中，由第二积分器106运算出（输入电源-输出）*最小开启时间，再接入第一比较器109中。

第一比较器109运算出调频判断信号1，接入或门111。

振荡器30输出频率和最小关断时间还接入到第二逻辑减法器102，第二逻辑减法器102运算出周期-最小关断时间，接入到第三积分器107，同时输入电源和输出电压还接入到第二模拟减法器104，该第二模拟减法器104运算出输入电源-输出，接入第三积分器107，由第三积分器107运算出（周期-最小关断时间）*（输入电源-输出），接入第二比较器110中。

与此同时，最小关断时间和输出电压还接入第四积分器108，由第四积分器108运算出输出*最小关断时间，接入第二比较器110中。

第二比较器110运算出调频判断信号2，接入或门111。

或门111选择出合适的判断信号输出到n位频率调整器20。

调频判断器10作为判断当前是否需要调整频率的电路。其工作原理基于以下计算:

开启时（ton）需要大于最小的开启时间(ton_min)。

即ton>ton_min

可以将<公式一>演化成：

ton=(vout*t)/vin

所以(vout*t)/vin>ton_min，

即vout>ton_min*vin/t=d_min*vin

其中ton_min为最小开启时间，d_min为最小占空比，d_min=ton_min/t稍加演化，上式可改写为:

vout*(t-ton_min)>(vin-vout)*ton_min

如果当前工作频率使上述不等式成立，则不需要进行调频。反之，则需要调低工作频率。

相反，关断时间也要大于最小关断时间。

即toff>toff_min

类似地，可以演化出:

(vin-vout)*(t-toff_min)>vout*toff_min

如果当前工作频率使上述不等式成立，则不需要进行调频。反之，则需要调低工作频率。

调频判断器10设计所依据的计算公式也可以推演出其它的具体形式，从而产生不同的电路架构，这些架构都在本发明的声明范围内。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。