专利名称：开关电源电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种开关电源电路。
技术背景在目前的开关电源电路中，通常包括一个误差放大器(Error Amplifier, EA)和一个具有一定动态范围的脉宽调制器(P丽)或者是 脉频调制器(PFM)。误差放大器的输出端连接到脉宽调制器(P丽)或者 是脉频调制器(PFM)，误差放大器为一个跨导运算放大器(Operational Transconductance Amplifier, 0TA)，它具有较大的输出范围，通常最高 输出电压为该放大器的电源电压，最低为该放大器的地，即具有"轨至轨" 输出能力。误差放大器来比较参考电压和反馈电压的差值，根据差值在误 差放大器输出端输出一个电压，脉宽调制器(P丽)或者是脉频调制器(PFM) 根据误差放大器输出端电压输出信号。为了稳定调制器输出信号的脉宽或 脉频，通常在误差放大器的输出端挂一个补偿电容。当误差放大器的输出 超过脉宽或脉频调制器的动态范围时，开关电源电路的输出信号的脉宽或 者脉频将不能改变，输出最小输出能量状态或者最高能量输出状态。由于 误差放大器的输出电流有限和输出电容的影响，当开关电源负载发生变化 时会造成开关电源电路输出信号的脉宽或者脉频不能及时改变，降低开关 电源的瞬态响应特性，严重时造成振荡，尤其在误差放大器工作电源会改 变的情况下。为了提高开关电源的响应特性，通常采用的办法是提高开关电源的工作频率，并在跨导运算放大器的输出端连接较大的补偿电容。图1所示为一种常见的脉宽调制开关电源电路，该脉宽调制开关电源电路包含一个跨导运算放大器OTA和一个比较器，跨导运算放大器OTA 输出端接一个补偿电容。跨导运算放大器OTA将反馈电压FB同参考电压 REF比较，并输出一个脉宽调制控制电压COMP。比较器将脉宽调制控制电 压COMP与振荡器产生的斜坡信号OSC—ramp比较产生一个脉宽(占空比) 可变的方波信号P丽0。跨导运算放大器OTA具有轨至轨输出能力，即OTA 的最高输出电压可以达到OTA的电源电压VDD，最低输出电压可以达到地 GND。如图3所示，振荡器产生的斜坡信号OSC—ramp最高输出电压为 OSCjeak、最低输出电压为OSC—valley,当输出的脉宽调制控制电压COMP 超出OSC—ramp的电压范围时，比较器输出的脉宽调制方波信号的占空比 便不能改变，超出开关电源的动态范围，脉宽调制方波信号P醫0存在上 升沿迟滞时间TLR和下降沿迟滞时间Tlf，这时将会有过多的电荷被充至 输出电容中，或者输出电容的电荷得不到及时补充，造成输出电压纹波大， 纹波持续时间长，从而降低开关电源的瞬态响应能力。而为了补偿在图3 中的迟滞时间中造成输出电容的过充或者过放通常需要采用更大的补偿 电容，而更大的补偿电容会使误差放大器的环路带宽进一步减小，降低环 路的瞬态响应。 发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种开关电源电路，该开关电源电路 瞬态响应速度快，在不同工作电源电压下的稳定性高，补偿电路简单。 为解决上述技术问题，本发明的开关电源电路包括误差放大器、调制器、补偿电容，误差放大器输出端同调制器、补偿电容相连，还包括电压 钳位电路，连接于误差放大器输出端。所述调制器可以为脉频调制器或脉宽调制器。本发明的开关电源电路，在误差放大器输出端增加电压钳位电路，使 误差放大器输出端电压最高值略高于调制器比较信号最高电压，最低值略 样只要低于比较信号最低电压，这反馈电压一变化，调制器马上能够根据 变化量来确定输出的信号，提高了电路的响应速度。同时由于加入电压钳 位电路后的误差放大器输出端电压最高值、最低值为确定值，因此不会存 在误差放大器的工作电源电压会影响电路响应的状况，使得开关电源电路 在整个工作电压范围内更加稳定，可以简化补偿电路的设计。
图1是一种常见脉宽调制开关电源电路；图2是本发明的开关电源电路的一实施例示意图；图3是图1所示开关电源电路中各点电压变化时序示意图；图4是图2所示开关电源电路中各点电压变化时序示意图；图5是电压钳位电路的实现方法之一；图6是电压钳位电路的实现方法之二；图7是本发明的一脉频调制开关电源电路；图8是本发明的电流控制模式的开关电源控制电路。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。从图3中可以看出，要增加控制系统的瞬态响应能力，首先需要縮短图3中上升沿迟滞时间TLR和下降沿迟滞时间TLF，这样在误差放大器反馈电压FB出现变化时，开关电源电路能够快速进行脉宽或脉频的调整， 使输出稳定在某一固定值。本发明的开关电源电路中，主要利用一个电压 钳位电路，将误差放大器的输出电压钳制在脉宽或脉频(P丽或者PFM) 调制器的动态调节范围之内，电压钳位电路接在误差放大器的输出端。在 脉宽控制电路中，误差放大器的输出电压C0MP被钳制在钳位低电压 lowerClamp略低于振荡器产生的斜坡信号0SC—ramp的最低电压 0SC—valley，而钳位高电压upperClamp略高于斜坡信号OSC—ramp的最高 电压OSC_peak，这样脉宽调制器就能工作在最高或最低占空比下，同时 能满足快速瞬态响应的特点，例如，斜坡信号0SC—ra即的峰值电压是 2.5V，其谷值电压是0.5V，那么误差放大器的输出电压COMP可以钳制在 最低电压0.4V，最高电压钳制在2.6V，这样调制器进入占空比可制的时 间将大大縮短。如果电源电压是5V的话，误差放大器的最高输出电压也 将达到5V，当误差放大器的输出电压COMP下降到2. 5V的时候调制器才 能够进行占空比的调制。在同样摆率(slew rate)下，当误差放大器输 出电压COMP受到钳制后，脉宽调制器进入调制的时间只有原来所需时间 的1/25，瞬态响应大大提高，同时由于占空比能够快速变化，接于误差 放大器输出端的补偿电容也可以大大减小，从而使反应速度进一步提高。 误差放大器电压钳位电路必须具有下列特性，当误差放大器的输出电 压COMP升高到钳位高电压upperClamp时，电压钳位电路吸收一定电流， 使COMP能够稳定在钳位高电压upperClamp,而当COMP降低到钳位低电 压lowerClamp的时候，电压钳位电路会放出一定电流，将电压稳定在钳位低电压lowerClamp附近，而在当误差放大器的输出电压介于钳位高电 压同钳位低电压之间的时候，电压钳位电路既不吸收也不放出电流，电压 钳位电路不会干扰误差放大器的工作，脉宽调制器可以正常的工作。图5 和图6是该电压钳位电路的两种实现方式。图5中，电压钳位电路包含第一运算放大器0P1 、第二运算放大器0P2、 第一场效应管M1、第二场效应管M2，第一运算放大器0P1的正相输入端 接一固定钳位高电压upperClamp，反相输入端接跨导运算放大器输出端， 输出端接第一场效应管M1栅极，第一场效应管M1源端及漏端分别接跨导 运算放大器输出端和地;第二运算放大器0P2的正相输入端接一固定钳位 低电压lowerClamp，反相输入端接跨导运算放大器输出端，输出端接第 二场效应管M2栅极，第二场效应管M2源端及漏端分别接跨导运算放大器 输出端和直流电源。其中第一运算放大器0P1用来钳制跨导运算放大器 0TA的最高输出电压，当钳制跨导运算放大器0TA的输出电压C0MP上升 接近钳位高电压upperClamp时，第一运算放大器0P1会控制第一场效应 管M1的导通，吸收掉跨导运算放大器OTA的输出电流，使钳制跨导运算 放大器0TA的最高输出电压稳定在钳位高电压upperClamp;第二运算放 大器0P2用来钳制跨导运算放大器0TA的最低输出电压，当钳制跨导运算 放大器0TA的输出电压C0MP下降接近钳位低电压lowerClamp时，第二运 算放大器0P2控制第二场效应管M2的导通，释放出一定电流来补偿跨导 运算放大器0TA吸收的电流，使跨导运算放大器0TA的最低输出电压稳定 在钳位低电压lowerClamp。图6所示为另外一种电压钳位电路，包括第五场效应管M5、第六场效应管M6、第三场效应管M3、第四场效应管M4，第六场效应管M6栅极 与漏端短接，由一固定偏置电流I一biasl偏置，其源端接一固定钳位低电 压lowerClamp;第五场效应管M5与第六场效应管M6的栅极短接，其漏 端接电源，源端接跨导运算放大器OTA输出端；第三场效应管M3的栅极 与漏端短接，受一恒定偏置电流Lbias2偏置，其源端接一固定钳位高电 压upperClamp;第四场效应管M4与第三场效应管M3的栅极短接，其源 端接跨导运算放大器OTA输出端，漏端接地。图6中第五场效应管M5与第六场效应管M6用来钳制跨导运算放大器 0TA的最低输出电压，当跨导运算放大器OTA输出端电压C0MP降低到钳 位低电压lowerClamp附近时，第五场效应管M5会因为源端与栅极电压增 加而导通，开始输出电流来补偿跨导运算放大器0TA吸收的电流并使跨导 运算放大器0TA输出端电压C0MP稳定在钳位低电压lowerClamp附近。图 6中第三场效应管M3和第四场效应管M4用来钳制跨导运算放大器0TA的 最高输出电压，当跨导运算放大器0TA的输出端电压C0MP上升过程中， 第四场效应管M4的VGS(M0S管的栅源电压)会增加，当跨导运算放大器 0TA的输出端电压C0MP上升到接近钳位高电压upperClamp时第四场效应 管M4会导通，并开始吸收一定电流，最终将跨导运算放大器OTA的输出 端电压C0MP稳定在钳位高电压upperClampl附近。在图5及图6给出的电压钳位电路中，基于相同的工作原理，可以用 BJT替代相应的场效应管来实现电压钳位功能。图3为图1所示目前常用开关电源电路中各信号的变化过程.从图中 可以看到当跨导运算放大器0TA的输出端电压C0MP电压由最低升高到振荡器产生的斜坡信号OSC—mmp的最低电压OSC—valley需要上升沿迟滞时 间TLR。在这段时间内，脉宽调制方波信号P丽O的占空比固定不变，为最 大占空比状态，这段时间内会有过多的电荷被充至输出电容中。在跨导运 算放大器OTA的输出端电压COMP从最高输出电压降低到振荡器产生的斜 坡信号OSC—ramp的最高电压OSC_peak的过程需要下降沿迟滞时间Tlf， 在这段时间内脉宽调制方波信号P丽O的占空比固定为最低占空比状态， 这段时间没有电荷充至输出电容中，会导致输出电压降低很大。从图3 中也可以看到，如果跨导运算放大器的电源电压VDD改变的话会造成下降 沿迟滞时间TLF有很大的变化值，在全电压范围内容易造成脉宽调制器输 出电压的不稳定，带来补偿的困难。图4为采用增强电路瞬态响应的电压钳位电路后，各点电压的变化情 况。从图中可以看到上升沿迟滞时间TLR和下降沿迟滞时间TLF两个时间 明显减小，这样只要反馈电压FB—变化，脉宽调制器马上能够根据变化 量来确定输出的占空比，提高电路的响应速度。同时由于钳位低电压 lowerClamp和钳位高电压upperClamp都是固定值，因此不会存在跨导运 算放大器OTA电源电压会影响电路响应的状况，使得开关电源电路在整个 工作电压范围内更加稳定，可以简化补偿电路的设计。以上的实施例以脉宽调制为例进行分析，如图7所示，对于脉频调制 控制电路也可以采用相同的控制方法理论来提高控制电路瞬态响应速度。 在脉频调制控制电路中，需要将跨导运算放大器输出端电压钳制在稍大于 频率控制器能够线性变化的电压，使调制电路刚好能够实现最高频率工作 和最低频率工作。以上为电压控制模式进行分析，对于电流控制模式电路也可以采用同 样的电路来增强控制电路的瞬态响应，如图8所示，采用多输入比较器作 为脉宽调制器，多输入比较器同相输入端接误差放大器输出端，多输入比 较器一反相输入端接振荡器锯齿波信号，另一反相输入端接电感电流反馈信号。跨导运算放大器0TA的输出端电压被限制在多输入比较器的动态范 围附近，使调制器刚好可以实现最大输出占空比和最小输出占空比，减少 电路从最大或最小占空比进入正常工作的时间，从而增强电路的瞬态响应。
权利要求
1、一种开关电源电路，包括误差放大器、调制器、补偿电容，误差放大器输出端同调制器、补偿电容相连，其特征在于，还包括电压钳位电路，连接于误差放大器输出端。
2、 根据权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述调制器 为脉频调制器。
3、 根据权利要求l所述的开关电源电路，其特征在于，所述调制器 为脉宽调制器。
4、 根据权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，所述脉宽调 制器为电压式控制。
5、 根据权利要求4所述的开关电源电路，其特征在于，所述脉宽调 制器为比较器，比较器反相输入端接误差放大器输出端，比较器正相输入 端接斜坡信号。
6、 根据权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，斜坡信号为 锯齿波或三角波。
7、 根据权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，所述脉宽调 制器为电流式控制。
8、 根据权利要求7所述的开关电源电路，其特征在于，所述脉宽调 制器为多输入比较器，多输入比较器同相输入端接误差放大器输出端，多 输入比较器一反相输入端接振荡器锯齿波信号，另 一反相输入端接电感电 流反馈信号。
9、 根据权利要求1至8中任一项所述的开关电源电路，其特征在于，电压钳位电路包含第一运算放大器、第二运算放大器、第一场效应管、第 二场效应管，第一运算放大器的正相输入端接一固定钳位高电压，反相输 入端接误差放大器输出端，输出端接第一场效应管栅极，第一场效应管源 端及漏端分别接误差放大器输出端和地;第二运算放大器的正相输入端接 一固定钳位低电压，反相输入端接误差放大器输出端，输出端接第二场效 应管栅极，第二场效应管源端及漏端分别接误差放大器输出端和直流电 源。
10、根据权利要求1至8中任一项所述的开关电源电路，其特征在 于，电压钳位电路包括第五场效应管、第六场效应管、第三场效应管、第 四场效应管，第六场效应管栅极与漏端短接，由一固定偏置电流偏置，其 源端接一固定钳位低电压源；第五场效应管与第六场效应管的栅极短接， 其漏端接电源，源端接误差放大器输出端；第三场效应管的栅极与漏端短 接，受一恒定电流偏置，其源端接一固定钳位高电压源；第四场效应管与 第三场效应管的栅极短接，其源端接误差放大器输出端，漏端接地。
全文摘要
本发明涉及开关电源技术，公开了一种开关电源电路，包括误差放大器、调制器、补偿电容，误差放大器输出端同调制器、补偿电容相连，还包括电压钳位电路，连接于误差放大器输出端。调制器可以为脉频调制器或脉宽调制器。本发明的开关电源电路能有效提高开关电源的瞬态响应速度，增加开关电源在不同工作电源电压下的稳定性，并能简化补偿电路。
文档编号H02M7/527GK101330261SQ200710042119
公开日2008年12月24日 申请日期2007年6月18日 优先权日2007年6月18日
发明者吴玉江, 良 张, 陈忠志 申请人:天钰信息科技(上海)有限公司