专利名称：用于开关电源的频率控制系统及方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计技术领域，涉及一种开关电源的频率控制系统，尤其涉及一种用于开关电源的平滑折返曲线式频率控制系统；此外，本发明还涉及上述频率控制系统的频率控制方法。
背景技术：
电源变换器是电子系统中必不可少的组件。众所周知，电源变换器包括线形变换器和开关电源变换器两种主要类型。大多数的用电设备都包含内部电源转换器或者外部电源适配器，例如电视和计算机等产品中所使用的是内部电源转换器，广泛应用于手机、DSL调制解调器、打印机、笔记本电脑及游戏机等领域的是外部电源适配器，这些电源转换器或者适配器都是采用开关电源转换器以提供电源之用。这些设备的应用规模非常庞大，而且其功率消耗又在一定程度上与用户的使用习惯密切相关。例如，许多用户在不使用电源适配器情况下，仍将插头插在墙式插座上，使其一直处在待机条件下仍然消耗电流。
众所周知，在轻输出负载或者零输出负载也就是待机条件下，开关电源的损耗包含开关导通损耗、开关交叠损耗、开关寄生电容损耗以及外围控制电路损耗，前三种损耗通常正比于开关频率。为了降低待机损耗，在轻输出负载或者零输出负载条件下，通常需要降低开关频率以提高系统的电源转换能效。
一些传统的开关电源控制器采用电流模式控制，主要模块包括PWM比较器、斜率补偿、前沿消隐、振荡器、RS触发器、以及驱动级。振荡器来同时产生时钟信号和锯齿波信号，其中时钟信号提供给RS触发器R端，锯齿波信号提供给斜率补偿电路，如图1所示。
在图1中，振荡器频率由系统反馈电压FB决定。这样系统能够基于输出负载的大小，自动调制开关频率，从而实现在轻载时提高能效的目的。比如中国专利CN02140509.3描述了一种可以通过关闭周期调节功能的PWM控制器，该控制器在系统轻载或无负载情况下自动根据负载调整频率。具体方法为当系统负载变小时，系统反馈给开关电源控制器的电压FB也变小，到一定程度时，系统进入降频模式，通过改变振荡器锯齿波信号的下降沿，达到降频的目的，如图2中的振荡器波形1所示。
又比如中国专利CN200510024385.6描述了另一种为电源转换器提供频率控制的方法。具体方法为通过在两个锯齿波信号中插入“死区”时间，从而达到轻载时降频的目的，如图2中的振荡器波形2所示。
然而，这些传统的控制技术常常不能为开关模式变换器提供平滑降频控制，以上两种方法的频率随系统负载以及反馈电压FB的变化如下图3所示， 请参阅图3，从图3可以看出，在系统从正常工作模式切换到降频模式时，频率切换不光滑，从而在这种情况下会产生可闻噪声(audio noise)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于开关电源的平滑折返曲线式频率控制系统，能够为轻载及待机情况下降低电源的损耗，同时不会产生可闻噪声(audio noise)。
另外，本发明还提供上述频率控制系统的频率控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案 一种用于开关电源的频率控制系统，该频率控制系统包括依次连接的平滑折返曲线控制器、频率发生器、开关控制发生器(如为脉宽调制PWM发生器)；所述平滑折返曲线控制器用以接收负载信号(101)、降频阈值电压信号(102)、来自频率发生器的带有折返曲线的锯齿波信号(122)，产生控制数字控制信号、模拟控制信号；其中，数字控制信号提供给频率发生器作为频率折返控制，模拟控制信号提供给频率发生器作为频率切换平滑控制；所述频率发生器用以从平滑折返曲线控制器接收数字控制信号及模拟控制信号；作为响应，所述频率发生器输出带有折返曲线的锯齿波信号(122)，所述带有折返曲线的锯齿波信号(122)作为输入信号发送到所述开关控制发生器。
作为本发明的一种优选方案，所述平滑折返曲线控制器包括 平滑切换器，其输入信号包括降频阈值电压(Vth)、反馈电压(VFB)，输出模拟信号；当反馈电压(VFB)低于降频阈值电压(Vth)时，系统平滑地从正常模式切换到降频模式； 带折返控制功能的频率控制器，其输入信号包括反馈电压(VFB)、锯齿波高电压阈值(VH)、锯齿波低电压阈值(VL)、充电单元的电压；输出信号包括若干控制频率发生器的信号。
作为本发明的一种优选方案，所述频率发生器包括若干电流源、若干模拟控制开关、充电电容Co、若干模拟电流相加器；各电流源分别通过一模拟控制开关连接充电电容Co；所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号分别控制各模拟控制开关的导通，以此实现对电容器Co的锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段；平滑切换器的输出信号通过所述若干模拟相加器分别与所述电流源中的部分电流源相加。
作为本发明的一种优选方案，所述频率发生器包括电流源Ip1、In1、Ip2、In2，模拟控制开关S1、S2、S3、S4，充电电容Co，模拟电流相加器A1、A2；电流源Ip1、In1、Ip2、In2分别通过模拟控制开关S1、S2、S3、S4连接充电电容Co；所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号分别控制模拟控制开关S1、S2、S3、S4的导通，以此实现对电容器Co的锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段；平滑切换器的输出信号(415、416)通过模拟相加器(A1、A2)分别与电流源Ip2、In2相加。
作为本发明的一种优选方案，电容器Co一端的电压在锯齿充电、锯齿放电阶段的范围等于锯齿波高电压阈值(VH)、锯齿波低电压阈值(VL)之间的差值；反馈电压(VFB)表征输出负载大小；如果反馈电压(VFB)小于降频阈值电压(Vth)，电容器Co一端的电压在折返放电和折返充电阶段的范围等于锯齿波高电压阈值(VH)、锯齿波低电压阈值(VL)之间的差值；如果反馈电压(VFB)大于锯齿波低电压阈值(VL)，折返放电和折返充电阶段的时间为零。
作为本发明的一种优选方案，所述带折返控制功能的频率控制器包括若干比较器、若干RS触发器，各比较器比较电容器Co的输出电压与各输入信号的大小；各比较器的输出信号经过逻辑运算后被对应的RS触发器锁存；各RS触发器的输出经过逻辑运算得到控制各模拟控制开关的信号。
作为本发明的一种优选方案，所述带折返控制功能的频率控制器包括比较器411、412、413，与非门451、452、453，或非门461、462、463、464、465、466、467，与门471、472，或门481，非门491，492；比较器411、412、413的输出信号通过与非门453、非门491、或非门467、与门471逻辑运算后被三个RS触发器锁存；所述三个RS触发器分别由与非门451、452和或非门461、462以及或非门463、464组成；这三个RS触发器的输出通过或非门466、或门481、非门492、与门472、或非门465逻辑运算得到输出信号401、402、403、404，用来分别控制模拟控制开关S1、S2、S3、S4。
作为本发明的一种优选方案，如果反馈电压(VFB)小于锯齿波低电压阈值(VL)，当电容器Co的电压(408)达到锯齿波高电压阈值(VH)时，信号402控制开关S2开启，信号401、403、404控制开关S1、S3、S4关闭，锯齿放电阶段开始；当电容器Co的电压(408)减小达到锯齿波低电压阈值(VL)时，信号404控制开关S4开启，信号401、402、403控制开关S1、S2、S3关闭，折返放电阶段开始；当电容器Co的电压(408)减小达到反馈电压(VFB)时，信号403控制开关S3开启，信号401、402、404控制开关S1、S2、S4关闭，折返充电阶段开始；当电容器Co的电压(408)增大达到锯齿波低电压阈值(VL)时，信号401控制开关S1开启，信号402、403、404控制开关S2、S3、S4关闭，锯齿充电阶段开始；401作为周期时钟信号输出，频率由反馈电压(VFB)控制； 如果反馈电压(VFB)大于锯齿波低电压阈值(VL)，折返放电和折返充电阶段的时间为零；当电容器Co的电压(408)达到锯齿波高电压阈值(VH)时，信号402控制开关S2开启，信号401、403、404控制开关S1、S3、S4关闭，锯齿放电阶段开始；当电容器Co的电压(408)减小到锯齿波低电压阈值(VL)时，信号401控制开关S1开启，信号402、403、404控制开关S2、S 3、S4关闭，锯齿充电阶段开始；信号401作为周期时钟信号输出，频率不受反馈电压(VFB)控制。
作为本发明的一种优选方案，一个周期内锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段的时间如下 如果反馈电压Vtct1小于锯齿波低电压阈值Vth_L，折返放电和折返充电阶段的时间如下 如果反馈电压Vtct1大于锯齿波低电压阈值Vth_L，折返放电和折返充电阶段的时间如下 Tfdch＝0，Tfch＝0； 所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号的频率 其中，Tch、Tdch、Tfdch、Tfch分别为锯齿充电时间、锯齿放电时间、折返放电时间、折返充电时间；Vth_H、Vth_L分别为锯齿波高电压阈值、锯齿波低电压阈值；IC0、IDC0、IDC1、IC1分别为充电电流、放电电流、折返放电电流、折返充电电流。
作为本发明的一种优选方案，所述开关控制发生器为PWM发生器，PWM发生器包括依次连接的前沿消隐电路模块、斜率补偿模块、PWM比较器以及RS触发器；所述频率发生器输出时钟信号(121)及带有折返曲线的锯齿波信号(122)；所述时钟信号(121)触发RS触发器的S端，一电流取样信号(141)经过前沿消隐电路模块后发送到斜率补偿模块，斜率补偿模块的另外一个输入信号为锯齿波信号(122)；斜率补偿模块的输出和系统反馈电压FB通过PWM比较器生成PWM信号，PWM信号在触发RS触发器的R端产生PWM输出信号(131)。
作为本发明的一种优选方案，所述平滑切换器包括电流源、若干MOS管，当反馈电压(VFB)在降频阈值电压(Vth)附近时，通过若干MOS管平滑切换电流源，从而产生出平滑切换的模拟电流输出。
一种上述频率控制系统的频率控制方法，该频率控制方法包括如下步骤 所述平滑折返曲线控制器接收负载信号(101)、降频阈值电压信号(102)、来自频率发生器的带有折返曲线的锯齿波信号(122)，产生控制数字控制信号、模拟控制信号；其中，数字控制信号提供给频率发生器作为频率折返控制，模拟控制信号提供给频率发生器作为频率切换平滑控制； 所述频率发生器从平滑折返曲线控制器接收数字控制信号及模拟控制信号；作为响应，所述频率发生器输出带有折返曲线的锯齿波信号(122)，所述带有折返曲线的锯齿波信号(122)作为输入信号发送到所述开关控制发生器。
作为本发明的一种优选方案，所述平滑折返曲线控制器包括 平滑切换器，其输入信号包括降频阈值电压(Vth)、反馈电压(VFB)，输出模拟信号；当反馈电压(VFB)低于降频阈值电压(Vth)时，系统平滑地从正常模式切换到降频模式； 带折返控制功能的频率控制器，其输入信号包括反馈电压(VFB)、锯齿波高电压阈值(VH)、锯齿波低电压阈值(VL)、充电单元的电压；输出信号包括系统时钟信号、若干控制频率发生器的信号。
作为本发明的一种优选方案，所述频率发生器包括若干电流源、若干模拟控制开关、充电电容Co、若干模拟电流相加器；各电流源分别通过一模拟控制开关连接充电电容Co；所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号分别控制各模拟控制开关的导通，以此实现对电容器Co的锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段；平滑切换器的输出信号通过所述若干模拟相加器分别与所述电流源中的部分电流源相加。
作为本发明的一种优选方案，所述带折返控制功能的频率控制器包括若干比较器、若干RS触发器，各比较器比较电容器Co的输出电压与各输入信号的大小；各比较器的输出信号经过逻辑运算后被对应的RS触发器锁存；各RS触发器的输出经过逻辑运算得到控制各模拟控制开关的信号。
本发明的有益效果在于本发明提出的用于开关电源的平滑折返曲线式频率控制系统及方法，可实现平滑降频，能够为轻载及待机情况下降低电源的损耗，同时不会产生可闻噪声。此外，本发明的一些实施例提供了含有四种阶段的输出波形，提供了这四个阶段的时序和折返曲线的幅度控制。相对于传统的两种阶段的控制，本发明的一些实施例提高了电源变换器频率控制的灵活性和控制范围。
图1为传统的开关电源控制器采用电流模式控制的电路示意图。
图2为传统的开关电源控制器中负载与振荡器波形的示意图。
图3为现有技术中频率随系统负载以及反馈电压FB的变化的示意图。
图4为根据本发明频率控制系统实施例的简化示意图。
图5为根据一实施例在降频模式下的平滑折返曲线控制器输出的控制信号、频率发生器输出的时钟信号和带有折返曲线的锯齿波信号的简化示意图。
图6为根据本发明另一实施例的在降频模式下的平滑折返曲线控制器输出的控制信号、频率发生器输出的时钟信号和带有折返曲线的锯齿波信号的简化示意图。
图7为根据本发明一实施例中平滑折返曲线控制器和频率发生器的示意图。
图8为根据本发明一实施例中带折返功能的频率控制器的示意图。
图9为图7中所示的平滑切换器的简化示意图。
图10为根据本发明一实施例中系统开关频率随反馈电压FB的变化示意图。
具体实施例方式 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一 请参阅图4，本发明揭示了一种用于开关电源的频率控制系统及方法，该频率控制系统包括依次连接的平滑折返曲线控制器110、频率发生器120、脉宽调制PWM发生器130(本发明还可以通过其他开关控制发生器实现)。
平滑折返曲线控制器
所述平滑折返曲线控制器110用以接收负载信号101、降频阈值电压信号102、来自频率发生器120的带有折返曲线的锯齿波信号122，产生控制数字控制信号、模拟控制信号；其中，数字控制信号提供给频率发生器120作为频率折返控制，模拟控制信号提供给频率发生器120作为频率切换平滑控制。
请参阅图7，所述平滑折返曲线控制器110包括平滑切换器、带折返控制功能的频率控制器。平滑切换器的输入信号包括降频阈值电压Vth、反馈电压VFB，输出模拟信号；当反馈电压VFB低于降频阈值电压Vth时，系统平滑地从正常模式切换到降频模式。带折返控制功能的频率控制器的输入信号包括反馈电压VFB、锯齿波高电压阈值VH、锯齿波低电压阈值VL、充电单元的电压；输出信号包括系统时钟信号、若干控制频率发生器的信号。
优选地，所述平滑切换器包括一电流源、若干MOS管，当反馈电压VFB在降频阈值电压Vth附近时，通过若干MOS管平滑切换电流源，从而产生出平滑切换的模拟电流输出。请参阅图9，本实施例中，当VFB在降频阈值电压Vth附近时，通过M1和M2平滑切换电流源I1，从而产生出平滑切换的模拟电流输出815和816。
所述带折返控制功能的频率控制器包括若干比较器、若干RS触发器，各比较器比较电容器Co的输出电压与各输入信号的大小；各比较器的输出信号经过逻辑运算后被对应的RS触发器锁存；各RS触发器的输出经过逻辑运算得到控制各模拟控制开关的信号。
请参阅图8，本实施例中，所述带折返控制功能的频率控制器包括比较器411、412、413，与非门451、452、453，或非门461、462、463、464、465、466、467，与门471、472，或门481，非门491，492；比较器411、412、413的输出信号通过与非门453、非门491、或非门467、与门471逻辑运算后被三个RS触发器锁存；所述三个RS触发器分别由与非门451、452和或非门461、462以及或非门463、464组成；这三个RS触发器的输出通过或非门466、或门481、非门492、与门472、或非门465逻辑运算得到输出信号401、402、403、404，用来分别控制模拟控制开关S1、S2、S3、S4。
如果反馈电压VFB小于锯齿波低电压阈值VL，当电容器Co的电压408达到锯齿波高电压阈值VH时，信号402控制开关S2开启，信号401、403、404控制开关S1、S3、S4关闭，锯齿放电阶段开始；当电容器Co的电压408减小达到锯齿波低电压阈值VL时，信号404控制开关S4开启，信号401、402、403控制开关S1、S2、S3关闭，折返放电阶段开始；当电容器Co的电压408减小达到反馈电压VFB时，信号403控制开关S3开启，信号401、402、404控制开关S1、S2、S4关闭，折返充电阶段开始；当电容器Co的电压408增大达到锯齿波低电压阈值VL时，信号401控制开关S1开启，信号402、403、404控制开关S2、S3、S4关闭，锯齿充电阶段开始；401作为周期时钟信号输出，频率由反馈电压VFB控制； 如果反馈电压VFB大于锯齿波低电压阈值VL，折返放电和折返充电阶段的时间为零；当电容器Co的电压408达到锯齿波高电压阈值VH时，信号402控制开关S2开启，信号401、403、404控制开关S1、S3、S4关闭，锯齿放电阶段开始；当电容器Co的电压408减小到锯齿波低电压阈值VL时，信号401控制开关S1开启，信号402、403、404控制开关S2、S3、S4关闭，锯齿充电阶段开始；信号401作为周期时钟信号输出，频率不受反馈电压VFB控制。
一个周期内锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段的时间如下 如果反馈电压Vtct1小于锯齿波低电压阈值Vth_L，折返放电和折返充电阶段的时间如下 如果反馈电压Vtct1大于锯齿波低电压阈值Vth_L，折返放电和折返充电阶段的时间如下 Tfdch＝0，Tfch＝0； 所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号的频率 其中，Tch、Tdch、Tfdch、Tfch分别为锯齿充电时间、锯齿放电时间、折返放电时间、折返充电时间；Vth_H、Vth_L分别为锯齿波高电压阈值、锯齿波低电压阈值；IC0、IDC0、IDC1、IC1分别为充电电流、放电电流、折返放电电流、折返充电电流。
频率发生器
所述频率发生器120用以从平滑折返曲线控制器接收数字控制信号及模拟控制信号；作为响应，所述频率发生器输出时钟信号121及带有折返曲线的锯齿波信号122，所述时钟信号121及带有折返曲线的锯齿波信号122作为输入信号送到所述PWM发生器。
优选地，所述频率发生器包括若干电流源、若干模拟控制开关、充电电容Co(或其他充电单元)、若干模拟电流相加器；各电流源分别通过一模拟控制开关连接充电电容Co；所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号分别控制各模拟控制开关的导通，以此实现对电容器Co的锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段；平滑切换器的输出信号通过所述若干模拟相加器分别与所述电流源中的部分电流源相加。
优选地，所述频率发生器120包括电流源Ip1、In1、Ip2、In2，模拟控制开关S1、S2、S3、S4，充电电容Co，模拟电流相加器A1、A2；电流源Ip1、In1、Ip2、In2分别通过模拟控制开关S1、S2、S3、S4连接充电电容Co；所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号分别控制模拟控制开关S1、S2、S3、S4的导通，以此实现对电容器Co的锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段；平滑切换器的输出信号415、416通过模拟相加器A1、A2分别与电流源Ip2、In2相加。
电容器Co一端的电压在锯齿充电、锯齿放电阶段的范围等于锯齿波高电压阈值VH、锯齿波低电压阈值VL之间的差值；反馈电压VFB表征输出负载大小；如果反馈电压VFB小于降频阈值电压Vth，电容器Co一端的电压在折返放电和折返充电阶段的范围等于锯齿波高电压阈值VH、锯齿波低电压阈值VL之间的差值；如果反馈电压VFB大于锯齿波低电压阈值VL，折返放电和折返充电阶段的时间为零。
PWM发生器
所述PWM发生器包括依次连接的前沿消隐电路模块、斜率补偿模块、PWM比较器以及RS触发器；所述时钟信号121触发RS触发器的S端，一电流取样信号141经过前沿消隐电路模块后发送到斜率补偿模块，斜率补偿模块的另外一个输入信号为锯齿波信号122；斜率补偿模块的输出和系统反馈电压FB通过PWM比较器生成PWM信号，PWM信号在触发RS触发器的R端产生PWM输出信号131。
本发明同时揭示一种上述频率控制系统的频率控制方法，该频率控制方法包括如下步骤 所述平滑折返曲线控制器接收负载信号101、降频阈值电压信号102、来自频率发生器的带有折返曲线的锯齿波信号122，产生控制数字控制信号、模拟控制信号；其中，数字控制信号提供给频率发生器作为频率折返控制，模拟控制信号提供给频率发生器作为频率切换平滑控制； 所述频率发生器从平滑折返曲线控制器接收数字控制信号及模拟控制信号；作为响应，所述频率发生器输出时钟信号121及带有折返曲线的锯齿波信号122，所述时钟信号121及带有折返曲线的锯齿波信号122作为输入信号送到所述PWM发生器； 所述时钟信号121触发RS触发器的S端，一电流取样信号141经过前沿消隐电路模块后发送到斜率补偿模块，斜率补偿模块的另外一个输入信号为锯齿波信号122；斜率补偿模块的输出和系统反馈电压FB通过PWM比较器生成PWM信号，PWM信号在触发RS触发器的R端产生PWM输出信号131。
以上各步骤的具体实现方式可参考系统的说明部分。
图10是根据本发明一个实施例的系统开关频率随反馈电压FB的变化示意图。从中可以看出，当VFB在降频阈值电压Vth附近时，系统开关频率能够平滑切换，同时在轻载时，系统频率得以降低从而提高系统在轻载时的能效。
综上所述，本发明提出的用于开关电源的平滑折返曲线式频率控制系统及方法，可实现平滑降频，能够为轻载及待机情况下降低电源的损耗，同时不会产生可闻噪声。此外，本发明的一些实施例提供了含有四种阶段的输出波形，提供了这四个阶段的时序和折返曲线的幅度控制。相对于传统的两种阶段的控制，本发明的一些实施例提高了电源变换器频率控制的灵活性和控制范围。
实施例二 图4是根据本发明实施例的简化系统示图，该图仅仅是一个实施例的示意图，本发明当然可以通过其他方式实现。
如图4所示，该系统包括平滑折返曲线控制器110、频率发生器120、脉宽调制(PWM)发生器130。
平滑折返曲线控制器110接收负载信号101，降频阈值电压102，带有折返曲线的锯齿波信号122，并产生控制信号111、112、113、114、115、116；其中，信号111、112、113、114为数字信号，提供给频率发生器作为频率折返控制。信号115、116为模拟信号，提供给频率发生器作为频率切换平滑控制。负载信号101表征开关模式变换器的输出负载大小，通常为开关电源控制器的反馈输入电压FB。当信号101低于降频阈值电压102时，系统平滑地从正常模式切换到降频模式。
频率发生器从平滑折返曲线控制器110接收数字控制信号111、112、113、114和模拟控制信号115、116。作为响应频率发生器输出时钟信号121和带有折返曲线的锯齿波信号122，他们作为输入信号送到PWM发生器，作为一个实施例，PWM发生器包含图1中所示的前沿消隐电路模块、RS触发器模块、PWM比较器模块，以及斜率补偿模块。时钟信号121触发RS触发器的S端，电流取样信号141经过前沿消隐后送到斜率补偿模块，斜率补偿模块的另外一个输入信号为锯齿波信号122，斜率补偿模块的输出和系统反馈电压FB通过比较器生成PWM信号，PWM信号在触发RS触发器的R端产生PWM输出信号131。
图5是根据实施例的在降频模式下的平滑折返曲线控制器110输出的控制信号以及频率发生器输出的时钟信号121和带有折返曲线的锯齿波信号122的简化示意图。曲线210、220、230、240表示平滑折返曲线控制器输出的控制信号111、112、113、114，曲线250、260表示频率发生器输出时钟信号121和带有折返曲线的锯齿波信号122。平滑折返曲线控制器输出的控制信号230、240的脉宽受负载大小调制，负载大小通常反映为开关电源控制器的反馈输入电压FB。
图6是根据本发明另一实施例的在降频模式下的平滑折返曲线控制器110输出的控制信号以及频率发生器120输出的时钟信号和带有折返曲线的锯齿波信号的简化示意图。曲线310、320、330、340表示平滑折返曲线控制器输出的控制信号111、112、113、114，曲线350、360表示频率发生器输出时钟信号121和带有折返曲线的锯齿信号122。平滑折返曲线控制器输出的控制信号330、340的脉宽受负载大小调制，负载大小通常反映为开关电源控制器的反馈输入电压FB。
图7是根据本发明一个实施例的平滑折返曲线控制器110和频率发生器120的简化示意图；其中包括模块有平滑切换器，带折返控制功能的频率控制器，电流源Ip1、Ip2、In1、In2，模拟控制开关S1、S2、S3、S4，充电电容Co，模拟电流相加器A1、A2。其中，平滑切换器的输入信号为降频阈值电压Vth，反馈电压VFB，输出模拟信号为信号415、416；作为本发明的一个实施例，信号415、416为电流信号。当信号VFB低于降频阈值电压Vth时，系统平滑地从正常模式切换到降频模式。带折返功能的频率控制器的输入信号为反馈电压VFB、锯齿波高电压VH、锯齿波低电压VL、Co的电压(在一个实施例中为带折返曲线的锯齿波输出信号)；输出信号为信号401、402、403、404和系统时钟信号。信号401、402、403、404分别控制开关S1、S2、S3、S4的导通。平滑切换器的输出信号415和416通过模拟相加器A1和A2分别与电流源Ip2和In2相加，如图7所示。
在图7中，通过控制中开关S1、S2、S3、S4来实现图7中所示电容器Co的锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段。
在图7中，电容器Co一端的电压408在锯齿充电、锯齿放电阶段的范围等于阈值电压VH和VL之间的差值。VFB表征输出负载大小；如果VFB小于降频阈值电压Vth，电容器Co一端的电压在折返放电和折返充电阶段的范围等于阈值电压VL和VFB之间的差值；如果VFB大于阈值电压VL，折返放电和折返充电阶段的时间为零。
图8是根据本发明一个实施例的带折返功能的频率控制器的简化示意图如下。该示意图包括比较器411、412、413，与非门451、452、453，或非门461、462、463、464、465、466、467，与门471、472，或门481，非门491、492。阈值电压VH和阈值电压VL为图7中锯齿波高电压和锯齿波低电压，信号441为图7所示的Co的电压408(在一个实施例中为带折返曲线的锯齿波输出信号)。
比较器411、412、413的输出信号通过与非门453、非门491、或非门467、与门471逻辑运算后被三个RS触发器锁存。这三个RS触发器分别由与非门451、452和或非门461、462以及或非门463、464组成。这三个RS触发器的输出通过或非门466、或门481、非门492、与门472、或非门465逻辑运算得到信号401、402、403、404，它们用来分别控制开关图7中开关S1、S2、S3、S4。
如果反馈电压VFB(707)小于阈值电压706(VL)，电压408达到阈值电压705(VH)时，信号402控制开关S2开启，信号401、403、404控制开关S1、S3、S4关闭，锯齿放电阶段开始；当电压408减小达到阈值电压706(VL)时，信号404控制开关S4开启，401、402、403控制开关S1、S2、S3关闭，折返放电阶段开始；当电压408减小达到阈值电压707时，信号403控制开关S3开启，信号401、402、404控制开关S1、S2、S4关闭，折返充电阶段开始；当电压408增大达到阈值电压706时，信号401控制开关S1开启，信号402、403、404控制开关S2、S3、S4关闭，锯齿充电阶段开始。信号401作为周期时钟信号输出，频率由反馈电压VFB(707)控制。
如果反馈电压VFB(707)大于阈值电压706(VL)，折返放电和折返充电阶段的时间为零；电压408达到阈值705时，信号402控制开关S2开启，信号401、403、404控制开关S1、S3、S4关闭，锯齿放电阶段开始；当电压408减小到阈值电压706时，信号401控制开关S1开启，信号402、403、404控制开关S2、S3、S4关闭，锯齿充电阶段开始。信号401作为周期时钟信号输出，频率不受反馈电压VFB(707)控制。
一个周期内锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段的时间如下 如果Vtct1(707)小于阈值电压705(Vth_L)，折返放电和折返充电阶段的时间如下 如果Vtct1(707)小于阈值电压705(Vth_L)，折返放电和折返充电阶段的时间如下 Tfdch＝0，Tfch＝0； 信号401的频率 图9是根据本发明一个实施例的图7中所示的平滑切换器的简化示意图。平滑切换器包括8个MOS管及一电流源I1，电流源I1分别与MOS管M1、M2连接。当VFB在降频阈值电压Vth附近时，通过M1和M2平滑切换电流源I1，从而产生出平滑切换的模拟电流输出815和816。
图10是根据本发明一个实施例的系统开关频率随反馈电压FB的变化示意图。从中可以看出，当VFB在降频阈值电压Vth附近时，系统开关频率能够平滑切换，同时在轻载时，系统频率得以降低从而提高系统在轻载时的能效。
综上所述，本发明有如下特点 (1)用表征负载大小的电压信号控制开关模式变换器的开关频率。
(2)在振荡器的产生的锯齿信号中插入折返曲线，从而在系统轻载时实现对开关频率进行降频。
(3)由负载大小决定是否插入折返曲线。
(4)表征负载大小的电压信号控制插入折返曲线的幅度，实现对开关频率进行降频的目的。
(5)当系统频率开始进入降频模式时，系统频率进行平滑处理，从而实现平滑降频。
以本发明的实现方式，相对与传统技术的具有许多优点。例如，本发明的一些实施例提供了含有四种阶段的输出波形，提供了这四个阶段的时序和折返曲线的幅度控制。相对于传统的两种阶段的控制，本发明的一些实施例提高了电源变换器频率控制的灵活性和控制范围。本发明实现平滑降频，能够为轻载及待机情况下降低电源的损耗，同时不会产生可闻噪声。此外，本发明的频率控制器除了可以用于对开关的频率控制之外，还可以控制其他元件的频率。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
权利要求
1、一种用于开关电源的频率控制系统，其特征在于，该频率控制系统包括依次连接的平滑折返曲线控制器、频率发生器、开关控制发生器；
所述平滑折返曲线控制器用以接收负载信号(101)、降频阈值电压信号(102)、来自频率发生器的带有折返曲线的锯齿波信号(122)，产生控制数字控制信号、模拟控制信号；其中，数字控制信号提供给频率发生器作为频率折返控制，模拟控制信号提供给频率发生器作为频率切换平滑控制；
所述频率发生器用以从平滑折返曲线控制器接收数字控制信号及模拟控制信号；作为响应，所述频率发生器输出带有折返曲线的锯齿波信号(122)，所述带有折返曲线的锯齿波信号(122)作为输入信号发送到所述开关控制发生器。
2、根据权利要求1所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
所述平滑折返曲线控制器包括
平滑切换器，其输入信号包括降频阈值电压(Vth)、反馈电压(VFB)，输出模拟信号；当反馈电压(VFB)低于降频阈值电压(Vth)时，系统平滑地从正常模式切换到降频模式；
带折返控制功能的频率控制器，其输入信号包括反馈电压(VFB)、锯齿波高电压阈值(VH)、锯齿波低电压阈值(VL)、充电单元的电压；输出信号包括若干控制频率发生器的信号。
3、根据权利要求2所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
所述频率发生器包括若干电流源、若干模拟控制开关、充电电容Co、若干模拟电流相加器；各电流源分别通过一模拟控制开关连接充电电容Co；
所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号分别控制各模拟控制开关的导通，以此实现对电容器Co的锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段；
平滑切换器的输出信号通过所述若干模拟相加器分别与所述电流源中的部分电流源相加。
4、根据权利要求3所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
所述频率发生器包括电流源Ip1、In1、Ip2、In2，模拟控制开关S1、S2、S3、S4，充电电容Co，模拟电流相加器A1、A2；电流源Ip1、In1、Ip2、In2分别通过模拟控制开关S1、S2、S3、S4连接充电电容Co；
所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号分别控制模拟控制开关S1、S2、S3、S4的导通，以此实现对电容器Co的锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段；
平滑切换器的输出信号(415、416)通过模拟相加器(A1、A2)分别与电流源Ip2、In2相加。
5、根据权利要求4所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
电容器Co一端的电压在锯齿充电、锯齿放电阶段的范围等于锯齿波高电压阈值(VH)、锯齿波低电压阈值(VL)之间的差值；
反馈电压(VFB)表征输出负载大小；
如果反馈电压(VFB)小于降频阈值电压(Vth)，电容器Co一端的电压在折返放电和折返充电阶段的范围等于锯齿波高电压阈值(VH)、锯齿波低电压阈值(VL)之间的差值；
如果反馈电压(VFB)大于锯齿波低电压阈值(VL)，折返放电和折返充电阶段的时间为零。
6、根据权利要求3所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
所述带折返控制功能的频率控制器包括若干比较器、若干RS触发器，各比较器比较电容器Co的输出电压与各输入信号的大小；
各比较器的输出信号经过逻辑运算后被对应的RS触发器锁存；各RS触发器的输出经过逻辑运算得到控制各模拟控制开关的信号。
7、根据权利要求6所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
所述带折返控制功能的频率控制器包括比较器411、412、413，与非门451、452、453，或非门461、462、46 3、464、465、466、467，与门471、472，或门481，非门491，492；
比较器411、412、413的输出信号通过453、491、467、471逻辑运算后被三个RS触发器锁存；
所述三个RS触发器分别由与非门451、452和或非门461、462以及或非门463、464组成；这三个RS触发器的输出通过或非门466、或门481、非门492、与门472、或非门465逻辑运算得到输出信号401、402、403、404，用来分别控制模拟控制开关S1、S2、S3、S4。
8、根据权利要求6所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
如果反馈电压(VFB)小于锯齿波低电压阈值(VL)，当电容器Co的电压(408)达到锯齿波高电压阈值(VH)时，信号402控制开关S2开启，信号401、403、404控制开关S1、S3、S4关闭，锯齿放电阶段开始；当电容器Co的电压(408)减小达到锯齿波低电压阈值(VL)时，信号404控制开关S4开启，信号401、402、403控制开关S1、S2、S3关闭，折返放电阶段开始；当电容器Co的电压(408)减小达到反馈电压(VFB)时，信号4 03控制开关S3开启，信号401、402、404控制开关S1、S2、S4关闭，折返充电阶段开始；当电容器Co的电压(408)增大达到锯齿波低电压阈值(VL)时，信号401控制开关S1开启，信号402、403、404控制开关S2、S3、S4关闭，锯齿充电阶段开始；401作为周期时钟信号输出，频率由反馈电压(VFB)控制；
如果反馈电压(VFB)大于锯齿波低电压阈值(VL)，折返放电和折返充电阶段的时间为零；当电容器Co的电压(408)达到锯齿波高电压阈值(VH)时，信号402控制开关S2开启，信号401、403、404控制开关S1、S3、S4关闭，锯齿放电阶段开始；当电容器Co的电压(408)减小到锯齿波低电压阈值(VL)时，信号401控制开关S1开启，信号402、403、404控制开关S2、S3、S4关闭，锯齿充电阶段开始；信号401作为周期时钟信号输出，频率不受反馈电压(VFB)控制。
9、根据权利要求3至8之一所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
一个周期内锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段的时间如下
如果反馈电压Vtctl小于锯齿波低电压阈值Vth_L，折返放电和折返充电阶段的时间如下
如果反馈电压Vtctl大于锯齿波低电压阈值Vth_L，折返放电和折返充电阶段的时间如下
Tfdch＝0，Tfch＝0；
所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号的频率
其中，Tch、Tdch、Tfdch、Tfch分别为锯齿充电时间、锯齿放电时间、折返放电时间、折返充电时间；Vth_H、Vth_L分别为锯齿波高电压阈值、锯齿波低电压阈值；IC0、IDC0、IDC1、IC1分别为充电电流、放电电流、折返放电电流、折返充电电流。
10、根据权利要求2所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
所述平滑切换器包括电流源、若干MOS管，当反馈电压(VFB)在降频阈值电压(Vth)附近时，通过若干MOS管平滑切换电流源，从而产生出平滑切换的模拟电流输出。
11、根据权利要求1至8之一所述的用于开关电源的频率控制系统，其特征在于
所述开关控制发生器为PWM发生器，PWM发生器包括依次连接的前沿消隐电路模块、斜率补偿模块、PWM比较器以及RS触发器；
所述频率发生器输出时钟信号(121)及带有折返曲线的锯齿波信号(122)；
所述时钟信号(121)触发RS触发器的S端，一电流取样信号(141)经过前沿消隐电路模块后发送到斜率补偿模块，斜率补偿模块的另外一个输入信号为锯齿波信号(122)；
斜率补偿模块的输出和系统反馈电压FB通过PWM比较器生成PWM信号，PWM信号在触发RS触发器的R端产生PWM输出信号(131)。
12、一种根据权利要求1至11之一所述频率控制系统的频率控制方法，其特征在于，该频率控制方法包括如下步骤
所述平滑折返曲线控制器接收负载信号(101)、降频阈值电压信号(102)、来自频率发生器的带有折返曲线的锯齿波信号(122)，产生控制数字控制信号、模拟控制信号；其中，数字控制信号提供给频率发生器作为频率折返控制，模拟控制信号提供给频率发生器作为频率切换平滑控制；
所述频率发生器从平滑折返曲线控制器接收数字控制信号及模拟控制信号；作为响应，所述频率发生器输出带有折返曲线的锯齿波信号(122)，所述带有折返曲线的锯齿波信号(122)作为输入信号发送到所述开关控制发生器。
13、根据权利要求12所述的频率控制方法，其特征在于
所述平滑折返曲线控制器包括
平滑切换器，其输入信号包括降频阈值电压(Vth)、反馈电压(VFB)，输出模拟信号；当反馈电压(VFB)低于降频阈值电压(Vth)时，系统平滑地从正常模式切换到降频模式；
带折返控制功能的频率控制器，其输入信号包括反馈电压(VFB)、锯齿波高电压阈值(VH)、锯齿波低电压阈值(VL)、充电单元的电压；输出信号包括若干控制频率发生器的信号。
14、根据权利要求13所述的频率控制方法，其特征在于
所述频率发生器包括若干电流源、若干模拟控制开关、充电电容Co、若干模拟电流相加器；各电流源分别通过一模拟控制开关连接充电电容Co；
所述带折返控制功能的频率控制器中的若干输出信号分别控制各模拟控制开关的导通，以此实现对电容器Co的锯齿充电、锯齿放电、折返放电和折返充电这四个阶段；
平滑切换器的输出信号通过所述若干模拟相加器分别与所述电流源中的部分电流源相加。
15、根据权利要求14所述的频率控制方法，其特征在于
所述带折返控制功能的频率控制器包括若干比较器、若干RS触发器，各比较器比较电容器Co的输出电压与各输入信号的大小；
各比较器的输出信号经过逻辑运算后被对应的RS触发器锁存；各RS触发器的输出经过逻辑运算得到控制各模拟控制开关的信号。
全文摘要
本发明揭示了一种用于开关电源的频率控制系统及方法，该频率控制系统包括平滑折返曲线控制器、频率发生器、开关控制发生器；平滑折返曲线控制器接收负载信号、降频阈值电压信号、来自频率发生器的带有折返曲线的锯齿波信号，产生控制数字控制信号、模拟控制信号；数字控制信号提供给频率发生器作为频率折返控制，模拟控制信号提供给频率发生器作为频率切换平滑控制；频率发生器从平滑折返曲线控制器接收数字控制信号及模拟控制信号；输出带有折返曲线的锯齿波信号，带有折返曲线的锯齿波信号作为输入信号发送到开关控制发生器。本发明可实现平滑降频，能够为轻载及待机情况下降低电源的损耗，同时不会产生可闻噪声。
文档编号H02M1/08GK101645648SQ200910195699
公开日2010年2月10日 申请日期2009年9月15日 优先权日2009年9月15日
发明者林官秋, 俊 叶, 胡伟明 申请人:上海导向微电子有限公司