恒定导通时长控制的开关电源及其控制电路和控制方法
【专利摘要】公开了恒定导通时长控制的开关电源及其控制电路和控制方法。在开关电源进入超音频模式时，导通低侧开关管以对输出电容器进行放电，并在所述放电阶段内产生其电压从初始电压上升的补充斜坡补偿信号，并将该补充斜坡补偿信号与参考电压的代数和同代表输出电压的反馈信号进行比较，缩短了低侧开关管的放电时长，加速了高侧开关管的导通，在避免音频噪声的同时，消除了超音频模式下的双脉冲，从而减小了开关电源的输出电压纹波，降低了高侧开关管的损耗，提高了开关电源的效率。
【专利说明】恒定导通时长控制的开关电源及其控制电路和控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明的实施例涉及电子电路，尤其涉及一种恒定导通时长控制的开关电源及其控制电路和控制方法。
【背景技术】
[0002]恒定导通时长控制由于其优越的负载瞬态响应、简单的内部结构和平滑的工作模式切换，在电源领域得到了很好的应用。图1为现有的恒定导通时长控制的开关电源100的电路原理图。开关电源100包括导通时长控制单元101、比较单元102、逻辑单元103、开关电路104和斜坡补偿单元105。开关电路104采用同步降压变换拓扑，包括高侧开关管HS、低侧开关管LS、电感器L和输出电容器C，其中高侧开关管HS与低侧开关管LS的公共端为开关节点SW。开关电路104通过开关管HS和LS的导通与关断，将输入电压Vin转换为输出电压Uwt。当开关电路104中输出电容器C的等效串联阻抗值(ESR)较小时，输出电压Uwt可能会产生次谐波振荡，造成开关电源100工作不稳定。为此，斜坡补偿单元105产生正常斜坡补偿信号Vsltjpel，以防止该次谐波振荡的产生。比较单元102将参考信号Uref (即参考电压与正常斜坡补偿信号Vsltjpel的代数和)同输出电压Uout相比较，产生比较信号SET。逻辑单元103耦接至导通时长控制单元101和比较单元102的输出端，根据导通时长控制信号COT和比较信号SET分别产生高侧控制信号HCTRL和低侧控制信号LCTRL，以控制两个开关管的导通与关断。
[0003]为了消除开关电源100在轻载场合下可能引起的音频噪声，现有的开关电源100还包括超音频模式(Ultrasonic Mode, USM)判断单元106。USM判断单元106用于判断开关电源100是否进入超音频模式。一般地，在检测到开关电源100的开关频率接近音频范围(例如200Hz?20KHz)时，开关电源100进入超音频模式。然而，如此的超音频模式下可能会出现图2所示的双脉冲问题。
[0004]图2为开关电源100在超音频模式下的波形图。从上到下依次为高侧控制信号HCTRL、流过电感器的电流Ip输出电压Uout以及参考信号Uref。
[0005]如图2所示，在h时刻，USM判断单元106检测到开关电源进入超音频模式，逻辑单元103导通低侧开关管LS，对输出电容器C进行放电，直到t2时刻，参考信号UMf达到输出电压Urat，低侧开关管LS被关断，高侧开关管HS被导通。
[0006]在t3时刻，导通时长控制单元101输出的导通时长控制信号COT在高侧开关管HS的导通时长结束后，控制高侧开关管HS关断，但此时的输出电压Uout减小到较低值V。lOT，小于理想的稳态输出电压V。#因此，参考信号Uref极易再次达到输出电压Uwt。如图2所示，在t4时刻，高侧开关管HS被再次导通。输出电压Uout在t5时刻被充电至较高值V。high，大于稳态输出电压Vrat。
[0007]由图2可见，现有的开关电源100在超音频模式下，高侧控制信号HCTRL在同一周期内可能具有两个连续的导通脉冲，因此在开关节点SW处也会出现双脉冲，这使得开关电源输出电压的纹波大，高侧开关管HS的开关损耗高，对开关电源的效率造成不利影响。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是提供一种输出电压纹波小且效率高的恒定导通时长控制的开关电源及其控制电路和控制方法，以消除超音频模式下的双脉冲。
[0009]根据本发明实施例的一种用于恒定导通时长控制的开关电源的控制电路，该开关电源包括高侧开关管、低侧开关管、电感器和与负载并联的输出电容器，该控制电路通过控制高侧开关管和低侧开关管的导通与关断，将输入电压转换成输出电压，该控制电路包括:导通时长控制单元，产生控制高侧开关管导通时长的导通时长控制信号；超音频模式判断单元，判断开关电源是否进入超音频模式，产生标识信号；斜坡信号产生单元，耦接至超音频模式判断单元以接收标识信号，产生斜坡补偿信号；比较单元，耦接至斜坡信号产生单元和开关电源，基于斜坡补偿信号、参考电压和代表开关电源输出电压的反馈信号，产生比较信号；逻辑单元，分别耦接至导通时长控制单元、比较单元和超音频模式判断单元，根据导通时长控制信号、比较信号和标识信号，产生高侧控制信号和低侧控制信号以分别控制高侧开关管与低侧开关管；其中在开关电源进入超音频模式时，逻辑单元导通低侧开关管以对输出电容器进行放电，放电阶段持续至比较单元输出导通高侧开关管的比较信号，斜坡补偿信号具有正常斜坡补偿信号和在所述放电阶段内其电压从初始电压上升的补充斜坡补偿信号两部分。
[0010]根据本发明实施例的一种恒定导通时长控制的开关电源，包括:如前所述的控制电路；高侧开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压，控制端耦接至逻辑单元以接收高侧控制信号；低侧开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至高侧开关管的第二端，第二端接地，控制端耦接至逻辑单元以接收低侧控制信号；电感器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至高侧开关管的第二端和低侧开关管的第一端；以及输出电容器，耦接在电感器的第二端和地之间。
[0011]根据本发明实施例的一种用于开关电源的恒定导通时长控制方法，该开关电源包括高侧开关管、低侧开关管、电感器和与负载并联的输出电容器，该控制电路通过控制高侧开关管和低侧开关管的导通与关断，将输入电压转换成输出电压，该控制方法包括:判断开关电源是否进入超音频模式；若开关电源进入超音频模式，导通低侧开关管以对输出电容器进行放电；在上述放电阶段内产生补充斜坡补偿信号；将补充斜坡补偿信号与参考电压的代数和同代表开关电源输出电压的反馈信号相比较；若补充斜坡补偿信号与参考电压的代数和达到反馈信号，关断低侧开关管；导通高侧开关管；产生导通时长控制信号，并基于导通时长控制信号关断高侧开关管；导通低侧开关管；流过低侧开关管的电流过零时，关断低侧开关管。
[0012]根据本发明的实施例，在开关电源进入超音频模式时，导通低侧开关管以对输出电容器进行放电，并在所述放电阶段内产生补充斜坡补偿信号。通过将补充斜坡补偿信号与参考电压的代数和同代表输出电压的反馈信号相比较，使得高侧开关管提前导通，缩短了低侧开关管的放电时长，在避免音频噪声的同时消除了超音频模式下的双脉冲，从而减小了开关电源的输出电压纹波，提高了开关电源的效率。
【专利附图】
【附图说明】[0013]图1为现有的恒定导通时长控制的开关电源100的电路原理图；
[0014]图2为图1所示开关电源100在超音频模式下出现双脉冲的工作波形图；
[0015]图3为恒定导通时长控制的开关电源未进入超音频模式时的工作波形图；
[0016]图4为恒定导通时长控制的开关电源在超音频模式下不出现双脉冲的临界情形的工作波形图；
[0017]图5为根据本发明一实施例的恒定导通时长控制的开关电源300的电路原理图；
[0018]图6为根据本发明一实施例的图5所示的开关电源300在超音频模式下的工作波形图；
[0019]图7为根据本发明一实施例的图5所示的开关电源300在超音频模式下的工作波形图；
[0020]图8为根据本发明另一实施例的恒定导通时长控制的开关电源400的电路原理图；
[0021]图9为根据本发明一实施例的用于开关电源的恒定导通时长控制方法的流程图。【具体实施方式】
[0022]下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是:不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
[0023]在整个说明书中，对“ 一个实施例”、“实施例”、“ 一个示例”或“示例”的提及意味着:结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件” “连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0024]图3为恒定导通时长控制的开关电源未进入超音频模式时的工作波形图。如图3所示，开关电源未进入超音频模式，不必导通低侧开关管LS对输出电容器C进行放电。高侧开关管HS的导通脉冲完全用于对输出电容器C进行充电,将输出电压Utjut从参考电压Vraf进行充电至稳态输出电压Vtjut。稳态输出电压Vtjut与参考电压Vraf的差值为AUm,称为正常电压差AUm。根据伏秒平衡和电荷平衡原理，可以得到下式:
【权利要求】
1.一种用于恒定导通时长控制的开关电源的控制电路，该开关电源包括高侧开关管、低侧开关管、电感器和与负载并联的输出电容器，该控制电路通过控制高侧开关管和低侧开关管的导通与关断，将输入电压转换成输出电压，该控制电路包括: 导通时长控制单元，产生控制高侧开关管导通时长的导通时长控制信号； 超音频模式判断单元，判断开关电源是否进入超音频模式，产生标识信号； 斜坡信号产生单元，耦接至超音频模式判断单元以接收标识信号，产生斜坡补偿信 号; 比较单元，耦接至斜坡信号产生单元和开关电源，基于斜坡补偿信号、参考电压和代表开关电源输出电压的反馈信号，产生比较信号； 逻辑单元，分别耦接至导通时长控制单元、比较单元和超音频模式判断单元，根据导通时长控制信号、比较信号和标识信号，产生高侧控制信号和低侧控制信号以分别控制高侧开关管与低侧开关管； 其中在开关电源进入超音频模式时，逻辑单元导通低侧开关管以对输出电容器进行放电，放电阶段持续至比较单元输出导通高侧开关管的比较信号，斜坡补偿信号具有正常斜坡补偿信号和在所述放电阶段内其电压从初始电压上升的补充斜坡补偿信号两部分。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中该斜坡信号产生单元包括: 正常斜坡产生单元，用于产生正常斜坡补偿信号； 补充斜坡产生单元，耦接至超音频模式判断单元以接收标识信号，用于在所述放电阶段内产生补充斜坡补偿信号。
3.如权利要求1所述的控制电路，其中该补充斜坡补偿信号具有其电压以固定斜率从初始电压上升的形式。
4.如权利要求3所述的控制电路，其中所述补充斜坡补偿信号的斜率大于tJ-Z^LC，其中为闻侧开关管的导通时长，Vtjut为稳态输出电压，L和C分别为所述电感器和输出电容器的电感值和电容值。
5.如权利要求4所述的控制电路，其中所述补充斜坡补偿信号的斜率最大值为ton(3Vin+Vout)/4LC。
6.如权利要求4所述的控制电路，其中所述补充斜坡补偿信号的斜率最小值为tmVin/2LC，其中Vin为输入电压。
7.如权利要求3所述的控制电路，其中所述补充斜坡补偿信号的幅值最小值为(Hut) tm2/2LC,其中tm为高侧开关管的导通时长,Vin为输入电压，Vtjut为稳态输出电压，L和C分别为所述电感器和输出电容器的电感值和电容值。
8.如权利要求7所述的控制电路，其中所述补充斜坡补偿信号的幅值最大值为ton2 (Vin-Vout) (3Vin+V0Ut)/SLCVout。
9.如权利要求1所述的控制电路，其中比较单元包括比较器，该比较器具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收参考电压与斜坡补偿信号的代数和，第二输入端接收反馈信号，输出端提供比较信号。
10.如权利要求1所述的控制电路，其中超音频模式判断单元将当前开关周期与预设开关周期进行比较，若当前开关周期达到预设开关周期，则视为开关电源进入超音频模式。
11.一种恒定导通时长控制的开关电源，包括:如权利要求1至10中任一项所述的控制电路； 高侧开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压，控制端耦接至逻辑单元以接收高侧控制信号； 低侧开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至高侧开关管的第二端，第二端接地，控制端耦接至逻辑单元以接收低侧控制信号； 电感器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至高侧开关管的第二端和低侧开关管的第一端；以及 输出电容器，耦接在电感器的第二端和地之间。
12.一种用于开关电源的恒定导通时长控制方法，该开关电源包括高侧开关管、低侧开关管、电感器和与负载并联的输出电容器，该控制电路通过控制高侧开关管和低侧开关管的导通与关断，将输入电压转换成输出电压，该控制方法包括: 判断开关电源是否进入超音频模式； 若开关电源进入超音频模式，导通低侧开关管以对输出电容器进行放电； 在上述放电阶段内产生补充斜坡补偿信号； 将补充斜坡补偿信号与参考电压的代数和同代表开关电源输出电压的反馈信号相比较； 若补充斜坡补偿信号与参考电压的代数和达到反馈信号，关断低侧开关管； 导通高侧开关管； 产生导通时长控制信号，并基于导通时长控制信号关断高侧开关管； 导通低侧开关管； 流过低侧开关管的电流过零时，关断低侧开关管。
13.如权利要求12所述的控制方法，其中该补充斜坡补偿信号具有其电压以固定斜率从初始电压上升的形式。
14.如权利要求13所述的控制方法，其中所述补充斜坡补偿信号的斜率大于Uout/2LC,其中U为高侧开关管的导通时长,Vrat为稳态输出电压,L和C分别为所述电感器和输出电容器的电感值和电容值。
15.如权利要求14所述的控制方法，其中所述补充斜坡补偿信号的斜率最大值为ton(3Vin+Vout)/4LC。
16.如权利要求14所述的控制方法，其中所述补充斜坡补偿信号的斜率最小值为tmVin/2LC，其中Vin为输入电压。
17.如权利要求13所述的控制方法，其中所述补充斜坡补偿信号的幅值最小值为(Vin_Vout) tm2/2LC,其中tm为高侧开关管的导通时长,Vin为输入电压，Vtjut为稳态输出电压，L和C分别为所述电感器和输出电容器的电感值和电容值。
18.如权利要求17所述的控制方法，其中所述补充斜坡补偿信号的幅值最大值为ton2 (Vin-Vout) (3Vin+V0Ut)/SLCVout。
19.如权利要求12所述的控制方法，其中判断开关电源进入超音频模式的方式为:将当前开关周期与预设的开关周期进行比较，若当前开关周期达到预设开关周期，则视为开关电源进入超音频模式。
【文档编号】H02M3/158GK103701323SQ201310745780
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】姜礼节, 张加欣, 陆文斌, 胡望淼, 欧阳茜 申请人:成都芯源系统有限公司