一种开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种开关电源，包括：一种开关电源，包括：驱动电路、低通滤波器、反馈电路、运算放大器、参考电压产生电路、比较器、脉冲宽度调制PWM信号产生电路和占空比检测电路，所述占空比检测电路用于将所述PWM产生电路输出的PWM信号或所述驱动电路输出的脉冲输出电压信号转换成三角波信号，并将所述三角波信号输入至所述比较器的负输入端。采用本发明，避免使用复杂的采集电路从电感上采集信号，降低了开关电源的复杂程度，减少了电流采集的时间，提高了工作频率。
【专利说明】一种开关电源
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电子【技术领域】，尤其涉及一种开关电源及其开关电源。
【背景技术】
[0002]开关电源由于体积小、重量轻和效率高等优点，得到越来越广泛的应用。现有开关电源分为电压模式开关电源和电流模式开关电源，其中，电流模式开关电源的基本工作原理为:将输入的直流电压信号进行PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)处理和滤波处理，将进行滤波处理后的直流电压信号进行误差放大后送入比较器，比较器将该误差放大后的信号和从低通滤波器的电感上采样(也叫取样)得到的电流信号比较，根据比较后生成的电平信号生成一定占空比的PWM信号，使用PWM信号去驱动晶闸管等开关元件，得到稳定的输出电压信号。
[0003]在现有的电源应用中，由于产品空间和成本以及外部器件小型化的压力，需要开关电源的开关频率越来越高，但是目前的为电流模式开关电源中，控制环路中的比较器需要通过采样电路采集电感上的电流，但是目前的采样电路存在时延的限制，无法在较高频率下准确工作。
【发明内容】
[0004]本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种开关电源和环路控制方法，可在较高频率下稳定工作。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种开关电源，包括:
[0006]驱动电路、低通滤波器、反馈电路、运算放大器、参考电压产生电路、比较器、脉冲宽度调制PWM信号产生电路和占空比检测电路，其中，
[0007]所述驱动电路用于根据开关端输入的PWM信号将来自所述开关电源的输入端的直流输入电压信号转换成脉冲输出电压信号；
[0008]所述低通滤波器用于将所述驱动电路输出的脉冲输出电压信号进行滤波得到直流输出电压信号，所述直流输出电压信号在所述开关电源的输出端被输出；
[0009]所述反馈电路用于对所述直流输出电压信号进行取样得到取样电压信号，并将所述取样电压信号输入至所述运算放大器的负输入端；
[0010]所述参考电压信号产生电路用于产生参考电压信号，并将所述参考电压信号输入至所述运算放大器的正输入端；
[0011]所述运算放大器的输出端连接所述比较器的正输入端，用于对所述参考电压信号和所述取样电压信号间的误差做放大并输出放大结果；
[0012]所述占空比检测电路用于将所述PWM信号或所述脉冲输出电压信号转换成三角波信号，并将所述三角波信号输入至所述比较器的负输入端；
[0013]所述比较器，用于比较所述放大结果和所述三角波信号得到电平信号；
[0014]所述PWM信号产生电路用于根据所述比较器输出的所述电平信号生成所述PWM信号，并将所述PWM信号输入至所述驱动电路的开关端。
[0015]结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述低通滤波器为无源低通滤波器。
[0016]结合第一方面或第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述低通滤波器包括电感、二极管和第一电容，其中，
[0017]所述电感的一端连接所述驱动电路的输出端及所述二极管的阴极，所述二极管的阳极通过所述第一电容连接所述电感的另一端，所述二极管的阳极同时接地，所述电感的另一端耦合至所述开关电源的输出端。
[0018]结合第一方面至第一方面的第二种可能的实现方式中的任意一种，在第三种可能的实现方式中，所述反馈电路包括第一电阻和第二电阻，其中，所述第一电阻的一端连接所述电感的另一端，所述第一电阻的另一端通过所述第二电阻接地，所述第一电阻的另一端连接所述运算放大器的负输入端。
[0019]结合第一方面至第一方面的第四种可能的实现方式中的任意一种，所述占空比检测电路为积分电路。
[0020]结合第一方面的第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述占空比检测电路包括第三电阻和第二电容，其中，
[0021]所述第三电阻的一端连接所述PWM信号产生电路的输出端或所述驱动电路的输出端，所述第三电阻的另一端连接所述比较器的负输入端；
[0022]所述第二电容的一端连接所述比较器的负输入端，所述第二电容的另一端接地。
[0023]结合第一方面至第一方面的第五种可能的实现方式中的任意一种，在第六种可能的实现方式中，还包括补偿电路，所述补偿电路，耦合于所述运算放大器，用于调节所述开关电源的增益裕量和相位裕量，以使所述开关电源保持稳定。
[0024]结合第一方面的第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述补偿电路包括第三电容、第四电容、第四电阻和第五电阻，其中，
[0025]所述第五电阻位于所述反馈电路的输出端与所述运算放大器的负输入端之间；
[0026]所述第四电容和所述第四电阻串联后跨接在所述运算放大器的负输入端与输出端之间，所述第三电容跨接在所述运算放大器的负输入端与输出端之间。
[0027]结合第一方面至第一方面的第七种可能的实现方式中的任意一种，在第八种可能的实现方式中，所述PWM产生电路包括复位置位RS触发器和时钟产生电路，所述RS触发器的复位端连接所述时钟产生电路的输出端，所述RS触发器的置位端连接所述比较器的输出端，所述RS触发器的输出端连接所述驱动电路的开关端。
[0028]结合第一方面至第一方面的第八种可能的实现方式中的任意一种，在第九种可能的实现方式中，所述开关电源通过集成电路制作工艺形成于一块衬底上。
[0029]实施本发明实施例，具有如下有益效果:
[0030]占空比检测电路获取控制环路中的PWM信号产生电路输出的PWM信号或主电路中的驱动电路根据PWM信号产生的脉冲输出电压信号，并将获取到的PWM信号或脉冲输出电流信号转换成三角波信号，并将所述三角波信号输入至所述比较器的负输入端。这样避免使用复杂的采集电路从电感上采集信号，降低了开关电源的复杂程度，减少了电流采集的时间，提高了工作频率。【专利附图】
【附图说明】
[0031]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1是本发明第一实施例的一种开关电源的结构示意图；
[0033]图2是本发明第二实施例的一种开关电源的结构示意图；
[0034]图3是本发明第三实施例的一种开关电源的结构示意图；
[0035]图4是本发明第四实施例的一种开关电源的结构示意图；
[0036]图5是本发明实施例的一种开关电源的环路控制方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]参见图1，为本发明第一实施例的一种开关电源的结构示意图，在本实施例中，所述开关电源，包括:驱动电路1、低通滤波器2、反馈电路3、参考电压信号产生电路4、运算放大器5、比较器6、占空比检测电路7和PWM信号产生电路8，其中，驱动电路I用于根据开关端输入的PWM信号将来自开关电源的输入端的直流输入电压信号转换成脉冲输出电压信号；低通滤波器2用于将驱动电路I输出的脉冲输出电压信号进行滤波得到直流输出电压信号，直流电压信号在开关电源的输出端被输出；反馈电路3用于对低通滤波器2输出的直流输出电压信号进行取样得到取样电压信号，并将取样电压信号输入至运算放大器5的负输入端；参考电压信号产生电路4用于产生参考电压信号，并将参考电压信号输出至运算放大器5的正输入端；运算放大器5的输出端连接比较器6的正输入端，运算放大器5用于对参考电压信号和取样电压信号间的误差做放大并输出放大结果；比较器6用于比较放大结果和三角波信号得到电平信号；PWM信号产生电路8用于根据比较器6输出的电平信号生成PWM信号，并将PWM信号输入至驱动电路I的开关端；占空比检测电路7用于将PWM信号或脉冲输出电压信号(图1中以占空比检测电路7接收所述PWM信号为例，图2则以占空比检测电路7接收所述脉冲输出电压信号为例)转换成三角波信号，并将三角波信号输入至比较器6的负输入端。
[0039]参见图1，为本发明实施例的一个开关电源的结构图，上述开关电源各部件的连接关系为:低通滤波器2连接在驱动电路I的输出端与反馈电路3的输入端之间；反馈电路3连接在低通滤波器2的输出端与运算放大器5的负输入端连接；参考电压信号产生电路的输出端连接运算放大器5的正输入端,参考电压信号产生电路4的输出端与运算放大器5的正输入端连接，运算放大器5的输出端连接比较器6的正输入端，PWM信号产生电路8连接在比较器6的输出端与驱动电路I的开关端之间，占空比检测电路7连接在PWM产生电路8的输出端与比较器6的负输入端之间。比较器6用于比较运算放大器5的输出结果和所述三角波信号得到一个比较结果，并将该比较结果发送给PWM信号产生电路8。[0040]参见图2，为本发明实施例的另一个开关电源的结构示意图，该开关电源与图1中的开关电源的区别仅在于占空比检测电路7的连接关系不同，图2中的占空比检测电路7连接在驱动电路I的输出端和比较器6的负输入端之间。
[0041]具体的，在图1或图2的方案中，驱动电路I由开关管(例如三极管、场效应管或晶闸管)来实现，驱动电路I设有输入端，输出端和开关端，驱动电路I用于根据开关端输入的PWM信号开启/关闭从输入端输入的直流输入电压信号Vin,输出经过PWM后得到脉冲输出电压信号，此时得到的脉冲输出电压信号为周期性的方波信号，低通滤波电路2对驱动电路I输出的脉冲输出电压信号进行滤波和续流得到稳定的直流输出电压信号Voutjout的大小由驱动电路I的开关端输入的PWM信号的占空比决定的，直流输出电压信号Vout的一路为负载供电，另一路送入控制环路(控制环路包括:反馈电路3、参考电压信号产生电路4、运算放大器5、比较器6和PWM信号产生电路8)，反馈电路3用于对直流输出电压信号Vout进行取样得到取样电压信号Vsample，反馈电路3与主电路的耦合方式可以为直接耦合、间接耦合或光电耦合，本发明不作限制。主电路包括驱动电路I和低通滤波电路2。
[0042]运算放大器5对反馈电路3输出的取样电压信号Vsample和参考电压信号产生电路输出的参考电压信号Vref进行误差放大，其输出端得到的电压信号为A* (Vref-Vsample)，A为运算放大器5的增益。可以理解的是，类似于现有技术，可以在运算放大器的正输入端和输出端、负输入端和输出端之间连接电阻组成反馈回路，以构成正反馈放大电路或负反馈放大电路，可提高开关电源增益的稳定性。
[0043]比较器6比较正输入端的输入的电压信号和负输入端输入的电压信号的幅值,若正输入端的电压信号大于负输入端的电压信号，其输出端输出高电平，否则输出低电平，图1中比较器6的正输入端的电压信号为A*(Vref-Vsample),负输入端的电压信号为占空比检测电路7输出的电压信号，占空比检测电路7采集主电路上的经PWM信号调制的交流输出信号或控制环路上直接由PWM产生电路8输出的PWM信号，PWM信号和脉冲输出电压信号均为方波信号，占空比检测电路7将方波信号转换成三角波信号，输入至比较器6的负输入端，这样比较器的负输入端的电压信号是直接对主电路或控制环路上的方波信号转换而来的，避免使用复杂的采集电路从电感上采集电流，降低了开关电源的复杂程度，减少了采集的时间，提高了工作频率。
[0044]可选的，参见图3，本发明实施例中开关电源还包括一个补偿电路9，补偿电路9设置在开关电源的控制环路中，例如与运算放大器5的输出端相耦合，用于调节所述开关电源的增益裕量和相位裕量，以使所述开关电源保持稳定。若图1或2所示的闭环控制系统的增益为单位增益1，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。本实施例中开关电源为一个闭环控制系统，为了使开关电源获得较好的稳定性能，需要控制运算放大器的连接方式从而引入了 180°相移，如果反馈的相位保持在180°以内，那么开关电源的控制环路将总是稳定的。但是在开关电源实际工作时，由于各种各样的开关延时和元件的电抗特性而引入了额外的相移，所以开关电源需要采用适合的补偿电路以保持开关电源的稳定。衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度，相位裕度是指闭环控制系统的增益降到OdB时所对应的相位，增益裕度是指闭环控制系统的相位为零时所对应的增益大小。
[0045]参见图4，为本发明实施例的一种开关电源的结构示意图，在本发明实施例中，优选的，低通滤波器2为无源低通滤波器，低通滤波器包括电感L1、第一电容Cl和二极管Dl。其中，电感的一端连接驱动电路I的输出端和二极管Dl的阴极，二极管Dl阳极通过第一电容Cl连接电感LI的另一端，二极管Dl的阳极同时接地，电感LI的另一端耦合至开关电源的输出端。
[0046]优选的，反馈电路3与主电路直接耦合，反馈电路3包括第一电阻Rl和第二电阻R2，其中，第一电阻Rl的一端连接电感LI的另一端，第一电阻Rl的另一端通过第二电阻R2接地，第一电阻Rl的另一端连接运算放大器5的负输入端。反馈电路输出的取样电压为Vout*R2/(Rl+R2)。
[0047]优选的，占空比检测电路7为积分电路，占空比检测电路7包括第三电阻R3和第二电容C2，其中，第三电阻R3的一端连接PWM信号产生电路8的输出端或驱动电路的输出端，第三电阻R3另一端连接比较器6的负输入端；第二电容C2的一端连接比较器7的负输入端，第二电容C2另一端接地。图3是占空比检测电路7采集控制环路的PWM信号作为输入信号的情形，在占空比检测电路7采集主电路的脉冲输出电压信号的情形中，占空检测电路7中第三电阻R3的一端连接驱动电路I的输出端，其他元件的连接关系不变。
[0048]优选的，补偿电路包括第三电容C3、第四电容C4、第四电阻R4和第五电阻R5，其中，第五电阻R5位于反馈电路3的输出端与运算放大器5的负输入端之间；第四电容C4和第四电阻R4串联后跨接在运算放大器5的负输入端与输出端之间，第三电容C3跨接在运算放大器5的负输入端与输出端之间。
[0049]优选的，PWM产生电路8包括RS (Reset-Set，复位置位)触发器和时钟产生电路CLK，时钟产生电路CLK用于产生周期性的时钟信号，并将时钟信号输出至RS触发器的复位端；RS触发器的复位端连接时钟产生电路CLK的输出端，RS触发器的置位端连接比较器6的输出端，RS触发器的输出端连接驱动电路I的开关端。
[0050]优选的，开关电源通过集成电路制作工艺形成于一块衬底上。
[0051]参见图5，为本发明第一实施例的一种开关电源的环路控制方法，在本发明实施例中，所述方法包括:
[0052]S101、获取开关电源的控制环路中产生的PWM信号或主电路中根据PWM信号控制产生的脉冲输出电压信号。
[0053]S102、将PWM信号或脉冲输出信号转换成三角波信号，并将三角波信号输入至控制环路中设置的比较器的负输入端。
[0054]具体的，开关电源的主电路包括:驱动电路I和低通滤波器2，其控制环路包括:反馈电路3、参考电压信号产生电路4、运算放大器5、比较器6和PWM信号产生电路8，其中，驱动电路I用于根据开关端输入的PWM信号将输入端的直流输入电压信号转换成脉冲输出电压信号；低通滤波器2用于将驱动电I输出的脉冲输出电压信号进行滤波得到直流输出电压信号，直流输出电压信号在开关电源的输出端被输出；反馈电路3用于对所述直流输出电压信号进行取样得到取样电压信号，并将所述取样电压信号输入至运算放大器5的负输入端；参考电压信号产生电路4用于产生参考电压信号，并将所述参考电压信号输入至运算放大器5的正输入端；运算放大器5的输出端连接比较器6的正输入端,PWM信号产生电路8用于根据比较器6输出的电平信号生成所述PWM信号，并将所述PWM信号输入至驱动电路I的开关端，占空比检测电路7将PWM信号或脉冲输出电压信号转换成三角波信号，并将三角波信号输入至比较器6的负输入端。这样避免使用复杂的采集电路从电感上采集信号，降低了开关电源的复杂程度，减少了采集的时间，提高了工作频率。所述方法中涉及的开关电源中各电路或元件的连接关系可以参照之前图1至图4对应的实施例，此处不做赘述。
[0055]需要说明的是，本实施例的附图仅仅是示意图，且实施例中涉及的“连接”或“耦合”等描述既包括直接通过导线连接，也包括通过一个或多个第三方元件的连接，也就是说具体的连接或耦合方式可以有多种，虽然在图中没有示出，本领域技术人员应该理解其不应被限定为仅仅通过导线直接相连。
[0056]以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
【权利要求】
1.一种开关电源，其特征在于，包括:驱动电路、低通滤波器、反馈电路、运算放大器、参考电压产生电路、比较器、脉冲宽度调制PWM信号产生电路和占空比检测电路，其中， 所述驱动电路用于根据开关端输入的PWM信号将来自所述开关电源的输入端的直流输入电压信号转换成脉冲输出电压信号； 所述低通滤波器用于将所述驱动电路输出的脉冲输出电压信号进行滤波得到直流输出电压信号，所述直流输出电压信号在所述开关电源的输出端被输出； 所述反馈电路用于对所述直流输出电压信号进行取样得到取样电压信号，并将所述取样电压信号输入至所述运算放大器的负输入端； 所述参考电压信号产生电路用于产生参考电压信号，并将所述参考电压信号输入至所述运算放大器的正输入端； 所述运算放大器的输出端连接所述比较器的正输入端，用于对所述参考电压信号和所述取样电压信号间的误差做放大并输出放大结果； 所述占空比检测电路用于将所述PWM信号或所述脉冲输出电压信号转换成三角波信号，并将所述三角波信号输入至所述比较器的负输入端； 所述比较器，用于比较所述放大结果和所述三角波信号得到电平信号； 所述PWM信号产生电路用于根据所述比较器输出的所述电平信号生成所述PWM信号，并将所述PWM信号输入至所述驱动电路的开关端。
2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述低通滤波器为无源低通滤波器。
3.如权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，所述低通滤波器包括电感、二极管和第一电容，其中， 所述电感的一端连接所述驱动电路的输出端及所述二极管的阴极，所述二极管的阳极通过所述第一电容连接所述电感的另一端，所述二极管的阳极同时接地，所述电感的另一端耦合至所述开关电源的输出端。
4.如权利要求1-3中任一项所述的开关电源，其特征在于，所述反馈电路包括第一电阻和第二电阻，其中，所述第一电阻的一端连接所述电感的另一端，所述第一电阻的另一端通过所述第二电阻接地，所述第一电阻的另一端连接所述运算放大器的负输入端。
5.如权利要求1-4中任一项所述的开关电源，其特征在于，所述占空比检测电路为积分电路。
6.如权利要求5所述的开关电源，其特征在于，所述占空比检测电路包括第三电阻和第二电容，其中， 所述第三电阻的一端连接所述PWM信号产生电路的输出端或所述驱动电路的输出端，所述第三电阻的另一端连接所述比较器的负输入端； 所述第二电容的一端连接所述比较器的负输入端，所述第二电容的另一端接地。
7.如权利要求1-6任意一项所述的开关电源，其特征在于，还包括补偿电路，所述补偿电路，耦合于所述运算放大器，用于调节所述开关电源的增益裕量和相位裕量，以使所述开关电源保持稳定。
8.如权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述补偿电路包括第三电容、第四电容、第四电阻和第五电阻，其中， 所述第五电阻位于所述反馈电路的输出端与所述运算放大器的负输入端之间；所述第四电容和所述第四电阻串联后跨接在所述运算放大器的负输入端与输出端之间，所述第三电容跨接在所述运算放大器的负输入端与输出端之间。
9.如权利要求1-8任意一项所述的开关电源，其特征在于，所述PWM产生电路包括复位置位RS触发器和时钟产生电路，所述RS触发器的复位端连接所述时钟产生电路的输出端，所述RS触发器的置位端连接所述比较器的输出端，所述RS触发器的输出端连接所述驱动电路的 开关端。
10.如权利要求1-9任意一项所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源通过集成电路制作工艺形成于一块衬底上。
【文档编号】H02M3/07GK103997206SQ201410213339
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】汤觅, 谢强, 范龙 申请人:华为技术有限公司