开关频率控制电路的制作方法

1.本实用新型涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种开关频率控制电路。


背景技术：

2.dc-dc开关电源有多种控制模式。根据采样信号，一般可以分为电压模、电流模。电压模通过采样输出电压进行负反馈，电流模通过采样输入电流和输出电压进行负反馈。常用电流模架构包括：峰值电流模(peak-currentmode)，平均电流模(average-currentmode)和滞环电流模(hysteretic-currentmode)；按照占空比调制方式来分包括脉宽调制(pulsewidth modulation,pwm)，脉冲频率调制(pulse frequencymodulation,pfm)，恒定导通时间模式(constantontime,cot)，固定关断时间模式(fixed offtime,fot)，迟滞控制(bang-bang)等模式。
3.其中，cot模式响应速度很快，但传统cot的定时器单元所产生的导通时间(ton)是定值，且开关频率随输入电压、输出电压以及负载电流变化，其开关频率的不稳定使得系统滤波器设计难度很大，再者，传统的cot控制模式的纹波较大，系统的emi特性比较差，对emi处理的设计难度加大。
4.而fot模式的导通时间则会随着负载的加大而加长来增加占空比，缺点是固定关断时间不能设置过低，过低的话，在较轻载或者输入输出电压接近的时候，频率比较高，效率降低。
5.综上所述，现有技术存在以下缺陷：
6.1.通过模拟方案来实现导通时间的调节，方案较复杂；
7.2.模拟方案较容易受到噪声等外界参数的干扰；
8.3.需要用很大的模拟滤波器来获取开关节点sw的平均电压，实现起来不但费芯片面积，且精度或者速度不高。
9.特别是，对于混合电流模+时间控制的结构，虽然能够获得非常稳定的环路响应，不需要提供斜坡补偿信号也不会产生次谐波震荡，但是由于牺牲了频率不固定，所以没办法获得较为稳定而精确的开关频率。


技术实现要素：

10.本实用新型提供一种开关频率控制电路，以解决现有的开关电源控制时无法获得稳定而精确的开关频率的问题。
11.根据本实用新型的第一方面，提供了一种开关频率控制电路，包括：开关电源、pwm控制模块、开关导通控制模块以及数字模块；其中：
12.所述开关电源包括第一开关支路及第二开关支路；所述第一开关支路的第一端连接输入电压端，其第二端连接第一参考节点，所述第一开关支路的控制端连接所述pwm控制模块的第一端；所述第二开关支路的第一端连接所述第一参考节点，其第二端连接接地端，所述第二开关支路的控制端连接所述pwm控制模块的第二端；
13.所述pwm控制模块的输入端用于接收pwm脉冲信号，通过所述第一端输出第一驱动信号，通过所述第二端输出第二驱动信号；
14.所述开关导通控制模块的第一端连接所述第一参考节点，所述开关导通控制模块的第二端连接所述pwm控制模块的第三端；
15.所述数字模块的第一端与所述pwm控制模块的第四端连接。
16.可选的，还包括参考时钟发生器，所述参考时钟发生器与所述数字模块的第二端连接。
17.可选的，所述开关导通控制模块包括：电流采集电路，与所述开关电源连接以采集所述第一参考节点处的电流，并输出拉电流。
18.可选的，所述开关电源包括输出电压端，所述开关频率控制电路还包括串联于所述第一参考节点及输出电压端之间的第一电感及第一电阻，所述电流采集电路的第一端连接在所述第一电感与所述第一电阻之间的节点，所述电流采集电路的第二端连接在所述第一电阻与所述输出电压端之间的节点；所述电流采集电路的第一端与所述电流采集电路的第二端分别用于采集对应节点的电流，并分别通过所述电流采集电路的第三端与第四端输出相应的拉电流。
19.可选的，所述开关导通控制模块还包括：过流比较器，所述过流比较器的正相输入端与所述电流采集电路的第三端相连，所述过流比较器的负相输入端用于输入与一预设阈值对应的参考电压；所述过流比较器的输出端与所述pwm控制模块的第三端连接。
20.可选的，还包括：pwm比较器，所述pwm比较器的正相输入端用于输入一pwm补偿信号，所述pwm比较器的负相输入端与所述电流采集电路的第四端相连；所述pwm比较器的输出端与所述pwm控制模块的输入端相连，用于输出所述pwm脉冲信号给所述pwm控制模块的输入端。
21.可选的，还包括：补偿网络，与所述pwm比较器的正相输入端连接，以产生所述pwm补偿信号至所述pwm比较器。
22.可选的，还包括：分压下电阻、分压上电阻以及运算放大器，所述分压上电阻与所述分压下电阻串联连接在所述输出电压端与地之间；所述运算放大器的正相输入端连接在所述分压上电阻与所述分压下电阻之间的节点，所述运算放大器的负相输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端与所述电流采集电路的第四端连接。
23.可选的，还包括：误差放大器，所述误差放大器的正相输入端连接在所述分压上电阻与所述分压下电阻之间的节点，所述误差放大器的负相输入端用于接入一参考目标电压，所述误差放大器的输出端与所述补偿网络的输出端连接。
24.可选的，所述pwm控制模块还包括pwm时间控制模块，所述pwm时间控制模块包括调整所述pwm脉冲信号导通时间的第一信号产生单元、第二信号产生单元及第三信号产生单元；其中，所述第一信号产生单元与所述数字模块连接，以接收pwm信号及pwm脉冲信号以产生最小关断时间控制信号；所述第二信号产生单元与所述第一信号产生单元连接以接收所述最小关断时间控制信号并产生最大导通时间控制信号；所述第三信号产生单元与所述第二信号产生单元连接以接收所述最大导通时间控制信号并产生最小导通时间控制信号。
25.可选的，所述pwm控制模块还包括开关管驱动单元，与所述pwm时间控制模块连接，用于接收所述pwm时间控制模块调整后的pwm脉冲信号，以产生所述第一驱动信号及第二驱
动信号。
26.本实用新型提供的开关频率控制电路，借助于混合电流模+时间控制结构，使得通过调整toff(关断时间)时间即可完成开关频率的调整，通过数字模块执行运算和逻辑控制进而完成数字控制，稳定性极佳，而且由于采用了数字方案，还很容易实现展频等功能。
27.此外，结合开关导通控制模块控制pwm时间控制模块，摆脱了次谐波震荡的不足。该电路无需斜坡补充，更便于进行频率控制。且以数字方式实现频率控制，简单高效，适合工业上大规模量产。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本实用新型提供的开关型电源控制电路组成示意图；
30.图2是本实用新型一实施例提供的开关频率控制电路的电路组图；
31.图3是本实用新型一实施例中pwm时间控制模块组成示意图；
32.图4是本实用新型一实施例的pwm时间控制模块的实施电路图；
33.图5是本实用新型一实施例的输出电压、参考电压及跟随电压波形图；
34.图6是本实用新型一实施例的电感电流及相关pwm信号波形图。
35.图7是本实用新型一实施例的主要器件在负载变化时工作波形图；
36.图8是本实用新型一实施例的主要器件在负载不变时工作波形图。
具体实施方式
37.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
39.下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
40.参考图1所示，本实施例提供了一种开关频率控制电路，包括：开关电源10、pwm控制模块20、开关导通控制模块30以及数字模块40；其中：
41.开关电源10包括第一开关支路11及第二开关支路12，第一开关支路11的第一端连
接输入电压端(vin)，其第二端连接第一参考节点x1，第一开关支路11的控制端连接pwm控制模块20的第一端；第二开关支路12的第一端连接第一参考节点x1，其第二端连接接地端(gnd)，第二开关支路12的控制端连接pwm控制模块20的第二端；
42.pwm控制模块20的输入端用于接收pwm脉冲信号，并在pwm脉冲信号的作用下，通过其第一端输出第一驱动信号，通过其第二端输出第二驱动信号；则上述的第一开关支路11在第一驱动信号(hs)的作用下导通输入电压(vin)与第一参考节点x1，第二开关支路12在第二驱动信号(ls)的作用下导通第一参考节点x1及接地端(gnd)；
43.开关导通控制模块30的第一端连接第一参考节点x1，开关导通控制模块30的第二端连接pwm控制模块20的第三端；
44.数字模块40的第一端与pwm控制模块20的第四端连接，以进行第一驱动信号(hs)及第二驱动信号(ls)的开关频率调整。
45.该开关频率控制电路工作时，通过开关导通控制模块30同时采集第一开关支路11及第二开关支路12间的电流。当第一参考节点x1处的电流超出预设阈值时通过pwm控制模块20关断第一开关支路11并导通第二开关支路12；否则采用第一参考节点x1处的电流调整输入pwm控制模块20的pwm脉冲信号。开关导通控制模块30结合峰值电流控制技术，根据采集的电流大小进行pwm控制模块20输出的调整。具体地，在电流超出预设阈值时，关断第一开关支路，打开导通第二开关支路，否则通过pwm控制模块调整所述pwm脉冲信号进而调整第一驱动信号(hs)及第二驱动信号(ls)保障开关电源的正常工作。这种方式保证了环路工作的连续性，同时也通过峰值电流控制摆脱了次谐波震荡的不足。同时，通过数字模块进行开关频率调整，由于开关导通控制模块及pwm控制模块使得该电路的开关电源不需要斜坡补偿，进而使得开关电源的频率调整控制高效稳定，并有利于在此基础上执行频率展宽(sscg)等频率调制方案。
46.参考图2所示，本实施例中的开关电源具体配置为包括第一相位功率管m1构成的第一开关支路11及第二相位功率管m2构成的第二开关支路12，其中，输入电压端vin设置在第一相位功率管m1的输入端处，第一相位功率管m1及第二相位功率管m2间的第一参考节点x1与输出电压端vout间依次串联有一储能电感l0及采集电阻rs。其中，rload为开关电源的输出负载，这里用来模拟用户端的实际使用情况。当然，在其他优选实施例中，该开关电源可以根据需要变换为其他的具有两个开关支路的电源，其第一参考节点x1与输出电压端vout间可以仅设置一储能电感或根据需要设置其他种类及数量的储能元件。
47.参考图2所示，本实施例中的数字模块u9主要用于运算和逻辑控制。具体地，数字模块u9配置为：在(软)启动时候维持系统默认参数；轻载模式下维持之前的(控制)参数数据不变；而在连续模式下，数字模块u9则设置为比较第一驱动信号及第二驱动信号的开关频率和振荡器频率，如果开关频率大于参考频率，则会增大所述pwm脉冲信号的延时，反之降低所述pwm脉冲信号的延时，直到开关频率值在参考频率相近，即开关频率与所述参考频率间的差值小于预设差值。该数字模块u9的设置，可以通过对pwm脉冲信号延时的调节，进而调制pwm控制模块20输出的信号的开关频率变化，实现降低开关电源emi的目的。
48.参考图2，进一步优选的，还包括参考时钟发生器u10，其与数字模块u9的第二端连接，以为数字模块u9产生参考频率的时钟源。本实施例中的参考时钟发生器u10较容易修调和设计。
49.进一步优选实施例中，参考图2所示，开关导通控制模块30包括：电流采集电路u6，与开关电源10连接以采集第一参考节点x1处的电流，采集第一参考节点x1的电流后并将其处理为便于后续比较处理的拉电流(source电流)并输出。
50.进一步地，开关电源包括输出电压端vout，该开关频率控制电路还包括串联于第一参考节点x1及输出电压端vout间的第一电感(即上述的储能电感l0)及第一电阻(即上述的采集电阻rs)。在此情况下，这里的电流采集电路u6的第一端连接在第一电感l0与第一电阻rs之间的节点处，电流采集电路u6的第二端连接在第一电阻rs与输出电压端vout之间的节点。电流采集电路u6同时采集位于第一电感l0及第一电阻rs间节点处的电流，及第一电阻rs与输出电压间节点处的电流，并将采集的电流分别处理为拉电流后，再分别通过电流采集电路u6的第三端与第四端输出相应的拉电流。具体地，结合图2所示，采集电流后通过预设比例处理为拉电流，然后分别通过u6的out1和out2端口输出。其中，i(out1)＝i(电感)/n(其中n为第一预设比例系数)；i(out2)＝i(电感)/m(其中m为第二预设比例系数)。
51.优选地，开关导通控制模块还包括：过流比较器u4，过流比较器u4的正相输入端与电流采集电路u6的第三端相连，过流比较器u4的负相输入端用于输入与一预设阈值对应的参考电压；过流比较器u4的输出端与pwm控制模块20的第三端连接。工作时，过流比较器u4将处理后的第一参考节点x1的电流(即out2端口输出的拉电流i(out2))与预设阈值对应的参考电压进行比较，当处理后的第一参考节点的拉电流i(out2)大于预设阈值对应的参考电压时，输出关断信号控制pwm控制模块关断第一开关支路并导通第二开关支路。其中，参考图2所示，这里的电流的预设阈值由参考电压(cl2_ref)、第二预设比例系数m及过流比较器的上拉电阻rlim的阻值共同决定。当发生过流后，输出关断信号立刻关闭pwm(pwm＝0)，上管(第一相位功率管m1)关断，并切换为下管(第二相位功率管m2)导通，在过流释放之前，不允许上管(第一相位功率管m1)开启导通。当过流释放完成后，过流比较器u4输出ilim信号可以控制pwm控制模块进行复位使电路的第一开关支路继续工作。
52.优选地，该开关频率控制电路还包括：pwm比较器u1，pwm比较器u1的正相输入端用于输入一pwm补偿信号，pwm比较器u1的负相输入端与电流采集电路u6的第四端相连；pwm比较器u1的输出端与pwm控制模块20的输入端相连，用于输出pwm脉冲信号给pwm控制模块20的输入端。工作时，pwm比较器u1将处理后的第一参考节点x1的电流信号(cs1)与pwm补偿信号(compf)进行比较，以产生pwm脉冲信号(pulse)并发送至上述的pwm控制模块。本实施例中，pwm脉冲信号的上升沿用于产生关断信号(第一相位的结束信号)。
53.进一步地，该开关频率控制电路还包括：补偿网络u3，与pwm比较器u1的正相输入端连接，以产生pwm补偿信号至pwm比较器u1以产生pwm脉冲信号。
54.进一步地，该开关频率控制电路还包括：分压下电阻r4、分压上电阻r5以及运算放大器u5，分压上电阻r5与分压下电阻r4串联连接在输出电压端与地之间；运算放大器u5的正相输入端连接在分压上电阻r5与分压下电阻r4之间的节点，运算放大器u5的负相输入端与运算放大器u5的输出端连接，运算放大器u5的输出端与电流采集电路u6的第四端连接。运算放大器u5接收开关电源的分压后的输出电压vfb以产生跟随电压vfb_bf，并叠加作用在处理后的第一参考节点的电流(out2端口输出的i(out1))上，得到上述的信号cs1，进而调整生成的pwm脉冲信号。
55.进一步地，该开关频率控制电路还包括：误差放大器u7，误差放大器u7的正相输入
端连接在分压上电阻r5与分压下电阻r4之间的节点，误差放大器u7的负相输入端用于接入一参考目标电压，误差放大器u7的输出端与补偿网络u3的输出端连接。误差放大器u7比较开关电源的分压后的输出电压vfb与参考目标电压vref间的误差，并进行pwm补偿信号的调整以精确控制开关电源的输出电压。
56.参考图2所示，本实施例中的pwm控制模块还包括pwm时间控制模块u2。进一步参考图3所示，pwm时间控制模块u2包括调整pwm脉冲信号导通时间的第一信号产生单元i01、第二信号产生单元i02及第三信号产生单元i03；其中，第一信号产生单元i01配置为接收pwm信号及pwm脉冲信号以产生最小关断时间控制信号；所述第二信号产生单元i02配置为接收所述最小关断时间控制信号并产生最大导通时间控制信号；所述第三信号产生单元i03配置为接收所述最大导通时间控制信号并产生最小导通时间控制信号。pwm时间控制模块u2通过上述的第一信号产生单元i01、第二信号产生单元i02及第三信号产生单元i03进行pwm脉冲信号的最小关断时间、最大导通时间及最小导通时间的控制及调整。为实现上述进行pwm脉冲信号控制及调整的功能，u2内部电路的一个具体实施例可以参考专利cn201711138251.6，或者本领域技术人员根据需要设置为其他可以实现上述功能的具体电路结构。
57.参考图4所示，u2的一个信号单元实施如虚线框内部分所示，用来配置电流源，其中，电流源和电容共同来确定pwm信号的延时可调过程。电流源作为大小可编程电流源，其控制来自数字处理，较大的电流对于相同的电容，充到相同的翻转电压需要的时间(延时)短，反之长。电流的大小和延时成正比例关系，所以可以通过调整电流源的大小(从0调到最大)来调节延时，对于电容，同理。
58.这里当过流比较器u4控制第一比较支路关断后，且过流释放完成后，过流比较器u4输出ilim信号可以控制pwm时间控制模块u2进行复位，使其输出复位0，电路的第一开关支路继续工作，进而u2实现了在连续模式下产生第一相位开启信号。
59.进一步优选地，参考图2所示，pwm控制模块20还包括开关管驱动单元u8，与pwm时间控制模块u2连接，用于接收pwm时间控制模块u2调整后的pwm脉冲信号，以产生上述的第一驱动信号(hs)及第二驱动信号(ls)。
60.进一步参考图2，该开关频率控制电路工作过程如下：
61.启动时，输出电压端vout的初始电压为0v，而vref电压为参考目标电压，通常有软启动，vref电压缓启动到目标电压，vfb跟随vref，直至达到目标电压；vout＝vfb*(1+r5/r4)，其中r4为分压下电阻，r5为分压上电阻。
62.此时，误差放大器u7比较输入端误差，从而抬高或者降低compf电压，这里的补偿网络u3设置为环路滤波器，u7和u3共同决定了环路的速度(带宽)。本实施例中，如vfb《vref，u7输出电流抬高compf；如vfb》vref，则反之。
63.而运算放大器u5执行以下功能：1、复制(缓冲)vfb电压以提高驱动能力；2.隔离vfb和vfb_bf，由于运放的高阻输入特性，vfb_bf的变化不会影响到vfb；这里由于u5速度远高于环路带宽，所以vfb_bf的交流量近似等于vfb；vfb_bf跟随vfb信号变化，即跟随器。在一具体应用例中，输出电压vout、分压后的vfb及参考目标电压vref的变化波形关系参考图5所示。
64.该过程中，电流采集电路u6进行电感电流采集，并处理为拉电流后分别输出i
(out1)及i(out2)。本实施例中，对于上管，用器件尺寸为m1的1/n的采集管作为镜像管，镜像出来的电流为m1的1/n,下管采集同理。另外，在电感端串联采集电阻rs，其上压降为rs*il(il为电感电流，即i(电感)),使该压降落在不同的参考电阻之上就可以转为相应的拉电流，通过设置参考电阻和rs的比例可以得到i(out1)和i(out2)。
65.该过程中，通过过流比较器u4进行逐周期过流保护，过流时上管关断，切换为下管导通，在过流释放之前，不允许上管开启导通；上下管采集到的电流表示为is＝il/m,当is*rlim》cl2_ref，表明电流超过预设，ilim变为高，上管立刻关断，下管开；反之ilim为低，环路工作。
66.该过程中，pwm时间控制模块u2进行pwm脉冲信号的最小关断时间、最大导通时间及最小导通时间的控制及调整，同时主要用于在连续模式下产生第一相位开启信号：
67.在连续模式下，由于电感电流il连续，达到峰值电流关闭的时候pulse(图3中输入u2的pu)只有很短的时间维持为低电平(cs1电平由于叠加了电感电流信号，始终大于输入u1的compf电压，这里一实施例中，电感电流i(l1-p)、pwm脉冲信号、compf/cs1信号、pulse信号波形关系参考图6所示)，用于关闭第一相位和开启第二相位，由于第二相位的关闭有最小off时间控制，所以在连续模式下等效为恒定关断时间(关断时间为u2-i02模块的最小off时间)；
68.在断续模式下，处于工作与导通时间控制模式，导通时间受控于u2模块的i02/i03控制叠加电感电流并主要受控于电感电流叠加与rlim上的电压控制。由于电感叠加量无论在断续模式还是连续模式，都主要受控于电感电流，所以稳定性模型与峰值电流结构近似，因此环路补偿比较简单。
69.参考图7所示，在负载变化时，软启动(软启动结束信号ssdone变1之前)，sel《4:0》维持默认值10000(这里的sel《4:0》为数字输出，其值和电流大小成对应关系，用来决定延时大小。)；轻载(pfm＝1)，sel维持原来的值不变化；退出两者模式后，sel开始调整；直到最后频率值和设定值接近或相等，或者到了调制的最大范围后停止。
70.参考图8所示，在负载不变时，启动电路，频率最后固定在360khz。toff关断时间在间歇调整。
71.该开关频率控制电路由于设置了pwm时间控制模块u2，因此不需要在burst模式(轻载)切换，工作频率，占空比均会自动调整；另外，由于未限定固定开关周期，所以电感电流的抖动不会被放大，从而导致次谐波震荡，所以在无斜坡补偿的情况下，环路也很稳定，可以很好的提高抗噪声能力。
72.综上所述，本实用新型提供的开关频率控制电路，通过开关导通(ton)控制模块控制pwm时间控制模块u2并结合峰值电流控制，摆脱了次谐波震荡的不足。其中，第一开关支路电流作为导通时间控制，与传统峰值电流控制相似，环路补偿方式易实现。在此基础上，通过数字模块控制pwm时间控制模块u2进行频率控制，这种频率控制的方式简单高效，非常适合工业大规模量产。
73.本实用新型使用的是数字为主的方案，借助于混合电流模+时间控制结构，使得通过调整toff时间即可完成开关频率的调整，通过数字模块执行运算和逻辑控制进而完成数字控制，稳定性极佳，而且由于采用了数字方案，还很容易实现展频等功能。
74.此外，该开关频率控制电路通过运算放大器u5实现vfb缓冲，隔离了电感电流il对
vfb的影响，同时提高了电路结构的适用范围(由于vfb经过了电阻的分压，无驱动能力)。如果没有u5的存在，此架构只能够通过vout直接反馈(vout有大电容和驱动能力)，无法经过电阻分压后直接叠加电感电流分量。
75.由于交流反馈量为电感电流，可以降低对vout端电容cout的电容寄生等效电阻esr的依赖性，进而降低vout电压纹波。
76.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。