应用于两级LC开关电源的环路补偿电路及开关电源装置的制作方法

应用于两级lc开关电源的环路补偿电路及开关电源装置
技术领域
1.本技术属于开关电源领域，尤其涉及一种应用于两级lc开关电源的环路补偿电路及开关电源装置。


背景技术：

2.开关电源是现代电子电路系统中最基本的构件。它把已知直流输入电压变换成系统所需要的或是易于使用的直流输出电压。当涉及对纹波敏感的数字、模拟和射频应用时，使用两级lc开关电源，直接给负载供电，提升系统效率，此时输出电压的低纹波性能变得至关重要。
3.然而，现有的两级lc开关电源存在无法同时对一级lc滤波电路和两级lc滤波电路进行回路补偿的问题。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种应用于两级lc开关电源的环路补偿电路及开关电源装置，旨在解决现有的两级lc开关电源中无法同时对一级lc滤波电路和两级lc滤波电路进行回路补偿的问题。
5.本技术在一方面提供了一种应用于两级lc开关电源的环路补偿电路，所述两级lc开关电源包括依序连接的开关模块、一级滤波模块和二级滤波模块，其特征在于，所述环路补偿电路包括：
6.第一反馈模块，与所述二级滤波模块连接，用于对所述二级滤波模块的输出电压进行采样得到第一采样电压信号，并将所述第一采样电压信号与第一参考电压的差值电压进行放大处理生成第一反馈信号；
7.第二反馈模块，与所述第一反馈模块和所述一级滤波模块连接，用于对所述一级滤波模块的输出电压进行采样得到第二采样电压信号，并将所述第二采样电压信号与所述第一反馈信号的差值电压进行放大处理生成第二反馈信号；
8.采样模块，连接所述开关模块，用于对所述开关模块的输出端的电流进行采样得到采样电流信号；
9.反馈调节模块，连接所述第二反馈模块和所述采样模块，用于根据所述采样电流信号、所述第二反馈信号以及斜坡补偿信号生成脉宽调制信号，以对对所述开关模块的开关频率进行调整。
10.在一个实施例中，所述第一反馈模块包括第一电压采样单元和第一误差放大单元；其中，
11.所述第一电压采样单元连接于所述二级滤波模块的两端，所述第一误差放大单元第一输入端连接所述第一电压采样单元的输出端，所述第一误差放大单元的第二输入端连接所述采样模块。
12.在一个实施例中，所述第一电压采样单元包括第一电阻和第二电阻；其中，
13.所述第一电阻的第一端连接所述二级滤波模块的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述二级滤波模块的第二端，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端共同输出第一采样电压信号。
14.在一个实施例中，所述第一误差放大单元包括第一误差放大器和第一电容；其中，
15.所述第一误差放大器的负相端连接所述第一电压采样单元，所述第一误差放大器的正相端接收参考电压，所述第一误差放大器的输出端连接所述第二反馈模块；所述第一电容的第一端连接所述第一误差放大器的输出端，所述第一电容的第二端接地。
16.在一个实施例中，所述第二反馈模块包括第二电压采样单元和第二误差放大单元；其中，
17.所述第二电压采样单元连接于所述一级滤波模块的两端，所述第二误差放大单元的第一输入端连接所述第二电压采样单元的输出端，所述第二误差放大单元的第二输入端连接所述第一反馈模块，所述第二误差放大单元的输出端连接所述反馈调节模块。
18.在一个实施例中，所述第二电压采样单元包括第三电阻和第四电阻；其中，
19.所述第三电阻的第一端连接所述一级滤波模块的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述第三电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述一级滤波模块的第二端，所述第三电阻的第二端和所述第四电阻的第一端共同输出第二采样电压信号。
20.在一个实施例中，所述第二误差放大单元包括第二误差放大器、第五电阻和第二电容；其中，
21.所述第二误差放大器的负相端连接所述第二电压采样单元，所述第二误差放大器的正相端连接所述第一反馈模块，所述第二误差放大器的输出端连接所述反馈调节模块；所述第五电阻的第一端连接在所述第二误差放大器的输出端，所述第五电阻的第二端接地；所述第二电容的第一端连接所述第二误差放大器的输出端，所述第二电容的第二端接地。
22.在一个实施例中，所述反馈调节模块包括脉宽调制比较器，所述脉宽调制比较器的负相端连接所述采样模块，并接收所述采样电流信号；所述脉宽调制比较器的正相端连接所述第二反馈模块，并接收所述第二反馈信号；所述脉宽调制比较器的斜波接收端接收斜坡补偿信号；所述脉宽调制比较器的输出端连接所述开关模块。
23.在一个实施例中，所述采样模块包括电流采样单元，所述电流采样单元的输入端连接所述开关模块的输出端，所述电流采样单元的输出端连接所述反馈调节模块。
24.本技术在另一方面提供了一种开关电源装置，所述开关电源装置包括上述任意一项实施例所描述的环路补偿电路。
25.环路补偿电路包括第一反馈模块、第二反馈模块、采样模块和反馈调节模块，第一反馈模块与二级滤波模块连接，用于对二级滤波模块的输出电压进行采样得到第一采样电压信号，并将第一采样电压信号与第一参考电压的差值电压进行放大处理生成第一反馈信号，第二反馈模块与第一反馈模块和一级滤波模块连接，用于对一级滤波模块的输出电压进行采样得到第二采样电压信号，并将第二采样电压信号与第一反馈信号的差值电压进行放大处理生成第二反馈信号，采样模块连接开关模块，用于对开关模块的输出端的电流进行采样得到采样电流信号，反馈调节模块连接第二反馈模块和所述采样模块，用于根据采样电流信号、第二反馈信号以及斜坡补偿信号生成脉宽调制信号，以对开关模块的开关频
率进行调整。在本技术中第一反馈模块和第二反馈模块分别对二级滤波模块和一级滤波模块进行电压采样，并输出到反馈调节模块以控对开关模块的电压进行调制，解决了两级lc开关电源存在无法同时对一级lc滤波电路和两级lc滤波电路进行回路补偿的问题。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，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。
27.图1为本技术实施例提供的两级lc开关电源的功能框图；
28.图2为本技术实施例提供的第一反馈模块的电路原理示意图；
29.图3为本技术实施例提供的第二反馈模块的电路原理示意图；
30.图4为本技术实施例提供的反馈调节模块的电路原理示意图；
31.图5为本技术实施例提供的两级lc开关电源的电路原理示意图。
具体实施方式
32.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
34.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.开关电源将外部电源信号变换成负载所需要的供电电源信号，为了使开关电源输出的供电电源信号更加稳定，通常需要增加lc滤波电路，从而使开关电源在原有的lc滤波电路的基础上拥有两级lc滤波电路，而在拥有两级lc滤波电路的开关电源中，开关电源的稳定性的提高有利于输出稳定的供电电源信号。
37.现有的两级lc开关电源拥有补偿环路，而补偿环路只对开关电源的两级lc滤波电路输出供电电源信号进行采样，并根据供电电源信号与参考电压信号进行比较，当供电电源信号与参考电压信号有差别时，补偿环路将对开关电源终的功率变换模块进行控制从而使功率变换模块输出负载所需的供电电源信号，但此处的环路补偿电路无法对开关电源的功率变换模块输出信号和一级lc滤波电路的输出信号进行比较，从而导致环路补偿电路无
法同时对一级lc滤波电路和两级lc滤波电路进行同时补偿从而增加两级lc开关电源的稳定性。
38.为了解决上述问题，本技术提供了一种应用于两级lc开关电源的环路补偿电路，参见图1所示，环路补偿电路包括第一反馈模块100、第二反馈模块200、采样模块300和反馈调节模块400，其中，第一反馈模块100与二级滤波模块700连接，用于对二级滤波模块700的输出电压进行采样得到第一采样电压信号，并第一采样电压信号与第一参考电压的差值电压生成第一反馈信号v1并将第一反馈信号v1输出到第二反馈模块200。第二反馈模块200与第一反馈模块100和一级滤波模600块连接，用于对一级滤波模块600的输出电压进行采样生成第二采样电压信号后，一级滤波模块600还接收第一反馈信号v1，并根据第二采样电压信号和第一反馈信号v1的差值电压生成第二反馈信号v2，并将第二反馈信号v2输出到反馈调节模块400。采样模块300连接开关模块500的输出端，用于对开关模块500的输出端的电流进行采样生成采样电流信号v3，并将采样电流信号v3输出到反馈调节模块400。反馈调节模块400连接第二反馈模块200和采样模块300，用于接收第二反馈信号v2和采样电流信号v3，并根据第二反馈信号v2和采样电流信号v3对所述开关模块500的开关频率进行调整，从而调整开关模块500输出电信号的电压。
39.具体的，继续参见图1所示，二级滤波模块700输出供电电源信号到负载为负载进行供电，第一反馈模块100对二级滤波模块700两端的电压(即二级滤波模块700的输出电压)进行采样从而获得第一采样电压信号，第一反馈模块100在获取到第一采样电压信号时，将第一采样电压信号与第一参考电压进行比较，并将供电电源信号与第一参考电压的差值电压生成第一反馈信号v1，从而对两级lc开关电源进行远程环路补偿。
40.一级滤波模块600输出第二采样电压信号，第二反馈模块200对一级滤波模块600两端的电压(即一级滤波模块600的输出电压)进行采样得到第二采样电压信号，第二反馈模块200将第二采样电压信号与第一反馈信号v1进行比较，并根据第二采样电压信号和第一反馈信号v1的差值电压生成第二反馈信号v2，从而对开关电源进行环路补偿。
41.采样模块300连接开关模块500的输出端，用于对开关模块输出的电流进行采样生成采样电流信号并将采样电流信号v3输出到反馈调节模块400，以控制反馈调节模块400输出脉宽调制信号vc，从而控制开关模块的开关频率。
42.反馈调节模块400在接收到采样模块输出的采样电流信号v3时，根据输出电流的波形的峰值调整反馈调节模块400输出的占空比，从而控制开关模块500输出的电压的电压值。反馈调节模块400在接收到第二反馈模块200输出的第二反馈信号v2时，反馈调节模块400通过第二反馈信号v2补偿开关电源的闭环系统在扰动时的性能不足，从而维持闭环系统的稳定。
43.在本实施例中，环路补偿电路采用电流控制型的环路补偿，通过两级lc电源的一级滤波模块600的电压反馈、二级滤波模块700的电压反馈和开关模块500输出的电流反馈对开关电源输出的供电电源信号进行调整，从而使开关电源电路输出的供电电源信号稳定在负载所需电压值，同时在不使用二级滤波模块700的情况下环路补偿电路也能正常工作，环路补偿电路解决了两级lc开关电源的环路补偿问题。
44.在一个实施例中，参见图2所示，第一反馈模块100包括第一电压采样单元110和第一误差放大单元120。其中，第一电压采样单元110连接于二级滤波模块700的两端，第一误
差放大单元120第一输入端连接第一电压采样单元110的输出端，第一误差放大单元120的第二输入端连接采样模块200。
45.具体的，第一电压采样单元110包括第一电阻r1和第二电阻r2，第一电阻r1的第一端连接二级滤波模块700的第一端，第一电阻r1的第二端连接第二电阻r2的第一端，第二电阻r2的第二端连接二级滤波模块700的第二端，第一电阻r1的第二端和第二电阻r2的第一端共同输出第一采样电压信号。
46.第一误差放大单元120包括第一误差放大器gm1和第一电容c1。第一误差放大器gm1的负相端连接第一电压采样单元110，第一误差放大器gm1的正相端接收第一参考电压vref，第一误差放大器gm1的输出端连接第二反馈模块200；第一电容c1的第一端连接第一误差放大器gm1的输出端，第一电容c2的第二端接地gnd。
47.在本实施例中，第一电阻r1和第二电阻r2对第二滤波模块700的两端电压(即第二滤波模块700的输出电压)进行采样生成第一采样电压信号，第一电阻r1和第二电阻r2的公共端作为第一采样电压信号的输出端，并将第一采样电压信号输出到第一误差放大器gm1的负相端，第一误差放大器gm1的正相端接收第一参考电压vref，并将第一采样电压信号与参考电压信号vref进行对比后放大输出第一反馈信号v1。从而对两级lc开关电源进行远程环路补偿，补偿值为：
48.fr＝kr/s＝1/c3s
49.第一电压采样单元110和第一误差放大单元120对二级滤波模块700输出的供电电源信号进行采样，并根据供电电源信号生成能够对两级lc开关电源产生信号补偿的第一反馈信号v1，从而调整两级lc开关电源输出的供电电源信号。
50.在一个实施例中，参见图3所示，第二反馈模块200包括第二电压采样单元210和第二误差放大单元220。其中，第二电压采样单元210连接于一级滤波模块700的两端，第二误差放大单元220的第一输入端连接第二电压采样单元110的输出端，第二误差放大单元120的第二输入端连接第一反馈模块100，第二误差放大单元220的输出端连接反馈调节模块400。
51.具体的，继续参见图3所示，第二电压采样单元210包括第三电阻r3和第四电阻r4；其中，第三电阻r3的第一端连接一级滤波模块700的第一端，第四电阻r4的第二端连接第三电阻r3的第一端，第四电阻r4的第二端连接一级滤波模块700的第二端，第三电阻r3的第二端和第四电阻r4的第一端共同输出第二采样电压信号。
52.第二误差放大单元220包括第二误差放大器gm2、第五电阻r5和第二电容c2。其中，第二误差放大器gm2的负相端连接第二电压采样单元210，第二误差放大器gm2的正相端连接第一反馈模块100，第二误差放大器gm2的输出端连接反馈调节模块400；第五电阻r5的第一端连接在第二误差放大器gm2的输出端，第五电阻r5的第二端接地gnd；第二电容c2的第一端连接第二误差放大器gm2的输出端，第二电容c2的第二端接地gnd。
53.在本实施例中，第三电阻r3和第四电阻r4对一级滤波模块700的两端电压(即第二滤波模块700的输出电压)进行采样并生成第二采样电压信号，第三电阻r3和第四电阻r4的公共端作为第二采样电压信号的输出端，并将第二采样电压信号输出到第二误差放大器gm1的负相端，第二误差放大器gm2的正相端接收第一反馈信号v1，并将第一反馈信号v1和第二采样电压信号进行比较后放大输出第二反馈信号，从而对两级lc开关电源进行环路补
偿，补偿值为：
54.f
l
＝k
l
/(1+s/ω
pl
)
55.其中，ω
pl
＝r4*c5，补偿值中kl提供足够的中频增益，在高频下保持环路的输出效果。
56.在一个实施例中，参见图4所示，反馈调节模块400包括脉宽调制比较器u1，脉宽调制比较器u1的负相端连接采样模块300，并接收采样电流信号v3。脉宽调制比较器u1的正相端连接第二反馈模块200，并接收第二反馈信号v2。脉宽调制比较器u1的斜波接收端(即脉宽调制比较器u1的负相端)接收斜坡补偿信号slope；脉宽调制比较器u1的输出端连接开关模块500。
57.具体的，脉宽调制比较器u1接收采样电流信号v3、第二反馈信号v2和斜坡补偿信号slop，一般在有采样电流信号v3控制的情况下，会出现次谐波振荡，在采样电流脉宽调制比较器u1将采样电流信号v3上叠加一个固定斜坡的电流信号也即斜坡补偿信号slop，从而减少电流环在1/2谐波的增益，从而抑制次谐波振荡，使环路补偿电路输出的脉宽调制比较器u1输出的脉宽调制信号vc更稳定。
58.在本实施例中，脉宽调制比较器u1将采样电流信号v3与第二反馈信号v2进行比较，同时将比较结果叠加斜坡补偿信号slope输出脉宽调制信号vc以调整开关模块500中的开关管的开关频率，从而达到快速调整开关模块500的输出信号、降低两级lc开关电源的输出波纹的目的。
59.在一个实施例中，参见图5所示，反馈调节模块300包括电流采样单元ri，电流采样单元ri的输入端连接开关模块500的输出端，电流采样单元ri的输出端连接反馈调节模块400。
60.在本实施例中，电流采样单元ri对开关模块500输出的电流(即流过第一电感ls1的电流)进行采样，并将采样得到的电流信号波形输出至反馈调节模块400，并与斜坡补偿信号slope进行叠加，从而调整反馈调节模块400输出波形的占空比。
61.图5为一个具体的实施例提供的两级lc开关电源的电路原理图，参见图5所示，输入电源信号vin通过开关模块500得到负载rl所需的供电电源信号。第三电容c3用于对输入电源信号vin进行滤波，第一开关管q1和第一二极管d1构成buck电路，控制第一开关管q1的开启与关闭的频率可控制开关模块500输出的电信号的电压值。第一电感ls1、第四电容c4和第七电阻r7构成一级lc滤波电路，用于对开关模块500输出的电信号进行滤波处理，第二电感ls2、第五电容c5和第六电阻r6构成两级lc滤波电路，用于对将要输出的供电电源信号进行再次滤波处理，从而使两级lc开关电源输出平稳波形的供电电源信号。
62.在本实施例中，两级lc开关电源的传递函数为:
63.[0064][0065][0066]
其中，
[0067][0068][0069][0070][0071][0072][0073][0074][0075]
在本实施例中，第二反馈模块200输出的第二反馈信号200为正弦信号，第二反馈信号200可反馈一级滤波模块600和二级滤波模块700的输出信号，第二反馈信号200与采样模块300。
[0076]
本技术在最后提供了一种开关电源装置，开关电源装置包括上述任意一项实施例
所描述的环路补偿电路。
[0077]
在本实施例中，开关电源装置设置在负载与外部电源之间，开关电源装置可将外部电源提供的电源信号转化为负载所需要的供电电源信号，
[0078]
环路补偿电路包括第一反馈模块、第二反馈模块、采样模块和反馈调节模块，第一反馈模块与二级滤波模块连接，用于对二级滤波模块的输出电压进行采样得到第一采样电压信号，并将第一采样电压信号与第一参考电压的差值电压进行放大处理生成第一反馈信号，第二反馈模块与第一反馈模块和一级滤波模块连接，用于对一级滤波模块的输出电压进行采样得到第二采样电压信号，并将第二采样电压信号与第一反馈信号的差值电压进行放大处理生成第二反馈信号，采样模块连接开关模块，用于对开关模块的输出端的电流进行采样得到采样电流信号，反馈调节模块连接第二反馈模块和所述采样模块，用于根据采样电流信号、第二反馈信号以及斜坡补偿信号生成脉宽调制信号，以对开关模块的开关频率进行调整。在本技术中第一反馈模块和第二反馈模块分别对二级滤波模块和一级滤波模块进行电压采样，并输出到反馈调节模块以控对开关模块的电压进行调制，解决了两级lc开关电源存在无法同时对一级lc滤波电路和两级lc滤波电路进行回路补偿的问题。
[0079]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0080]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。