一种开关电源的控制方法及电路与流程

1.本发明涉及一种开关电源的控制方法及电路。


背景技术：

2.现有开关电源的控制方式，是根据占空比调节时频率是否改变，可以分为脉冲宽度调制(pwm)和脉冲频率调制(pfm)，其中，pfm又包括恒定关断时间(cft)、恒定导通时间(cot)、导通和关断时间均改变的调制方式，另外，根据反馈信号还可以分为电压模和电流模。无论采用上述哪一种控制方式，都需要使用误差放大器(ea)进行环路增益和相位补偿，误差放大器中的补偿电容需要占用芯片面积，同时，ea会引起芯片功耗增加，使成本增高。


技术实现要素：

3.本发明为了解决目前开关电源的控制方式都需要使用误差放大器进行环路增益和相位补偿，误差放大器会引起芯片功耗增加，使成本增高，误差放大器中的补偿电容也会占用芯片面积的技术问题，提供了一种开关电源的控制方法及电路。
4.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.一种开关电源的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
6.s1，将开关电源的反馈电压vfb分别与第一锯齿波、第二锯齿波和第三锯齿波比较，产生相应的第一比较电压、第二比较电压u1和第三比较电压u2；
7.其中，所述第一锯齿波的幅值大于0且小于v1，v1大于2倍基准电压vref，所述第一比较电压为方波电压；
8.所述第二锯齿波的幅值大于0且小于vref；
9.所述第三锯齿波的幅值大于vref且小于2倍vref；
10.s2，设置可变电流源的充电电流与固定电流源的充电电流相同；比较第二比较电压u1和第三比较电压u2，若u1＞u2，则增大可变电流源的充电电流，直至u1＜u2，停止增大可变电流源的充电电流，若u1＜u2，则减小可变电流源的充电电流，直至u1＞u2，停止减小可变电流源的充电电流，若u1＝u2，则保持可变电流源的充电电流不变；
11.其中，所述固定电流源为时间周期固定的第一计时单元的充电电流源；所述可变电流源为时间周期可变的第二计时单元的充电电流源；
12.s3，由第一比较电压、可变电流源的充电电流，共同控制第一计时单元和第二计时单元产生驱动信号，并通过该驱动信号控制开关电源的输出电压vout。
13.进一步地，所述可变电流源和所述固定电流源具体是，通过第一比较电压的上升沿控制可变电流源充电时间的起始，以及固定电流源充电的起始时间。
14.进一步地，所述可变电流源和所述固定电流源具体是，通过可变电流源的充电电位与比较电平vx的比较结果，控制可变电流源充电的结束时间，通过固定电流源的充电电位与比较电平vx的比较结果，控制固定电流源充电的结束时间。
15.本发明还提供了一种开关电源的控制电路，用于实现上述开关电源的控制方法，
其特殊之处在于，包括第一电压模块、第二电压模块、第三电压模块、分析控制模块和占空比调节模块；
16.所述第一电压模块，用于比较第一锯齿波和开关电源的反馈电压vfb，并根据比较结果产生第一比较电压，所述第一比较电压为方波电压，所述第一锯齿波的幅值大于0且小于v1，v1大于2倍基准电压vref；
17.所述第二电压模块，用于比较第二锯齿波和开关电源的反馈电压vfb，并根据比较结果产生第二比较电压；所述第二锯齿波的幅值大于0且小于vref；
18.所述第三电压模块，用于比较第三锯齿波和开关电源的反馈电压vfb，并根据比较结果产生第三比较电压；所述第三锯齿波的幅值大于vref且小于2倍vref；
19.所述分析控制模块，用于比较第二比较电压和第三比较电压，并根据比较结果控制占空比调节模块的工作状态；
20.所述占空比调节模块包括相连的可变电流源和固定电流源，所述固定电流源为时间周期固定的第一计时单元的充电电流源，所述可变电流源为时间周期可变的第二计时单元的充电电流源，所述占空比调节模块用于根据分析控制模块中第二比较电压和第三比较电压的比较结果，控制可变电流源的充电电流，并通过第一比较电压、可变电流源的充电电流共同控制第一计时单元和第二计时单元产生驱动信号，并通过该驱动信号控制开关电源的输出电压vout。
21.进一步地，所述第一计时单元包括d触发器q2，电容c4、电压比较器comp4、开关s1、开关s2和固定电流源；
22.开关s1与开关s2串联在固定电流源与地之间，电容c4与开关s2并联；电压比较器comp4的同相输入端连接于开关s1和开关s2相连的一端，反相输入端用于输入比较电平vx，输出端与d触发器q2的复位端相连，同时控制开关s2的开合；所述d触发器q2的信号输出端用于控制开关s1的开合，并用于输出控制开关电源输出电压vout的驱动信号；
23.所述第二计时单元包括d触发器q1，电容c3、电压比较器comp5、开关s3、开关s4、与门电路和可变电流源；
24.开关s3与开关s4串联在可变电流源与地之间，电容c3与开关s4并联，电压比较器comp5的同相输入端连接于开关s3和开关s4相连的一端，反相输入端用于输入预设的比较电平，输出端与d触发器q1的复位端相连，同时控制开关s4的开合；所述d触发器q1的时钟控制端与第一电压模块的输出端相连，信号输出端和第一电压模块的输出端分别连接与门电路的两个输入端，与门电路的输出端用于控制开关s3的开合；
25.所述d触发器q2的时钟控制端与d触发器q1的信号输出端相连。
26.进一步地，所述第一电压模块包括第一锯齿波产生器和电压比较器comp1；所述电压比较器comp1的同相输入端与第一锯齿波产生器的输出端相连，反相输入端连接开关电源的反馈电压vfb，电压比较器comp1的输出端与第二计时单元中d触发器q1的时钟控制端相连。
27.所述第二电压模块包括第二锯齿波产生器、电压比较器comp2和第一滤波单元，所述电压比较器comp2的同相输入端与第二锯齿波产生器的输出端相连，反相输入端连接开关电源的反馈电压vfb，第一滤波单元输入侧与电压比较器comp2的输出端相连，输出侧与分析控制模块相连；
28.所述第三电压模块包括第三锯齿波产生器、电压比较器comp3和第二滤波单元，所述电压比较器comp3的同相输入端连接开关电源的反馈电压vfb，反相输入端与第三锯齿波产生器相连，第二滤波单元输入侧与电压比较器comp3的输出端相连，输出侧与分析控制模块相连。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.1.本发明提出的开关电源的控制方法，通过第二比较电压和第三比较电压的比较结果，经简单的比较计算，可根据比较计算结果控制第二计时单元的充电电流，即可完成控制，控制方法成本低，不需要补偿电容的参与，避免了补偿电容占用芯片的面积，同时，降低了芯片功耗。
31.2.本发明提出的开关电源的控制电路，不需要使用误差放大器进行环路增益和相位补偿，不需要补偿网络，通过分析控制模块和占空比调节模块的共同作用，即可对开关电源输出的反馈电压进行调节，进而达到调节开关电源输出电压的目的，使开关电源的输出电压满足设计值要求，有效节省了补偿电容占用芯片的面积，同时降低了芯片功耗，进而降低了成本。
32.3.本发明中的第二电压模块和第三电压模块，能够通过电压比较器comp2和电压比较器comp3的处理结果，经第一滤波单元和第二滤波单元产生相应的比较电压，通过分析控制模块对第二电压模块和第三电压模块产生的比较电压进行比较，根据比较结果对占空比调节模块中第二计时单元的充电电流进行调节，即可达到调节开关电源输出电压的目的，控制便捷，逻辑简单。另外，本发明的控制系统不需要设计高带宽的运放，系统响应速度不受运放带宽限制。
附图说明
33.图1为本发明开关电源的控制方法的流程示意图；
34.图2为本发明开关电源的控制电路示意图；
35.图3为本发明对应实施例的开关电源的控制电路示意图；
36.图4为占空比调节模块的示意图；
37.图5为当vref《vfb《2vref时开关电源的控制电路参数波形图；
38.图6为当0《vfb《vref时开关电源的控制电路参数波形图；
39.图7为经分析控制模块和占空比调节模块配合调节反馈电压vfb后，开关电源的控制电路参数波形图；
40.图8为经分析控制模块和占空比调节模块配合调节反馈电压vfb后，开关电源参数波形图。
41.其中：1-第一电压模块、2-第二电压模块、3-第三电压模块、4-分析控制模块、5-占空比调节模块、501-第一计时单元、502-第二计时单元、6-boost拓扑结构、7-第一锯齿波产生器、8-第二锯齿波产生器、9-第三锯齿波产生器、10-与门电路、11-开关电源的控制电路。
具体实施方式
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
43.本发明提出了一种不需要误差放大器，即可对开关电源进行控制的方法和电路，使其能够满足设计要求，适用于控制不同开关电源的输出电压。
44.如图1所示，本发明提出了一种开关电源的控制方法，具体步骤为：
45.s1，将开关电源的反馈电压vfb分别与第一锯齿波、第二锯齿波和第三锯齿波比较，产生相应的第一比较电压、第二比较电压u1和第三比较电压u2；
46.其中，所述第一锯齿波的幅值大于0且小于v1，v1大于2倍基准电压vref，所述第一比较电压为方波电压；
47.所述第二锯齿波的幅值大于0且小于vref；
48.所述第三锯齿波的幅值大于vref且小于2倍vref；
49.s2，设置可变电流源的充电电流与固定电流源的充电电流相同；比较第二比较电压u1和第三比较电压u2，若u1＞u2，则增大可变电流源的充电电流，直至u1＜u2，停止增大可变电流源的充电电流，若u1＜u2，则减小可变电流源的充电电流，直至u1＞u2，停止减小可变电流源的充电电流，若u1＝u2，则保持可变电流源的充电电流不变；
50.其中，所述固定电流源为时间周期固定的第一计时单元的充电电流源；所述可变电流源为时间周期可变的第二计时单元的充电电流源；
51.s3，由第一比较电压、可变电流源的充电电流，共同控制第一计时单元和第二计时单元产生驱动信号，并通过该驱动信号控制开关电源的输出电压vout。
52.另外，对于可变电流源和所述固定电流源，均可以通过第一比较电压的上升沿控制其充电的起始时间。而对于充电的结束时间，根据可变电流源的充电电位与比较电平vx的比较结果，可控制可变电流源充电的结束时间；通过固定电流源的充电电位与比较电平vx的比较结果，可控制固定电流源充电的结束时间。
53.如图2所示，本发明还提供了一种开关电源控制电路，能够实现上述开关电源的控制方法，包括第一电压模块1、第二电压模块2、第三电压模块3、分析控制模块4和占空比调节模块5。第一电压模块1，用于比较第一锯齿波和开关电源的反馈电压vfb，并根据比较结果产生第一比较电压，第一比较电压为方波电压，第一锯齿波的幅值大于0且小于v1，v1大于2倍基准电压vref；第二电压模块2，用于比较第二锯齿波和开关电源的反馈电压vfb，并根据比较结果产生第二比较电压；第二锯齿波的幅值大于0且小于vref；第三电压模块3，用于比较第三锯齿波和开关电源的反馈电压vfb，并根据比较结果产生第三比较电压；第三锯齿波的幅值大于vref且小于2倍vref。
54.分析控制模块4，用于比较第二比较电压和第三比较电压，并根据比较结果控制占空比调节模块5的工作状态。
55.占空比调节模块5包括相连的可变电流源和固定电流源，固定电流源为时间周期固定的第一计时单元501的充电电流源，可变电流源为时间周期可变的第二计时单元502的充电电流源，占空比调节模块5用于根据分析控制模块4中第二比较电压和第三比较电压的比较结果，控制可变电流源的充电电流，并通过第一比较电压、可变电流源的充电电流共同控制第一计时单元501和第二计时单元502产生驱动信号，并通过该驱动信号控制开关电源的输出电压vout。
56.同样，上述本发明提供的开关电源控制电路，能够被应用于多种开关电源。如下，将以一种boost开关电源为例，对本发明上述的控制方法和电路进行具体说明：
57.如图3所示，一种boost开关电源，包括boost拓扑结构6和开关电源的控制电路11，boost拓扑结构6为现有结构，反馈电压vfb经开关电源的控制电路11调节后，向nmos管m2发送驱动信号ndriver，经缓冲器buffer向pmos管m1发送驱动信号pdriver，进而控制boost开关电源的输出电压vout。
58.对应的如图2所示，开关电源的控制电路11包括第一电压模块1、第二电压模块2、第三电压模块3、分析控制模块4和占空比调节模块5。
59.第一电压模块1包括第一锯齿波产生器7和电压比较器comp1。电压比较器comp1的同相输入端与第一锯齿波产生器7的输出端相连，反相输入端连接boost拓扑结构6的反馈电压vfb，第一锯齿波产生器7可产生幅值为0-v1的锯齿波，v1为设定值，大于2倍基准电压vref，boost拓扑结构6的反馈电压vfb与第一锯齿波产生器7产生的锯齿波sawtooth1比较后，产生第一比较电压，第一比较电压为具有一定占空比的方波fb_comp，但它不能调节boost开关电源的输出电压vout，使输出电压vout达到设计值，还需要分析控制模块4和占空比调节模块5共同作用，使输出电压vout达到设计值。
60.第二电压模块2包括第二锯齿波产生器8、电压比较器comp2和第一滤波单元，电压比较器comp2的同相输入端与第二锯齿波产生器8的输出端相连，反相输入端连接boost拓扑结构6的反馈电压vfb，在本发明的一个实施例中，第一滤波单元包括电阻r3和电容c1，电阻r3一端与电压比较器comp2的输出端相连，另一端与电容c1并联后连接分析控制模块4。第三电压模块3包括第三锯齿波产生器9、电压比较器comp3和第二滤波单元，第二滤波单元包括电阻r4和电容c2，电压比较器comp3的同相输入端连接boost拓扑结构6的反馈电压vfb，反相输入端与第三锯齿波产生器9相连，电阻r4一端与电压比较器comp3的输出端相连，另一端与电容c2并联后连接分析控制模块4。
61.其中，第一滤波单元和第二滤波单元可以是相同的组成，也可以采用不同的组成，另外，所述第一滤波单元和第二滤波单元也可采用其他具有滤波功能的单元形式组成，这并不影响本技术的保护范围。
62.在本发明的上述实施例中，调节第二计时单元502的充电电流i2时，无论是增大充电电流i2，还是减小充电电流i2，都是采用步进的方式进行调节，在本发明的其他实施例中，还可以采用其他的调节方式，只要能进行调节并达到调节效果即可。
63.如图4所示，为占空比调节模块5的示意图，包括第一计时单元501和第二计时单元502。第一计时单元501包括d触发器q2，电容c4、电压比较器comp4、开关s1、开关s2和固定电流源，开关s1与开关s2串联在固定电流源与地之间，电容c4与开关s2并联，电压比较器comp4的同相输入端连接于开关s1和开关s2相连的一端，反相输入端用于输入预设的比较电平vx，输出端与d触发器q2的复位端相连，同时控制开关s2的开合，d触发器q2的信号输出端用于控制开关s1的开合，并用于输出控制boost拓扑结构6的驱动信号。第二计时单元502包括d触发器q1，电容c3、电压比较器comp5、开关s3、开关s4、与门电路10和可变电流源，可变电流源用于提供充电电流i2，开关s3与开关s4串联在可变电流源与地之间，电容c3与开关s4并联，电压比较器comp5的同相输入端连接于开关s3和开关s4相连的一端，反相输入端用于输入预设的比较电平，输出端与d触发器q1的复位端相连，同时控制开关s4的开合，电
容c3负极接地，d触发器q1的时钟控制端与电压比较器comp1的输出端相连，信号输出端和电压比较器comp1的输出端分别连接与门电路10的两个输入端，与门电路10的输出端用于控制开关s3的开合。d触发器q2的时钟控制端与d触发器q1的信号输出端相连。
64.基于上述实施例中开关电源的控制电路，采用本发明的开关电源的控制方法，具体步骤如下：
65.(1)待boost开关电源系统上电，软启动结束后，约500μs后判定系统是否稳定，待系统稳定后继续执行后续控制方法。
66.(2)通过第一电压模块1产生第一比较电压，并使第一比较电压输入至第二计时单元502；
67.图4中，方波fb_comp进入d触发器q1，vdd为控制电路内部的高电平，方波fb_comp上升沿将d触发器q1信号输出端q的输出置高，方波fb_comp与q1信号输出端q的输出相与去控制开关s3闭合，给电容c3充电，当电容c3的电位大于比较电平vx时，电压比较器comp5的输出t_off变高，为d触发器q1清零，控制开关s4闭合，给电容c3放电，其中比较电平vx是人为设定的。与此同时，方波fb_comp的上升沿也会通过d触发器q1和d触发器q2，将d触发器q2信号输出端q的输出置高，去控制开关s1闭合，给电容c4充电，当电容c4电位大于比较电平vx时，电压比较器comp4的输出ton_off变高，为d触发器q2清零，控制开关s2闭合给电容c4放电，第一计时单元501和第二计时单元502同时开始工作，但不同时结束。
68.(3)第二锯齿波产生器8产生的第二锯齿波sawtooth2幅值为0到基准电压vref、第三锯齿波产生器9产生的第三锯齿波sawtooth3幅值为基准电压vref到两倍基准电压vref，反馈电压vfb输入至开关电源的控制电路11。
69.通过第二电压模块2，产生第二比较电压u1，若boost拓扑结构6的反馈电压在0到基准电压vref范围内，则u1＞0，否则，u1＝0；
70.通过第三电压模块3，产生第三比较电压u2，若boost拓扑结构反馈电压在基准电压vref到两倍基准电压2vref范围内，则u2＞0，否则，u2＝0；
71.(4)第一计时单元501的充电电流i1和第二计时单元502的充电电流i2初始时相同，在进行控制时，根据第二比较电压u1和第三比较电压u2的比较结果，通过分析控制模块4控制第二计时单元502的充电电流i2。具体如下：
72.第二锯齿波产生器8产生的第二锯齿波sawtooth2幅值为0到基准电压vref、第三锯齿波产生器9产生的第三锯齿波sawtooth3幅值为基准电压vref到两倍基准电压vref，反馈电压vfb输入至开关电源的控制电路11。
73.如图6所示，当0v《vfb《vref时，反馈电压vfb与sawtooth2相交，电压比较器comp2输出的第一比较信号a会产生一定的占空比，通过第一滤波单元滤波后产生第二比较电压u1，此时，电压比较器comp3输出的第二比较信号b为低电平l，通过第二滤波单元滤波后产生第三比较电压u2为0v，此时u1》u2，表示输出电压vout小于设计值，占空比应该增大，即需要使第二计时单元502的时间周期t减小，根据t＝uc/i，通过分析控制模块4判定，需要增大占空比调节模块5中第二计时单元502的充电电流i2，通过分析控制模块4使充电电流i2增大a ma，如a＝0.1ma，此时导致u1、u2发生变化，等一定时间后，如200us，再次判定，如果u1》u2，则继续调节i2，使其增大a ma，直到u1《u2，停止调节充电电流i2，使充电电流i2保持不变，系统正常工作。
74.如图5所示，当vref《vfb《2vref时，反馈电压vfb与sawtooth3相交，第二比较信号b会产生一定的占空比，通过滤波产生第三比较电压u2，此时，第一比较信号a为低电平l，u1为0v，此时u1《u2，表示输出电压vout大于设计值，占空比应当减小，即需要使第二计时单元502的时间周期t增大，根据t＝uc/i，通过分析控制模块4判定，应减小占空比调节模块5中第二计时单元502的充电电流i2，通过分析控制模块4使其减小bma，如b＝0.1ma，此时导致u1、u2发生变化，等一定时间后，如200us，再次判定，如果u1《u2，则继续调节减小b ma，直到u1》u2，停止调节充电电流i2，系统正常工作。第一计时单元501中d触发器q2的信号输出端输出驱动信号ndriver。
75.若u1＝u2，则通过分析控制模块4控制第二计时单元502的充电电流i2保持不变。
76.当系统上电结束，出现图5或图6所示的情况，分析控制模块4和占空比调节模块5配合，都可以将反馈电压vfb调节至图7所示的波形，此时，第一比较信号a和第二比较信号b都存在一定的占空比，u1》0，u2》0，使输出电压vout达到设计值。
77.另外，第一计时单元501的充电电流i1、电容c4的容值，以及比较电平vx均根据公式t＝uc/i进行设定。
78.如图8所示，经对本发明实施例中开关电源系统的电路进行仿真，得到输出电压vout波形、反馈电压vfb波形、第二比较电压u1波形、第三比较电压u2波形、电感il电流波形，boost开关电源系统通过开关电源的控制电路11调节，可以看到第二比较电压u1和第三比较电压u2很接近，表示输出电压精度在设计范围内，同时，sw(电感il右端的电压信号)为低时，表示nmos管m2打开，pmos管m1关断，电感il电流增大，输出电压vout和反馈电压vfb减小，sw为高时，表示nmos管m2关断，pmos管m1打开，电感il电流减小，输出电压vout和反馈电压vfb电压增大。显然，本发明提出的的开关电源的控制电路，不需要使用误差放大器进行环路增益和相位补偿，不需要补偿网络，通过分析控制模块和占空比调节模块的共同作用，即可对开关电源输出的反馈电压进行调节，进而达到调节开关电源输出电压的目的，使开关电源的输出电压满足设计值要求，有效节省了补偿电容占用芯片的面积，同时降低了芯片功耗，进而降低了成本。
79.上述实施例中，将开关电源的控制电路用于boost开关电源中作为实施例进行说明，本发明开关电源的控制电路还可以用于其他类别的开关电源中，对开关电源进行控制，都保证其输出电压满足设计要求。
80.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。