CN114172388B - 一种降低负载调整率、高速响应的开关电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种降低负载调整率、高速响应的开关电源及其控制方法，该开关电源具有较快的响应速度且低纹波输出。该开关电源包括开关模块、LC模块、采样模块和反馈模块；反馈模块包括误差放大器EA、比较器、计时电路和sawtooth发生器；sawtooth发生器的输出端与比较器的反向输入端连接，且sawtooth发生器的输出频率为开关模块开关频率的N倍；该电路无需采用纹波注入的传统方法，是一种快速响应，低纹波输出，且输出无须大ESR电容的开关电路。
Description
技术领域
本发明涉及到开关电源，具体涉及到一种降低负载调整率、高速响应的开关电源及其控制方法。
背景技术
现有开关电源的控制方式主要有电压模、电流摸、COT等。当输出电容ESR(电容等效串联电阻)较小时，电压模和电流模控制均可以实现。相同工作频率下，COT具有较快的瞬态响应速度，电压模和电流模控制瞬态响应速度都较慢。图1所示为现有COT控制电路图，图2为该电路正常工作时的波形图；在该电路中，当输出电容的ESR较小时，COT控制必须有纹波注入才能稳定工作；当电容ESR较大时，则不需要纹波注入保证稳定工作，但电容ESR较大将引起输出电压较大纹波且影响效率。
发明内容
为使开关电源具有较快的响应速度且低纹波输出以及维持高效率，本发明提出了一种降低负载调整率、高速响应的开关电源及其控制方法，该电路无需采用纹波注入的传统方法，是一种快速响应，低纹波输出，且输出无须大ESR电容的开关电路。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种降低负载调整率、高速响应的开关电源，包括依次连接的开关模块、LC模块、采样模块和反馈模块；所述反馈模块包括误差放大器EA、比较器和计时电路；所述误差放大器EA的反相输入端与采样模块的输出端连接，其同相输入端接基准信号Vref，误差放大器EA的输出端与比较器的同相输入端连接；所述比较器输出电压反馈信号fb_comp，连接计时电路的输入端，计时电路输出开关模块控制信号Driver，并连接开关模块的控制端；其特殊之处在于：还包括sawtooth发生器；所述sawtooth发生器的输出端与比较器的反相输入端连接，且sawtooth发生器的输出频率为开关模块开关频率的N倍；所述计时电路包括Ton信号控制器、T信号控制器、Pon信号控制器和触发器；所述Pon信号控制器的输入端接比较器的输出端，Pon信号控制器的输出端分别接Ton信号控制器输入端、T信号控制器的一个输入端以及触发器的设定端，且T信号控制器的另一输入端与比较器的输出端连接；所述Ton信号控制器的输出端接触发器的恢复端；所述T信号控制器的输出端接Pon信号控制器的反馈端；所述触发器的输出控制端接开关模块的控制端。
同时，本发明还提供一种降低负载调整率、高速响应的开关电源的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、采样模块对输出电压Vout采样，输出采样信号Vfb；
步骤二、误差放大器EA将采样信号Vfb与基准信号Vref进行误差放大，输出反馈信号omp_out；
步骤三、反馈信号omp_out与sawtooth发生器生成的锯齿波经过比较器，输出一个与锯齿波同频的电压反馈信号fb_comp；所述锯齿波的频率是开关模块工作频率的N倍；
步骤四、电压反馈信号fb_comp触发Ton信号控制器、T信号控制器，对开关模块控制信号Driver进行控制；所述开关模块控制信号Driver与开关模块工作频率相同；
步骤五、开关模块控制信号Driver控制开关模块通断，开关模块的输出电压通过LC模块滤波后生成稳定的输出电压Vout。
进一步地，所述步骤四的具体控制方式为：
当输出电压Vout降低时，采样电压Vfb低于基准电压Vref，误差放大器EA输出omp_out增大，电压反馈信号fb_comp占空比增大，T信号周期缩短，开关模块控制信号Driver的占空比增大；LC模块对输出电容和负载供电的电感电流增大，Vout电压逐渐升到标准范围内；
当输出电压Vout升高时，采样电压Vfb高于基准电压Vref，误差放大器EA输出omp_out减小，电压反馈信号fb_comp占空比减小，T信号周期变长，开关模块控制信号Driver的占空比缩小；LC模块对输出电容和负载供电的电感电流减小，Vout电压随着负载RL对输出电容的消耗而逐渐降到标准范围内。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
传统COT需要纹波注入，且需要1个Ton计时模块；本发明电路不需要昂贵的电流纹波采样电路进行纹波注入，同时输出电容只需满足小的ESR，同时，本发明电路采用sawtooth产生器，除了确保系统正常工作外，还具有较快的响应速度和高效率，且容易在芯片内集成实现。
附图说明
图1为传统COT控制电路图；
图2为传统COT正常工作时的波形图；
图3本发明快速响应开关电源的电路图；
图4本发明中Ton与T信号控制器方块图；
图5为本发明Ton与T信号波形图；
图6a为本发明开关电源负载切换时的波形图(轻载切重载)；
图6b为本发明开关电源负载切换时的波形图(重载切轻载)；
图7为本发明开关电源控制负载切换波形；
图8为本发明开关电源正常工作时的波形图；
图9为本发明和传统COT负载调整率变化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
为使开关电源系统具有较快的响应速度且低纹波输出，在不采用纹波注入的传统方法，本发明提出了一种快速响应，低纹波输出，且输出无须大ESR电容的开关电源控制方法及电路。该电路只需小ESR(电容等效串联电阻)的电容器即可，且不再需要昂贵的电流纹波采样电路。
如图3所示，本发明提供的降低负载调整率、高速响应的开关电源包括依次连接的开关模块、LC模块、采样模块和反馈模块；反馈模块包括误差放大器EA、比较器、计时电路和sawtooth发生器；误差放大器EA的反相输入端与采样模块的输出端连接，其同相输入端接基准信号Vref，误差放大器EA的输出端与比较器的同相输入端连接；比较器输出电压反馈信号fb_comp，连接计时电路的输入端，计时电路输出开关模块控制信号Driver，连接开关模块的控制端；sawtooth发生器的输出端与比较器的反向输入端连接，且sawtooth发生器的输出频率为开关模块开关频率的N倍(N为一正实数)；如图4所示，计时电路至少包括两个及两个以上的计时信号控制器，具体可包括Ton信号控制器、T信号控制器、Pon信号控制器和触发器；Pon信号控制器的输入端接比较器的输出端，Pon信号控制器的输出端分别接Ton信号控制器、T信号控制器的输入端以及触发器的设定端，且T信号控制器的输入端同时与比较器的输出端连接；Ton信号控制器的输出端接触发器的恢复端；T信号控制器的输出端接Pon信号控制器的反馈端；触发器的输出控制端接开关模块的控制端。
计时电路输出与开关模块工作频率相同的开关模块控制信号Driver；Ton信号控制器输出的电压到达预设值时所用时间作为Driver的高电平时间；T信号控制器，即对Driver周期进行估算，周期会根据输出电压反馈信号fb_comp来调节，使输出Vout达到稳定的设计值。
本发明计时电路至少包括两个及两个以上的计时信号控制器，输出电压反馈信号fb_comp进入计时电路后，分别产生Ton和T两组信号协助计时进行，系统的第一个电压反馈信号fb_comp信号会计算Ton和T的时间，Ton信号控制器输出电压到达预设值时所用时间作为Driver的高电平时间；T信号控制器对电压反馈信号fb_comp信号高电平进行采样，当采样累计电压值达到预设值时设定产生T信号并重新开始计时。Ton信号产生结束，会产生图3上管M1的关闭信号，Driver变为低电平；T信号产生结束，电压反馈信号fb_comp信号上升沿控制上管M1打开，Driver变为高电平。
同时，本发明还提供一种快速响应开关电源的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、采样模块对输出电压Vout采样，输出采样信号Vfb；
步骤二、误差放大器EA将采样信号Vfb与基准信号Vref进行误差放大，并加入一定的补偿网络后，输出反馈信号omp_out；
步骤三、反馈信号omp_out与sawtooth发生器生成的锯齿波经过比较器，输出一个与锯齿波同频的电压反馈信号fb_comp；锯齿波的频率是开关模块工作频率的N倍，(N为一正实数)；
步骤四、电压反馈信号fb_comp进入计时电路，触发Ton信号控制器、T信号控制器，对输出的开关模块控制信号Driver进行控制调整；其中，Ton信号控制器计时完全相同，用于控制开关模块控制信号Driver的高电平；T信号控制器对电压反馈信号fb_comp的高电平计时，用于控制开关模块控制信号Driver的导通时间T；
步骤四的具体控制方式为：
当输出电压Vout降低时，采样电压Vfb低于基准电压Vref，误差放大器EA输出omp_out增大，电压反馈信号fb_comp占空比增大，T信号周期缩短，即开关模块控制信号Driver的周期缩短，低电平时间缩短，开关模块控制信号Driver的占空比增大；LC模块对输出电容和负载供电的电感电流增大，Vout电压逐渐升到标准范围内；
当输出电压Vout升高时，采样电压Vfb高于基准电压Vref，误差放大器EA输出omp_out减小，电压反馈信号fb_comp占空比减小，T信号周期变长，即开关模块控制信号Driver的周期变长，低电平时间变长，开关模块控制信号Driver的占空比缩小；LC模块对输出电容和负载供电的电感电流减小，Vout电压随着负载RL对输出电容的消耗而逐渐降到标准范围内；
步骤五、开关模块控制信号Driver控制开关模块通断，开关模块的输出电压通过LC模块滤波后生成稳定的输出电压Vout。
本发明sawtooth发生器产生一个比开关频率大N倍的sawtooth信号，频率越大，输出纹波越小；误差放大器EA会将采样信号Vfb与基准信号Vref进行误差放大，并加入一定的补偿网络，误差放大器的输出电压为omp_out，omp_out与锯齿波经过比较器产生一个与sawtooth同频的方波信号fb_comp；电压反馈信号fb_comp进入计时电路中，会同时触发Ton信号控制器和T信号控制器计时，Ton信号每个周期完全相同，但T信号控制器只采样电压反馈信号fb_comp的高电平；fb_comp高频的方波信号经过计时电路会有限降频。
本发明电路工作频率与Ton计时的长短有关，根据公式：
Vout电压的调节方式：开关模块控制信号Driver的高电平是由Ton信号计时固定导通时间，T信号则是根据fb-comp信号变化的；当Vout减小(由于某些原因导致输出低于标准范围)，omp_out增大，fb_comp占空比增大，即一段时间内高电平时间增大，T信号很快结束，Driver占空比增大，这样经过一段时间电感电流对输出电容和负载供电，Vout电压就会达到标准范围内；当Vout增大(由于某些原因导致输出高于标准范围)，omp_out减小，fb_comp占空比减小，即一段时间内高电平时间减小，T信号结束延迟，这样经过一段时间负载RL对输出电容的消耗，Vout就会降低到标准范围内。系统经过这样循环反馈，达到平衡态，保证输出电压在标准范围内。
图5为Ton与T信号波形图，第二个波形图为Ton信号波形图，电压是连续变化的，计时所用时间作为Driver的高电平时间；第三个波形图为T信号波形图，电压非连续变化，只在fb_comp为高电平时电压连续增大，在fb_comp为低电平时电压保持不变，且每个Driver周期的高电平时间相等。
如图6a所示，轻载切换重载(即负载对电流由0.2A变为1.2A)时，Ton信号固定，T信号周期变短，电感电流快速上升，Vout快速恢复至稳态，保证系统具有较快的响应速度。如图6b中，重载切换轻载(即负载对电流由1.2A变为0.2A)时，Ton信号固定，T信号周期变长，电感电流连续下降，Vout快速恢复至稳态，保证系统具有较快的响应速度。
如图7所示，当轻载切换重载(即负载对电流由0.2A变为1.2A)时，Vout下冲电压为88mV，达到稳态的时间为9.4us，系统具有较快的响应速度。重载切换轻载(即负载对电流由1.2A变为0.2A)时，Vout上冲电压为88mV，达到稳态的时间为11.4us，保证系统具有较快的响应速度。
图8为本发明开关电源正常工作时的波形示意图；如图9可知，电感DCR(直流电阻)不同时，本发明和传统COT的负载调整率(load regulation)变化情况。可以看出：DCR≤10mΩ时，传统COT具有较好的负载调整率；DCR>10mΩ时，本发明具有较好的负载调整率；在实际应用中，电感DCR都大于10mΩ，所以在实际应用中本发明具有较好的负载调整率。
Claims (3)
1.一种降低负载调整率、高速响应的开关电源，包括依次连接的开关模块、LC模块、采样模块和反馈模块；所述反馈模块包括误差放大器EA、比较器和计时电路；所述误差放大器EA的反相输入端与采样模块的输出端连接，其同相输入端接基准电压Vref，误差放大器EA的输出端与比较器的同相输入端连接；所述比较器输出电压反馈信号fb_comp，连接计时电路的输入端，计时电路输出开关模块控制信号Driver，并连接开关模块的控制端；所述采样模块用于对开关模块的输出电压Vout采样，输出采样电压Vfb；
其特征在于：
还包括锯齿波发生器；
所述锯齿波发生器的输出端与比较器的反相输入端连接，且锯齿波发生器的输出频率为开关模块开关频率的N倍；N≥10，且为正实数；
所述计时电路包括Ton信号控制器、T信号控制器、Pon信号控制器和触发器；所述Pon信号控制器的输入端接比较器的输出端，Pon信号控制器的输出端分别接Ton信号控制器输入端、T信号控制器的一个输入端以及触发器的设定端，且T信号控制器的另一输入端与比较器的输出端连接；所述Ton信号控制器的输出端接触发器的恢复端；所述T信号控制器的输出端接Pon信号控制器的反馈端；所述触发器的输出控制端接开关模块的控制端；
所述Ton信号控制器计时完全相同，用于控制开关模块控制信号Driver的高电平；
所述T信号控制器对电压反馈信号fb_comp的高电平计时，用于控制开关模块控制信号Driver的导通时间T；
所述Pon信号控制器用于根据电压反馈信号fb_comp，同时触发Ton信号控制器和T信号控制器计时，T信号控制器对电压反馈信号fb_comp信号高电平进行采样，当采样累计电压值达到预设值时，T信号控制器产生T信号并通过Pon信号控制器同时触发Ton信号控制器和T信号控制器重新开始计时。
2.一种降低负载调整率、高速响应的开关电源的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、采样模块对输出电压Vout采样，输出采样电压Vfb；
步骤二、误差放大器EA将采样电压Vfb与基准电压Vref进行误差放大，输出反馈信号omp_out；
步骤三、反馈信号omp_out与锯齿波发生器生成的锯齿波经过比较器，输出一个与锯齿波同频的电压反馈信号fb_comp；所述锯齿波的频率是开关模块工作频率的N倍；N≥10，且为正实数；
步骤四、电压反馈信号fb_comp同时触发Ton信号控制器、T信号控制器，Ton信号控制器以固定且相同的计时时间控制开关模块控制信号Driver的高电平时间，T信号控制器对电压反馈信号fb_comp的高电平计时，用于控制开关模块控制信号Driver的导通时间T；
所述开关模块控制信号Driver与开关模块工作频率相同；
步骤五、开关模块控制信号Driver控制开关模块通断，开关模块的输出电压通过LC模块滤波后生成稳定的输出电压Vout。
3.根据权利要求2所述降低负载调整率、高速响应的开关电源的控制方法，其特征在于，所述步骤四的具体控制方式为：
当输出电压Vout降低时，采样电压Vfb低于基准电压Vref，误差放大器EA输出omp_out增大，电压反馈信号fb_comp占空比增大，T信号周期缩短，开关模块控制信号Driver的占空比增大；LC模块对输出电容和负载供电的电感电流增大，Vout电压逐渐升到标准范围内；
当输出电压Vout升高时，采样电压Vfb高于基准电压Vref，误差放大器EA输出omp_out减小，电压反馈信号fb_comp占空比减小，T信号周期变长，开关模块控制信号Driver的占空比缩小；LC模块对输出电容和负载供电的电感电流减小，Vout电压随着负载RL对输出电容的消耗而逐渐降到标准范围内。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: A Switching Power Supply and Its Control Method for Reducing Load Adjustment Rate and High Speed Response Effective date of registration: 20231225 Granted publication date: 20220712 Pledgee: Xi'an innovation financing Company limited by guarantee Pledgor: SHAANXI REACTOR MICROELECTRONICS Co.,Ltd. Registration number: Y2023980074376 |