一种开关电源自适应展频电路及其自适应展频方法技术

本发明专利技术提供一种开关电源自适应展频电路及其自适应展频方法，包括：产生振荡信号的振荡器模块，在振荡信号的上升沿打开功率开关管；斜率补偿信号的斜率补偿模块产生，当工作在低占空比状态下时，在振荡信号的上升沿进行斜率补偿，在功率开关管关断时关闭斜率补偿；当工作在高占空比状态下时，在振荡信号的上升沿进行斜率补偿，在功率开关管开启的时间超过设定时间时关闭斜率补偿；当电感采样信号及斜率补偿信号的和大于设定值时，脉冲宽度调制模块关断功率开关管。本发明专利技术具有提供振荡频率信号本身的功能，还通过内部新增加的若干反馈信号实现了在高占空比直至100％占空比工作时自动控制斜坡补偿电流的叠加，同时将频率自适应展宽的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种开关电源自适应展频电路及其自适应展频方法
本专利技术涉及电子电路领域，特别是涉及一种开关电源自适应展频电路及其自适应展频方法。
技术介绍
采用峰值电流控制模式的降压型直流转换器(Buck)是目前应用最广泛的降压型拓扑控制模式，用于将一个高的直流电压转换为一个稳定的较低的直流电压，该电路采用固定时钟开启，峰值电流关断的工作模式。即每次在振荡器的上升沿到来时，开关管打开，电感电流开始上升，当电感电流上升达到设计值时，触发相关比较器，开关管关断，续流管打开，电感电流开始下降；当振荡器的下一个上升沿到来时，开关管再次打开，重复以上过程，当环路稳定后，输出即可得到所设定的电压值。在上述一个完整的工作周期内，设一个周期的总时间为T，开关管打开的时间为T1，开关管关断的时间为T2，则我们通常所说的占空比就是：D＝T1/T众所周知，在降压型直流转换器电路中，输入Vin与输出Vout的关系为：Vout＝Vin*D在各种便携式电子设备中，供电的电池在充满电到放电的过程中，其电压值是在不断下降的，而输出一直要保证为一个稳定的设定值，因此，在电池放电过程中，其占空比D是在不断升高的，随着这个过程进行，电池电压不断下降，占空比D持续上升，在许多情况下，占空比D需要升高到100％，即输入几乎掉电到与输出相等，当电路从较低的占空比升高到100％的过程中，会出现以下问题：第一，采用峰值电流控制模式的降压型直流转换器均需要加入斜坡补偿，用来保证电流环路的稳定性。斜坡电流在开关管打开、电感电流上升时加入，当开关管关断，电感电流开始下降时，斜坡补偿信号将被关闭。但是，当降压型直流转换器需要工作在100％占空比工作状态时，开关管将一直打开，不再出现关断的逻辑信号，此时斜坡补偿信号将一直开启，无法被开关逻辑控制，致使电路错误的关断开关管，直接造成降压型直流转换器无法工作在需要的100％占空比工作模式。第二，由于在正常工作过程中，电路开关管打开和关断的一个完整工作周期时间就等于电路中振荡器的单位时间，当降压型直流转换器的占空比不断升高直至升到一直打开的100％占空比工作模式时，开关管的打开时间T1不断变长，其必然需要经历从一个周期内完成开关打开关断到若干个周期只关断一次其余时间一直打开直到全工作时间范围内完全打开不关断的过程，在这个转换过程中，临界值附近的关断动作完全取决于此时的电感电流是否触碰到峰值点，由于在这个过程中，电池电压是动态不断降低的，本身的占空比就不稳定，如果不加控制的话，每个芯片的工作转换临界值都会出现随机波动，并且在转换过程的临界点附件很容易出现电感电流在某个周期触碰到峰值触发关断，在另一个或若干个周期又由于占空比变化带来的扰动又没有触碰到峰值，因此在临界时间段内电路出现无规律振荡，造成输出波动变大。为了解决降压型直流转换器无法工作在需要的100％占空比工作模式下，在现有的技术方案中提出了以下方法，如图1所示，传统的电路结构均为图1或者其衍生结构。如图1所示，包括振荡器模块，斜坡补偿和PWM比较器。当电流Ibias对电容CAP1充电时，V1上升，将V1加到NMOSMN2的栅极，就得到一个按照一定斜率增大的斜坡补偿电流，把该电流用电流镜MP2和MP3进行镜像，并将其叠加到电阻R2和R3上，就得到斜坡电压信号，将其与电感电流采样信号CurrentSense相加，就得到最终的采样信号V3。如图2所示为上述电路的信号波形图，在该过程中，由于斜坡补偿电流的初始触发信号是V1，而当OSC信号翻转的时候，MP1关断，MN1打开，V1也将通过MN1放电，此时MN2关断，斜坡补偿电流也被切断。通过上述工作过程不难发现，该电路中，斜坡补偿电流是一个与振荡器电路的工作同步的信号，随着振荡器的工作周期性打开和关断，斜坡补偿信号的最大产生时间就决定了在该电路中最大的补偿占空比，因此即使是在100％占空比工作时，斜坡补偿信号也不会无限制叠加导致V3持续升高致使电路出现误翻转。采用上述方法有两个弊端：首先，电路确定后，V1，Vref，CAP1等参数就完全固定，斜坡补偿电流的产生时间也就完全固定，该斜坡电流的最大补偿占空比也被固定，当电路的工作状态超过该占空比后，斜坡电流不再补偿，失去了作用。其次，上述方法无法解第二个问题。直流型开关电源转换器用于将一个直流电平转换为另一个直流电平来满足负载电子设备对电压的要求，根据转换方式，可以分为升压、降压和升降压三种拓扑。上文以升压拓扑方法为例加以说明，降压和升降压这两种拓扑方法同样存在上述问题。因此，提出一种新的开关电源的自适应展频电路和方法，如何使直流型开关电源转换器工作在100％占空比工作模式下、同时输出波动小，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种开关电源自适应展频电路及其自适应展频方法，用于解决现有技术中直流型开关电源转换器无法工作在100％占空比工作模式下、输出波动变大等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种开关电源自适应展频电路，所述开关电源自适应展频电路至少包括：振荡器模块、斜率补偿模块以及脉冲宽度调制模块；所述振荡器模块产生一振荡信号，在所述振荡信号的上升沿控制开关电源中的功率开关管打开，所述振荡信号在所述功率开关管工作在高占空比状态下频率展宽；所述斜率补偿模块产生一斜率补偿信号，当所述功率开关管工作在低占空比状态下时，在所述振荡信号的上升沿所述斜率补偿信号加入所述开关电源中的电感采样信号中，在所述功率开关管关断时所述斜率补偿信号不加入所述电感采样信号中；当所述功率开关管工作在高占空比状态下时，在所述振荡信号的上升沿所述斜率补偿信号加入所述电感采样信号中，在所述功率开关管开启的时间超过设定时间时所述斜率补偿信号不加入所述电感采样信号中；在所述功率开关管开启的时间超过所述设定时间时判定所述功率开关管工作在高占空比状态下；所述脉冲宽度调制模块连接于所述斜率补偿模块的输出端，并接收所述电感采样信号，根据所述斜率补偿信号及所述电感采样信号产生一脉冲宽度调制信号以驱动所述功率开关管关断。优选地，所述振荡器模块包括高占空比设定单元、振荡单元；所述高占空比设定单元接收所述振荡信号，通过充放电得到延时信号，设定所述设定时间以确定高占空比状态，进而对所述振荡信号进行频率展宽；所述振荡单元连接所述高占空比设定单元的输出端，并接收所述功率开关管的驱动信号，所述振荡信号经过所述设定时间后由高电平跳变为低电平，再迅速由低电平跳变为高电平。更优选地，所述高占空比设定单元包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一开关、第二开关、第一电容、第二电容、第一比较器及第二比较器；所述第一PMOS管的源端连接电源电压、漏端连接所述第一电容的上极板、栅端接收第一基准电压；所述第一电容的下极板接地；所述第一开关并联于所述第一电容的两端，栅端接收所述振荡信号的反信号；所述第一比较器的输入端连接所述第一电容的上极板，将所述第一电容上的电压与参考电压进行比较后输出所述延时信号；所述第二PMOS管的源端连接电源电压、漏端连接所述第二电容的上极板、栅端接收第二基准电压；所述第二电容的下极板接地；所述第二开关并联于所述第二电容的两端，栅端接收所述振荡信号；所述第二比较本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关电源自适应展频电路，其特征在于，所述开关电源自适应展频电路至少包括：振荡器模块、斜率补偿模块以及脉冲宽度调制模块；所述振荡器模块产生一振荡信号，在所述振荡信号的上升沿控制开关电源中的功率开关管打开，所述振荡信号在所述功率开关管工作在高占空比状态下频率展宽；所述斜率补偿模块产生一斜率补偿信号，当所述功率开关管工作在低占空比状态下时，在所述振荡信号的上升沿所述斜率补偿信号加入所述开关电源中的电感采样信号中，在所述功率开关管关断时所述斜率补偿信号不加入所述电感采样信号中；当所述功率开关管工作在高占空比状态下时，在所述振荡信号的上升沿所述斜率补偿信号加入所述电感采样信号中，在所述功率开关管开启的时间超过设定时间时所述斜率补偿信号不加入所述电感采样信号中；在所述功率开关管开启的时间超过所述设定时间时判定所述功率开关管工作在高占空比状态下；所述脉冲宽度调制模块连接于所述斜率补偿模块的输出端，并接收所述电感采样信号，根据所述斜率补偿信号及所述电感采样信号产生一脉冲宽度调制信号以驱动所述功率开关管关断。

【技术特征摘要】
1.一种开关电源自适应展频电路，其特征在于，所述开关电源自适应展频电路至少包括：振荡器模块、斜率补偿模块以及脉冲宽度调制模块；所述振荡器模块产生一振荡信号，在所述振荡信号的上升沿控制开关电源中的功率开关管打开，所述振荡信号在所述功率开关管工作在高占空比状态下频率展宽；所述斜率补偿模块产生一斜率补偿信号，当所述功率开关管工作在低占空比状态下时，在所述振荡信号的上升沿所述斜率补偿信号加入所述开关电源中的电感采样信号中，在所述功率开关管关断时所述斜率补偿信号不加入所述电感采样信号中；当所述功率开关管工作在高占空比状态下时，在所述振荡信号的上升沿所述斜率补偿信号加入所述电感采样信号中，在所述功率开关管开启的时间超过设定时间时所述斜率补偿信号不加入所述电感采样信号中；在所述功率开关管开启的时间超过所述设定时间时判定所述功率开关管工作在高占空比状态下；所述脉冲宽度调制模块连接于所述斜率补偿模块的输出端，并接收所述电感采样信号，根据所述斜率补偿信号及所述电感采样信号产生一脉冲宽度调制信号以驱动所述功率开关管关断。2.根据权利要求1所述的开关电源自适应展频电路，其特征在于：所述振荡器模块包括高占空比设定单元、振荡单元；所述高占空比设定单元接收所述振荡信号，通过充放电得到延时信号，设定所述设定时间以确定高占空比状态，进而对所述振荡信号进行频率展宽；所述振荡单元连接所述高占空比设定单元的输出端，并接收所述功率开关管的驱动信号，所述振荡信号经过所述设定时间后由高电平跳变为低电平，再迅速由低电平跳变为高电平。3.根据权利要求2所述的开关电源自适应展频电路，其特征在于：所述高占空比设定单元包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一开关、第二开关、第一电容、第二电容、第一比较器及第二比较器；所述第一PMOS管的源端连接电源电压、漏端连接所述第一电容的上极板、栅端接收第一基准电压；所述第一电容的下极板接地；所述第一开关并联于所述第一电容的两端，栅端接收所述振荡信号的反信号；所述第一比较器的输入端连接所述第一电容的上极板，将所述第一电容上的电压与参考电压进行比较后输出所述延时信号；所述第二PMOS管的源端连接电源电压、漏端连接所述第二电容的上极板、栅端接收第二基准电压；所述第二电容的下极板接地；所述第二开关并联于所述第二电容的两端，栅端接收所述振荡信号；所述第二比较器的输入端连接所述第二电容的上极板，将所述第二电容上的电压与所述参考电压进行比较后输出比较结果；其中，所述第一电容的容量大于所述第二电容的容量；所述第一电容的充电电流小于所述第二电容的充电电流。4.根据权利要求3所述的开关电源自适应展频电路，其特征在于：所述振荡单元包括第一与逻辑以及RS触发器；所述第一与逻辑接收所述延时信号及所述驱动信号；所述RS触发器的R端连接所述第一与逻辑的输出端、S端连接所述第二比较器输出的比较结果，所述RS触发器输出所述振荡信号。5.根据权利要求2所述的开关电源自适应展频电路，其特征在于：所述斜率补偿模块包括开关单元、电流控制单元、补偿单元及泄流单元；所述开关单元接收所述驱动信号及所述延时信号，当所述功率开关管关断且到达所述设定时间时，所述开关单元关断斜率补偿模块；所述电流控制单元接收第三基准电压，根据所述第三基准电压输出所述斜率补偿信号；所述补偿单元接收所述斜率补偿信号及所述电感采样信号，将所斜率补偿信号与所述电感采样信号相叠加；所述泄流单元连接于所述电流控制单元的输出端，当所述功率开关管关断时将所述斜率补偿信号泄放。6.根据权利要求5所述的开关电源自适应展频...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾晓鹏，尤勇，
申请(专利权)人：华润矽威科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31