专利名称：一种开关稳压电路及其控制电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电子电路，更具体地说，本实用新型涉及一种开关稳压电路及其控制电路。
背景技术：
开关稳压电路被广泛地应用于各种场合。然而现有开关稳压电路通常采用恒定峰值电流或恒定开关频率的方法，使得当电路负载变低时，效率降低。一种现有技术采用多模式控制方式，使开关稳压电路的负载变低时，降低开关频率和峰值电流，从而提高整个负载范围内的工作效率，如图I所示的开关稳压电路的开关频率fs和峰值电流Ipeak随反映负载状态的反馈信号Vfb的变化而变化的波形图。其中，负载越重，反馈信号Vfb越小。然而这种控制方式,在开关稳压电路的输出功率达到最大功率(即最大负载，peak load)时，其开关频率fs仍在持续增大，使得功率损耗增大，产生热问题。
实用新型内容因此本实用新型的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种改进的开关稳压电路及其控制电路。根据上述目的，本实用新型提出了一种用于开关稳压电路的控制电路，该开关稳压电路包括至少一个主开关，该控制电路控制所述主开关的断开和导通，向负载传递能量，该控制电路包括参考频率选择单元，接收表示负载两端电压的反馈信号和第一频率设定信号，并将反馈信号和第一频率设定信号中电压值较小的信号输出为正常负载频率参考信号；负载状态检测单元，接收所述反馈信号和最大负载判断阈值，其中最大负载判断阈值小于所述第一频率设定信号，所述负载状态检测单元基于反馈信号和最大负载判断阈值，提供负载状态检测信号；第一比较器，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子接收斜波信号，其第二输入端子被选择性地耦接至参考频率选择单元和最大负载频率参考信号，当反馈信号大于最大负载判断阈值时，所述第一比较器的第二输入端子被耦接至参考频率选择单元接收正常负载频率参考信号作为频率参考信号；当反馈信号小于最大负载判断阈值时，所述第一比较器的第二输入端子接收最大负载频率参考信号，将其作为频率参考信号，所述第一比较器基于斜波信号和频率参考信号，提供频率控制信号；电流比较器，接收电流参考信号和电流采样信号，所述电流比较器基于电流参考信号和电流采样信号，提供电流控制信号，其中所述电流采样信号表示流过所述主开关的电流；逻辑单元，接收频率控制信号和电流控制信号，所述逻辑单元基于所述频率控制信号和所述电流控制信号，提供门极控制信号，以控制主开关的导通和断开。根据本实用新型的实施例，所述斜波信号由一斜坡信号产生器产生，该斜坡信号产生器包括并联的复位开关、充电电容和电流源，其中，所述复位开关包括耦接一短脉冲信号的控制端子，所述短脉冲信号指示所述门极控制信号，并且具有设定的脉冲时长，在所述短脉冲信号设定的脉冲时长内，所述复位开关被导通；所述充电电容两端的电压为所述斜波信号。根据本实用新型的实施例，所述控制电路进一步包括持续时间设定单元，具有输入端子和输出端子，其输入端子耦接至负载状态检测单元以接收负载状态检测信号，其输出端子提供持续时间信号。根据本实用新型的实施例，所述逻辑单元还接收持续时间信号；所述逻辑单元包括RS触发器，所述RS触发器具有置位端子、复位端子和输出端子；其中所述置位端子耦接至第一比较器以接收频率控制信号，所述复位端子耦接至电流比较器以接收电流控制信号，所述RS触发器基于所述频率控制信号和电流控制信号，在其输出端子输出触发信号；逻辑与电路，所述逻辑与电路具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子耦接至持续时间设定单元的输出端子以接收持续时间信号，其第二输入端子耦接至所述触发器的输出端子以接收触发信号，所述逻辑与电路基于所述持续时间信号和所述触发信号，在其输出端子提供所述门极控制信号。根据本实用新型的实施例，所述控制电路进一步包括峰值电流选择单元，具有第一端子、第二端子和输出端子，其第一端子耦接反馈信号，其第二端子耦接电流参考信号，所述峰值电流将电压值较大的信号作为电流峰值信号，提供至电流比较器。根据上述目的，本实用新型还提出了一种开关稳压电路，包括输入端口，用以接收输入信号；输出端口，用以提供输出信号给负载；耦接在输入端口和输出端口之间的储能元件和主开关，其中所述储能元件在主开关导通时存储能量，在所述主开关断开时将所存储的能量释放至输出端口 ；参考频率选择单元，接收表示负载两端电压的反馈信号和第一频率设定信号，并将反馈信号和第一频率设定信号中电压值较小的信号输出为正常负载频率参考信号；负载状态检测单元，接收所述反馈信号和最大负载判断阈值，其中最大负载判断阈值小于所述第一频率设定信号，所述负载状态检测单元基于反馈信号和最大负载判断阈值，提供负载状态检测信号；第一比较器，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子接收斜波信号，其第二输入端子被选择性地耦接至参考频率选择单元和最大负载频率参考信号，当反馈信号大于最大负载判断阈值时，所述第一比较器的第二输入端子被耦接至参考频率选择单元接收正常负载频率参考信号作为频率参考信号；当反馈信号小于最大负载判断阈值时，所述第一比较器的第二输入端子接收最大负载频率参考信号，将其作为频率参考信号，所述第一比较器基于斜波信号和频率参考信号，提供频率控制信号；电流比较器，接收电流参考信号和电流采样信号，所述电流比较器基于电流参考信号和电流采样信号，提供电流控制信号，其中所述电流采样信号表示流过所述主开关的电流；逻辑单元，接收频率控制信号和电流控制信号，所述逻辑单元基于所述频率控制信号和所述电流控制信号，提供门极控制信号，以控制主开关的导通和断开。根据本实用新型的实施例，所述储能元件包括变压器，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组和副边绕组各具有第一端子和第二端子；所述原边绕组的第一端子和所述副边绕组的第一端子互为同名端，所述原边绕组的第一端子耦接至整流桥以接收所述输入信号；所述主开关耦接至所述原边绕组的第二端子。根据本实用新型的实施例，所述开关稳压电路还包括低侧开关，耦接在储能元件与主开关的连接节点与参考地之间。[0013]根据本实用新型的实施例，所述开关稳压电路还包括第一开关，耦接在第一比较器的第二输入端和最大负载频率参考信号之间；第二开关，耦接在第一比较器的第二输入端和参考频率选择单元的输出端子之间；其中所述第一开关和第二开关各包括耦接至负载状态检测单元输出端子的控制端子。根据本实用新型的实施例，所述开关稳压电路还包括选择开关，所述选择开关具有第一选择端子、第二选择端子、固定端子和控制端子，其中第一选择端子耦接最大负载频率参考信号；第二选择端子耦接至参考频率选择单元的输出端子；固定端子耦接至第一比较器的第二输入端子；控制端子耦接至负载状态检测单元的输出端子。根据本实用新型各方面的上述开关稳压电路及其控制电路，其开关频率在负载为最大负载时，被迅速拉至最高频率，避免此时开关频率的继续增大，从而避免功率损耗的持续增大，减轻了热问题。并且根据本实用新型实施例的开关稳压电路，在其工作在最大负载下时，通过持续时间设定单元，进一步消除热问题，使得系统性能更优。
图I为现有开关稳压电路的开关频率fs和峰值电流Ipeak随反映负载状态的反馈信号Vfb的变化而变化的波形图；图2A为根据本实用新型一实施例的开关稳压电路100的示意图；图2B为根据本实用新型另一实施例的开关稳压电路200的不意图；图3为根据本实用新型一实施例的斜波信号产生器50示意图；图4为图2A所示开关稳压电路100的开关频率fs随反馈信号Vfb的变化而变化的波形示意图；图5为根据本实用新型又一实施例的开关稳压电路300的示意图；图6为根据本实用新型又一实施例的开关稳压电路400的示意图；图7为图6所示开关稳压电路400的开关频率fs和峰值电流Ipeak随反馈信号Vfb的变化而变化的波形示意图；图8示出了根据本实用新型一实施例的开关稳压电路500的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路、材料或方法。在整个说明书中，对“ 一个实施例”、“实施例”、“ 一个示例”或“示例”的提及意味着结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。图2A为根据本实用新型一实施例的开关稳压电路100的示意图。如图2A所示，开关稳压电路100包括输入端口 101，用以接收输入信号VIN;输出端口 102，用以提供输出信号V。给负载；耦接在输入端口 101和输出端口 102之间的储能元件103和主开关104，以及提供门极信号以控制主开关104的控制电路120，其中所述控制电路120包括参考频率选择单兀105,具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子接收表不输出电压\的反馈信号Vfb，其第二输入端子耦接第一频率设定信号Vkef，所述参考频率选择单元105将反馈信号Vfb和第一频率设定信号Vkef中电压值较小的信号输出为正常负载频率参考信号；负载状态检测单兀106,具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子,其第一输入端子接收所述反馈信号Vfb，其第二输入端子耦接最大负载判断阈值Vfbci,其中最大负载判断阈值Vfbci小于第一频率设定信号Vkef，所述负载状态检测单元106基于反馈信号Vfb和最大负载判断阈值Vfbci,在其输出端子提供负载状态检测信号；第一比较器107，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子接收斜波信号Vsaw,其第二输入端子被选择性地耦接至参考频率选择单元105的输出端子和最大负载频率参考信号Vsteep,当反馈信号Vfb大于最大负载判断阈值Vfbci时，所述第一比较器107的第二输入端子耦接至参考频率选择单元105的输出端子，以接收正常负载频率参考信号作为频率参考信号Vfrai ;当反馈信号Vfb小于最大负载判断阈值Vfbci时，所述第一比较器107的第二输入端子耦接最大负载频率参考信号Vsteep,将其作为频率参考信号Vfeq,所述第一比较器107基于斜波信号Vsaw和频率参考信号Vfrai，在其输出端子提供频率控制信号；电流比较器108，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子耦接电流参考信号Ikef，其第二输入端子耦接电流采样信号Ismse，其中所述电流采样信号Ismse表示流过所述主开关104的电流，所述电流比较器108基于电流参考信号Ikef和电流采样信号Isense,在其输出端子提供电流控制信号；逻辑单元109，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子耦接至第一比较器107的输出端子以接收频率控制信号，其第二输入端子耦接至电流比较器108的输出端子以接收电流控制信号，所述逻辑单元109基于所述频率控制信号和所述电流控制信号，在其输出端子提供所述门极控制信号以控制主开关104的导通和断开。在一个实施例中，开关稳压电路100还包括驱动单元110，耦接至逻辑单元109接收门极控制信号，以将所述门极控制信号加强驱动能力后再控制所述主开关104。在一个实施例中，所述开关稳压电路100还包括第一开关111，耦接在第一比较器107的第二输入端和最大负载频率参考信号Vsteep之间；第二开关112，耦接在第一比较器107的第二输入端和参考频率选择单元105的输出端子之间；其中所述第一开关111和第二开关112各包括耦接至负载状态检测单元106输出端子的控制端子；其中当反馈信号Vfb大于最大负载判断阈值Vfbci时，所述第一开关111被断开，所述第二开关112被导通；当反馈信号Vfb小于最大负载判断阈值Vfbci时，所述第一开关111被导通，所述第二开关112被断开。在一个实施例中，逻辑单元109包括RS触发器，所述RS触发器具有置位端子S、复
7位端子R和输出端子Q ;其中所述置位端子S作为所述逻辑单元109的第一输入端子，耦接至第一比较器107的输出端子，所述复位端子R作为所述逻辑单元109的第二输入端子，耦接至电流比较器108的输出端子，所述输出端子Q作为所述逻辑单元109的输出端子提供门极控制信号。在一个实施例中，所述输入信号Vin为交流信号,开关稳压电路100进一步包括整流桥，耦接在所述输入端101和储能元件103之间，以将输入信号Vin整流为直流信号Vdc后输送给储能元件103。在一个实施例中，所述储能元件103包括变压器，所述变压器包括原边绕组103-1和副边绕组103-2，所述原边绕组103-1和副边绕组103-2各具有第一端子和第二端子；所述原边绕组103-1的第一端子和所述副边绕组103-2的第一端子互为同名端，所述原边绕组103-1的第一端子耦接至整流桥以接收所述直流信号VD。；所述主开关104耦接至所述原边绕组103-1的第二端子。在一个实施例中，开关稳压电路100进一步包括输入电容Cin，耦接在所述原边绕组103-1的第一端子和原边参考地之间；副边开关115，耦接在副边绕组103-2的第二端子和输出端口 102之间；输出电容C。，耦接在输出端口 102和副边绕组103-2的第一端子之间。在一个实施例中，副边开关115包括二极管。在一个实施例中,所述反馈信号由一反馈单元(未图示)产生，所述反馈单元包括光电I禹合器，所述光电I禹合器将输出端口 102上的输出电压Vo转化为与之成比例的反馈电压VFB，并实现原副边电气隔离。在一个实施例中，所述第一开关111和第二开关112被选择开关113取代，如图2B所示的开关稳压电路200示意图。所述第一比较器107的第二输入端子经由选择开关113耦接最大负载频率参考信号Vsteep或参考频率选择单元105的输出端子，所述选择开关113具有第一选择端子I、第二选择端子2、固定端子3和控制端子4，其第一选择端子I耦接最大负载频率参考信号Vsteep,其第二选择端子2耦接至参考频率选择单元105的输出端子，其固定端子3耦接至第一比较器107的第二输入端子，其控制端子4耦接至负载状态检测单元106的输出端子；当反馈信号Vfb大于最大负载判断阈值Vfbci时，所述负载状态检测信号控制选择开关113选通第二选择端子2，将第一比较器107的第二输入端子耦接至参考频率选择单元105的的输出端子以接收正常负载频率参考信号作为频率参考信号Vfrai ;当反馈信号Vfb小于最大负载判断阈值Vfbci时，所述负载状态检测信号控制选择开关113选通第一选择端子I，将第一比较器107的第二输入端子耦接最大负载频率参考信号Vsteep，使最大负载频率参考信号Vsteep作为频率参考信号在一个实施例中，所述斜波信号Vsaw由一斜波信号产生器50产生,如图3所不。所述斜波信号产生器50包括并联耦接的复位开关S1、充电电容Ct和电流源Iet，其中所述复位开关S1包括耦接短脉冲信号Gailse的控制端子，所述短脉冲信号Gpulse指示所述门极控制信号，并且具有设定的脉冲时长TP，所述充电电容Ct两端的电压为所述斜波信号Vsaw。在所述短脉冲信号设定的脉冲时长Tp内，所述复位开关S1被导通，从而将充电电容Ct两端电压即斜波信号Vsaw复位为零。在开关稳压电路100运行时，当频率控制信号将门极控制信号置为高电平时，主开关104被导通，输入信号Vin经由整流桥、储能元件的原边绕组103-1和主开关104至地，则原边电流(即流过储能元件原边绕组103-1和主开关104的电流)开始增大，储能元件103开始存储能量。相应地，电流采样信号Ismse也开始增大。当其增大至电流参考信号Ikef的电压值时，电流比较器108输出的电流控制信号变高，从而复位逻辑电路109的输出。相应地，主开关104被断开。储能元件103的副边绕组103-2经由副边开关115将所储存的能量释放至输出端口 102，从而提供给负载。直至频率控制信号再次将门极控制信号置为高电平，开关稳压电路100进入下一个开关周期，并如上所述运行。而开关稳压电路100的开关周期，即开关频率由斜波信号Vsaw和第一比较器107决定。具体来说，当斜波信号Vsaw达到第一比较器107第二端子的频率参考信号Vfeq的电压值时，第一比较器107输出的频率控制信号变高，进而触发门极控制信号至高电平。在斜波信号产生器50处，在设定的短脉冲时间Tp内复位开关S1被导通，则充电电容Ct两端电压被复位至零，当所述设定的短脉冲时间Tp过去之后，充电电容Ct开始被电流源Iet充电，使得充电电容两端电压开始增大，直至增大到第一比较器107第二端子的频率参考信号Vfrai的电压值Vfeqtl，门极控制信号被再次置为高电平，从而使短脉冲信号Gailse经由复位开关S1后将充电电容Ct两端电压即斜波信号Vsaw再次复位为零。斜波信号产生器50如上所述周而复始地产生斜波信号Vsaw，从而控制开关稳压电路100的开关频率fs，使开关稳压电路100周期性的运行。充电电容Ct的电容值Cet、电流源I。，的电流Irftl、短脉冲信号Gpulse的脉冲时长Tp以及频率参考信号Vfel的电压值Vf_决定了开关稳压电路100的开关频率fs，并且
权利要求1.一种用于开关稳压电路的控制电路，该开关稳压电路包括至少一个主开关，该控制电路控制所述主开关的断开和导通，向负载传递能量，其特征在于，该控制电路包括 参考频率选择单元，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子接收表示输出电压的反馈信号，其第二输入端子耦接第一频率设定信号，所述参考频率选择单元将反馈信号和第一频率设定信号中电压值较小的信号输出为正常负载频率参考信号; 负载状态检测单元，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子接收所述反馈信号，其第二输入端子耦接最大负载判断阈值，在其输出端子提供负载状态检测信号；其中最大负载判断阈值小于第一频率设定信号； 第一比较器，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子接收斜波信号，其第二输入端子被选择性地耦接至参考频率选择单元和最大负载频率参考信号，当反馈信号大于最大负载判断阈值时，所述第一比较器的第二输入端子被耦接至参考频率选择单元的输出端子接收正常负载频率参考信号作为频率参考信号；当反馈信号小于最大负载判断阈值时，所述第一比较器的第二输入端子接收最大负载频率参考信号，将其作为频率参考信号，所述第一比较器在其输出端子提供频率控制信号； 电流比较器，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子耦接电流参考信号，其第二输入端子耦接电流采样信号其输出端子提供电流控制信号，其中所述电流采样信号表示流过所述主开关的电流； 逻辑单元，具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子耦接至第一比较器的输出端子接收频率控制信号，其第二输入端子耦接至电流比较器的输出端子接收电流控制信号，其输出端子提供门极控制信号，以控制主开关的导通和断开。
2.如权利要求I所述的控制电路，其特征在于，其中所述斜波信号由一斜坡信号产生器产生，该斜坡信号产生器包括并联的复位开关、充电电容和电流源，其中 所述复位开关包括耦接一短脉冲信号的控制端子，所述短脉冲信号指示所述门极控制信号，并且具有设定的脉冲时长，在所述短脉冲信号设定的脉冲时长内，所述复位开关被导通； 所述充电电容两端的电压为所述斜波信号。
3.如权利要求I所述的控制电路，其特征在于，其中所述控制 电路进一步包括 持续时间设定单元，具有输入端子和输出端子，其输入端子耦接至负载状态检测单元以接收负载状态检测信号，其输出端子提供持续 时间信号。
4.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，其中所述逻辑单元还接收持续时间信号；所述逻辑单元包括 RS触发器，所述RS触发器具有置位端子、复位端子和输出端子；其中所述置位端子耦接至第一比较器以接收频率控制信号，所述复位端子耦接至电流比较器以接收电流控制信号，所述RS触发器基于所述频率控制信号和电流控制信号，在其输出端子输出触发信号； 逻辑与电路，所述逻辑与电路具有第一输入端子、第二输入端子和输出端子，其第一输入端子耦接至持续时间设定单元的输出端子以接收持续时间信号，其第二输入端子耦接至所述触发器的输出端子以接收触发信号，所述逻辑与电路基于所述持续时间信号和所述触发信号，在其输出端子提供所述门极控制信号。
5.如权利要求I所述的控制电路，其特征在于，其中所述控制 电路进一步包括 峰值电流选择单元，具有第一端子、第二端子和输出端子，其第一端子耦接反馈信号，其第二端子耦接电流参考信号，所述峰值电流将电压值较大的信号作为电流峰值信号，提供至电流比较器。
6.一种开关稳压电路，包括如权利要求1-5之一所述的控制电路，其特征在于，所述开关稳压电路还包括 输入端口，接收输入信号； 输出端口，提供输出信号给负载； 耦接在输入端口和输出端口之间的储能元件和主开关，其中所述储能元件在主开关导通时存储能量，在所述主开关断开时将所存储的能量释放至输出端口。
7.如权利要求6所述的开关稳压电路，其特征在于，其中所述储能元件包括变压器，所述变压器包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组和副边绕组各具有第一端子和第二端子；所述原边绕组的第一端子和所述副边绕组的第一端子互为同名端，所述原边绕组的第一端子耦接至整流桥以接收所述输入信号；所述主开关耦接至所述原边绕组的第二端子。
8.如权利要求6所述的开关稳压电路，其特征在于，其中所述开关稳压电路还包括低侧开关，耦接在储能元件与主开关的连接节点与参考地之间。
9.如权利要求6所述的开关稳压电路，其特征在于，所述开关稳压电路还包括 第一开关，耦接在第一比较器的第二输入端和最大负载频率参考信号之间； 第二开关，耦接在第一比较器的第二输入端和参考频率选择单元 的输出端子之间；其中 所述第一开关和第二开关各包括耦接至负载状态检测单元输出端子的控制端子。
10.如权利要求6所述的开关稳压电路，其特征在于，所述开关稳压电路还包括选择开关，所述选择开关具有第一选择端子、第二选择端子、固定端子和控制端子，其中 第一选择端子耦接最大负载频率参考信号； 第二选择端子耦接至参考频率选择单元的输出端子； 固定端子耦接至第一比较器的第二输入端子； 控制端子耦接至负载状态检测单元的输出端子。
专利摘要本申请公开了一种开关稳压电路及其控制电路。所述开关稳压电路，包括输入端口、输出端口、储能元件、主开关、参考频率选择单元、负载状态检测单元、第一比较器、电流比较器和逻辑单元。所述开关稳压电路其开关频率在负载为最大负载时，被迅速拉至其最高频率，避免此时开关频率的继续增大，从而避免功率损耗的持续增大，减轻了热问题。并且根据本实用新型实施例的开关稳压电路，在其工作在最大负载下时，通过持续时间设定单元，进一步消除热问题，使得系统性能更优。
文档编号H02M3/335GK202663305SQ20122021673
公开日2013年1月9日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者俞杨威, 任远程, 张军明, 林思聪, 赵剑 申请人:成都芯源系统有限公司