具有减小输出纹波功能的开关电源及其控制器和控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子电路，更具体地说，本发明主要涉及开关电源（Switching mode power supply, SMPS)〇 技术背景
[0002] 开关电源通过控制至少一个开关的打开和关断广泛地应用于将输入电压转换成 输出电压。在一种控制方法中，一旦检测到预设的状态时，比如说，表征输出电压的反馈信 号低于参考信号时，降压变换器的开关就打开。开关处于导通状态一段时间后，开关关断。
[0003] 通常，开关的导通时间在轻载和重载时是相同的。在轻载状态下，当电感电流下降 到零时，同步整流器关断以阻止输出电压放电。相应地，电感中存储的全部能量都转移到输 出电容上，因此，轻载状态下的输出电压的纹波比重载状态下大很多。这是不希望看到的情 况。
[0004] 降低轻载状态时输出电压纹波的一种传统方法是增大输出电容，但这会增加系统 的体积和成本。
[0005] 因此，我们需要一种更好的方法，该方法至少可以解决前面描述的一个缺点。
【发明内容】
[0006] 本发明一实施例提出了一种用于开关电源的控制器，开关电源包括电感和具有控 制端的开关，控制器通过控制开关将开关电源的输入电压转换为开关电源输出端的输出电 压，控制器包括：过零检测电路，耦接于电感，过零检测电路检测流过电感的电感电流并提 供过零检测信号，其中只有当电感电流为零时，过零检测信号处于有效状态；负载判断电 路，耦接于过零检测电路，负载判断电路根据过零检测信号不间断地处于有效状态时的零 电流持续时间提供至少一个状态信号；以及控制信号产生电路，耦接于开关电源的输出端 和负载判断电路，提供耦接至开关控制端的控制信号，其中，当参考信号与表征输出端输出 信号的反馈信号满足预设条件时，控制信号从第一状态跳变到第二状态，经过一段开关导 通时间后，控制信号从第二状态跳变到第一状态，其中，开关导通时间由所述至少一个状态 信号决定。
[0007] 本发明一实施例提出了一种用于将输入电压转换成输出端的输出电压的开关电 源，包括：具有控制端的开关，耦接于开关的电感以及如前所述的控制器。
[0008] 本发明一实施例提出了一种降低开关电源输出纹波的控制方法，开关电源包括开 关和电感，所述方法包括：检测流过电感的电感电流；检测电感电流的零电流持续时间，其 中零电流持续时间为一个周期中电感电流为零的时间；以及根据零电流持续时间控制开关 的导通时间。
【附图说明】
[0009] 为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述。这些附图 仅用于示例。附图通常仅示出实施例中系统或电路的部分特征，并且附图不一定是按比例 绘制的。
[0010] 图1给出了根据本发明一实施例的开关电源100。
[0011] 图2给出了根据本发明一实施例的对应图1中的开关电路11的信号的波形图。
[0012] 图3给出了根据本发明一实施例的控制信号产生电路300。
[0013] 图4给出了根据本发明一实施例的减小开关电源输出纹波的方法400的流程图。
[0014] 图5给出了根据本发明一实施例的生成多个状态信号P1-P3的负载判断电路500。
[0015] 图6给出了根据本发明一实施例的对应于图5中的负载判断电路中的多个信号的 波形图。
[0016] 不同示意图中的相同的附图标记表示相同或者相似的部分或特征。
【具体实施方式】
[0017] 下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例 说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，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发 明。在其它实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
[0018] 在整个说明书中，对" 一个实施例"、"实施例"、" 一个示例"或者"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发明至少一个实施例 中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语"一个实施例"、"实施例"、"一个示例"、"示 例"不一定都指同一个实施例或者示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定 的特征、结构或特征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，当称"元件""连接到"或""耦接到"另一元件时，它可以是直接连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"直接连接到"或者"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。
[0019] 图1给出了根据本发明一实施例的开关电源100。开关电源100包括开关电路11 和控制器12。开关电路11具有输入端Vin和输出端Vout，开关电源11通过控制开关Sl 或者通过控制开关Sl和同步整流器S2的开关行为将输入端Vin的输入电压转换成输出 端Vout的输出电压。在一实施例中，开关Sl采用MOSFET。在另一实施例中，开关Sl采用 JFET。开关S1可以采用其它形式的开关元件。同步整流器S2采用开关元件，比如说MOSFET、 JFET等等。在另一实施例中，同步整流器S2可以替换为二极管。在图示实施例中，开关电 路11采用降压变换器结构，其包括开关S1，同步整流器S2以及包括输出电感L和输出电 容Co的输出滤波器。但是，应当知晓，根据本发明的一些实施例的开关电源可以采用其它 一些结构，只要其零电流状态持续的时间可以表征其负载状况。
[0020] 继续图1的说明，开关Sl耦接于输入端Vin和开关节点SW之间。同步整流器S2 耦接于开关节点SW和参考地GND之间。在另一实施例中，同步整流器S2可以用非同步的 二极管替代。输出电感L耦接于开关节点SW和输出端Vout之间。输出电容Co耦接于输 出端Vout和参考地GND之间。通过开关Sl和S2的开关行为，输入电压转换成开关节点SW 处的间歇电压。开关Sl和同步整流器S2的开关行为是一种互补模式，即开关Sl和同步整 流器S2不会同时处于导通状态。输出电感L和输出电容Co对开关节点SW处的电压进行 滤波，生成比开关节点SW处电压的波形更平滑的输出电压。输出端Vout的输出电压用于 给负载供电。
[0021] 图2给出了根据本发明一实施例的对应图1中的开关电路11的信号的波形图。如 图2所示，所述信号包括：提供给开关Sl控制端的开关控制信号PWM，提供给同步整流器S2 控制端的第二开关控制信号PWM2,开关节点SW处的开关电压V sw，流过输出电感L的电感电 流IL。在时刻tl，表征输出端Vout输出信号的反馈信号FB减小至预设的参考信号REF，开 关控制信号PWM从无效状态跳变到有效状态，开关Sl打开。同时，信号PWM2从有效状态跳 变到无效状态以关断同步整流器S2。开关节点SW处的开关电压V sw增加到与输入电压Vin 接近，电感电流IL从零开始增加。一段导通时间Tonl后，在时刻t2,开关控制信号PffM从 有效状态跳变到无效状态，开关控制信号PWM2从无效状态跳变到有效状态，开关Sl关断， 同步整流器S2打开，开关电压V sw减小到与参考地电压接近，电流流过同步整流器S2和输 出电感L。电感电流IL开始减小。在轻载时，电感电流快速减小至一固定值，比如说零；在 重载时，电感电流缓慢减小至该固定值。在时刻t3,电感电流减小到零，此时关断整流器S2 以阻止输出电容Co放电，电感电流IL保持为零。电压Vout不断减小，在t4时刻，反馈信 号FB再次降低至预设的参考信号REF，开关控制信号PffM从无效状态跳变到有效状态以打 开开关Sl。在重载时，电感电流缓慢减小，在时刻t6,反馈信号FB再次降低至预设的参考信 号REF，此时电感电流大于零。在本发明中，控制开关Sl处于导通状态的开关控制信号PffM 的导通时间由负载情况决定，具体的说，由电感电流连续为零的持续时间，也称为零电流持 续时间决定。比如说，导通时间Tonl由上一个周期的零电流持续时间Tzcdl决定，导通时 间Ton2由上一个周期的零电流持续时间Tzcd2决定，导通时间Ton3由上一个周期的零电 流持续时间Tzcd3决定。当零电流持续时间Tzcd2很长时，表明负载很轻，下个周期的导通 时间Ton2将变短，当零电流持续时间很短时，比如说，时刻t6之前的零电流持续时间为零， 下个周期的导通时间Ton3将变很长。
[0022] 继续图1的说明，控制器12包括过零检测电路121，负载判断电路122和控制信 号产生电路123。过零检测电路121具有耦接于开关电路11的输入端和提供过零检测信 号ZCD的输出端。在图示实施例中，过零检测电路121耦接于输出电感L用于检测流过输 出电感L的电流IL的电流状态。比如说，当电流IL为零时，过零检测信号ZCD处于有效状 态，比如说逻辑高，当电流IL大于零时，过零检测信号ZCD处于无效状态，比如说逻辑低。过 零检测电路121可以包括电流检测电路和比较电路，其中，电流检测电路可以采用任何适 当的形式，包括采用多种传统的电流检测方法。负载判断电路122接收过零检测信号ZCD， 并根据该信号提供至少一个状态信号。如前所述，在轻载