专利名称：峰值电流信号产生电路，开关电源电路及其方法
技术领域：
本发明涉及电压转换电路，更具体地说，本发明涉及电压转换电路中的开关电源电路及其峰值电流信号产生电路和方法。
背景技术：
开关电源电路通常在轻载时降低开关频率，以得到较高的效率。但开关频率过低会导致开关电源电路的输出纹波变大，并且会影响电路的其它性能。尤其是在高端降压(High Side Buck)电路中，开关频率的降低会使控制电路不能及时检测输出电压导致电路的瞬态响应受到影响。因此，在具有电流环控制的系统中，通常采用在负载减小时降低峰值 电流信号的方法，使得系统的开关频率不会随着负载的减小而降低太多。其中常用的一种 手段是根据开关电源电路中的功率管的开关周期、关断时长、或者开通时长来调整峰值电流信号。但采用该手段来调整峰值电流信号可能产生次谐波振荡。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的上述问题，提供一种峰值电流信号产生电路、采用该峰值电流信号产生电路的开关电源电路以及一种产生峰值电流信号的方法。根据本发明的实施例，提出了一种峰值电流信号产生电路，所述峰值电流信号产生电路用于开关电源电路，所述开关电源电路至少包括第一功率管，所述峰值电流信号产生电路包括第一电流源；峰值电容，与第一电流源并联耦接，所述峰值电容两端的电压信号为峰值电流信号；低通滤波电路，具有第一端、第二端、第三端和控制端，所述第一端和第二端分别耦接至峰值电容的两端，所述控制端接收表征第一功率管开关周期的脉冲信号；第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至低通滤波电路的第三端，所述控制端接收复位信号；以及第一电压源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第一开关的第二端，所述第二端耦接至低通滤波电路的第二端。在一个实施例中，所述低通滤波电路包括第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至低通滤波电路的第一端，所述第二端耦接至低通滤波电路的第三端，所述控制端接收脉冲信号；以及滤波电容，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至低通滤波电路的第三端，所述第二端耦接至低通滤波电路的第二端。根据本发明的实施例，提出了一种峰值电流信号产生电路，频率控制电流源，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至供电电源，所述控制端接收频率信号，基于所述频率信号，所述频率控制电流源在第二端提供电流；以及峰值电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至频率控制电流源的第二端，所述第二端接地，所述频率控制电流源提供的电流流过峰值电阻，在峰值电阻上产生的电压信号为峰值电流信号。在一个实施例中，所述频率控制电流源所提供的电流大小与频率信号成反比。根据本发明的实施例，提出了一种峰值电流信号产生电路，电容，具有第一端和第二端，所述第一端接地，所述第二端提供峰值电流信号；电阻，与电容并联；第三开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容的第二端，所述控制端接收方波信号；以及以及第三电流源，具有第一端和第二端，所述第一端接地，所述第二端耦接至第三开关的
A-Ap ~·上山
弟一觸。根据本发明的实施例，提出了一种开关电源电路，所述开关电源电路包括上述任何一种峰值电流信号产生电路，还包括功率模块，包括串联耦接的第二功率管和第一功率管，其中第一功率管接收输入电压；滤波电路，包括电感和输出电容，其中输出电容的两端提供输出电压给负载；反馈比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收表征输出电压的反馈电压，所述第二输入端接收基准信号，基于所述反馈电压和所述基准信号，所述反馈比较器在输出端输出置位信号；峰值比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接收电流检测信号，所述第二输入端接收峰值电流 信号，基于电流检测信号和峰值电流信号，所述峰值比较器输出复位信号；以及逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至峰值比较器接收复位信号，所述第二输入端耦接至反馈比较器接收置位信号，基于所述复位信号和置位信号，所述逻辑电路在输出端输出开关信号控制第一功率管通断。在一个实施例中，所述开关电源电路还包括反馈电路，接收输出电压，基于输出电压产生反馈电压，所述反馈电路包括反馈二极管、反馈电容、第一反馈电阻和第二反馈电阻，其中第一反馈电阻和第二反馈电阻串联耦接在反馈二极管的阴极和电感的第一端之间；反馈二极管的阳极耦接至电感的第二端；反馈电容的第一端耦接至反馈二极管的阴极，第二端耦接至电感的第一端；反馈电路在第一反馈电阻和第二反馈电阻的连接点输出反映输出电压的反馈电压。根据本发明的实施例，提出了一种产生峰值电流信号的方法，所述峰值电流信号可用于开关电源电路中，所述开关电源电路包括控制电路和功率器件，所述控制电路通过开关所述功率器件调节从电源提供给输出端的负载的能量，在一个周期中，当功率器件开通时，所述电源向输出端的负载提供能量；当功率器件关闭时，所述电源停止向输出端的负载提供能量，所述方法包括在功率器件开通瞬间，将滤波电容充电至基准值；将峰值电容和滤波电容耦接，将峰值电容和滤波电容上的电荷平均分配；以及对峰值电容和滤波电容进行放电，其中峰值电容两端的电压为所述峰值电流信号；其中，相邻开关周期的峰值电流信号变化量的增益小于I。根据本发明上述各方面的开关电源电路、峰值电流信号产生电路及其方法，能够实现根据负载情况调整峰值电流信号，使得开关电源电路的频率随着负载的降低而降低，同时避免产生次谐波振荡的目的。
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述图I示出了现有的高端降压电路的示意图；图2示出了图I电路中的峰值电流信号Ipeak，电流检测信号Ics，复位信号106和开关信号108的波形示意图；图3示出了根据本发明一实施例的开关电源电路结构示意图；图4示出了图I电路中的峰值电流信号Ipeak、图3电路中的峰值电流信号Ipeak’、电流检测信号Ics、复位信号106和开关信号108的波形不意图；图5不出了根据本发明一实施例的峰值电流信号产生电路505的电路结构；图6不出了根据本发明一实施例的峰值电流信号产生电路605的电路结构；图7示出了开关信号108和方波信号TD的波形；图8示出了根据本发明一实施例的产生峰值电流信号的方法800。
具体实施例方式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。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。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“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“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“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I示出了现有的高端降压电路的示意图。该电路包括功率模块，包括串联耦接的第一功率管Ml和第二功率管Dl，其中第一功率管Ml接收输入电压VIN ;滤波电路，包括电感LI和输出电容Cl，其中电感LI的第一端耦接至第一功率管Ml和第二功率管Dl的连接点，输出电容Cl的两端提供输出电压VOUT给负载；反馈电路，包括反馈二极管D2、反馈电容C2以及第一反馈电阻Rl和第二反馈电阻R2，其中第一反馈电阻Rl和第二反馈电阻R2串联耦接在反馈二极管D2的阴极和电感LI的第一端之间，反馈二极管D2的阳极耦接至电感LI的第二端，反馈电容C2的第一端耦接反馈二极管D2的阴极，第二端耦接电感LI的第一端，反馈电路在电阻Rl和R2的连接点输出表征输出电压VOUT的反馈电压VFB ;控制电路100，具有第一输入端100-1、第二输入端100-2、接地端100-3和输出端100-4，其中所述第一输入端100-1接收表征流过第一功率管Ml的电流的电流检测信号Ics,所述第二输入端100-2耦接至反馈电阻Rl和R2的连接点接收反馈电压VFB，所述接地端100-3耦接至第一功率管Ml和第二功率管Dl的连接点，基于电流检测信号Ics和反馈电压VFB，控制电路100在输出端100-4输出开关信号控制第一功率管Ml的通断，以调节输出到负载的能量。图I所示的高端降压电路中，控制电路100包括峰值比较器103，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接收电流检测信号Ics,所述第二输入端接收峰值电流信号Ipeak,基于电流检测信号Ics和峰值电流信号Ipeak,所述峰值比较器103输出复位信号106 ;峰值电流产生电路105，具有输入端和输出端，其中所述输入端耦接至峰值比较器103的输出端接收复位信号106,基于复位信号106,所述输出端输出峰值电流信号Ipeak ;反馈比较器104,具有第一输入端、第二输入端和输出端,所述第一输入端f禹接至反馈电阻Rl和R2的连接点接收反馈电压VFB，所述第二输入端接收基准信号VREF，基于所述反馈电压VFB和所述基准信号VREF，所述反馈比较器104在输出端输出置位信号107 ；RS触发器101，具有置位端S，复位端R和输出端Q，其中所述置位端S耦接至反馈比较器104的输出端接收置位信号107，所述复位端R耦接至峰值比较器103的输出端接收复位信号106,基于所述置位信号107和复位信号106,所述RS触发器101在输出端Q输出开关信号108控制第一功率管Ml的通断。图2不出了图I电路中的峰值电流信号Ipeak,电流检测信号Ics,复位信号106和开关信号108的波形。下面结合图I和图2来说明控制电路100的工作过程。当第一功率管Ml开通时，电感电流(即流过第一功率管Ml的电流)增大，电流检测信号Ics随之增大。当电流检测信号Ics的值增大至峰值电流信号Ipeak时,峰值比较器103翻转，从而使复位信号106产生脉冲来复位RS触发器101。RS触发器101输出开关信号108来关断第一功率管Ml。第一功率管Ml关断后，第二功率管Dl开通，此时，输出电压VOUT开始下降，反馈电压VFB反映了输出电压VOUT的大小。当反馈电压VFB低于基准信号VREF时，反馈比较器104翻转，使置位信号107产生脉冲，从而置位RS触发器101。RS触发器101输出·开关信号108来开通第一功率管Ml。为了在轻载时降低高端降压电路的开关频率，提高轻载效率，图I所示的电路采用了根据第一功率管Ml的关断时长来调整峰值电流信号的控制方法。本领域普通技术人员应该明白，第一功率管Ml的开通时长或者开关信号108也可以用来调整峰值电流信号。在图I中，所示峰值电流产生电路105包括第一电流源II、第一开关M2、峰值电容C3以及第一电压源VI。其中峰值电容C3两端电压为峰值电流信号Ipeak。峰值电流信号Ipeak与第一功率管Ml的关断时长成反比。第一功率管Ml的关断时长越长,即负载越轻,峰值电流信号Ipeak的值越小。峰值电流产生电路105的工作过程为第一开关M2由复位信号106控制，当复位信号106产生脉冲复位RS触发器101时，第一开关M2闭合，峰值电容C3与第一电压源Vl连接，使得峰值电流信号Ipeak的值等于第一电压源Vl的值。由于复位信号106是个脉冲信号，并且脉冲宽度较窄，所以在脉冲结束后，第一开关M2断开，第一电流源Il对峰值电容C3放电,从而使峰值电流信号Ipeak以一定的斜率下降。峰值电流信号Ipeak的波形如图2所示。可以看到，负载越轻，第一功率管Ml的关断时长越长，峰值电容C3被第一电流源Il放电的时间越长，峰值电流信号Ipeak减得越小。本领域普通技术人员应该知道，第一开关M2并不必须由复位信号106控制，也可以由其它在第一功率管Ml关断时有脉冲产生的信号来控制。图I所示的峰值电流产生电路105在电感电流受到扰动时将会使系统产生次谐波振荡。具体如下假设峰值电流信号Ipeak受到扰动后增大了 Alpeakl。峰值电流信号Ipeak的增加将导致电感电流的上升时间增加，即会使得输出到负载的能量增大而引起输出电压VOUT的增加。从而控制电路100将需要延长第一功率管Ml的关断时长Toff来维持系统的稳定。也即是说，峰值电流信号Ipeak的增加将会延长第一功率管Ml的关断时长Toff0而峰值电流产生电路105所产生的峰值电流信号Ipeak与第一功率管Ml的关断时长Toff成反比。延长后的关断时长Toff将会导致峰值电流信号Ipeak的减小。假设峰值电流信号Ipeak因为关断时长Toff延长的原因减小了 Λ Ipeak2。峰值电流信号Ipeak的减小又导致了电感电流的上升时间减少，即会使得输出到负载的能量减少而引起输出电压VOUT的减小。从而控制电路100需要减短第一功率管Ml的关断时长TofT来维持系统的稳定。也就是说，峰值电流信号Ipeak的减小导致了第一功率管Ml的关断时长TofT的缩短。因为峰值电流产生电路105所产生的峰值电流信号Ipeak与第一功率管Ml的关断时长Toff成反比，缩短后的关断时长Toff将会导致峰值电流信号Ipeak的增大。如前所述，增大的峰值电流信号Ipeak又会延长关断时长Toff。如此循环往复，将产生次谐波，影响系统性能。在上述循环中，当前开关周期的峰值电流信号Ipeak的增量Δ Ipeakl导致了下一个开关周期的峰值电流信号Ipeak的减少量Δ Ipeak2。两个周期中峰值电流信号Ipeak的变化量的增益为
权利要求
1.ー种峰值电流信号产生电路，所述峰值电流信号产生电路用于开关电源电路，所述开关电源电路至少包括第一功率管，所述峰值电流信号产生电路包括 第一电流源； 峰值电容，与第一电流源并联耦接，所述峰值电容两端的电压信号为峰值电流信号；低通滤波电路，具有第一端、第二端、第三端和控制端，所述第一端和第二端分别耦接至峰值电容的两端，所述控制端接收表征第一功率管开关周期的脉冲信号； 第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至低通滤波电路的第三端，所述控制端接收复位信号；以及 第一电压源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第一开关的第二端，所述第二端耦接至低通滤波电路的第二端。
2.如权利要求I所述的峰值电流信号产生电路，其特征在于，所述低通滤波电路包括 第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至低通滤波电路的第一端，所述第二端耦接至低通滤波电路的第三端，所述控制端接收脉冲信号；以及 滤波电容，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至低通滤波电路的第三端，所述第二端耦接至低通滤波电路的第二端。
3.ー种开关电源电路，包括权利要求I或2中任一项所述的峰值电流信号产生电路，其特征在于，还包括 功率模块，包括串联耦接的第二功率管和所述第一功率管，其中第一功率管接收输入电压； 滤波电路，包括电感和输出电容，其中输出电容的两端提供输出电压给负载； 反馈比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收表征输出电压的反馈电压，所述第二输入端接收基准信号，基于所述反馈电压和所述基准信号，所述反馈比较器在输出端输出置位信号； 峰值比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接收电流检测信号，所述第二输入端接收峰值电流信号，基于电流检测信号和峰值电流信号，所述峰值比较器输出复位信号；以及 逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至峰值比较器接收复位信号，所述第二输入端耦接至反馈比较器接收置位信号，基于所述复位信号和置位信号，所述逻辑电路在输出端输出开关信号控制第一功率管的通断。
4.如权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，还包括反馈电路，接收输出电压，基于输出电压产生反馈电压，所述反馈电路包括反馈ニ极管、反馈电容、第一反馈电阻和第ニ反馈电阻，其中 第一反馈电阻和第二反馈电阻串联耦接在反馈ニ极管的阴极和电感的第一端之间； 反馈ニ极管的阳极耦接至电感的第二端； 反馈电容的第一端耦接至反馈ニ极管的阴极，第二端耦接至电感的第一端； 反馈电路在第一反馈电阻和第二反馈电阻的连接点输出反映输出电压的反馈电压。
5.ー种峰值电流信号产生电路，所述峰值电流信号产生电路用于开关电源电路，所述峰值电流信号产生电路包括 频率控制电流源，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至供电电源，所述控制端接收频率信号，基于所述频率信号，所述频率控制电流源在第二端提供电流； 以及峰值电阻，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至频率控制电流源的第二端，所述第二端接地，所述频率控制电流源提供的电流流过峰值电阻，在峰值电阻上产生的电压信号为峰值电流信号。
6.如权利要求5所述的峰值电流信号产生电路，其特征在于所述频率控制电流源所提供的电流大小与频率信号成反比。
7.—种峰值电流信号产生电路,包括 电容，具有第一端和第二端，所述第一端接地，所述第二端提供峰值电流信号； 电阻，与电容并联； 第三开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电容的第二端，所述控制端接收方波信号；以及 以及第三电流源，具有第一端和第二端，所述第一端接地，所述第二端耦接至第三开关的第二端。
8.ー种开关电源电路，包括权利要求7中所述的峰值电流信号产生电路，其特征在干，还包括 功率模块，包括串联耦接的第一功率管和第二功率管，其中第一功率管接收输入电压； 滤波电路，包括电感和输出电容，其中输出电容的两端提供输出电压给负载； 反馈比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收表征输出电压的反馈电压，所述第二输入端接收基准信号，基于所述反馈电压和所述基准信号，所述反馈比较器在输出端输出置位信号； 峰值比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接收电流检测信号，所述第二输入端接收峰值电流信号，基于电流检测信号和峰值电流信号，所述峰值比较器输出复位信号；以及 逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至峰值比较器接收复位信号，所述第二输入端耦接至反馈比较器接收置位信号，基于所述复位信号和置位信号，所述逻辑电路在输出端输出开关信号控制第一功率管的通断； 其中，所述方波信号与第一功率管的开关周期相关。
9.如权利要求8所述的开关电源电路，其特征在于，还包括反馈电路，接收输出电压，基于输出电压产生反馈电压，所述反馈电路包括反馈ニ极管、反馈电容、第一反馈电阻和第ニ反馈电阻，其中 第一反馈电阻和第二反馈电阻串联耦接在反馈ニ极管的阴极和电感的第一端之间； 反馈ニ极管的阳极耦接至电感的第二端； 反馈电容的第一端耦接至反馈ニ极管的阴极，第二端耦接至电感的第一端； 反馈电路在第一反馈电阻和第二反馈电阻的连接点输出反映输出电压的反馈电压。
10.一种产生峰值电流信号的方法，所述峰值电流信号可用于开关电源电路中，所述开关电源电路包括控制电路和功率器件，所述控制电路通过开关所述功率器件调节从电源提供给输出端的负载的能量，在ー个周期中，当功率器件开通时，所述电源向输出端的负载提供能量；当功率器件关闭时，所述电源停止向输出端的负载提供能量，所述方法包括在功率器件开通瞬间，将滤波电容充电至基准值； 将峰值电容和滤波电容耦接，将峰值电容和滤波电容上的电荷平均分配；以及对峰值电容和滤波电容进行放电，其中峰值电容两端的电压为所述峰值电流信号；其中，相邻开关周期的峰值电流信号变化量的増益小于I。
全文摘要
本发明提出了一种峰值电流信号产生电路，开关电源电路及其方法，所述开关电源电路至少包括第一功率管，所述峰值电流信号产生电路包括第一电流源；峰值电容，与第一电流源并联耦接，所述峰值电容两端的电压信号为峰值电流信号；低通滤波电路，第一端和第二端分别耦接至峰值电容的两端，控制端接收表征第一功率管开关周期的脉冲信号；第一开关，第一端耦接至低通滤波电路的第三端，控制端接收复位信号；以及第一电压源，第一端耦接至第一开关的第二端，第二端耦接至低通滤波电路的第二端。能够实现根据负载情况调整峰值电流信号，使得开关电源电路的频率随着负载的降低而降低，同时避免产生次谐波振荡的目的。
文档编号H02M1/14GK102801305SQ20121028834
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月14日 优先权日2012年8月14日
发明者李伊珂, 许力 申请人:成都芯源系统有限公司