一种开关电源控制器和控制方法

专利名称：一种开关电源控制器和控制方法
技术领域：
本发明涉及电子领域，尤其涉及一种开关电源控制器和控制方法。
背景技术：
目前比较常用的开关电源的控制方案是峰值电流控制模式，即当开关电源中电感 电流上升至输出电压的反馈误差放大信号COMP时，控制主开关管关断，直至定频的时钟信 号CLK到来时控制主开关管导通。图1中波形(al)和(a2)表示电源电路工作在负载短路 状态时的工作波形图当负载短路时，电感电流的上升斜率较大，在tl时刻已经上升至反 馈误差放大信号C0MP，但由于最小导通时间Tm_min的存在，电感电流要继续上升直至t2时 刻才能够关断主开关管以满足最小导通时间的条件。当所述主开关管关断后，电感电流下 降的斜率又很小，在t3时刻，定频的时钟信号CLK控制主开关管再次导通时，电感电流甚至 还未下降至所述反馈误差放大信号C0MP。因此在负载短路的情况下，电感电流的可能一直 保持在反馈误差放大信号COMP之上，并有不断上升的趋势。
为了防止电感电流的持续上升，一般采取降频的方法进行短路保护，如图1中的 波形(bl)和(b2)所示将时钟信号CLK的频率成倍的降低为CLK'，以保证当电感电流上 升过高而下降斜率过小时，仍有足够的时间保持主开关管关断，电感电流持续下降。但这种 方法存在明显的弊端降频使得电路工作在电流断续导通模式(DCM)，当开关电源由负载 短路跳变至重载情况时，电流要从较低的状态开始上升，因此可能引发启动过慢甚至无法 启动的问题，尤其是电流源型负载时，这种情况更为明显。发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电源控制器和控制方法，以克服现有 技术中的时钟信号成倍数降频又难以在重载情况下快速启动的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案
依据本发明的一种开关电源控制器，用以控制开关电源中的第一开关管工作在导 通和关断两种状态以对输入信号进行转换，包括一开关时间调节电路；
在一个开关周期内，所述开关时间调节电路比较所述第一开关管的第一状态时间 和期望时间，根据比较的结果控制所述第一开关管的第二状态时间；
当所述第一状态时间大于所述期望时间时，所述开关时间调节电路减小所述第二 状态时间，从而使下一开关周期的第一状态时间减小；
当所述第一状态时间小于所述期望时间时，所述开关时间调节电路增大所述第二 状态时间，从而使下一开关周期的第一状态时间增大。
优选的，所述开关电源工作在峰值电流控制模式。
进一步的，所述开关时间调节电路包括基准电压生成电路和计时电路；
所述基准电压生成电路根据所述第一状态时间和所述期望时间得到基准电压信 号;
所述计时电路对所述第二状态时间进行计时，控制所述第二状态时间与所述基准电压信号相匹配。
进一步的，所述基准电压生成电路包括充放电控制电路和第一电容；
所述充放电控制电路接收表征所述第一状态时间和所述期望时间的信号，当所述 第一状态时间大于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一电容进行放电；当所述第 一状态小于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一电容进行充电；
所述第一电容电压作为所述基准电压信号。
进一步的，所述计时电路包括斜坡信号发生电路和比较电路；
所述斜坡信号发生电路在所述第二状态的起始时刻输出具有一定斜率的斜坡信 号;
所述比较电路接收并比较所述斜坡信号和所述基准电压信号，当所述斜坡信号上 升至所述基准电压信号时，所述比较电路的输出信号结束所述第二状态。
依据本发明的一种开关电源控制方法，用以控制开关电源中的第一开关管工作在 导通和关断两种状态以对输入信号进行转换，包括以下步骤
在一个开关周期内，比较所述第一开关管的第一状态时间和期望时间，根据比较 的结果控制所述第一开关管的第二状态时间；
当所述第一状态时间大于所述期望时间时，减小所述第二状态时间，从而使下一 开关周期的第一状态时间减小；
当所述第一状态时间小于所述期望时间时，增大所述第二状态时间，从而使下一 开关周期的第一状态时间增大。
优选的，所述开关电源工作在峰值电流控制模式。
进一步的，根据所述第一状态时间和期望时间得到一基准电压信号；
对所述第二状态时间进行计时，控制所述第二状态时间与所述基准电压信号相匹 配。
进一步的，接收表征所述第一状态时间和所述期望时间的信号；
当所述第一状态时间大于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一电容进行 放电；
当所述第一状态时间小于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一电容进行 充电；
所述第一电容电压作为所述基准电压信号。
进一步的，在所述第二状态的起始时刻输出具有一定斜率的斜坡信号；
接收并比较所述斜坡信号和所述基准电压信号，当所述斜坡信号上升至所述基准 电压信号时，结束所述第二状态。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的开关电源控制器和控 制方法设定一种开关状态的期望时间，根据期望时间与实际开关状态时间的比较来实时的 调整其相反状态的时间，在正常工作状态下能够保证开关电源工作在恒定导通模式或恒定 关断模式，而在电源负载短路保护的过程中，由于开关导通时间相对于期望时间的减小，适 当的延长关断时间保证电感电流不过冲，同时在向重载启动跳转的过程中，缩短关断时间 保证电感电流维持在连续导通模式(CCM)而不是断续导通模式，这样能够实现开关电源的成功并快速启动。通过下文优选实施例的具体描述，本发明的上述和其他优点更显而易见。


为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1所示为现有的定频控制开关电源在短路保护状态下的工作波形图2所示为依据本发明的开关电源控制器的第一实施例的原理框图3所示为图2所示开关电源控制器的工作波形图4所示为依据本发明的开关电源控制器的第二实施例的原理框图5所示为图4所示开关电源控制器的第一工作波形图6所示为图4所示开关电源控制器的第二工作波形图7所示为依据本发明的开关电源控制方法的一实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
参考图2，其所示为依据本发明的开关电源控制器应用在非同步降压型直流变换器11中，通过控制功率级电路中的第一开关管Si工作在导通和关断两种状态来对输入电压Vin进行电能转换以为负载供电。
优选的所述直流变换器工作在峰值电流控制模式，通过采样电感电流的信号，并与输出电压的反馈误差放大信号COMP相比较，当电感电流k上升至所述反馈误差放大信号COMP时，比较器CMPl的输出信号通过RS比较器控制第一开关管SI关断。通过开关时间调节电路21来比较所述第一开关管SI的导通时间Tm (第一状态时间)和期望时间并根据比较的结果控制所述第一开关管SI的关断时间(第二状态时间)，即在一定的时间之后控制第一开关管SI再次导通。
当第一开关管SI的导通时间Tm大于所述期望时间Tm_Mf时，所述开关时间调节电路21减小其关断时间，从而使下一开关周期的导通时间有所减小；而当第一开关管SI的导通时间Tm小于所述期望时间Τ,μ时，所述开关时间调节电路21增大其关断时间，从而使下一开关周期的导通时间有所增大，这样即控制所述导通时间Tm趋近于所述期望时间 T1on-ref°
具体可以参照图3所示的工作波形图，可以看出，当第一开关管的导通时间Tm大于期望时间Tm_Mf时，通过减小关断时间，导致电感电流在关断的过程中不至于降至过低， 在下一个开关周期，第一开关管再次导通时，电感电流需要较少的时间即上升至反馈误差放大信号C0MP，因此导通时间Tm较上一开关周期有所减少；而第一开关管的导通时间Tm 小于期望时间Traraf时，通过延长关断 时间，导致电感电流降至更低的状态，因此在接下来的开关周期内，电感电流需要更长的时间上升至反馈误差放大信号C0MP，所述导通时间Tm 增大。由此可以控制第一开关管的导通时间维持在所述期望时间，使开关电源工作在恒定 导通时间模式。对应的，也可以选取关断状态作为第一状态，这样开关电源即工作在恒定关 断时间模式。
具体的，图2中的所述开关时间调节电路21包括基准电压生成电路201和计时电 路 202 ；
其中所述基准电压生成电路201根据所述导通时间Tm和期望时间Traraf得到基准 电压信号Vref;其中表征所述导通时间的信号可以用所述第一开关管SI的控制信号表征， 其高电平有效区间即表示导通状态，而表征所述期望时间的信号可以由所述第一开关管Si 的控制信号通过单脉冲信号22得到，所述单脉冲信号22在导通时刻输出一脉宽与期望时 间一致的脉冲信号。
所述计时电路202对所述关断时间进行计时，控制第一开关管的关断时间与所述 基准电压信号Vref相匹配；即当所述基准电压信号VMf随着导通时间Tm的变化相应变大或 变小时，所述第一开关管的关断时间也相应的进行适应性调整。
由此可见，本发明提供的开关电源控制器设定一种开关状态的期望时间，根据期 望时间与实际开关状态时间的比较来实时的调整其相反状态的时间，因此在开关电源负载 短路的情况下，不是通过将开关频率成倍降低来防止电流过冲，而是根据每一个开关周期 的实际情况智能地调整工作频率，从而避免了电感电流降至过低而难以启动的问题。以上 电路的具体实现和工作原理将结合图4所示实施例的原理框图进行详细的说明。
参考图4，为依据本发明的开关电源控制器的第二实施例的原理框图；其中具体 给出了基准电压生成电路201和计时电路202的实现形式。
所述基准电压生成电路201包括充放电控制电路和第一电容C1 ;其中所述第一电 容C1电压作为所述基准电压信号VMf。
所述充放电控制电路包括连接在输入电源和地之间的第一电流源Isl、开关管41、 开关管42、第二电流源Is2以及由非门、与非门和或非门组成的逻辑电路。
所述充放电控制电路接收表征所述导通时间的信号Tm和表征期望时间的信号 Tfflraf，其中信号乜经过非门的反向作用后输入至与非门和或非门的输入端；所述与非门和 或非门的另一输入端均接受信号Tm_Mf。
在第一开关管SI导通的初始时刻，所述信号Tm和信号Traraf均为高电平状态，此 时所述与非门输出为高电平，由P型MOS管构成的开关管41保持关断，所述或非门输出为 低电平，由N型MOS管构成的开关管42也保持关断，所述第一电容C1上的电压(基准电压 信号Vmf)由于自举保持不变；
当第一开关管SI的导通时间小于所述期望时间时，即出现当信号Traraf为高电平 时，信号Tm已经降至低电平的状况，此时所述与非门输出低电平，或非门输出低电平，因此 开关管41导通，开关管42关断，此时第一电流源Isl开始对所述第一电容C1进行充电，所 述基准电压信号开始上升；
当第一开关管SI的导通时间大于所述期望时间时，即出现当信号Tm为高电平时， 信号Traraf已经降至低电平的状况，此时所述与非门输出高电平，或非门输出高电平，因此 开关管41关断，开关管42导通，所述第一电容C1通过第二电流源Is2开始放电，所述基准电压信号VMf开始下降。
所述计时电路202包括斜坡信号发生电路和比较电路；
其中所述斜坡信号发生电路包括第三电流源Is3、第二电容C2以及开关管43，其中 开关管43与所述第一开关管SI的动作保持一致，当所述第一开关管进入关断状态时，开关 管43关断以控制所述第三电流源Is3对所述第二电容C2进行充电，所述第二电容C2的电压 即为具有一定斜率的斜坡信号；
所述比较电路由比较器44实现，其同相输入端接收所述斜坡信号，其反相输入端 接收所述基准电压信号VMf，当所述斜坡信号上升至所述基准电压信号VMf时，其输出信号 通过RS触发器控制第一开关管重新导通。由此可以看出，当导通时间小于所述期望时间 时，其差值越大，相应的所述基准电压信号的数值就越大，而所述斜坡信号上升时间就 相应延长，从而延长了第一开关管的关断时间；相反的，当导通时间大于所述期望时间时， 所述基准电压信号数值变小，从而减小了第一开关管的关断时间。
图5所示为图4所示的直流变换器进入负载短路保护状态的工作波形图。当出现 负载短路时，第一开关管的导通时间很小，同时电感电流的上升斜率很大而下降斜率很小， 因此电感电流在升至反馈误差放大信号COMP后为满足最小导通时间仍需要继续上升，直 至tl时刻第一开关管关断，此时由于开关时间调节电路的存在，因此适应性延长了第一开 关管的关断时间。由于关断时间的延长，电感电流降至比较低的值，因此从t2时刻第一开 关管导通，电感电流上升至反馈误差放大信号COMP的时间也相应延长，即导通时间Tm较之 上一开关周期变长，如此反复使得导通时间Tm越来越接近所述期望时间最终从t5 时刻开始，导通时间Tm与所述期望时间相等，所述直流变换器进入负载短路保护状 态并稳定工作。在这一过程中电感电流有所下降但未下降至零，因此电感电流保持在连续 工作模式(CCM)。
而图6给出了直流变换器从图5所示的负载短路保护状态进入重载启动状态的工 作波形图；在to时刻，直流变换器进入重载启动状态，其输出电压Vtjut突然增大，此后电感 电流的上升斜率较之前有所减小，而下降斜率有所增大。在t2时刻，由于重载状态的导通 时间Tm大于所述期望时间Tm_Mf，所述第一电容C1开始放电，所述基准电压信号Vref下降直 至t2时刻第一开关管关断。由于基准电压信号Vref的下降，所述第二电容电压\2上升至 所述基准电压信号Vref的时间降低进而减小了关断时间，进而从t2至t3时刻的关断时间 减小。同理从t4时刻至t5时刻，所述基准电压信号Vief进一步下降，最终从t6开始，所述 导通时间Tm与所述期望时间Tm_Mf相等，所述直流变换器进入重载状态并稳定工作。
由此可以看出，本发明提供的开关电源控制器设定一种开关状态的期望时间，根 据期望时间与实际开关状态时间的比较来实时的调整其相反状态的时间，在正常工作状态 下能够保证开关电源工作在恒定导通模式或恒定关断模式，而在电源负载短路保护的过程 中，由于开关导通时间相对于期望时间的减小，适当的延长关断时间保证电感电流不过冲， 同时保证向重载启动跳转的过程中，再次缩短关断时间保证电感电流维持在连续导通模式 (CCM)而不是断续导通模式，这样能够实现开关电源的成功并快速启动。
在图2、图4所示的实施例中，将第一开关管的导通状态定义为第一状态，相应的 其关断状态为第二状态，但需要注意的是，本发明并不限制于实施例中的一种形式，应用中 可以根据实际需要进行定义。如在恒定关断时间控制的开关电源中，可以将所述第一开关管的关断状态定义为第一状态，导通状态为第二状态，这样可以控制第一开关管的关断时 间与期望时间相一致。
另外为方便说明和理解，以上实施例中的拓扑结构均采用的降压型直流变换器， 实际上依据本发明的控制器可以应用在任何合适的开关电源中，而不限定电源的拓扑结 构。
以下结合附图对依据本发明的开关电源控制方法的优选实施例进行详细描述。
参考图7，所示为依据本发明的开关电源控制方法的一实施例的流程图，用以控制 开关电源中的第一开关管工作在导通和关断两种状态以对输入信号进行转换，其包括以下 步骤
S701 :在一个开关周期内，比较所述第一开关管的第一状态时间和期望时间，根据 比较的结果控制所述第一开关管的第二状态时间；
S702 :当所述第一状态时间大于所述期望时间时，减小所述第二状态时间，从而使 下一开关周期的第一状态时间减小；
S703 :当所述第一状态时间小于所述期望时间时，增大所述第二状态时间，从而使 下一开关周期的第一状态时间增大。
优选的，所述开关电源工作在峰值电流控制模式。
上述开关电源控制方法可以进一步包括以下步骤
S704-1 :根据所述第一状态时间和期望时间得到一基准电压信号；
S704-2 :对所述第二状态时间进行计时，控制所述第二状态时间与所述基准电压 信号相匹配。
其中步骤S704-1可以进一步包括以下步骤
S704-11 :接收表征所述第一状态时间和所述期望时间的信号；
S704-12:当所述第一状态时间大于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一 电容进行放电；
S704-13:当所述第一状态时间小于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一 电容进行充电；
所述第一电容电压作为所述基准电压信号。
其中步骤S704-2可以进一步包括以下步骤
S704-21 :在所述第二状态的起始时刻输出具有一定斜率的斜坡信号；
S704-22 :接收并比较所述斜坡信号和所述基准电压信号，当所述斜坡信号上升至 所述基准电压信号时，结束所述第二状态。
另外，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在 涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些 要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设 备所固有的要素。
对所提供的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范 围。
权利要求
1.一种开关电源控制器，用以控制开关电源中的第一开关管工作在导通和关断两种状态以对输入信号进行转换，其特征在于，包括一开关时间调节电路；在一个开关周期内，所述开关时间调节电路比较所述第一开关管的第一状态时间和期望时间，根据比较的结果控制所述第一开关管的第二状态时间；当所述第一状态时间大于所述期望时间时，所述开关时间调节电路减小所述第二状态时间，从而使下一开关周期的第一状态时间减小；当所述第一状态时间小于所述期望时间时，所述开关时间调节电路增大所述第二状态时间，从而使下一开关周期的第一状态时间增大。
2.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述开关电源工作在峰值电流控制模式。
3.根据权利要求1所述的开关电源控制器，其特征在于，所述开关时间调节电路包括基准电压生成电路和计时电路；所述基准电压生成电路根据所述第一状态时间和所述期望时间得到基准电压信号；所述计时电路对所述第二状态时间进行计时，控制所述第二状态时间与所述基准电压信号相匹配。
4.根据权利要求3所述的开关电源控制器，其特征在于，所述基准电压生成电路包括充放电控制电路和第一电容；所述充放电控制电路接收表征所述第一状态时间和所述期望时间的信号，当所述第一状态时间大于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一电容进行放电；当所述第一状态小于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一电容进行充电；所述第一电容电压作为所述基准电压信号。
5.根据权利要求3所述的开关电源控制器，其特征在于，所述计时电路包括斜坡信号发生电路和比较电路；所述斜坡信号发生电路在所述第二状态的起始时刻输出具有一定斜率的斜坡信号； 所述比较电路接收并比较所述斜坡信号和所述基准电压信号，当所述斜坡信号上升至所述基准电压信号时，所述比较电路的输出信号结束所述第二状态。
6.一种开关电源控制方法，用以控制开关电源中的第一开关管工作在导通和关断两种状态以对输入信号进行转换，其特征在于，包括在一个开关周期内，比较所述第一开关管的第一状态时间和期望时间，根据比较的结果控制所述第一开关管的第二状态时间；当所述第一状态时间大于所述期望时间时，减小所述第二状态时间，从而使下一开关周期的第一状态时间减小；当所述第一状态时间小于所述期望时间时，增大所述第二状态时间，从而使下一开关周期的第一状态时间增大。
7.根据权利要求6所述的开关电源控制方法，其特征在于，所述开关电源工作在峰值电流控制模式。
8.根据权利要求6所述的开关电源控制方法，其特征在于，进一步包括根据所述第一状态时间和期望时间得到一基准电压信号；对所述第二状态时间进行计时，控制所述第二状态时间与所述基准电压信号相匹配。
9.根据权利要求8所述的开关电源控制方法，其特征在于，进一步包括接收表征所述第一状态时间和所述期望时间的信号；当所述第一状态时间大于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一电容进行放电；当所述第一状态时间小于所述期望时间时，根据两者的差值对所述第一电容进行充电；所述第一电容电压作为所述基准电压信号。
10.根据权利要求6所述的开关电源控制方法，其特征在于，进一步包括在所述第二状态的起始时刻输出具有一定斜率的斜坡信号；接收并比较所述斜坡信号和所述基准电压信号，当所述斜坡信号上升至所述基准电压信号时，结束所述第二状态。
全文摘要
本发明涉及一种开关电源控制器和控制方法，其中开关电源控制器用以控制开关电源中的第一开关管工作在导通和关断两种状态以对输入信号进行转换，其包括一开关时间调节电路；在一个开关周期内，所述开关时间调节电路比较所述第一开关管的第一状态时间和期望时间，根据比较的结果控制所述第一开关管的第二状态时间；当所述第一状态时间大于所述期望时间时，所述开关时间调节电路减小所述第二状态时间，从而使下一开关周期的第一状态时间减小；当所述第一状态时间小于所述期望时间时，所述开关时间调节电路增大所述第二状态时间，从而使下一开关周期的第一状态时间增大。
文档编号H02M1/36GK103066823SQ20121053548
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者金津 申请人:矽力杰半导体技术(杭州)有限公司