專利名稱：一種具有最大占空比限制的開關電源控制器的制作方法
技術領域：
本發明屬于電子電路領域，尤其涉及一種具有最大占空比限制的開關電源控制
O
背景技術：
脈沖寬度調制是當前開關電源控制中最常用的控制方法，其利用固定頻率的三角波或鋸齒波信號與誤差運算結果信號進行比較產生PWM信號，通過驅動電路驅動開關電源中的高頻開關管實現對電源的調制。相對鋸齒波調制，三角波調制具有雙邊調制功能，控制精度提高，采用高線性度三角波調制，能實現對控制電路的精確建模。在驅動為隔離變壓器驅動的脈寬調制開關電源中，為了防止電源啟動時驅動變壓器飽和失效，需要對控制器的PWM信號進行占空比限制，確保驅動變壓器正常工作。傳統的最大占空比限制的方法有
1.對誤差放大器的輸出用穩壓管限幅，使其不超過三角波或鋸齒波的峰值，但由于穩壓管的穩壓值不能自由連續調整，故最大占空比值不能隨意調整，同時穩壓管穩壓值隨著時間變化，隨著其老化，穩壓值可能超過三角波或鋸齒波的峰值，或往反方向漂移，導致最大占空比限制功能失效；
2.閉環控制的方式實現最大占空比限制，控制器反饋最大占空比限制的輸出，控制器的輸出與三角波或鋸齒波比較，實現對占空比平均值進行閉環控制，由于控制器的輸出一般為波動的調整波形，對于要求最大占空比限制很高的場合，如99%，其控制器輸出容易超出三角波或鋸齒波的峰值導致占空比丟失。由于PWM發生器的輸出相對三角波有一定延時，在PWM發生器的輸出占空比接近最大占空比限值時，這一延時會使PWM發生器的輸出與最大占空比電路輸出相位錯開，導致最終控制器的輸出波形出現異常，PWM波形中有異常的小脈沖出現。
發明內容
為了解決上述技術問題，本發明實施例的目的在于提供一種開關電源脈寬調制控制器。本發明實施例是這樣實現的，一種具有最大占空比限制的開關電源控制器，所述控制器包括
三角波發生電路，用于產生方波及三角波；以及
最大占空比限制電路，利用上述三角波電路產生的方波，實現最大占空比限制，并且其時序滿足脈寬調制的要求。進一步地，所述具有最大占空比限制的開關電源控制器還包括
PWM發生器，其輸入端分別與三角波發生電路、誤差放大器相連，其輸出端與邏輯與電路相連，所述最大占空比限制電路與所述邏輯與電路的輸入端相連，所述邏輯與電路與驅動電路相連。
進一步地，所述三角波發生電路包括第一電流鏡電路以及與其相連的第二電流鏡電路，
所述第一電流鏡電路包括三極管Q201、三極管Q202、電阻R201、電阻R202、電阻 R203，三極管Q201的射極與電阻R201的一端相連，其集電極與電阻R203的一端相連，其基極與所述三極管Q202的基極相連，所述三極管Q202的射極與電阻R202相連，所述三極管 Q202的集電極與二極管D201、D202的輸入端相連，所述電阻R201的另一端與電阻R202另一端連接后與第二電流鏡電路相連，所述電阻R203的另一端接地；
所述第二電流鏡電路包括電源B201、電阻R205、R207、R206，三極管Q203、Q204，所述三極管Q203的集電極接電阻R205，其射極接電阻R207，其基極接三極管Q204的基極，三極管Q204的射極接電阻R206的一端，三極管Q204的集電極接電阻R204，所述電阻R205、R207 接電源B201，所述電阻R206另一端接地；
所述電阻R204的另一端與D201的輸出端相連并同時連接比較器U201的反相輸入端及電容C201的一端，所述電容C201的另一端接地，所述比較器U201的同相輸入端分別連接三極管Q205的射極、電阻R211以及電阻R212，電阻R212的另一端接地，電阻R211另一端分別與電阻R210、R208以及R202相連，所述電阻R210的另一端接三極管Q205的集電極，所述三極管Q205的基極連接電阻R209的一端，電阻R209的另一端連接R208的另一端以及U201、D202的輸出端。進一步地，所述三角波發生電路包括
三極管Q501的射極與電阻R502的一端相連，其集電極分別與二極管D501、D502的輸入端相連，其基極分別與電阻R501、R503的一端相連，所述電阻R503的另一端接地，二極管 D501的輸出端與電阻R505相連并同時連接比較器TOOl的反相輸入端及電容C501的一端， 所述電容C501的另一端接地，所述比較器TOOl的同相輸入端分別連接三極管Q505的射極、電阻R511以及電阻R512，電阻R512的另一端接地，電阻R511另一端分別與電阻R510、 R508、R502以及R501相連，所述電阻R510的另一端接三極管Q505的集電極，所述三極管 Q505的基極連接電阻R509的一端，電阻R509的另一端連接R508的另一端以及TO01、D502 的輸出端；
電阻R505的另一端接三極管Q502的集電極，三極管Q502的射極接電阻R507，其基極接電阻R504、R506的一端，電阻R504、R506的另一端接電源B501，所述電阻R506、R507的
均接地。進一步地，所述最大占空比限制電路包括
大于1的奇數個串聯的非門，最后一個非門的輸出端與或門的一個輸入端相連，或門的另一輸入端連接到三角波發生電路的輸出端，或門的輸出端連接到與門的輸入端，與門的另一輸入端與PWM發生器相連。進一步地，所述最大占空比限制電路包括
與三角波發生電路的輸出端相連的一個非門，所述非門的輸出端連接了電阻R801，所述電阻R801的另一端分別連接了電容C801以及或門的一輸入端，電容C801的另一端接地，或門的另一輸入端接三角波發生電路的輸出端，或門的輸出端接與門的輸入端，與門的另一輸入端與PWM發生器相連。進一步地，為了避免大占空比時PWM波形中出現異常小脈沖，所述最大占空比限制電路包括
與三角波發生電路的輸出端相連的一個非門(1107)，所述非門(1107)的輸出端分別連接了電阻R1102以及非門(1103)，所述非門(1103)的輸出端連接電阻R1101，所述電阻 RllOl分別連接電容CllOl以及非門(1109)，電容CllOl的另一端接地，非門(1109)的輸出端接或門(1105)的一個輸入端，在所述電阻R1102兩端并聯了二極管D1101，所述電阻 R1102還分別連接了電容C1102及非門(1108)，所述電容C1102的另一端接地，所述非門 (1108)的輸出端接或門(1105)的另一輸入端，所述或門(1105)的輸出端接與門(1106)的一個輸入端，所述與門(1106 )的另一個輸入端接PWM發生器。在本發明的實施例中，涉及到一種分立器件實現、三角波調制、具有最大占空比限制的開關電源控制電路，適用于對可靠性要求高的開關電源場合，如空間電源應用，該電路主要包括高線性度、幅值和頻率可調的三角波發生器，以及最大占空比限制電路。通過兩個高精度恒流源對目標電容充放電實現三角波上升和下降斜率相等，并且恒定，得到高線性度的三角波；幅值調節電路使三角波的幅值和頻率可分別獨立調節。利用三角波發生器同時產生的方波實現開關電源控制中常用到的最大占空比限制功能。
圖1是本發明實施例提供的具有最大占空比限制功能的脈寬調制控制器的結構框圖2是本發明實施例提供的三角波發生電路的電路圖； 圖3是本發明實施例提供的仿真電流波形圖； 圖4是圖2中關鍵點的仿真波形圖5是本發明實施例提供的簡化的三角波發生電路的電路圖； 圖6是圖2或圖5中的三角波發生器的結構圖； 圖7是本發明實施例提供的最大占空比限制電路的仿真波形圖； 圖8是本發明實施例提供的最大占空比限制電路中延時的另一種實現方式圖； 圖9為本發明實施例提供的最大占空比限制的電路圖； 圖10為本發明實施例提供的輸出異常時的波形圖； 圖11為本發明實施例提供的改進的最大占空比限制電路的電路圖； 圖12為本發明實施例提供的采用改進最大占空比限制電路的脈寬調制控制器的整體實現圖13是本發明實施例提供的具有最大占空比限制的脈寬調制控制器的整體仿真波形圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。由于PWM發生器的輸出相對三角波有一定延時，在PWM發生器的輸出占空比接近最大占空比限值時，這一延時會使PWM發生器的輸出與最大占空比電路輸出相位錯開，導
6致最終控制器的輸出波形出現異常，PWM波形中有異常的小脈沖出現，故最大占空比限制電路需具有補償PWM發生器延時的功能，使最大占空比限制波形相對于PWM波形的低電平保持對稱，避免大占空比時PWM波形中出現異常小脈沖。本發明涉及到一種脈寬調制開關電源控制電路，更具體地說涉及到開關電源控制電路中的一種采用分立器件實現的、高線性度、幅值、頻率可調的三角波發生電路和最大占空比限制電路。在空間級、汽車級等工作環境惡劣的條件下，對器件的可靠性要求高，開關電源集成控制芯片的質量等級有時滿足不了應用要求，故需采用高質量等級的基礎半導體器件， 如三極管、二極管、比較器、運算放大器等組建開關電源的控制器。本發明基于此應用場合， 采用分立器件實現高可靠的開關電源脈寬調制控制器。本發明所涉及的最大占空比限制電路可以調節最大占空比限制電路輸出波形的延時，以匹配PWM發生器的輸出延時，使最大占空比限制電路輸出波形與PWM發生器輸出波形嚴格對稱，消除異常小脈沖。同時本發明所涉及的最大占空比限制電路具有最大占空比值靈活連續可調的特點。本發明所涉及到的脈寬調制控制電路主要包括圖1中的頻率和幅值可調、高線性度三角波發生電路和最大占空比限制電路，通過分立器件實現高可靠的電源控制器。圖1為具有最大占空比限制功能的脈寬調制控制器的實現框圖，圖1中的101為頻率和幅值可調、線性度很好的三角波發生電路，通過恒流源充、放電，其輸出三角波線性度高，并且上升和下降斜率一致性好，102為最大占空比限制電路，利用101輸出的方波產生同頻率脈寬可調的脈沖波，實現占空比限制，105為誤差放大器，即電源的控制器，106為 PWM發生器，其利用101產生的三角波與105的輸出進行比較，產生脈沖波，實現脈寬調制， 102和106的輸出進行與邏輯，得到最終的PWM輸出，并實現最大占空比限制，即即使106輸出為恒高，103的輸出等于102的輸出，具有占空比限制。圖2示出了三角波發生電路的電路圖，其中Q201和Q202為PNP型三極管，Q203 和Q204為NPN型三極管，兩組對管分別構成兩個電流鏡電路，為了實現更精確的電流控制， Q201和Q202、Q203和Q204需要一致性很好，三極管可以采用封裝在一起的對管。電流鏡電路201還包括電源B201、電阻R201、R202和R203，電流鏡電路202還包括電源B201、電阻R205、R206和R207。二極管D201和D202為普通信號二極管。U201為比較器，實現三角波產生過程中的充放電管理。三極管Q205、電阻R208、R209、R210、R211和R212組成電平轉換電路，控制三角波的幅值。電容C201是三角波發生電路的執行器，通過對電容的充、放電產生三角波。本發明的說明書以圖2電路為例說明三角波發生電路的原理，三角波的主要特征為電壓呈直線上升和下降，并且上升和下降的斜率絕對值一致，也即對電容C201充放電的電流必須大小相等，方向相反，本發明利用兩個電流鏡電路產生電容C201的充、放電電流。 根據電流鏡的工作原理，通過電阻R205和R204的電流相等，則選擇B201、電阻R205和電阻 R207可以控制流過電阻R204的電流，設為I ；同理通過電阻R201和R202的電流相等，選擇電阻R201和電阻R203可以控制流過電阻R202的電流，設為21，即為電流鏡202的電流的 2倍。電阻R204調整電阻中電壓的分配，阻值為零時，三角波可利用的幅值最大。電容C201充電到204的電壓超過203電壓時，比較器U201輸出低，則電流鏡201的電流21通過二極管D202放電，電容C201以電流鏡202的電流I放電，U201的輸出為低， 三極管Q205關斷，203的電壓降低到電阻R211和R212的分壓；當電容C201放電到204的電壓低于203的電壓時，比較器U201輸出高，二極管D202反向截止，電流鏡201通過二極管D201給電容C201充電，充電電流為兩個電流鏡201和202的電流差，即I，與放電電流相等，同時比較器U201輸出高電平，三極管Q205導通，203的電壓增大到R210并聯R211與 R212的分壓，其中需要考慮Q205的集射極導通壓降。調整電流鏡201和202的電流以及電容C201的容值，可以調節三角波的上升和下降斜率；調整電阻R210、R211和R212的阻值，可以調節三角波的幅值。圖3示出了仿真電流波形，n_243為電流鏡201的電流，即21，n_15為電流鏡202 的電流，即I ;n_238為電容C201的電壓波形，即三角波輸出，仿真證明三角波具有高線性度；n_394為電容C201的充放電波形。圖4為圖2中關鍵點的仿真波形，n_238為204的電壓波形，即最終的三角波輸出， n_241為流過C201的電流波形，n_49為203的電壓波形，n_46為205的電壓波形，其為方
波，頻率與三角波頻率相同。圖5為簡化的三角波發生電路，將圖2中的電流鏡201和202簡化為圖5中的恒流源電路501和502，其三角波線性度相對圖2有所降低，但足以滿足在開關電源控制中的應用，電路減少三極管的使用，提高了電路集成度和可靠性，降低了成本。圖6中601為圖2或圖5中的三角波發生器，602為PWM發生器，產生脈寬調制信號，603為非門，將601中輸出的方波信號取反，601的方波信號采樣于圖2中的205，604為偶數個非門串聯，用來產生延時，605為或門，將延時后的方波信號與初始方波信號進行或邏輯，其輸出即為具有最大占空比限制的脈沖波形，輸出低電平的時長為604延時的時長， 調整非門的個數即可調整延時的時長，606為與門，將具有占空比限制的脈沖波形與同頻率的脈沖寬度調制波形進行與邏輯，得到最終的PWM波形輸出，其最大占空比為605的輸出， 當608的占空比小于607的占空比時，最終輸出612即為608。圖7為最大占空比限制電路的仿真波形，riJ67為三角波發生器輸出的方波，即圖 6中的609，n_259為經過取反、延時后的方波信號，即圖6中的611，nJ61為占空比受限的脈沖信號，即圖6中的607，n_270為PWM發生器的輸出，即圖6中608所示的脈寬調制信號，最大為100%，即恒高電平，nJ66為最終的控制器輸出信號612。當PWM發生器輸出信號608的占空比小于607的占空比時，最終輸出612為608 ；當P麗發生器輸出信號608的占空比大于607的占空比時，最終輸出612為607，如圖7所示。圖8為最大占空比限制電路中延時的另一種實現方式，用RC電路可靈活調節延時的長短，取代利用邏輯門的固有延時。圖9為利用上述技術實現的采用圖9所示的電路進行最大占空比限制，在PWM發生器輸出波形的占空比接近最大占空比時，由于PWM發生器中比較器固有的特性，自身具有延時，導致最終輸出波形異常。圖10為輸出異常時的波形，n_238為輸出三角波，即902的波形，n_264為誤差放大器的輸出，即901的波形，n_281為PWM發生器的輸出，即903的波形，n_261為最大占空比限制電路的輸出，即904的波形，nj66為最終輸出，可以看到由于的延時，導致與 n_261錯開，最終輸出異常。
開關電源脈寬調制控制器的整體實現框圖，三角波發生電路中三角波和方波的時序滿足最大占空比限制電路的時序要求，可以將兩者結合起來實現開關電源的脈寬調制控制。圖11為改進的最大占空比限制電路，讓三角波發生器產生的方波信號下降沿延時Tl，Tl延時的目的是補償PWM發生器的延時，方波取反后的信號上升沿延時T2，(T2-T1) 即為最大占空比限制輸出波形1110的低電平寬度。下降沿延時電路中的二極管DllOl用來消除上升沿的延時，避免由于RC延時電路輸出的上升沿和下降沿速度不一致導致方波信號的占空比減小。緩沖器1107的作用是避免最大占空比限制電路影響三角波發生器的正常工作，緩沖器1108和緩沖器1109用來對延時后的方波信號整形。圖12為采用改進最大占空比限制電路的脈寬調制控制器的整體實現圖。圖13為具有最大占空比限制的脈寬調制控制器的整體仿真波形圖，n_264為1201 的波形，即誤差放大器的輸出，n_432為1206的波形，即三角波發生器的輸出，為1203 的波形，即PWM發生器的輸出，為1204的波形，即最大占空比限制電路的輸出，n_278 為1207的波形，n_438為1209的波形，相對1207的波形，其上升沿基本沒有延時，下降沿被延時，n_438為1208的波形，相對1207的反向波形，其上升沿被延時，n_393為具有最大占空比限制的脈寬調制控制器的最終輸出，即1205的波形，由于1204與1203的波形對稱， 故不會圖10所示的異常現象。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種具有最大占空比限制的開關電源控制器，其特征在于，所述控制器包括三角波發生電路，用于產生三角波及方波；以及最大占空比限制電路，用于利用所述三角波電路產生的方波實現最大占空比限制，并且其時序滿足脈寬調制的要求。
2.根據權利要求1所述的具有最大占空比限制的開關電源控制器，其特征在于，所述具有最大占空比限制的開關電源控制器還包括PWM發生器，其輸入端分別與三角波發生電路、誤差放大器相連，其輸出端與邏輯與電路相連，所述最大占空比限制電路與所述邏輯與電路的輸入端相連，所述邏輯與電路與驅動電路相連。
3.根據權利要求1或2所述的具有最大占空比限制的開關電源控制器，其特征在，所述三角波發生電路包括第一電流鏡電路以及與其相連的第二電流鏡電路，所述第一電流鏡電路包括三極管Q201、三極管Q202、電阻R201、電阻R202、電阻 R203，三極管Q201的射極與電阻R201的一端相連，其集電極與電阻R203的一端相連，其基極與所述三極管Q202的基極相連，所述三極管Q202的射極與電阻R202相連，所述三極管 Q202的集電極與二極管D201、D202的輸入端相連，所述電阻R201的另一端與電阻R202另一端連接后與第二電流鏡電路相連，所述電阻R203的另一端接地；所述第二電流鏡電路包括電源B201、電阻R205、R207、R206，三極管Q203、Q204，所述三極管Q203的集電極接電阻R205，其射極接電阻R207，其基極接三極管Q204的基極，三極管Q204的射極接電阻R206的一端，三極管Q204的集電極接電阻R204，所述電阻R205、R207 接電源B201，所述電阻R206另一端接地；所述電阻R204的另一端與D201的輸出端相連并同時連接比較器U201的反相輸入端及電容C201的一端，所述電容C201的另一端接地，所述比較器U201的同相輸入端分別連接三極管Q205的射極、電阻R211以及電阻R212，電阻R212的另一端接地，電阻R211另一端分別與電阻R210、R208以及R202相連，所述電阻R210的另一端接三極管Q205的集電極，所述三極管Q205的基極連接電阻R209的一端，電阻R209的另一端連接R208的另一端以及U201、D202的輸出端。
4.根據權利要求1或2所述的具有最大占空比限制的開關電源控制器，其特征在于，所述三角波發生電路包括三極管Q501的射極與電阻R502的一端相連，其集電極分別與二極管D501、D502的輸入端相連，其基極分別與電阻R501、R503的一端相連，所述電阻R503的另一端接地，二極管 D501的輸出端與電阻R505相連并同時連接比較器TOOl的反相輸入端及電容C501的一端， 所述電容C501的另一端接地，所述比較器TOOl的同相輸入端分別連接三極管Q505的射極、電阻R511以及電阻R512，電阻R512的另一端接地，電阻R511另一端分別與電阻R510、 R508、R502以及R501相連，所述電阻R510的另一端接三極管Q505的集電極，所述三極管 Q505的基極連接電阻R509的一端，電阻R509的另一端連接R508的另一端以及TOOl、D502 的輸出端；電阻R505的另一端接三極管Q502的集電極，三極管Q502的射極接電阻R507，其基極接電阻R504、R506的一端，電阻R504、R506的另一端接電源B501，所述電阻R506、R507的均接地。
5.根據權利要求1或2所述的具有最大占空比限制的開關電源控制器，其特征在于，所述最大占空比限制電路包括大于1的奇數個串聯的非門，最后一個非門的輸出端與或門的一個輸入端相連，或門的另一輸入端連接到三角波發生電路的輸出端，或門的輸出端連接到與門的輸入端，與門的另一輸入端與PWM發生器相連。
6.根據權利要求1或2所述的具有最大占空比限制的開關電源控制器，其特征在于，所述最大占空比限制電路包括與三角波發生電路的輸出端相連的一個非門，所述非門的輸出端連接了電阻R801，所述電阻R801的另一端分別連接了電容C801以及或門的一輸入端，電容C801的另一端接地，或門的另一輸入端接三角波發生電路的輸出端，或門的輸出端接與門的輸入端，與門的另一輸入端與PWM發生器相連。
7.根據權利要求1或2所述的具有最大占空比限制的開關電源控制器，其特征在于，所述最大占空比限制電路包括與三角波發生電路的輸出端相連的一個非門(1107)，所述非門(1107)的輸出端分別連接了電阻R1102以及非門(1103)，所述非門(1103)的輸出端連接電阻R1101，所述電阻 RllOl分別連接電容CllOl以及非門(1109)，電容CllOl的另一端接地，非門(1109)的輸出端接或門(1105)的一個輸入端，在所述電阻R1102兩端并聯了二極管D1101，所述電阻 R1102還分別連接了電容C1102及非門(1108)，所述電容C1102的另一端接地，所述非門 (1108)的輸出端接或門(1105)的另一輸入端，所述或門(1105)的輸出端接與門(1106)的一個輸入端，所述與門(1106 )的另一個輸入端接PWM發生器。
全文摘要
本發明適用于電子電路領域，提供了一種具有最大占空比限制的開關電源控制器，所述控制器包括三角波發生電路，用于產生方波；以及最大占空比限制電路，利用上述三角波電路產生的方波實現最大占空比限制，并且其時序滿足脈寬調制的要求，此最大占空比限制電路并且具有補償PWM發生器延時的功能，使最大占空比限制波形相對于PWM波形的低電平保持對稱，避免大占空比時PWM波形中出現異常小脈沖。通過兩個高精度恒流源對目標電容充放電實現三角波上升和下降斜率相等，并且恒定，得到高線性度的三角波；幅值調節電路使三角波的幅值和頻率可分別獨立調節。利用三角波發生器同時產生的方波實現開關電源控制中常用到的最大占空比限制功能。
文檔編號H02M3/137GK102324842SQ20111027133
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者王騫, 胡杰 申請人:深圳航天科技創新研究院