一種開關模式電源及其控制電路和控制方法

一種開關模式電源及其控制電路和控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種SMPS及其控制電路和控制方法。SMPS包括開關電路、控制電路和驅動電路；其中控制電路包括加法電路、比較電路和邏輯電路，其中：加法電路提供SMPS輸出電壓反饋信號和SMPS輸出電流反饋信號的復合反饋信號；比較電路比較復合反饋信號和參考信號；邏輯電路的輸入端耦接比較電路的輸出端；以及驅動電路的輸入端耦接邏輯電路的輸出端，驅動電路的輸出端耦接開關電路的開關用于控制開關的導通和關斷。該SMPS具有控制電路簡單，控制穩定以及對負載瞬態變化的響應快速等特點。
【專利說明】一種開關模式電源及其控制電路和控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及開關電子電路，具體但不限于涉及開關模式電源及其瞬態響應控制電路和控制方法。
【背景技術】
[0002]直流-直流開關模式電源(SMPS )被廣泛用于電力電子領域，用于通過控制開關的導通和關斷來實現將一直流輸入電壓轉換成通常具有預定值的直流輸出電壓。開關的定頻控制是用于開關模式電源的常用控制方式，它采用定頻的時鐘信號觸發控制開關的開關信號的上升沿或下降沿，使得開關信號具有固定的頻率。定頻控制能用于降低電磁干擾(EMI)效應，因而具有廣泛的應用，如用于數據通信領域等對電磁干擾敏感的系統的供電。此外，當負載變化時，由于響應具有一定滯后，輸出電壓會有一段時間的波動。而一些應用場合對輸出電壓的迅速穩定具有較高的要求，因此需要控制電路具有較快的響應速度。

【發明內容】

[0003]為了解決前面描述的一個問題或者多個問題，本發明提出一種開關模式電源，控制電路和瞬態響應控制方法。
[0004]根據本發明的一個方面，一種SMPS包括:開關電路,具有電源輸入端和電源輸出端，其中電源輸入端耦接輸入電壓，電源輸出端提供輸出電壓用于為負載供電，開關電路包括開關；控制電路，其中控制電路包括加法電路、比較電路和邏輯電路，其中:加法電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端I禹接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，第二輸入端用于接收開關電路的輸出電流反饋信號，加法電路至少對輸出電壓反饋信號和輸出電流反饋信號進行疊加，加法電路的輸出端提供復合反饋信號；比較電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中比較電路的第一輸入端I禹接加法電路的輸出端用于接收復合反饋信號，比較電路的第二輸入端接收參考信號，比較電路比較復合反饋信號和參考信號并在輸出端提供比較信號；邏輯電路具有輸入端和輸出端，其中邏輯電路的輸入端耦接比較電路的輸出端用于接收比較信號；以及驅動電路，具有輸入端和輸出端，其中驅動電路的輸入端耦接邏輯電路的輸出端，驅動電路的輸出端耦接開關電路的開關用于控制開關的導通和關斷。在一個實施例中，控制電路可進一步包括直流校正電路，其中直流校正電路具有輸入端和輸出端，直流校正電路的輸入端耦接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，直流校正電路的輸出端提供參考信號，其中參考信號為至少對輸出電壓進行積分的信號；加法電路進一步具有第三輸入端接收斜坡信號，加法電路對輸出電壓反饋信號、斜坡信號和輸出電流反饋信號進行疊加，在加法電路的輸出端提供復合反饋信號。在一個實施例中，直流校正電路包括:跨導型誤差放大電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，第二輸入端耦接參考電壓；以及補償電路，包括串聯的電容和電阻，串聯的電容和電阻一端耦接參考地，串聯的電容和電阻另一端耦接跨導型誤差放大電路的輸出端，其中跨導型誤差放大電路的輸出端用于提供參考信號。在一個實施例中，補償電路具有低通濾波功能。參考信號為直流信號。在一個實施例中，控制電路進一步包括:直流校正電路，具有輸入端和輸出端，直流校正電路的輸入端耦接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，直流校正電路的輸出端提供輸出電壓校正信號，其中輸出電壓校正信號為對輸出電壓進行積分和濾波的信號；以及第二加法電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端稱接直流校正電路用于接收輸出電壓校正信號，第二輸入端接收斜坡信號，輸出端提供參考信號。在一個實施例中，邏輯電路包括:時鐘信號發生電路，產生時鐘信號；以及RS觸發器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接時鐘信號發生電路用于接收時鐘信號，第二輸入端耦接比較電路的輸出端，RS觸發器的輸出端耦接驅動電路的輸入端。在一個實施例中，控制電路進一步包括斜坡信號發生電路，斜坡信號發生電路輸出斜坡信號，其中斜坡信號具有與時鐘信號相同的頻率。在一個實施例中，SMPS進一步包括電壓反饋電路，電壓反饋電路包括:第一電阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接電源輸出端；以及第二電阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接第一電阻的第二端，第二端耦接參考地，其中第一電阻的第二端提供輸出電壓反饋信號。在一個實施例中，輸出電流反饋信號通過檢測流過開關的電流獲得。在一個實施例中，開關電路包括:開關，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接電源輸入端，第二端耦接開關節點，控制端耦接驅動電路的輸出端；整流管，具有第一端和第二端，其中第一端耦接開關節點，第二端耦接參考地；輸出電感，具有第一端和第二端，其中第一端耦接開關節點；以及輸出電容，具有第一端和第二端，其中第一端耦接輸出電感的第二端，輸出電容的第二端耦接參考地，其中輸出電容的第一端提供輸出電壓。在一個實施例中，整流管包括同步整流管，同步整流管進一步具有控制端，同步整流管的控制端稱接驅動電路。
[0005]根據本發明的另一個方面，一種用于控制開關電路的控制電路包括上述控制電路。在一個實施例中，控制電路包括:加法電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接開關電路的電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，第二輸入端用于接收開關電路的輸出電流反饋信號，加法電路至少對輸出電壓反饋信號和輸出電流反饋信號進行疊加，在輸出端提供復合反饋信號；比較電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中比較電路的第一輸入端耦接加法電路的輸出端用于接收復合反饋信號，比較電路的第二輸入端接收參考信號，比較電路比較復合反饋信號和參考信號并在輸出端提供比較信號；以及邏輯電路，具有輸入端和輸出端，其中邏輯電路的輸入端耦接比較電路的輸出端用于接收比較信號，邏輯電路的輸出端耦接開關電路的開關用于控制開關的導通和關斷。在一個實施例中，上述控制電路進一步包括直流校正電路，其中:直流校正電路具有輸入端和輸出端，直流校正電路的輸入端耦接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，直流校正電路的輸出端提供參考信號，其中參考信號為至少對輸出電壓進行積分和濾波的信號；以及加法電路進一步具有第三輸入端，第三輸入端接收斜坡信號，加法電路對輸出電壓反饋信號、斜坡信號和輸出電流反饋信號進行疊加，加法電路在輸出端提供復合反饋信號。在一個實施例中，直流校正電路包括:跨導型誤差放大電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，第二輸入端耦接參考電壓；以及補償電路，包括串聯的電容和電阻，串聯的電容和電阻的一端耦接參考地，串聯的電容和電阻的另一端耦接跨導型誤差放大電路的輸出端；其中跨導型誤差放大電路的輸出端用于提供參考信號。在一個實施例中，控制電路進一步包括:驅動電路，具有輸入端和輸出端，其中驅動電路的輸入端耦接邏輯電路的輸出端，驅動電路的輸出端耦接開關電路的開關用于控制開關的導通和關斷；以及電壓反饋電路包括:第一電阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接電源輸出端；以及第二電阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接第一電阻的第二端，第二端耦接參考地；其中，第一電阻的第二端提供輸出電壓反饋信號。在一個實施例中，邏輯電路包括:時鐘信號發生電路，產生時鐘信號；以及RS觸發器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端耦接時鐘信號發生電路用于接收時鐘信號，第二輸入端耦接比較電路的輸出端，輸出端耦接開關電路的開關用于控制開關的導通和關斷。在一個實施例中，控制電路進一步包括斜坡信號發生電路，輸出斜坡信號，其中斜坡信號具有與時鐘信號相同的頻率。
[0006]根據本發明的又一個方面，一種用于SMPS的瞬態響應控制方法,包括:檢測SMPS的輸出電壓獲得輸出電壓反饋信號；檢測SMPS的輸出電流獲得輸出電流反饋信號；將輸出電壓反饋信號、輸出電流反饋信號進行疊加獲得復合反饋信號；將復合反饋信號和參考信號進行比較獲得比較信號；以及基于該比較信號控制SMPS的開關的導通或關斷。在一個實施例中，該方法進一步包括將斜坡信號與輸出電壓反饋信號和輸出電流反饋信號進行疊加獲得復合反饋信號，其中參考信號通過對輸出電壓反饋信號進行積分和濾波獲得。
[0007]根據本發明的實施例所提供的開關模式電源、控制電路和控制方法，具有控制電路簡單，控制穩定以及瞬態響應快速等優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本發明進行詳細描述:
[0009]圖1示出了根據本發明一實施例的SMPS示意框圖；
[0010]圖2示出了根據本發明一個實施例的SMPS示意框圖；
[0011]圖3示出了根據本發明又一實施例的SMPS示意框圖；
[0012]圖4示出了根據本發明再一實施例的SMPS示意框圖；
[0013]圖5示出了根據本發明一具體實施例的SMPS的示意圖；
[0014]圖6不出了根據本發明一實施例的SMPS中多個信號的波形不意圖；
[0015]圖7示出了根據本發明一實施例的負載上升時的瞬態響應波形圖以及傳統控制方法下負載上升時的瞬態響應波形圖；
[0016]圖8示出了根據本發明一實施例的負載下降時的瞬態響應波形圖以及傳統控制方法下的負載下降時的瞬態響應波形圖；
[0017]圖9示出了根據本發明一實施例的一種用于SMPS瞬態響應控制的方法示意圖。
[0018]下面將參考附圖詳細說明本發明的【具體實施方式】。貫穿所有附圖相同的附圖標記表示相同的或相似的部件或特征。
【具體實施方式】
[0019]下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不用于限制本發明。在下面對本發明的詳細描述中，為了更好地理解本發明，描述了大量的細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。為了清晰明了地闡述本發明，本文簡化了一些具體結構和功能的詳細描述。此外，在一些實施例中已經詳細描述過的類似的結構和功能，在其它實施例中不再贅述。盡管本發明的各項術語是結合具體的示范實施例來一一描述的，但這些術語不應理解為局限于這里闡述的示范實施方式。
[0020]上述本發明的說明書和實施僅僅以示例性的方式對本發明進行了說明，這些實施例不是完全詳盡的，并不用于限定本發明的范圍。對于公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本【技術領域】的普通技術人員所了解。本發明所公開的實施例的其他變化和修改并不超出本發明的精神和保護范圍。
[0021]本發明的說明書中提到的“耦接”可指直接的連接或通過間接物的連接，如通過導體的連接，該導體具有阻值，也可有寄生參數，如具有電感值和電容值，以及如通過二極管的連接。本發明的說明書提到的“電路”可表現為集成電路，也可表現為器件、電路印刷板模塊、系統及其它的形式。
[0022]圖1示出了根據本發明一實施例的SMPS100示意框圖。SMPS100包括開關電路10、加法電路12、比較電路14 (CMP)、邏輯電路15 (LGC)以及驅動電路16 (DRV)0開關電路10具有電源輸入端和電源輸出端，其中電源輸入端I禹接輸入電壓Vin,電源輸出端提供輸出電壓Vout用于為負載LD供電。標記Vin和Vout在下文中也可用于表征電源輸入端Vin和電源輸出端Vout。開關電路10包括開關Q1，開關電路10在開關Ql的導通和關斷動作下將輸入電壓Vin轉換成輸出電壓Vout。在一個實施例中，開關電路10包括直流-直流降壓轉換電路(buck),輸出的輸出電壓Vout低于輸入電壓Vin。加法電路12具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端I禹接電源輸出端Vout用于接收表征輸出電壓Vout的輸出電壓反饋信號FB。在一個實施例中，輸出電壓反饋信號FB等于輸出電壓Vout。在另一個實施例中，輸出電壓反饋信號FB通過電壓反饋電路檢測輸出電壓Vout獲得的反饋值，其中電壓反饋電路的輸入端耦接電源輸出端Vout，電壓反饋電路的輸出端提供電壓反饋信號FB。加法電路12的第二輸入端用于接收開關電路10的輸出電流反饋信號CS，其中輸出電流反饋信號CS表征流過開關Ql或其它節點的電流值。在一個實施例中，SMPS100包括輸出電流反饋電路，輸出電流反饋電路的輸入端耦接開關電路10用于感測流過開關的電流，輸出電流反饋電路的輸出端提供輸出電流反饋信號。在一個實施例中，輸出電流反饋信號CS為通過電流檢測電路檢測流過開關Ql的電流而得到的表征輸出電流的電壓信號。加法電路12至少對輸出電壓反饋信號FB和輸出電流反饋信號CS進行疊加，獲得復合反饋信號FB2。比較電路14具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其中比較電路14的第一輸入端耦接加法電路12的輸出端用于接收復合反饋信號FB2，比較電路14的第二輸入端接收一參考信號VI，比較電路14將復合反饋信號FB2和參考信號Vl進行比較并輸出比較信號CP。SMPS100根據比較電路14的比較信號CP對開關電路10進行控制。在一個實施例中，參考信號Vl為對輸出電壓反饋信號FB進行積分和濾波的信號，如圖2所示，參考信號Vl為輸出電壓校正信號，由直流校正電路23產生，直流校正電路23具有低頻濾波性能，使得輸出電壓校正信號Vl變化緩慢。在另一個實施例中，參考信號Vl為一直流信號，如圖4所示。SMPS100可進一步采用斜率補償，將一斜坡信號SLP疊加入比較電路12的任意一輸入端，如將一斜坡信號SLP和輸出電壓反饋信號FB以及輸出電流反饋信號CS疊加獲得復合反饋信號FB2，如圖2所示；或者將斜坡信號SLP疊加如比較電路14的一端以獲得參考信號VI，如圖3所示。斜坡信號SLP在一個周期中的至少一個時間段內具有斜坡波形，如在輸出電流上升階段具有斜坡波形。在一個實施例中，斜坡信號SLP為鋸齒波。
[0023]繼續圖1的說明，邏輯電路15具有輸入端和輸出端，其中邏輯電路的輸入端耦接比較電路14的輸出端用于接收比較信號CP，邏輯電路15的輸出端耦接驅動電路16的輸入端。邏輯電路15根據比較電路14提供的比較信號CP輸出脈沖寬度調制(PWM)信號。驅動電路16用于將邏輯電路15輸出的PWM信號轉換成適用于驅動開關Ql的電壓信號。驅動電路16的輸出端耦接開關電路10的開關Ql用于控制開關Ql的導通和關斷。在一個實施例中，SMPS100包括開關電路10和控制電路11。其中控制電路11包括加法電路12、t匕較電路14、邏輯電路15和驅動電路16。在另一個實施例中，SMPS100包括開關電路10、控制電路和驅動電路16，其中控制電路包括加法電路12、比較電路14和邏輯電路15。在一個實施例中，控制電路制作在一集成電路中。
[0024]圖2示出了根據本發明一個實施例的SMPS200示意框圖。與圖1的SMPS100相t匕，SMPS200進一步包括一直流校正電路23，且加法電路22將輸出電壓反饋信號FB、輸出電流反饋信號CS和斜坡信號SLP進行疊加獲得復合反饋信號FB2。為了使描述簡單清楚，對SMPS200中與SMPS100相同的部件和連接將不再進行贅述。直流校正電路23具有輸入端和輸出端，其中直流校正電路23的輸入端耦接電源輸出端Vout用于接收輸出電壓反饋信號FB，輸出端提供參考信號VI，其中參考信號Vl為對輸出電壓Vout至少進行過積分的輸出電壓校正信號。在一個實施例中，參考信號Vl為對輸出電壓Vout針對時間進行積分并進行低通濾波后得到的信號。在另一個實施例中，參考信號Vl為直流信號。加法電路22除了具有接收輸出電壓反饋信號FB的第一輸入端和接收輸出電流反饋信號CS的第二輸入端外，還進一步具有第三輸入端，其中第三輸入端接收斜坡信號SLP，使得加法電路22的輸出端提供的復合反饋信號FB2為輸出電壓反饋信號FB、輸出電流反饋信號CS和斜坡信號SLP的疊加信號，即FB2=FB+CS+SLP。比較電路14進一步將FB2與輸出電壓校正信號Vl進行比較，獲得比較信號CP。控制電路21基于比較信號CP控制開關電路10中開關Ql的導通或關斷。
[0025]圖3示出了根據本發明又一實施例的SMPS300的示意框圖。與圖1的SMPS100相t匕，SMPS300進一步包括直流校正電路23和第二加法電路32。與圖2中的SMPS200相比，圖3中的SMPS300將斜坡信號SLP與輸出電壓校正信號Vh進行疊加以獲得參考信號VI，而圖2中的SMPS200將斜坡信號SLP與輸出電壓反饋信號FB和輸出電流反饋信號CS進行疊加以獲得復合反饋信號FB2。是為了使描述簡單清楚，對SMPS300中與SMPS100相同的部件和連接將不再進行贅述。其中直流校正電路23用于提供輸出電壓校正信號Vh，輸出電壓校正信號Vh可為對輸出電壓Vout進行積分和濾波的信號。第二加法電路32具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其中第一輸入端I禹接直流校正電路23用于接收輸出電壓校正信號Vh，第二輸入端接收斜坡信號SLP，輸出端提供參考信號Vl耦接至比較電路14。這樣，比較電路14的第一輸入端接收將輸出電壓反饋信號FB和輸出電流反饋信號CS進行疊加的復合反饋信號FB2，即FB2=FB+CS ;而比較電路14的第二輸入端接收將輸出電壓校正信號Vh和斜坡信號SLP進行疊加的參考信號VI，即Vl=Vh+SLP ；比較電路14將復合反饋信號FB2和參考信號Vl進行比較獲得比較信號CP，控制電路31基于該比較信號CP控制開關電路10中開關Ql的導通和關斷。
[0026]圖4示出了根據本發明再一實施例的SMPS400的示意框圖。與圖1中的SMPS100相比，SMPS400將斜坡信號SLP與輸出電壓反饋信號FB和輸出電流反饋信號CS進行疊加獲得復合反饋信號FB2，同時SMPS400的參考信號Vl為一直流信號。是為了使描述簡單清楚，對SMPS400中與SMPS100相同的部件和連接將不再進行贅述。直流參考信號Vl可通過直流參考電壓發生電路產生。這樣，比較電路將復合反饋信號FB2 (FB2=FB+CS+SLP)與直流的參考信號DC進行比較以獲得比較信號CP。控制電路41基于該比較信號CP控制開關電路10中開關Ql的導通和關斷。
[0027]圖5示出了根據本發明一具體實施例的SMPS500的示意圖。SMPS500包括開關電路50和控制電路51。其中控制電路51包括加法電路52、斜坡信號發生電路521、直流校正電路53、比較電路54、邏輯電路55、驅動電路56和電壓反饋電路57。在一個實施例中，控制電路51集成在一電子封裝體內。在另一個實施例中，控制電路51集成在一半導體襯底上并可僅包括加法電路52、斜坡信號發生電路521、直流校正電路53、比較電路54、邏輯電路55、驅動電路56和電壓反饋電路57之中的部分電路和部件。
[0028]開關電路50為buck型開關電路。開關電路50包括開關Q1、同步整流管Q2、輸出電感L以及輸出電容Co。其中開關Ql的第一端I禹接電源輸入端用于接收輸入電壓Vin,開關Ql的第二端耦接開關節點SW，開關Ql的控制端耦接驅動電路56。同步整流管Q2的第一端耦接開關節點SW，同步整流管Q2的第二端耦接參考地GND，同步整流管Q2的控制端耦接驅動電路56。在另一個實施例中，同步整流管Q2被一個非同步整流管如二極管代替。開關Ql和同步整流管Q2包括金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。MOSFET管可包括增強型N-溝道MOSFET。在另一個實施例中，開關和同步整流管為P-溝道M0SFET。在其它的實施例中，開關和同步整流管可包括其他類型的器件，如結型場效應晶體管(JFET)或雙極結型晶體管(BJT)。輸出電感L的第一端耦接開關節點SW，輸出電感的第二端耦接輸出電容Co。輸出電容Co的第一端耦接輸出電感L，輸出電感Co的第二端耦接參考地GND。輸出電感Co的第一端直接耦接電源輸出端用于提供輸出電壓Vout。開關電路50可進一步包括輸入電容Cin用于將輸入電壓Vin進行濾波。開關電路50除了具有接收輸入電壓Vin的電源輸入端和提供輸出電壓Vout的電源輸出端外,還具有接收第一控制信號HS的第一控制信號輸入端和接收第二控制信號LS的第二控制信號輸入端，其中第一控制信號輸入端耦接開關Ql的控制端，第二控制信號輸入端耦接同步整流管Q2的控制端。當開關Ql導通時，同步整流管Q2關斷，開關節點SW上的電壓上升至輸入電壓Vin，輸出電流經輸出電感L從開關節點SW流向電源輸出端，負載電流1上升。此時輸出電容Co可被充電，輸出電壓Vout可上升。然后，開關Ql關斷，同步整流管Q2導通，輸出電流經輸出電感L和同步整流管Q2從電源輸出端流向參考地GND。此時輸出電容Co可放電，輸出電壓Vout可下降。開關節點SW處的電壓被PWM信號調制，波形近可似于PWM波形。開關節點SW處電壓經輸出電感L和輸出電容Co的濾波被轉換成直流電壓Vout。該直流電壓Vout受負載LD大小的影響而波動。例如，當負載LD升高時,如負載LD阻抗降低,輸出電壓Vout下降。當負載LD降低時，輸出電壓Vout升高。此外由于輸出電容Co等效電阻的存在，輸出電壓Vout具有與PWM信號周期相近的紋波。在另一些實施例中，開關電路可包括升壓型(boost)轉換電路或其它類型的開關電路。[0029]加法電路52將輸出電流反饋信號CS、輸出電壓反饋信號FB和斜坡信號SLP進行疊加，生成復合反饋信號FB2。在一個實施例中，加法電路52將輸出電流反饋信號CS、輸出電壓反饋信號FB和斜坡信號SLP以1:1:1的比例進行疊加。在另外的實施例中，加法電路52可將輸出電流反饋信號CS、輸出電壓反饋信號FB和斜坡信號SLP以任意的其它比例進行疊加。輸出電流反饋信號CS可通過檢測流過開關Ql的電流獲得，其中流過開關Ql的電流在上升階段可反映輸出電流的變化。在另一個實施例中，輸出電流反饋信號CS通過檢測流過輸出電感L的電流來獲得。輸出電流反饋信號可通過任意形式的電流檢測電路和電流檢測方法獲得。
[0030]斜坡信號SLP由斜坡信號發生電路521生成并輸出。在一個實施例中，斜坡信號SLP具有與時鐘信號CLK相同的頻率，并至少在輸出電流上升階段具有斜坡。
[0031]直流校正電路53包括跨導型誤差放大電路531和補償電路532。跨導型誤差放大電路531具有耦接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號FB的第一輸入端，耦接參考電壓Vref的第二輸入端以及輸出端。在圖示的實施例中，跨導型誤差放大電路531的同相輸入端耦接參考電壓Vref，反相端耦接輸出電壓反饋信號FB。跨導型誤差放大電路531用于將輸出電壓反饋信號FB與參考電壓Vref的差值進行積分放大，并輸出電流信號，該電流信號經補償電路532的轉換在跨導型誤差放大電路531的輸出端提供輸出電壓校正信號VI。補償電路532包括串聯的電容Ce和電阻Re，串聯的電容Ce和電阻Re —端耦接參考地GND，另一端耦接跨導型誤差放大電路531的輸出端。其中電容Ce耦接參考地，電阻Re耦接跨導型誤差放大電路531的輸出端。補償電路532可設置具有低通濾波功能，使得輸出電壓校正信號Vl具有很低的頻率，即輸出電壓校正信號Vl較為平坦。當負載上升時，輸出電壓反饋信號FB下降，輸出電壓校正信號Vl可平緩上升。在另一個實施例中，當負載上升時，輸出電壓Vout下降，而輸出電壓反饋信號可為上升，相應地輸出電壓反饋信號輸入跨導型誤差放大電路的同相端，使得輸出電壓校正信號亦平緩上升。
[0032]比較電路54的同相端接收復合反饋信號FB2，比較電路54的反相端接收參考信號Vl (該實施例中為輸出電壓校正信號VI)，比較電路54的輸出端輸出比較信號CP至邏輯電路55用于控制開關Ql的導通或關斷。當復合反饋信號FB2大于輸出電壓校正信號Vl時，比較信號CP為高電平，觸發邏輯電路55輸出低電平的PWM信號用于關斷開關Ql。然而在另一個實施例中，比較電路的同相端和反相端接收信號可相反。
[0033]邏輯電路55包括時鐘信號發生電路551和RS觸發器552。其中時鐘信號發生電路551產生時鐘信號CLK。如圖所示，時鐘信號CLK在每一個周期開始時出現一高電平脈沖，用于在每個周期將PWM信號置高從而導通開關Ql。RS觸發器552具有置位輸入端S、復位輸入端R和輸出端Q，其中置位輸入端S耦接時鐘信號發生電路551用于接收時鐘信號CLK，復位輸入端R耦接比較電路54的輸出端用于接收比較信號CP，以及輸出端Q輸出PWM信號用于控制開關Ql的導通和關斷。當時鐘信號CLK為高電平時，RS觸發器552輸出高電平的PWM信號。PWM信號一直置高，直到當比較信號CP為高電平時，PWM信號置低。當下一個時鐘高電平脈沖到來時，PWM信號再次置高。在另一個實施例中，RS觸發器552的置位輸入端接收比較信號，而復位輸入端接收時鐘信號，而當PWM信號為低電平時開關Ql導通。
[0034]驅動電路56用于將邏輯電路55輸出的邏輯電平的PWM信號轉換成適于驅動開關Ql的第一控制信號HS和適于控制同步整流管Q2的第二控制信號LS。在另一個實施例中，開關電路50不包括同步整流管，驅動電路56只輸出控制開關的第一控制信號HS。
[0035]控制電路51可進一步包括電壓反饋電路57，用于耦接開關電路50的電源輸出端將輸出電壓Vout轉換成輸出電壓反饋信號FB。電壓反饋電路57包括電阻分壓電路，即包括第一電阻Rl和第二電阻R2，其中第一電阻Rl的第一端作為電壓反饋電路57的輸入端耦接開關電路50的電源輸出端Vout，第一電阻Rl的第二端耦接第二電阻R2，第二電阻R2的另一端耦接參考地GND，第一電阻和第二電阻的公共節點即第一電阻Rl的第二端作為輸出端提供輸出電壓反饋信號FB。這樣，輸出電壓反饋信號FB正比于輸出電壓Vout，即FB=R2/(Rl+R2)*Vout。在另一些實施例中，電壓反饋電路57可包括其它類型的電路，或具有其它類型的檢測部件。
[0036]圖6示出了根據本發明一實施例的SMPS中多個信號的波形示意圖。該示意圖從上至下分別表示參考信號VI，復合反饋信號FB2，輸出電流反饋信號CS，輸出電壓反饋信號FB，負載電流1，PWM信號和時鐘信號CLK。下面將結合圖5和圖6中的波形示意圖闡述SMPS工作的方式。如圖5所示，因為補償電路532采用低頻濾波，輸出電壓校正信號Vl很平坦，在較短時間內基本為直流電壓。該電路不需要對補償電路進行復雜的校正。在另一個實施方式中，參考信號Vl為直流參考信號。輸出電壓反饋信號FB具有周期性的紋波，同時受負載變化的影響。在時間t3，負載增大，S卩負載電流1增大，輸出電壓反饋信號FB跟隨輸出電壓Vout下降而下降。輸出電流反饋信號CS為流過開關Ql的輸出電流檢測信號，在開關Ql導通期間(PWM信號為高)上升，在開關Ql關斷期間(PWM信號為低)無電流。復合反饋信號FB2為輸出電流反饋信號CS、輸出電壓反饋信號FB和斜坡信號SLP的疊加信號，即復合反饋信號FB2=CS+FB+SLP。斜坡信號SLP用于斜率補償，使得復合反饋信號FB2更迅速更穩定地觸發開關Ql的變化，降低誤觸發，提高可靠性。當輸出電壓反饋信號FB較大時，復合反饋信號FB2信號的上升初始值也較大；當輸出電壓反饋信號FB較低時，復合反饋信號FB2的上升初始值也較低，從而更好地響應負載的變化。
[0037]在時間tl，時鐘信號CLK出現高電平脈沖，RS觸發器552被置位，輸出端Q提供高電平的PWM信號，開關Ql導通，輸出電流反饋信號CS上升。復合反饋信號FB2也上升。在時間t2，當復合反饋信號FB2上升到高于參考信號Vl時，比較電路24輸出高電平的比較信號CP將RS觸發器552復位，RS觸發器552輸出端Q的PWM信號轉換為低電平，開關Ql關斷。當下一個時鐘信號CLK的高電平脈沖到來時，PWM信號再次置高以導通開關Q1。
[0038]在時間t3，負載上升，即負載電流1上升，輸出電壓反饋信號FB下降。此時PWM信號為低，開關Ql處于關斷狀態。在時間t4，時鐘信號CLK的高電平脈沖到來，PWM信號轉換為高電平，開關Ql導通。因為在時間t4時的輸出電壓反饋信號FB比在時間tl時的輸出電壓反饋信號FB低，復合反饋信號FB2的初始值較低，因此需要更長的時間使得復合反饋信號FB2上升至高于輸出電壓校正信號Vl，這直接導致在該周期PWM信號占空比提高，因此很好地響應了負載上升的變化。從圖上可見，SMPS對負載瞬態變化的響應時間為Td，小于一個時鐘周期。這種對負載瞬態變化的快速響應使得系統對輸出電壓校正信號Vl對負載瞬態響應的調節重要性降低，因此不需對補償電路進行復雜的調節，使得控制電路和控制簡單，控制穩定。
[0039]圖7示出了根據本發明一實施例的負載上升時的瞬態響應波形圖以及傳統控制方法下負載上升時的瞬態響應波形圖。其中信號HS代表了根據本發明一實施例的PWM控制信號波形圖。信號FB代表了根據本發明一實施例的輸出電壓反饋信號波形圖。HS-A代表了傳統控制方法的采用補償網絡調節控制方法下的PWM控制信號波形圖。FB-A代表了傳統控制方法下的輸出電壓反饋信號波形圖。其中其它條件如輸入電壓、輸出電壓預定值、負載條件等在上述兩個例子中一致。可以看到，當負載上升時，輸出電壓反饋信號下降。當輸出電壓反饋信號回復到預定值附近時，相比傳統控制方法，根據本發明一實施例的PWM信號能及時地適應這種變化，在短時間內具有比傳統控制方法更大的占空比，且輸出電壓反饋信號FB的過沖和波動比較小。而傳統控制方法中的輸出電壓反饋信號FB-A具有較大的過沖和波動。可見根據本發明一實施例的SMPS和控制方法在負載上升時具有更快速更良好的瞬態響應和更穩定的控制。
[0040]圖8示出了根據本發明一實施例的負載下降時的瞬態響應波形圖以及傳統控制方法下的負載下降時的瞬態響應波形圖。其中HS代表了根據本發明一實施例的PWM控制信號波形圖。FB代表了根據本發明一實施例的輸出電壓反饋信號波形圖。HS-A代表了傳統控制方法的采用補償網絡調節控制方法下的PWM控制信號波形圖。FB-A代表了傳統控制方法下的輸出電壓反饋信號波形圖。其中其它條件如輸入電壓、輸出電壓預定值、負載條件等在上述兩個例子中一致。可以看到，當負載下降時，輸出電壓反饋信號上升。當輸出電壓反饋信號回復到預定值附近時，相比傳統控制方法，根據本發明一實施例的PWM信號能及時地適應這種變化，在短時間內具有比傳統控制方法更小的占空比，輸出電壓反饋信號FB的過沖和波動比較小。而傳統控制方法中的輸出電壓反饋信號FB-A具有較大的過沖和波動。可見根據本發明一實施例的SMPS和控制方法在負載下降時具有更快速更良好的瞬態響應和更穩定的控制。
[0041]圖9不出了根據本發明一實施例的一種用于SMPS瞬態響應控制的方法900不意圖。瞬態響應控制方法900包括在步驟901檢測SMPS的輸出電壓以獲得輸出電壓反饋信號，以及檢測SMPS的輸出電流以獲得輸出電流反饋信號。在一個實施例中，輸出電壓反饋信號正比于SMPS電源輸出端的輸出電壓。在一個實施例中，輸出電流反饋信號正比于流過SMPS的開關的電流。在另一個實施例中，輸出電流反饋信號反映流過輸出電感的電流。方法900包括在步驟902將輸出電壓反饋信號和輸出電流反饋信號進行疊加獲得復合反饋信號。在一個實施例中，將輸出電壓反饋信號和輸出電流反饋信號進行疊加等同于將輸出電壓反饋信號和輸出電流反饋信號以1:1的比例進行疊加，獲得復合反饋信號。在另一個實施例中，復合反饋信號通過將輸出電壓反饋信號、輸出電流反饋信號和斜坡信號進行疊加獲得。方法900包括在步驟903將復合反饋信號和參考信號進行比較獲得比較信號。在一個實施例中，參考信號通過對輸出電壓進行積分和濾波獲得，此時參考信號反映長時間內的輸出電壓的變化，用于校正輸出電壓的直流信號偏移。方法900進一步包括在步驟904根據比較信號對SMPS的開關進行導通或關斷。在一個實施例中，當復合反饋信號高于參考信號時，SMPS的開關關斷，而當時鐘信號脈沖到來時，SMPS的開關導通。
[0042]上述的一些特定實施例僅僅以示例性的方式對本發明進行說明，這些實施例不是完全詳盡的，并不用于限定本發明的范圍。對于公開的實施例進行變化和修改都是可能的，其他可行的選擇性實施例和對實施例中元件的等同變化可以被本【技術領域】的普通技術人員所了解。本發明所公開的實施例的其他變化和修改并不超出本發明的精神和保護范圍。
【權利要求】
1.一種開關模式電源(SMPS),包括: 開關電路，具有電源輸入端和電源輸出端，其中電源輸入端耦接輸入電壓，電源輸出端提供輸出電壓用于為負載供電，開關電路包括開關； 控制電路，其中控制電路包括加法電路、比較電路和邏輯電路，其中: 加法電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中加法電路的第一輸入端稱接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，加法電路的第二輸入端用于接收開關電路的輸出電流反饋信號，加法電路至少對輸出電壓反饋信號和輸出電流反饋信號進行疊加并在加法電路的輸出端提供復合反饋信號； 比較電路具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中比較電路的第一輸入端耦接加法電路的輸出端用于接收復合反饋信號，比較電路的第二輸入端接收參考信號，比較電路比較復合反饋信號和參考信號并在輸出端提供比較信號； 邏輯電路具有輸入端和輸出端，其中邏輯電路的輸入端耦接比較電路的輸出端用于接收比較信號；以及 驅動電路，具有輸入端和輸出端，其中驅動電路的輸入端耦接邏輯電路的輸出端，驅動電路的輸出端耦接開關電路的開關用于控制開關的導通和關斷。
2.如權利要求1所述的SMPS，其中控制電路進一步包括直流校正電路，其中: 直流校正電路具有輸入端和輸出端，直流校正電路的輸入端耦接電源輸出端，直流校正電路的輸出端提供參考信號，其中參考信號為至少對輸出電壓反饋信號進行積分的信號；以及 加法電路進一步具有第三輸入端接收斜坡信號，加法電路對輸出電壓反饋信號、輸出電流反饋信號和斜坡信號進行疊加。
3.如權利要求2所述的SMPS，其中直流校正電路包括: 跨導型誤差放大電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中跨導型誤差放大電路的第一輸入端耦接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，跨導型誤差放大電路的第二輸入端耦接參考電壓；以及 補償電路，包括串聯的電容和電阻，串聯的電容和電阻一端耦接參考地，串聯的電容和電阻另一端耦接跨導型誤差放大電路的輸出端，其中跨導型誤差放大電路的輸出端用于提供參考信號。
4.如權利要求3所述的SMPS，其中補償電路具有低通濾波功能。
5.如權利要求1所述的SMPS，其中參考信號為直流信號。
6.如權利要求1所述的SMPS，其中控制電路進一步包括: 直流校正電路，具有輸入端和輸出端，直流校正電路的輸入端耦接電源輸出端用于接收輸出電壓反饋信號，直流校正電路的輸出端提供輸出電壓校正信號，其中輸出電壓校正信號為對輸出電壓進行積分和濾波的信號；以及 第二加法電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第二加法電路的第一輸入端耦接直流校正電路用于接收輸出電壓校正信號，第二加法電路的第二輸入端接收斜坡信號，第二加法電路的輸出端提供參考信號。
7.如權利要求1所述的SMPS，其中邏輯電路包括: 時鐘信號發生電路，產生時鐘信號； 以及RS觸發器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中RS觸發器的第一輸入端I禹接時鐘信號發生電路用于接收時鐘信號，RS觸發器的第二輸入端耦接比較電路的輸出端用于接收比較信號，RS觸發器的輸出端耦接驅動電路的輸入端。
8.如權利要求7所述的SMPS，其中控制電路進一步包括斜坡信號發生電路，斜坡信號發生電路輸出斜坡信號，其中斜坡信號具有與時鐘信號相同的頻率。
9.如權利要求1所述的SMPS，進一步包括電壓反饋電路，電壓反饋電路包括: 第一電阻，具有第一端和第二端，其中第一電阻的第一端I禹接電源輸出端；以及 第二電阻，具有第一端和第二端，其中第二電阻的第一端耦接第一電阻的第二端，第二電阻的第二端耦接參考地，其中第一電阻的第二端提供輸出電壓反饋信號。
10.如權利要求1所述的SMPS，其中輸出電流反饋信號通過檢測流過開關的電流獲得。
11.如權利要求1所述的SMPS，其中開關電路包括: 開關，具有第一端、第二端和控制端，其中開關的第一端耦接電源輸入端，開關的第二端耦接開關節點，開關的控制端耦接驅動電路的輸出端； 整流管，具有第一端和第二端，其中整流管的第一端耦接開關節點，整流管的第二端耦接參考地； 輸出電感，具有第一端和第二端，其中輸出電感的第一端耦接開關節點；以及輸出電容，具有第一端和第二端，其中輸出電容的第一端耦接輸出電感的第二端，輸出電容的第二端耦接參考地，其中輸出電容的第一端提供輸出電壓。
12.如權利要求11所述的SMPS，其中整流管包括同步整流管，同步整流管進一步具有控制端，同步整流管的控制端耦接驅動電路。
13.一種用于控制開關電路的控制電路，包括權利要求1-8中任一項所述的控制電路。
14.如權利要求13所述的控制電路，進一步包括驅動電路，驅動電路具有輸入端和輸出端，其中驅動電路的輸入端耦接邏輯電路的輸出端，驅動電路的輸出端耦接開關電路的開關用于控制開關的導通和關斷。
15.一種用于SMPS的瞬態響應控制方法，包括: 檢測SMPS的輸出電壓獲得輸出電壓反饋信號； 檢測SMPS的輸出電流獲得輸出電流反饋信號； 將輸出電壓反饋信號、輸出電流反饋信號進行疊加獲得復合反饋信號； 將復合反饋信號和參考信號進行比較獲得比較信號；以及 基于該比較信號控制SMPS的開關的導通或關斷。
16.如權利要求15所述的方法,進一步包括將斜坡信號與輸出電壓反饋信號和輸出電流反饋信號進行疊加獲得復合反饋信號，其中參考信號通過對輸出電壓反饋信號進行積分和濾波獲得。
【文檔編號】H02M3/157GK103683935SQ201310642504
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】歐陽茜, 袁偉 申請人:成都芯源系統有限公司