恒功率输出的脉宽调制电路及脉宽调制方法

技术领域

本发明涉及功率驱动技术，特别涉及一种恒功率输出的脉宽调制电路及脉宽调制方法，属于集成电路技术领域。

背景技术

功率驱动技术可以应用于加热装置中，加热装置中的负载一般是阻性负载，这样，可以通过控制负载的输出电流和输出电压来控制输出功率，从而通过不同的输出功率来产生不同的发热效果。传统驱动电路的输出功率会随输出电压的变化而变化，在阻性负载驱动电路中，一般情况下，输出功率是输出电压的平方率关系，而输出电压一般与电源电压正相关，因此，在电源电压降低时，输出功率也会快速减小，这样就会导致在实际应用中获得很不理想的体验和效果。例如，发热装置的温度上升过快，并且在不同电源电压下温度的上升时间不相同，从而导致产品的使用体验较差。

为解决上述问题，现有技术中提供了两种恒功率的脉宽调制电路，如图1所示，一种脉宽调制电路中包括检测电路、模-数转换电路和其它数字逻辑运算电路，通过其产生的脉宽调制信号(Pulse Width Modulation，PWM)来驱动功率开关器件，且脉宽调制信号的占空比随输出电压动态变化，以实现在某个电压区间内保持输出功率的近似不变。如图2所示，另一种脉宽调制电路包括模拟电路和若干逻辑控制电路，其在不同电源电压下产生不同占空比的脉宽调制信号(PWM)来控制开关器件，以获得稳定的平均输出电压。

上述两种脉宽调制电路都有各自的缺点，第一种脉宽调制电路中，模-数转换电路的结构复杂，功耗较高，精度越高版图面积越大；第二种脉宽调制电路中，检测电路所检测的是电源电压而不是输出电压，且功率开关器件导通时压降的存在会降低检测精确度，从而降低PWM调制的精确度。

发明内容

本发明提供了一种恒功率输出的脉宽调制电路及脉宽调制方法，具有输出功率稳定、检测精度高和功耗低等优点，从而解决相关技术中的脉宽调制电路的输出功率不稳定，检测精度低、功耗高的技术问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种恒功率输出的脉宽调制电路，所述恒功率输出的脉宽调制电路中包括三角波发生器、比较器、逻辑控制电路、缓冲器、功率开关与采样电路；

所述三角波发生器的第一输出端与所述逻辑控制电路的第一输入端相连，所述三角波发生器的第二输出端与所述比较器的第一输入端相连；

所述比较器的第二输入端与功率开关与采样电路的第二输出端相连，所述比较器的输出端与所述逻辑控制电路的第二输入端相连；

所述逻辑控制电路的输出端与所述缓冲器的输入端相连，所述缓冲器的输出端与所述功率开关与采样电路的输入端相连，所述功率开关与采样电路的第一输出端作为所述恒功率输出的脉宽调制电路的输出端与负载相连；

其中，所述恒功率输出的脉宽调制电路的脉宽调制信号用于控制输出占空比，所述输出占空比用于调节所述恒功率输出的脉宽调制电路的输出功率，以使所述输出功率恒定。

在一种可能的实现方式中，所述功率开关与采样电路中包括功率开关器件、电流采样电路、电压采样电路和运算电路；所述功率开关器件的输入端分别与所述缓冲器的输出端和所述电流采样电路的输入端相连，所述功率开关器件的输出端分别与所述电压采样电路的输入端和所述负载相连；所述电流采样电路的输出端与所述运算电路的第一输入端相连；所述电压采样电路的输出端与所述运算电路的第二输入端相连；所述运算电路的输出端与所述比较器的第二输入端相连；

所述电流采样电路用于采样所述功率开关器件的输出电流，并将根据所述输出电流生成的第一输出电压输出至所述运算电路，所述第一输出电压与所述输出电流成线性关系或分段线性关系；

所述电压采样电路用于采样所述功率开关器件的第二输出电压，并将根据所述第二输出电压生成的第三输出电压输出至所述运算电路，所述第三输出电压与所述第二输出电压成线性关系或分段线性关系；

所述运算电路用于将对所述第一输出电压和所述第三输出电压进行运算，将得到的第四输出电压确定为输出至所述比较器的反馈电压，所述反馈电压与所述第一输出电压和所述第三输出电压的运算乘积或运算之和成正比例关系。

在一种可能的实现方式中，所述三角波发生器的第二输出电压是三角波或锯齿波。

在一种可能的实现方式中，功率开关与采样电路中包括功率开关器件和电流采样电路；所述功率开关器件的输入端分别与所述缓冲器的输出端和所述电流采样电路的输入端相连，所述功率开关器件的输出端与所述负载相连；所述电流采样电路的输出端与所述比较器的第二输入端相连；

所述电流采样电路用于采样功率开关器件的输出电流，并将根据所述输出电流生成的第一输出电压确定为输出至所述比较器的反馈电压，所述反馈电压与所述输出电流成线性关系或分段线性关系。

在一种可能的实现方式中，所述功率开关与采样电路中包括功率开关器件和电压采样电路；所述功率开关器件的输入端与所述缓冲器的输出端相连，所述功率开关器件的输出端分别与所述电压采样电路的输入端和所述负载相连；所述电压采样电路输出端与所述比较器的第二输入端相连；

所述电压采样电路用于采样功率开关器件的第二输出电压，并将根据所述第二输出电压生成的第三输出电压确定为输出至所述比较器的反馈电压，所述反馈电压与所述第二输出电压成线性关系或分段线性关系。

在一种可能的实现方式中，所述恒功率输出的脉宽调制电路中还包括分段控制器；

所述分段控制器用于比较所述输出电流与基准电流，并根据比较结果调整所述反馈电压与不同输出电流的比例关系；和/或；

所述分段控制器用于比较所述第二输出电压与基准电压，并根据比较结果调整所述反馈电压与不同第二输出电压的比例关系。

在一种可能的实现方式中，所述功率开关器件是N沟道金属氧化物半导体场效应管或P沟道金属氧化物半导体场效应管。

在一种可能的实现方式中，在所述缓冲器的输出由高电平变化为低电平时，所述逻辑控制电路用于控制所述功率开关器件导通；在所述缓冲器的输出由低电平变化为高电平时，所述逻辑控制电路用于控制所述功率开关器件关断。

在一种可能的实现方式中，所述三角波发生器中第一输出端的输出信号为方波信号；第二输出端的输出信号为三角波信号，且所述第二输出端与所述第一输出端的输出频率相同。

一种脉宽调制方法，用于如上所述的恒功率输出的脉宽调制电路中，所述方法包括：

所述功率开关与采样电路根据输出功率生成反馈电压，并将所述反馈电压输出至所述比较器；

所述比较器根据所述反馈电压和所述三角波发生器的一路输出信号生成比较结果，并将所述比较结果发送给所述逻辑控制电路；

所述逻辑控制电路根据所述比较信号和所述三角波发生器的另一路输出信号生成脉宽调制信号，通过所述缓冲器将所述脉宽调制信号发送给所述功率开关与采样电路，所述脉宽调制信号用于控制所述功率开关与采样电路的输出占空比，所述输出占空比用于调节所述恒功率输出的脉宽调制电路的输出功率，以使所述输出功率恒定。

与现有技术相比，本发明采用的技术方案具有如下优点和显著效果：

(1)输出电压或电流检测精度高；

(2)具有更稳定的输出功率；

(3)功耗较低。

附图说明

图1是现有技术中一种数字方法实现的恒功率输出的脉宽调制电路；

图2是现有技术中一种恒压输出的脉宽调制电路；

图3是本发明提出的一种恒功率输出的脉宽调制电路；

图4是功率开关与采样电路的第一种结构；

图5是功率开关与采样电路的第二种结构；

图6是功率开关与采样电路的第三种结构；

图7是电压采样电路的第一种结构；

图8是输出占空比和输出功率与第二输出电压VO(或者输出电流IO)的关系；

图9是电压采样电路的第二种结构；

图10是输出占空比和输出功率与第二输出电压VO(或者输出电流IO)的关系；

图11是电流采样电路的第一种结构；

图12是电流采样电路的第二种结构；

图13是逻辑控制电路的一种结构；

图14是恒功率输出的脉宽调制电路的工作波形；

图15是脉宽调制方法的流程示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明公开了一种恒功率输出的脉宽调制电路，该恒功率输出的脉宽调制电路中包括三角波发生器310、比较器320、逻辑控制电路330、缓冲器340、功率开关与采样电路350。其中，三角波发生器310的第一输出端与逻辑控制电路330的第一输入端相连，三角波发生器310的第二输出端与比较器320的第一输入端相连，比较器320的第二输入端与功率开关与采样电路350的第二输出端(即反馈电压VF)相连，比较器320的输出端与逻辑控制电路330的第二输入端相连，逻辑控制电路330的输出端与缓冲器340的输入端相连，缓冲器340的输出端与功率开关与采样电路350的输入端相连，功率开关与采样电路350的第一输出端作为恒功率输出的脉宽调制电路的输出端与负载360相连。其中，恒功率输出的脉宽调制电路的脉宽调制信号用于控制输出占空比，该输出占空比用于调节恒功率输出的脉宽调制电路的输出功率，以使输出功率恒定。

其中，三角波发生器310中第一输出端的输出信号为方波信号；第二输出端的输出信号为三角波信号，且第二输出端与第一输出端的输出频率相同。

本实施例中，功率开关与采样电路350有三种实现方式，下面分别对这三种实现方式进行介绍。

图4示出了功率开关与采样电路350的第一种实现方式，该实现方式同时采样输出电流和输出电压，并对输出电流和输出电压进行运算得到输出至比较器320的反馈电压(VF)。具体的，功率开关与采样电路350中包括功率开关器件351、电流采样电路352、电压采样电路353和运算电路354，功率开关器件351的输入端分别与缓冲器340的输出端和电流采样电路352的输入端相连；功率开关器件351的输出端分别与电压采样电路352的输入端和负载360相连；电流采样电路352的输出端与运算电路354的第一输入端相连；电压采样电路353的输出端与运算电路354的第二输入端相连；运算电路354的输出端与比较器320的第二输入端相连。其中，电流采样电路352用于采样功率开关器件351的输出电流(IO)，并根据输出电流(IO)生成第一输出电压(V1)，将第一输出电压(V1)输出至运算电路354，第一输出电压(V1)与输出电流成线性关系或分段线性关系。电压采样电路353用于采样功率器件351的第二输出电压(VO)，并根据第二输出电压(VO)生成第三输出电压(V2)，将第三输出电压(V2)输出至运算电路354，第三输出电压V2与第二输出电压(VO)成线性关系或分段线性关系。运算电路354用于是将第一输出电压(V1)和第三输出电压(V2)做乘法运算或加法运算，将得到的第四输出电压确定为输出至比较器320的反馈电压(VF)，反馈电压(VF)与第一输出电压(V1)和第三输出电压(V2)的运算乘积或运算之和成正比例关系。

图5示出了功率开关与采样电路350的第二种实现方式，该实现方式通过采样输出电流，并对输出电流进行运算得到输出至比较器320的反馈电压(VF)。具体的，功率开关与采样电路350中包括功率开关器件351和电流采样电路352，功率开关器件351的输入端分别与缓冲器340的输出端和电流采样电路352的输入端相连，功率开关器件351的输出端与负载360相连，电流采样电路352输出端与比较器320的第二输入端相连。电流采样电路352用于采样功率开关器件351的输出电流(IO)，并根据输出电流(IO)生成第一输出电压(V1)，将第一输出电压(V1)确定为输出至比较器320的反馈电压(VF)，反馈电压(VF)与输出电流(IO)成线性关系或分段线性关系，其中，分段线性关系即在不同的输出电流范围内，反馈电压(VF)与输出电流(IO)具有不同的比例系数。

图6示出了功率开关与采样电路350的第三种实现方式，该实现方式通过采样输出电压，并对输出电压进行运算得到输出至比较器320的反馈电压(VF)。具体的，功率开关与采样电路350中包括功率开关器件351和电压采样电路353，功率开关器件351的输入端与缓冲器340的输出端相连，功率开关器件351的输出端分别与电压采样电路353的输入端和负载360相连，电压采样电路353的输出端与比较器320的第二输入端相连。电压采样电路353用于采样功率开关器件351的第二输出电压(VO)，并将根据第二输出电压(VO)生成的第三输出电压确定为输出至比较器320的反馈电压(VF)，反馈电压(VF)与第二输出电压(VO)成线性关系或分段线性关系，其中，分段线性关系即在不同的输出电压范围内，反馈电压(VF)与第二输出电压(VO)具有不同的比例系数。

需要说明的第一点是，缓冲器340的输入和输出为同相关系，且缓冲器340中由偶数个反相器链构成，用于驱动功率开关器件351。

需要说明的第二点是，功率开关器件352可以是NMOSFET器件，也可以是PMOSFET器件，还可以是其它类型的开关器件。

需要说明的第三点是，三角波发生器310的第二输出电压是三角波或锯齿波。

本实施例中，恒功率输出的脉宽调制电路中还可以包括分段控制器(图中未示出)；分段控制器用于比较输出电流与基准电流，并根据比较结果调整反馈电压与不同输出电流的比例关系；和/或；分段控制器用于比较第二输出电压与基准电压，并根据比较结果调整反馈电压与不同第二输出电压的比例关系。

具体的，分段控制器至少包括一个比较器、一个开关器件，比较器用来比较输出电流(IO)或者第二输出电压(VO)与某一基准电流或电压，判断输出电流或第二输出电压所处的范围，再通过逻辑电路产生控制信号，以该控制信号控制开关器件，以此来调整不同电流或电压范围的反馈电压VF与IO(或VO)的比例关系，从而保持输出功率的近似恒定。

本实施例中，在缓冲器340的输出由高电平变化为低电平时，逻辑控制电路330用于控制功率开关器件351导通；在缓冲器340的输出由低电平变化为高电平时，逻辑控制电路330用于控制功率开关器件351关断。即，在第一输入信号(ST)的上升沿触发逻辑控制电路330的输出变化，缓冲器340输出变低，使功率开关器件351导通，在第一输入信号(ST)低电平区间，也即三角波发生器SAW电压下降区间，在第二输入信号的下降沿处，缓冲器340输出变为高电平，功率开关器件351关断。

本实施例中，电压采样电路353有两种实现方式，下面分别对这两种实现方式进行介绍。

图7示出了电压采样电路353的第一种实施方式，该电压采样电路353中包括第一电阻R1和第二电阻R2，且功率开关器件351为PMOS(P-Channel Metal OxideSemiconductor，P沟道金属氧化物半导体场效应)管M0，负载360为RO。其中，PMOS管M0的栅极与缓冲器340的输出端相连，源极与电源电压VDD相连，漏极分别与第一电阻R1的一端和负载RO的一端相连于VO点，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端相连于VF点，第二电阻R2的另一端和负载RO的另一端相连于GND点。此时，可以采用串联电阻分压模式来获得反馈电压(VF)，令VF＝k0×VO，输出占空比D＝m-k1×VF，其中m、k0＝R2/(R1+R2)、k1为常数。则输出功率PO有：

在此情况下，输出占空比和输出功率随输出电压变化的关系图如图8所示。根据公式1可知，输出功率PO斜率为0的点为

图9示出了电压采样电路353的第二种实施方式，该电压采样电路353中包括第三电阻R3～第十一电阻R11、第一比较器CMP1～第三比较器CMP3、逻辑电路、第一开关S1～第三开关S3，且功率开关器件351为PMOS管M0，负载360为RO。PMOS管M0的栅极与缓冲器340的输出端相互连，源极与电源电压VDD相连，漏极与第三电阻R3的一端、第七电阻R7的一端以及负载RO的一端相连于VO点，第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的一端以及第一比较器CMP1的同相端相连，第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端以及第二比较器CMP2的同相端相连，第五电阻R5的另外一端与第六电阻R6的一端以及第三比较器CMP3的同相端相连，第一比较器CMP1～第三比较器CMP3的反相输入端皆与参考电压Vref相连，第一比较器CMP1～第三比较器CMP3的输出端分别与逻辑电路的三个输入端相连，第七电阻R7的另一端与第八电阻R8的一端相连于VF点，VF点连接至比较器320的第二输入端，第八电阻R8的另一端分别与第九电阻R9～第十一电阻R11的其中一端相连，第九电阻R9的另一端与第一开关S1的一端相连，第十电阻R10的另一端与第二开关S2的一端相连，第十一电阻R11的另一端与第三开关S3的一端相连，第六电阻R6的另一端与第一开关S1～第三开关S3的另一端以及负载RO的另一端相连于GND点。逻辑电路的三个输出端分别用来控制第一开关S1～第三开关S3的通断。在这种实现方式中，可以采用分段控制技术，通过比较器320获得第二输出电压(VO)的范围，再通过逻辑电路输出用于控制第一开关S1～第三开关S3的控制信号，从而可以通过调节反馈电压(VF)与第二输出电压(VO)的电压比例来调节输出功率PO，维持输出功率PO的近似恒定。已知输出功率PO斜率为0的点为

若将VO’代入公式1，可以得到输出功率PO的最大值为

其中，控制第一开关S1～第三开关S3通断的方式有很多种，本实施例以其中的一种进行举例说明，并不限制其他的控制方式。具体的，设V1

本实施例中，电流采样电路352有两种实现方式，下面分别对这两种实现方式进行介绍。

图11示出了电流采样电路352的第一种实现方式，该电流采样电路352中包括PMOS管M1、第十二电阻R12和第十三电阻R13，且功率开关器件351为PMOS管M0，负载360为RO。PMOS管M0和M1的栅极分别与缓冲器340的输出端相连，PMOS管M0和M1的源极均与电源电压VDD相连，PMOS管M0的漏极与负载RO的一端相连于VO点，PMOS管M1的漏极与第十二电阻R12的一端相互连，第十二电阻R12的另一端与第十三电阻R13的一端相连于VF点，VF点与比较器320的第二输入端相连。第十三电阻R13的另一端和负载RO的另一端相连于GND点。PMOS管M1与M0构成的工作条件相同，可以构成一个电流镜，且PMOS管M1与M0中的电流与其宽长比成正比关系。

图12表示电流采样电路352的第二种实现方式，该电流采样电路352中包括PMOS管M2、第十四电阻R14～第二十二电阻R22、第四比较器CMP4～第六比较器CMP6、逻辑电路、第四开关S4～第六开关S6，且功率开关器件351为PMOS管M0，负载360为RO。PMOS管M0和M1的栅极分别与缓冲器340的输出端相连，PMOS管M0和M1的源极均与电源电压VDD相连，PMOS管M0的漏极与负载RO的一端相连于VO点，PMOS管M1的漏极分别与第十四电阻R14的一端、第十八电阻R18的一端相连，第十四电阻R14的另一端分别与第十五电阻R15的一端以及第四比较器CMP4的同相端相连，第十五电阻R15的另一端分别与第十六电阻R16的一端以及第五比较器CMP5的同相端相连，第十六电阻R16的另外一端分别与第十七电阻R17的一端以及第六比较器CMP6的同相端相连，第四比较器CMP4～第六比较器CMP6的反相输入端皆与参考电压Vref相连，第四比较器CMP4～第六比较器CMP6的输出端分别与逻辑电路的三个输入端相连，第十八电阻R18的另一端与第十九电阻R19的一端相连于VF点，VF点与比较器320的第二输入端相连，第十九电阻R19的另一端与第二十电阻R20～第二十二电阻R22的其中一端相连，第二十电阻R20的另一端与第四开关S4的一端相连，第二十一电阻R21的另一端与第五开关S5的一端相连，第二十二电阻R22的另一端与第六开关S6的一端相连，第十七电阻R17的另一端与第四开关S4～第六开关S6的另一端以及负载RO的另一端相互连于GND点。其中，逻辑电路的三个输出端分别用来控制第四开关S4～第六开关S6的通断，具体控制方法可以与上文中的控制方法类似。PMOS管M1与M0构成的工作条件相同，可以构成一个电流镜，且PMOS管M1与M0中的电流与其宽长比成正比关系。

这两种实现方式都是将采样到的输出电流转化为第一输出电压，然后通过电阻分压获得反馈电压VF，其结论与电压采样电路353的结论类似，如图8和图10所示。

图13示出了逻辑控制电路330的一种实现方式，该逻辑控制电路330中包括一个或非门和一个RS触发器。RS触发器的复位端(R)分别与或非门的一个输入端和三角波发生器320的第一输出端相连，或非门的另一个输入端与比较器320的输出端相连，或非门的输出端与RS触发器的置位端(S)相连，RS触发器的反相输出端与缓冲器340的输入端相连。

图14示出了恒功率输出的脉宽调制电路的工作波形，随着电源电压的降低，输出电压的占空比逐渐增加，从而可以达到恒定功率输出的目的。

如图15所示，本发明公开了一种脉宽调制方法，应用于上文中所述的恒功率输出的脉宽调制电路中，该脉宽调制方法包括：

步骤1501，功率开关与采样电路根据输出功率生成反馈电压，并将反馈电压输出至比较器。

步骤1502，比较器根据反馈电压和三角波发生器的一路输出信号生成比较结果，并将比较结果发送给逻辑控制电路。

步骤1503，逻辑控制电路根据比较信号和三角波发生器的另一路输出信号生成脉宽调制信号，通过缓冲器将脉宽调制信号发送给功率开关与采样电路，脉宽调制信号用于控制功率开关与采样电路的输出占空比，该输出占空比用于调节恒功率输出的脉宽调制电路的输出功率，以使输出功率恒定。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不限于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。