一种固定频率导通时间电路转换方法、转换器及开关电源

技术领域

本发明涉及COT/AOT开关电源转换器，尤其涉及一种固定频率导通时间电路转换方法、转换器及开关电源。

背景技术

传统的开关电源转换器中，一类是固定频率的转换器，比如电压模，常规电流模开关电源转换器通过固定的时钟或三角波产生控制信号，但是电压模开关电源的输出电感和电容处有两个极点，补偿会更复杂，成本更高。常规固定频率的电流模开关电源转换器为了消除次谐波振荡，需要增加斜坡补偿电路，这也会对系统环路产生影响，使得环路补偿更复杂，环路的响应变差。同时，在低功耗的开关电源里，当负载变轻，系统进行断续模式，斜坡补偿电路会被关掉，负载从轻变重和从重变轻的过程中，斜坡补偿的关闭和开启介入，会对系统产生干扰，影响开关电源输出电压的稳定性。

现有技术中，固定导通时间控制的开关电源，包括固定关断时间控制的开关电源，因为前者应用更多，所以通常在应用上以及分析上，都以固定导通时间控制来分析，实际上原理是一致的。固定导通时间控制由于没有次谐波振荡的问题，所以在环路里面不需要斜坡补偿，因此可以在同等条件下获得比峰值电流模更好的环路响应特性，更有利于开关电源系统的性能提升，此外，常规的固定导通时间控制开关电源频率不固定，这类开关电源中，有一类采用自适应导通时间来大幅降低开关电源的频率的变化范围，但其只是缩小频率的变化范围，并不能完全让频率固定，因此这限制了固定导通时间开关电源(以及固定关断时间开关电源)的应用场合，比如一些对频率干扰要求很高的场合。

目前常规的做法，也有在固定导通时间控制的开关电源的基础上，通过增加锁相环来锁定开关电源的工作频率及相位，以此达到固定频率，这种方法是目前可行的一种方法，但是其也有缺点：例如比较复杂、增加成本。这种锁相环的技术，通过对开关电源的控制信号与基准时钟信号进行相位比较，然后根据比较的结果产生误差信号，对导通时间进行低频的调节，最后使开关电源控制信号的相位跟踪基准时钟信号的相位，达到锁相的目的，同时也就达到了频率固定的目的。这类方法还有一个缺点，即当开关电源在断续模式和连续模式之间切换时，锁相环需要开启和关闭，这也会对开关电源系统产生干扰，对输出电压的稳定性产生影响。

由此可见，现有技术是通过锁相环技术来实现固定频率。其虽然能够达到同样的目的，但是电路结构复杂，需要增加锁相环，应用成本更高，而且锁相环是一个更慢的环路，比开关电源的系统环路响应更慢。此外，开关电源系统在断续模式和连续模式之间切换的时候，还会产生干扰，影响输出电压的稳定性。开关电源在轻载时会工作在断续模式，工作频率也降低，即所谓的PFM模式，此模式下锁相环需要关闭。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种在基于导通时间控制的开关电源基础上实现频率固定，能使环路响应更快、控制更加简单、成本更低的固定频率导通时间电路转换方法、转换器及开关电源。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种固定频率导通时间电路转换方法，其包括：为所述导通时间电路接入导通时间斜坡信号RAMP_TON，所述导通时间斜坡信号RAMP_TON的上升斜率为kr；为所述导通时间电路接入由基准时钟单元产生的固定频率斜坡信号RAMP_CLK，所述固定频率斜坡信号的频率与所述基准时钟的频率相同，所述斜坡补偿信号的上升斜率为ks；利用所述固定频率斜坡信号与所述导通时间斜坡信号的替加信号RAMP_ADD对导通时间进行逐周期调节，令导通时间TON及导通时间斜坡信号与时钟同步，达到相同的频率。

优选地，包括有固定导通时间产生电路、基准时钟斜坡信号电路和比较器U4，其中：所述固定导通时间产生电路用于输出导通时间斜坡信号RAMP_TON并传输至所述比较器U4的同相端，所述导通时间斜坡信号RAMP_TON的上升斜率为kr；所述基准时钟斜坡信号电路用于产生固定频率斜坡信号RAMP_CLK并传输至所述比较器U4的同相端，所述固定频率斜坡信号的频率与所述基准时钟的频率相同，所述斜坡补偿信号的上升斜率为ks；利用所述固定频率斜坡信号与所述导通时间斜坡信号的替加信号RAMP_ADD对导通时间进行逐周期调节，令导通时间及导通时间斜坡信号与时钟同步，达到相同的频率。

优选地，包括有驱动控制电路，所述固定导通时间产生电路包括有电流源、电容C3和开关SW3，所述基准时钟斜坡信号电路包括有基准时钟单元、电容C2和开关SW4，其中：所述电容C3和所述电容C2依次串联后连接于所述电流源与地之间，所述开关SW3的两开关端并接于所述电容C3的两端，所述开关SW4的两开关端并接于所述电容C2的两端，所述开关SW3的控制端连接于所述驱动控制电路，所述开关SW4的控制端连接于所述基准时钟单元，所述电流源在所述电容C3上产生导通时间斜坡信号RAMP_TON，所述电源流在所述电容C2上产生所述基准时钟斜坡信号RAMP_CLK，所述导通时间斜坡信号RAMP_TON与所述基准时钟斜坡信号RAMP_CLK通过所述C2和C3实现的替加信号RAMP_ADD传输至所述比较器U4的同相端，所述比较器U4的的反相端用于接入第一基准电压信号VREF_TON。优选地，包括有开关SW1、开关SW2和电感L1，所述开关SW1和所述开关SW2依次串联后连接于电源端VIN与地之间，所述开关SW1的控制端和所述开关SW2的控制端分别连接于所述驱动控制电路，借由所述驱动控制电路控制所述开关SW1和所述开关SW2择一导通，所述电感L1的第一端连接于所述开关SW1和所述开关SW2的连接结点，所述电感L1的第二端作为电压输出端VOUT。

优选地，包括有电感电流三角波电路、比较器U1、放大器U2和触发器U3，所述电感电流三角波电路的两输入端并接于所述电感L1的两端，所述电感电流三角波电路的输出端连接于所述比较器U1的反相端，所述放大器U2的同相端用于接入第二基准电压信号VREF，所述放大器U2的反相端连接于所述电压输出端VOUT。所述放大器U2的输出端连接于所述比较器U1的同相端，所述比较器U1的输出端连接于所述触发器U3的S端，所述比较器U4的输出端连接于所述触发器U3的R端，所述触发器U3的Q端连接于所述开关SW3的控制端。

优选地，包括有电容C1，所述电容C1连接于所述电压输出端VOUT与地之间。

一种开关电源，其包括上述转换器。

本发明公开的固定频率导通时间电路转换方法中，通过在导通时间电路中的导通时间斜坡信号RAMP_TON上，叠加一个由基准时钟单元产生的斜坡补偿信号来对导通时间进行逐周期调节，从而在不新增环路、不新增补偿网络的条件下，快速调节导通时间的大小及相位，最终实现开关电源控制信号与基准时钟同步。基于上述原理，本发明既传承了固定导通时间控制的快速响应，同时本发明电路结构简单，应用成本更低，能够满足低功耗设计要求，同时又获得了固定工作频率，使固定导通时间控制开关电源能够适合更广泛的应用场合。此外，当负载变化导致系统在断续模式和连续模式之间切换时无明显的扰动，具有较佳的可靠性与稳定性。

附图说明

图1为本发明固定频率导通时间电路转换器电路框图；

图2为本发明固定频率导通时间电路转换器电路一种原理图；

图3为本发明固定频率导通时间电路转换器电路另一种原理图；

图4为环路处于稳态时的波形图；

图5为本发明具有固定频率的导通时间控制波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种固定频率导通时间电路转换方法，其包括：

为所述导通时间电路接入导通时间斜坡信号RAMP_TON，所述导通时间斜坡信号RAMP_TON的上升斜率为kr；

为所述导通时间电路接入由基准时钟单元产生的固定频率斜坡信号RAMP_CLK，所述固定频率斜坡信号的频率与所述基准时钟的频率和相位相同，所述斜坡补偿信号的上升斜率为ks；

利用所述固定频率斜坡信号与导通时间斜坡信号的替加信号RAMP_ADD来产生导通时间信号，通过固定频率斜坡信号对导通时间斜坡信号进行逐周期调节，令导通时间信号D及导通时间斜坡信号RAMP_TON与时钟信号及固定频率斜坡信号同步，达到相同的频率。

上述方法中，通过在导通时间电路中的导通时间斜坡信号RAMP_TON上，叠加一个由基准时钟单元产生的斜坡补偿信号来对导通时间进行逐周期调节，从而在不新增环路、不新增补偿网络的条件下，快速调节导通时间的大小及相位，最终实现开关电源控制信号与基准时钟同步。基于上述原理，本发明既传承了固定导通时间控制的快速响应，同时本发明电路结构简单，应用成本更低，能够满足低功耗设计要求，同时又获得了固定工作频率，使固定导通时间控制开关电源能够适合更广泛的应用场合。此外，当负载变化导致系统在断续模式和连续模式之间切换时无明显的扰动，具有较佳的可靠性与稳定性。

为实现上述方法，本发明提出了一种固定频率导通时间电路转换器，请参见图1，包括有固定导通时间产生电路5、基准时钟斜坡信号电路6和比较器U4，其中：

所述固定导通时间产生电路5用于输出导通时间斜坡信号RAMP_TON并传输至所述比较器U4的同相端，所述导通时间斜坡信号RAMP_TON的上升斜率为kr；

所述基准时钟斜坡信号电路6用于产生固定频率斜坡信号RAMP_CLK并传输至所述比较器U4的同相端，所述固定频率斜坡信号的频率与所述基准时钟的频率相同，所述斜坡补偿信号的上升斜率为ks；

利用所述固定频率斜坡信号RAMP_CLK和导通时间斜坡信号RAMP_TON在所述比较器U4同相端替加信号RAMP_ADD对导通时间进行逐周期调节，令导通时间信号D及导通时间斜坡信号实现与基准时钟信号同步，达到相同的频率。

请参见图2，作为图1中所示系统架构的一种优选电路类型，本实施例优选包括有驱动控制电路1，所述固定导通时间产生电路5包括有电流源2、电容C3和开关SW3，所述基准时钟斜坡信号电路6包括有基准时钟单元3、电容C2和开关SW4，其中：

所述电容C3和所述电容C2依次串联后连接于所述电流源2与地之间，所述开关SW3的两开关端并接于所述电容C3的两端，所述开关SW4的两开关端并接于所述电容C2的两端，所述开关SW3的控制端连接于所述驱动控制电路1，所述开关SW4的控制端连接于所述基准时钟单元3，所述电容C3与所述电流源2的连接结点产生的导通时间斜坡信号RAMP_TON与基准时钟斜坡信号RAMP_CLK的替加信号RAMP_ADD传输至所述比较器U4的同相端，所述比较器U4的的反相端用于接入第一基准电压信号VREF_TON。

进一步地，该电路包括有开关SW1、开关SW2和电感L1，所述开关SW1和所述开关SW2依次串联后连接于电源端VIN与地之间，所述开关SW1的控制端和所述开关SW2的控制端分别连接于所述驱动控制电路1，借由所述驱动控制电路1控制所述开关SW1和所述开关SW2择一导通，所述电感L1的第一端连接于所述开关SW1和所述开关SW2的连接结点，所述电感L1的第二端作为电压输出端VOUT。进一步地，还包括有电容C1，所述电容C1连接于所述电压输出端VOUT与地之间。

在此基础上，本实施例包括有电感电流三角波电路4、比较器U1、放大器U2和触发器U3，所述电感电流三角波电路4的两输入端并接于所述电感L1的两端，所述电感电流三角波电路4的输出端连接于所述比较器U1的反相端，所述放大器U2的同相端用于接入第二基准电压信号VREF，所述放大器U2的反相端连接于所述电压输出端VOUT。所述放大器U2的输出端连接于所述比较器U1的同相端，所述比较器U1的输出端连接于所述触发器U3的S端，所述比较器U4的输出端连接于所述触发器U3的R端，所述触发器U3的Q端连接于所述开关SW3的控制端。

请参见图2，本实施例包括有一反相器U5，反相器U5的输入端连接于驱动控制电路1，反相器U5的输出端连接于所述开关SW3的控制端，该控制方式下，当驱动控制电路1的输出信号D＝0时所述开关SW3打开，当D＝1时所述开关SW3关闭。

请参见图3，图3示出了本实施例的另一种替换电路，该电路增加了清零控制与逻辑电路6，同样能够实现本发明的上述功能。

应当说明的是，图2、图3所示的具体电路结构，仅是本发明技术方案之下的两种应用手段，即使替换为与本发明电路原理相同的其他电路结构，也都属于本发明的保护范围。

在此基础上，本实施例还涉及一种开关电源，其包括以上所述的转换器。

关于本发明固定频率导通时间电路转换器的工作原理，请参见图4，图4为环路处于稳态时的波形，描述了传统COT/AOT开关电源转换器的工作波形图。相比之下，本发明是在导通时间产生电路的导通时间斜坡信号上，增加了由参考时钟产生的与参考时钟同步的斜坡信号，从而对导通时间进行调节，最终达到让开关电源的控制信号与参考时钟同步、同频的目的。

图4中把开关电源的电感电流信号、导通时间斜坡信号结合在一起，因两者在导通时间内具有相同的形状(实际电感电流信号IL是会受环路而变化)，在关断时间内，电感电流信号IL是以斜率kf线性下降，而导通时间的斜坡信号RAMP_TON一般是直接reset到0。

传统COT/AOT开关电源转换器的工作原理为：输出电压VOUT经过反馈，与基准电压VREF进行误差放大，输出到补偿网络形成误差信号VC，同时电流信号采样得到电感电流信号IL，此电感电流信号IL可能是直接对电感电流或者功率管电流的采样信号，也可以是通过电路模拟出来的电感电流纹波信号。电感电流信号IL与误差信号VC经过比较器产生SET信号，此SET信号是触发开关电源导通时间的开始，即当SET升高为1时，控制信号Q升高，控制开关电源的SW1导通，此时开关电源进入一个周期的导通状态。与此同时，导通时间产生电路开始计时，RAMP_TON从0V开始以固定斜率kr增加。虽然这里称为固定斜率kr，但是其可以是由恒定基准电流对电容充电产生的恒定斜率，而实际上AOT模式的开关电源，会由一个正比于VIN的电流对电容充电，以此达到反比于VIN的固定斜率。甚至还可以是与VIN、VOUT等更多因素有关的一个斜率，总之其在开关电源的工作频率来看是相对恒定的。当RAMP_TON达到给定的基准电压VREF_TON，此导通时间电路的输出将从0变1，最终将开关电源控制信号Q重置为0，于是电源转换器在本周期的导通时间结束，进入关断时间，直到新IL与VC的比较器输出信号SET重新从0升为1，并开启新的周期。在常规的AOT开关电源中，VREF_TON可能是一个固定的基准电压，也可能是与VIN或VOUT等更多因素有关的一个参考电压。

在传统的COT/AOT开关电源工作状态下，由于导通时间电路虽然可以尽可能的设计为让开关信号频率接近所期望的频率，但是当工作状态发生变化，或者器件参数、开关电源效率变化，开关信号的频率会偏离所期望的频率，因此传统COT开关电源转换器的频率不是固定的。比如：如果如果由于开关电源的某些参数或工作条件导致导通时间比目标值偏大，电感电流的纹波，即从最小值到最大值的差，也会随之偏大，当电感电流从峰值降到谷值的时候(即IL从峰值将到VC并触发SET从0到1)的时候也会增大，即关断时间也会增大，于是整个周期变大，频率变低。

具体在本发明提供的解决方案中，通过在导通时间电路中的导通时间斜坡信号RAMP_TON上，叠加一个由基准时钟CLK产生的斜坡补偿信号来对导通时间进行逐周期调节，可以在不需要新增环路，不需要新增被偿网络，快速的调节导通时间的大小及相位，最终实际开关电源控制信号与基准时钟同步。

请参见图5，本实施例在导通时间TON内，产生导通时间的电路由原来的上升斜率kr，改进为kr+ks，其中ks为与参考时钟CLK同步的斜坡信号，斜率为ks，图1、2所示系统示意图中给出了一个产生kr+ks导通时间斜坡信号的电路，其通过一个电流源，对两个串联的电容进行充电，其中电容C3在关断时间通过开关放电，电容两端的电压差清零，另一个电容C2则是在CLK的上升沿(或者很窄的高电平脉冲期间)通过开关放电，电容两端电压差清零，也可以在CLK上升沿或者很窄的高电脉冲期间，以及增加关断时间期间通过开关放电，电容两端电压差清零。

由于新增的这部分信号的替加，使得开关电源的开关信号除了受到环路的控制，还会受到此与时钟同步斜坡信号的调节。具体而言，如果在某一个周期内，导通时间发生得比较早，(即在CLK脉冲结束到导通肌时间开始这段延时很小)，那么在导通时间斜坡信号RAMP_TON上面替加的由时钟同步斜坡信号ks引起的电压差也会比较小，因此在该周期内，RAMP_TON从开始上升到达到VREF_TON的时间会相对比较长，简言之，在一个周期内，如果导通时间出现的时间越早，那么导通时间也会相应的更大。在这种固定导通时间的开关电源转换器控制中，在相对稳定的状态下，导通时间越大、关断时间也越大。因此下一个周期导通出现的时间就会延后一些，反之亦然。在电路的各个参数聚合合理的情况下，这种反馈调制最终会让导通时间在每个周期出现的位置稳定在每个时钟周期的固定位置，实现与时钟相同的频率。实际应用中，因为某个周期导通时间出现得偏早，那么在下一个周期其就会出现得偏晚，只要电路设计合理，这个导通时间出现位置的偏差是收敛的，其就可以稳定的控制导通时间在每个周期的位置，于是开关电源控制信号就被时钟信号锁定，很显然，采用本发明提出的解决方案方法可以让传统固定导通时间开关电源具有与参考时钟相同的开关频率。

本发明公开的固定频率导通时间电路转换方法、转换器及开关电源，其在传统固定导通时间控制(或关断时间控制)开关电源的基础上，通过对导通时间产生电路进行改进，使其能够实现与参考时钟一致的工作频率。通过这种方式，既具有固定导通时间控制的快速响应、系统结构简单、成本低、适合低功耗设计等优点，又达到了固定工作频率的目的，使固定导通时间控制开关电源能够适合更广泛的场合。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。