基于准谐振控制技术的谷底锁定电路、芯片及电源

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及基于准谐振控制技术的谷底锁定电路、芯片及电源。

背景技术

传统的开关电源采用的是PWM控制技术，开关管的开关由芯片的内部振荡器控制在设定时刻打开。由于开关管工作电压比较高，且开关管存在较大的寄生电容，所以存在比较大的开关损耗。为进一步提高开关电源的转换效率，借鉴谐振式电源的控制原理，发展出一种在谐振谷底导通的准谐振控制技术。在谐振谷底处，开关管漏端的电压最低，开关损耗也相应的降低。所以通过检测谐振谷底位置，控制开关管在谷底处打开，可以最大限度的降低开关管的开关损耗。

但是由于谷底位置会随输入电压和负载的变化而变化，所以存在较难锁定谷底和频率抖动问题。在特定负载下，两个相邻谷底交替打开会引起的频率变化，如果该抖动频率在人耳听觉频率范围，则会出现变压器产生音频噪声的情况。现有技术存在参考谷值数获取困难的问题，如申请号201721068719.4的专利中，需要对谐振电压电势谷值进行计数来获取参考谷值数。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供基于准谐振控制技术的谷底锁定电路、芯片及电源，解决现有技术在两个相邻谷底交替打开的频率抖动问题，以及参考谷值数获取困难的问题。

第一方面，一种基于准谐振控制技术的谷底锁定电路，

包括FB比较检测模块、ZCD比较检测模块和逻辑运算模块；FB比较检测模块的输出端和ZCD比较检测模块的输出端分别连接至逻辑运算模块的输入端，逻辑运算模块的输出端连接至驱动模块；

其中，FB比较检测模块用于对开关电源中隔离光耦输出的信号进行比较和计数后，输出参考谷值数；ZCD比较检测模块用于对开关电源每个开关周期内变压器T1辅助绕组输出的信号进行比较和计数后，输出实时谷值数；逻辑运算模块用于根据参考谷值数和实时谷值数生成谷底打开脉冲，传输给驱动模块，使得驱动模块输出控制信号传输给开关电源的高压开关管。

优选地，所述FB比较检测模块包括参考电压选择单元、比较器Cmp1、比较器Cmp2、同或门Xnor和第一计数器；

参考电压选择单元的高电压输出端连接比较器Cmp1的正向输入端，参考电压选择单元的低电压输出端连接比较器Cmp2的正向输入端，比较器Cmp1的反向输入端和比较器Cmp2的反向输入端均连接至所述开关电源中隔离光耦输出的信号；比较器Cmp1的输出端分别连接至同或门Xnor的一输入端和第一计数器的Add端，比较器Cmp2的输出端分别连接至同或门Xnor的另一输入端和第一计数器的Sub端，同或门Xnor的输出端连接至第一计数器的使能端，第一计数器的时钟端接时钟信号，第一计数器的输出端连接至参考电压选择单元的选择端；

第一计数器的输出端作为所述FB比较检测模块的输出端。

优选地，所述参考电压选择单元设有多个参考电压，参考电压选择单元用于根据所述选择端的输入信号选择对应的参考电压分别从高电压输出端和低电压输出端输出。

优选地，所述参考电压选择单元中高电压输出端输出的参考电压大于低电压输出端输出的参考电压。

优选地，所述ZCD比较检测模块包括比较器Cmp3和第二计数器；

其中比较器Cmp3的反向输入端接所述开关电源中变压器T1辅助绕组输出的信号，比较器Cmp3的正向输入端接预设的电压比较阈值，比较器Cmp3的输出端接第二计数器的时钟端；

第二计数器的复位端连接至所述驱动模块输出的控制信号，第二计数器的输出端作为所述ZCD比较检测模块的输出端。

优选地，所述逻辑运算模块用于当检测到参考谷值数和实时谷值数相等时，输出高电平传输给所述驱动模块。

优选地，所述逻辑运算模块包括第一译码器、第二译码器和逻辑单元；

其中，第一译码器的输入端接所述FB比较检测模块的输出端，第二译码器的输入端接所述ZCD比较检测模块的输出端，第一译码器和第二译码器接逻辑单元的输出端，逻辑单元的输出端作为所述逻辑运算模块的输出端。

第二方面，一种电源芯片，包括峰值电流监测电路和驱动模块，

还包括谷底锁定电路；谷底锁定电路的输出端和峰值电流监测电路的输出端分别接至驱动模块的输入端，驱动模块的输出端接开关电源的高压开关管；

其中，谷底锁定电路包括FB比较检测模块、ZCD比较检测模块和逻辑运算模块；FB比较检测模块的输出端和ZCD比较检测模块的输出端分别连接至逻辑运算模块的输入端，逻辑运算模块的输出端连接至驱动模块的第一输入端；FB比较检测模块用于对开关电源中隔离光耦输出的信号进行比较和计数后，输出参考谷值数；ZCD比较检测模块用于对开关电源每个开关周期内变压器T1辅助绕组输出的信号进行比较和计数后，输出实时谷值数；逻辑运算模块用于根据参考谷值数和实时谷值数输出谷底打开脉冲；

峰值电流监测电路的输入端还分别连接开关电源中隔离光耦输出的信号和开关电源的高压开关管。

第三方面，一种开关电源，包括高压开关管、变压器T1和光耦，还包括第二方面所述的电源芯片。

由上述技术方案可知，本发明提供的基于准谐振控制技术的谷底锁定电路、芯片及电源，解决现有技术在两个相邻谷底交替打开的频率抖动问题，以及参考谷值数获取困难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例一提供的谷底锁定电路的模块框图。

图2为本发明实施例一提供的FB比较检测模块的电路图。

图3为本发明实施例一中FB信号产生的谷底参考值的示意图。

图4为本发明实施例一提供的ZCD比较检测模块的电路图。

图5为本发明实施例一中ZCD比较检测与实时谷值数示意图。

图6为本发明实施例一提供的逻辑运算模块的电路图。

图7为本发明实施例二提供的电源芯片的模块框图。

图8为本发明实施例三提供的开关电源的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

实施例一：

一种基于准谐振控制技术的谷底锁定电路，参见图1，

包括FB比较检测模块、ZCD比较检测模块和逻辑运算模块；FB比较检测模块的输出端和ZCD比较检测模块的输出端分别连接至逻辑运算模块的输入端，逻辑运算模块的输出端连接至驱动模块；

其中，FB比较检测模块用于对开关电源中隔离光耦输出的信号进行比较和计数后，输出参考谷值数；ZCD比较检测模块用于对开关电源每个开关周期内变压器T1辅助绕组输出的信号进行比较和计数后，输出实时谷值数；逻辑运算模块用于根据参考谷值数和实时谷值数生成谷底打开脉冲，传输给驱动模块，使得驱动模块输出控制信号传输给开关电源的高压开关管。

具体地，准谐振控制技术的原理是控制高压开关管U5在Drain振荡波形的谷底处打开。因为此时高压开关管U5的Vds最低，可以有效的降低开关损耗，如此可以提供开关电源的效率或者进一步提高开关频率。

由图5的Drain振荡波形可知，如果开关控制高压开关管U5在Drain振荡波形的谷底处打开，则开关频率将会变成跳变的，因为谷底位置是跳变的。如谷底打开由谷底3打开跳到谷底2时，开关频率增加较多，在环路的作用下FB信号电压会降低，如果不加以控制，则下一次可能会在谷底3处打开。如此电源芯片就会存在特定负载下，高压开关管U5在两个相邻谷底间(例如谷底2和谷底3)轮流打开的现象。

本谷底锁定电路通过检测开关电源中隔离光耦输出的信号(即FB信号)得到参考谷值数，而且对FB信号设定较大的迟滞电压，实现谷底锁定功能。然后每次开关周期都对开关电源中变压器T1辅助绕组输出的信号(即ZCD信号)的谷底数进行计数，得到实时谷值数。当ZCD信号的谷底数与参考谷值数相同时，逻辑运算模块输出谷底打开脉冲，传输给驱动模块，使得驱动模块输出DRV信号给开关电源的高压开关管，打开高压开关管，实现谷底打开的准谐振控制技术。该谷底锁定电路具有参考谷值数获取简单、谷底锁定稳定和无音频噪声的优点。

参见图2，所述FB比较检测模块包括参考电压选择单元、比较器Cmp1、比较器Cmp2、同或门Xnor和第一计数器；

参考电压选择单元的高电压输出端连接比较器Cmp1的正向输入端，参考电压选择单元的低电压输出端连接比较器Cmp2的正向输入端，比较器Cmp1的反向输入端和比较器Cmp2的反向输入端均连接至所述开关电源中隔离光耦输出的信号；比较器Cmp1的输出端分别连接至同或门Xnor的一输入端和第一计数器的Add端，比较器Cmp2的输出端分别连接至同或门Xnor的另一输入端和第一计数器的Sub端，同或门Xnor的输出端连接至第一计数器的使能端，第一计数器的时钟端接时钟信号，第一计数器的输出端连接至参考电压选择单元的选择端；

第一计数器的输出端作为所述FB比较检测模块的输出端。

具体地，FB比较检测模块中，FB信号通过两个比较器Cmp1和Cmp2分别与VH(即参考电压选择单元的高电压输出端)和VL(即参考电压选择单元的高电压输出端)参考电压比较。比较器Cmp1和Cmp2的输出送到同或门Xnor，同或门Xnor的输出接到第一计数器的使能端，同时比较器Cmp1的输出接到第一计数器的Add端，比较器Cmp2的输出接到第一计数器的Sub端。第一计数器的输出参考谷值数同时返回给参考电压选择单元。参考电压选择单元通过参考谷值数去选择VH和VL的具体输出电压，例如图3中VH＝V3时，VL＝V1，当VH＝V4时，VL＝V2。

当FB信号的电压介于VH与VL之间时，FB信号的电压小于VH电压，比较器Cmp1输出高电平，FB信号的电压大于VL电压，比较器Cmp2输出高电平，如此同或门Xnor输出低电平，从而不使能第一计数器计数，VH和VL参考电压维持不变。

如果FB信号的电压升高，高于VH电压(VH＝V3)后，比较器Cmp1输出低电平，比较器Cmp2输出高电平，如此同或门Xnor的输出高电平，从而使能第一计数器开始计数，比较器Cmp1输出低电平送到第一计数器的Add端，对第一计数器设置为加法模式，当时钟CLK上升沿过来时，第一计数器加1，同时输出的参考谷值数也加1。参考谷值数加1后，反馈回参考电压选择单元，参考电压选择单元选择较高的参考电压输出,即输出VH＝V1a,VL＝V3a，其中V1a>V1,V3a>V3。由于VH和VL参考电压增加，使得VH电压高于FB信号的电压，比较器Cmp1输出高电平，比较器Cmp2输出高电平，第一计数器停止计数，维持参考谷值数不变。如果FB信号的电压继续升高，高于VH参考电压，则相同的，第一计数器加1，VH和VL参考电压再增加。

如果FB信号电压降低到低于VL后，比较器Cmp2输出低电平，同时比较器Cmp1输出高电平，如此同或门Xnor输出高电平，从而使能第一计数器开始计数，比较器Cmp2输出低电平送到第一计数器的Sub端，对第一计数器设置为减法模式，当时钟CLK上升沿过来时，第一计数器减1，同时输出的参考谷值数也减1。参考谷值数减1后，反馈回参考电压选择单元，参考电压选择单元选择较低的参考电压输出,即输出VH＝V1,VL＝V3。所以FB信号的电压高于V3电压后第一计数器加1，低于V1a电压第一计数器才减1。由于V1a到V3具有比较大的电压迟滞，避免在两个参考谷值数间频繁切换引来的系统噪声。

参见图3，所述参考电压选择单元设有多个参考电压，参考电压选择单元用于根据所述选择端的输入信号选择对应的参考电压分别从高电压输出端和低电压输出端输出。

优选地，所述参考电压选择单元中高电压输出端输出的参考电压大于低电压输出端输出的参考电压。

具体地，图3为检测FB信号的电压得到的参考谷值数。图3设定5个高门限(不局限于5个)，设定5个低门限(不局限于5个)。5个高门限将FB信号分成6个电压区间，分别对应6个参考谷值数,例如V3和V4是高门限两个门限值。同样的5个低门限将FB信号分成6个电压区间，分别对应6个参考谷值数,例如V1和V2是低门限两个门限值。当FB信号的电压低于V1电压后，参考谷值数为6。只有FB信号的电压大于V3电压后，参考谷值数才由6变为5。同样的，参考谷值数为5时，只有FB信号的电压小于V3电压后，参考谷值数才由5变为6。V1到V3的电压差即为谷值数6到5的迟滞，所以在较大的FB电压区间内参考谷值数维持不变，实现谷底锁定功能。同理的FB信号的电压大于V4时，参考谷值数由2变为1，当FB信号的电压低于V2时，参考谷值数才有1变2。当参考谷值数为1时，FB信号的电压大于V2都会维持参考谷值数1的状态。

参见图4、5，所述ZCD比较检测模块包括比较器Cmp3和第二计数器；

其中比较器Cmp3的反向输入端接所述开关电源中变压器T1辅助绕组输出的信号，比较器Cmp3的正向输入端接预设的电压比较阈值，比较器Cmp3的输出端接第二计数器的时钟端；

第二计数器的复位端连接至所述驱动模块输出的控制信号，第二计数器的输出端作为所述ZCD比较检测模块的输出端。

具体地，ZCD电压(即开关电源中变压器T1辅助绕组输出的信号)与一设定的电压比较阈值Vref(如60mV)比较，当ZCD低于电压比较阈值Vref时，比较器输出高电平，比较器输出ZCD_cmp接到第二计数器的时钟端，ZCD_cmp输出脉冲上升沿处，第二计数器加1，第二计数器的计数值实时输出，作为实时谷值数。同时在驱动模块输出的控制信号输出高电平时，第二计数器复位。如此第二计数器实现每周期实时对ZCD的谷底计数。

当DRV信号为高电平时，高压开关管U5打开，Drain电压变低，变压器T1的电流增加，DRV信号变低后关闭开关管，这时Drain电压反激出较高电压。当变压器退磁完成后，Drain端电压开始振荡，由于变压器的作用，变压器的AUX输出端电压波形与Drain端电压波形成比例。通过R1、D5和R3分压后送到ZCD输入端，由于电源芯片输入端ZCD与GND端具有二极管，所以ZCD的低电平被钳位在-0.7V。ZCD比较检测模块检测ZCD电压低于一设定门限(如0V)时输出高电平，如图5ZCD_cmp波形所示。ZCD比较检测模块在DRV打开时复位第二计数器，然后每个ZCD上升沿处谷底计数加1。

优选地，所述逻辑运算模块用于当检测到参考谷值数和实时谷值数相等时，输出高电平传输给所述驱动模块。

参见图6，所述逻辑运算模块包括第一译码器、第二译码器和逻辑单元；

其中，第一译码器的输入端接所述FB比较检测模块的输出端，第二译码器的输入端接所述ZCD比较检测模块的输出端，第一译码器和第二译码器接逻辑单元的输出端，逻辑单元的输出端作为所述逻辑运算模块的输出端。

具体地，图6为一种逻辑运算模块电路，参考谷值数和实时谷值数通过译码器译码(如3-8译码器)后通过与门做与逻辑，当实时谷值数等于参考谷值数时，输出高电平。

实施例二：

一种电源芯片，参见图7，包括谷底锁定电路、峰值电流监测电路和驱动模块，

还包括谷底锁定电路；谷底锁定电路的输出端和峰值电流监测电路的输出端分别接至驱动模块的输入端，驱动模块的输出端接开关电源的高压开关管；

其中，谷底锁定电路包括FB比较检测模块、ZCD比较检测模块和逻辑运算模块；FB比较检测模块的输出端和ZCD比较检测模块的输出端分别连接至逻辑运算模块的输入端，逻辑运算模块的输出端连接至驱动模块的第一输入端；FB比较检测模块用于对开关电源中隔离光耦输出的信号进行比较和计数后，输出参考谷值数；ZCD比较检测模块用于对开关电源每个开关周期内变压器T1辅助绕组输出的信号进行比较和计数后，输出实时谷值数；逻辑运算模块用于根据参考谷值数和实时谷值数输出谷底打开脉冲；

峰值电流监测电路的输入端还分别连接开关电源中隔离光耦输出的信号和开关电源的高压开关管。

具体地，电源芯片U1包括谷底锁定电路U2、峰值电流监测电路U3和驱动模块U4。电源芯片U1的输出DRV信号(即谷底打开脉冲)接到高压开关管U5的gate端，驱动高压开关管U5的开与关。

本发明实施例所提供的开关芯片，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。

实施例三：

一种开关电源，参见图8，包括高压开关管、变压器T1和光耦，还包括上述的电源芯片。

具体地，图8中，高压开关管U5的Drain端接到变压器T1。由于图8为反激式开关电源，所以变压器T1为反激型变压器，其特点是高压开关管U5打开时，变压器T1主极端形成回路导通，由于次级同名端反向接，D7肖特基二极管反向截止，所以次级不导通。当高压开关管U5关闭时，变压器T1断开，次级导通，变压器储存的能量由次级输出，此过程叫变压器退磁。当变压器的能量完全输出，退磁完成，此时高压开关管U5仍未打开，变压器T1的主级电感会与高压开关管U5的Cds寄生电容形成LC振荡，如图5的Drain波形所示。

本发明实施例所提供的开关电源，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。