一种开关电源低纹波和动态带宽控制电路和控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，尤其是涉及一种开关电源低纹波和动态带宽控制电路和控制方法。

背景技术

开关电源被广泛的应用于各种电子设备中，为系统提供高质量、高效率的供电电源。根据控制方式的不同，可以有很多种类。目前最为流行的控制模式包括电压模、电流模、恒定开通时间等。

电压模具有输出电压精度高的优点，而缺点是反应速度慢，补偿网络复杂；

电流模具有输出电压精度高，反应速度快，补偿网络简单的优点，缺点较少，相对于专门为快速反应而设计的架构而言，反应速度依旧偏慢；

恒定导通模式的架构，具有最快的反应速度，但是也存在电压精度偏低，电路实现其他功能不够灵活的缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种开关电源低纹波和动态带宽控制电路和控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种开关电源低纹波和动态带宽控制电路，包括：

纹波检测模块：用来获取开关电源输出电压的纹波分量；

动态带宽判断模块：根据获取的输出电压的纹波分量判断纹波偏移量，并输出动态带宽控制信号；

动态环路补偿器：根据动态带宽输出控制信号动态调整环路带宽，控制输出电压的纹波分量在设定阈值范围内。

优选地，所述的纹波检测模块包括运算放大器，所述的运算放大器用于将开关电源输出电压的纹波分量进行放大并输入至动态带宽判断模块。

优选地，所述的动态带宽判断模块输出的动态带宽控制信号与输出电压的纹波分量的关系表示为：

其中，Vdy为动态带宽控制信号，Vfb为输出电压的纹波分量，Vref为输出电压的参考值，Vmin为输出电压最小值，Vmax为输出电压最大值，Vfb0、Vfb1、Vdd为常数，n为曲线斜率，n为常数。

优选地，所述的动态带宽判断模块通过如下电路拓扑实现：

包括第一传导运算放大器、第二传导运算放大器、第三传导运算放大器、第一输出二极管、第二输出二极管和输出电阻，所述的第一传导运算放大器的输入正极连接第一基准电压，所述的第一传导运算放大器的输入负极接地，所述的第二传导运算放大器的输入正极连接纹波检测模块的输出信号，所述的第二传导运算放大器的输入负极连接第二基准电压，所述的第三传导运算放大器的输入正极连接第三基准电压，所述的第三传导运算放大器的输入负极连接纹波检测模块的输出信号，所述的第一基准电压、第二基准电压和第三基准电压的电压大小依次对应为Vdd、Vmin和Vmax，所述的第二传导运算放大器的输出端连接第一输出二极管的阴极，所述的第三传导运算放大器的输出端连接第二输出二极管的阴极，所述的第一传导运算放大器的输出端与第一输出二极管、第二输出二极管的阳极相连形成连接点，所述的连接点处通过输出电阻接地，所述的连接点输出动态带宽控制信号。

优选地，所述的动态环路补偿器包括电阻值和电容值动态调节的阻容网络，所述的阻容网络根据动态带宽输出控制信号动态调整网络的电阻值来改变环路零点，所述的阻容网络根据动态带宽输出控制信号动态调整网络的电容值来改变环路极点。

优选地，所述的动态环路补偿器包括若干并联的阻容支路和若干并联的电容支路，所述的阻容支路和电容支路相互并联，所述的阻容支路包括串联的电容和可调电阻，所述的可调电阻阻值大小受控于所述的动态带宽输出控制信号，所述的电容支路包括串联的电容和开关，所述的开关的打开和闭合状态受控于所述的动态带宽输出控制信号。

一种开关电源低纹波和动态带宽控制方法，该方法基于所述的控制电路，该方法包括：

获取开关电源输出电压的纹波分量；

判断开关电源输出电压的纹波分量是否超过设定阈值，若是则基于输出电压的纹波分量生成动态带宽控制信号；

基于动态带宽控制信号动态调整环路带宽，控制输出电压的纹波分量在设定阈值范围内。

优选地，所述的动态带宽控制信号通过如下关系式生成：

其中，Vdy为动态带宽控制信号，Vfb为输出电压的纹波分量，Vref为输出电压的参考值，Vmin为输出电压最小值，Vmax为输出电压最大值，Vfb0、Vfb1、Vdd为常数，n为曲线斜率，n为常数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明根据开关电源的输出电压，动态调整整个系统的环路频率响应，在输出电压变化超出设定值后，增大环路的单位增益频率，具有快速的输出电压控制能力，同时开关电源输出电压控制精度高，纹波小；

(2)本发明能根据输出电压纹波来动态的改变动态环路补偿器的阻容网络配置，通过调整零极点的方式来快速调整环路带宽，提高电路系统对输出电压变化的快速反应能力。

附图说明

图1为常见的电流模降压型的Buck开关电源结构图；

图2为图1中开关电源电路的环路频率波特图；

图3为采用本发明的动态带宽控制电路进行控制的开关电源电路的原理框图；

图4为采用本发明的动态带宽控制电路进行控制的开关电源电路的拓扑示意图；

图5为纹波检测模块的电路实例示意图；

图6为动态带宽判断模块输出动态带宽控制信号与关电源输出电压的对比图；

图7为本实施例中动态带宽控制信号的曲线图；

图8为本实施例中动态带宽判断模块的电路实例示意图；

图9为传到运算放大器的输出输入特性图；

图10为现有的固定补偿的电路实例示意图；

图11为本实施中动态环路补偿器的电路实例示意图；

图12为采用本发明控制电路进行控制的开关电源的环路响应图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

图1表示了一个常见的电流模降压型的Buck开关电源结构图，图2为对应的环路频率波特图，由图2可见随着输出电压纹波的增大，其环路单位增益带宽会减小，不利于电路系统对输出电压变化的快速反应。

基于此，本实施例提供了一种开关电源低纹波和动态带宽控制电路，如图3个图4所示，本实施例的一种开关电源低纹波和动态带宽控制电路包括：

纹波检测模块：用来获取开关电源输出电压的纹波分量；

动态带宽判断模块：根据获取的输出电压的纹波分量判断纹波偏移量，并输出动态带宽控制信号；

动态环路补偿器：根据动态带宽输出控制信号动态调整环路带宽，控制输出电压的纹波分量在设定阈值范围内。

其中，纹波检测用以将输出电压的纹波进行放大，提供给后续的带宽判断电路进行进一步的处理，放大后的信号，具有更高的信噪比。本实施例中国，纹波检测模块包括运算放大器，运算放大器用于将开关电源输出电压的纹波分量进行放大并输入至动态带宽判断模块。其实施例方式如图5所示。

如图6所示，本实施例中设定当纹波在1％以内时不触发环路带宽调控功能，一旦输出电压Vout由于某种原因，比如负载电流Iload突变等，导致输出电压Vout的跳变超出了低纹波的设定门限值(比如-1％的)。在“动态带宽判断”输出端，就会产生与该跳变成比例大小的控制电压Vdy；该控制电压会输出到后一级的“动态环路补偿器”DTC。动态补偿电路DTC根据接收到的控制信号Vdy，线性的调整动态环路补偿器，从而改变环路的补偿的零点和极点，提高环路的响应速度，达到快速恢复输出电压的目的。

如图7所示，动态带宽判断模块输出的动态带宽控制信号与输出电压的纹波分量的关系表示为：

其中，Vdy为动态带宽控制信号，Vfb为输出电压的纹波分量，Vref为输出电压的参考值，Vmin为输出电压最小值，Vmax为输出电压最大值，Vfb0、Vfb1、Vdd为常数，n为曲线斜率，n为常数。

图7中，Vc是已有的曲线，Vc为误差放大器的输出，与Vdy一同输入至动态环路补偿器，Vc表示为：

其中，VDD为常数，m为曲线斜率，m为常数。

本实施例中Vdd＝2.5V，VDD＝5V，同时Vmin＝Vref*0.99，Vmax＝Vref*1.01，Vref为开关电源输出电压的参考值。

如图8所示，动态带宽判断模块通过如下电路拓扑实现：

包括第一传导运算放大器K1、第二传导运算放大器K2、第三传导运算放大器K3、第一输出二极管D2、第二输出二极管D3和输出电阻R1，第一传导运算放大器K1的输入正极连接第一基准电压，第一传导运算放大器K1的输入负极接地，第二传导运算放大器K2的输入正极连接纹波检测模块的输出信号，第二传导运算放大器K2的输入负极连接第二基准电压，第三传导运算放大器K3的输入正极连接第三基准电压，第三传导运算放大器K3的输入负极连接纹波检测模块的输出信号，第一基准电压、第二基准电压和第三基准电压的电压大小依次对应为Vdd、Vmin和Vmax，第二传导运算放大器K2的输出端连接第一输出二极管D2的阴极，第三传导运算放大器K3的输出端连接第二输出二极管D3的阴极，第一传导运算放大器K1的输出端与第一输出二极管D2、第二输出二极管D3的阳极相连形成连接点，连接点处通过输出电阻R1接地，连接点输出动态带宽控制信号。

上述所采用的传导运算放大器，其输出为电流值，输入为电压值，输出输入特性可以表示为图9所示，表示为：Iout＝k*Vin。

结合图8，本实施例中在纹波检测的输出电压Vfb≤Vref*0.99的时候，输出总电流Idy只包含了K1，K2两个传导运算放大器产生的输出，而K3由于第二输出二极管D3的单向导通作用，不能输出电流，这样实现了图7中Vdy曲线中当Vfb小于等于0.99Vref部分；

在纹波检测的输出电压Vref*0.99＜Vfb＜Vref*1.01的时候，输出总电流Idy只包含了K1单个传导运算放大器产生的输出，而K2，K3由于第一输出二极管D2、第二输出二极管D3的单向导通作用，不能输出电流，这样实现了图7中Vdy曲线的中间部分；

在纹波检测的输出电压Vfb≥Vref*1.01的时候，输出总电流Idy只包含了K1，K3两个传导运算放大器产生的输出，而K2由于第一输出二极管D2的单向导通作用，不能输出电流，这样实现了图7中Vdy曲线中当Vfb大于等于1.01Vref部分；

最终电流Idy在输出电阻R1被转换成输出电压Vdy。

已有的常规电路不会产生Vdy，只有Vc产生电路。

图10为现有的简单的固定补偿电路的电路示意图，其不能动态调整网络的零极点。

如图11所示，本发明动态环路补偿器采用电阻值和电容值动态调节的阻容网络，阻容网络根据动态带宽输出控制信号动态调整网络的电阻值来改变环路零点，阻容网络根据动态带宽输出控制信号动态调整网络的电容值来改变环路极点。动态环路补偿器包括若干并联的阻容支路和若干并联的电容支路，阻容支路和电容支路相互并联，阻容支路包括串联的电容和可调电阻，可调电阻阻值大小受控于动态带宽输出控制信号，电容支路包括串联的电容和开关，开关的打开和闭合状态受控于动态带宽输出控制信号。

结合图11，本实施例中R1，R2，R3，…，Rn是均受控于Vdy的可变电阻，是Vdy的函数。Vdy来自于前级的动态带宽判断电路。在输出电压的纹波值大于±1％之后，动态带宽判断电路产生Vdy控制信号，进而来动态修改R1，R2，R3，…，Rn的数值，达到调整系统环路的传递函数零点位置的目的。

其中，SW1，…，SWn均受控于Vdy的开关，开关的切换是Vdy的函数。在输出电压的纹波值大于±1％之后，Vdy动态控制SW1，…，SWn，达到调整系统环路的传递函数极点位置的目的。

通过动态改变系统的补偿环路的极点和零点，实现了动态调整穿越频率点Fcross的目的。如图12所示，随着输出电压纹波的增大，其环路单位增益带宽值，会动态的随着纹波强度，而成比例变化。能提高电路系统对输出电压变化的快速反应能力。

本发明的控制电路输入除了包括常见的Vc输入，另外增加了一个动态控制输入Vdy。Vdy电压不同的大小值，可以改变该补偿电路的电阻，电容网络配置，从而改变该电路的补偿特性曲线。合理配置多组R，C的值，可以得到需要的补偿特性曲线。

此外，基于上述开关电源低纹波和动态带宽控制电路，本实施例提供一种开关电源低纹波和动态带宽控制方法，该方法基于，该方法包括：

获取开关电源输出电压的纹波分量；

判断开关电源输出电压的纹波分量是否超过设定阈值，若是则基于输出电压的纹波分量生成动态带宽控制信号；

基于动态带宽控制信号动态调整环路带宽，控制输出电压的纹波分量在设定阈值范围内。

动态带宽控制信号通过如下关系式生成：

其中，Vdy为动态带宽控制信号，Vfb为输出电压的纹波分量，Vref为输出电压的参考值，Vmin为输出电压最小值，Vmax为输出电压最大值，Vfb0、Vfb1、Vdd为常数，n为曲线斜率，n为常数。

该发明的动态带宽控制技术主要应用于开关电源场合，包括Buck，Boost等典型的PWM开关电源应用领域。目的是为了提高开关电源的对输出电压变化的快速反应的特性。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。