电流产生电路、开关变换器及开关电源

技术领域

本申请属于电子电路技术领域，尤其涉及一种电流产生电路、开关变换器及开关电源。

背景技术

在开关电源领域，峰值电流模式因其开关频率稳定，相位补偿简便，动态响应较好等众多优点而被广泛使用于开关变换器中。但是开关变换器在轻载时，峰值电流模式难以实现均匀稳定地控制功率管导通，只能做到每间隔一定时间控制功率管导通多次的方式维持输入/输出能量平衡。但这种方式下的输出电压和电感电流的纹波比较大。

发明内容

本申请实施例提供了一种电流产生电路、开关变换器及开关电源，可以解决基于峰值电流模式的开关变换器在轻载时其输出电压和电感电流的纹波较大的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种电流产生电路，包括第一开关模块、第二开关模块、电流产生模块、充放电模块和第一电流源模块，所述第二开关模块分别与所述第一开关模块、所述电流产生模块、所述第一电流源模块和所述充放电模块电连接，所述第一开关模块用于与开关变换器中的开关变换电路电连接，所述电流产生模块用于与所述开关变换器中的转换电路电连接，所述第一电流源模块用于与第一电源电连接，所述第一开关模块、所述充放电模块和所述电流产生模块均用于接地；

所述第一电流源模块用于提供第一偏置电流；所述第一开关模块用于接收第一驱动信号，在所述开关变换电路中的功率管断开时，根据所述第一驱动信号断开，使所述第二开关模块与地断开连接，所述第一偏置电流为所述充放电模块充电；所述充放电模块用于根据所述第一偏置电流向所述电流产生模块输出第一电压；所述电流产生模块用于根据所述第一电压向所述转换电路输出第一电流，使所述转换电路输出的目标电压从预设电压处以预设斜率线性减小；其中，所述第一驱动信号为所述开关变换电路中功率管的驱动信号。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一开关模块包括第一开关管，所述第一开关管的控制端用于与所述开关变换电路电连接，所述第一开关管的第一导通端与所述第二开关模块电连接，所述第一开关管的第二导通端用于接地。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一开关管为NMOS管。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二开关模块包括第二开关管，所述第二开关管的控制端分别与所述电流产生模块、所述第二开关管的第一导通端、所述第一电流源模块和所述充放电模块电连接，所述第二开关管的第二导通端与所述第一开关模块电连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述电流产生模块包括第三开关管，所述第三开关管的控制端分别与所述第二开关管的控制端、所述第二开关管的第一导通端、所述第一电流源模块和所述充放电模块电连接，所述第三开关管的第一导通端用于与所述转换电路电连接，所述第三开关管的第二导通端用于接地。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二开关管和所述第三开关管均为NMOS管。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一电流源模块包括第一电流源，所述第一电流源的第一端用于与所述第一电源电连接，所述第一电流源的第二端分别与所述电流产生模块、所述第二开关模块和所述充放电模块电连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述充放电模块包括第一电容，所述第一电容的第一端分别与所述第一电流源模块、所述第二开关模块和所述电流产生模块电连接，所述第一电容的第二端用于接地。

第二方面，本申请实施例提供了一种开关变换器，包括开关变换电路、电流采样电路、转换电路、比较电路、频率补偿电路、运算放大电路和第一方面中任一项所述的电流产生电路，所述开关变换电路分别与所述电流采样电路、所述电流产生电路、所述比较电路、供电电源和所述运算放大电路电连接，所述频率补偿电路分别与所述运算放大电路和所述比较电路电连接，所述转换电路分别与所述电流采样电路、所述电流产生电路和所述比较电路电连接；

所述开关变换电路用于根据PWM信号对所述供电电源提供的电压进行变换，并向所述运算放大电路提供输出电压；所述运算放大电路用于接收第一参考电压，根据所述第一参考电压和所述输出电压向所述频率补偿电路输出误差信号；所述频率补偿电路用于对所述误差信号进行积分处理，并向所述比较电路输出第二参考电压；所述电流采样电路用于对所述开关变换电路中的电感电流进行采样，并向所述转换电路输出第二电流，使所述转换电路向所述比较电路输出目标电压；所述比较电路用于根据所述目标电压和所述第二参考电压向所述开关变换电路输出所述PWM信号；所述电流产生电路用于接收第一驱动信号，在所述开关变换电路中的功率管断开时，根据所述第一驱动信号向所述转换电路输出第一电流，使所述转换电路输出的目标电压从预设电压处以预设斜率线性减小；其中，所述第一驱动信号为所述开关变换电路中功率管的驱动信号。

第三方面，本申请实施例提供了一种开关电源，包括第二方面所述的开关变换器。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请实施例提供了一种电流产生电路，包括第一开关模块、第二开关模块、电流产生模块、充放电模块和第一电流源模块，第二开关模块分别与第一开关模块、电流产生模块、第一电流源模块和充放电模块电连接，第一开关模块用于与开关变换器中的开关变换电路电连接，电流产生模块用于与开关变换器中的转换电路电连接，第一电流源模块用于与第一电源电连接，第一开关模块、充放电模块和电流产生模块均用于接地。

第一电流源模块用于提供第一偏置电流。第一开关模块用于接收第一驱动信号，在开关变换电路中的功率管断开时，根据第一驱动信号断开，则第二开关模块也断开，以使第一偏置电流为充放电模块充电。充放电模块用于根据第一偏置电流向电流产生模块输出第一电压。电流产生模块用于根据第一电压向转换电路输出第一电流，使转换电路输出的目标电压从预设电压处以预设斜率线性减小。其中，第一驱动信号为开关变换电路中功率管的驱动信号。

由上可知，本申请在基于传统峰值电流模式的开关变换器中引入了电流产生电路，在开关变换电路中的功率管断开时，电流产生电路向转换电路输出第一电流，以使转换电路输出的目标电压从预设电压处以预设斜率线性减小，即向目标电压注入了一负向的斜波电压，该斜坡电压能够将目标电压与第二参考电压之间的差增大，以改变第一驱动信号的占空比，从而使得开关变换器在轻载时，也能够均匀稳定地控制功率管导通，从而极大地减小输出电压和电感电流的纹波。

可以理解的是，上述第二方面至第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基于传统峰值电流模式的开关变换器的原理框图；

图2是图1所示开关变换器中开关变换电路的电路连接示意图一；

图3是图1所示开关变换器中开关变换电路的电路连接示意图二；

图4是图1所示开关变换器处于稳态时的电感电流和输出电压的波形示意图；

图5是本申请一实施例提供的电流产生电路的原理框图；

图6是本申请一实施例提供的电流产生电路的电路连接示意图；

图7是本申请一实施例提供的开关变换器的原理框图；

图8是图7所示开关变换器处于稳态时的电感电流和输出电压的波形示意图。

图中：10、电流产生电路；11、第一开关模块；12、第二开关模块；13、电流产生模块；14、第一电流源模块；15、充放电模块；20、开关变换电路；21、驱动模块；30、电流采样电路；40、转换电路；50、比较电路；60、运算放大电路；70、频率补偿电路；80、第一电源；90、供电电源。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”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，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请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]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

图1是基于传统峰值电流模式的开关变换器的原理框图。如图1所示，开关变换器包括开关变换电路20、电流采样电路30、转换电路40、比较电路50、运算放大电路60和频率补偿电路70。开关变换电路20分别与供电电源90、比较电路50、运算放大电路60和电流采样电路30电连接，转换电路40分别与电流采样电路30和比较电路50电连接，频率补偿电路70分别与运算放大电路60和比较电路50电连接。开关变换电路20用于根据PWM信号将供电电源90提供的电压VIN转换成输出电压VOUT。运算放大电路60用于接收第一参考电压VREF1和输出电压VOUT，根据第一参考电压VREF1和输出电压VOUT向频率补偿电路70输出误差信号。频率补偿电路70用于对误差信号进行积分处理，并向比较电路50输出第二参考电压COMP。电流采样电路30用于对开关变换电路20中的电感电流进行采样，并向转换电路40输出第二电流I2，使转换电路40向比较电路50输出目标电压SUM。比较电路50用于根据目标电压SUM和第二参考电压COMP向开关变换电路20输出PWM信号。

当开关变换器用于实现升压时，开关变换电路20的电路结构如图2所示，开关变换电路20包括驱动模块21、功率管K1、电感L、上管P1和输出电容C

当开关变换器用于实现降压时，开关变换电路20的电路结构如图3所示，开关变换电路20包括驱动模块21、功率管X1、电感L、下管N1和输出电容C

结合图1和图2说明开关变换器处于稳态时的电感电流I

针对上述问题，本申请实施例提供了一种电流产生电路，如图5所示，电流产生电路10包括第一开关模块11、第二开关模块12、电流产生模块13、充放电模块15和第一电流源模块14，第二开关模块12分别与第一开关模块11、电流产生模块13、第一电流源模块14和充放电模块15电连接，第一开关模块11用于与开关变换器中的开关变换电路20电连接，电流产生模块13用于与开关变换器中的转换电路40电连接，第一电流源模块14用于与第一电源80电连接，第一开关模块11、充放电模块15和电流产生模块13均用于接地。

具体的，第一电流源模块14用于提供第一偏置电流。第一开关模块11用于接收第一驱动信号DRV1，在开关变换电路20中的功率管断开时，根据第一驱动信号DRV1断开，使第二开关模块12与地断开连接，第一偏置电流为充放电模块15充电。充放电模块15用于根据第一偏置电流向电流产生模块13输出第一电压。电流产生模块13用于根据第一电压向转换电路40输出第一电流I1，使转换电路40输出的目标电压SUM从预设电压处以预设斜率线性减小，以改变第一驱动信号DRV1的占空比。其中，第一驱动信号DRV1为开关变换电路20中功率管的驱动信号。

由上可知，本申请在基于传统峰值电流模式的开关变换器中引入了电流产生电路10，在开关变换电路20中的功率管断开时，电流产生电路10向转换电路40输出第一电流I1，以使转换电路40输出的目标电压SUM从预设电压处以预设斜率线性减小，即向目标电压SUM注入了一负向的斜波电压，该斜坡电压能够将目标电压SUM与第二参考电压COMP之间的差增大，以改变PWM信号的占空比，进而改变第一驱动信号DRV1的占空比，从而使得开关变换器在轻载时，也能够均匀稳定地控制功率管导通，从而极大地减小输出电压VOUT和电感电流I

需要说明的是，当开关变换电路20的功率管导通时，本申请实施例提供的电流产生电路10不工作。

下面以开关变换器实现升压功能，且电流采样电路30通过功率管K1对电感电流进行采样为例，说明电流采样电路30和本申请实施例提供的电流产生电路10的具体电路结构。

如图6所示，第一开关模块11包括第一开关管M1，第一开关管M1的控制端用于与开关变换电路20电连接，第一开关管M1的第一导通端与第二开关模块12电连接，第一开关管M1的第二导通端用于接地。

具体的，第一开关管M1的控制端用于接收第一驱动信号DRVK1，当开关变换电路20中的功率管K1断开时，第一驱动信号DRVK1为低电平信号，则第一开关管M1断开。

示例性的，第一开关管M1为NMOS（N-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体）管。第一开关管M1的控制端为NMOS管的栅极，第一开关管M1的第一导通端为NMOS管的漏极，第一开关管M1的第二导通端为NMOS管的源极。

如图6所示，第二开关模块12包括第二开关管M2，第二开关管M2的控制端分别与电流产生模块13、第二开关管M2的第一导通端、第一电流源模块14和充放电模块15电连接，第二开关管M2的第二导通端与第一开关模块11电连接。根据图6可知，第二开关管M2的第二导通端与第一开关管M1的第一导通端电连接。具体的，当第一开关管M1断开时，第二开关管M2与地断开连接。

示例性的，第二开关管M2为NMOS管。第二开关管M2的控制端为NMOS管的栅极，第二开关管M2的第一导通端为NMOS管的漏极，第二开关管M2的第二导通端为NMOS管的源极。

如图6所示，电流产生模块13包括第三开关管M3，第三开关管M3的控制端分别与第二开关管M2的控制端、第二开关管M2的第一导通端、第一电流源模块14和充放电模块15电连接，第三开关管M3的第一导通端用于与转换电路40电连接，第三开关管M3的第二导通端用于接地。

具体的，当第一开关管M1断开时，第二开关管M2与地断开连接。则第一电流源模块14提供的第一偏置电流IBIAS1为充放电模块15充电。充放电模块15根据第一偏置电流IBIAS1向第三开关管M3的控制端输出第一电压Vcap，第三开关管M3根据第一电压Vcap向转换电路40输出第一电流I1。

示例性的，第三开关管M3为NMOS管。第三开关管M3的控制端为NMOS管的栅极，第三开关管M3的第一导通端为NMOS管的漏极，第三开关管M3的第二导通端为NMOS管的源极。

如图6所示，第一电流源模块14包括第一电流源，第一电流源的第一端用于与第一电源80电连接，第一电流源的第二端分别与电流产生模块13、第二开关模块12和充放电模块15电连接。根据图6可知，第一电流源的第二端分别与第三开关管M3的控制端、第二开关管M2的控制端、第二开关管M2的第一导通端和充放电模块15电连接。具体的，第一电流源用于提供第一偏置电流IBIAS1。

如图6所示，充放电模块15包括第一电容C1，第一电容C1的第一端分别与第一电流源模块14、第二开关模块12和电流产生模块13电连接，第一电容C1的第二端用于接地。根据图6可知，第一电容C1的第一端分别与第一电流源的第二端、第二开关管M2的控制端、第二开关管M2的第一导通端和第三开关管M3的控制端电连接。

具体的，在开关变换电路20中的功率管K1断开时，第一偏置电流IBIAS1对第一电容C1进行充电，第一电容C1根据第一偏置电流IBIAS1向第三开关管M3的控制端输出第一电压Vcap。

下面结合图6说明本申请的工作原理。

首先说明电流采样电路30的工作原理：运算放大器EA用于使LX节点处电压和Vsns电压相等，从而使流过采样管的电流与功率管K1的电流成比例关系。采样电流经第二MOS管P2和第三MOS管P3构成的电流镜镜像后流至转换电路40中的电阻RSUM。第二偏置电流IBIAS2用于提供目标电压SUM在功率管K1断开时的预设电压。

当开关变换电路20中的功率管K1导通时，第一驱动信号DRVK1为高电平信号，则第一开关管M1导通，第一电压Vcap被钳位在电压Vgs2处，其中，电压Vgs2为第二开关管M2的栅源之间的电压，此时流过第三开关管M3的电流为一较小值，不会对目标电压SUM产生实质影响，认为电流产生电路10是不工作的。当开关变换电路20中的功率管K1断开时，第一驱动信号DRVK1为低电平信号，则第一开关管M1断开，第二开关管M2与地断开连接，第一偏置电流IBIAS1对第一电容C1充电，则第一电容C1根据第一偏置电流IBIAS1产生的第一电压Vcap线性升高，第一电压Vcap随时间t的关系为：

其中，C为第一电容C1的容量，Vgs2为第二开关管M2的栅源之间的电压，IBIAS1为第一偏置电流，Vcap为第一电压，t为时间。

因目标电压SUM的预设电压通常设置较低，则第三开关管M3工作于线性区，其产生的第一电流I1随时间t的关系为：

。

其中，

由此可得目标电压SUM为：

。

上式还可以写为：

其中，

则可以得到：

。

因此，当开关变换电路20中的功率管K1断开时，目标电压SUM从预设电压

综上，本申请在基于传统峰值电流模式的开关变换器中引入了电流产生电路10，当开关变换电路20中的功率管导通时，电流产生电路10不工作，当开关变换电路20中的功率管断开时，电流产生电路10向转换电路40输出第一电流I1，使转换电路40输出的目标电压SUM从预设电压处以预设斜率随时间线性减小，以改变PWM信号的占空比，进而改变第一驱动信号DRV1的占空比，使得开关变换器在轻载时，能够均匀的控制功率管导通，从而极大的减小输出电压VOUT和电感电流I

需要说明的是，当开关变换电路20无论是实现升压功能还是实现降压功能，只要电流采样电路30是通过功率管（参考图2和图3）进行电流采样均可以采用本申请实施例提供的电流产生电路10。假如当开关变换电路20实现升压功能，且电流采样电路30是通过上管P1进行电流采样（可参考图2），或者当开关变换电路20实现降压功能，且电流采样电路30是通过下管N1进行电流采样（可参考图3），则需要对电流产生电路10产生的第一电流的方向作适应性调整。

本申请实施例还提供了一种开关变换器，如图7所示，包括开关变换电路20、电流采样电路30、转换电路40、比较电路50、频率补偿电路70、运算放大电路60和上述所述的电流产生电路10，开关变换电路20分别与电流采样电路30、电流产生电路10、比较电路50、供电电源90和运算放大电路60电连接，频率补偿电路70分别与运算放大电路60和比较电路50电连接，转换电路40分别与电流采样电路30、电流产生电路10和比较电路50电连接。

具体的，开关变换电路20用于根据PWM信号对供电电源90提供的电压VIN进行变换，并向运算放大电路60提供输出电压VOUT。运算放大电路60用于接收第一参考电压VREF1，根据第一参考电压VREF1和输出电压VOUT向频率补偿电路70输出误差信号。频率补偿电路70用于对误差信号进行积分处理，并向比较电路50输出第二参考电压COMP。电流采样电路30用于对开关变换电路20中的电感电流进行采样，并向转换电路40输出第二电流I2，使转换电路40向比较电路50输出目标电压SUM。比较电路50用于根据目标电压SUM和第二参考电压COMP向开关变换电路20输出PWM信号。电流产生电路10用于接收第一驱动信号DRV1，在开关变换电路20中的功率管断开时，根据第一驱动信号DRV1向转换电路40输出第一电流I1，使转换电路40输出的目标电压SUM从预设电压处以预设斜率线性减小，以改变PWM信号的占空比，进而改变第一驱动信号DRV1的占空比。其中，第一驱动信号DRV1为开关变换电路20中功率管的驱动信号。

电流产生电路10的具体工作过程为：在开关变换电路20中的功率管断开时，电流产生电路10中的第一开关模块根据第一驱动信号DRV1断开，则电流产生电路10中的第二开关模块与地断开连接，电流产生电路10中的第一电流源模块提供的第一偏置电流为电流产生电路10中的充放电模块充电，电流产生电路10中的充放电模块用于根据第一偏置电流向电流产生电路10中的电流产生模块输出第一电压，电流产生电路10中的电流产生模块用于根据第一电压向转换电路40输出第一电流I1。

下面以开关变换电路20实现升压功能为例并结合图8说明开关变换器的有益效果：在开关变换电路20中的功率管K1断开时，给目标电压SUM注入了一负向的斜波电压，该斜坡电压能够将目标电压SUM与第二参考电压COMP之间的差增大，以改变PWM信号的占空比（可与图4进行对比），进而改变第一驱动信号DRV1的占空比，从而使得开关变换器在轻载时，也能够均匀稳定地控制功率管导通，极大地减小输出电压和电感电流的纹波。

本申请实施例还提供了一种开关电源，包括上述所述的开关变换器。由于本申请实施例提供的开关电源包括上述所述的开关变换器，所以本申请实施例提供的开关电源在基于峰值电流模式并且在轻载时，可以减小输出电压和电感电流的纹波，具体工作原理请参照上述所述开关变换器工作原理的描述，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。