CN113114030B - 斜波注入电路及其在开关电源中的误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

斜波注入电路及其在开关电源中的误差补偿方法，其中斜波电压产生模块包括电容和充电电流产生单元，充电电流产生单元用于产生与开关电源输出电压和参考电压的差值相关的充电电流；斜波电压产生模块由控制信号控制，当控制信号为第一状态时利用充电电流对电容充电使得电容上的电压上升，当控制信号为第二状态时对电容放电，使得电容上的电压降为零；误差补偿模块用于产生与参考电压成比例的补偿电压，将电容上的电压减去补偿电压后作为最终的斜波电压。将本发明应用于开关电源时，将参考电压叠加电容上的电压并减去补偿电压后作为最终比较基准，使得比较基准恒定，实现不同占空比情况下开关电源的输出电压保持恒定，消除斜波电压带来的误差。

Description

斜波注入电路及其在开关电源中的误差补偿方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种斜波注入电路，特别是一种具有误差补偿功能的斜波注入电路，以及开关电源中采用本发明提出的斜波注入电路进行误差补偿的方法。

背景技术

随着技术发展，为满足市场需求，对开关电源的要求也越来越高，通常要求开关电源具有响应速度快等优点。固定导通时间的开关电源为了简化外围器件，减小输出纹波，在内部会集成斜波注入电路。如图1所示，传统内部集成斜波注入电路的固定导通时间开关电源中，斜波注入电路产生斜波电压Vripple并与参考电压Vref叠加后与开关电源输出电压Vout的反馈电压Vfb进行比较，根据比较结果进行脉冲宽度调制PWM。

如图2所示是一种常见的斜波注入电路，利用一个固定充电电流为电容201充电产生斜波电压Vripple，但这种结构在不同的占空比情况下，注入的斜波不同，如图3所示，图3中(b)、(c)、(d)分别是三种不同占空比对应的斜波电压Vripple与参考电压Vref叠加后再与反馈电压Vfb进行比较的情况，图3中(a)是将图3中(b)、(c)、(d)三种情况画在一起的示意图，可以看出三种不同占空比对应的斜波电压Vripple不同，导致Vripple与Vref叠加的值不同，从而导致反馈电压Vfb的变化。

由于开关电源输出电压Vout＝Vfb*(R1+R2)/R1＝(Vref+Vripple)*(R1+R2)/R1，因此在不同的占空比情况下，反馈电压Vfb不同，开关电源的输出电压Vout也是不同的。可见传统的斜波注入电路会令开关电源引入输出误差，需要提出一种能够补偿输出误差的斜波注入电路。

发明内容

针对内部集成斜波注入电路的开关电源中由斜波电压引入的输出误差问题，本发明提出一种斜波注入电路，采用与开关电源的输出电压和参考电压的差值相关的充电电流代替传统的固定电流为电容充电得到初始的斜波电压，并将初始的斜波电压减去与参考电压成比例的补偿电压得到最终的斜波电压，另外还提出将本发明的斜波注入电路应用于开关电源中的方案，消除开关电源的输出误差。

本发明提出的斜波注入电路技术方案为：

一种斜波注入电路，包括斜波电压产生模块和误差补偿模块，

所述斜波电压产生模块包括电容和充电电流产生单元，所述充电电流产生单元用于产生与开关电源输出电压和参考电压的差值相关的充电电流；所述斜波电压产生模块由控制信号控制，当所述控制信号为第一状态时利用所述充电电流对所述电容充电使得所述电容上的电压上升，当所述控制信号为第二状态时对所述电容放电，使得所述电容上的电压降为零；

所述误差补偿模块用于产生与所述参考电压成比例的补偿电压，所述斜波注入电路将所述电容上的电压减去所述补偿电压后作为最终的斜波电压。

具体的，所述斜波电压产生模块包括第一开关和第二开关，第一开关的一端连接所述电容的一端和第二开关的一端，第一开关的另一端和所述电容的另一端接地，第二开关的另一端连接所述充电电流；第一开关和第二开关由所述控制信号控制，当所述控制信号为第一状态时控制第二开关导通、第一开关断开，当所述控制信号为第二状态时控制第二开关断开、第一开关导通。

具体的，所述充电电流产生单元包括误差放大器和跨导放大器，误差放大器的两个输入端分别连接所述开关电源输出电压的采样值和所述参考电压，其输出端连接所述跨导放大器的输入端，所述跨导放大器的输出端输出所述充电电流。

具体的，所述跨导放大器包括第一放大器、第一NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管和第一电阻，第一放大器的正向输入端连接所述误差放大器的输出端，其负向输入端连接第一NMOS管的源极并通过第一电阻后接地，其输出端连接第一NMOS管的栅极；第二PMOS管的栅极连接第一PMOS管的栅极和漏极以及第一NMOS管的漏极，其源极连接第一PMOS管的源极并连接供电电源，其漏极输出所述充电电流。

具体的，所述误差补偿模块包括第二放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，第二电阻和第三电阻串联并接在所述参考电压和地之间，其串联点连接第二放大器的正向输入端；第四电阻和第五电阻串联并接在第二放大器的输出端和地之间，其串联点连接第二放大器的负向输入端；第二放大器的输出端产生所述补偿电压。

将本发明提出的斜波注入电路应用于开关电源中消除输出误差，技术方案如下：

开关电源中斜波电压的误差补偿方法，所述开关电源将参考电压叠加斜波电压后的信号作为比较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，并根据比较结果产生脉宽调制信号控制所述开关电源中开关器件的工作占空比，所述斜波电压与所述开关电源中开关器件的工作占空比有关，当所述开关电源中开关器件的工作占空比不同时所述叠加的斜波电压也不同，造成比较基准的变化；

所述开关电源中斜波电压的误差补偿方法包括如下步骤：

步骤一、产生与所述开关电源输出电压的反馈电压和参考电压的差值相关的充电电流；

步骤二、所述开关电源中开关器件包括串联并接在供电电源和地之间的上功率管和下功率管，根据上功率管和下功率管串联点的信号产生控制信号，当所述控制信号为低电平时令所述充电电流对电容充电使得所述电容上的电压上升，当所述控制信号为高电平时控制所述电容放电，使得所述电容上的电压降为零；

步骤三、将所述参考电压叠加所述电容上的电压并减去与所述参考电压成比例的补偿电压后的信号作为最终的比较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，使得比较基准恒定，消除斜波电压带来的误差。

具体的，将所述开关电源输出电压的反馈电压与参考电压输入到一个误差放大器中获得误差电压，再经过一个跨导放大器将所述误差电压转换为电流信号得到所述充电电流。

具体的，当

时，直接将所述参考电压作为所述补偿电压，其中g_m为所述跨导放大器的跨导，V_dd为所述供电电源的电压值，T_sw为所述开关电源的工作周期，C为所述电容的电容值，V_ref为所述参考电压的电压值。

本发明的有益效果为：本发明提出的斜波注入电路利用与开关电源输出电压和参考电压的差值有关的电流为电容充电产生初始的斜波电压，并利用与参考电压成比例的电压进行补偿，实现了对传统斜波电压在系统上产生误差的补偿；将本发明应用于开关电源中，能够实现不同占空比情况下开关电源的输出电压保持恒定，消除了开关电源的输出误差。

附图说明

下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。

图1是传统集成斜波注入电路的开关电源示意图。

图2是现有的产生斜波电压的一种实现电路示意图。

图3是传统集成斜波注入电路的开关电源中在不同占空比下关键信号的波形图，其中(b)(c)(d)分别是三种占空比情况下由控制信号Vsw控制产生斜波电压Vripple并与参考电压Vref叠加后信号Vref+Vripple的波形图、以及对应反馈电压Vfb的波形图，图(a)为整合三种情况的的对比图，可以看出在不同的占空比情况下，开关电源的反馈电压Vfb不同，输出电压也不同，具有较大误差。

图4是将本发明提出的一种斜波注入电路应用在开关电源中的示意图。

图5是本发明提出的一种斜波注入电路中在不同占空比下关键信号的波形图，其中(b)(c)(d)分别是三种占空比情况下由控制信号Vsw控制产生初始的斜波电压Vripple、以及将参考电压Vref叠加初始的斜波电压Vripple并减去补偿电压Vec后与开关电源输出电压的反馈电压进行比较的波形图，图(a)为整合三种情况的的对比图，可以看出在不同的占空比情况下，其开关电源的反馈电压相同，即输出电压相同，由于斜波电压引入的误差得以补偿。

图6是本发明提出的一种斜波注入电路在实施例中的具体电路示意图。

图7是本发明提出的一种斜波注入电路中在不同占空比下关键信号的波形图，其中(b)(c)(d)分别是三种占空比情况下由控制信号Vsw控制产生初始的斜波电压Vripple以及产生的补偿电压Vec的波形图，图(a)为整合三种情况的的对比图，可以看出在不同的占空比情况下，斜波电压Vripple的峰值不同，将补偿电压Vec保持与斜波电压Vripple的峰值相同，以补偿由于斜波电压引入的误差。

图8是本发明提出的一种斜波注入电路在实施例中实现跨导放大器的一种实现电路图。

图9是本发明提出的一种斜波注入电路在实施例中实现误差补偿模块的第一种实现电路图。

图10是本发明提出的一种斜波注入电路在实施例中实现误差补偿模块的第二种实现电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。比如控制信号的第一状态和第二状态可以互换，可以是第一状态表示高电平、第二状态表示低电平，也可以是第一状态表示低电平、第二状态表示高电平，不影响本发明技术方案的实现。

本发明提出的一种斜波注入电路，包括斜波电压产生模块和误差补偿模块，如图6所示，斜波电压产生模块包括电容201和充电电流产生单元，传统的斜波注入电路利用一个固定电流为电容充电，但本发明提出的充电电流产生单元产生与开关电源输出电压和参考电压的差值相关的电流作为充电电流；如图6所示给出了充电电流产生单元的一种具体实现结构，充电电流产生单元包括误差放大器204和跨导放大器205，误差放大器204的两个输入端分别连接开关电源输出电压Vout的采样值(如利用分压电阻对开关电源输出电压Vout进行分压获得的反馈电压Vfb)和参考电压Vref，误差放大器204的输出端连接跨导放大器205的输入端，跨导放大器205的输出端输出充电电流。由于误差放大器204虚短，稳定时有Vfb＝Vref，且Vfb＝Vref+Vripple-Vec，故稳定时有Vripple＝Vec，因此斜波引入的误差得以补偿。

如图8所示给出了跨导放大器205的一种实现结构，跨导放大器包括第一放大器301、第一NMOS管303、第一PMOS管304、第二PMOS管305和第一电阻302，第一放大器301的正向输入端连接误差放大器的输出端，其负向输入端连接第一NMOS管303的源极并通过第一电阻302后接地，其输出端连接第一NMOS管303的栅极；第二PMOS管305的栅极连接第一PMOS管304的栅极和漏极以及第一NMOS管303的漏极，其源极连接第一PMOS管304的源极并连接供电电源，其漏极输出充电电流。

斜波电压产生模块由控制信号Vsw控制对电容201充放电，当控制信号Vsw为第一状态时利用充电电流对电容201充电使得电容201上的电压上升，当控制信号Vsw为第二状态时对电容201放电，使得电容201上的电压降为零。

一些实施例中通过开关实现控制，如图6所示，斜波电压产生模块包括第一开关203和第二开关202，第一开关203的一端连接电容201的一端和第二开关202的一端，第一开关203的另一端和电容201的另一端接地，第二开关202的另一端连接充电电流；第一开关和第二开关由控制信号Vsw控制，当控制信号Vsw为第一状态时控制第二开关202导通、第一开关203断开，充电电流对电容201充电使得电容201电压上升；当控制信号Vsw为第二状态时控制第二开关202断开、第一开关203导通，电容201上的电压放电到零。

将电容201上的电压作为初始的斜波电压Vripple，初始的斜波电压Vripple与控制信号Vsw对齐，再利用误差补偿模块206产生与参考电压Vref成比例的补偿电压Vec，将初始的斜波电压Vripple减去补偿电压Vec后得到的信号作为最终的斜波电压。

如图9和10所示给出了误差补偿模块206的两种实现结构，如图9所示，误差补偿模块包括第二放大器400、第二电阻403、第三电阻404、第四电阻401和第五电阻402，第二电阻403和第三电阻404串联并接在参考电压Vref和地之间，其串联点连接第二放大器400的正向输入端；第四电阻401和第五电阻402串联并接在第二放大器400的输出端和地之间，其串联点连接第二放大器400的负向输入端；第二放大器400的输出端产生补偿电压Vec。图10所示结构去掉了图9结构中的分压电阻，实现补偿电压Vec与参考电压Vref之间不同的比例。

当电容201的容值和跨导放大器205的跨导值设置合适(即

)时，可以将参考电压Vref直接输出作为补偿电压Vec，其中g_m为跨导放大器的跨导，V_dd为供电电源的电压值，T_sw为开关电源的工作周期，C为电容的电容值，V_ref为参考电压的电压值。

本发明能够应用于开关电源，由于固定导通时间(包括固定关断时间)的开关电源中为了减小输出纹波往往有斜波注入需求，因此本发明尤其适用于固定导通时间的开关电源。在将本发明应用于固定导通时间的开关电源时，可以根据开关电源中上功率管106和下功率管107的连接处电压Vsw产生控制信号，比如图5所示实施例中直接取开关电源中上功率管106和下功率管107的连接处电压Vsw作为控制信号Vsw，因此本实施例中控制信号Vsw的第一状态为低电平，第二状态为高电平，如图3和图7所示，控制信号Vsw为低电平时初始的斜波电压Vripple的电压值线性上升，控制信号Vsw为高电平时初始的斜波电压Vripple的电压值为零。当然对于其他应用情况，控制信号Vsw的第一状态不仅限于低电平，也可以是高电平，对应的控制信号Vsw的第二状态也不仅限于高电平，也可以是低电平。

开关电源中，上功率管106和下功率管107串联并接在供电电源和地之间，其栅极驱动信号由PWM脉宽调制模块101控制，传统集成斜波电路的开关电源将参考电压Vref叠加斜波电压Vripple作为比较基准，再与开关电源输出电压的反馈电压Vfb进行比较，根据比较结果来调整PWM脉宽调制模块101，由于斜波电压Vripple根据上功率管106和下功率管107的连接处电压Vsw来产生，因此斜波电压Vripple与开关电源中开关器件的工作占空比有关，当开关电源中开关器件的工作占空比不同时叠加的斜波电压Vripple也不同，造成了比较基准的变化。而本发明利用反馈电压Vfb与参考电压Vref产生充电电流为电容充电获得初始的斜波电压Vripple，再利用与参考电压Vref相关的补偿电压Vec对初始的斜波电压Vripple进行补偿，将初始的斜波电压Vripple减去补偿电压Vec得到的信号作为最终斜波电压用于开关电源中进行控制，从而利用补偿电压Vec补偿初始的斜波电压Vripple的斜波峰值电压在系统上产生的误差。

将本发明应用于开关电源中时，可以将初始的斜波电压Vripple连接到比较器102的一个正向输入端，将补偿电压Vec连接到比较器102的一个负向输入端，如图4所示，比较器102的另一个正向输入端连接参考电压Vref，比较器102的另一个负向输入端连接输出电压经过电阻分压后的反馈电压Vfb，使得参考电压Vref叠加初始的斜波电压Vripple并减去补偿电压Vec后的信号作为新的比较基准与反馈电压Vfb进行比较。

如图5所示是将新的比较基准Vref+Vripple-Vec与反馈电压Vfb进行比较的波形图，图5中(b)、(c)、(d)分别是三种不同占空比对应的新的比较基准Vref+Vripple-Vec与反馈电压Vfb的比较情况，图5中(a)是将图5中(b)、(c)、(d)三种情况画在一起的示意图，可以看出三种不同占空比对应的斜波电压Vripple不同，但结合补偿电压Vec后得到的新的比较基准与反馈电压Vfb的比较结果是相同的，因此不同占空比对应的反馈电压Vfb是相同的，开关电源的输出电压Vout也相同，实现了对斜波电压引入误差的补偿。

综上所述，本发明在控制信号的控制下，利用斜波电压产生模块产生一个与开关电源输出电压有关的充电电流为电容充电，从而产生一个与控制信号对齐的初始的斜波电压Vripple，同时误差补偿模块用于产生一个直流电压作为补偿电压，以补偿初始的斜波电压Vripple的误差，实施例中虽然给出斜波电压产生模块和误差补偿模块的具体结构，但本领域技术人员应当知晓，其余能够实现相同作用的结构都可以适用本发明，本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种斜波注入电路，其特征在于，包括斜波电压产生模块和误差补偿模块；

所述斜波电压产生模块包括电容和充电电流产生单元，所述充电电流产生单元用于产生与开关电源输出电压和参考电压的差值相关的充电电流；所述斜波电压产生模块由控制信号控制，当所述控制信号为第一状态时利用所述充电电流对所述电容充电使得所述电容上的电压上升，当所述控制信号为第二状态时对所述电容放电，使得所述电容上的电压降为零；

所述误差补偿模块用于产生与所述参考电压成比例的补偿电压，所述斜波注入电路将所述电容上的电压减去所述补偿电压后作为最终的斜波电压。

2.根据权利要求1所述的斜波注入电路，其特征在于，所述斜波电压产生模块包括第一开关和第二开关，第一开关的一端连接所述电容的一端和第二开关的一端，第一开关的另一端和所述电容的另一端接地，第二开关的另一端连接所述充电电流；第一开关和第二开关由所述控制信号控制，当所述控制信号为第一状态时控制第二开关导通、第一开关断开，当所述控制信号为第二状态时控制第二开关断开、第一开关导通。

3.根据权利要求1或2所述的斜波注入电路，其特征在于，所述充电电流产生单元包括误差放大器和跨导放大器，误差放大器的两个输入端分别连接所述开关电源输出电压的采样值和所述参考电压，其输出端连接所述跨导放大器的输入端，所述跨导放大器的输出端输出所述充电电流。

4.根据权利要求3所述的斜波注入电路，其特征在于，所述跨导放大器包括第一放大器、第一NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管和第一电阻，第一放大器的正向输入端连接所述误差放大器的输出端，其负向输入端连接第一NMOS管的源极并通过第一电阻后接地，其输出端连接第一NMOS管的栅极；第二PMOS管的栅极连接第一PMOS管的栅极和漏极以及第一NMOS管的漏极，其源极连接第一PMOS管的源极并连接供电电源，其漏极输出所述充电电流。

5.根据权利要求1、2或4所述的斜波注入电路，其特征在于，所述误差补偿模块包括第二放大器、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻，第二电阻和第三电阻串联并接在所述参考电压和地之间，其串联点连接第二放大器的正向输入端；第四电阻和第五电阻串联并接在第二放大器的输出端和地之间，其串联点连接第二放大器的负向输入端；第二放大器的输出端产生所述补偿电压。

6.开关电源中斜波电压的误差补偿方法，所述开关电源将参考电压叠加斜波电压后的信号作为比较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，并根据比较结果产生脉宽调制信号控制所述开关电源中开关器件的工作占空比，所述斜波电压与所述开关电源中开关器件的工作占空比有关，当所述开关电源中开关器件的工作占空比不同时所述叠加的斜波电压也不同，造成比较基准的变化；

其特征在于，所述开关电源中斜波电压的误差补偿方法包括如下步骤：

步骤一、产生与所述开关电源输出电压的反馈电压和参考电压的差值相关的充电电流；

步骤二、所述开关电源中开关器件包括串联并接在供电电源和地之间的上功率管和下功率管，根据上功率管和下功率管串联点的信号产生控制信号，当所述控制信号为低电平时令所述充电电流对电容充电使得所述电容上的电压上升，当所述控制信号为高电平时控制所述电容放电，使得所述电容上的电压降为零；

步骤三、将所述参考电压叠加所述电容上的电压并减去与所述参考电压成比例的补偿电压后的信号作为最终的比较基准用于与所述开关电源输出电压的反馈电压进行比较，使得所述开关电源输出电压恒定，消除斜波电压带来的误差。

7.根据权利要求6所述的开关电源中斜波电压的误差补偿方法，其特征在于，将所述开关电源输出电压的反馈电压与参考电压输入到一个误差放大器中获得误差电压，再经过一个跨导放大器将所述误差电压转换为电流信号得到所述充电电流。

8.根据权利要求7所述的开关电源中斜波电压的误差补偿方法，其特征在于，当

时，直接将所述参考电压作为所述补偿电压，其中

为所述跨导放大器的跨导，

为所述供电电源的电压值，

为所述开关电源的工作周期，

为所述电容的电容值，

为所述参考电压的电压值。

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