TWI526801B - Improved compensation circuit and the application of its switching power supply - Google Patents

Description

改進的補償電路以及應用其的開關電源

本發明涉及電子技術領域。更具體的說，涉及一種改進的補償電路以及應用其的開關電源。

在開關電源的控制電路中對於補償電路的應用比較常見，比較典型的如在直流轉換器中，將輸出電壓回饋信號與基準信號輸入至轉導放大器，以得到與這個兩個信號的誤差成固定比例的輸出電流，並利用這個輸出電流對外接補償電容的充電將誤差信號轉換為補償信號，後續的控制電路根據該補償信號進行相應的開關動作。但由於補償電路需要比較大的補償電容，在技術上佔用了較大的矽片面積，同時額外的電容器和相應的引腳提高了設計的成本，在引腳數量有限的情況下甚至無法實現。

申請號為201010549557.2的專利文件中針對上述問題提出了一種減小補償電容的轉導放大器，其結構示意圖如圖1所示。輸入信號IN和參考電壓Vref的誤差信號經過第一級放大電路101的放大後輸入到採樣電路102作為電容214的充電電流；偏置產生電路104提供電容214的 放電支路和第二級放大電路103的參考信號，透過控制採樣電路中開關211和開關212以控制電容214的充放電動作以得到採樣輸出信號，所述採樣輸出信號和參考信號經過第二級放大電路103放大輸出充電電流週期性對補償電容充電。上述方案雖然在一定程度上減小了補償電容的容值，減小了晶片面積，但其電路實現比較複雜，除了兩級放大電路外，還需要較多的電晶體和複雜的開關控制以及額外的偏置產生電路。

本發明的目的在於提供一種改進的補償電路以及應用其的開關電源，克服現有技術中補償電容佔用較大矽片面積、設計成本較高的問題。

依據本發明一實施例的一種改進的補償電路，應用於一控制電路中，包括轉導放大器、開關電路和充電電路；其中所述轉導放大器接收第一輸入信號和第二輸入信號，並根據所述第一輸入信號和第二輸入信號的差值在其輸出端得到一輸出信號；所述開關電路分別連接至所述轉導放大器的輸出端和所述充電電路，當所述開關電路處於導通狀態時控制所述轉導放大器的輸出信號對所述充電電路進行充電，以得到一補償信號。

進一步的，所述開關電路包括第一電晶體，所述第一 電晶體的第一功率端和第二功率端分別連接所述轉導放大器的輸出端和所述充電電路，其控制端接收控制信號。

進一步的，所述充電電路包括一補償電容，其一端與所述開關電路連接，另一端接地，其兩端的電壓作為所述補償信號。

較佳的，所述開關電路的控制信號為占空比一定的方波信號。

較佳的，所述開關電路的控制信號為占空比變化的方波信號。

進一步的，包括開關控制電路，用以輸出所述開關電路的控制信號；所述開關控制電路包括第一電流源、第二電流源、充放電控制電路和第一電容；其中，所述第一電流源和第二電流源的差值電流對所述第一電容進行充電，所述第一電容透過所述第二電流源進行放電；所述充放電控制電路接收第一閾值信號和第二閾值信號，並控制所述第一電容不間斷的進行充放電動作，當所述第一電容兩端的電壓上升至所述第一閾值信號時，所述開關電路的控制信號變為無效狀態，所述第一電容開始放電；當所述第一電容兩端的電壓下降至所述第二閾值信號時，所述開關電路的控制信號變為有效狀態，所述第一電容開始充電。

較佳的，所述第一電流源和第二電流源的數值是固定 的。

較佳的，所述第一電流源和第二電流源的數值是變化的。

依據本發明的一實施例的一種開關電源，包括功率級電路和控制電路，所述控制電路包括依據本發明的任一補償電路、PWM控制電路和驅動電路；其中所述補償電路接收開關電源的電壓回饋信號和基準信號作為第一輸入信號和第二輸入信號，並輸出補償信號；所述PWM控制電路接收所述補償信號，並據此輸出PWM控制信號，並透過所述驅動電路控制所述功率級電路進行電能轉換。

較佳的，所述開關電源為升壓型轉換器、降壓型轉換器或升降壓型轉換器。

依據本發明的實施例可以方便地實現一種小容值補償電容的補償電路，無需額外的引腳外接電容，節省了電路的成本。另外其電路的實現更加簡單易行。本發明的上述和其它有益效果透過以下較佳實施例的描述會更顯而易見。

101‧‧‧第一級放大電路

102‧‧‧採樣電路

103‧‧‧第二級放大電路

104‧‧‧偏置產生電路

201‧‧‧轉導放大器

202‧‧‧開關電路

203‧‧‧充電電路

204‧‧‧開關控制電路

211‧‧‧開關

212‧‧‧開關

214‧‧‧電容

501‧‧‧放電控制電路

502‧‧‧比較器

503‧‧‧比較器

504‧‧‧RS觸發器

505‧‧‧電晶體

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的圖式僅僅是 本發明的實施例，對於本領域中具有通常知識者來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的圖式獲得其他的圖式。

圖1為現有的一種減小補償電容的轉導放大器的結構示意圖；圖2為依據本發明的實施例的第一示例補償電路的原理方塊圖；圖3為圖2所示較佳實施例中補償電路的波形示意圖；圖4為本發明的實施例的第二示例補償電路的原理方塊圖；圖5為圖2所示較佳實施例中開關控制電路的電路結構圖；圖6所示為依據本發明的一較佳實施例的開關電源電路的原理方塊圖。

以下結合圖式對本發明的幾個較佳實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明較佳實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。另外，為了避免對本發明的實質造成不必要的混淆，並沒有詳 細說明眾所周知的方法、過程、流程、元件和電路等。

圖2中為依據本發明的實施例的第一示例補償電路的原理方方塊圖；仍以所述補償電路應用在開關電源的控制電路中為例，所述補償電路包括轉導放大器201、開關電路202和充電電路203；其中所述轉導放大器201的輸入端分別接收輸出電壓回饋信號V _FB 和參考電壓V _REF 作為第一輸入信號和第二輸入信號，並根據所述第一輸入信號和第二輸入信號的差值得到一輸出電流，其輸出電流i _out 的大小可以表示為i _out =gm*(V _REF -V _FB )，其中gm為所述轉導放大器201的轉導係數。因此，當轉導放大器的輸入端接收的輸出電壓回饋信號V _FB 和參考電壓V _REF 的差值發生變化時，所述轉導放大器的輸出電流i _out 相應變化並對轉導放大器輸出端的內阻和寄生電容進行充電得到一充電電壓作為輸出信號V′ _C ；所述開關電路202連接在所述轉導放大器201的輸出端和所述充電電路203之間，當所述開關電路處於導通狀態時控制控制所述轉導放大器201的輸出信號V′ _C 對所述充電電路203進行充電以得到補償信號V _C ；具體的所述開關電路202包括一第一電晶體，所述充電電路203包括一補償電容；所述第一電晶體的第一功率端和第二功率端分別連接所述轉導放大器201的輸出端和所述補償電容，其控制端接收控制信號。當所述第一電晶體導通時，所述轉導放大器201的輸出信號對所述補償電容充電，所述補償電容的 一端接收所述轉導放大器201的輸出信號，另一端接地，其兩端形成的電壓作為所述補償信號V _C 。

為了控制所述開關電路202(第一電晶體)的開關動作，所述補償電路進一步包括開關控制電路204，用以輸出所述第一電晶體的控制信號以使所述轉導放大器的輸出信號間歇性地對所述補償電容充電。

在圖2所示的具有單極點補償的轉導放大器，其傳遞函數為H(s)=gm/C_cs，其中C_c為所述補償電容的容值。因此在保證傳遞函數不變的情況下，減小補償電容容值的同時所述轉導係數gm也要隨之減小。但是控制電路穩態值精准度與所述轉導係數gm成正比，為了保證一定的控制精度，所述轉導係數gm必須滿足一定的下限值；另外當所述轉導係數gm減小時，相應的迴路增益減低，整個控制電路的控制誤差勢必增大，綜合以上，直接減小轉導係數以減小補償電容可能無法實現。

依據本發明的改進的補償電路是在所述轉導放大器201的輸出端和所述充電電路(補償電容)之間接入了一開關電路，透過控制開關電路的開啟和關閉使轉導放大器的輸出間歇性地對所述充電電路(補償電容)進行充電。所述第一電晶體的控制信號可以為占空比一定的方波信號，也可以為占空比變化的方波信號。在本實施例中以所述第一電晶體以固定占空比進行開關動作為例，對其原理進行說明，對應的波形示意圖如圖3所示。

其中所述第一電晶體的控制信號V _D 的占空比可以根 據電路的實際情況選擇相應的值，如可以選擇為1/10或以下的數值，在本實施中，占空比的大小較佳為5%。透過控制第一電晶體以固定占空比的導通和關閉對補償電容進行充放電控制，使得所述補償信號V _C 緩慢上升或緩慢下降。

由此可以看出雖然整個轉導放大器的傳遞函數保持不變，但由於開關電路的存在其實際對充電電路輸出的電流與減小轉導放大器的轉導係數具有等同的效果，等效增大了補償電容，因此所述補償電容相對於現有技術可以選取較小的容值，減小其佔用的晶片面積，無需額外的引腳外接電容，節省電路的成本，另外電路的實現更加簡單易行。

這裡需要說明的是在實際應用中，可以在轉導放大器的輸出端連接一電容，其相當與轉導放大器輸出端的寄生電容並聯，以使得轉導放大器的輸出電流對其內阻和寄生電容充電得到的輸出信號的波形更為平緩；另外，由於考慮到電路的體積和成本，其連接的電容一般容值非常小。為了簡化圖形，這部分並沒有在原理方塊圖中示出。

另外，根據本發明的技術教示，本領域中具有通常知識者可以推知所述開關電路也不局限於一個電晶體的形式，而是可以有很多種變形，如可以將兩個電晶體串聯，並控制其占空比的大小能夠實現與圖2所示實施例相同的技術效果。而充電電路也不限於僅由補償電容組成，還可以如圖4所示，利用一電容和一電阻串聯後，與所述補償電 容並聯連接，同樣能夠實現相同的作用，輸出相應的補償信號。這些對於相應部分的電路結構的變換、拓展都列入本發明的保護範圍之內。

參考圖5中的原理方塊圖，其具體描述了圖2所示實施例中開關控制電路204的具體電路結構。所述開關控制電路204具體包括第一電流源I _S1 、第二電流源I _S2 、充放電控制電路501和第一電容C ₁ ；其中，所述充放電控制電路501進一步包括比較器502、比較器503、RS觸發器504和電晶體505；其中所述第一電流源I _S1 與電晶體505、第二電流源I _S2 依次串聯在供電電源V _CC 和地之間，所述第一電容C ₁ 與所述第二電流源I _S2 並聯連接，因此當所述電晶體505導通時，所述第一電流源I _S1 和第二電流源I _S2 的差值電流對所述第一電容C ₁ 進行充電，此時所述第一電晶體保持導通；當所述電晶體505關閉時，所述第一電容C ₁ 透過所述第二電流源I _S2 進行放電，所述第一電晶體保持關閉；因此所述電晶體505的控制信號即可作為所述第一電晶體的控制信號V _D 。

所述比較器502的反相輸入端接收第一閾值信號V _TH1 ，同相輸入端接收所述第一電容C ₁ 兩端的電壓信號，其輸出端連接至所述RS觸發器504的復位端R；所述比較器503的反相輸入端接收所述第一電容C ₁ 兩端的電壓信號，其同相輸入端接收第二閾值信號V _TH2 ，其輸出端連接至所述RS觸發器504的置位端S；所述RS觸發器Q端 的輸出信號控制所述電晶體505的開關動作。

當所述第一電容C ₁ 兩端的電壓上升至所述第一閾值信號V _TH1 時，所述比較器502輸出高位準信號進而控制所述電晶體505關閉，所述第一電容C ₁ 透過所述第二電流源I _S2 進行放電，其兩端電壓開始下降；當所述第一電容C ₁ 兩端電壓降至所述第二閾值信號V _TH2 時，所述比較器503輸出高位準信號進而控制所述電晶體505導通，所述第一電流源I _S1 和第二電流源I _S2 的差值電流對所述第一電容C ₁ 進行充電，其兩端電壓開始上升，如此反復。由此可以看出，所述充放電控制電路501控制所述第一電容C ₁ 不間斷的進行充放電動作，其兩端的電壓始終在所述第一閾值信號V _TH1 和第二閾值信號V _TH2 之間變化。同時透過設定所述第一閾值信號V _TH1 和第二閾值信號V _TH2 為固定或變化的可以方便的改變所述第一電晶體的開關頻率為定頻或變頻。

由以上描述，我們可以得到如下推論：所述控制信號的占空比的大小可以用所述第二電流源與第一電流源的數值比來表示。因此可以根據需要設定所述第二電流源和第一電流源的數值為固定的以輸出固定占空比的控制信號，或控制所述第二電流源和第一電流源的數值為可變的以控制所述第一電晶體的控制信號占空比也為可變的。

圖6所示為依據本發明的一較佳實施例的開關電源電路，其包括功率級電路和控制電路，所述控制電路包括依據本發明的任一合適的補償電路以及PWM控制電路、驅 動電路；其中所述補償電路的輸入端接收開關電源的電壓回饋信號V _FB 和基準信號V _REF 作為第一輸入信號和第二輸入信號，並輸出補償信號V _C ；所述PWM控制電路接收所述補償信號V _C ，並據此輸出PWM控制信號，並透過所述驅動電路控制所述功率級電路進行電能轉換。

所述開關電源的拓撲結構可以為升壓型轉換器、降壓型轉換器或升降壓型轉換器；依據本發明的轉導放大器所應用的開關電源的拓撲除了所列舉的結構外，其他在此基礎上的變形、組合等變換得到的其他合適的拓撲均在本發明的保護範圍之內。

透過上文對轉導放大器的結構和原理的描述，本領域中具有通常知識者可以推知對於所述的開關控制電路中的電流源、充放電控制電路等電路組成部分，能夠實現相同的技術效果的其它技術或者結構同樣適用於上述實施例。

本發明較佳實施例只是用於幫助闡述本發明。較佳實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據本說明書的內容，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了最好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域中具有通常知識者能最好地利用這個發明。本發明僅受申請專利範圍及其全部範圍和等效物的限制。

201‧‧‧轉導放大器

202‧‧‧開關電路

203‧‧‧充電電路

204‧‧‧開關控制電路

Claims (9)

1. 一種改進的補償電路，應用於一控制電路中，其特徵在於，包括轉導放大器、開關電路和充電電路；其中該轉導放大器接收第一輸入信號和第二輸入信號，並根據該第一輸入信號和該第二輸入信號的差值在其輸出端得到一輸出信號；該開關電路連接在該轉導放大器的輸出端和該充電電路之間；該充電電路包括補償電容，其一端與該開關電路連接，另一端接地，該補償電容兩端的電壓作為補償信號；透過控制該開關電路的開啟和關閉使該轉導放大器的輸出電流間歇性地對該補償電容進行充電，使之等效於減小該轉導放大器的轉導係數，同時維持該轉導放大器的傳遞函數不變。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的補償電路，其中，該開關電路包括第一電晶體，該第一電晶體的第一功率端和第二功率端分別連接該轉導放大器的輸出端和該充電電路，其控制端接收控制信號。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的補償電路，其中：該開關電路的控制信號為占空比一定的方波信號。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的補償電路，其中：該開關電路的控制信號為占空比變化的方波信號。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的補償電路，其中：進一步包括開關控制電路，用以輸出該開關電路的控制信 號；該開關控制電路包括第一電流源、第二電流源、充放電控制電路和第一電容；其中，該第一電流源和該第二電流源的差值電流對該第一電容進行充電，該第一電容透過該第二電流源進行放電；該充放電控制電路接收第一閾值信號和第二閾值信號，並控制該第一電容不間斷的進行充放電動作，當該第一電容兩端的電壓上升至該第一閾值信號時，該開關電路的控制信號變為無效狀態，該第一電容開始放電；當該第一電容兩端的電壓下降至該第二閾值信號時，該開關電路的控制信號變為有效狀態，該第一電容開始充電。
6. 根據申請專利範圍第5項所述的補償電路，其中：該第一電流源和該第二電流源的數值是固定的。
7. 根據申請專利範圍第5項所述的補償電路，其中：該第一電流源和第二電流源的數值是變化的。
8. 一種開關電源，包括功率級電路和控制電路，其特徵在於該控制電路包括申請專利範圍第1-7項中任一項所述的補償電路、PWM控制電路和驅動電路；其中該補償電路接收開關電源的電壓回饋信號和基準信號作為第一輸入信號和第二輸入信號，並輸出補償信號；該PWM控制電路接收該補償信號，並據此輸出PWM控制信號，並透過該驅動電路控制該功率級電路進行電能轉換。
9. 根據申請專利範圍第8項所述的開關電源，其中， 該開關電源為升壓型轉換器、降壓型轉換器或升降壓型轉換器。