开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路

摘要

本发明涉及一种开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路，其中包括负载检测模块、降频开通控制模块、曲线函数发生模块和曲率降频发生控制模块，负载检测模块依次通过降频开通控制模块和曲线函数发生模块与曲率降频发生控制模块相连接。采用该种开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构，当负载检测模块输出信号低于降频开通预设电压时，降频开通控制模块工作控制曲线函数发生模块产生与负载状态相关的曲线函数，最终实现控制曲率降频发生模块工作产生随负载曲线变化的频率，从而实现了有效兼顾开关电源中轻载和轻载时的最优能量转换效率，而且结构简单实用，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及AC/DC开关电源技术领域，特别涉及开关电源随负载变化的频率调整技术领 域，具体是指一种开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构。

背景技术

现有技术大部分开关电源随负载变化的频率调整方法基本有以下三个过程：

1.当负载为重载时，开关电源以固定的频率进行工作

2.当负载为轻载时，开关电源工作频率随负载成线性变化

3.当负载变得更轻或者空载时，开关电源进入跳周期模式进行工作

由功率管造成转换效率不高的原因主要包含开关损耗和导通损耗，开关损耗是指功率管 开启和关断瞬间产生的损耗，导通损耗是指功率管导通时电流经过功率管导通电阻产生的损 耗。

开关损耗可通过以下公式进行表达：

$\mathrm{Psw}=\frac{1}{T}{\int }_0^T{V}_{\mathrm{gs}}·I_g·\mathrm{dt}$

导通损耗可通过以下公式进行表达：

Pon＝I²·R

当负载处于中或重载时，流经功率管电流较高，导通损耗占整体损耗的比重相对较大； 当负载处于轻载时，流经功率管的电流减小，导通损耗所占比重有所减少，由上述开关损耗 表达式可知，若此时仍采用较高的频率进行工作会造成不必要的开关损耗，大大影响电源转 换效率；当负载变得更轻或空载时，进入跳周期模式能进一步降低开关损耗。

综上所述，中载或者重载时导通损耗占整体损耗的比重较大，轻载时开关损耗占整体损 耗的比重较大。

目前现有技术工作频率随负载变化基本成线性变化，根据笔记本适配器实测能量转换效 率和相对应频率数据分析，开关损耗占整体损耗的比重并非随负载成线性变化，单一的线性 变化降频曲线无法同时兼顾中轻载和轻载时的最优能量转换效率。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够有效兼顾开关电源中轻载 和轻载时的最优能量转换效率、结构简单实用、工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛的开 关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构。

为了实现上述的目的，本发明的开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电 路结构具有如下构成：

该开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构，其主要特点是，所述 的电路结构包括负载检测模块、降频开通控制模块、曲线函数发生模块和曲率降频发生控制 模块，所述的负载检测模块依次通过所述的降频开通控制模块和曲线函数发生模块与所述的 曲率降频发生控制模块相连接。

该开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构中的负载检测模块为负 载电压状态采样模块，该负载电压状态采样模块的电压输出端与所述的降频开通控制模块相 连接。

该开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构中的降频开通控制模块 为减法器单元，所述的负载电压状态采样模块的电压输出端与所述的减法器单元的第一输入 端相连接，所述的减法器单元的第二输入端与降频模式预设电压端相连接，所述的减法器单 元的输出端与所述的曲线函数发生模块相连接。

该开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构中的曲线函数发生模块 包括乘法器单元和电流源，所述的减法器单元的输出端与所述的乘法器单元的输入端相连接， 且该乘法器单元的输出端与所述的电流源的控制端相连接，该电流源的输入端与电源相连接， 且该电流源的输出端与所述的曲率降频发生控制模块相连接。

该开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构中的曲率降频发生控制 模块包括电容、第一比较器和第二比较器，所述的电容的第一端接地，该电容的第二端分别 与所述的第一比较器的负端和所述的第二比较器的正端相连接，所述的电容的第二端依次通 过串接的第一开关和第一恒流源与电源相连接，且该电容的第二端依次通过串接的第二开关、 第二恒流源和第三恒流源接地，所述的电流源的输出端通过第三开关接于所述的第二恒流源 和第三恒流源之间；所述的第一比较器的正端与第一预设比较电压端相连接，且该第一比较 器的输出端依次通过第一与非门单元和与门单元控制所述的第一开关的开关状态，所述的第 二比较器的负端与第二预设比较电压端相连接，且该第二比较器的输出端通过第二与非门单 元与所述的第一与非门单元的输入端相连接，该第一与非门单元的输出端与所述的第二与非 门单元的输入端相连接，且该第一与非门单元的输出端控制所述的第二开关和第三开关的开 关状态。

采用了该发明的开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构，由于其 中通过负载检测模块检测负载所处状态，当负载检测模块输出信号低于降频开通预设电压时， 降频开通控制模块工作控制曲线函数发生模块产生与负载状态相关的曲线函数，最终实现控 制曲率降频发生模块工作产生随负载曲线变化的频率，从而实现了有效兼顾开关电源中轻载 和轻载时的最优能量转换效率，而且结构简单实用，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

附图说明

图1为本发明的开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构的曲率降 频控制原理示意图。

图2为本发明的开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构中的恒流 源对电容充放电产生的锯齿波振荡器原理图。

图3为本发明的开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构中的曲率 降频具体控制原理图。

图4为本发明的开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构的频率曲 线随负载变化示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，该开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构中的 负载检测模块为负载电压状态采样模块300，该负载电压状态采样模块300的电压输出端与 所述的降频开通控制模块相连接。

其中，所述的降频开通控制模块为减法器单元301，所述的负载电压状态采样模块300 的电压输出端与所述的减法器单元301的第一输入端相连接，所述的减法器单元301的第二 输入端与降频模式预设电压端Vref3相连接，所述的减法器单元301的输出端与所述的曲线 函数发生模块相连接。

同时，所述的曲线函数发生模块包括乘法器单元302和电流源303，所述的减法器单元 301的输出端与所述的乘法器单元302的输入端相连接，且该乘法器单元302的输出端与所 述的电流源303的控制端相连接，该电流源303的输入端与电源相连接，且该电流源303的 输出端与所述的曲率降频发生控制模块相连接。

不仅如此，所述的曲率降频发生控制模块包括电容310、第一比较器311和第二比较器 312，所述的电容310的第一端接地，该电容310的第二端分别与所述的第一比较器311的负 端和所述的第二比较器312的正端相连接，所述的电容310的第二端依次通过串接的第一开 关306和第一恒流源305与电源相连接，且该电容310的第二端依次通过串接的第二开关307、 第二恒流源308和第三恒流源309接地，所述的电流源303的输出端通过第三开关304接于 所述的第二恒流源308和第三恒流源309之间；所述的第一比较器311的正端与第一预设比 较电压端Vref1相连接，且该第一比较器311的输出端依次通过第一与非门单元和与门单元 控制所述的第一开关306的开关状态，所述的第二比较器312的负端与第二预设比较电压端 Vref2相连接，且该第二比较器312的输出端通过第二与非门单元与所述的第一与非门单元的 输入端相连接，该第一与非门单元的输出端与所述的第二与非门单元的输入端相连接，且该 第一与非门单元的输出端控制所述的第二开关307和第三开关304的开关状态。

在实际使用当中，请参阅图1所示，其中为曲率降频控制示意图，通过负载检测模块100 检测负载所处状态，当负载检测模块100输出信号低于降频开通预设电压时，降频开通控制 模块101工作控制曲线函数发生模块102产生与负载状态相关的曲线函数，最终控制曲率降 频发生模块103工作产生随负载曲线变化的频率。

再请参阅图2所示，其为恒流源对电容充放电产生的锯齿波振荡器，其工作原理为：初 始状态电容204电平等于第二比较器206预设比较电平Vref2，逻辑信号X控制第二开关202 断开，与此同时逻辑信号Y控制第一开关201闭合，第一恒流源200对电容204充电，当电 容204电平达到第一比较器205预设比较电平Vref1时，逻辑信号Y控制第一开关201断开， 与此同时逻辑信号X控制第二开关202闭合，第二恒流源203对电容204放电直至电平下降 到第二比较器206预设比较电平Vref2，至此完成一个完整的振荡周期，充电时间：

Tr＝C（Vref1－Vref2）/I₂₀₁；

放电时间：

Tf＝C（Vref1－Vref2）/I₂₀₃

因此该锯齿波振荡周期：

T＝Tr＋Tf＝C（Vref1－Vref2）/I₂₀₁＋C（Vref1－Vref2）/I₂₀₃。

图3为曲率降频控制原理示意图，其原理为：负载变轻时，通过负载检测模块300得到 负载状态采样信号Vs，当采样信号Vs低于降频模式预设值Vref3时，采样信号VS和降频预 设值Vref3经过减法器模块301做减法运算后再经过乘法器模块302做乘法运算，运算后的 信号控制电流源303产生与负载相关成抛物线递增的电流：

I₃₀₃＝K×（Vs－Vref）²；

振荡器初始，逻辑信号X控制第二开关307和第三开关304断开，与此同时逻辑信号Y 控制第一开关306闭合，恒流源305对电容310充电，当电容310电平达到第一比较器311 预设比较电平时，逻辑信号Y控制第一开关306断开，与此同时逻辑信号X控制第二开关 307和第三开关304闭合，恒流源308对电容310放电直至电容310电平降到第二比较器312 预设比较电平，此时的放电电流为：

I₃₀₈＝I₃₀₉－I₃₀₃＝I₃₀₉－K×（Vs－Vref）²；

此电流随负载成抛物线变化，有以下关系：

Tr＝C（Vref1－Vref2）/I₃₀₅；

Tf＝C（Vref1－Vref2）/I₃₀₈＝C（Vref1－Vref2）/（I₃₀₉－K×（Vs－Vref）²）；

振荡周期：

T＝C（Vref1－Vref2）/I₃₀₅＋C（Vref1－Vref2）/（I₃₀₉－K×（Vs－Vref）²）；

从表达式可以知道，随着负载逐渐变轻震荡周期T以曲线形式增加，即频率以曲线形式 降低。

采用了上述的开关电源中随负载变化实现曲率降频的频率调整控制电路结构，由于其中 通过负载检测模块检测负载所处状态，当负载检测模块输出信号低于降频开通预设电压时， 降频开通控制模块工作控制曲线函数发生模块产生与负载状态相关的曲线函数，最终实现控 制曲率降频发生模块工作产生随负载曲线变化的频率，从而实现了有效兼顾开关电源中轻载 和轻载时的最优能量转换效率，而且结构简单实用，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种 修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限 制性的。