基于参考电压比较振荡器的脉冲频率调制电路

摘要

基于参考电压比较振荡器的脉冲频率调制电路，涉及开关电源电路。包括，工作电路，在脉冲调制信号作用下于充放电模式之间切换；控制电路，根据第一参考电压、电压反馈信号和频率可变的时钟信号生成脉冲调制信号，控制电路包括提供误差放大信号的误差放大器；时钟信号产生器，包括振荡器充放电回路，于控制信号作用下于振荡器充放电模式之间切换；第一比较器，对第二储能元件两端的电压与第二参考电压比较，产生变换的高低电平作为时钟信号；调节单元，接受误差放大信号的控制从多个不同电压大小的基准电压信号中选择一个作为第二参考电压。本发明通过误差放大信号的输出直接控制时钟信号的频率，使得周期稳定，减小输出电压的纹波。

说明书

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种开关电源电路。

背景技术

脉冲宽度调制模式(PulseWidthModulation，PWM)和脉冲频率调制 模式(PulseFrequencyModulation，PFM)是两大类DC-DC转换器架构，每 种类型在重负载和轻负载时的效率、负载调节、设计复杂性等方面性能特征 是不一样的，由于负载水平在整个电路工作过程中可能会发生显著的变化， 在睡眠时为1～2mA，而在正常运行期间则可达几百mA。现有技术中，在轻 负载时，PWM转换器能自动切换至一种低功耗模式以最大限度地减少电池 电流消耗，通过间歇式地发出脉冲信号，以实现恒定频率下通过减小开关次 数，增大占空比来提高轻载和待机的效率，这种模式的脉冲调制信号PFM1 的波形图如图1所示，然而这种方法会造成输出纹波较高，控制方法并不理 想。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于参考电压比较振荡器的脉冲频率调制 电路，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

基于参考电压比较振荡器的脉冲频率调制电路，其中，包括：

一第一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；

一设置有第一储能元件的工作电路，在所述第一开关器件组的作用下于 充电模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一第一参考电压、一电压反馈信号、一电流检测 信号和一时钟信号生成脉冲调制信号；

所述控制电路包括，

一误差放大器，用于对所述第一参考电压与所述电压反馈信号进 行比较，得到一误差放大信号；

一时钟信号产生器；产生所述时钟信号，并接受所述误差放大信号 的补偿调整所述时钟信号；所述时钟信号产生器包括，

一设置有第二储能元件的振荡器充放电回路，于一控制信号的作 用下可切换地于振荡器充电模式和振荡器放电模式之间切换；

一第一比较器，用于对所述第二储能元件两端的电压与所述第二 参考电压进行比较，产生变换的高电平信号和低电平信号作为所述时钟信号；

一调节单元，接受所述误差放大信号的控制从多个具有不同电压 大小的基准电压信号中选择一个基准电压信号连接至所述第一比较器，作为 所述第二参考电压。

优选地，所述调节单元包括，

一模数转换器，用于对所述误差放大信号进行模数转换，获得数字信号；

复数个并联的调节支路，每一调节支路上串联一基准电压信号，每一所 述基准电压信号串联一开关，所述开关的控制端分别连接所述模数转换器的 输出端，于所述数字信号的作用下选择其中一路所述调节支路导通，以选择 一个所述基准电压信号。

优选地，所述振荡器充放电回路包括，

一第一开关支路，在所述控制信号作用下可切换地串接于一第一电流源 与一第二交汇结点之间；

一第二开关支路，在所述控制信号作用下可切换地串接于一第二电流源 与一接地端之间；

一振荡器充放电支路，并联于所述第二开关支路的两端，所述第二储能 元件串联于所述振荡器充放电支路上。

优选地，多个所述基准电压信号通过同一基准电压电路产生。

优选地，所述第一开关支路和所述第二开关支路的控制端连接所述时钟 信号，以所述时钟信号作为所述控制信号。

优选地，所述第一开关支路或所述第二开关支路的控制端与所述时钟信 号之间连接一逻辑门电路，以提供互补的控制信号给所述第一开关支路和所 述第二开关支路。

优选地，所述控制电路还包括，

一第二比较器，用于对所述误差放大信号与所述电流检测信号进行比较， 产生一比较信号；

一PWM控制器，依据所述比较信号和所述时钟信号产生所述脉冲调制 信号。

优选地，所述工作电路包括：

一充电控制支路，连接于一输入电压端与一第一交汇结点之间；

一充放电支路，连接于所述第一交汇结点与一输出电压端之间；

一放电控制支路，连接于所述第一交汇结点与一接地端之间，所述第一 储能元件串联于所述充放电支路上；

所述工作电路于充电模式时，所述第一开关器件组控制所述充电控制支 路及所述充放电支路导通，并控制所述放电控制支路断开，使所述输入端输 入的电流对所述第一储能元件充电；

所述工作电路于放电模式时，所述第一开关器件组控制所述放电控制支 路及所述充放电支路导通，并控制所述充电控制支路断开，使所述第一储能 元件对所述输出端放电。

优选地，所述控制电路还包括，

一反馈网络，连接于所述输出电压端与所述接地端之间，用以产生所述 电压反馈信号；

一电流检测电路，可控制的并联于所述输入电压端与所述第一交汇结点 之间，用以根据所述脉冲调制信号产生所述电流检测信号。

优选地，所述电流检测电路包括，

一检测电阻，串联于电流检测电路上；

一检测补偿单元，连接所述检测电阻的两端，用以检测流过检测电阻的 电流；

一受脉冲调制信号控制通断的检测控制开关，连接于所述电流检测电路 上。

有益效果：由于采用以上技术方案，本发明的电路结构，新增加了时钟 信号调整通路，通过误差放大信号的输出直接控制时钟信号的频率，使得周 期稳定，减小输出电压的纹波。

附图说明

图1为现有技术的脉冲调制信号PFM1的波形图；

图2为本发明的电路结构示意图；

图3为本发明的时钟信号产生器的电路示意图；

图4为本发明的脉冲调制信号PFM2的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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作 出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的 限定。

参照图2、图3，基于参考电压比较振荡器的脉冲频率调制电路，其中， 包括：

一第一开关器件组，于一脉冲调制信号作用下交替导通或关断；

一设置有第一储能元件的工作电路，在第一开关器件组的作用下于充电 模式和放电模式之间切换；

一控制电路，用以根据一第一参考电压Vref1、一电压反馈信号Vfb、一 电流检测信号和一频率可变的时钟信号生成脉冲调制信号；

控制电路包括

一误差放大器1，用于对第一参考电压Vref1与电压反馈信号Vfb 进行比较，得到一误差放大信号EAout；

一时钟信号产生器2，产生时钟信号，并接受误差放大信号EAout 的补偿调整时钟信号；时钟信号产生器2包括，

一设置有第二储能元件的振荡器充放电回路，于一控制信号的作用下可 切换地于振荡器充电模式和振荡器放电模式之间切换；

一第一比较器22，用于对第二储能元件C两端的电压与一第二参考电压 Vref2进行比较，产生变换的高电平信号和低电平信号作时钟信号；

一调节单元，接受误差放大信号EAout的控制从多个具有不同电压大小 的基准电压信号中选择一个基准电压信号连接至第一比较器22，作为第二参 考电压Vref2。

作为本发明的一种优选的实施例，调节单元包括，

一模数转换器21，用于对误差放大信号EAout进行模数转换，获得数字 信号；

复数个并联的调节支路，每一调节支路上串联一基准电压信号，每一基 准电压信号串联一开关，开关的控制端分别连接模数转换器的输出端，于数 字信号的作用下选择其中一路调节支路导通，以选择一个基准电压信号。

作为本发明的一种优选的实施例，振荡器充放电回路包括，

一第一开关支路，在控制信号作用下可切换地串接于一第一电流源23 与一第二交汇结点之间；

一第二开关支路，在控制信号作用下可切换地串接于一第二电流源24 与一接地端GND之间；

一振荡器充放电支路，并联于第二开关支路的两端，第二储能元件串联 于振荡器充放电支路上。

振荡器充放电回路于充电模式时，第一开关支路、振荡器充放电支路导 通，第二开关支路关断，导通支路上的电流源产生的电流向第二储能元件充 电；

振荡器充放电回路于放电模式时，第二开关支路、振荡器充放电支路导 通，第一开关支路、振荡器调节支路关断，第二储能元件向第二开关支路放 电；

在恒流源充电下，第二储能元件两端的电压随时间呈线性增长，充电电 流与电容值的比值反映充电电流对电容器充电的快慢，数字信号的作用下选 择一路调节支路导通，以改变第二参考电压大小，实现充电快慢的调整，第 二开关支路上的第二电流源24通过改变放电电流大小，实现放电快慢的调 整，最终实现调整时钟信号的频率，获得需要的脉冲调制信号，如图4所示 的脉冲调制信号PFM2的波形图相比图1所示的脉冲调整信号周期稳定，实 现减小输出电压的纹波的目的。

作为本发明的一种优选的实施例，多个基准电压信号通过同一基准电压 电路产生。

作为本发明的一种优选的实施例，第一开关支路和第二开关支路的控制 端连接时钟信号，以时钟信号作为控制信号。

作为本发明的一种优选的实施例，第一开关支路或第二开关支路的控制 端与时钟信号之间连接一逻辑门电路，以提供互补的控制信号给第一开关支 路和第二开关支路。

一种具体实施例，第一开关支路串联开关器件S1，第二开关支路串联开 关器件S2，开关器件S1可以为P沟道MOS管，开关器件S2可以为N沟道 MOS管，以时钟信号作为控制信号，时钟信号连接第一开关支路和第二开关 支路的控制端。开关器件S1和开关器件S2可以同为P沟道MOS管，此时， 第一开关支路或第二开关支路的控制端与时钟信号之间连接一逻辑门电路， 以提供互补的控制信号给第一开关支路和第二开关支路。控制开关器件S1 和开关器件S2交替通断，实现振荡器充放电回路于充电模式和放电模式之 间交替切换。

如图3所示复数个调节支路可以包括基准电压信号Vref11与开关器件 S3串联的第一调节支路、基准电压信号Vref12与开关器件S4串联的第二调 节支路、基准电压信号Vref13与开关器件S5串联的第三调节支路，在数字 信号的控制下实现其中一个调节支路导通，以选择不同大小的基准电压信号。

本发明的第二储能元件采用电容元件C。

本发明的开关器件S3、开关器件S4和开关器件S5可以采用N沟道 MOSFET和/或P沟道MOSFET实现。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括，

一第二比较器3，用于对误差放大信号EAout与电流检测信号进行比较， 产生一比较信号；

一PWM控制器5，PWM控制器5连接时钟信号，依据比较信号和时钟 信号产生脉冲调制信号。

作为本发明的一种优选的实施例，工作电路包括：

一充电控制支路，连接于一输入电压端VDD与一第一交汇结点Lx之间；

一充放电支路，连接于第一交汇结点Lx与一输出电压端Vout之间；

一放电控制支路，连接于第一交汇结点Lx与一接地端GND之间，第一 储能元件串联于充放电支路上；

工作电路于充电模式时，第一开关器件组控制充电控制支路及充放电支 路导通，并控制放电控制支路断开，使输入端输入的电流对第一储能元件充 电；

工作电路于放电模式时，第一开关器件组控制放电控制支路及充放电支 路导通，并控制充电控制支路断开，使第一储能元件对输出端放电。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括，

一反馈网络，连接于输出电压端Vout与接地端GND之间，用以产生电 压反馈信号；

一电流检测电路，可控制的并联于输入电压端VDD与第一交汇结点Lx 之间，用以根据脉冲调制信号产生电流检测信号。

作为本发明的一种优选的实施例，反馈网络主要由一电阻分压电路形成， 电阻分压电路包括预订数量且相互串联地连接于输出电压端Vout与接地端 GND之间的分压电阻，分压电阻间相连接的点形成分压节点；

反馈电压信号自预定的分压节点处引出。

一种具体实施例，反馈网络包括相互串联的第一电阻R1和第二电阻R2， 反馈电压信号自第一电阻R1和第二电阻R2相连接的节点处引出。

作为本发明的一种优选的实施例，电流检测电路包括：

一检测电阻Rb，串联于电流检测电路上；

一检测补偿单元4，连接检测电阻Rb的两端，用以检测流过检测电阻的 电流；

一受脉冲调制信号控制通断的检测控制开关Mp2，连接于电流检测电路 上。

检测补偿单元4还与时钟信号连接，用于对检测电流进行补偿，目的在 于稳定电流检测环路。

作为本发明的一种优选的实施例，本发明的第一储能元件采用电感元件 L，输出端Vout与接地端GND之间还连接一滤波电容C1。

作为本发明的一种优选的实施例，控制电路还包括一过零检测电路6， 过零检测电路6的输出端与PWM控制器5连接。在开关电源电路中，当负 载较大时，电感电流在整个周期内不会回到零，使得电路通常处于连续导通 模式，但当负载电流持续下降且低到某一临界值时，第一开关管Mp和第二 开关管Mn在一个周期内可能同时关闭，此时电感电流的工作模式称为不连 续导通模式，在此期间电感上的电流为零，在不连续电感电流模式下时，由 于变换器内部的逻辑延迟、线延迟和寄生等因素的影响，致使负载电流继续 下降到临界值时，第二开关管Mn并没有关断或没有完全关断，此时会导致 电流倒灌，使得输出电压发送极大的波动，影响系统的性能指标，通过设置 过零检测电路6用于防止电流倒灌，避免上述问题，可以采用现有技术的过 零检测电路来实现，在此不作赘述。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及 保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书 及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含 在本发明的保护范围内。