輸出恆壓補償電路的製作方法

2023-08-13 04:55:51 1

本發明涉及一種輸出恆壓補償電路，適合於電源管理集成電路的應用，屬於功率半導體技術領域。

背景技術：

在原邊反饋(PSR)反激式電源控制晶片中，輸出電壓的調整通常採用有靜差的調製方式，包括PWM(脈衝寬度調製)和PFM(脈衝頻率調製)。恆壓環路利用輸出電壓與基準間的誤差放大值來表徵輸出負載(功率)的大小，並作為環路控制電壓來調製輸入功率，且在一定精度要求內保證輸出電壓恆定。誤差放大值VEA可以表示為：VEA＝VREF+AV(VREF-VFB)，其中，VREF為基準，AV為誤差放大器增益，VFB為輸出電壓的採樣值，與輸出電壓的關係為：VFB＝KSMP×VOUT，KSMP為採樣比例。另一方面，變壓器工作於DCM(非連續模式)時，電源變換器的輸入輸出功率關係可以表示為

其中，LM為變壓器原邊感量，RCS為變壓器原邊電流檢測電阻值，VIPK為RCS電阻上電壓的峰值，fSW為變壓器原邊功率電晶體的開關頻率，η為電源變換效率。此外，在PWM調製中，VIPK與VEA的關係為：VIPK＝KIPK×VEA。而在PFM調製中，fSW與VEA的關係為：fSW＝fMAX-Δf×(VEA|MAX-VEA)，fMAX和VEA|MAX的分別為恆壓控制的最高頻率和最高頻率對應的誤差放大值。靜差(輸出電壓與預設基準的偏差)與輸出電流的關係如圖1所示。隨著輸出電流IOUT的增大(即負載增加)，VIPK或fSW增大，即VEA增大，亦即靜差增大。

圖2示意了現有技術的輸出恆壓補償的電源控制結構框圖，控制結構主要包括：電阻R1、電阻R2、CV環路控制模塊101、可控電流源S1、驅動模塊2、功率電晶體M1以及電阻RS。其連接關係為：電阻R1的第一端與輸出電壓的原邊反饋源N*VOUT相連，電阻R1的第二端和電阻R2的第一端連接到電源控制晶片的FB管腳並與CV環路控制模塊101的第一輸入端以及可控電流源S1的輸出端相連，電阻R2的第二端接電源地；CV環路控制模塊101的第一輸出端與可控電流源S1的控制端相連，可控電流源S1的輸入端連接至晶片的電源供電信號Vsupply；CV環路控制模塊101的第二輸出端與驅動模塊102的輸入端相連接，驅動模塊2的輸出端與功率電晶體M1的柵極相連接；功率電晶體M1的漏極連接至晶片的管腳SW，功率電晶體M1的源極與電阻RS的第一端相連並連接至晶片的管腳CS，電阻RS的第二端與電源地相連接。其工作原理為：CV環路控制模塊101檢測輸出負載的大小，並據此控制可控電流源S1的電流大小，進一步地，從晶片FB管腳流出一路與輸出負載成負相關關係的電流ICABLE。反饋電壓

由於電流ICABLE流經R2，VFB增大了ICABLE*R2，使得VEA下降了ICABLE*R2*AV，進而電源輸出級模塊3的輸出電壓VOUT也有所下降。隨著輸出電流IOUT的減小(即負載減輕)，VEA減小，ICABLE逐漸變大。對於更大的ICABLE，VFB增大得更多，則VOUT值較補償前的下降得更多。結合圖1的輸出靜差與輸出負載關係，輸出恆壓的精度得到提高。

圖3示意現有技術的恆壓補償方式對應的示例波形，(a)中，負載從空載逐漸加重至滿載，補償前的輸出電壓從較高值逐漸下降至較低值。而通過圖2可知，補償電流ICABLE隨負載減輕而加大。在輕載以至空載時會從電源供電模塊中流出一路較大的電流，增加了電源系統在空載時的功耗。(b)中，未加入輸出補償的空載功耗為P1，加入輸出補償的空載功耗為P2，增加值為PCABLE，由於補償電流較大，PCABLE較大，且很可能使得空載功耗大於設計的要求值PDEMAND。此外，為了獲得更好的電源特性，例如，更高的效率和更好的變壓器利用率，CV控制環路會引入與輸入電壓相關的控制策略，使得CV環路的調製增益(CV環路檢測的輸出負載與實際輸出負載的對應關係)在高輸入電壓和低輸入電壓間存在差異。當採用相同的補償電流ICABLE變化曲線時，會得到不同的輸出電壓補償效果，如圖中，High line的輸出電壓曲線(實)和Low line的輸出電壓曲線(密虛)之間存在明顯的差異，從而影響了輸出電壓的精度。上述情況在不同方面影響了電源變換器的性能，且希望通過設計的手段來避免上述情況的出現，故需要對傳統的輸出恆壓補償方式進行調整。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種輸出恆壓補償電路。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：

輸出恆壓補償電路，特點是：包含電流源、第一開關、可控電流源、第二開關、邏輯非門、CV環路控制模塊以及輸入電壓檢測模塊，所述電流源的輸入端連接電源管理晶片的供電信號端Vsupply，所述電流源輸出端與第一開關的第一端相連，第一開關的第二端與CV環路控制模塊的第一輸入端以及第二開關的第一端相連，並連接至電源管理晶片的管腳FB，第一開關的控制端與邏輯非門的輸入端相連，並連接信號端Tstart，第二開關的第二端與可控電流源輸入端相連，第二開關的控制端與邏輯非門的輸出端相連，可控電流源的第一控制端與CV環路控制模塊的第一輸出端相連，可控電流源的第二控制端與輸入電壓檢測模塊的輸出端相連，可控電流源的輸出端連接至電源地，CV環路控制模塊的第二輸入端連接至電源管理晶片的管腳CS，CV環路控制模塊的第二輸出端連接至驅動模塊的輸入端，輸入電壓檢測模塊的輸入端連接至電源管理晶片的管腳SW。

進一步地，上述的輸出恆壓補償電路，其中，所述管腳SW與功率電晶體的漏極相連；管腳FB與第一電阻的第一端和第二電阻的第一端相連；管腳CS與功率電晶體的源極和電阻RS的第一端相連；驅動模塊的輸出端與功率電晶體的柵極相連；第一電阻的第二端連接原邊反饋源N*VOUT，第二電阻的第二端連接至電源地，電阻RS的第二端連接至電源地。

更進一步地，上述的輸出恆壓補償電路，其中，信號端Tstart信號為邏輯高時，即軟啟動階段，補償電流ICABLE由電流源提供，從管腳FB流出並經過第二電阻；信號端Tstart信號為邏輯低時，即軟啟動後正常工作階段，補償電流ICABLE由可控電流源提供，經過第一電阻從管腳FB流入。

更進一步地，上述的輸出恆壓補償電路，其中，所述輸入電壓檢測模塊包括電阻RHV、電流採樣模塊、鏡像比例模塊和電流比較器，所述電阻RHV的第一端連接至管腳SW，電阻RHV的第二端連接至電流採樣模塊的輸入端，電流採樣模塊的輸出端連接至鏡像比例模塊的輸入端，鏡像比例模塊的輸出端與電流比較器的第一輸入端相連，電流比較器的第二輸入端和第三輸入端分別與電流基準IREF1和電流基準IREF2相連。

更進一步地，上述的輸出恆壓補償電路，其中，所述輸入電壓檢測模塊檢測電源變換器的輸入電壓並判斷其處於的輸入電壓區域，產生控制信號來調節電源變換器正常工作時的補償電流ICABLE的大小。

再進一步地，上述的輸出恆壓補償電路，其中，所述輸入電壓檢測模塊通過對從管腳SW流入的電流進行採集處理獲得電源變換器輸入電壓的信息，輸入電壓來自電源變換器的AC輸入端或者DC輸入端。

再進一步地，上述的輸出恆壓補償電路，其中，所述CV環路控制模塊包含採樣檢測模塊、誤差放大模塊、峰值計算模塊、比較器、前沿消隱模塊、頻率發生模塊、RS鎖存器以及輸出補償控制模塊，所述採樣檢測模塊的輸入端與管腳FB相連，採樣檢測模塊的輸出端與誤差放大模塊的第一輸入端相連，誤差放大模塊的第二輸入端與基準VREF相連，誤差放大模塊的第一輸出端連接至頻率發生模塊的輸入端和輸出補償控制模塊的第一輸入端，誤差放大模塊的第二輸出端與峰值計算模塊的輸入端相連，頻率發生模塊的第一輸出端與輸出補償控制模塊的第二輸入端相連，頻率發生模塊的第二輸出端與RS鎖存器的S輸入端相連，峰值計算模塊的輸出端與比較器的負向輸入端相連，比較器的正向輸入端與前沿消隱模塊的輸出端相連，比較器的輸出端與RS鎖存器的R輸入端相連，前沿消隱模塊的輸入端連接管腳CS。

再進一步地，上述的輸出恆壓補償電路，其中，輸出補償控制模塊基於誤差放大模塊產生的控制電壓VEA和/或頻率發生模塊產生的開關頻率調節正常工作時的補償電流ICABLE的大小，且ICABLE與VEA和/或開關頻率成正相關關係。

再進一步地，上述的輸出恆壓補償電路，其中，所述CV環路控制模塊檢測電源變換器的輸出負載大小，並由輸出負載大小產生控制信號，調節正常工作時的補償電流ICABLE的大小。

再進一步地，上述的輸出恆壓補償電路，其中，軟啟動階段，即信號端Tstart信號為邏輯高電平時，電流源打開，而可控電流源關閉，補償電流從管腳FB流出並經過第二電阻，抬高反饋電壓VFB的值，保證軟啟動初始階段與VFB相關的採樣和檢測正常，從而可正常啟動；當軟啟動結束後，即信號Tstart翻轉為邏輯低電平，電流源關閉，而可控電流源打開，補償電流從管腳FB流入晶片，以降低輕載以至空載時的功耗；同時，CV環路控制模塊以VEA來表徵輸出負載大小，根據VEA的值來調節補償電流ICABLE的大小，且在不同的負載區段呈現不同的變化斜率，以符合恆壓控制環路調製增益的變化；隨著負載增大，即輸出電流IOUT增大，環路控制電壓VEA的值增大，補償電流ICABLE隨之逐漸增大，反饋電壓VFB表示為：

由於電流ICABLE流經第一電阻產生額外電壓降，VFB減小，使得VEA增大，進而輸出電壓VOUT也增大；隨著輸出電流IOUT的增大，VEA增大，ICABLE逐漸變大；對於更大的ICABLE，VFB減小更多，則輸出電壓VOUT值較補償前的增大更多；通過改變正常工作時的補償電流流向，使得在輕載以致空載時的補償電流很小，從而減小輕載以至空載時的功耗。

本發明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在：

①本發明輸出恆壓補償電路，軟啟動前的補償電流ICABLE從管腳FB流出，以保證啟動正常，而軟啟動後的補償電流ICABLE從管腳FB流入，大小隨負載減輕而減小，在輕載以至空載時，基本不額外增加變換器的功耗，保證電源變換器空載低功耗的設計要求；

②檢測電源變換器的輸入電壓或者變壓器的工作模式，通過兩個信息中的至少一個來調節補償電流ICABLE的大小和變化斜率，以補償恆壓控制環路的調製增益在高低輸入電壓之間的差異，以獲得更好的輸出恆壓精度；

③採用本發明的輸出恆壓補償電路，既能滿足電源變換器的空載低功耗設計要求，又能提高輸出恆壓的精度；適用於需要極小待機輸入功耗或者極高輸出恆壓精度的場合。

附圖說明

圖1：背景技術PSR恆壓控制的輸出電壓靜差的示意圖；

圖2：背景技術輸出恆壓補償的結構示意框圖；

圖3：背景技術輸出恆壓補償的一組示例波形圖；

圖4：本發明輸出恆壓補償的電源變換器的示意框圖；

圖5：本發明輸出恆壓補償的電源變換器的示例波形圖；

圖6：本發明輸出恆壓補償的電源變換器的另一組示例波形圖；

圖7：本發明輸入電壓檢測模塊的結構示意框圖；

圖8：本發明CV環路控制模塊的結構示意框圖。

具體實施方式

設計一種輸出恆壓的補償電路，可以降低電源空載時的功耗，且能夠通過調整高低輸入電壓間的補償電流大小，提高輸出恆壓的精度。可用於需要極小待機輸入功耗或者極高輸出恆壓精度的場合。

如圖4所示，輸出恆壓補償電路1，包含電流源S1、第一開關T1、可控電流源S2、第二開關T2、邏輯非門G1、CV環路控制模塊101以及輸入電壓檢測模塊102，電流源S1的輸入端連接電源管理晶片IC的供電信號端Vsupply，電流源S1輸出端與第一開關T1的第一端相連，第一開關T1的第二端與CV環路控制模塊101的第一輸入端以及第二開關T2的第一端相連，並連接至電源管理晶片IC的管腳FB，第一開關T1的控制端與邏輯非門G1的輸入端相連，並連接信號端Tstart，第二開關T2的第二端與可控電流源S2輸入端相連，第二開關T2的控制端與邏輯非門G1的輸出端相連，可控電流源S2的第一控制端與CV環路控制模塊101的第一輸出端相連，可控電流源S2的第二控制端與輸入電壓檢測模塊102的輸出端相連，可控電流源S2的輸出端連接至電源地，CV環路控制模塊101的第二輸入端連接至電源管理晶片IC的管腳CS，CV環路控制模塊101的第二輸出端連接至驅動模塊2的輸入端，輸入電壓檢測模塊102的輸入端連接至電源管理晶片IC的管腳SW。

其中，管腳SW與功率電晶體M1的漏極相連；管腳FB與第一電阻R1的第一端和第二電阻R2的第一端相連；管腳CS與功率電晶體M1的源極和電阻RS的第一端相連；驅動模塊2的輸出端與功率電晶體M1的柵極相連；第一電阻R1的第二端連接原邊反饋源N*VOUT，第二電阻R2的第二端連接至電源地，電阻RS的第二端連接至電源地。

信號端Tstart信號為邏輯高時，即軟啟動階段，補償電流ICABLE由電流源S1提供，從管腳FB流出並經過第二電阻R2；信號端Tstart信號為邏輯低時，即軟啟動後正常工作階段，補償電流ICABLE由可控電流源S2提供，經過第一電阻R1從管腳FB流入。

在電源變換器軟啟動階段，即信號端Tstart信號為邏輯高電平時，電流源S1打開，而電流源S2關閉，補償電流從管腳FB流出並經過第二電阻R2，抬高反饋電壓VFB的值，以保證軟啟動初始階段與VFB相關的採樣和檢測正常，從而可以正常啟動。當軟啟動結束後，即信號Tstart翻轉為邏輯低電平，電流源S1關閉，而電流源S2打開，補償電流從管腳FB流入晶片，以降低輕載以至空載時的功耗。同時，CV環路控制模塊101以VEA來表徵輸出負載大小，根據VEA的值來調節補償電流ICABLE的大小，並且在不同的負載區段呈現不同的變化斜率，以符合恆壓控制環路調製增益的變化。隨著負載增大，即輸出電流IOUT增大，環路控制電壓VEA的值增大，補償電流ICABLE隨之逐漸增大。反饋電壓VFB表示為：

由於電流ICABLE流經第一電阻R1產生額外電壓降，VFB減小，使得VEA增大，進而電源輸出級模塊3的輸出電壓VOUT也有所增大。隨著輸出電流IOUT的增大(即負載加重)，VEA增大，ICABLE逐漸變大。對於更大的ICABLE，VFB減小得更多，則輸出電壓VOUT值較補償前的增大得更多。通過改變正常工作時的補償電流流向，使得在輕載以致空載時的補償電流很小，從而減小了輕載以至空載時的功耗。

此外，該補償電路還檢測變換器的輸入電壓信息，判別輸入電壓所處的輸入電壓區域，以此來調節補償電流ICABLE的大小和變化斜率，從而補償恆壓控制環路的調製增益在高低輸入電壓間的差異，以獲得更好的輸出恆壓精度。

如圖5，本發明輸出恆壓補償的電源變換器的一組示例波形。(a)中，負載從空載逐漸加重至滿載，補償前的輸出電壓從較高值逐漸下降至較低值。而補償電流ICABLE隨負載加重而逐漸增大。當恆壓控制環路採用混合調製方式時，在各負載區段的環路調製增益不同，即等量的VEA變化對應不等量的輸出負載變化。因此，設計的ICABLE的變化斜率在區段Ⅰ至Ⅴ不同，以保證補償有效性和更好的輸出恆壓精度。由於CV環路控制策略的選擇，較低輸入電壓(Low line)條件下,其CV環路的調製增益與較高輸入電壓(High line)條件下的不同，補償電流ICABLE的變化曲線也不同，以補償高低壓下的不同。(b)中補償後的輸出電壓保持了很好的高低壓下的一致性，提高了恆壓精度。由於補償電流ICABLE隨負載減輕而減小，空載時可基本忽略不計，其所引入的功耗增加值PCABLE極小，基本不增加空載功耗，如(c)所示。

如圖6，本發明輸出恆壓補償的電源變換器的另一組示例波形。CV環路控制模塊需要對反饋電壓VFB採樣，且對採樣時刻有嚴格的要求，需要通過檢測並處理VFB曲線的某一事件，例如，通過零電壓線發生的時刻來獲得。電路設計中，檢測該事件發生的基準，即圖中的ZCS基準，是大於0的某個值。在啟動初期，VFB的值一直小於ZCS基準值，會對過零檢測以及VFB採樣帶來影響，從而使得啟動可能會出現錯誤。為了避免這種影響，電源軟啟動階段，一路補償電流從FB管腳流出晶片，適當抬高VFB的值，保證零檢測以及VFB採樣功能正常，進而保證電源正常啟動、輸出正常建立。軟啟動結束後，補償電流則從FB管腳流入晶片，實現正常的輸出恆壓補償的功能。

如圖7所示，輸入電壓檢測模塊102包括電阻RHV、電流採樣模塊1021、鏡像比例模塊1022和電流比較器1023，電阻RHV的第一端連接至管腳SW，電阻RHV的第二端連接至電流採樣模塊1021的輸入端，電流採樣模塊1021的輸出端連接至鏡像比例模塊1022的輸入端，鏡像比例模塊1022的輸出端與電流比較器1023的第一輸入端相連，電流比較器1023的第二輸入端和第三輸入端分別與電流基準IREF1和電流基準IREF2相連。

輸入電壓檢測模塊102檢測電源變換器的輸入電壓並判斷其處於的輸入電壓區域，產生控制信號來調節電源變換器正常工作時的補償電流ICABLE的大小。

輸入電壓檢測模塊102通過對從管腳SW流入的電流進行採集處理獲得電源變換器輸入電壓的信息，輸入電壓來自電源變換器的AC輸入端或者DC輸入端。

如圖8所示，CV環路控制模塊101包含採樣檢測模塊1011、誤差放大模塊1012、峰值計算模塊1013、比較器CMP、前沿消隱模塊1014、頻率發生模塊1015、RS鎖存器1016以及輸出補償控制模塊1017，所述採樣檢測模塊1011的輸入端與管腳FB相連，採樣檢測模塊1011的輸出端與誤差放大模塊1012的第一輸入端相連，誤差放大模塊1012的第二輸入端與基準VREF相連，誤差放大模塊1012的第一輸出端連接至頻率發生模塊1015的輸入端和輸出補償控制模塊1017的第一輸入端，誤差放大模塊1012的第二輸出端與峰值計算模塊1013的輸入端相連，頻率發生模塊1015的第一輸出端與輸出補償控制模塊1017的第二輸入端相連，頻率發生模塊1015的第二輸出端與RS鎖存器1016的S輸入端相連，峰值計算模塊1013的輸出端與比較器CMP的負向輸入端相連，比較器CMP的正向輸入端與前沿消隱模塊1014的輸出端相連，比較器CMP的輸出端與RS鎖存器1016的R輸入端相連，前沿消隱模塊1014的輸入端連接管腳CS。輸出補償控制模塊1017基於誤差放大模塊1012產生的控制電壓VEA和/或頻率發生模塊1015產生的開關頻率調節正常工作時的補償電流ICABLE的大小，且ICABLE與VEA和/或開關頻率成正相關關係。

CV環路控制模塊101檢測電源變換器的輸出負載大小，並由輸出負載大小產生控制信號，調節正常工作時的補償電流ICABLE的大小。

誤差放大模塊1012基於採樣後的VFB值與基準值VREF產生表徵輸出負載信息的控制電壓VEA，並依據控制電壓VEA值，調節功率開關的開關頻率和變壓器原邊電流的峰值，進一步地，調整輸入功率的大小。另一方面，輸出恆壓補償控制模塊基於控制電壓VEA值和開關頻率中的至少一個信息來輸出控制信號CTRL1，來調節補償電流ICABLE的大小，且ICABLE與VEA值和/或開關頻率成正相關關係。

採用本發明的輸出恆壓補償電路，既能滿足電源變換器的空載低功耗設計要求，又能提高輸出恆壓的精度。

需要說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施方式，並非用以限定本發明的權利範圍；同時以上的描述，對於相關技術領域的專門人士應可明了及實施，因此其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在申請專利範圍中。