頻率控制電路和方法以及開關電路與流程

2023-07-22 15:01:11

本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種頻率控制電路和方法以及開關電路。

背景技術：

由於開關電路工作頻率受頻率控制電路的控制，因此，現有技術中，開關電路一般包括頻率控制電路，頻率控制電路可以集成於片內，也可以由分立器件搭建而成，但是很多場合是以晶片的形式使用的。以集成於片內的頻率控制電路為例，由於工作頻率是固定的，很難再通過外部信號和內部設置的方式進行設置。

以包含了頻率控制電路的buck電路為例，其原理圖如圖1所示，圖1中的頻率控制電路包括電流源i、電容c、開關s、比較器u01和觸發器u02，所述的頻率控制電路通過控制器u03連接在buck電路的控制端。所述buck電路包括上下兩個nmos管m1和m2、電感l和電容co，上管m1一端接輸入電壓vin，另一端接下管m2，下管m2另一端接地，電感l一端接m1和m2的公共節點sw，另一端接電容co一端，電容另一端接地，電容co兩端電壓即為buck電路輸出電壓vout。電流源i與電容c串聯，開關s和電容c並聯，電流源i與電容c公共節點處電壓為vd。比較器u01一端接電壓vd，另一端接參考電壓vref，輸出端連接觸發器復位端。觸發器u02輸出clock信號通過計時模塊ton與觸發器的置位端連接，所述clock信號還用於控制開關s的通斷。控制器u03輸入端接收所述clock信號，控制器u03的輸出端連接buck電路的開關管m1和m2。

開始時，開關s斷開，電流源i給電容c充電，節點處電壓vd不斷上升，當vd＜vref時，比較器u01輸出低電平，觸發器u02輸出clock信號為低電平；當vd上升到vref時，比較器u01輸出高電平，觸發器u02置位端接收一個高電平信號，觸發器u02輸出clock信號為高電平，同時，計時模塊ton開始計時，開關s閉合。計時模塊ton計時結束後，觸發器u02復位端接收一個高電平信號，觸發器u02輸出clock信號變為低電平，同時開關s斷開，電路回到開始狀態並按照上述步驟往復工作。得到的clock信號頻率即為電路的工作頻率，clock信號通過控制器u03即可控制buck電路的開關動作。由於晶片易受周圍相近工作頻率的晶片幹擾，現有技術晶片工作頻率是固定的，一旦受到這樣的幹擾，無法再設置工作頻率來避免晶片受到影響，從而降低開關電路系統的可靠性及降低系統輸出的穩定性。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種頻率控制電路和方法以及開關電路，用以解決開關電路工作頻率難以設置的技術問題，以提高開關電路系統穩定性。

為實現上述目的，本發明提供一種頻率控制電路，包括：

設置電路，根據所述第二電壓信號的值，輸出設置信號；

時鐘信號產生電路，接收所述調節信號，輸出表徵工作頻率的時鐘信號，根據所述調節信號來調節所述時鐘信號高電平處或低電平處的脈寬，以實現頻率設置。

可選的，所述設置電路包括調壓電路，在頻率設置時，在第一電壓信號和第二電壓信號之間形成電壓差；在非頻率設置時，所述第二電壓信號等於所述第一電壓信號。

可選的，所述的調壓電路包括第一電阻和第一電流源，所述第一電阻的一端接所述第一電壓信號，其另一端與所述第一電流源連接，並輸出所述第二電壓信號，通過開關控制所述第一電阻與第一電流源的通斷。

可選的，所述的第一電壓信號為開關電路的輸出電壓採樣信號，用於表徵開關電路的輸出電壓，在非頻率設置時，第二電壓信號等於第一電壓信號，檢測第二電壓信號可得到第一電壓信號。

可選的，所述的調節電路還包括比較電路，所述的設置電路包括一個或多個比較器，將所述第二電壓信號與相應的參考信號進行比較，產生相應的比較信號，根據所述的比較信號來產生所述設置信號。

可選的，所述的設置電路還包括電流調節電路，所述電流調節電路接收所述比較信號，以調節所述電流調節電路中的電流，根據所述電流調節電路中的電流來輸出所述的設置信號。

可選的，所述的電流調節電路包括多路由電流源和開關組成的串聯模塊，每路開關的控制端接收相應的所述比較信號。

可選的，所述的設置電路還包括鎖存電路，將所述比較電路輸出的比較信號鎖存於鎖存電路中，所述電流調節電路接收所述鎖存電路中已鎖存的比較信號。

可選的，所述時鐘信號產生電路包括第一電容，所述的時鐘信號產生電路接收所述設置信號，所述設置信號對所述第一電容充電，將所述第一電容充電至第一閾值的時間表徵所述時鐘信號高電平處或低電平處的脈寬。

可選的，所述時鐘信號產生電路還包括觸發器，將所述第一電容上的電壓與第一閾值進行比較，其比較結果接入觸發器的重置端，所述觸發器的置位端連接有計時模塊，所述觸發器的輸出端輸出所述時鐘信號。

可選的，所述設置信號對所述第一電容充電，所述第一電容上電壓小於第一閾值，所述觸發器接收上述比較結果，此時其所輸出的時鐘信號為低電平；當所述第一電容上電壓上升到第一閾值時，所述觸發器根據該比較結果所輸出時鐘信號為高電平，與此同時，所述計時模塊開始計時，並對第一電容放電，所述計時模塊內預設有閾值時間，在計時到閾值時間時則計時結束，在計時時間內所述的時鐘信號為高電平，在計時結束後再次對第一電容充電，往復上述過程。

可選的，所述第一電容的容值和所述第一閾值為可變的，通過調節所述第一電容的容值或所述第一閾值，來進一步設置所述時鐘信號高電平處或低電平處的脈寬。

可選的，所述的頻率控制電路為集成電路，所述第一電阻設置在片外，所述集成電路的採樣引腳連接所述第一電阻，所述第二電壓信號為所述集成電路採樣引腳的電壓。

本發明還提供一種頻率控制方法，包括以下步驟：

在頻率設置時，輸出電流並檢測第二電壓信號，根據所述第二電壓信號的值，輸出設置信號，根據所述設置信號來設置所述時鐘信號高電平處或低電平處的脈寬，輸出表徵工作頻率的時鐘信號，以實現頻率設置；在非頻率設置時，所述第二電壓信號等於所述第一電壓信號，檢測所述第二電壓信號可得到第一電壓信號。

本發明還提供一種開關電路，包括：以上任意一種頻率控制電路，所述開關電路的控制端接收所述時鐘信號以控制主功率開關管的開關狀態。

與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點：在頻率設置時，輸出電流並檢測第二電壓信號，根據所述第二電壓信號的值，輸出設置信號，根據所述設置信號來設置所述時鐘信號高電平處或低電平處的脈寬，輸出表徵工作頻率的時鐘信號，以實現頻率設置；在非頻率設置時，所述第二電壓信號等於所述第一電壓信號，檢測所述第二電壓信號可得到第一電壓信號。本發明在頻率設置時可以通過設置第二電壓信號的大小來設定開關電路的工作頻率，避免了電路的電磁幹擾，提高開關電路系統的穩定性。

附圖說明

圖1為現有技術中應用頻率控制電路之開關電路的示意圖；

圖2為本發明中應用頻率控制電路之開關電路的示意圖；

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的優選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神和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。

為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選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。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。需說明的是，附圖均採用較為簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

如圖2所示，示意了本發明頻率控制電路的電路結構，以頻率控制電路控制buck電路為例，圖2中的頻率控制電路包括設置電路和時鐘信號產生電路。所述設置電路包括調壓電路、比較電路、鎖存電路和電流調節電路u1，所述調壓電路電路包括第一電阻rt、開關s01、第一電流源i01，所述比較電路包括多個比較器，所述鎖存電路包括多個鎖存器，所述電流調節電路u1包括多個電流源和開關。所述時鐘信號產生電路包括包括開關s、第一電容c、比較器u01、觸發器u02。所述頻率控制電路通過控制器u03連接在buck電路的控制端。所述buck電路包括上下兩個nmos管m1和m2、電感l、電容co和兩個分壓電阻r1、r2。上管m1一端接輸入電壓vin，另一端接下管m2，下管m2另一端接地，電感l一端接m1和m2的公共節點sw，另一端接電容co一端，電容co另一端接地，電容co兩端電壓即為buck電路輸出電壓vout。電阻r1和電阻r2串聯，所述串聯電路接在電容co的兩端，電阻r1和電阻r2公共節點處電壓為v1，第一電阻rt一端接第一電壓v1；第一電流源i01與開關s01任意順序串聯，為第一串聯電路，第一串聯電路一端接第一電阻rt另一端，其公共節點處電壓為第二電壓v2，第一串聯電路另一端接電源vdd。所述比較電路的每個比較器一端接第二電壓v2，另一端接一個基準電壓(vr1、vr2、......、vrn)，每個比較器輸出端接一個鎖存器。所述電流調節電路u1由多個串聯電路並聯組成，每個串聯電路由一個電流源(i1、i2、......、in)和一個開關(s1、s2、......、s3)串聯，所述電流調節電路u1輸入端接供電端，輸出端接所述時鐘信號產生電路。開關s和第一電容c並聯，所述並聯電路一端接電流調節電路u1輸出端，其公共節點處電壓為vd，所述並聯電路另一端接地。比較器u01一端接電壓vd，另一端接第一閾值vref，輸出端接觸發器u02置位端。觸發器u02輸出clock時鐘信號通過計時模塊ton與觸發器的置位端連接，所述clock時鐘信號還用於控制開關s的通斷。控制器u03輸入端接收所述clock時鐘信號，控制器u03的輸出端連接buck電路的開關管m1和m2。

電路上電時，輸入enable信號控制開關s01閉合，電路工作在頻率設置狀態，否則工作在非頻率設置狀態。電路工作在頻率設置狀態時，第二電壓的大小為：

v2＝i01*(r2+rt)+io*r2(1)

其中，io為buck電路輸出電流。

因為io的值遠小於i01，電阻r2遠小於第一電阻rt，所以式(1)中的io*r2可以忽略不計。

設定一系列參考電壓vr1、vr2、......、vrn，其中vr1＞vr2＞.....＞vrn，將第二電壓v2分別於參考電壓vr1、vr2、......、vrn相比較並經鎖存器鎖存後輸出比較信號vc1、vc2、......、vcn(vc1、vc2、......、vcn為1或0)分別去控制電流調節電路u1中開關s1、s2、......、s3的通斷，從而去控制電流調節電路u1的輸出電流i0的大小。信號vc1、vc2、......、vcn被鎖存後，輸入enable信號控制開關s01斷開，此時電路工作在非頻率設置狀態，第一電壓v1等於第二電壓v2，檢測第二電壓v2就可得到第一電壓v1。

時鐘信號產生電路在開始時，開關s斷開，電流調節電路u1輸出的電流i0給第一電容c充電，節點處電壓vd不斷上升，當vd＜vref時，比較器u01輸出低電平，觸發器u02輸出clock時鐘信號為低電平；當vd上升到第一閾值vref時，比較器u01輸出高電平，觸發器u02置位端接收一個高電平信號，觸發器u02輸出clock時鐘信號為高電平，同時，計時模塊ton開始計時，開關s閉合。計時模塊ton計時結束後，觸發器u02復位端接收一個高電平信號，觸發器u02輸出clock時鐘信號變為低電平，同時開關s斷開，電路回到開始狀態並按照上述步驟往復工作。此外，所述第一電容的容值c和所述第一閾值vref為可變的，通過調節所述第一電容的容值c或所述第一閾值vref，可進一步設置所述clock時鐘信號高電平處或低電平處的脈寬。得到的clock時鐘信號頻率即為頻率控制電路的工作頻率，clock時鐘信號通過控制器u03即可控制buck電路的開關動作。本發明得到的頻率控制電路工作的開關周期為：

當需要設置電路工作頻率時，通過設置第一電阻rt的大小就可以設置第二電壓信號的值，根據第二電壓信號的值得到設置信號，再根據所述設置信號來設置時鐘信號高電平或低電平處的脈寬，便可實現頻率設置。所述的頻率控制電路可以為集成電路，所述第一電阻設置在片外，所述集成電路的採樣引腳連接所述第一電阻，所述第二電壓信號為所述集成電路採樣引腳的電壓，所述採樣引腳為復用引腳，既可以實現輸出電壓採樣，同時也可以實現頻率設置的功能，即通過設置第二電壓信號的大小就可以設置晶片的工作頻率，從而避免與周圍晶片產生電磁幹擾，提高了開關電路系統的穩定性。

以上所述的實施方式，並不構成對該技術方案保護範圍的限定。任何在上述實施方式的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在該技術方案的保護範圍之內。