功率调节器及其控制方法 【技术领域】
本发明涉及一种功率调节器，尤其涉及一种频率固定的恒定时间控制方案的功率调节器及其控制方法。
背景技术
现有技术的功率调节器实现方案中，主要是通过控制拓扑结构中的开关器件的导通和关闭时间，来实现对输出电压或电流的调节。其中，对开关器件的控制主要有两种控制方案，一种为采用恒定频率的PWM控制方案，另一种为恒定时间控制方案(可以包括恒定关断时间和恒定开通时间控制方案)。
图1A和图1B所示为一示例采用恒定频率的PWM控制方案的原理框图和工作波形图。如图所示，恒定频率PWM控制方案的基本工作原理为在每个固定的开关周期内，由内部固定时钟控制开关器件闭合，由PWM信号产生单元2和逻辑/驱动电路1相结合产生相应的控制开关器件断开信号控制开关器件的断开。在其他的实现方案中可以采用电感电流信号与一基准信号的比较信号，来控制开关器件断开。这种控制方案中，开关器件的工作频率是受内部时钟信号控制，因此其工作频率是固定的，但是其缺陷是存在次谐波振荡，因此需要进行斜坡补偿，并且瞬态响应速度相对较慢。
图2A和图2B所示为一示例采用恒定关断时间控制方案的功率调节器的原理框图和工作波形图。如图所示，恒定关断时间控制方案的工作原理为，其内部具有恒定关断时间发生电路5。开关器件在由反馈控制电路6和脉冲宽度调制电路7控制其关断后，延时由恒定关断时间发生电路5所产生的一段长度固定的时间段后再继续导通。采用这种实现方案时，其优点在于：不存在分谐波振荡的影响，电路的动态响应得到提高，临界电流也是恒定的。但是由于其开关频率不是固定的，所以在设计电路结构需要的EMI滤波电路时，就需要考虑所有可能出现的频率，因此增加了滤波电路设计的难度，并且对内部其它电路的干扰也是不可预知的，从而给整个电路设计稳定性带来了诸多不便。
为解决上述的技术开关频率不固定的问题，申请号为200710068436.4的中国发明专利公开一种实现频率恒定的恒定关断时间控制方案，其电路原理如图3所示，其工作过程为，功率开关导通时，电感电流增加，并流经检测电阻输出相应的检测电压，该检测电压与预定的控制信号在加法器中相减，并输出至可复位积分器。随着电感电流增加，可复位积分器的输出从零变负再由负变零，当可复位积分器的上升沿来临时，比较器触发恒定关断时间发生器，其输出使得可复位积分器复位，进而使得功率开关关断并截止恒定的时间Toff。
此种方案的开关频率由开关电源的输入电压和输出电压决定，其恒定关断时间为TOFF＝K*(VIN-VOUT)/VIN。采用这种实现方案，需要同时采样输入电压和输出电压，还需要可复位积分器，实现相对较复杂。对于某些采用集成芯片的应用，如果该芯片没有输出引脚，则需要额外的引脚电路，增加了电路的复杂性。同理，采用恒定开通控制方案时，开关器件的导通时间固定，但是其开关频率也是变化的，因此也存在同样的问题，即电路的稳定性较差，需要增加有效的滤波电路和抗干扰电路设计，增加了电路设计的复杂性和成本。
【发明内容】
针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种功率调节器，以解决现有技术存在谐波需要补偿或实现固定频率的电路结构过于复杂的技术问题。
本发明另提供一种功率调节器的控制方法，以解决现有技术滤波电路设计复杂或存在谐波需要补偿的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种功率调节器，用以将输入电信号转换为输出电信号，以给负载供电，其包括功率级电路、开关器件调节信号发生电路、固定时间发生电路和逻辑/驱动电路，其中，所述功率级电路包括开关器件和滤波电路；所述开关器件调节信号发生电路进一步包括，反馈控制电路模块和脉冲宽度调制电路，所述反馈控制电路接收所述功率级电路的输出信号，并输入至脉冲宽度调制电路，以产生PWM控制信号；所述固定时间发生电路接收所述PWM控制信号，并根据所述PWM控制信号的占空比产生一固定时间信号；所述逻辑/驱动电路分别接收所述PWM控制信号和所述固定时间信号，进而控制功率级电路中地开关器件的动作，以调节输出信号，并且保证所述开关器件的工作频率维持恒定。
依照本发明较佳实施例所述的功率调节器，所述固定时间发生电路模块进一步包括，一基准电压发生模块，用以接收内部PWM控制信号并产生一基准电压信号；一斜坡信号发生模块，用以接收内部PWM控制信号并产生一固定斜率的斜坡信号；以及一比较模块，用以接收所述基准电压信号和所述斜坡信号，进而产生所述固定时间信号，并输出至所述逻辑/驱动电路。
依照本发明较佳实施例所述的功率调节器，所述基准电压发生模块进一步包括：一平均电路，用以对接收到的PWM控制信号和基准源信号进行平均，并产生一与PWM截止占空比成正比例的一基准电压，并输入所述比较模块。
依照本发明较佳实施例所述的功率调节器，所述基准电压发生模块进一步包括：一平均电路，用以对接收到的PWM控制信号和基准源信号进行平均，并产生一与PWM导通占空比成正比例的一基准电压，并输入所述比较模块。
依照本发明较佳实施例所述的功率调节器，所述斜坡信号发生模块进一步包括第一恒流源以及第一电容，用以接收内部PWM控制信号，以产生一固定斜率的斜坡信号，所述斜坡信号的峰值为所述基准电压发生电路模块产生的所述基准电压。
依照本发明较佳实施例所述的功率调节器，所述平均电路进一步包括：第一电阻和第二电容，用以对接收到的PWM控制信号和基准源信号进行平均。
本发明另提供一种功率调节器中输出信号调节控制方法，包括：步骤一：反馈控制电路采样功率级电路的输出信号；步骤二：脉冲宽度调制电路接收所述反馈控制电路的输出，并产生PWM控制信号；步骤三：固定时间发生电路用以产生一固定时间信号；步骤四：逻辑/驱动电路接收所述PWM控制信号和所述固定时间信号，进而控制功率级电路中的开关器件的开关工作，并以此来调节输出信号，并且保证开关器件的工作频率维持恒定。
依照本发明较佳实施例所述的功率调节器中输出信号的调节方法，所述步骤三进一步包括，通过一基准电压发生模块来产生一与PWM控制信号的截止占空比成正比例的基准电压；通过斜坡信号发生模块，产生一斜率固定的斜坡信号；通过比较模块接收所述基准电压和所述斜坡信号，并将两者进行比较以产生一固定时间信号，所述固定时间信号和PWM控制信号一起输入至逻辑/驱动电路，以控制开关器件的关断时间，并且保持开关器件的工作频率恒定。
依照本发明较佳实施例所述的功率调节器中输出信号的调节方法，所述步骤三进一步包括：通过一基准电压发生模块来产生一与PWM控制信号的导通占空比成正比例的基准电压；通过斜坡信号发生模块，产生一斜率固定的斜坡信号；通过比较模块接收所述基准电压和所述斜坡信号，并将两者进行比较以产生一固定时间信号，所述固定时间信号和PWM控制信号一起输入至逻辑/驱动电路，以控制开关器件的导通时间，并且保持开关器件的工作频率恒定。
采用本发明电路的功率调节器和所述的调节方法，既可以实现开关器件关断或者导通时间恒定，也可以保证开关频率恒定，从而简化了EMI滤波电路的设计，减少了电路成本；并且对其它电路的干扰减小，使得整个功率调节器的稳定性增强。
【附图说明】
图1A所示为现有技术一种恒定频率PWM控制实现方案原理框图；
图1B所示为图1A恒定频率PWM控制实现方案所示的工作波形图；
图2A所示现有技术一种恒定关断时间控制实现方案原理框图；
图2B所示为图2A所示的恒定关断时间控制实现方案的工作波形图；
图3为现有技术一种实现频率恒定的功率调节器的方案实现结构图；
图4为本发明的功率调节器的原理框图；
图5所示为依据本发明实施例的一种功率调节器的实现原理框图；
图6A所示为依据本发明实施例的一固定时间发生电路的实现原理图；
图6B所示为图6A所示的固定时间发生电路的工作波形图；
图7A所示为依据本发明实施例的另一固定时间发生电路的实现原理图；
图7B所示为图7A所示的固定时间发生电路的工作波形图；
图8所示为依据本发明的实施例的一功率调节器输出调节方法流程图；
图9所示为依据本发明的实施例的一固定时间信号的产生方法流程图；
图10所示为依据本发明的实施例的另一固定时间信号的产生方法流程图。
【具体实施方式】
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。本发明选取这些实施例的目的不是将本发明的范围限于这些实施例，而是使本领域普通技术人员能够更好的理解和使用本发明。
请参考图4和图5，图4所示为依据本发明实施例的功率调节器的原理框图，图5为图4的实现原理框图，图4所示的功率调节器其基本结构包括功率级电路、开关器件调节信号发生电路4、固定时间发生电路5和逻辑/驱动电路3三部分。
其中功率级电路可以为已公知的升压型、降压型、升降压型、正激式或者反激式等拓扑结构，进一步包括开关器件和滤波电路。
开关器件调节信号发生电路4，其进一步包括，反馈控制电路(VA)41和脉冲宽度调制电路42(以下简称PWM电路)，反馈控制电路41用以接收所述功率级电路的输出信号，并输入至PWM电路，进而由PWM电路42产生PWM控制信号；
固定时间发生电路5，用以接收所述PWM控制信号，并产生一与PWM控制信号的占空比成比例的固定时间信号。
逻辑/驱动电路3，用以分别接收所述PWM控制信号和所述固定时间信号，进而控制所述功率级电路中的开关器件动作，并调节输出信号，并且保证所述开关器件的工作频率维持恒定。
进一步参考图5，固定时间发生电路5进一步包括，用以产生基准电压信号的基准电压发生模块51、用以产生固定斜率的斜坡信号的斜坡信号发生模块52和一比较模块53，该比较模块53接收所述基准电压信号和斜坡信号，用以产生一固定时间信号，并输出到逻辑/驱动电路3。
逻辑/驱动电路3接收PWM控制信号和固定时间信号，进而控制功率级电路中的开关器件的导通或者关闭时间，并且保证所述开关器件的工作频率维持大体恒定。
由于逻辑/驱动电路3、功率级电路以及开关器件调节信号发生电路4均为现有技术，在此不做过多叙述。以下仅对本发明固定时间发生电路5的具体实施例做进一步详细叙述，以使得本领域的技术人员能够详尽理解本发明。
实施例一
图6A所示为依据本发明一实施例的固定时间发生电路5的实现原理框图。图6B所示为图6A的工作波形图。
图6A所示的固定时间发生电路5包括基准电压发生模块51、斜坡信号发生模块52和比较模块53三部分。
基准电压发生模块51由开关电路和平均电路两部分组成；所述开关电路接收PWM控制信号和一基准源信号，平均电路对接收到的PWM控制信号进行平均运算。
本实施例的比较模块53采用一比较器609实现。
所述开关电路包括反相器612、第一晶体管601、第二晶体管602；
所述平均电路包括电阻611、第一电容621；其中第二晶体管602的栅极直接接收PWM控制信号、第一晶体管601的栅极通过反相器612分别连接至PWM控制信号，第一晶体管601源极接收基准源信号VREF，其漏极和第二晶体管602的公共节点A连接至平均电路的电阻611的一端，平均电路中电阻611和第一电容621的公共节点B连接至比较器609的同相输入端。
斜坡信号发生模块52包括一恒流源608、第二电容622和第三晶体管603；第三晶体管603的栅极接收PWM控制信号，恒流源608和第二电容622的公共节点C连接至比较器609的反相输入端。
在该优选实施例中，固定时间发生电路产生与内部一脉冲宽度调节信号PWM的截止占空比(1-D)成正比的时间，其中D为PWM信号的导通占空比。本实施例中所述固定时间即为开关器件的关断状态持续时间，即关断时间toff。
固定时间发生电路产生的固定时间信号与PWM控制信号经过逻辑运算，得到一开关器件调节控制信号，以驱动开关器件的关断动作，进而调节输出信号。
假设电路中的PWM控制信号的导通占空比为D，开关器件的工作频率fsw如下公式(1)为：
fsw=1T=1-Dtoff---(1)]]>
其中1-D为内部PWM信号的截止占空比，T为开关器件的工作周期时间，toff为开关器件的关断时间。由以上公式(1)可以推知，如果可以使得关断时间toff数值大小与(1-D)数值成比例关系，
即toff＝k(1-D) (2)
其中k为一常数比例系数，则上述计算公式可以转换为
fsw=1T=1-Dtoff=1-DK(1-D)=1K,---(3)]]>
即可以推知此时频率fsw为一固定常数值，从而实现了开关器件的工作频率维持恒定。
本实施例的基本工作过程为：基准源信号VREF首先由PWM信号经由反相器612、第一晶体管601和第二晶体管602组成的开关电路调制，后经电阻611和第一电容621组成的平均电路进行滤波平均后，在电阻611和第一电容621的公共节点B端产生数值为(1-D)×VREF的基准电压信号VREF1，并输入至比较器609，其中D为PWM控制信号的导通占空比。
在一个工作周期内，当PWM控制信号为高时，第三晶体管603闭合导通，第二电容622两端电压约为零。当PWM信号为低时，第三晶体管603断开，恒流源608对第二电容622持续充电直至下一周期PWM信号变为高时。
由于比较器609的箝位作用使得在对第二电容622充电期间，即PWM信号的关断时间，第二电容622在C端的峰值电压即比较器反向输入端电压值即为基准电压发生电路产生的基准电压信号VREF1，其数值大小为(1-D)×VREF。周而复始，公共节点C的电压为一斜率固定峰值为VREF1的斜坡信号。
假设第三电容408的电容值为C0，恒流源608的电流值为I0，则所产生的斜率固定的斜坡信号其上升时间为以此时间作为控制开关器件关断时间的toff，则
toff=VREF1I0/C0=(1-D)×VREFI0/C0=VREF×C0I0×(1-D)=k×(1-D)---(4)]]>
则得到了与(1-D)成正比关系的关断时间即toff，其比例系数为
k=VREF×C0I0---(5)]]>
则开关器件的频率数值为
fsw=1-Dtoff=I0VREF×C0---(6)]]>
即实现了开关器件的工作频率为一恒定值。
采用该示例固定时间发生电路的一种升压型拓扑结构的功率调节器，其工作过程可以为每个工作周期内，当检测到的电感电流达到设定值后，逻辑/驱动电路关断开关器件，在延时由固定时间发生电路产生的固定关断时间后，开关器件闭合，周而复始以固定工作频率在每个工作周期内调节输出。
实施例二
请参考图7A和图7B，为本发明另一实施例的固定时间发生电路5的实现原理框图。图7B所示为图7A的工作波形图。
图7A所示的优选固定时间发生电路大体包括基准电压发生模块51、斜坡信号发生模块52和比较模块53三部分。
基准电压发生模块51可以由开关电路和平均电路两部分组成；所述开关电路接收PWM控制信号，平均电路对接收到的PWM控制信号进行平均运算；
与实施例一相同，比较模块53为一比较器609来实现。
所述开关电路包括反相器612、第一晶体管601、第二晶体管602；
所述平均电路包括电阻611、第一电容621；
其中，第一晶体管601的栅极连接所述PWM信号、其源极连接所述基准源信号VREF，其漏极与第二晶体管602的源极连接至公共节点A，第二晶体管602的栅极通过反相器612连接至PWM信号，其漏极连接第一电容621其中一端，并共同连接至地；所述第一电容621的另一端与第一电阻611的一端连接至公共节点B，并共同连接至比较器609的正相输入端；所述第一电阻611的另一端连接至公共节点A。)
斜坡信号发生模块52包括恒流源608、第二电容622和第三晶体管603；第三晶体管603的栅极接收PWM控制信号，恒流源608和第二电容622的公共节点C连接至比较器609的反相输入端。
在该实施例中，固定时间发生电路产生与内部一脉冲宽度调节信号PWM的导通占空比D成正比的时间，其中D为PWM信号的导通占空比。本实施例中所述固定时间即为开关器件的导通状态持续时间，即导通时间ton。
假设电路中的PWM控制信号的导通占空比为D，开关器件的工作频率fsw如下公式(7)：
开关频率fsw=1T=Dton---(7)]]>
其中D为电路工作周期占空比，ton为开关器件的导通时间。如果导通时间ton与占空比D成比例关系，即
D＝k×ton (8)
其中k为一常数比例系数，则
fsw=1T=Dton=k×tonton=k---(9)]]>
则即可以实现开关器件工作频率恒定。
本实施例的工作过程为：基准源信号VREF首先由PWM信号经反相器612、第一晶体管601和第二晶体管602组成的开关电路调制，后经电阻611和第一电容621组成的平均电路进行滤波平均后，在公共节点B端产生数值为D×VREF的基准电压信号VREF1，并输入至比较器609，其中D为PWM控制信号的导通占空比。
在一个工作周期内，当PWM控制信号为高时，第三晶体管603闭合导通，第二电容622两端电压约为零。当PWM信号为低时，第三晶体管603断开，恒流源507对第二电容622持续充电直至下一周期PWM信号变为高时。
由于比较器609的箝位作用使得在对第二电容622充电期间，即PWM信号的关断时间，第二电容622的C端的峰值电压即比较器反相输入端电压值即为基准电压发生电路产生的基准电压信号VREF1，其数值大小为D×VREF。周而复始，公共节点C的电压为一斜率固定，峰值为VREF1的斜坡信号。
假设第二电容622的电容值为C1，恒流源608的电流值为I1，则所产生的斜率固定的斜坡信号其上升时间为以此时间作为控制开关器件导通时间的ton，则
ton=VREF1I1/C1=D×VREFI1/C1=VREF×C1I1×D=k×D---(10)]]>
则得到了与D成正比关系的导通时间即ton，其比例系数为
k=VREF×C1I1---(11)]]>
则开关器件的频率数值为
fsw=Dton=I1VREF×C1---(12)]]>
即实现了开关器件的工作频率为一恒定值。
使用该示例固定时间发生电路的降压型拓扑结构的功率调节器，其工作过程可以为在每个工作周期内，当检测到的电感电流达到设定值后，驱动控制电路导通开关器件，在延时由固定时间发生电路产生的导通时间后，开关器件断开，周而复始以固定工作频率在每个工作周期内调节输出。
根据以上对优选实施例的详细描述，本领域普通技术人员可以推知其它电路结构的基准电压发生模块和斜坡信号发生模块同样适用于依据本发明的实施例。
例如，图6A和7A中的基准电压发生模块51中所使用的晶体管可以省略。另外，图6A和7A中的斜坡信号发生模块52也可以使用计数器和数模转换器组合的电路结构来实现。
本发明另提供一种基于以上的电路的一种输出电压的调节方法，以下对依据本发明的功率调节器的输出调节控制方法进行详细描述。
图8所示为依据本发明实施例的一功率调节器的输出调节控制方法的流程图。
S801：反馈控制电路采样功率级电路的输出信号；
S802：脉冲宽度调制电路接收反馈控制电路的输出，并产生PWM控制信号；
S803：固定时间发生电路产生固定时间信号；
S804：逻辑/驱动电路接收PWM控制信号和固定时间信号，以控制开关器件的开关动作，进而调节输出信号，并且保证开关器件的功率维持大体恒定。
请参考图9，图9所示的是其为基于本发明的固定时间电路发生电路的第二实施例产生固定截止时间信号的步骤可以进一步包括：
S901：基准电压发生模块产生一与PWM控制信号的截止占空比成正比例的基准电压信号；
S902：斜坡信号发生模块产生一斜率固定的斜坡信号，所述斜坡信号的峰值与所述基准电压信号相等；
S903：比较模块接收所述基准电压信号和所述斜坡信号，以产生固定时间信号，并输入至逻辑/驱动电路。
逻辑/驱动电路接收PWM控制信号和固定时间信号，以控制开关器件的开关动作，使得开关器件的截止时间保持恒定，并且使得开关器件的工作频率维持大体恒定。
请参考图10，其为基于本发明的固定时间电路发生电路的第二实施例产生固定导通时间信号的步骤可以进一步包括：
S1001：基准电压发生模块产生一与PWM控制信号的导通占空比成正比例的基准电压信号；
S1002：斜坡信号发生模块产生一斜率固定的斜坡信号，所述斜坡信号的峰值与所述基准电压信号相等；
S1003：比较模块接收所述基准电压信号和所述斜坡信号，以产生固定时间信号，并输入至逻辑/驱动电路。
逻辑/驱动电路接收PWM控制信号和固定时间信号，以控制开关器件的开关动作，使得开关器件的导通时间保持恒定，并且使得开关器件的工作频率维持大体恒定。
综上所述，采用本发明的功率调节器的实现电路和基于该种电路的控制方法，可以实现功率调节器的频率恒定，不产生谐波震荡，并且实现的电路简单，稳定性强。
以上对依据本发明的优选实施例的功率调节器以及其输出调节控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。