CN202978703U - 一种开关电源电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种开关电源电路，所述开关电源电路包括输入端口，耦接输入电压；输出端口，提供输出电压给负载；耦接在输入端口和输出端口之间的储能元件和功率开关；误差放大器，基于反馈信号和电压参考信号在输出端输出误差放大信号；误差比较器，基于误差放大信号和锯齿波信号在其输出端输出频率控制信号；峰值电流产生器，基于频率控制信号在输出端产生峰值电流信号；峰值电流比较器，基于峰值电流信号和电流检测信号，在输出端输出峰值电流控制信号；逻辑电路，基于频率控制信号和峰值电流控制信号，在其输出端输出门极信号用以控制所述功率开关的导通和断开。

Description

一种开关电源电路

技术领域

本实用新型涉及电源电路，更具体地说，本实用新型涉及开关电源电路。

背景技术

开关电源电路被广泛地应用于各种场合。一种常用于现有开关电源电路的控制模式为峰值电流控制。然而现有峰值电流采用恒定峰值电流的方法，将使得电路负载变低时，效率降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有技术的上述问题，提供一种改进的开关电源电路。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种开关电源电路，包括：输入端口，耦接输入电压；输出端口，提供输出电压给负载；耦接在输入端口和输出端口之间的储能元件和功率开关，其中所述功率开关具有控制端；误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接反映输出电压的反馈信号，所述第二输入端接收电压参考信号，所述输出端输出误差放大信号；误差比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至误差放大器的输出端接收误差放大信号，所述第二输入端接收锯齿波信号，所述输出端输出频率控制信号；峰值电流产生器，具有输入端和输出端，所述输入端耦接至误差比较器的输出端接收频率控制信号，所述输出端产生峰值电流信号；峰值电流比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至峰值电流产生器的输出端接收峰值电流信号，所述第二输入端接收反映流过储能元件的电流的电流检测信号，所述输出端输出峰值电流控制信号；逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至误差比较器的输出端接收频率控制信号，所述第二输入端耦接至峰值电流比较器的输出端接收峰值电流控制信号，所述输出端输出门极信号至功率开关的控制端。

根据本实用新型的实施例，其中所述逻辑电路包括：振荡器，输出固定频率的时钟信号；选择电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至振荡器接收时钟信号，所述第二输入端耦接至误差比较器接收频率信号，所述选择电路在频率信号小于时钟信号时输出频率信号，在频率信号大于或等于时钟信号时，输出时钟信号；RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，其中所述置位端耦接至选择电路的输出端，所述复位端耦接至峰值电流比较器的输出端接收峰值电流控制信号，所述输出端输出所述门极信号。

根据本实用新型的实施例，其中所述峰值电流产生器包括：第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接具有峰值电流信号最大值的电压值的最大值电平信号，所述控制端耦接频率控制信号；周期计时单元，具有输入端和输出端，所述输入端接收频率控制信号，所述输出端输出定时信号；第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至第一开关的第二端，所述控制端耦接至周期计时单元的输出端接收定时信号；第三开关，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关的第二端，所述第二端耦接具有峰值电流信号最小值的电压值的最小值电平信号；第一电容，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第一开关和第二开关的连接点，所述第二端接参考地；第一电流源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关和第三开关的连接点，所述第二端连接至参考地。

根据本实用新型的实施例，其中所述周期计时单元包括：第一计时器，接收频率控制信号，输出第一计时信号；第二计时器，耦接频率控制信号，输出第二计时信号；或门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至第二计时器的输出端接收第二计时信号，所述第二输入端接收频率信号；RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，其置位端耦接至第一计时器接收第一计时信号，其复位端耦接或门电路的输出端，所述输出端输出定时信号。

为实现上述目的，本实用新型还提出了一种开关电源电路，包括：变压器、原边功率开关、副边功率开关、原边控制器、副边控制器和耦合器件，所述变压器包括原边绕组，副边绕组和第三绕组，所述原边绕组与原边功率开关耦接，所述副边绕组与副边功率开关耦接，所述耦合器件具有输入侧和输出侧，所述输入侧耦接所述副边控制器，所述输出侧产生频率控制信号，所述原边控制器提供控制原边功率开关的通断的门极信号，所述原边控制器包括：峰值电流产生器，具有输入端和输出端，所述输入端接收频率控制信号，所述输出端产生峰值电流信号；电流比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收反映流过原边绕组的电流的电流检测信号，第二输入端耦接至峰值电流产生器的输出端接收峰值电流信号，所述输出端输出峰值电流控制信号；逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接收频率控制信号，所述第二输入端耦接至峰值电流比较器的输出端接收峰值电流控制信号，所述输出端输出门极信号。

根据本实用新型的实施例，其中所述逻辑电路包括：振荡器，输出固定频率的时钟信号；选择电路，具有第一输入端，第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至振荡器接收时钟信号，所述第二输入端耦接至误差比较器接收频率信号，所述选择电路在频率信号小于时钟信号时，输出频率信号，在频率信号大于或等于时钟信号时，输出时钟信号；RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，其中所述置位端耦接至选择电路的输出端，所述复位端耦接至峰值电流比较器的输出端接收峰值电流控制信号，所述输出端输出所述门极信号。

根据本实用新型的实施例，其中所述峰值电流产生器包括：第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接具有峰值电流信号最大值的电压值的最大值电平信号，所述控制端耦接频率控制信号；周期计时单元，具有输入端和输出端，所述输入端接收频率控制信号，基于频率控制信号，所述输出端输出定时信号；第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至第一开关的第二端，所述控制端耦接至周期计时单元的输出端接收定时信号；第三开关，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关的第二端，所述第二端耦接具有峰值电流信号最小值的电压值的最小值电平信号；第一电容，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第一开关和第二开关的连接点，所述第二端接参考地；第一电流源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关和第三开关的连接点，所述第二端连接至参考地。

根据本实用新型的实施例，其中所述周期计时单元包括：第一计时器，接收频率控制信号，并基于频率控制信号输出第一计时信号；第二计时器，耦接频率控制信号，并基于频率控制信号输出第二计时信号；或门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至第二计时器的输出端接收第二计时信号，所述第二输入端接收频率信号；RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，其置位端耦接至第一计时器接收第一计时信号，其复位端耦接或门电路的输出端，所述RS触发器基于第一计时信号和或门电路的输出信号输出定时信号。

根据本实用新型的实施例，其中所述副边控制器包括：误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接表征输出电压的反馈信号，第二输入端接收电压基准信号，所述输出端输出误差放大信号；误差比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至误差放大器的输出端接收误差放大信号，第二输入端耦接调制信号，所述输出端输出第一比较信号；第四开关，具有第一端、第二端和控制端，其中所述控制端耦接至误差比较器的输出端接收第一比较信号，所述第二端接副边参考地；其中，所述耦合器件的输入侧耦接在输出端口和第一开关的第一端之间。

根据本实用新型上述各方面的开关电源电路，有效提高了效率。

附图说明

图1示出了根据本实用新型一实施例的开关电源电路100的电路结构示意图；

图2所示为图1所示开关电源电路100的峰值电流信号Vlim和开关频率f的关系示意图；

图3示出了根据本实用新型一实施例的图1所示开关电源电路峰值电流产生器105的电路结构示意图；

图4示出图3所示峰值电流产生器105的定时信号ts和峰值电流信号Vlim的时序波形图；

图5示出了根据本实用新型一实施例的开关电源电路200的电路结构示意图；

图6示出图5所示开关电源电路200的开关频率f随频率控制信号的频率fcon变化而变化的关系示意图；

图7示出了根据本实用新型一实施例的开关电源电路300的电路结构示意图；

图8示出了根据本实用新型一实施例的开关电源电路400的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本实用新型。在以下描述中，为了提供对本实用新型的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本实用新型。在其他实例中，为了避免混淆本实用新型，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本实用新型至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1示出了根据本实用新型一实施例的开关电源电路100的电路结构示意图。如图1所示，所述开关电源电路100包括：输入端口101，耦接输入电压VIN；输出端口110，提供输出电压Vo；耦接在输入端口101和输出端口110之间的储能元件L、功率开关M1和M2；以及提供门极信号以控制功率开关M1和M2的控制电路，其中所述控制电路包括：误差放大器102，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接收反映输出电压Vo的反馈信号Vfb，所述第二输入端接收电压参考信号Vref，基于所述反馈信号Vfb和电压参考信号Vref，所述误差放大器102在输出端输出误差放大信号Vc；误差比较器103，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收误差放大信号Vc，所述第二输入端接收锯齿波信号Vsaw，基于所述误差放大信号Vc和锯齿波信号Vsaw，所述误差比较器103在其输出端输出频率控制信号Con；峰值电流产生器105，具有输入端和输出端，所述输入端耦接至误差比较器103的输出端接收频率控制信号Con，并基于频率控制信号Con，所述峰值电流产生器在输出端产生峰值电流信号Vlim；峰值电流比较器107，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至峰值电流产生器105接收峰值电流信号Vlim，所述第二输入端接收反映流过储能元件L的电流的电流检测信号Vcs，基于所述峰值电流信号Vlim和电流检测信号Vcs，所述峰值电流比较器107在输出端输出电流控制信号；逻辑电路106，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至误差比较器103的输出端接收频率控制信号Con，所述第二输入端耦接至峰值电流比较器107的输出端接收峰值电流控制信号，基于所述频率控制信号Con和所述峰值电流控制信号，所述逻辑电路106在其输出端输出所述门极信号。

门极信号被用来控制功率开关M1和M2的导通和断开。本领域普通技术人员应该意识到，门极信号通常会经过驱动器加强驱动能力后再控制功率开关M1和M2的通断。驱动器属于本领域的公知常识，为清晰简便起见，在图1中未表示。

在一个实施例中，所述逻辑电路106包括第一RS触发器。所述第一RS触发器具有置位端S、复位端R和输出端Q，其中所述置位端S接收频率控制信号Con，所述复位端R接收峰值电流控制信号，基于频率控制信号Con和峰值电流控制信号，所述第一RS触发器在输出端输出门极信号Gate。

在一个实施例中，根据频率控制信号Con表征的开关电源电路100的开关频率f在不同的频率区间，所述峰值电流信号Vlim与频率控制信号Con具有不同的关系：a). 当开关频率f大于第一频率阈值f1，峰值电流信号Vlim随着开关频率f的减小从峰值电流最大值Vlim_max开始减小；b). 当开关频率f处于第一频率阈值f1和第二频率阈值f2之间时，峰值电流信号Vlim被固定于峰值电流中间值Vlim_mid；c). 当开关频率f处于第二频率阈值f2和第三频率阈值f3之间时，峰值电流信号Vlim随着开关频率f的减小从峰值电流中间值Vlim_mid开始减小；d). 当开关频率小于第三频率阈值f3时，峰值电流信号Vlim被固定于峰值电流最小值Vlim_min；其中第一频率阈值f1大于第二频率阈值f2，第二频率阈值f2大于第三频率阈值f3。参见图2所示峰值电流信号Vlim和开关频率f的关系示意图，即峰值电流信号Vlim和开关频率f的关系为：

$\mathrm{Vlim}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Vlim}\_\max -k\&times;\frac{1}{f}& (f>f1)\\ \mathrm{Vlim}\_\mathrm{mid}& (f2\&le;f\&le;f1)\\ \mathrm{Vlim}\_\mathrm{mid}-k\&times;(\frac{1}{f}-\frac{1}{f2})& (f3<f<f2)\\ \mathrm{Vlim}\_\min & (f\&le;f3)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中k为系数，当开关电源电路300确定时，k为固定值。

因为开关频率f和开关周期ts互为倒数，即

$\frac{1}{f}=\mathrm{ts}$

则峰值电流信号Vlim和开关周期ts具有如下关系；

$\mathrm{Vlim}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Vlim}\_\max -k\&times;\mathrm{ts}& (\mathrm{ts}<\frac{1}{f1})\\ \mathrm{Vlim}\_\mathrm{mid}& (\frac{1}{f1}\&le;\mathrm{ts}\&le;\frac{1}{f2})\\ \mathrm{Vlimd}\_\mathrm{mid}-k\&times;(\mathrm{ts}-\frac{1}{f2})& (\frac{1}{f2}<\mathrm{ts}<\frac{1}{f3})\\ \mathrm{Vlim}\_\min & (\mathrm{ts}\&GreaterEqual;\frac{1}{f3})\end{array}\right.---\left(2\right)$

 也就是说，根据频率控制信号Con表征的开关电源电路100的开关周期ts在不同的区间，所述峰值电流信号Vlim与频率控制信号Con具有不同的关系：a). 当开关周期ts大于第一周期阈值1/f1，峰值电流信号Vlim随着开关周期ts的增大从峰值电流最大值Vlim_max开始线性减小；b). 当开关周期ts处于第一周期阈值1/f1和第二周期阈值1/f2之间时，峰值电流信号Vlim被固定于峰值电流中间值Vlim_mid；c). 当开关周期ts处于第二周期阈值1/f2和第三周期阈值1/f3之间时，峰值电流信号Vlim随着开关周期ts的增大从峰值电流中间值Vlim_mid开始线性减小；d). 当开关周期ts小于第三周期阈值1/f3时，峰值电流信号Vlim被固定于峰值电流最小值Vlim_min；其中第一周期阈值1/f1小于第二周期阈值1/f2，第二周期阈值1/f2小于第三周期阈值1/f3。

在一个实施例中，峰值电流产生器105可以通过VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，即超高速集成电路硬件描述语言）和Verilog HDL（hardware description language，即硬件描述语言）的辅助，将峰值电流产生器105的功能（即上述函数关系）用VHDL和Verilog HDL语言描述，就可以自动生成对应的电路。

在开关电源电路100正常运行时，误差放大器102对反馈信号Vfb和电压参考信号Vref进行比较，并将其差值进行放大得到误差放大信号Vc。当反馈信号Vfb增大时，误差放大信号Vc也随之增大；当反馈信号Vfb减小时，误差放大信号Vc也随之减小。锯齿波信号Vsaw在每个开关周期内从零开始增大，当其增大至大于误差放大信号Vc时，误差比较器103输出的频率控制信号Con变为高电平，随后锯齿波信号Vsaw重新从零开始增大，误差比较器103的高电平结束。一方面，频率控制信号Con的上述高电平脉冲置位第一RS触发器，将功率开关M1导通、功率开关M2断开。相应地，流过储能元件L的电流开始增大。与此对应，电流检测信号Vcs也开始增大。另一方面，峰值电流产生器105判断此时开关电源电路100的开关频率，根据函数关系式（1），提供相应的峰值电流信号Vlim。当电流检测信号Vcs增大至大于峰值电流信号Vlim时，峰值电流控制信号变为高电平。从而复位第一RS触发器，将功率开关M1断开、功率开关M2导通。直至锯齿波信号Vsaw再一次大于误差放大信号Vc，从而使误差比较器103输出的频率控制信号Con的高电平脉冲将功率开关M1导通、功率开关M2断开，开关电源电路100进入下一个开关周期，并如上所述运行。

在开关电源电路100负载跳变时，如由轻载跳变为重载，则输出电压Vo下降，反馈信号Vfb随之下降，从而导致误差比较器102输出的误差放大信号Vc下降。而在误差比较器103处，锯齿波信号Vsaw增大到误差放大信号Vc的值时，频率控制信号Con产生高电平脉冲。而频率控制信号Con的两次高电平脉冲间的时长即为开关电源电路100的开关周期，因此减小的误差放大信号Vc缩短了频率控制信号Con两次高电平脉冲间的时间，从而缩短了开关电源电路100的开关周期，增大了开关电源电路100的开关频率f。反之，在开关电源电路100负载由重载跳变为轻载时，输出电压Vo增大，反馈信号Vfb随之增大，从而导致误差比较器102输出的误差放大信号Vc增大。相应地，频率控制信号Con两次高电平脉冲间的时间被延长，因此开关电源电路100的开关周期被延长，即开关电源电路100的开关频率被降低。

图3示出了根据本实用新型一实施例的图1所示开关电源电路峰值电流产生器105的电路结构示意图。在图3所示实施例中，峰值电流产生器105包括：第一开关S1，具有第一端，第二端和控制端，所述第一端耦接最大值电平信号53，所述最大值电平信号53具有峰值电流信号最大值Vlim_max的电压值，所述控制端耦接频率控制信号Con；周期计时单元51，所述周期计时单元51包括：第一计时器501，接收频率控制信号Con，并基于频率控制信号Con输出第一计时信号；第二计时器502，耦接频率控制信号Con，并基于频率控制信号Con输出第二计时信号；或门电路504，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至第二计时器502的输出端接收第二计时信号，所述第二输入端接收频率信号Con；RS触发器503，具有置位端S、复位端R和输出端Q，其置位端S耦接至第一计时器501接收第一计时信号，其复位端R耦接或门电路504的输出端，所述RS触发器503基于第一计时信号和或门电路504的输出信号输出定时信号ts；第二开关S2，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至第一开关S1的第二端，所述控制端耦接至周期计时单元51接收定时信号ts；第三开关D3，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关S2的第二端，所述第二端耦接最小值电平信号54，所述最小值电平信号54具有峰值电流信号最小值Vlim_min的电压值；第一电容C6，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第一开关S1和第二开关S2的连接点，所述第二端接参考地，其中第一电容C6两端的电压信号为所述峰值电流信号Vlim；第一电流源I1，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关S2和第三开关D3的连接点，所述第二端连接至参考地。

在一个实施例中，第三开关D3包括二极管，其中所述二极管的阳极耦接最小值电平信号54，所述二极管的阴极耦接至第二开关S2的第二端。

在一个实施例中，第二开关S2为低电平控制导通。

在一个实施例中，在周期计时单元51处，频率控制信号Con每输出一个高电平脉冲，第一计时器501和第二计时器502均从零开始计时。当第一计时器501计时满1/f1时间段，则其输出的第一计时信号产生一个脉冲置位RS触发器503；当第二计时器502计时满1/f2时间段，则其输出的第二计时信号产生一个脉冲复位RS触发器503。或门电路504将第二计时信号和频率信号Con相或后控制RS触发器503的复位端。即RS触发器504在频率信号Con输出高电平脉冲时或第二计时信号输出高电平脉冲时均被复位。

当第一计时器501计时满1/f1时间段，则其输出的第一计时信号产生一个脉冲置位RS触发器503；当第二计时器502计时满1/f2时间段，则其输出的第二计时信号产生一个脉冲复位RS触发器503。若频率控制信号Con的两次脉冲时长小于1/f1，即此时开关电源电路100的开关频率f大于第一频率阈值f1（f>f1），则第一计时信号和第二计时信号均无脉冲产生，RS触发器503的输出端输出初始态低电平信号。

若频率控制信号Con的两次脉冲时长大于1/f1，小于1/f2，即此时开关电源电路的开关频率f处于第一频率阈值 f1和第二频率阈值f2之间（f2<f<f1），则自频率控制信号Con产生脉冲，RS触发器503首先被复位，定时信号ts为低电平。第一计时电路501在计时满1/f1时，输出高电平脉冲，置位RS触发器503，定时信号ts为高电平。而由于此时频率控制信号Con的两次脉冲时长小于1/f2，第二计时信号无脉冲产生，故在频率控制信号Con的下一次脉冲到来时，定时信号ts维持为高电平。

同理，若频率控制信号Con的两次脉冲时长大于1/f2，即此时开关电源电路的开关频率f小于第二频率阈值f2（f<f2），则自频率控制信号Con产生脉冲后，RS触发器503首先被复位，定时信号ts为低电平。第一计时电路501在计时满1/f1时，输出高电平脉冲，置位RS触发器503，定时信号ts为高电平。第二计时电路502在计时满1/f2时，输出高电平脉冲，通过与门电路504后复位RS触发器503，定时信号ts为低电平。

若频率控制信号Con的两次脉冲时长大于1/f3，则自频率控制信号Con产生脉冲后，RS触发器503首先被复位，定时信号ts为低电平。第一计时电路501在计时满1/f1时，输出高电平脉冲，置位RS触发器503，定时信号ts为高电平。第二计时电路502在计时满1/f2时，输出高电平脉冲，通过与门电路504后复位RS触发器503，定时信号ts为低电平，保持至频率控制信号Con的下一次脉冲到来。

在上述实施例中，第一计时器和第二计时器输出的计时信号为脉冲信号。RS触发器503为脉冲触发。在一个实施例中，第一计时器和第二计时器输出电平信号，即当第一计时器和第二计时器的计时时间到了后，所输出的第一计时信号和第二计时信号电平翻转（由低电平翻转为高电平）。RS触发器503为电平触发，并且复位端的优先级高于置位端的优先级。当第一计时信号和第二计时信号均为逻辑低电平时，RS触发器503为初始状态，其输出为低电平（即定时信号ts为低电平）；当第一计时信号为高电平，第二计时信号为低电平时，RS触发器503的输出被置位为高电平（即定时信号ts为高电平）；当第二计时信号为高电平时，或门504输出高电平信号，RS触发器503的输出被复位为低电平（即定时信号ts为低电平）。在一个实施例中，电平触发的RS触发器503也可以由逻辑门电路实现。

本领域普通技术人员应该知道，周期计时单元51的作用是输出定时信号指示频率控制信号Con的频率区间。任何能使定时信号ts在频率控制信号Con处于频率区间f1~f2之间输出与处于其它频率区间不同的电平值的电路均可以用于本实用新型。

图4示出图3所示峰值电流产生器105的定时信号ts和峰值电流信号Vlim的时序波形图。以下将结合图4描述图3所示峰值电流产生器105的工作原理。

在峰值电流产生器105工作时，当频率控制信号Con输出高电平脉冲时，第一开关S1被导通，第一电容C6耦接至最大值电平信号53；当频率控制信号Con脉冲结束，第一开关S1被断开，第一电容C6被充电至峰值电流信号最大值Vlim_max。此时RS触发器503被复位，定时信号ts为低电平，第二开关S2被闭合导通，因此第一电流源I1开始对第一电容C6放电，第一电容C6两端电压即峰值电流信号Vlim从峰值电流最大值Vlim_max开始线性下降，如图4区间B1所示。若在频率控制信号Con再一次输出高电平脉冲之前，第一计时器501和第二计时器均未计时结束，则定时信号ts保持为低电平，第二电容C6两端电压将被持续放电，峰值电流信号Vlim线性下降；若在频率控制信号Con再一次输出高电平脉冲之前，定时信号跳变为高电平（即频率信号f处于频率区间f1~f2），则第二开关S2被断开，第二电流源I1与第二电容C6的连接被断开，第二电容C6两端电压即峰值电流信号Vlim被固定于峰值电流信号中间值Vlim_mid，如图4区间B2所示；若在频率控制信号Con再一次输出脉冲之前，定时信号ts重新跳变为低电平，则第二开关S2再次闭合导通，第二电流源I1继续给第二电容C6放电，第二电容C6两端电压即峰值电流信号Vlim从峰值电流信号中间值Vlim_mid开始继续线性下降，如图4区间B3所示。若第二电容C6两端电压即峰值电流信号Vlim下降至峰值电流信号最小值Vlim_min，则第三开关D3被导通，从而使得第二电容C6耦接最小值电平信号54。相应地，第二电容C6两端电压即峰值电流信号Vlim被固定在峰值电流信号最小值Vlim_min，如图4区间B4所示。

也就是说，在每一个开关周期中，当频率控制信号Con输出高电平脉冲置位第一RS触发器的同时，峰值电流信号Vlim等于Vlim_max。随后，峰值电流产生器105判断频率控制信号Con两次高电平脉冲的间隔时长（即判断开关电源电路的开关周期，也即是判断开关电源电路的频率），输出相应的峰值电流信号。当负载较重时，开关频率较高，开关周期较短，则从图4可以看出此时峰值电流相对较大，以保证功率开关导通变长，增加传送至负载的能量；当负载较轻时，开关频率较低，开关周期较长，则从图4可以看出此时峰值电流相对较小，以保证功率开关导通时间变短，减少传送至负载的能量。因此，根据本实用新型实施例的开关电源电路有效提高了效率。

在一个实施例中，周期计时单元51也可以通过VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，即超高速集成电路硬件描述语言）和Verilog HDL（hardware description language，即硬件描述语言）的辅助，将周期计时单元51的功能用VHDL和Verilog HDL语言描述，就可以自动生成对应的电路。

图5示出了根据本实用新型一实施例的开关电源电路200的电路结构示意图。图5所示开关电源电路200与图1所示开关电源电路100相似，与图1所示开关电源电路100相比，图5所示开关电源电路200的逻辑电路206包括：振荡器111，输出固定频率为fs_max的时钟信号CLK；选择电路109，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至误差比较器103的输出端接收频率控制信号Con，所述第二输入端耦接至振荡器111接收时钟信号CLK，所述选择电路109基于时钟信号CLK和频率控制信号Con，在输出端输出频率较小的信号；第一RS触发器，具有置位端S、复位端R和输出端Q，其中所述置位端S耦接至选择电路109的输出端，所述复位端R耦接至峰值电流比较器107的输出端接收峰值电流控制信号，基于所述选择电路109的输出信号和所述峰值电流控制信号，所述第一RS触发器在其输出端Q输出所述门极信号Gate。

开关电源电路200在运行时，除根据不同的负载将峰值电流信号调整至相应不同值之外，还根据不同的负载将开关频率调整至相应不同值。在开关电源电路200的负载较小时，如上所述，频率控制信号Con的频率较小，此时选择电路109选择频率控制信号Con输出至逻辑电路106的第一输入端，以控制功率开关的导通和断开。当开关电源电路200负载增大时，频率控制信号Con的频率相应增大，当其增大至大于时钟信号CLK的频率时，选择电路109选择时钟信号CLK输出至逻辑电路106的第一输入端，以控制功率开关的导通和断开。图6示出图5所示开关电源电路200的开关频率f随频率控制信号频率fcon变化而变化的关系示意图。

因此，开关电源电路200通过选择电路109，在负载很重、频率控制信号的频率很大时，选择固定频率的时钟信号CLK，即开关电源电路的最高工作频率被限制在了时钟信号CLK的频率，避免此时开关频率的继续增大，从而避免功率损耗的持续增大，进一步提高了效率。

上述实施例中，开关电源电路的主电路为非隔离式的拓扑结构（如图1和图5所示的BUCK电路拓扑），但本领域的技术人员应当意识到，开关电源电路的主电路也可以包括隔离式的拓扑结构。图7示出了根据本实用新型一实施例的开关电源电路300的电路结构示意图。

在图7所示实施例中，开关电源电路300包括：输入端口301，接收输入电压VIN；输出端口310，提供输出电压Vo给负载RL；变压器T1，具有原边绕组Lp和副边绕组Ls，其中原边绕组Lp和副边绕组Ls分别具有第一端和第二端，所述原边绕组Lp的第一端耦接至输入端口301以接收输入电压VIN；原边功率开关M，具有第一端，第二端和控制端，其中所述第一端耦接至变压器T1的原边绕组Lp的第二端，所述第二端接参考地；副边功率开关D，耦接在变压器的副边绕组Ls的第一端和输出端口310之间；副边控制器202，具有耦接至所述输出端口310接收输出电压Vo的电源端VCC，其中所述副边控制器202包括：误差放大器302，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接表征输出电压Vo的反馈信号Vfb，第二输入端接收电压基准信号Vref，基于第一反馈信号Vfb和电压基准信号Vref，所述误差放大器302在输出端输出误差放大信号Vc；误差比较器303，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至误差放大器302的输出端接收误差放大信号Vc，第二输入端耦接调制信号Vsw，基于误差放大信号Vc和调制信号Vsw，所述误差比较器303在输出端输出第一比较信号；第四开关311，具有第一端、第二端和控制端，其中所述控制端耦接至误差比较器303的输出端接收第一比较信号，所述第二端接副边参考地，基于第一比较信号，所述第四开关311被导通或被关断；耦合器件，包括输入侧301-1和输出侧301-2，其中输入侧301-1耦接在输出端口310和第四开关311的第一端之间，所述耦合器件基于第四开关311两端的信号，在其输出侧301-2提供频率控制信号Con；原边控制器201，所述原边控制器201包括：峰值电流产生器305，耦接至耦合器件的输出侧301-2接收频率控制信号Con，并基于频率控制信号Con，产生峰值电流信号Vlim；电流比较器307，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收电流检测信号Vcs，第二输入端耦接至峰值电流产生器305接收峰值电流信号Vlim，其中所述电流检测信号Vcs反映流过原边功率开关M的电流，基于所述电流检测信号Vcs和峰值电流信号Vlim，所述电流比较器307在输出端输出电流控制信号；逻辑电路306，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至耦合器件的输出侧301-2接收频率控制信号Con，所述第二输入端耦接至峰值电流比较器307的输出端接收电流控制信号，基于所述频率控制信号Con和所述电流控制信号，所述逻辑电路306在其输出端输出门极信号，以控制原边功率开关M的导通和断开。

在图7所示的实施例中，所述耦合器件包括光电耦合器件。所述光电耦合器件的输入侧301-1包括发光二极管，其输出侧301-2包括光敏晶体管。在一个实施例中，所述发光二极管的阳极通过电阻R2耦接至输出端口310以接收输出电压Vo；阴极耦接至第四开关311的第一端。所述光敏晶体管的一端接原边参考地，另一端输出所述频率控制信号Con。其中电阻R2用于调节发光二极管的阳极的电压。若输出电压Vo在发光二极管的承受范围之内，则电阻R2可省略。光电耦合器件的工作原理为本领域普通技术人员的公知常识，为叙述简明，此处不再详细阐述。通过阅读本说明书，本领域普通技术人员应该知道，耦合器件可以包括任何可以实现如图7中所述的光电耦合器件所完成的功能的电路，比如霍尔器件等。

在一个实施例中，开关电源电路300还包括电流采样电阻Rcs，耦接在原边功率开关M的第二端和原边参考地之间，以提供电流采样信号。

在图7所示的实施例中，所述RS触发器的置位端S为下降沿触发。但本领域普通技术人员应该意识到，所述RS触发器的置位端S也可以为上升沿触发，此时可以在RS触发器的置位端S前耦接一反相器。

在一个实施例中，根据频率控制信号Con表征的开关电源电路300的开关频率f在不同的频率区间，所述峰值电流信号Vlim与频率控制信号Con具有不同的关系：a). 当开关频率f大于第一频率阈值f1，峰值电流信号Vlim随着开关频率f的减小从峰值电流最大值Vlim_max开始减小；b). 当开关频率f处于第一频率阈值f1和第二频率阈值f2之间时，峰值电流信号Vlim被固定于峰值电流中间值Vlim_mid；c). 当开关频率f处于第二频率阈值f2和第三频率阈值f3之间时，峰值电流信号Vlim随着开关频率f的减小从峰值电流中间值Vlim_mid开始减小；d). 当开关频率小于第三频率阈值f3时，峰值电流信号Vlim被固定于峰值电流最小值Vlim_min；其中第一频率阈值f1大于第二频率阈值f2，第二频率阈值f2大于第三频率阈值f3。即峰值电流信号Vlim和开关电源电路300的开关频率f具有如下函数关系：

$\mathrm{Vlim}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Vlim}\_\max -k\&times;\frac{1}{f}& (f>f1)\\ \mathrm{Vlim}\_\mathrm{mid}& (f2\&le;f\&le;f1)\\ \mathrm{Vlim}\_\mathrm{mid}-k\&times;(\frac{1}{f}-\frac{1}{f2})& (f3<f<f2)\\ \mathrm{Vlim}\_\min & (f\&le;f3)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中k为系数，当开关电源电路300确定时，k为固定值。

在一个实施例中，所述副边控制器202还包括调制信号发生器304。所述调制信号发生器304耦接至副边绕组Ls的第一端接收同步信号SYN，并基于同步信号，所述调制信号发生器304输出调制信号Vsw。所述调制信号发生器304的功能为：当副边功率管D被闭合导通时，同步信号SYN为高，调制信号Vsw上升；当调制信号Vsw上升至误差放大信号Vc时，调制信号Vsw变为低电平，等待下一次同步信号SYN为高时，调制信号Vsw再次上升。调制信号发生器304为本领域的公知常识，为叙述简明，此处不再阐述其具体电路。

调制信号Vsw的产生并不必须基于同步信号SYN。在一个实施例中，所述调制信号Vsw在每个开关周期具有固定的低电平时间t，经过该固定时间t后，调制信号Vsw开始上升；当调制信号Vsw上升至误差信号Vc时，变为低电平。再次经过固定时间t，调制信号Vsw上升。以上过程周而复始。所述固定低电平时间可根据实际应用情况设置。

在一个实施例中，逻辑电路106包括RS触发器，所述RS触发器具有置位端S、复位端R和输出端Q，其中所述置位端S耦接至耦合器件输出端301-2接收频率控制信号，所述复位端R耦接电流比较器307的输出端接收电流比较信号，基于所述频率控制信号Con和所述电流比较信号，所述RS触发器在其输出端Q提供所述门极信号。

在开关电源电路300运行时，调制信号Vsw在每个开关周期内线性增大，当其增大至误差放大信号Vc时，误差比较器303输出的频率控制信号变为高电平，使得第四开关311被闭合导通。随后调制信号Vsw变为低电平，并在固定时间t后开始增大。在输出端口310处，输出电压Vo经由电阻R2、耦合器件的输入侧301-1和第四开关311形成电流通路。耦合器件的输出侧301-2感应该流过输入侧301-1的电流，使得频率控制信号Con变为低电平，从而将逻辑电路306输出的门极信号置位为高。相应地，原边功率开关M被导通，输入信号经由变压器原边绕组Lp、原边功率开关M和电流采样电阻Rcs形成电流通路，流过原边功率开关M的电流开始增大。相应地，电流采样信号Vcs也开始增大。当其增大至峰值电流产生器305提供的峰值电流信号Vlim时，电流比较器307输出的电流比较信号变为高电平，从而复位逻辑电路306输出的门极信号，将原边功率开关M断开。直至调制信号Vsw再次达到误差放大信号Vc，误差比较器303输出的频率控制信号变为高电平，从而将第四开关311闭合导通，开关电源电路300进入下一个开关周期，并如上所述运行。

图8示出了根据本实用新型一实施例的开关电源电路400的电路结构示意图。图8所示开关电源电路400与图7所示开关电源电路300相似，与图7所示开关电源电路300相比，图8所示开关电源电路400进一步包括：振荡器308，输出固定频率为fs_max的时钟信号CLK；选择电路309，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至耦合器件的输出侧301-2接收频率控制信号Con，所述第二输入端耦接至振荡器111接收时钟信号CLK，所述选择电路109基于时钟信号CLK和频率控制信号Con，将频率较小的信号作为其输出信号输送至逻辑电路306第一输入端。

在图7和图8所示的实施例中，副边控制器完成了基于表征输出电压Vo的反馈电压生成第一比较信号的功能，而耦合器件则基于第一比较信号生成频率控制信号，并且将频率控制信号耦合至原边控制器。在一个实施例中，副边控制器和原边控制器可以集成在同一个控制器中。在这种情况下，耦合器件将表征输出电压Vo的反馈电压耦合所述控制器。

开关电源电路400在运行时，除根据不同的负载将峰值电流信号调整至相应不同值之外，还根据不同的负载将开关频率调整至相应不同值。在开关电源电路400的负载较小时，频率控制信号Con的频率较小，此时选择电路309选择频率控制信号Con输出至逻辑电路306的第一输入端，以控制功率开关的导通和断开。当开关电源电路400负载增大时，频率控制信号Con的频率相应增大，当其增大至大于时钟信号CLK的频率时，选择电路309选择时钟信号CLK输出至逻辑电路306的第一输入端，以控制功率开关的导通和断开。

虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路包括：

输入端口，耦接输入电压；

输出端口，提供输出电压给负载；

耦接在输入端口和输出端口之间的储能元件和功率开关，其中所述功率开关具有控制端；

误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接反映输出电压的反馈信号，所述第二输入端接收电压参考信号，所述输出端输出误差放大信号；

误差比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至误差放大器的输出端接收误差放大信号，所述第二输入端接收锯齿波信号，所述输出端输出频率控制信号；

峰值电流产生器，具有输入端和输出端，所述输入端耦接至误差比较器的输出端接收频率控制信号，所述输出端产生峰值电流信号；

峰值电流比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至峰值电流产生器的输出端接收峰值电流信号，所述第二输入端接收反映流过储能元件的电流的电流检测信号，所述输出端输出峰值电流控制信号；

逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至误差比较器的输出端接收频率控制信号，所述第二输入端耦接至峰值电流比较器的输出端接收峰值电流控制信号，所述输出端输出门极信号至功率开关的控制端。

2.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，其中所述逻辑电路包括：

振荡器，输出固定频率的时钟信号；

选择电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至振荡器接收时钟信号，所述第二输入端耦接至误差比较器接收频率信号，所述选择电路在频率信号小于时钟信号时输出频率信号，在频率信号大于或等于时钟信号时，输出时钟信号；

RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，其中所述置位端耦接至选择电 路的输出端，所述复位端耦接至峰值电流比较器的输出端接收峰值电流控制信号，所述输出端输出所述门极信号。

3.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，其中所述峰值电流产生器包括：

第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接具有峰值电流信号最大值的电压值的最大值电平信号，所述控制端耦接频率控制信号；

周期计时单元，具有输入端和输出端，所述输入端接收频率控制信号，所述输出端输出定时信号；

第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至第一开关的第二端，所述控制端耦接至周期计时单元的输出端接收定时信号；

第三开关，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关的第二端，所述第二端耦接具有峰值电流信号最小值的电压值的最小值电平信号；

第一电容，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第一开关和第二开关的连接点，所述第二端接参考地；

第一电流源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关和第三开关的连接点，所述第二端连接至参考地。

4.如权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，其中所述周期计时单元包括：

第一计时器，接收频率控制信号，输出第一计时信号；

第二计时器，耦接频率控制信号，输出第二计时信号；

或门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至第二计时器的输出端接收第二计时信号，所述第二输入端接收频率信号；

RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，其置位端耦接至第一计时器接收第一计时信号，其复位端耦接或门电路的输出端，所述输出端输出定时信号。

5.一种开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路包括：变压器、原边功率开关、副边功率开关、原边控制器、副边控制器和耦合器件，所述变压器 包括原边绕组、副边绕组和第三绕组，所述原边绕组与原边功率开关耦接，所述副边绕组与副边功率开关耦接，所述耦合器件具有输入侧和输出侧，所述输入侧耦接所述副边控制器，所述输出侧产生频率控制信号，所述原边控制器提供控制原边功率开关的通断的门极信号，所述原边控制器包括：

峰值电流产生器，具有输入端和输出端，所述输入端接收频率控制信号，所述输出端产生峰值电流信号；

电流比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收反映流过原边绕组的电流的电流检测信号，第二输入端耦接至峰值电流产生器的输出端接收峰值电流信号，所述输出端输出峰值电流控制信号；

逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接收频率控制信号，所述第二输入端耦接至峰值电流比较器的输出端接收峰值电流控制信号，所述输出端输出门极信号。

6.如权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，其中所述逻辑电路包括：

振荡器，输出固定频率的时钟信号；

选择电路，具有第一输入端，第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至振荡器接收时钟信号，所述第二输入端耦接至误差比较器接收频率信号，所述选择电路在频率信号小于时钟信号时，输出频率信号，在频率信号大于或等于时钟信号时，输出时钟信号；

RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，其中所述置位端耦接至选择电路的输出端，所述复位端耦接至峰值电流比较器的输出端接收峰值电流控制信号，所述输出端输出所述门极信号。

7.如权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，其中所述峰值电流产生器包括：

第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接具有峰值电流信号最大值的电压值的最大值电平信号，所述控制端耦接频率控制信号；

周期计时单元，具有输入端和输出端，所述输入端接收频率控制信号，基于 频率控制信号，所述输出端输出定时信号；

第二开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至第一开关的第二端，所述控制端耦接至周期计时单元的输出端接收定时信号；

第三开关，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关的第二端，所述第二端耦接具有峰值电流信号最小值的电压值的最小值电平信号；

第一电容，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第一开关和第二开关的连接点，所述第二端接参考地；

第一电流源，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第二开关和第三开关的连接点，所述第二端连接至参考地。

8.如权利要求7所述的开关电源电路，其特征在于，其中所述周期计时单元包括：

第一计时器，接收频率控制信号，并基于频率控制信号输出第一计时信号；

第二计时器，耦接频率控制信号，并基于频率控制信号输出第二计时信号；

或门电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至第二计时器的输出端接收第二计时信号，所述第二输入端接收频率信号；

RS触发器，具有置位端、复位端和输出端，其置位端耦接至第一计时器接收第一计时信号，其复位端耦接或门电路的输出端，所述RS触发器基于第一计时信号和或门电路的输出信号输出定时信号。

9.如权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，其中所述副边控制器包括：

误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接表征输出电压的反馈信号，第二输入端接收电压基准信号，所述输出端输出误差放大信号；

误差比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至误差放大器的输出端接收误差放大信号，第二输入端耦接调制信号，所述输出端输出第一比较信号；

第四开关，具有第一端、第二端和控制端，其中所述控制端耦接至误差比较 器的输出端接收第一比较信号，所述第二端接副边参考地；

其中，所述耦合器件的输入侧耦接在输出端口和第一开关的第一端之间。 

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