一種直流轉(zhuǎn)直流開關(guān)電源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種DC-DC開關(guān)電源。
【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)電源通常用于數(shù)字電路或是對(duì)LD0供電。瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲對(duì)于數(shù)字電路和 LD0的影響是不容忽視的。需要盡可能減小開關(guān)電源中的噪聲,以及提高其瞬態(tài)響應(yīng)速度。
[0003] 具體如圖1展示的是現(xiàn)有技術(shù)中的可調(diào)節(jié)輸出的DC-DC開關(guān)電源電路的簡化框 圖。輸出電壓VOTT等于基準(zhǔn)電壓與運(yùn)算放大器直流閉環(huán)增益的乘積:
[0004]
R1
[0005] 其中(1十^)是誤差放大器的直流閉環(huán)增益。
[0006] 在本電路中,運(yùn)算放大器噪聲^和基準(zhǔn)電壓噪聲\^放大相同的倍數(shù),使輸出噪聲 與設(shè)定的輸出電壓成比例增加。這使得輸出電壓上的噪聲比參考電壓高但小于2倍,輸出 噪聲適度增加,但在敏感應(yīng)用中哪怕這種適度增加都有可能無法接受。
[0007] 另外,R1和R3構(gòu)成的衰減網(wǎng)絡(luò)衰減了瞬變的高頻負(fù)載能量,導(dǎo)致瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)性 能降低。對(duì)于數(shù)字應(yīng)用電路來說,系統(tǒng)從休眠到運(yùn)行狀態(tài)的切換,會(huì)導(dǎo)致電流瞬態(tài)變化。開 關(guān)電源的瞬態(tài)性能會(huì)嚴(yán)重影響電路的穩(wěn)定性。
[0008] 開關(guān)電源的主要噪聲源是開關(guān)切換引起的開關(guān)噪聲。當(dāng)然,內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和運(yùn)算 放大器噪聲也不可忽略。當(dāng)今的器件工作時(shí)內(nèi)部偏置電流低于1yA,可實(shí)現(xiàn)高達(dá)20yA的 靜態(tài)電流。這些小電流需要使用高達(dá)幾百M(fèi)Q的偏置電阻,使得運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓電 路放大器帶來更多的噪聲。圖1中的開關(guān)電源采用電阻分壓器設(shè)置輸出電壓,對(duì)于理想電 阻來說,直流閉環(huán)增益,與交流閉環(huán)增益相同,等于噪聲增益。
[0009] 可見當(dāng)應(yīng)用在某些敏感電路中,現(xiàn)有的開關(guān)電源電路尚無法滿足低噪聲、快速瞬 態(tài)響應(yīng)的要求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010] 本實(shí)用新型的發(fā)明目的在于:針對(duì)上述存在的問題,提供一種改進(jìn)的開關(guān)電源電 路。
[0011] 本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是這樣的:包括輸入端、開關(guān)管、儲(chǔ)能元件及控制單 元;輸入端用于與直流電源連接;輸入端通過開關(guān)管、儲(chǔ)能元件與輸出端連接;控制單元用 于控制開關(guān)管周期性的導(dǎo)通與斷開;
[0012] 其中,控制單元包括反饋網(wǎng)絡(luò)、基準(zhǔn)電壓電源、運(yùn)算放大器及PWM信號(hào)發(fā)生器;所 述反饋網(wǎng)絡(luò)用于采集反應(yīng)輸出端輸出電壓大小的反饋信號(hào);運(yùn)算放大器的第一輸入端接入 所述反饋信號(hào),運(yùn)算放大器的第二輸入端接入所述基準(zhǔn)電壓電源;運(yùn)算放大器的輸出端與 PWM信號(hào)發(fā)生器連接,PWM信號(hào)發(fā)生器用于根據(jù)運(yùn)算放大器輸出的信號(hào)輸出一定占空比的 PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉;
[0013] 所述反饋網(wǎng)絡(luò)為RC反饋網(wǎng)絡(luò)。
[0014] 進(jìn)一步,所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括第一電阻、第二電阻、第三電阻及電容;所述第一電阻 的一端與所述輸出端連接,第一電阻的另一端與第三電阻的一端連接,第三電阻的另一端 接地;第一電阻與第三電阻的公共端與所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連接;第二電阻與電 容串聯(lián)后再與所述第一電阻并聯(lián)。
[0015] 進(jìn)一步,所述控制單元用于當(dāng)運(yùn)算放大器輸出信號(hào)減小時(shí)提高PWM信號(hào)的占空 比。
[0016] 進(jìn)一步,所述運(yùn)算放大器的反相輸入端接入所述反饋信號(hào),運(yùn)算放大器的正相輸 入端接入所述基準(zhǔn)電壓電源。
[0017] 進(jìn)一步,所述PWM信號(hào)發(fā)生器包括比較器,所述比較器的正相輸入端接入一鋸齒 波信號(hào),所述比較器的反相輸入端與所述運(yùn)算放大器的輸出端連接。
[0018] 綜上所述,由于采用了上述技術(shù)方案,本實(shí)用新型的有益效果是:
[0019] 1.由于在反饋網(wǎng)絡(luò)中增加了電容,使得開關(guān)電源的交流閉環(huán)增益大大減小,從而 降低了電路中的交流噪聲,改善了電源抑制比。
[0020] 2.第一電阻、第二電阻和電容執(zhí)行補(bǔ)償環(huán)路的前饋功能,放大了負(fù)載瞬態(tài)的高頻 分量,提高了開關(guān)電源對(duì)負(fù)載瞬態(tài)高頻分量的敏感度及響應(yīng)速度。
【附圖說明】
[0021] 圖1為現(xiàn)有的開關(guān)電源電路原理圖。
[0022] 圖2為本實(shí)用新型中的開關(guān)電源電路原理圖。
[0023] 圖3為本實(shí)用新型開關(guān)電源的開環(huán)增益、直流閉環(huán)增益及交流閉環(huán)增益對(duì)比圖。
[0024] 圖4 (a)、(b)為本實(shí)用新型開關(guān)電源與現(xiàn)有開關(guān)電源的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)對(duì)比圖。
[0025] 圖5為本實(shí)用新型開關(guān)電源與現(xiàn)有開關(guān)電源的電源抑制比對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖,對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的說明。
[0027] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例,對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本實(shí)用新型,并不用于限定本實(shí)用新型。
[0028] 如圖2所述,本實(shí)用新型提供的一個(gè)開關(guān)電源的具體實(shí)施例包括:
[0029] 輸入端DC IN,用于接收直流電源。輸入端通過開關(guān)管、電感連接至輸出端DCOUT。
[0030] 控制單元根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋回來的輸出電壓控制開關(guān)管周期性的斷開與導(dǎo)通,從 而實(shí)現(xiàn)將直流電源進(jìn)行降壓后由輸出端供給負(fù)載。
[0031] 其中,控制單元包括反饋網(wǎng)絡(luò)、基準(zhǔn)電壓電源Vref、運(yùn)算放大器及PWM信號(hào)發(fā)生 器。
[0032] 其中反饋網(wǎng)絡(luò)包括電阻R1、電阻R2、電阻R3及電容C2。電阻R1的一端與所述輸 出端DCOUT連接,電阻R1的另一端與電阻R3的一端連接,電阻R3的另一端接地;電阻R1 與電阻R3的公共端與所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連接;電阻R2與電容C2串聯(lián)后再與電 阻R1并聯(lián)。
[0033] 運(yùn)算放大器的正相輸入端接入所述基準(zhǔn)電壓Vref,運(yùn)算放大器的輸出端與PWM信 號(hào)發(fā)生器連接。
[0034] 在一個(gè)具體實(shí)施例中,PWM信號(hào)發(fā)生器包括比較器,所述比較器的正相輸入端接入 一鋸齒波信號(hào),所述比較器的反相輸入端與所述運(yùn)算放大器的輸出端連接。
[0035] 下面結(jié)合本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡述本實(shí)用新型有益效果。
[0036] 降低噪聲
[0037] 由于在反饋網(wǎng)絡(luò)中引入了電容,通過計(jì)算可得交流閉環(huán)增益為
, R1 相比較直流閉環(huán)增益1 + ^減小了。參見圖3,選擇R2將交流閉環(huán)增益設(shè)為1. 1左右,當(dāng) 交流噪聲頻率達(dá)到一定值時(shí),在大部分帶寬中交流增益接近〇db,因此基準(zhǔn)電壓噪聲和運(yùn)算 放大器噪聲放大的程度較低。
[0038] 加快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)
[0039] 同時(shí),電阻R1、電阻R2和電容C2執(zhí)行補(bǔ)償環(huán)路的前饋功能。負(fù)載瞬態(tài)的高頻分 量,由未經(jīng)衰減的運(yùn)算放大器檢測,使得運(yùn)算放大器快速響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)。圖4顯示了現(xiàn)有開 關(guān)電源與本實(shí)用新型開關(guān)電源的電源負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)情況。當(dāng)負(fù)載變化使得輸出電流發(fā)生突 然跌落時(shí),使用RC反饋網(wǎng)絡(luò)后,本實(shí)用新型中的開關(guān)電源的輸出電壓能在100ys內(nèi)響應(yīng)負(fù) 載瞬態(tài),而不使用RC反饋網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有的開關(guān)電源的輸出電壓需要lms響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)。圖4 中,a、b中的方波表示輸出電路,a中方波下的波形表示未使用RC反饋網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)電源的 輸出電壓,b中方波下的波形表示使用RC反饋網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)電源的輸出電壓。
[0040] 改善電源抑制比
[0041] RC反饋網(wǎng)絡(luò)能改善開關(guān)電源的低頻PSRR。本實(shí)用新型中的電阻R1、電阻R2及電 容C2形成超前-滯后網(wǎng)絡(luò),其零點(diǎn)大致在^^處,極點(diǎn)大致在:^^處。超前-滯后網(wǎng)絡(luò) 為補(bǔ)償環(huán)路提供正反饋功能,因此能改善PSR。對(duì)于低于閉環(huán)增益和開環(huán)增益融合的頻率而 言,若改善的量以dB表示,則數(shù)值約為
[0042] 圖5顯示RC反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)本實(shí)用新型開關(guān)電源所產(chǎn)生的影響。若輸出為9V,則R1 =64kQ、R3 = 10kQ、R2 =lkQ、C1 = 1yF。R1 和C1 在大約 2. 5Hz時(shí)建立的零點(diǎn),證明 10Hz以上PSRR得到了改善。在100Hz至1kHz范圍內(nèi),總PSRR增加約17dB。改善情況直 到約20kHz處才有所下降;在該處,開環(huán)增益和閉環(huán)增益融合。圖5中NONR代表現(xiàn)有開關(guān) 電源的PSRR曲線,NR代表本實(shí)用新型中開關(guān)電源的PSRR曲線。
[0043] 以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本實(shí)用新型,凡在本 實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本實(shí)用新型 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種直流轉(zhuǎn)直流開關(guān)電源,其特征在于,包括:輸入端、開關(guān)管、儲(chǔ)能元件及控制單 元;輸入端用于與直流電源連接;輸入端通過開關(guān)管、儲(chǔ)能元件與輸出端連接;控制單元用 于控制開關(guān)管周期性的導(dǎo)通與斷開; 其中,控制單元包括反饋網(wǎng)絡(luò)、基準(zhǔn)電壓電源、運(yùn)算放大器及PWM信號(hào)發(fā)生器;所述反 饋網(wǎng)絡(luò)用于采集反應(yīng)輸出端輸出電壓大小的反饋信號(hào);運(yùn)算放大器的第一輸入端接入所述 反饋信號(hào),運(yùn)算放大器的第二輸入端接入所述基準(zhǔn)電壓電源;運(yùn)算放大器的輸出端與PWM 信號(hào)發(fā)生器連接,PWM信號(hào)發(fā)生器用于根據(jù)運(yùn)算放大器輸出的信號(hào)輸出一定占空比的PWM 信號(hào)以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉; 所述反饋網(wǎng)絡(luò)為RC反饋網(wǎng)絡(luò)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流轉(zhuǎn)直流開關(guān)電源,其特征在于,所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括 第一電阻、第二電阻、第三電阻及電容; 所述第一電阻的一端與所述輸出端連接,第一電阻的另一端與第三電阻的一端連接, 第三電阻的另一端接地;第一電阻與第三電阻的公共端與所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連 接; 第二電阻與電容串聯(lián)后再與所述第一電阻并聯(lián)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種直流轉(zhuǎn)直流開關(guān)電源,其特征在于,所述控制單元用 于當(dāng)運(yùn)算放大器輸出信號(hào)減小時(shí)提高PWM信號(hào)的占空比。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種直流轉(zhuǎn)直流開關(guān)電源,其特征在于,所述運(yùn)算放大器的 反相輸入端接入所述反饋信號(hào),運(yùn)算放大器的正相輸入端接入所述基準(zhǔn)電壓電源。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種直流轉(zhuǎn)直流開關(guān)電源,其特征在于,所述PWM信號(hào)發(fā)生器 包括比較器,所述比較器的正相輸入端接入一鋸齒波信號(hào),所述比較器的反相輸入端與所 述運(yùn)算放大器的輸出端連接。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種直流轉(zhuǎn)直流開關(guān)電源,旨在針對(duì)現(xiàn)有的開關(guān)電源電路尚無法滿足低噪聲、快速瞬態(tài)響應(yīng)的要求的缺陷提供一種改進(jìn)的開關(guān)電源電路,包括輸入端、開關(guān)管、儲(chǔ)能元件及控制單元;輸入端通過開關(guān)管、儲(chǔ)能元件與輸出端連接;其中,控制單元包括反饋網(wǎng)絡(luò)、基準(zhǔn)電壓電源、運(yùn)算放大器及PWM信號(hào)發(fā)生器;所述反饋網(wǎng)絡(luò)用于采集反應(yīng)輸出端輸出電壓大小的反饋信號(hào);運(yùn)算放大器的第一輸入端接入所述反饋信號(hào),運(yùn)算放大器的第二輸入端接入所述基準(zhǔn)電壓電源;運(yùn)算放大器的輸出端與PWM信號(hào)發(fā)生器連接,PWM信號(hào)發(fā)生器用于根據(jù)運(yùn)算放大器輸出的信號(hào)輸出一定占空比的PWM信號(hào)以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉;所述反饋網(wǎng)絡(luò)為RC反饋網(wǎng)絡(luò)。
【IPC分類】H02M3/155, H02M1/44
【公開號(hào)】CN204669221
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520249653
【發(fā)明人】吳海軍, 何川, 陳慶, 陳程, 董光利, 楊攀
【申請(qǐng)人】四川正冠科技有限公司
【公開日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年4月23日