CN102710128B

CN102710128B - 一种减小开关频率变化的电压变换器及其控制方法

Info

Publication number: CN102710128B
Application number: CN201210063663.9A
Authority: CN
Inventors: 董岩; 徐鹏; 詹姆斯·阮
Original assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Current assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: US20120235664A1; US8872501B2; CN102710128A; CN202602537U; TWI472137B; TW201240312A

Abstract

本发明公开了一种用于开关模式电压变换器的控制电路，该开关模式电压变换器包括第一开关管，该控制电路耦接在输入电压和地之间，周期性地导通第一开关管一恒定时长，该控制电路还耦接至直流偏置电压，基于输入电压和直流偏置电压产生开关控制信号以控制第一开关管的导通或关断，从而减小输入电压变化引起的开关频率变化。

Description

一种减小开关频率变化的电压变换器及其控制方法

技术领域

本发明主要涉及一种电子电路，尤其涉及一种用于开关模式电压变换器的控制电路及其控制方法。

背景技术

降压和升压变换器是多种应用场合下的高效开关电源。例如，降压变换器可用于将笔记本电脑中的供电电压（例如12V~24V）转换为中央处理单元（CPU）所需的工作电压（例如2.5V~5V）。对于集成电路而言，降压和升压变换器的效率可高达95%。

图1是现有的降压变换器100的电路原理图。如图1所示，降压变换器100包括耦接于输入电压V _in和参考电压V _ref（例如地）之间的控制电路102和开关电路104。其中开关电路104包括第一开关管112a（通常指上侧开关管）和第二开关管112b（通常指下侧开关管）。第一开关管112a与第二开关管112b串联耦接，第一开关管112a与第二开关管112b分别包括体二极管114a和114b。控制电路102用于周期性地导通第一开关管112a一恒定时长。此外，降压变换器100还包括电感器106、电容器108和负载110（例如CPU），其中负载110与电容器108并联。

工作时，控制电路102导通第一开关管112a一恒定时长，在这一恒定时长内，输入电压V _in为电感器106和电容器108充电。随后，控制电路102关断第一开关管112a并导通第二开关管112b，使电流经过电感器106、电容器108和第二开关管112b续流。然而，发明人发现，当控制电路102直接耦接于输入电压V _in和地之间时，降压变换器100的开关频率会随输入电压V _in的变化而变化。开关频率的变化会对负载产生不利的影响，因此需要做出一些改进来降低或者消除开关频率的变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于开关模式电压变换器的控制电路及控制方法，以解决因其输入电压变化导致的开关频率变化问题。

根据本发明一实施例的一种一种用于开关模式电压变换器的控制电路，该开关模式电压变换器包括第一开关管，该控制电路耦接在输入电压和地之间，周期性地导通第一开关管一恒定时长，该控制电路还耦接至直流偏置电压，基于输入电压和直流偏置电压产生开关控制信号以控制第一开关管的导通或关断，从而减小输入电压变化引起的开关频率变化。

根据本发明一实施例的一种开关模式电压变换器,该开关模式电压变换器包括上述控制电路和第一开关管。

根据本发明一实施例的一种用于开关模式电压变换器的控制方法，该开关模式电压变换器包括开关管和用于周期性导通开关管一恒定时长的控制电路，该控制方法包括：对控制电路施加直流偏置电压；改变开关模式电压变换器的输入电压；测量输入电压变化引起的频率偏移；以及根据目标频率偏移来调整直流偏置电压。

根据本发明一实施例的一种用于开关模式电压变换器的控制方法，该开关模式电压变换器包括开关管和用于周期性导通开关管一恒定时长的控制电路，该控制方法包括：对控制电路施加多个不同数值的直流偏置电压；改变开关模式电压变换器的输入电压；测量多个不同数值直流偏置电压下的多个频率偏移；处理多个频率偏移和相应的直流偏置电压，找出最小的频率偏移以及与最小频率偏移对应的直流偏置电压；以及将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。

根据本发明的实施例，通过对控制电路施加合适的直流偏置电压来实现减小甚至消除输入电压变化所引起的开关频率变化。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：

图1是现有的降压变换器100的电路原理图；

图2是通过实验测得的图1所示现有降压变换器100的开关频率随输入电压变化的波形图；

图3是通过实验测得的在两个不同的输入电压下，开关电压随时间变化的波形图；

图4A是图1中所示降压变换器100的一部分电路原理图；

图4B是图4A所示降压变换器工作时电压随时间变化的波形图；

图5A是根据本发明一实施例的降压变换器200的电路原理图；

图5B是根据本发明一实施例的图5A中控制电路202的电路原理图；

图6是根据本发明一实施例的根据图5A所示降压变换器200的开关频率随输入电压变化的仿真结果所绘制的图；

图7A是降压变换器300的电路原理图；

图7B是根据本发明一实施例的图7A所示降压变换器300工作时电压随时间变化的波形图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的实施例。本领域的技术人员应当理解，图中的一些细节，如尺寸、形状、角度以及其他特征仅仅是示意本技术的某一特定实施例。没有这些具体细节，本发明同样可以实施。本领域技术人员还应理解，尽管本发明中的详细描述与特定实施例相结合，但本发明仍有许多其他实施方式，在实际执行时可能有些变化，但仍然包含在本发明主旨范围内，因此，本发明旨在包括所有落入本发明和所述权利要求范围及主旨内的替代例、改进例和变化例等。

如前所述，发明人发现，在常见的开关模式电压变换器中，开关频率会随输入电压V _in的变化而改变。对图1所示降压变换器100进行实验，可以得出输入电压V _in和开关频率之间的关系。

图2是通过实验测得的图1所示现有降压变换器100的开关频率f _s随输入电压V _in变化的波形图。如图2所示，当输入电压V _in从2.7V增加到5V时，开关频率f _s下降约17%。当输入电压V _in从2.7V增加至5.8V时，开关频率f _s下降约19%。

图3是通过实验测得的在两个不同的输入电压V _in下，开关电压V _sw随时间变化的波形图。如图3所示，当输入电压V _in为2.7V时，死区时间t _dead约为49.8ns。当输入电压V _in为5V时，死区时间t _dead约为15.1ns。可以看出，输入电压V _in越高，死区时间t _dead越短，开关频率f _s越小，开关周期T _s越长。具体细节将在图4A和图4B中讨论。

图4A是图1中所示降压变换器100的一部分电路原理图。图4B是图4A所示降压变换器工作时电压随时间变化的波形图。如图4A和4B所示，在一个开关周期T _s中，根据能量守恒原则，得出下式：

(1)

由于开关频率为开关周期的倒数，式(1)可以变形为：

(2)

其中V _f为体二极管的导通电压。如果输入电压V _in较高（例如图3中所示的5V），死区时间t _dead基本比低输入电压时（例如图3中所示的2.7V）短。因此，高输入电压时的死区时间t _dead可以忽略，高输入电压时的开关频率可按下式来近似：

(3)

另一方面，若输入电压V _in较低，例如图3中的2.7V，则死区时间不能忽略，这样低输入电压时的开关频率按下式近似：

(4)

如式(3)与式(4)所示，当导通时长T _on一定时，低输入电压时的开关频率具有比高输入电压时的开关频率小的分母。因此，低输入电压时的开关频率高于高输入电压时的开关频率，即

(5)

如前所述，开关频率f _s的变化会对耦接至开关模式电压变换器的负载产生不利影响。例如，负载可能包括为特定频率段设计的带宽滤波器，开关频率的变化将导致设计的电路故障和/或其它问题。根据本发明的实施例，可以至少减小前述开关频率变化。下面根据图5A~7B进行讨论。

图5A是根据本发明一实施例的降压变换器200的电路原理图。图5B是根据本发明一实施例的图5A中控制电路202的电路原理图。如图5A所示，降压变换器200所包括的元器件与图1中降压变换器100所包括的元器件类似。例如，降压变换器200包括第一开关管112a、第二开关管112b、电感器116以及与负载110并联耦接的电容器108。其中第一开关管112a和第二开关管112b分别包括第一体二极管114a和第二体二极管114b。为了说明清楚，在此省略对这些元器件的讨论。降压变换器200还包括控制电路202。控制电路202耦接在输入电压V _in和地之间，周期性地导通第一开关管112a一恒定时长。控制电路202还耦接至直流偏置电压V _bias，基于输入电压V _in和直流偏置电压V _bias产生开关控制信号以控制第一开关管112a的导通或关断。调节直流偏置电压V _bias可至少减少由于输入电压变化而引起的开关频率变化，下面将参照图5B给出详细的描述。

如图5B所示，控制电路202包括彼此电耦接的电流设定单元202a和开关控制单元202b。尽管在图5B中给出了控制电路202的特定元器件，在其它实施例中，控制电路202可包括不同的和/或其他增加的元器件。

电流设定单元202a耦接至输入电压V _in和直流偏置电压V _bias，基于输入电压V _in和直流偏置电压V _bias来产生控制电流I。在一个实施例中，如图5B所示，电流设定单元202a包括一端耦接至输入电压的电阻器210、串联耦接于输入电压V _in和参考电压V _ref之间的第一晶体管214a。其中参考电压V _ref可以是图5B所示的地或其他合适的电压值。电流设定单元202a还包括第一比较器212。第一比较器212具有耦接至第一晶体管214a漏极的第一端212a、耦接至直流偏置电压V _bias的第二端212b以及耦接至第一晶体管214a栅极的输出端。在一个实施例中，第一比较器212为运算放大器。

工作时，第一比较器212和第一晶体管214a构成电压跟随器，将漏极电压V _s调节至等于直流偏置电压V _bias。电流设定单元202a可以按照下式来设定流过电阻器210和第一晶体管214a的控制电流I：

(6)

其中R是电阻器210的电阻值。控制电流I被供给开关控制单元202b以产生开关电路104的开关控制信号。

开关控制单元202b耦接至电流设定单元202a，接收控制电流I并据此产生开关控制信号。如图5B所示，开关控制单元202b包括耦接至第一比较器212输出端的第二晶体管214b。在一个实施例中，第二晶体管214b与第一晶体管214a相配对（例如具有实质上相同的器件特性）。在其他实施例中，第二晶体管214b可以采用其他的配置。

开关控制单元202b还包括耦接在一起的电流镜216、开关电容器220、放电晶体管222和第二比较器224。其中电流镜216包括耦接至第二晶体管214b漏极的第一镜像晶体管218a和与开关电容器220串联耦接的第二镜像晶体管218b。开关电容器220包括第一端和第二端，其中开关电容器220的第一端耦接至第二镜像晶体管218b的漏极，开关电容器220的第二端耦接至参考电压V _ref（例如图5B所示的地）。放电晶体管222具有源极、漏极和栅极，其中放电晶体管222的漏极耦接至开关电容器220的第一端，源极耦接至开关电容器220的第二端，栅极耦接至第二比较器224的输出端。第二比较器224具有耦接至开关电容器220第一端的第一输入端224a和耦接至阈值电压V _th的第二输入端224b。

工作时，第二晶体管214b将流过第一镜像晶体管218b的电流设置为等于流过电阻器210和第一晶体管214a的控制电流I。这样电流镜216可以复制控制电流I并将该电流供给开关电容器220的第一端。控制电流I对开关电容器220进行充电。第二比较器224将开关电容器220两端的充电电压V _C与阈值电压V _th进行比较，以提供开关控制信号给开关电路104来控制图5A中第一开关管112a和第二开关管112b的导通或关断。第二比较器224同时提供开关控制信号至放电晶体管222的栅极，当充电电压V _C大于阈值电压V _th时导通放电晶体管222，为开关电容器220放电。这样，充电电压V _C小于阈值电压V _th，放电晶体管222随之关断，然后控制电流I再次对开关电容器220进行充电，上述过程不断重复。

根据本发明的实施例，通过调节直流偏置电压V _bias，可以至少减少或者基本消除输入电压变化引起的开关频率变化。图6是根据本发明一实施例的根据图5A所示降压变换器200开关频率随输入电压变化的仿真结果所绘制的图。如图6所示，当直流偏置电压V _bias分别为0.54V、0.6V和0.76V时，与直流偏置电压V _bias为0V时相比，开关频率f _s的变化显著减小。特别是当直流偏置电压V _bias为0.76V时，开关频率f _s在输入电压从2.7V变换至5V时的变化小于1%。详细的仿真结果如下表所示。

直流偏置电压V _bias	Δf_{S_5V}/f_{S_2.7V}
		0	17%
0.54V	7%
		0.6V	6%
0.76V	1%

尽管在上表中给出了直流偏置电压V _bias的几个特定值，但是在其他实施例中，直流偏置电压V _bias可以是其它大于0的值。例如，直流偏置电压V _bias可以是0.2V~5V，0.3V~3V，0.5V~2.5V和/或其它合适的值。

在一些实施例中，根据所需的开关频率变化量（例如频率变化百分比）来调整直流偏置电压V _bias。例如，改变降压变换器的输入电压V _in的值（例如从2.7V到5V）并测量由于输入电压变化引起的开关频率的频率偏移，再根据频率偏移和目标频率偏移来调整直流偏置电压V _bias。在一个实施例中，当频率变化百分比小于7%、5%、3%、1%和/或其他合适的百分比值时，可以认为目标频率偏移已达到，从而将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。

在其它实施例中，可凭借经验来调整直流偏置电压V _bias，以尽可能地使测量的频率偏移最小。在一个实施例中，对控制电路施加多个不同数值的直流偏置电压，然后改变降压变换器的输入电压V _in并测量多个不同数值直流偏置电压下的多个频率偏移。接着通过处理多个频率偏移和相应的直流偏置电压，找出最小的频率偏移以及与最小频率偏移对应的直流偏置电压。最后将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。在一个实施例中，预设一个直流偏置电压V _bias的阶梯变化值（例如0.1V），通过测量和巧妙地处理（例如描点，线性拟合或者多项式回归）对应的频率偏移，找出最小的频率偏移以及与其相对应的直流偏置电压。在其他实施例中，直流偏置电压可以根据其他合适的条件来调整。

应当指出的是，虽然图5A中的控制电路202应用于同步降压变换器200中，但在其它实施例中，控制电路202可应用于非同步降压变换器中。图7A是降压变换器300的电路原理图。图7B是根据本发明一实施例的图7A所示降压变换器300工作时电压随时间变化的波形图。如图7A和7B所示，图5A中的第二开关管112b被降压变换器300中的整流器115（例如二极管D）代替。在其他实施例中，控制电路202可应用于升压变换器中、降压或升压变换器的组合和/或其他合适类型的开关模式电压变换器中。

上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明，这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。

Claims

1.一种用于开关模式电压变换器的控制电路，该开关模式电压变换器包括第一开关管，该控制电路耦接在输入电压和地之间，周期性地导通第一开关管一恒定时长，包括：

电流设定单元，耦接至输入电压和直流偏置电压，基于输入电压和直流偏置电压产生控制电流；以及

开关控制单元，耦接至电流设定单元，根据控制电流产生开关控制信号以控制第一开关管的导通或关断，从而减小输入电压变化引起的开关频率变化。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中电流设定单元包括：

电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至输入电压；

第一比较器，具有第一输入端、第二输入端以及输出端，其中第一输入端耦接至电阻器的第二端，第二输入端耦接至直流偏置电压；

第一晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中第一端耦接至电阻器的第二端和第一比较器的第一输入端，第二端耦接至地，控制端耦接至第一比较器的输出端。

3.如权利要求1所述的控制电路，其中开关控制单元包括：

电流镜，具有第一端、第二端和第三端，其中第一端耦接至输入电压；

第二晶体管，与第一晶体管相配对，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电流镜的第二端，第二端耦接至地，控制端耦接至第一比较器的输出端；

开关电容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至电流镜的第三端，第二端耦接至地；

第二比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至电流镜的第三端和开关电容器的第一端，第二输入端耦接至阈值电压，输出端耦接至第一开关管以提供开关控制信号；以及

放电晶体管，与开关电容器并联耦接，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至开关电容器的第一端，第二端耦接至地，控制端耦接至第二比较器的输出端，放电晶体管用于当开关电容器的电压高于阈值电压时，为开关电容器放电。

4.一种开关模式电压变换器，包括第一开关管和如权利要求1至3中任一项所述的控制电路。

5.如权利要求4所述的开关模式电压变换器，其中第一开关管具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压，控制端耦接至控制电路的输出端；

该开关模式电压变换器还包括：

第二开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至一开关管的第二端，第二端耦接至地，控制端耦接至控制电路的输出端；

电感器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一开关管的第二端和第二开关管的第一端；以及

输出电容器，电耦接于电感器的第二端与地之间。

6.一种用于开关模式电压变换器的控制方法，该开关模式电压变换器包括开关管和用于周期性导通开关管一恒定时长的控制电路，该控制方法包括：

对控制电路施加直流偏置电压；

改变开关模式电压变换器的输入电压；

测量输入电压变化引起的频率偏移；以及

根据目标频率偏移来调整直流偏置电压。

7.如权利要求6所述的控制方法，进一步包括：

根据测量的频率偏移来计算频率变化百分比；

其中调整直流偏置电压的步骤包括若计算得到的频率变化百分比小于5％，将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。

8.如权利要求6所述的控制方法，进一步包括：

根据测量的频率偏移来计算频率变化百分比；

其中调节直流偏置电压的步骤包括若计算得到的频率变化百分比小于1％，将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。

9.一种用于开关模式电压变换器的控制方法，该开关模式电压变换器包括开关管和用于周期性导通开关管一恒定时长的控制电路，该控制方法包括：

对控制电路施加多个不同数值的直流偏置电压；

改变开关模式电压变换器的输入电压；

测量多个不同数值直流偏置电压下的多个频率偏移；

处理多个频率偏移和相应的直流偏置电压，找出最小的频率偏移以及与最小频率偏移对应的直流偏置电压；以及

将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。