CN102931840A

CN102931840A - 恒定导通时间变换电路的控制电路和控制方法

Info

Publication number: CN102931840A
Application number: CN2011102338023A
Authority: CN
Inventors: 欧阳茜; 袁伟
Original assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Current assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2031-08-12
Also published as: TWI467906B; TW201316666A; CN102931840B; US8912776B2; US20130038302A1

Abstract

本发明公开了恒定导通时间变换电路的控制电路和控制方法。该控制电路包括：误差放大器，用于放大所述变换电路的输出信号或所述变换电路的输出信号的反馈信号与一个参考信号之间的误差，并输出一个误差信号；斜坡信号产生器，用于产生一个斜坡信号；比较器，用于比较所述误差信号与所述斜坡信号，并输出一个比较信号；以及恒定导通时间信号产生器，用于根据所述比较信号，产生一个恒定导通时间信号，以控制所述变换电路的开关管的导通和关断。根据本发明，解决传统的恒定导通时间变换电路的稳定性问题，并且使得其动态响应性能得到进一步的改进。

Description

恒定导通时间变换电路的控制电路和控制方法

技术领域

本发明涉及电路领域。更具体地，本发明涉及恒定导通时间变换电路的控制电路和控制方法。

背景技术

恒定导通时间(COT)的变换电路由于其优越的动态响应性能和简单的内部结构，得到了很好的应用。

传统的恒定导通时间的变换电路需要满足一定条件才能稳定工作，例如，要使该变换电路稳定工作，要求反馈纹波电压必须足够大，并且与电感电流同相。这一要求导致不能采用体积小价格低廉的陶瓷电容器作为输出电容器，而需要采用价格相对昂贵的高分子有机半导体固体电容器作为输出电容器。

发明内容

因此，本发明的一个目的就是提供一种恒定导通时间的变换电路的控制方案，以解决传统的恒定导通时间变换电路的稳定性问题，并且使得其动态响应性能得到进一步的改进。

根据本发明的第一方面，提出了一种恒定导通时间的变换电路的控制电路，包括：误差放大器，用于放大所述变换电路的输出信号或所述变换电路的输出信号的反馈信号与一个参考信号之间的误差，并输出一个误差信号；斜坡信号产生器，用于产生一个斜坡信号；比较器，用于比较所述误差信号与所述斜坡信号，并输出一个比较信号；以及恒定导通时间信号产生器，用于根据所述比较信号，产生一个恒定导通时间信号，以控制所述变换电路的开关管的导通和关断。

根据本发明的第二方面，提出了一种恒定导通时间的变换电路的控制方法，包括步骤：放大所述变换电路的输出信号或所述变换电路的输出信号的反馈信号与一个参考信号之间的误差，以得到一个误差信号；产生一个斜坡信号；比较所述误差信号与所述斜坡信号，以得到一个比较信号；以及根据所述比较信号，产生恒定导通时间信号，以控制所述变换电路的开关管的导通与关断。

根据本发明，由于使用了误差放大器，因此解决传统的恒定导通时间变换电路的稳定性问题，并且在斜坡信号的下降速度与误差信号的幅度成正比的情况下，其动态响应性能得到进一步的改进。

附图说明

通过以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面了解，本发明的其他目的和效果将变得更加清楚和易于理解，其中：

图1示出了一个传统的具有控制电路的恒定导通时间的直流变换电路50；

图2示出了根据本发明的一个实施方式的具有控制电路的恒定导通时间的直流变换电路60；

图3示意性地示出了斜坡信号产生器RAMP的电路图；

图4相应地示出了斜坡信号Vramp的波形；

图5示意性地示出了斜坡信号Vramp的下降速度的改变与恒定导通时间信号产生器Ton产生恒定导通时间的速度之间的关系；

图6示出了根据本发明的一个实施方式的恒定导通时间的变换电路的控制方法的流程图。

在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

图1示出了一个传统的具有控制电路的恒定导通时间的直流变换电路50。

如图1所示，一个恒定时间计时器U₁通过一个前馈电阻R_feedforward接收电路50的输入V_IN，并且还接收电路50的输出V_OUT。串接在电路50的输出V_OUT和地之间的电阻R₁和电阻R₂组成一个反馈回路，用于从电路50的输出V_OUT得到一个反馈信号V_FB(电阻R₁和电阻R₂之间的电压)，该反馈信号V_FB被输送至比较器U₂的反相输入端(也可以直接将电路50的输出V_OUT输送至比较器U₂的反相输入端，这样就不需要反馈回路了)。比较器U₂的同相输入端接收参考信号V_REF，并且比较器U₂的输出端连接至与门U₄的一个输入端。与门U₄的输出端连接至RS触发器U₅的置位端S。RS触发器U₅的复位端R接收恒定时间计时器电路U₁的输出信号，而其输出Q一方面输送至驱动器U₆的输入端，另一方面反馈回恒定时间计时器U₁和最小关断时间电路U₃。最小关断时间电路U₃接收RS触发器U₅的输出Q，并且其输出连接到与门U₄的另一个输入端。驱动器U₆的两个输出信号分别用以驱动变换电路50的上开关管M₁和下开关管M₂(本说明书及其附图中，部分地方为简便表述，将两者分别简称为上管M₁和下管M₂，它们可以是三极管、MOS管等器件，串联在变换电路50的输入V_IN与地之间)，也就是说，驱动器U₆的两个输出信号分别连接到上管M₁和下管M₂的控制端。在上管M₁和下管M₂中间与地之间串联连接输出电感器L、阻抗ESR、理想输出电容器C_O，其中ESR为理想输出电容器C_O的实际等效串联阻抗。在输出电感器L和阻抗ESR之间得到变换电路50的输出V_OUT。

变换电路50工作时，当变换电路50的反馈信号V_FB低于参考信号V_REF时，比较器U₂输出为高，若此时最小关断时间电路U₃输出也为高，则与门U₄将输送一个高电平信号至RS触发器U₅的S端，从而置位RS触发器U₅，使其输出Q为高。此高的输出Q通过驱动器U₆将变换电路50的上开关管M₁导通、下开关管M₂关断，从而使变换电路50的输出V_OUT升高。当输出V_OUT升高至使得反馈信号V_FB高于参考信号V_REF时，比较器U₂输出为低，进而RS触发器U₅的置位端S为低，其输出Q保持原来的状态。另外，高的输出Q使恒定时间计时器U₁开始计时。当恒定时间计时器U₁计时达到预设值，例如达到NV_IN/V_OUT时，其输出端O输出一个高电平，进而对RS触发器U5进行复位，从而使得RS触发器U₅的输出Q变低；此低的输出Q通过驱动器U₆将变换电路50的上开关管M₁关断、下开关管M₂导通，使得变换电路50的输出V_OUT降低。同时此低的输出Q被输送至最小关断时间电路U₃，使U₃输出一个具有最小关断时间持续时间的低电平信号至与门U₄，从而在这段最小关断时间内无效与门U₄的另一个输入，即此时不管比较器U₂的输出为高或者为低，与门U₄的输出均为低。当变换电路50的输出V_OUT的反馈信号V_FB降低至低于V_REF时，比较器U₂输出为高，并且经过了最小关断时间后，U₃输出高电平信号至与门U₄，因此与门U₄输出为高，进而置位RS触发器U₅，变换电路50开始一个新周期。

综上所述，可知恒定时间计时器、最小关断时间电路、与门、RS触发器共同地组成了恒定导通时间信号产生器，而反馈回路、比较器、恒定导通时间信号产生器共同地组成了该变换电路的控制电路。

本领域的技术人员可以意识到，这里最小关断时间电路U₃的作用为避免由于噪声干扰等其它原因，变换电路50在经过了一个恒定导通时间以后又立刻进入下一个恒定导通时间。

当然，本领域的技术人员可以理解，可以不需要最小关断时间电路U₃。在没有最小关断时间电路U₃的情况下，也不需要与门U₄。此时，比较器U₂的输出直接连接到RS触发器U₅的S端。

图2示出了一个根据本发明的一个实施方式的具有控制电路的恒定导通时间的直流变换电路60。

该变换电路60的控制电路与图1所示的变换电路50的控制电路不同。

更具体地，该变换电路60的控制电路包括了图1所示的变换电路50的控制电路所不包括的误差放大器EA和斜坡信号产生器RAMP。其中，误差放大器EA的反相输入端接收反馈信号V_FB，同相输入端接收参考信号V_REF，其输出误差信号到比较器U₂的同相输入端，而比较器U₂的反相输入端接收斜坡信号产生器RAMP产生的斜坡信号，也就是说，此时，比较器U₂比较的是误差信号和斜坡信号。另外，如本领域的技术人员所知道的，误差放大器EA有一个电阻R_EA，连接在它的反相输入端与它的输出端之间。

在斜坡信号低于误差信号时，比较器U₂输出的比较信号发生转变，从低电平变成高电平，因此如前所述的那样，促使恒定导通时间信号产生器Ton产生一个恒定导通时间，其中在恒定导通时间期间，上开关管M₁导通，下开关管M₂关断，在恒定导通时间结束后，上开关管M₁关断，下开关管M₂导通。

在斜坡信号高于误差信号时，比较器U₂输出的比较信号也发生转变，不过是从高电平变成低电平，因此如前所述的那样，恒定导通时间信号产生器Ton不发生动作。

其中，斜坡信号产生器RAMP产生的斜坡信号的下降速度与误差放大器EA输出的误差信号的幅度成正比，以及其中当斜坡信号下降到低于误差信号时，斜坡信号被拉伸为具有误差信号与一个直流偏置电压之和的幅度。

更具体地，图3示意性地示出了斜坡信号产生器RAMP的电路图，图4相应地示出了斜坡信号Vramp的波形。

如图3所示，斜坡信号产生器RAMP包括：直流电压源V、加法器ADD、开关SW、电容器C、电流源I，

其中加法器ADD的输入端连接到误差放大器EA的输出端与提供直流偏置电压VW的直流电压源V的正极端，输出端连接到开关SW的第一端；开关SW的第二端连接到电流源I的流入端；直流电压源V的负极端和电流源I的流出端接地；电容器C的两端分别连接在开关S的第二端与地之间；开关S的控制端连接到一个开关控制信号产生器，该开关控制信号产生器可以类似于上面描述的恒定导通时间信号产生器Ton，在比较器U₂输出的比较信号发生转变，从低电平变成高电平情况下，输出一个使开关S闭合的信号，不过该使开关S闭合的信号的持续时间很短，例如30纳秒，并且开关S的第二端，也就是电容器C的非接地端，为斜坡信号产生器RAMP的输出端，在此处输出斜坡信号Vramp，其中电流源I的输出电流正比于误差信号。

当斜坡信号Vramp下降到低于误差信号时，开关S在控制端输入的信号的控制下闭合，从而斜坡信号Vramp被立刻拉伸为具有加法器ADD输出的信号的幅度，即斜坡信号Vramp被拉伸到具有误差信号与直流电压源V的电压值VW之和的幅度。也就是说，在开关S闭合期间，电容器C两端的电压被立刻拉伸为误差信号与直流电压源V的电压值VW之和。

在控制端输入的信号的控制下，在保持闭合一段时间之后，例如30ns之后，开关S断开，此时电流源I开始给电容器C放电，放电斜率，也就是放电速度为i/c，其中i为电流源I的输出电流，而c为电容器C的电容值。随着放电的进行，电容器C两端的电压，即斜坡信号Vramp也逐渐下降，其下降速度，也就是下降斜率的绝对值，与放电斜率i/c成比率。

由于电流源I的输出电流正比于误差信号的幅度，从而斜坡信号Vramp的下降速度也是与误差信号的幅度成正比。

如图4所示，斜坡信号Vramp其幅度从误差信号Comp和直流偏置电压VW之和开始逐渐地下降，一旦其幅度下降到低于误差信号Comp，其幅度被拉伸到误差信号Comp和直流偏置电压VW之和，并且其幅度又开始逐渐地下降，其中所述斜坡信号的下降速度与所述误差信号的幅度成正比。

如前所述，斜坡信号Vramp的下降速度与误差信号的幅度成正比，误差信号幅度越大，斜坡信号Vramp下降越快，越早地达到比误差信号Comp小的情形，从而更快地使恒定导通时间信号产生器Ton产生一个恒定导通时间，更快地使上开关管M₁导通，下开关管M₂关断，从而更快地使反馈信号V_FB增大，并接近于参考信号V_REF。

图5示意性地示出了斜坡信号Vramp的下降速度的改变与恒定导通时间信号产生器Ton产生恒定导通时间的速度之间的关系。其中，图5中上面那个图示出了斜坡信号Vramp的下降速度的改变，下面那个图示出了恒定导通时间信号产生器Ton产生恒定导通时间的速度。可以明显地看出，斜坡信号Vramp下降的越快，恒定导通时间信号产生器Ton产生恒定导通时间的速度也越快。

这也说明了根据本发明的恒定导通时间的变换电路的动态响应性能非常良好。当有负载接上变换电路时，变换电路的输出V_OUT会下降很多，从而导致反馈信号V_FB也会下降很多，从而导致大的误差信号幅度，而大的误差信号幅度会使恒定导通时间信号产生器Ton加快产生恒定导通时间，也就是说，加快上开关管导通的频率，输出更多的能量，使得变换电路输出V_OUT尽快地稳定。

另外，由于在本发明中，采用了误差放大器，因此解决了传统的恒定导通时间变换电路的稳定性问题。

如图6所示，该方法600包括步骤S610，放大变换电路的输出信号或变换电路的输出信号的反馈信号与一个参考信号之间的误差，以得到一个误差信号；步骤S620，产生一个斜坡信号；步骤S630，比较误差信号与斜坡信号，以得到一个比较信号；以及步骤S640，根据比较信号，产生恒定导通时间信号，以控制变换电路的开关管的导通与关断。

其中，斜坡信号其幅度从误差信号和直流偏置电压之和开始逐渐地下降，一旦其幅度下降到低于误差信号，其幅度被拉伸到误差信号和直流偏置电压之和，并且其幅度又开始逐渐地下降，其中所述斜坡信号的下降速度与所述误差信号的幅度成正比。

其中，开关管可以包括上开关管和下开关管，在斜坡信号低于误差信号时，比较信号发生转变，使得恒定导通时间信号产生一个恒定导通时间，其中在恒定导通时间期间，上开关管导通，下开关管关断；在恒定导通时间结束后，上开关管关断，下开关管导通。

应当注意，为了使本发明更容易理解，上面的描述省略了对于本领域的技术人员来说是公知的、并且对于本发明的实现可能是必需的更具体的一些技术细节。

本领域的技术人员还应当理解，本发明不限于上面所描述的步骤，本发明也包括对上面所描述的步骤进行的组合、顺序变换等。本发明的最终范围由所附的权利要求限定。

因此，选择并描述实施方式是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，并使本领域普通技术人员明白，在不脱离本发明实质的前提下，所有修改和变更均落入由权利要求所限定的本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种恒定导通时间的变换电路的控制电路，包括：

误差放大器，用于放大所述变换电路的输出信号或所述变换电路的输出信号的反馈信号与一个参考信号之间的误差，并输出一个误差信号；

斜坡信号产生器，用于产生一个斜坡信号；

比较器，用于比较所述误差信号与所述斜坡信号，并输出一个比较信号；以及

恒定导通时间信号产生器，用于根据所述比较信号，产生一个恒定导通时间信号，以控制所述变换电路的开关管的导通和关断。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述斜坡信号具有特征：

其幅度从误差信号和直流偏置电压之和开始逐渐地下降，一旦其幅度下降到低于误差信号，其幅度被拉伸到误差信号和直流偏置电压之和，并且其幅度又开始逐渐地下降，其中所述斜坡信号的下降速度与所述误差信号的幅度成正比。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其中所述斜坡信号产生器包括：电压源、加法器、开关、电容器、电流源，

其中所述加法器的输入端连接到所述误差放大器的输出端与提供直流偏置电压的所述电压源的正极端，输出端连接到所述开关的第一端；所述开关的第二端连接到所述电流源的流入端；所述电压源的负极端和所述电流源的流出端接地；所述电容器的两端分别连接在所述开关的第二端与地之间；所述开关的控制端连接到开关控制信号产生器，在所述斜坡信号低于所述误差信号时，所述开关控制信号产生器产生一个使所述开关闭合一段时间的信号，并且所述开关的第二端为所述斜坡信号产生器的输出端，其中所述电流源的输出电流正比于所述误差信号的幅度，从而所述斜坡信号的下降速度与所述误差信号的幅度成正比。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述恒定导通时间信号产生器包括：

恒定时间计时器，用于提供一个恒定时间计时信号；

逻辑电路，用于根据所述恒定时间计时信号、所述比较信号，来产生所述恒定导通时间信号。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其中所述恒定时间计时器至少包括三个输入端，其第一输入端接收所述变换电路的输入信号，其第二输入端接收所述变换电路的输出信号，其第三输入端接收所述恒定导通时间信号；以及

所述逻辑电路为RS触发器，其S端接收所述比较信号，R端接收所述恒定时间计时信号，而其Q输出端输出所述恒定导通时间信号。

6.根据权利要求4所述的控制电路，其中所述恒定导通时间信号产生器还包括：

最小关断时间电路，用于接收所述恒定导通时间信号，并且向所述逻辑电路提供一个最小关断时间信号。

7.根据权利要求6所述的控制电路，其中所述恒定导通时间信号产生器还包括：

一个与门，其一个输入端接收所述最小关断时间信号，另一个输入端接收所述比较信号，其输出提供给所述逻辑电路。

8.根据权利要求1所述的控制电路，其中

所述开关管包括上开关管和下开关管，在所述斜坡信号低于所述误差信号时，所述比较器输出的比较信号发生转变，使得所述恒定导通时间信号产生器产生一个恒定导通时间，其中在所述恒定导通时间期间，所述上开关管导通，所述下开关管关断；在所述恒定导通时间结束后，所述上开关管关断，所述下开关管导通。

9.一种恒定导通时间的变换电路的控制方法，包括步骤：

放大所述变换电路的输出信号或所述变换电路的输出信号的反馈信号与一个参考信号之间的误差，以得到一个误差信号；

产生一个斜坡信号；

比较所述误差信号与所述斜坡信号，以得到一个比较信号；以及

根据所述比较信号，产生恒定导通时间信号，以控制所述变换电路的开关管的导通与关断。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述斜坡信号具有特征：

11.根据权利要求9所述的方法，所述开关管包括上开关管和下开关管，在所述斜坡信号低于所述误差信号时，所述比较信号发生转变，使得所述恒定导通时间信号产生一个恒定导通时间，其中在所述恒定导通时间期间，所述上开关管导通，所述下开关管关断；在所述恒定导通时间结束后，所述上开关管关断，所述下开关管导通。