CN103280971A - 升降压变换器及其控制器和控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了升降压变换器及其控制器和控制方法。该控制器包括：误差放大电路，基于参考信号和反馈信号产生补偿信号；比较电路，将电流采样信号与补偿信号进行比较，产生复位信号；比例采样电路，基于时钟信号对电流采样信号与补偿信号之差进行采样，产生比例采样信号；逻辑电路，基于时钟信号和复位信号产生逻辑控制信号；脉冲宽度增大电路，基于逻辑控制信号和比例采样信号产生和值控制信号，其中脉冲宽度增大电路将逻辑控制信号的脉冲宽度增大一调制值，以产生和值控制信号的脉冲宽度，该调制值受比例采样信号调节；第一驱动电路，基于和值控制信号控制第一开关管和第二开关管；以及第二驱动电路，基于逻辑控制信号控制第三开关管和第四开关管。

Description

升降压变换器及其控制器和控制方法
技术领域
本发明涉及电子电路，尤其涉及升降压变换器及其控制器和控制方法。
背景技术
随着消费类电子产品市场的迅速发展，便携式电子产品不断向小型化、轻型化转变，产品的体积变小使得其电池的体积和容量也随之减小。这就要求尽可能地提高此类产品供电模块的转换效率，减小功耗，并使其能在较宽的电池电压变化范围内提供稳定的输出电压，以便延长电池的使用时间。能在宽输入范围下工作的升降压变换器被广泛用于此类场合。
图1是传统四开关升降压变换器的电路原理图。该升降压变换器将输入电压VIN转换为输出电压VOUT，包括开关管S1～S4、电感器L以及输出电容器C。当开关管S1、S3导通，开关管S2、S4关断时，电感器L储存能量。当开关管S1、S3关断，开关管S2、S4导通时，电感器L储存的能量被提供至负载。由于四个开关管S1～S4均持续工作，传统升降压变换器的功率损耗较大。
为了降低功耗，可以根据输入输出电压的不同关系采用不同的工作模式，以减少同时工作的开关数量。当输入电压VIN小于输出电压VOUT时，升降压变换器工作于升压模式，开关管S1恒定导通，开关管S2恒定关断，开关管S3和S4通过脉冲宽度调制进行控制。当输入电压VIN大于输出电压VOUT时，升降压变换器工作于降压模式，开关管S4恒定导通，开关管S3恒定关断，开关管S1和S2通过脉冲宽度调制进行控制。
然而，根据输入输出电压关系来判断工作模式，使得控制回路与电压反馈回路之间的关系复杂，加大了系统设计和测试的难度。此外，不同工作模式之间的转换，也会引起各电路参数(例如电压、电流、占空比)的突变，输出电压VOUT上可能会出现跳变尖峰。
发明内容
根据本发明实施例的一种升降压变换器的控制器，该升降压变换器将输入电压转换为输出电压，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感器，该控制器包括：时钟产生电路，产生周期性的时钟信号；误差放大电路，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参考信号，第二输入端接收代表输出电压的反馈信号，误差放大电路基于参考信号和反馈信号，在输出端产生补偿信号；比较电路，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代表流过电感器电流的电流采样信号，第二输入端耦接至误差放大电路的输出端以接收补偿信号，比较电路将电流采样信号与补偿信号进行比较，在输出端产生复位信号；比例采样电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收电流采样信号，第二输入端耦接至误差放大电路的输出端以接收补偿信号，第三输入端耦接至时钟产生电路以接收时钟信号，比例采样电路基于时钟信号，对电流采样信号与补偿信号之差进行采样，在输出端产生比例采样信号；逻辑电路，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时钟产生电路以接收时钟信号，第二输入端耦接至比较电路的输出端以接收复位信号，逻辑电路基于时钟信号和复位信号，在输出端产生逻辑控制信号；脉冲宽度增大电路，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逻辑电路的输出端以接收逻辑控制信号，第二输入端耦接至比例采样电路的输出端以接收比例采样信号，脉冲宽度增大电路基于逻辑控制信号和比例采样信号，在输出端产生和值控制信号，其中脉冲宽度增大电路将逻辑控制信号的脉冲宽度增大一调制值，以产生和值控制信号的脉冲宽度，该调制值受比例采样信号调节；第一驱动电路，具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中输入端耦接至脉冲宽度增大电路的输出端以接收和值控制信号，第一驱动电路基于和值控制信号，在第一输出端和第二输出端分别产生第一驱动信号和第二驱动信号，以控制第一开关管和第二开关管；以及第二驱动电路，具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中输入端耦接至逻辑电路的输出端以接收逻辑控制信号，第二驱动电路基于逻辑控制信号，在第一输出端和第二输出端分别产生第三驱动信号和第四驱动信号，以控制第三开关管和第四开关管。
根据本发明实施例的一种升降压变换器，包括如前所述的控制器。
根据本发明实施例的一种升降压变换器的控制方法，该升降压变换器将输入电压转换为输出电压，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感器，该控制方法包括：采样输出电压，产生反馈信号；采样流过电感器的电流，产生电流采样信号；基于参考信号和反馈信号，产生补偿信号；将电流采样信号与补偿信号进行比较，产生复位信号；基于时钟信号和复位信号，产生逻辑控制信号；基于时钟信号，对电流采样信号与补偿信号之差进行采样，产生比例采样信号；基于比例采样信号，将逻辑控制信号的脉冲宽度增大一调制值，以产生和值控制信号的脉冲宽度；基于和值控制信号，产生第一驱动信号和第二驱动信号以控制第一开关管和第二开关管；以及基于逻辑控制信号，产生第三驱动信号和第四驱动信号以控制第三开关管和第四开关管。
根据本发明的实施例，基于时钟信号对电流采样信号与补偿信号之差进行采样，以产生比例采样信号，并基于逻辑控制信号和比例采样信号产生和值控制信号以控制第一和第二开关管，同时基于逻辑控制信号控制第三和第四开关管，实现了升降压变换器在多个工作模式之间的自动、平滑转换，使得各电路参数在模式转换时连续且平滑，也使电路设计与测试均变得更为容易。此外，在本发明的实施例中，无需额外的输入电压反馈电路与模式判断电路，这无疑使得升降压变换器的结构变得更为简单，且加强了系统的可靠性。
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的实施例进行描述：
图1为传统四开关升降压变换器的电路原理图；
图2为根据本发明一实施例的升降压变换器200的示意性框图；
图3A～3C为根据本发明一实施例的图2所示升降压变换器200在不同模式下的工作波形图；
图4为根据本发明一实施例的比例采样电路407的电路原理图；
图5为根据本发明一实施例的升降压变换器500的示意性框图；
图6为根据本发明一实施例的脉冲宽度增大电路609的电路原理图；
图7A～7C为根据本发明一实施例的图6所示脉冲宽度增大电路609在不同模式下的工作波形图；
图8为根据本发明一实施例的的升降压变换器800的电路原理图；
图9为根据本发明一实施例的升降压变换器控制方法的流程图。
附图没有对实施例的所有电路或结构进行显示。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，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发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，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发明至少一个实施例中。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2为根据本发明一实施例的升降压变换器200的示意性框图。该升降压变换器200包括开关管S1～S4、电感器L、输出电容器C、控制器201、电流采样电路202以及反馈电路203。开关管S1具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压VIN。开关管S2具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至开关管S1的第二端，第二端接地。电感器L具有第一端(节点A)和第二端(节点B)，其中第一端耦接至开关管S1的第二端和开关管S2的第一端。开关管S3具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器L的第二端，第二端接地。开关管S4具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器L的第二端和开关管S3的第一端，第二端提供输出电压VOUT。输出电容器C耦接在开关管S4的第二端和地之间。开关管S1-S4可以是任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
电流采样电路202采样流过电感器L的电流，并产生代表该电流的电流采样信号ISENSE。电流采样电路202可以采用任何常用的电流采样方法，例如电流采样电阻器、电流传感器、电流镜等。电流采样电路202可以直接采样流过电感器L的电流，也可以通过采样流过开关管S1的电流来获取电流采样信号ISENSE。
反馈电路203具有输入端和输出端，其中输入端耦接至开关管S4的第二端以接收输出电压VOUT，反馈电路203采样输出电压VOUT，在输出端产生代表输出电压VOUT的反馈信号FB。控制器201耦接至电流采样电路202和反馈电路203以接收电流采样信号ISENSE和反馈信号FB，并基于电流采样信号ISENSE和反馈信号FB产生驱动信号DRV1～DRV4以分别控制开关管S1～S4。控制器201可以为集成电路，也可以部分或全部地由分立电子元件组成。
如图2所示，控制器201包括时钟产生电路204、误差放大电路205、比较电路206、比例采样电路207、逻辑电路208、脉冲宽度增大电路209、第一驱动电路210以及第二驱动电路211。时钟产生电路204产生周期性的时钟信号CLK。误差放大电路205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参考信号VREF，第二输入端耦接至反馈电路203的输出端以接收反馈信号FB，误差放大电路205基于参考信号VREF和反馈信号FB，在输出端产生补偿信号COMP。误差放大电路205可由任何具有误差比例积分功能的数字或者模拟电路构成。
比较电路206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采样电路202的输出端以接收电流采样信号ISENSE，第二输入端耦接至误差放大电路205的输出端以接收补偿信号COMP，比较电路206将电流采样信号ISENSE与补偿信号COMP进行比较，在输出端产生复位信号RST。比较电路206可由任何具有比较功能的数字或者模拟电路构成。
比例采样电路207具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端耦接至电流采样电路202的输出端以接收电流采样信号ISENSE，第二输入端耦接至误差放大电路205的输出端以接收补偿信号COMP，第三输入端耦接至时钟产生电路204以接收时钟信号CLK。比例采样电路207基于时钟信号CLK，对电流采样信号ISENSE与补偿信号COMP之差进行采样，在输出端产生比例采样信号VC。在一个实施例中，比例采样电路207在时钟信号CLK的上升沿(或高电平)对电流采样信号ISENSE与补偿信号COMP之差进行采样。比例采样信号可表示为VC＝k1*(ISENSEvalley-COMP)，其中k1为比例系数，ISENSEvalley为电流采样信号ISENSE在当前开关周期中的最小值(谷值)。在一些实施例中，需要适当选取比例系数k1，k1过大，则控制环路容易出现振荡，k1过小，则升降压变换器的瞬态响应差。
逻辑电路208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时钟产生电路204以接收时钟信号CLK，第二输入端耦接至比较电路206的输出端以接收复位信号RST，逻辑电路208基于时钟信号CLK和复位信号RST，在输出端产生逻辑控制信号CTRL。一般地，在时钟信号CLK的上升沿，逻辑控制信号CTRL由低电平变为高电平。当电流采样信号ISENSE增大至补偿信号COMP时，逻辑控制信号CTRL由高电平变为低电平。在一个实施例中，若电流采样信号ISENSE持续大于或等于补偿信号COMP(即ISENSEvalley≥COMP)，逻辑控制信号CTRL将保持低电平，其脉冲宽度TON等于零。
脉冲宽度增大电路209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逻辑电路208的输出端以接收逻辑控制信号CTRL，第二输入端耦接至比例采样电路207的输出端以接收比例采样信号VC，脉冲宽度增大电路209基于逻辑控制信号CTRL和比例采样信号VC，在输出端产生和值控制信号CTRLS。脉冲宽度增大电路209将逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON增大一调制值TTH，以产生和值控制信号CTRLS的脉冲宽度TONS，其中该调制值TTH受比例采样信号VC调节。在一个实施例中，当比例采样信号VC小于零时(ISENSEvalley＜COMP)，调制值TTH为恒定值。当比例采样信号VC大于或等于零时(ISENSEvalley≥COMP)，调制值TTH随比例采样信号VC增大而减小，随比例采样信号VC减小而增大。
脉冲宽度增大电路209可以是任何可实现脉宽增大功能的模拟或者数字电路。特别地，由于和值控制信号CTRLS的脉冲宽度TONS必然大于等于零，而小于等于逻辑控制信号CTRL的周期T，因而当TON+TTH大于T时，和值控制信号CTRLS的脉冲宽度TONS被限制至等于T。
第一驱动电路210具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中输入端耦接至脉冲宽度增大电路209以接收和值控制信号CTRLS，第一输出端耦接至开关管S1的控制端，第二输出端耦接至开关管S2的控制端。第一驱动电路211基于和值控制信号CTRLS，分别在第一输出端和第二输出端产生驱动信号DRV1和DRV2。一般地，驱动信号DRV1与DRV2互补。在一些实施例中，为了避免开关管S1和S2直通，第一驱动电路210还包括死区时间控制电路，以在驱动信号DRV1与DRV2之间引入死区时间。
第二驱动电路211具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中输入端耦接至逻辑电路208以接收逻辑控制信号CTRL，第一输出端耦接至开关管S3的控制端，第二输出端耦接至开关管S4的控制端。第二驱动电路211基于逻辑控制信号CTRL，分别在第一输出端和第二输出端产生驱动信号DRV3和DRV4。一般地，驱动信号DRV3与DRV4互补。在一些实施例中，为了避免开关管S3和S4直通，第二驱动电路211还包括死区时间控制电路，以在驱动信号DRV3与DRV4之间引入死区时间。
以下以工作于电流连续模式下的升降压变换器为例进行说明，但本领域技术人员可知，类似的分析方式对工作于电流断续模式下的升降压变换器也适用。
当逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON等于零时，即TON＝0，升降压变换器200工作于降压模式。图3A为根据本发明一实施例的图2所示升降压变换器200在降压模式下的工作波形图。此时电流采样信号的谷值ISENSEvalley大于补偿信号COMP，逻辑控制信号CTRL保持低电平。开关管S3恒定关断，而开关管S4恒定导通，节点B的电压VB等于输出电压VOUT。由于ISENSEvalley大于COMP，比例采样信号VC大于零，和值控制信号CTRLS的脉冲宽度TONS等于调制值TTH，随比例采样信号VC变化而变化。节点A的电压VA也基于和值控制信号CTRLS在输入电压VIN与零电压之间切换。根据电感伏秒平衡定律，可以得到：
VIN*TTH/T＝VOUT       (公式1)
当0＜TON＜(T-TTH)，升降压变换器200工作于升降压模式。图3B为根据本发明一实施例的图2所示升降压变换器200在升降压模式下的工作波形图。此时ISENSEvalley小于COMP。在时钟信号CLK的上升沿，逻辑控制信号CTRL由低电平变为高电平，开关管S3导通，开关管S4关断，流过电感器L的电流逐渐增大，电流采样信号ISENSE也逐渐增大。当电流采样信号ISENSE增大至补偿信号COMP时，逻辑控制信号CTRL由高电平变为低电平。由于ISENSEvalley小于COMP，比例采样信号VC小于零，调制值TTH为恒定值。和值控制信号CTRLS的脉冲宽度TONS等于TON+TTH。在升降压模式下，开关管S1～S4均参与工作。节点A的电压VA基于和值控制信号CTRLS在输入电压VIN与零电压之间切换。节点B的电压VB基于逻辑控制信号CTRL在零电压与输出电压VOUT之间切换。根据电感伏秒平衡定律，可以得到：
VIN*(TON+TTH)/T＝VOUT*(1-TON/T)      (公式2)
当TON≥T-TTH，和值控制信号CTRLS的脉冲宽度TONS被限制至等于T，升降压变换器200工作于升压模式。图3C为根据本发明一实施例的图2所示升降压变换器200在升压模式下的工作波形图。此时和值控制信号CTRLS保持高电平，开关管S1恒定导通，而开关管S2恒定关断，节点A的电压VA等于输入电压VIN。在时钟信号CLK的上升沿，逻辑控制信号CTRL由低电平变为高电平，开关管S3导通，开关管S4关断，流过电感器L的电流逐渐增大，电流采样信号ISENSE也逐渐增大。当电流采样信号ISENSE增大至补偿信号COMP时，逻辑控制信号CTRL由高电平变为低电平。节点B的电压VB基于逻辑控制信号CTRL在零电压与输出电压VOUT之间切换。根据电感伏秒平衡定律，可以得到：
VIN＝VOUT*(1-TON/T)       (公式3)
由以上分析可知，升降压变换器200可基于逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON在降压模式、升降压模式和升压模式之间自动、平滑地进行转换，这使得各电路参数(例如电压、电流、占空比等)在模式切换时连续且平滑，也使电路设计与测试均变得更为容易。此外，升降压变换器200无需额外的输入电压反馈电路与模式判断电路，这无疑降低了系统的体积与成本，也加强了系统的可靠性。
由以上分析还可知，调制值TTH的恒定值的选取需考虑到应用所需升降压区域的大小。恒定值越大，升降压区域越小，升降压电路的效率越高，但模式转换越容易受输入/输出电压上扰动的影响。一般地，该恒定值大于零，而小于逻辑控制信号CTRL的周期T。
图4为根据本发明一实施例的比例采样电路407的电路原理图。该比例采样电路407包括误差放大器EA1以及采样保持电路412。误差放大器EA1具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端耦接至电流采样电路的输出端以接收电流采样信号ISENSE，反相输入端耦接至误差放大电路的输出端以接收补偿信号COMP，误差放大器EA1基于电流采样信号ISENSE和补偿信号COMP，在输出端产生比例误差信号VD。采样保持电路412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误差放大器EA1的输出端以接收比例误差信号VD，第二输入端耦接至时钟产生电路以接收时钟信号CLK，采样保持电路412在时钟信号CLK的上升沿(或高电平)对比例误差信号VD进行采样保持，在输出端产生比例采样信号VC。
图5为根据本发明一实施例的升降压变换器500的示意性框图。该升降压变换器500与图2所示升降压变换器200的结构相似。在定频峰值电流控制中，当占空比大于0.5时，输出电压上会出现次谐波振荡。为了消除上述次谐波振荡，根据本发明的实施例，可以在电流采样信号ISENSE上叠加一斜坡信号VSLOPE。斜坡信号VSLOPE与电流采样信号ISENSE之和被提供至比较电路506和比例采样电路507。
斜坡信号VSLOPE通常为周期性的三角波信号或锯齿波信号。然而，正如前面分析的，在降压模式下，逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON等于零，开关S1和S2的占空比主要由比例采样信号VC而非由电感峰值电流决定。因此，在降压模式下可以无需进行斜坡补偿，此时可使斜坡信号VSLOPE等于零，以减小电路损耗并提高控制精度。在图5所示实施例中，升降压变换器500还包括斜坡信号产生电路513。斜坡信号产生电路513具有输入端和输出端，其中输入端耦接至逻辑电路508的输出端以接收逻辑控制信号CTRL，斜坡信号产生电路513基于逻辑控制信号CTRL，在输出端产生斜坡信号VSLOPE。当逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON等于零时，斜坡信号VSLOPE的值也等于零。
在一些应用中，为了保证脉冲宽度增大电路可靠工作，要求送入其中的信号具有有一个最小脉冲宽度TON_MIN。在一个实施例中，如图5所示，控制电路501还包括或门OR1。或门OR1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时钟产生电路504以接收时钟信号CLK，第二输入端耦接至逻辑电路508的输出端以接收逻辑控制信号CTRL，输出端耦接至脉冲宽度增大电路509的输入端以提供第一控制信号CTRL1。时钟信号CLK的脉冲宽度被设置为等于最小脉冲宽度TON_MIN。在其他实施例中，或门OR1并非是必需的，逻辑电路508可直接使逻辑控制信号CTRL具有最小脉冲宽度TON_MIN，例如，使逻辑控制信号CTRL在时钟信号CLK为高电平时恒为高电平。此时，逻辑控制信号CTRL将在经过进一步处理后方被送入第二驱动电路511，以保证升降压变换器可工作于降压模式。
在实际应用中，由于寄生参数的影响，在电流采样信号的谷值ISENSEvalley增大至略高于补偿信号COMP，即升降压变换器由升降压模式进入降压模式时，比例采样电路507也许由于其内部特性(例如输入级的负偏置)使得本应该为正的比例采样信号VC实际为0或者为负。此时逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON等于零，而调制值TTH为恒定值，和值控制信号CTRLS的脉冲宽度TONS也将为恒定值而不再受控。升降压变换器将丧失调节输出电压VOUT的能力，导致输出电压VOUT在模式切换时出现尖峰。为了解决上述问题，在图5所示的实施例中，一偏置信号Voffset被叠加至比例采样电路507的第一输入端。比例采样电路507基于时钟信号CLK，对ISENSE+VSLOPE+Voffset与补偿信号COMP之差进行采样，以产生比例采样信号VC。对图5所示的升降压变换器500而言，比例采样信号可表示为VC＝k1*(ISENSEvalley+VSLOPE+Voffset-COMP)。当比例采样信号VC大于或等于零，即(ISENSEvalley+VSLOPE+Voffset)≥COMP时，和值控制信号CTRLS的脉冲宽度TONS等于TON+TTH，其中调制值TTH随比例采样信号VC增大而减小，随比例采样信号VC减小而增大。偏置信号Voffset的存在导致和值控制信号CTRLS的脉冲宽度TONS在升降压变换器自升降压模式进入降压模式之前，即随比例采样信号VC变化而变化，使得升降压变换器的模式转换更为平滑。
图6为根据本发明一实施例的脉冲宽度增大电路609的电路原理图。脉冲宽度增大电路609包括二极管D1、电阻器R1、电容器C1、电流源IS以及比较器COM1。二极管D1具有阳极和阴极，其中阳极耦接至或门OR1的输出端以接收第一逻辑控制信号CTRL1。电阻器R1具有第一端和第二端，其中第一端耦接至二极管D1的阳极，第二端耦接至二极管D1的阴极。电容器C1具有第一端和第二端，其中第一端耦接至二极管D1的阴极，第二端接地。电流源IS具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至二极管D1的阴极，第二端接地，控制端耦接至比例采样电路507的输出端以接收比例采样信号VC。电流源IS的电流值受比例采样信号VC调节。在一个实施例中，当比例采样信号VC小于零时，电流源IS的电流值等于零。当比例采样信号VC大于或等于零时，电流源IS的电流值随比例采样信号VC增大而增大，随比例采样信号VC减小而减小。在一些实施例中，电流源IS的电流值与比例采样信号VC成正比，可表示为IS＝k2*VC，其中k2为常数。比较器COM1具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端耦接至电容器C1的第一端接收电容器C1两端的电压V1，反相输入端接收阈值电压VTH，输出端耦接至第一驱动电路510的输入端以提供和值控制信号CTRLS。以下将结合图7A～7C对脉冲宽度增大电路609的工作原理作详细说明。
图7A为根据本发明一实施例的图6所示脉冲宽度增大电路609在降压模式下的工作波形图。此时逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON等于0，比例采样信号VC大于零，电流源IS的电流值等于k2*VC。如图7A所示，当时钟信号CLK由低电平变为高电平时，二极管D1导通，电容器C1通过二极管D1被快速充电，其两端的电压V1迅速增大。当电压V1增大至阈值电压VTH时，和值控制信号CTRLS由低电平变为高电平。电压V1将持续增大，直至达到最大电压VMAX。当时钟信号CLK由高电平变为低电平时，二极管D1关断，电容器C1通过电阻器R1和电流源IS被缓慢放电，其两端的电压V1逐渐减小。当电压V1减小至阈值电压VTH时，和值控制信号CTRLS由高电平变为低电平。电容器C1自最大电压VMAX被放电至阈值电压VTH所需的时间即为调制值TTH。根据电容安秒平衡定律，在电容器C1放电时，电容器C1两端的电压V1可以表示为：
V1＝(VMAX+R1*k2*VC)*e-t/(R1*C1)-R1*k2*VC    (公式4)则可以计算出调制值TTH为：TTH＝-R1*C1*ln((VTH+R1*k2*VC)/(VMAX+R1*k2*VC))(公式5)根据公式5可知，此时调制值TTH随比例采样信号VC增大而减小，随比例采样信号VC减小而增大。
图7B为根据本发明一实施例的图6所示脉冲宽度增大电路609在升降压模式下的工作波形图。此时逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON大于0且小于T-TTH，比例采样信号VC小于零，电流源IS的电流值等于零。如图7B所示，当逻辑控制信号CTRL由低电平变为高电平时，二极管D1导通，电容器C1通过二极管D1被快速充电，其两端的电压V1迅速增大。当电压V1增大至阈值电压VTH时，和值控制信号CTRLS由低电平变为高电平。电压V1将持续增大，直至达到最大电压VMAX。当逻辑控制信号CTRL由高电平变为低电平时，二极管D1关断，电容器C1通过电阻器R1被缓慢放电，其两端的电压V1逐渐减小。当电压V1减小至阈值电压VTH时，和值控制信号CTRLS由高电平变为低电平。电容器C1自最大电压VMAX被放电至阈值电压VTH所需的时间即为调制值TTH。根据电容安秒平衡定律，在电容器C1放电时，电容器C1两端的电压V1可以表示为：
V1＝VMAX*e-t/(R1*C1)     (公式6)则可以计算出调制值TTH为：
TTH＝-R1*C1*ln(VTH/VMAX)     (公式7)
根据公式7可知，此时调制值TTH为恒定值，由最大电压VMAX、阈值电压VTH、电阻器R1的阻值和电容器C1的容值决定。
图7C为根据本发明一实施例的图6所示脉冲宽度增大电路609在升压模式下的工作波形图。此时逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON大于T-TTH，比例采样信号VC小于零，电流源IS的电流值等于零。如图7C所示，当逻辑控制信号CTRL由低电平变为高电平时，二极管D1导通，电容器C1通过二极管D1被快速充电，其两端的电压V1迅速增大。当电压V1增大至阈值电压VTH时，和值控制信号CTRLS由低电平变为高电平。电压V1将持续增大，直至达到最大电压VMAX。当逻辑控制信号CTRL由高电平变为低电平时，二极管D1关断，电容器C1通过电阻器R1被缓慢放电，其两端的电压V1逐渐减小。由于在电压V1减小至阈值电压VTH前，逻辑控制信号CTRL由低电平变为高电平，电压V1将再次增大。因此，和值控制信号CTRLS一直保持高电平，其脉冲宽度TONS等于T。
图8为根据本发明一实施例的的升降压变换器800的电路原理图。其中开关管S1～S4均为N型MOSFET。反馈电路803包括电阻器R3和R4构成的电阻分压器。误差放大电路805包括误差放大器EA2。误差放大器EA2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收参考信号VREF，反相输入端耦接至反馈电路803以接收反馈信号FB，误差放大器EA2基于参考信号VREF和反馈信号FB，在输出端产生补偿信号COMP。比较电路806包括比较器COM2。比较器COM2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收电流采样信号ISENSE与斜坡信号VSLOPE之和，反相输入端耦接至误差放大器EA2的输出端以接收补偿信号COMP，输出端提供复位信号RST。
比例采样电路807的结构与图4所示比例采样电路407相似。逻辑电路808包括触发器FF。触发器FF具有置位端、复位端和输出端，其中置位端耦接至时钟产生电路804以接收时钟信号CLK，复位端耦接至比较器COM2的输出端以接收复位信号RST。触发器FF基于时钟信号CLK和复位信号RST，在输出端产生逻辑控制信号CTRL。在时钟信号CLK的上升沿，触发器FF被置位，逻辑控制信号CTRL为高电平。当电流采样信号ISENSE与斜坡信号VSLOPE之和大于或等于补偿信号COMP时，复位信号RST为高电平，触发器FF被复位，逻辑控制信号CTRL为低电平。触发器FF为复位优先，若复位信号RST保持高电平(即ISENSEvalley+VSLOPE≥COMP)，逻辑控制信号CTRL将保持低电平，其脉冲宽度TON等于零。
脉冲宽度增大电路809的结构与图6所示脉冲宽度增大电路609的结构基本相同。第一驱动电路810包括延迟电路DL2以及或非门NOR1，其连接结构如图8所示。在图8所示实施例中，时钟信号CLK经过延迟电路DL1后方被送入触发器FF。在延迟电路DL1、DL2以及或非门NOR1的作用下，第一驱动电路810产生的驱动信号DRV1和DRV2互补，且两者之间存在必要的死区时间。
第二驱动电路811包括延迟电路DL3以及或非门NOR2，其连接结构如图8所示。在延迟电路DL3以及或非门NOR2的作用下，第二驱动电路811产生的驱动信号DRV3和DRV4互补，且两者之间存在必要的死区时间。
斜坡信号产生电路813包括二极管D2、电阻器R2以及电容器C2。二极管D2具有阳极和阴极，其中阴极耦接至逻辑电路808的输出端以接收逻辑控制信号CTRL，阳极耦接以提供斜坡信号VSLOPE。电阻器R2具有第一端和第二端，其中第一端耦接至二极管D2的阴极，第二端耦接至二极管D2的阳极。电容器C2具有第一端和第二端，其中第一端耦接至二极管D2的阳极，第二端接地。在逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON大于零时，斜坡信号VSLOPE为周期性的锯齿波信号。在逻辑控制信号CTRL的脉冲宽度TON等于零时，斜坡信号VSLOPE也为零。
图9为根据本发明一实施例的升降压变换器控制方法的流程图。该控制方法包括步骤S920～S928。
在步骤S920，采样输出电压，产生反馈信号。
在步骤S921，采样流过电感器的电流，产生电流采样信号。
在步骤S922，基于参考信号和反馈信号，产生补偿信号。
在步骤S923，将电流采样信号与补偿信号进行比较，产生复位信号。
在步骤S924，基于时钟信号和复位信号，产生逻辑控制信号。
在步骤S925，基于时钟信号，对电流采样信号与补偿信号之差进行采样，产生比例采样信号。在一个实施例中，一偏置信号在步骤S925中被叠加至电流采样信号。
在步骤S926，基于比例采样信号，将逻辑控制信号的脉冲宽度增大一调制值，以产生和值控制信号的脉冲宽度。在一个实施例中，当比例采样信号小于零时，该调制值恒定；当比例采样信号大于零时，该调制值随比例采样信号增大而减小，随比例采样信号减小而增大。
在步骤S927，基于和值控制信号，产生第一驱动信号和第二驱动信号以控制第一开关管和第二开关管。一般地，第一驱动信号和第二驱动信号互补，而且在第一驱动信号和第二驱动信号之间设置有死区时间。
在步骤S928，基于逻辑控制信号，产生第三驱动信号和第四驱动信号以控制第三开关管和第四开关管。一般地，第三驱动信号和第四驱动信号互补，而且在第三驱动信号和第四驱动信号之间设置有死区时间。
在一个实施例中，该方法还包括将斜坡信号叠加至电流采样信号。该斜坡信号可以为周期性的锯齿波或三角波信号，也可以是基于逻辑控制信号而产生。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，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。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，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 (13)

1.一种升降压变换器的控制器，该升降压变换器将输入电压转换为输出电压，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感器，该控制器包括：
时钟产生电路，产生周期性的时钟信号；
误差放大电路，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参考信号，第二输入端接收代表输出电压的反馈信号，误差放大电路基于参考信号和反馈信号，在输出端产生补偿信号；
比较电路，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代表流过电感器电流的电流采样信号，第二输入端耦接至误差放大电路的输出端以接收补偿信号，比较电路将电流采样信号与补偿信号进行比较，在输出端产生复位信号；
比例采样电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收电流采样信号，第二输入端耦接至误差放大电路的输出端以接收补偿信号，第三输入端耦接至时钟产生电路以接收时钟信号，比例采样电路基于时钟信号，对电流采样信号与补偿信号之差进行采样，在输出端产生比例采样信号；
逻辑电路，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时钟产生电路以接收时钟信号，第二输入端耦接至比较电路的输出端以接收复位信号，逻辑电路基于时钟信号和复位信号，在输出端产生逻辑控制信号；
脉冲宽度增大电路，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逻辑电路的输出端以接收逻辑控制信号，第二输入端耦接至比例采样电路的输出端以接收比例采样信号，脉冲宽度增大电路基于逻辑控制信号和比例采样信号，在输出端产生和值控制信号，其中脉冲宽度增大电路将逻辑控制信号的脉冲宽度增大一调制值，以产生和值控制信号的脉冲宽度，该调制值受比例采样信号调节；
第一驱动电路，具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中输入端耦接至脉冲宽度增大电路的输出端以接收和值控制信号，第一驱动电路基于和值控制信号，在第一输出端和第二输出端分别产生第一驱动信号和第二驱动信号，以控制第一开关管和第二开关管；以及
第二驱动电路，具有输入端、第一输出端和第二输出端，其中输入端耦接至逻辑电路的输出端以接收逻辑控制信号，第二驱动电路基于逻辑控制信号，在第一输出端和第二输出端分别产生第三驱动信号和第四驱动信号，以控制第三开关管和第四开关管。
2.如权利要求1所述的控制器，其中当比例采样信号小于零时，所述调制值为恒定值；当比例采样信号大于零时，所述调制值随比例采样信号增大而减小，随比例采样信号减小而增大。
3.如权利要求1所述的控制器，还包括：
或门，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时钟产生电路以接收时钟信号，第二输入端耦接至逻辑电路的输出端以接收逻辑控制信号，输出端耦接至脉冲宽度增大电路的输入端。
4.如权利要求1所述的控制器，其中所述脉冲宽度增大电路包括：
第一二极管，具有阳极和阴极，其中阳极耦接至逻辑电路的输出端以接收逻辑控制信号；
第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一二极管的阳极，第二端耦接至第一二极管的阴极；
第一电容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一二极管的阴极，第二端接地；
电流源，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一二极管的阴极，第二端接地，控制端耦接至比例采样电路的输出端以接收比例采样信号；以及
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第一电容器的第一端，第二输入端接收阈值电压，输出端耦接至第一驱动电路的输入端以提供和值控制信号。
5.如权利要求4所述的控制器，其中当比例采样信号小于零时，所述电流源的电流值等于零；当比例采样信号大于零时，所述电流源的电流值随比例采样信号增大而增大，随比例采样信号减小而减小。
6.如权利要求1所述的控制器，还包括：
斜坡信号产生电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至逻辑电路的输出端以接收逻辑控制信号，斜坡信号产生电路基于逻辑控制信号，在输出端产生被叠加至电流采样信号的斜坡信号。
7.如权利要求1所述的控制器，其中所述比例采样电路包括：
误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收电流采样信号，第二输入端耦接至误差放大电路的输出端以接收补偿信号，误差放大器基于电流采样信号和补偿信号，在输出端产生比例误差信号；以及
采样保持电路，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误差放大器的输出端以接收比例误差信号，第二输入端耦接至时钟产生电路以接收时钟信号，采样保持电路基于时钟信号对比例误差信号进行采样保持，在输出端产生比例采样信号。
8.如权利要求1所述的控制器，其中一偏置信号被叠加至所述比例采样电路的第一输入端。
9.一种升降压变换器，包括如权利要求1至8中任一项所述的控制器。
10.一种升降压变换器的控制方法，该升降压变换器将输入电压转换为输出电压，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感器，该控制方法包括：
采样输出电压，产生反馈信号；
采样流过电感器的电流，产生电流采样信号；
基于参考信号和反馈信号，产生补偿信号；
将电流采样信号与补偿信号进行比较，产生复位信号；
基于时钟信号和复位信号，产生逻辑控制信号；
基于时钟信号，对电流采样信号与补偿信号之差进行采样，产生比例采样信号；
基于比例采样信号，将逻辑控制信号的脉冲宽度增大一调制值，以产生和值控制信号的脉冲宽度；
基于和值控制信号，产生第一驱动信号和第二驱动信号以控制第一开关管和第二开关管；以及
基于逻辑控制信号，产生第三驱动信号和第四驱动信号以控制第三开关管和第四开关管。
11.如权利要求10所述的控制方法，其中当比例采样信号小于零时，所述调制值恒定；当比例采样信号大于零时，所述调制值随比例采样信号增大而减小，随比例采样信号减小而增大。
12.如权利要求10所述的控制方法，还包括：
基于逻辑控制信号，产生斜坡信号；以及
将斜坡信号叠加至电流采样信号。
13.如权利要求10所述的控制方法，其中在产生比例采样信号的步骤中，一偏置信号被叠加至所述电流采样信号。
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