CN103441658A - 一种Boost控制器及Boost变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Boost控制器及Boost变换器，属于电源技术领域。其中，Boost控制器包括第一脉冲信号发生单元、第一比较单元、选择单元、软启动单元、第二脉冲信号发生单元、第二比较单元、触发单元和缓冲单元，Boost控制器根据负载变化情况动态调整环路的调制类型，在脉冲宽度调制和脉冲频率调制这两种调制方式间自动切换；Boost变换器包括Boost控制器、第一晶体管、整流二极管、第一电容、分压采样电路以及完成低压信号到高压输出信号的幅度放大的输出驱动电路，采用本发明，在满足环路输出相应速度要求的同时最大程度降低了变换器整体的功耗水平。

Description

一种Boost控制器及Boost变换器

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种Boost控制器及Boost变换器。

背景技术

Boost变换器作为基本的DC/DC变换器之一，能够实现从低电压电源变换到高电压电源，该变换器具有体积小、结构简单、变换效率高等优点，因而得到广泛的应用。Boost变换器由开关器件构成的功率级和控制电路两部分组成，控制电路一般需要在Boost变换器上增加负反馈构成闭环系统以提高输出精度和动态响应性能。所以，控制方法的选择和设计实现对开关电源的性能十分重要。

传统的电压控制型Boost变换器对输出电压进行采样，并作为反馈信号实现闭环控制，是一种单环控制系统。如图1所示，Boost变换器的输出电压vout经由电阻R1和R2构成的分压网络后生成采样信号vfb输入到误差放大器的反相端，其与参考电压vref之间的差值经误差放大器放大后最终产生误差信号ea，在变换器处于稳态时，ea小信号分量与差值“vref-vfb”成正比。误差信号ea和一个锯齿波信号比较后产生与ea信号电平相关的脉冲宽度信号，即晶体管M的栅极驱动信号的宽度受误差信号ea的电平调制。该反馈机制保证了变换器输出电压vout的稳定。值得注意的是，锯齿波信号ramp的频率可以固定，也可以根据情况是变动的，那么就分别对应着PWM或PFM两种控制机制，甚至可以是同时支持在PWM和PFM间切换。

从图1可知，Boost变换器的控制系统是一个负反馈控制系统，而负反馈电路要求反馈到输入端的输出信号变化量与原输入信号同相。但由于开关延迟和电路中电抗性元件的存在，不可避免的引入了随频率变化的附加相移，当这一相移增大到180°且此时系统的增益大于1时负反馈就变成了正反馈，系统将变得不稳定。此外，噪声干扰下的各分量经过输出滤波器、误差放大器和驱动产生等各环节后，增益和相位都会发生变化。所以，开关变换器稳定工作的条件就是避免电路出现振荡，即在附加相移为（2n+1）×180°的情况下，满足环路增益小于0dB。这一条件的满足必须依赖精心设计的环路补偿电路。如图2所示，电抗元件Z1和Z2构成补偿环节。实际中补偿网络的确定是比较复杂的，一般分两个步骤完成：1）推导出不含补偿网络情况下控制输出到反馈输入的传递函数并画出Bode图；2）确定补偿网络类型及其参数，最终，由实验来验证或者修正该参数。上述工作复杂繁琐。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种全新而简洁的Boost控制器和Boost变换器，Boost控制器根据负载变化情况动态调整环路的调制类型，在脉冲宽度调制和脉冲频率调制这两种调制方式间自动切换，在满足环路输出相应速度要求的同时最大程度降低了变换器整体的功耗水平。

本发明实施例是这样实现的，一种Boost控制器，包括第一脉冲信号发生单元、第一比较单元、选择单元、软启动单元、第二脉冲信号发生单元、第二比较单元、触发单元和缓冲单元，其中第一脉冲信号发生单元根据自身内部寄存器设置输出重载下开关脉冲控制信号和轻载下开关脉冲控制信号给选择单元，以及输出软启动开关脉冲控制信号至软启动单元；第一比较单元根据输出电压的采样反馈信号和内部参考电压的比较结果控制选择单元选择性输出重载下开关脉冲控制信号和轻载下开关脉冲控制信号；选择单元接收第一信号产生单元输出的重载下开关脉冲控制信号和轻载下开关脉冲控制信号，然后根据第一比较单元输出的控制信号类型对应输出重载下开关脉冲控制信号或者轻载下开关脉冲控制信号给触发单元；软启动单元根据第一信号产生单元输出的软启动开关脉冲控制信号输出软启动控制电压信号给第二比较单元；第二脉冲信号发生单元产生预设斜率的锯齿波信号，然后发送给第二比较单元；第二比较单元根据软启动控制电压信号和锯齿波信号的大小比较结果，输出固定频率的脉冲信号给触发单元；触发单元，其置位端接收选择单元输出的重载下开关脉冲控制信号或者轻载下开关脉冲控制信号给触发单元，其复位端接收第二比较单元输出的固定频率的脉冲信号，输出信号给缓冲单元；缓冲单元用于放大触发单元输出的信号然后输出。

一实施例中，当输出电压的采样反馈信号的幅值大于内部参考电压的幅值时，第一比较单元发送输出轻载下开关脉冲控制信号给选择单元；当输出电压的采样反馈信号的幅值小于内部参考电压的幅值但是大于内部参考电压的幅值减去预设电压阈值之差时，第一比较单元发送输出轻载下开关脉冲控制信号给选择单元；当输出电压的采样反馈信号的幅值小于内部参考电压的幅值减去预设电压阈值之差时，第一比较单元发送输出重载下开关脉冲控制信号给选择单元。

一实施例中，当锯齿波信号的幅度低于软启动控制电压信号时，第二比较单元输出脉冲信号为低电平，触发单元的复位端信号处于无效状态；当锯齿波信号的幅度高于软启动控制电压信号时，第二比较单元输出脉冲信号为高电平，触发单元的复位端信号处于有效状态，触发单元的输出信号置为低电平。

一实施例中，软启动单元根据软启动开关脉冲控制信号的频率和占空比控制软启动控制电压信号的上升斜率。

一实施例中，软启动单元还对软启动控制电压信号的幅度最大值进行限制和钳位。

一实施例中，重载下开关脉冲控制信号的占空比与频率的比值大于轻载下开关脉冲控制信号的占空比与频率的比值。

另一方面，本发明还公开了一种Boost变换器，包括电源、Boost控制器、第一晶体管、整流二极管、第一电容、分压采样电路以及完成低压信号到高压输出信号的幅度放大的输出驱动电路，其中，电源为Boost控制器提供电能电源，Boost控制器输入端接收Boost变换器的输出电压的采样反馈信号，输出端与第一晶体管的基极连接，第一晶体管的集电极和发射极连接在电源正负极两端，第一电容与第一晶体管并联，整流二极管连接在第一电容与第一晶体管的集电极之间；分压采样电路包括之间串联的第一电阻和第二电阻，第一电阻和第二电阻与第一电容并联；输出驱动电路与分压采样电路并联，输出驱动电路包括第二电容、第三电阻、第四电阻以及第二晶体管，第二电容的一端接低压信号，另一端与第二晶体管的基极连接，第二晶体管的集电极与第三电阻串联后连接在分压采样电路的一端，第二晶体管的发射极与分压采样电路的另一端连接，第四电阻连接在第二晶体管的基极和集电极之间。

一实施例中，Boost变换器的输出端和第一晶体管的基极之间还连接有第五电阻和第三电容，第三电容与第五电阻并联。

一实施例中，电源和第一晶体管集电极之间还连接有第一电感。

本发明实施例提出的Boost控制器及Boost变换器，具有以下优点：（1）根据负载变化情况动态调整环路的调制类型，在脉冲宽度调制和脉冲频率调制这两种调制方式间自动切换，在满足环路输出相应速度要求的同时最大程度降低了变换器整体的功耗水平；（2）采用基于电压控制型的闭环结构，但反馈较为松散，不需要引入环路补偿，简化设计的同时增强了电路的适应能力；（3）设计了独特的启动电路机制，在兼顾启动时间的前提下最大程度降低启动电流水平，减小了供电电源的放电能力要求。

附图说明

图1是现有的一种电压控制型Boost变换器环路结构电路图；

图2为现有的一种含有补偿网络的电压控制型Boost变换器电路图；

图3为本发明实施例提供的一种Boost控制器内部原理框图；

图4为本发明实施例提供的一种Boost变换器电路图；

图5为本发明实施例提供的一种软启动单元内部原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3所示，图3是本发明实施例公开的一种Boost控制器，包括第一脉冲信号发生单元、第一比较单元、选择单元、软启动单元、第二脉冲信号发生单元、第二比较单元、触发单元和缓冲单元。

其中，第一脉冲信号发生单元根据自身内部寄存器设置输出重载下开关脉冲控制信号FswHighLoad和轻载下开关脉冲控制信号FswLightLoad给选择单元，以及输出软启动开关脉冲控制信号SoftStartCtrl至软启动单元。图3中仅仅示出四个内部寄存器register P0、register P1、register D0和registerD1，具体数量根据实际需求而定。重载下开关脉冲控制信号和轻载下开关脉冲控制信号给选择单元，以及输出软启动开关脉冲控制信号三个信号都是脉宽调制信号，差别只在于其频率和占空比不同，应用于Boost变换器不同工作环节以实现对调整环路的有效控制。一实施例中，重载下开关脉冲控制信号的占空比与频率的比值大于轻载下开关脉冲控制信号的占空比与频率的比值。

其中，第一比较单元根据输出电压的采样反馈信号FB和内部参考电压Vref的比较结果控制选择单元选择性输出重载下开关脉冲控制信号和轻载下开关脉冲控制信号。具体地，当输出电压的采样反馈信号的幅值大于内部参考电压的幅值时，第一比较单元发送输出轻载下开关脉冲控制信号给选择单元。为了避免噪声带来的扰动，当输出电压的采样反馈信号的幅值小于内部参考电压的幅值但是大于内部参考电压的幅值减去预设电压阈值之差时，第一比较单元发送输出轻载下开关脉冲控制信号给选择单元。当输出电压的采样反馈信号的幅值小于内部参考电压的幅值减去预设电压阈值之差时，第一比较单元发送输出重载下开关脉冲控制信号给选择单元。

其中，选择单元接收第一信号产生单元输出的重载下开关脉冲控制信号和轻载下开关脉冲控制信号，然后根据第一比较单元输出的控制信号类型对应输出重载下开关脉冲控制信号或者轻载下开关脉冲控制信号给触发单元。

其中，软启动单元根据第一信号产生单元输出的软启动开关脉冲控制信号输出软启动控制电压信号给第二比较单元。软启动单元的输入信号为第一脉冲信号发生单元输出的软启动开关脉冲控制信号，输出一个单调增加的软启动控制电压信号SoftStart。软启动单元根据软启动开关脉冲控制信号的频率和占空比控制软启动控制电压信号的上升斜率。软启动单元还对软启动控制电压信号的幅度最大值进行限制和钳位。

其中，第二脉冲信号发生单元产生预设斜率的锯齿波信号，然后发送给第二比较单元。第二脉冲信号发生单元输出锯齿波振荡信号ramp，由内部一个固定大小的电流源对电容充电，所以其信号斜率固定，而充电时间则根据变换器工作状态由第一脉冲信号发生单元输出的重载下开关脉冲控制信号或轻载下开关脉冲控制信号控制。

其中，第二比较单元根据软启动控制电压信号和锯齿波信号的大小比较结果，输出固定频率的脉冲信号给触发单元。具体而言，当输出电压的采样反馈信号的幅值大于内部参考电压时，选择单元选择输出轻载下开关脉冲控制信号，此时Boost变换器工作在较高的开关频率下，且驱动信号的占空比也较大。当输出电压的采样反馈信号的幅值下降小于内部参考电压时，第一脉冲信号发生单元的输出仍为轻载下开关脉冲控制信号，直到输出电压的采样反馈信号继续下降到小于内部参考电压之下预设电压阈值的水平时，选择单元则选择输出重载下开关脉冲控制信号。这一过程将一直持续下去以便维持Boost变换器输出电压信号的稳定。

其中，触发单元的置位端S接收选择单元输出的重载下开关脉冲控制信号或者轻载下开关脉冲控制信号给触发单元，其复位端R接收第二比较单元输出的固定频率的脉冲信号，输出信号给缓冲单元。缓冲单元用于放大触发单元输出的信号然后输出。一实施例中，优选地，触发单元是一个典型的R-S触发器，其置位端输入信号为选择单元的输出信号，而复位端的输入信号为第二比较单元的输出。触发单元的工作逻辑为：

置位端	复位端	输出
			1	0	高电平
0	1	低电平
			0	0	保持
1	1	低电平

如图4所示，本发明还公开了一种Boost变换器，包括电源BAT、Boost控制器、第一晶体管Q1、整流二极管D、第一电容C1、分压采样电路以及完成低压信号到高压输出信号的幅度放大的输出驱动电路。其中，电源BAT为Boost控制器提供电能电源，Boost控制器输入端接收Boost变换器的输出电压的采样反馈信号FB，输出端与第一晶体管Q1的基极连接，第一晶体管Q1的集电极和发射极连接在电源BAT正、负极两端，第一电容C1与第一晶体管Q1并联，整流二极管D连接在第一电容C1与第一晶体管Q1的集电极之间；分压采样电路包括之间串联的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1和第二电阻R2与第一电容C1并联。

输出驱动电路与分压采样电路并联，输出驱动电路包括第二电容C2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第二晶体管Q2，第二电容C2的一端接低压信号，另一端接与第二晶体管Q2的基极连接，第二晶体管Q2的集电极与第三电阻R3串联后连接在分压采样电路的一端，第二晶体管Q2的发射极与分压采样电路的另一端连接，第四电阻R4连接在第二晶体管Q2的基极和集电极之间。Boost控制器通过对输出电压VOUT的采样反馈信号FB进行监控，调整输出驱动信号DRV的频率和占空比，从而最终使得输出电压VOUT处于稳定状态。优选地，Boost控制器的输出端和第一晶体管Q1的基极之间还连接有第五电阻R5和第三电容C3，第三电容C3与第五电阻R5并联。

在整个Boost变换器启动阶段，由于第一电容C1电压为零，所以输出采样反馈信号FB也为零，如无特殊处理的话Boost控制器将产生最大占空比的开关驱动信号DRV，以尽快使环路输出升高到预设值。通常情况下，由于电源BAT为锂离子电池或者锂电容电池，其供电能力有限，输出过大的电流会显著降低其使用寿命，并且会造成较大的端电压变化，从而恶化变化器输出电压的稳定性。所以，在此过程中必须加入软启动控制机制，使得开关驱动信号DRV的占空比缓慢变化，并且不能超过某个上限，以免产生过大的电感电流峰值。

如图5所示，图5公开了本发明实施例软启动功能的一种实现结构。ICHG1和ICHG2是预设的偏置电流源，为电容Csoftstart和电容Cramp提供恒定的充电电流。开关S1在信号SoftStartCtrl的控制下周期性的导通和断开，控制电流源ICHG1对电容Csoftstart充电的速度，从而实现对节点电压SoftStart上升速度的控制。根据输出电压的电平和负载情况，MUX输出在信号FSWHighLoad和FSWLightLoad之间切换，产生输出信号FswRamp。开关S2在信号FswRamp的控制下周期性的导通和断开，控制电流源ICHG2对电容Cramp充电的时间，从而实现对节点电压RAMP上升高度的控制。

显然，在节点电压SoftStart上升到模块Voltage Clamp设定的钳位电平Vset之前，比较器输出信号DRV_RESET的占空比将跟随节点电压SoftStart的上升而逐步减小；因为DRV_RESET是图4中RS触发器RS-FF的复位信号，所以可知，在节点电压SoftStart上升到模块Voltage Clamp设定的钳位电平Vset之前，控制器输出的驱动信号DRV的占空比将随节点电压SoftStart的上升而逐步增大。这就避免了启动阶段过大的开关占空比所导致的电感尖峰电流，也消除了启动时电源BAT放电能力不够带来的瓶颈。

当节点电压SoftStart上升到模块Voltage Clamp设定的钳位电平Vset之后，DRV_RESET的占空比不再减小，所以控制器输出的驱动信号DRV的占空比也不再增大。但此时控制器可以根据输出电压的高低来动态实现开关频率在FswHighLoad和FswLightLoad之间切换，从而从PWM调制模式转换到固定导通时间Ton的PFM模式。

一般说来，在Boost变换器启动阶段为同时兼顾实现较小的启动电流和较合理的启动时间，此阶段时本方案中的控制器会输出较高频率的信号FswRamp；一旦图4中的输出电压采样信号FB升高到1v，控制器就会自动降低FswRamp的工作频率。此时如果变换器处于空载状态，那么即使较低的开关驱动信号频率也足以实现稳定的电压输出；但一旦此时负载加重，那么输出电压VOUT很可能无法继续维持，采样电压FB也会随之下降。根据图4，当FB下降到1v下某个电平时，控制器会自动提升信号FswRamp的工作频率，以便快速实现输出电压VOUT的稳定。相比于传统的电压控制型闭环变换器控制系统，本发明Boost变换器的输出电压纹波可能会更大，但优点也是非常明显的，本发明Boost变换器更简单、更鲁棒，并且功耗更低。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来控制相关的硬件完成，程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种Boost控制器，其特征在于，包括第一脉冲信号发生单元、第一比较单元、选择单元、软启动单元、第二脉冲信号发生单元、第二比较单元、触发单元和缓冲单元，其中：

所述第一脉冲信号发生单元，根据自身内部寄存器设置输出重载下开关脉冲控制信号和轻载下开关脉冲控制信号给选择单元，以及输出软启动开关脉冲控制信号至所述软启动单元；

所述第一比较单元，根据输出电压的采样反馈信号和内部参考电压的比较结果控制选择单元选择性输出重载下开关脉冲控制信号和轻载下开关脉冲控制信号；

所述选择单元，接收所述第一信号产生单元输出的重载下开关脉冲控制信号和轻载下开关脉冲控制信号，然后根据所述第一比较单元输出的控制信号类型对应输出重载下开关脉冲控制信号或者轻载下开关脉冲控制信号给所述触发单元；

所述软启动单元，根据第一信号产生单元输出的软启动开关脉冲控制信号输出软启动控制电压信号给所述第二比较单元；

所述第二脉冲信号发生单元，产生预设斜率的锯齿波信号，然后发送给所述第二比较单元；

所述第二比较单元，根据所述软启动控制电压信号和所述锯齿波信号的大小比较结果，输出固定频率的脉冲信号给所述触发单元；

所述触发单元，其置位端接收选择单元输出的重载下开关脉冲控制信号或者轻载下开关脉冲控制信号给触发单元，其复位端接收第二比较单元输出的固定频率的脉冲信号，输出信号给所述缓冲单元；

所述缓冲单元，用于放大所述触发单元输出的信号然后输出。

2.根据权利要求1所述的Boost控制器，其特征在于，所述第一比较单元具体用于：当Boost变换器输出电压的采样反馈信号的幅值大于内部参考电压的幅值时，发送输出轻载下开关脉冲控制信号给所述选择单元；当输出电压的采样反馈信号的幅值小于内部参考电压的幅值但是大于内部参考电压的幅值减去预设电压阈值之差时，发送输出轻载下开关脉冲控制信号给所述选择单元；当输出电压的采样反馈信号的幅值小于内部参考电压的幅值减去预设电压阈值之差时，发送输出重载下开关脉冲控制信号给所述选择单元。

3.根据权利要求1所述的Boost控制器，其特征在于，所述第二比较单元具体用于：当所述锯齿波信号的幅度低于所述软启动控制电压信号时，输出脉冲信号为低电平，使得所述触发单元的复位端信号处于无效状态；当所述锯齿波信号的幅度高于所述软启动控制电压信号时，输出脉冲信号为高电平，使得所述触发单元的复位端信号处于有效状态，触发单元的输出信号置为低电平。

4.根据权利要求1所述的Boost控制器，其特征在于，所述软启动单元根据软启动开关脉冲控制信号的频率和占空比控制所述软启动控制电压信号的上升斜率。

5.根据权利要求4所述的Boost控制器，其特征在于，所述软启动单元还对软启动控制电压信号的幅度最大值进行限制和钳位。

6.根据权利要求1-5任一项所述的Boost控制器，其特征在于，所述重载下开关脉冲控制信号的占空比与频率的比值大于所述轻载下开关脉冲控制信号的占空比与频率的比值。

7.一种Boost变换器，其特征在于，包括电源、Boost控制器、第一晶体管、整流二极管、第一电容、分压采样电路以及完成低压信号到高压输出信号的幅度放大的输出驱动电路，其中：

所述电源为Boost控制器提供电能电源，Boost控制器输入端接收Boost变换器的输出电压的采样反馈信号，输出端与所述第一晶体管的基极连接，所述第一晶体管的集电极和发射极连接在所述电源正负极两端，所述第一电容与所述第一晶体管并联，所述整流二极管连接在所述第一电容与所述第一晶体管的集电极之间；所述分压采样电路包括之间串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻与所述第一电容并联；所述输出驱动电路与所述分压采样电路并联，所述输出驱动电路包括第二电容、第三电阻、第四电阻以及第二晶体管，所述第二电容的一端接低压信号，另一端与所述第二晶体管的基极连接，所述第二晶体管的集电极与所述第三电阻串联后连接在所述分压采样电路的一端，所述第二晶体管的发射极与所述分压采样电路的另一端连接，所述第四电阻连接在所述第二晶体管的基极和集电极之间。

8.根据权利要求7所述的Boost变换器，其特征在于，所述Boost变换器的输出端和所述第一晶体管的基极之间还连接有第五电阻和第三电容，所述第三电容与所述第五电阻并联。

9.根据权利要求7所述的Boost变换器，其特征在于，所述电源和所述第一晶体管集电极之间还连接有第一电感。

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