CN103944385A - 一种超低静态功耗的控制电路、控制方法及开关型调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低静态功耗的控制电路、控制方法及开关型调节器，通过电压比较电路、过零检测电路和电流比较电路来实现对开关管的通断进行控制，控制方案简单，模块少。并且采用低功耗的比较器达到了超低静态功耗的效果，通过消隐电路解决低功耗比较电路带来的传输延时对控制电路的影响，从而降低了输出电压的纹波。

Description

一种超低静态功耗的控制电路、控制方法及开关型调节器

技术领域

本发明涉及电力电子领域，更具体地说，涉及一种超低静态功耗的控制电路及应用其的开关型调节器。

背景技术

在消费类电子应用场合，例如智能手表等便携式穿戴产品，医疗健康设备等，对整个系统在省电工作模式下的功耗也称静态功耗有着非常严格的要求。

现有技术中的开关型调节器如升压调节器，以同步升压调节器为例，其控制电路如图1所示，包括有一功率开关管（BG）和一同步开关管（TG），一般的控制方案常采用峰值电流控制模式，控制芯片包括有如下工作模块，分别为待机判定模块1，基准电压电路模块2、输出电压的误差运放模块3，当然，控制芯片中还包括有补偿模块4、电流比较模块5、逻辑模块6、使能控制模块7以及PWM控制模块8。其中，待机判定模块1用以判定芯片是否进入待机工作模式，基准电压电路模块2用以产生基准电压Vref，输出电压的误差运放模块3用以根据输出电压反馈信号以维持输出电压恒定，电流比较模块5用以根据电感电流信号控制功率开关管的通断，逻辑模块6和PWM控制模块8用以产生控制功率开关管的控制信号，使能控制模块7用以控制整个控制芯片是否进入工作状态。

可见，现有技术控制芯片中工作模块多而复杂，不利于低功耗和低成本的设计。并且在控制芯片待机的时候，为了芯片能正常的工作于休眠模式，至少待机判定模块1，基准电路模块2、输出电压的误差运放模块3需要一直处于使能状态，这必然增加了控制芯片待机情形下的功率损耗。

对于需要超低静态功耗应用的芯片设计，由于有体积的要求，因此整体必须进行优化设计，并且要有更简单的控制策略，达到超低静态功耗的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种超低静态功耗的控制电路以及应用其的开关型调节器，通过对控制方案的优化设计可以使得控制电路的模块少而效率高，并且采用低功耗元器件使得静态功耗大大降低。

依据本发明的一种超低静态功耗的控制电路，应用于开关型调节器中，所述开关型调节器包括有第一开关管、第二开关管和一电感，所述控制电路包括电压比较电路、过零检测电路和电流比较电路，

所述电压比较电路接收表征所述开关型调节器输出电压的反馈电压信号，并将所述反馈电压信号与一参考电压信号进行比较，以产生一电压比较信号；

所述过零检测电路用以检测所述开关型调节器中电感电流是否过零，并产生一过零信号；

所述电流比较电路接收表征所述电感电流的电感电流信号，并将所述电感电流信号与一参考电流信号进行比较，产生一电流比较信号；

在每一工作周期内，当所述反馈电压信号小于所述参考电压信号时，所述电压比较信号为有效状态，并且在所述过零信号为有效状态时，所述控制电路控制所述第一开关管导通，所述电感电流信号上升；

当所述电感电流信号达到所述参考电流信号时，所述控制电路控制所述第一开关管关断、所述第二开关管导通，所述电感电流信号下降；

当反馈电压信号达到所述参考电压信号时，所述电压比较信号变为无效状态，直至电感电流下降至零值，所述过零信号变为有效状态，所述控制电路控制所述第二开关管关断。

进一步的，还包括消隐电路，所述消隐电路接收所述过零信号，并且在所述过零信号的每个上升沿时刻产生一消隐信号，在所述消隐信号为有效状态阶段时，所述第一开关管保持为关断状态。

优选的，所述电压比较电路包括低功耗比较器，所述消隐信号为有效状态阶段的时间长度根据所述低功耗比较器的输出信号的传输延时时间确定。

进一步的，所述控制电路包括一与门电路，所述与门电路的输入端分别接收电压比较信号和过零信号，输出端输出开关控制信号。

进一步的，所述控制电路还包括一与门电路，所述与门电路的输入端分别接收电压比较信号、过零信号和消隐信号，输出端输出开关控制信号。

进一步的，所述控制电路还包括逻辑电路和PWM控制电路，所述逻辑电路的置位端接收所述开关控制信号，复位端接收所述电流比较信号，输出端产生逻辑控制信号传输给所述PWM控制电路；

所述PWM控制电路根据所述逻辑控制信号以控制所述第一开关管和第二开关管的开关状态，并且，所述PWM控制电路接收所述电压比较信号，依此判定所述开关型调节器是否进入待机工作模式。

依据本发明的一种超低静态功耗的控制方法，应用于开关型调节器中，所述开关型调节器包括第一开关管、第二开关管和一电感，包括以下步骤：

接收一表征所述开关型调节器输出电压的反馈电压信号，并将所述反馈电压信号与一参考电压信号进行比较，以产生一电压比较信号；

检测所述开关型调节器中电感电流是否过零，产生一过零信号；

接收表征所述开关型调节器中电感电流的电感电流信号，并将所述电感电流信号与一参考电流信号进行比较，产生一电流比较信号；

在每一工作周期内，当所述反馈电压信号小于所述参考电压信号时，所述电压比较信号为有效状态，并且在所述过零信号为有效状态时，控制所述第一开关管导通，所述电感电流信号上升；

当所述电感电流信号达到所述参考电流信号时，控制所述第一开关管关断、所述第二开关管导通，所述电感电流信号下降；

当反馈电压信号达到所述参考电压信号时，所述电压比较信号变为无效状态，直至电感电流下降至零值，所述过零信号变为有效状态，控制所述第二开关管关断。

进一步的，还包括接收所述过零信号，并且在所述过零信号的每个上降沿时刻产生一消隐信号，在所述消隐信号为有效状态阶段时，所述第一开关管保持为关断状态。

优选的，所述消隐信号为有效状态阶段的时间长度根据所述电压比较信号输出的传输延时时间确定。

依据本发明的一种开关型调节器，包括功率级电路，还包括上述的超低静态功耗的控制电路。

依据上述的超低静态功耗的控制电路、控制方法及开关型调节器，通过电压比较电路、过零检测电路和电流比较电路来实现对开关管的通断进行控制，控制方案简单，模块少。并且采用低功耗的比较器达到了超低静态功耗的效果，此外通过消隐电路解决低功耗比较电路带来的传输延时影响，从而降低了输出电压的纹波。

附图说明

图1所示为现有技术中的开关型调节器的控制电路的电路图；

图2A所示为依据本发明的开关型调节器的功率级电路的一实施例电路图；

图2B所示为依据图2A所示的开关型调节器的控制电路第一实施例的电路图；

图2C所示为依据图2A所示的开关型调节器的控制电路第二实施例的电路图；

图3A所示为依据图2B所示的电路图的工作波形图；

图3B所示为依据图2B所示的电路图的另一工作波形图；

图3C所示为依据图2C所示的电路图的工作波形图；

图4A所示为依据本发明的开关型调节器的功率级电路的另一实施例电路图；

图4B所示为依据图4A所示的开关型调节器的控制电路第一实施例的电路图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图2B所示为依据本发明的一种超低静态功耗的控制电路的原理图，在本实施例中功率级电路以同步升压型拓扑结构为例，如图2A所示的同步升压功率级电路，其中，BG为功率开关管（也即第一开关管），TG为同步开关管（也即第二开关管），其与图2B中的BG、TG相一致，还包括有电感L。具体地，在控制电路中包括有电压比较电路22、过零检测电路23和电流比较电路24，

具体地，所述电压比较电路22接收表征所述开关型调节器输出电压的反馈电压信号V_FB，并将所述反馈电压信号V_FB与一参考电压信号V_REF1进行比较，以产生一电压比较信号V_C1；其中，所述参考电压信号V_REF1为开关型调节器的输出电压的期望值。所述电压比较电路具体包括一第一比较器，所述第一比较器为低功耗比较器，其同相输入端接收所述参考电压信号V_REF1，反相输入端接收所述反馈电压信号V_FB；

所述过零检测电路23用以检测所述开关型调节器中电感电流是否过零，并产生一过零信号V_Z；所述过零检测电路可由过零比较器组成，也可由其他相同功能的电路组成；

所述电流比较电路24接收表征所述电感电流的电感电流信号，并将所述电感电流信号与一参考电流信号I_REF进行比较，产生一电流比较信号V_C2。所述参考电流信号I_REF为根据电路参数及用户需求自定义设置。具体地，所述电流比较器电路包括一第二比较器，其同相输入端接收所述电感电流信号，反相输入端接收所述参考电流信号I_REF；

进一步的，所述控制电路200还包括与门电路25、逻辑电路26、使能信号电路27以及PWM控制电路28，

所述与门电路25的输入端分别接收电压比较信号V_C1和过零信号V_Z，输出端输出开关控制信号V_C3；

所述使能信号电路27用以控制整个控制电路200是否进入工作状态；

所述逻辑电路26具体为一RS触发器，所述触发器的置位端接收所述开关控制信号VC3，复位端接收所述电流比较信号VC2，输出端产生逻辑控制信号传输给所述PWM控制电路28；所述PWM控制电路28根据所述逻辑控制信号以控制所述第一开关管和第二开关管的开关状态，并且所述PWM控制电路接收所述电压比较信号V_C1，依此判定所述开关型调节器是否进入待机工作模式。

下面参考图3A所示工作波形图对本发明的工作过程作进一步详细阐述，在一个工作周期的开始时刻，两个开关管均处于断开状态，电感电流iL为零，过零信号V_Z为有效状态，本实施例中以高电平状态示意有效状态，低电平状态示意无效状态，下文中均相同，在t1时刻，所述反馈电压信号V_FB小于所述参考电压信号V_REF1时，所述电压比较信号V_C1为高电平有效状态，此时过零信号V_Z已经为高，因此，开关控制信号V_C3为高电平，第一开关管BG导通，第二开关管TG保持关断，之后，电感电流iL持续上升。直至t2时刻，所述电感电流信号iL上升到所述参考电流信号I_REF时，电流比较信号V_C2翻转为高电平有效状态，所述控制电路控制所述第一开关管BG关断、所述第二开关管TG导通；在此过程中，所述反馈电压信号V_FB达到所述参考电压信号V_REF1时，所述电压比较信号V_C1变为低电平无效状态。到t3时刻，所述电感电流信号iL下降至零值，所述过零信号V_Z变为高电平有效状态，所述第二开关管TG关断以防止负电流产生，而由于PWM控制电路已经检测到所述电压比较信号V_C1变为低电平，所述开关型调节器进入待机工作模式，一个工作周期完成。直至t4时刻，随着芯片检测到反馈电压信号V_FB小于参考电压信号V_REF1时，电压比较信号V_C1翻转为高电平有效状态，第一开关管BG重新导通，一个新的工作周期开始。

通过上述的工作过程可以看出，本发明实施例整个控制电路方案简单，所需的电路模块也较少，在芯片进入待机工作模式后，只有参考电压模块和反馈电压模块处于使能状态，其待机功耗会非常低。

在上述工作过程中，理想情况下，当第一比较器检测到反馈电压信号V_FB小于所述参考电压信号V_REF1时，所述电压比较信号V_C1应翻转为高电平状态，在反馈电压信号V_FB大于所述参考电压信号V_REF1时，所述电压比较信号V_C1应翻转为低电平状态。为保证超低静态功耗的要求，本发明实施例中第一比较器设计为低功耗比较器，其输出信号有时会产生较大的传输延时，如果输出信号延时时间较长，在电感电流下降至零之后电压比较信号还没有发生翻转，则会出现如图3B所示情形，如图3B所示为依据图2B所示的电路图的另一工作波形图；在t1时刻，第一比较器检测到反馈电压信号V_FB小于所述参考电压信号V_REF1，所述电压比较信号V_C1延时td时间后才翻转为高电平，直至在t2时刻，第一比较器输出延时后的电压比较信号V_C1’，此时过零信号V_Z已经为高，因此，开关控制信号V_C3为高电平，第一开关管BG导通，第二开关管TG保持关断，之后，电感电流iL持续上升。当电感电流上升到所述参考电流信号I_REF时，电流比较信号V_C2翻转为高电平，所述第一开关管BG关断、所述第二开关管TG导通。到t3时刻，反馈电压信号V_FB达到所述参考电压信号V_REF1，但由于比较器的延时，直至t5时刻，所述电压比较信号V_C1’才翻转为低电平状态。但电感电流在t4时刻就已经下降为零值，过零信号变为V_Z高电平，因此在t4时刻，第一开关管BG导通，第二开关管TG关断，电感电流重新上升，以至于输出电压持续增大，在t6时刻，电感电流再次达到参考电流信号I_REF，所述第一开关管BG关断、所述第二开关管TG导通，到t7时刻，电感电流信号达到零值，第二开关管TG关断，而此时，PWM控制电路已检测到电压比较信号V_C1’为低电平状态，系统进入待机工作模式,一个工作周期完成。反馈电压信号V_FB波形如图3B中所示，从图中可以看出，输出电压平均值比参考电压信号V_REF1高出很多，致使无法满足正常的规格需求。

为解决上述出现的问题，本发明实施例进一步还包括消隐电路，如图2C所示为依据图2A所示的开关型调节器的控制电路第二实施例的电路图；图2C实施例与图2B实施例中的电压比较电路、过零检测电路和电流比较电路的结构和功能均相同，在此不再重复阐述。所述消隐电路25连接在所述过零检测电路23和与门电路之间，所述消隐电路25接收所述过零信号V_Z，在所述过零信号V_Z的每个上升沿时刻产生一消隐信号V_B，在所述消隐信号为有效状态阶段时，所述第一开关管BG保持关断。所述与门电路25的输入端分别接收电压比较信号V_C1、过零信号V_Z和消隐信号V_B，输出端输出开关控制信号V_C3。

图3C所示为依据图2C所示的电路图的工作波形图，在t1时刻，第一比较器输出延时后的电压比较信号V_C1’，此时过零信号V_Z已经为高，因此，开关控制信号V_C3为高电平，第一开关管BG导通，第二开关管TG保持关断，之后，电感电流iL持续上升。到t2时刻，当电感电流上升到所述参考电流信号I_REF时，电流比较信号V_C2翻转为高电平，所述第一开关管BG关断、所述第二开关管TG导通。之后，电感电流逐渐减小，到t3时刻，所述电感电流信号iL下降至零值，所述过零信号V_Z变为高电平有效状态，所述第二开关管TG关断。而根据消隐电路原理，在过零信号V_Z变为高电平时所述消隐信号V_B变为高电平有效状态，第一开关管BG无法重新打开。之后，反馈电压信号V_FB达到所述参考电压信号V_REF1，第一比较器延时一段时间后输出的电压比较信号V_C1’翻转为低电平无效状态。直至t4时刻，所述消隐信号翻转为低电平无效状态，一个工作周期完成。这里，消隐信号V_B的有效状态阶段的时间长度根据所述低功耗比较器的输出信号的延时时间确定，其也可根据第一比较器输出延时后的电压比较信号V_C1’来选择确定，只需要有效状态阶段的时间长度维持在电压比较信号V_C1’翻转为低电平以后，以消除低功耗比较器带来的延时影响，避免输出电压出现如图3B中的纹波。

本领域技术人员可知，消隐电路可有多种实现形式，其可由触发器和反相器组成，其在过零信号到来时触发产生一个高电平信号，经反相器反相后传输给与门电路，但所述消隐电路不限于此结构，其也可由其他相同功能的电路结构实现。

参考图4A所示为依据本发明的开关型调节器的功率级电路的另一实施例电路图；相对应的，图4B所示为依据图4A所示的开关型调节器的控制电路第一实施例的电路图。在本实施例中，所述开关型调节器为降压型开关调节器，由于功率级电路结构的不同，其控制电路各信号连接点也不相同，具体连接方式参见图4B所示控制电路的具体电路图。本实施例中的电压比较电路、过零检测电路、电流比较电路以及消隐电路与上述实施例中的各电路结构和功能均相同。因此，本实施例也能实现电路模块少、输出电压纹波少以及达到超低静态功耗的目的。

此外，本发明还提供了一种超低静态功耗的控制方法，应用于开关型调节器中，所述开关型调节器包括第一开关管、第二开关管和一电感，包括以下步骤：

接收一表征所述开关型调节器输出电压的反馈电压信号，并将所述反馈电压信号与一参考电压信号进行比较，以产生一电压比较信号；

检测所述开关型调节器中电感电流是否过零，产生一过零信号；

接收表征所述开关型调节器中电感电流的电感电流信号，并将所述电感电流信号与一参考电流信号进行比较，产生一电流比较信号；

在每一工作周期内，当所述反馈电压信号小于所述参考电压信号时，所述电压比较信号为有效状态，并且在所述过零信号为有效状态时，控制所述第一开关管导通，所述电感电流信号上升；

当所述电感电流信号达到所述参考电流信号时，控制所述第一开关管关断、所述第二开关管导通，所述电感电流信号下降；

当反馈电压信号达到所述参考电压信号时，所述电压比较信号变为无效状态，直至电感电流下降至零值，所述过零信号变为有效状态，控制所述第二开关管关断。

进一步，还包括接收所述过零信号，并且在所述过零信号的每个上降沿时刻产生一消隐信号，在所述消隐信号为有效状态阶段时，所述第一开关管保持为关断状态。

进一步的，所述消隐信号为有效状态阶段的时间长度根据所述电压比较信号输出的延时时间确定。

综上所述，依据本发明的超低静态功耗的控制电路和控制方法，通过电压比较电路、过零检测电路和电流比较电路来实现对开关管的通断进行控制，控制方案简单，模块少。并且采用低功耗的比较器达到了超低静态功耗的效果，此外通过消隐电路解决低功耗比较电路带来的延时现象，从而降低了输出电压的纹波。

最后，本发明还提供了一种开关型调节器，包括功率级电路，还包括上述的超低静态功耗的控制电路，所述功率级电路为同步升压型拓扑结构或者同步降压型功拓扑结构，还可以为升压拓扑结构、降压拓扑结构、反激式拓扑结构等任何合适的拓扑电路结构。可以想到的是，本发明的开关型调节器也具有上述的超低静态功耗、输出电压纹波小的有益效果。

以上对依据本发明的优选实施例的应用于开关型调节器中超低静态功耗的控制电路及控制方法进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种超低静态功耗的控制电路，应用于开关型调节器中，所述开关型调节器包括有第一开关管、第二开关管和一电感，其特征在于，所述控制电路包括电压比较电路、过零检测电路和电流比较电路，

所述电压比较电路接收表征所述开关型调节器输出电压的反馈电压信号，并将所述反馈电压信号与一参考电压信号进行比较，以产生一电压比较信号；

所述过零检测电路用以检测所述开关型调节器中电感电流是否过零，并产生一过零信号；

所述电流比较电路接收表征所述电感电流的电感电流信号，并将所述电感电流信号与一参考电流信号进行比较，产生一电流比较信号；

在每一工作周期内，当所述反馈电压信号小于所述参考电压信号时，所述电压比较信号为有效状态，并且在所述过零信号为有效状态时，所述第一开关管导通，所述电感电流信号上升；

当所述电感电流信号达到所述参考电流信号时，所述第一开关管关断、所述第二开关管导通，所述电感电流信号下降；

当所述反馈电压信号达到所述参考电压信号时，所述电压比较信号变为无效状态，直至电感电流下降至零值，所述过零信号变为有效状态，所述第二开关管关断。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括消隐电路，所述消隐电路接收所述过零信号，并且在所述过零信号的每个上升沿时刻产生一消隐信号，在所述消隐信号为有效状态阶段时，所述第一开关管保持为关断状态。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述电压比较电路包括低功耗比较器，所述消隐信号为有效状态阶段的时间长度根据所述低功耗比较器的输出信号的传输延时时间确定。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括一与门电路，所述与门电路的输入端分别接收电压比较信号和过零信号，输出端输出开关控制信号。

5.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括一与门电路，所述与门电路的输入端分别接收电压比较信号、过零信号和消隐信号，输出端输出开关控制信号。

6.根据权利要求4或5所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括逻辑电路和PWM控制电路，

所述逻辑电路的置位端接收所述开关控制信号，复位端接收所述电流比较信号，输出端产生逻辑控制信号传输给所述PWM控制电路；

所述PWM控制电路根据所述逻辑控制信号以控制所述第一开关管和第二开关管的开关状态，并且，所述PWM控制电路接收所述电压比较信号，依此判定所述开关型调节器是否进入待机工作模式。

7.一种超低静态功耗的控制方法，应用于开关型调节器中，所述开关型调节器包括第一开关管、第二开关管和一电感，其特征在于，包括以下步骤：

接收一表征所述开关型调节器输出电压的反馈电压信号，并将所述反馈电压信号与一参考电压信号进行比较，以产生一电压比较信号；

检测所述开关型调节器中电感电流是否过零，产生一过零信号；

接收表征所述开关型调节器中电感电流的电感电流信号，并将所述电感电流信号与一参考电流信号进行比较，产生一电流比较信号；

在每一工作周期内，当所述反馈电压信号小于所述参考电压信号时，所述电压比较信号为有效状态，并且在所述过零信号为有效状态时，控制所述第一开关管导通，所述电感电流信号上升；

当所述电感电流信号达到所述参考电流信号时，控制所述第一开关管关断、所述第二开关管导通，所述电感电流信号下降；

当反馈电压信号达到所述参考电压信号时，所述电压比较信号变为无效状态，直至电感电流下降至零值，所述过零信号变为有效状态，控制所述第二开关管关断。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，进一步还包括

接收所述过零信号，并且在所述过零信号的每个上降沿时刻产生一消隐信号，在所述消隐信号为有效状态阶段时，所述第一开关管保持为关断状态。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述消隐信号为有效状态阶段的时间长度根据所述电压比较信号输出的传输延时时间确定。

10.一种开关型调节器，包括功率级电路，其特征在于，还包括权利要求1-6任一所述的超低静态功耗的控制电路。