CN104065261B

CN104065261B - 开关变换器及其控制电路和控制方法

Info

Publication number: CN104065261B
Application number: CN201410300831.0A
Authority: CN
Inventors: 李磊
Original assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Current assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: US20150381049A1; CN104065261A; US9525342B2

Abstract

公开了一种开关变换器及其控制电路和控制方法。该控制电路包括斜坡补偿电路和斜坡调整电路，其分别提供斜坡补偿信号和斜坡调整信号。斜坡补偿信号和斜坡调整信号相叠加后的和值信号的幅值不随开关变换器的占空比的变化而变化，从而提高了系统的稳定性。

Description

开关变换器及其控制电路和控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路，尤其涉及开关变换器及其控制电路和控制方法。

背景技术

在恒定导通时间控制(COT)开关变换器中，当输出电压V_OUT发生变化时，开关频率会随着输出电压V_OUT的变化而变化。为了在输出电压V_OUT变化时保持开关频率不变，在开关变换器中常采用准恒定导通时间控制(PCOT)电路。

图1示出现有的PCOT开关变换器100，包括导通时间产生电路101、比较电路102、逻辑电路103、开关电路104、斜坡补偿电路105和反馈电路106。

在图1所示的PCOT开关变换器100中，由导通时间产生电路101决定的主开关管M1的导通时间T_ON为：

T_{ON} = \frac{C_{TON} \times R_{FREQ} \times V_{REF 1}}{V_{IN}} - - - (1)

由斜坡补偿电路105产生的斜坡补偿信号的幅值V_SLOPE(PP)为：

V_{SLOPE (pp)} = \frac{(V_{IN} - V_{OUT}) \times T_{ON}}{R_{C} \times C_{C}} - - - (2)

将公式(1)代入公式(2)中，可得：

V_{SLOPE (pp)} = \frac{(V_{IN} - V_{OUT}) \times C_{TON} \times R_{FREQ} \times V_{REF 1}}{R_{C} \times C_{C} \times V_{IN}} = \frac{C_{TON} \times R_{FREQ} \times V_{REF 1} \times (1 - D)}{R_{C} \times C_{C}} - - - (3)

由公式(3)可知，在图1所示的PCOT开关变换器100中，斜坡补偿信号的幅值V_SLOPE(PP)和开关变换器100的占空比D有关，占空比D越大，斜坡补偿信号的幅值V_SLOPE(PP)越小。若斜坡补偿信号的幅值V_SLOPE(PP)过小，则电路容易不稳定。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够使系统更加稳定的开关变换器及其控制电路和控制方法。

根据本发明实施例的一种用于开关变换器的控制电路，该开关变换器包括开关电路，开关电路包括主开关管、续流元件和具有第一端和第二端的电感器，开关电路接收输入电压且将输入电压转换为输出电压；该控制电路包括：导通时间产生电路，产生导通时间控制信号；斜坡补偿电路，产生斜坡补偿信号，其中，斜坡补偿信号的幅值和1与主开关管的占空比之差成正比；斜坡调整电路，产生斜坡调整信号，其中，斜坡调整信号的幅值和主开关管的占空比成正比；比较电路，将反馈信号与斜坡补偿信号以及斜坡调整信号的和值同参考信号进行比较；以及逻辑电路，根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果产生控制信号以控制主开关管和续流元件的导通与关断。

根据本发明实施例的一种开关变换器，包括开关电路和控制电路。该开关电路包括主开关管、续流元件和具有第一端和第二端的电感器，该开关电路接收输入电压且将输入电压转换为输出电压。该控制电路包括：导通时间产生电路，产生导通时间控制信号；斜坡补偿电路，产生斜坡补偿信号，其中，斜坡补偿信号的幅值和1与主开关管的占空比之差成正比；斜坡调整电路，产生斜坡调整信号，其中，斜坡调整信号的幅值和主开关管的占空比成正比；比较电路，将反馈信号与斜坡补偿信号以及斜坡调整信号的和值同参考信号进行比较；以及逻辑电路，根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果产生控制信号以控制主开关管和续流元件的导通与关断。

根据本发明实施例的一种用于开关变换器的控制方法，该开关变换器包括开关电路，开关电路包括主开关管和续流元件，且开关电路提供输出电压；该控制方法包括：产生导通时间控制信号；产生斜坡补偿信号，其中，斜坡补偿信号的幅值同1与主开关管的占空比之差成正比；产生斜坡调整信号，其中，斜坡调整信号的幅值同主开关管的占空比成正比；将代表输出电压的反馈信号与斜坡补偿信号以及斜坡调整信号的和值同参考信号进行比较，获得比较结果；以及根据导通时间控制信号和比较结果控制主开关管和续流元件的导通与关断。

在本发明的实施例中，开关变换器及其控制电路和控制方法将斜坡补偿信号和斜坡调整信号的和值与反馈信号一起同参考信号进行比较，斜坡补偿信号和斜坡调整信号的和值不会随着主开关管占空比的变化而发生变化，因此系统更加稳定。

附图说明

图1示出现有的PCOT开关变换器100；

图2示出依据本发明实施例的开关变换器200；

图3A示出图2所示电流源电路的一个实施例；

图3B和3C示出图3A所示电流源电路30A的等效电路30B和30C；

图4示出依据本发明实施例的开关变换器400；

图5示出依据本发明实施例的用于开关变换器的斜坡补偿方法500。

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，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示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示出依据本发明实施例的开关变换器200。开关变换器200包括开关电路204、反馈电路207和控制电路。其中，控制电路包括导通时间产生电路201、比较电路202、逻辑电路203、斜坡补偿电路205以及斜坡调整电路206。

导通时间产生电路201产生导通时间控制信号COT，以控制开关电路204中开关管的导通时间。导通时间产生电路201包括电阻器R_FREQ、电容器C_TON、开关S_TON以及比较器CMP1。电阻器R_FREQ具有第一端和第二端，其第一端接收输入电压V_IN。电容器C_TON具有第一端和第二端，其第一端耦接至电阻器R_FREQ的第二端，其第二端连接至参考地。开关S_TON具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电阻器R_FREQ的第二端，其第二端连接至参考地。比较器CMP1具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至电容器C_TON的第一端以接收电容器C_TON上的电压，其第二端接收参考信号V_REF1。比较器CMP1将电容器C_TON上的电压与参考信号V_REF1进行比较，并在其输出端产生导通时间控制信号COT。本领域的技术人员应当理解，图2所示导通时间产生电路201只是示例性的，在其它实施例中，导通时间产生电路可采用其它合适的拓扑结构。

开关电路204采用同步降压结构，包括主开关管M1、续流开关管M2、电感器L和电容器C_OUT。开关电路204通过主开关管M1和续流开关管M2的导通与关断，将输入电压V_IN转换为输出电压V_OUT。主开关管M1的一端接收输入电压V_IN，另一端耦接至续流开关管M2的一端。续流开关管M2的另一端接地。电感器L具有第一端和第二端，其第一端耦接至主开关管M1和续流开关管M2的公共端。电容器C_OUT耦接在电感器L的第二端和地之间。电容器C_OUT两端的电压即为输出电压V_OUT。

在一个实施例中，开关电路204中的主开关管M1和续流开关管M2可以为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。在另一个实施例中，续流开关管M2可由其它续流元件代替，如二极管。在又一个实施例中，开关电路204可采用其他合适的拓扑结构，例如升降压变换器等。

斜坡补偿电路205包括补偿电阻器R_C和补偿电容器C_C。具体地，补偿电阻器R_C具有第一端和第二端，其第一端耦接至电感器L的第一端。补偿电容器C_C具有第一端和第二端，其第一端耦接至补偿电阻器R_C的第二端，其第二端耦接至电感器L的第二端。补偿电阻器R_C和电补偿容器C_C的公共端即为斜坡补偿电路205的输出端，提供斜坡补偿信号V_SLOPE。该斜坡补偿信号的幅值V_SLOPE(PP)如公式(3)所示。

本领域的技术人员应当理解，图2所示斜坡补偿电路205只是示例性的，在其它实施例中，斜坡补偿电路可采用其它合适的拓扑结构，如利用数字电路实现的斜坡补偿拓扑结构，或利用电流源构造的、能够产生信号以模拟电感器L上流过的电流的电路拓扑结构等等。

斜坡调整电路206包括电流源电路和斜坡补偿电路C_C。该电流源电路耦接至补偿电容器C_C的第一端以对补偿电容器C_C进行充放电，从而在补偿电容器C_C的第一端产生斜坡调整信号V_ADJ。在主开关管M1导通时，电流源电路向补偿电容器C_C扇入大小为的电流。在续流开关管M2导通时，电流源电路从补偿电容器C_C扇出大小为的电流。更加具体地，在图2所示电路中，电流源电路包括灌电流源(current source)CS1、拉电流源(current sink)CS2以及开关S₁。灌电流源CS1耦接至补偿电容器C_C的第一端以向补偿电容器C_C扇入大小为的电流I₁。拉电流源CS2与开关S₁串联连接后耦接至补偿电容器C_C的第一端，以在开关S₁导通时从补偿电容器C_C中扇出大小为的电流I₂，其中，开关S₁和续流开关管M2同步导通和关断。

因此，斜坡调整信号V_ADJ的幅值V_ADJ(PP)为：

V_{ADJ (pp)} = \frac{V_{OUT} \times T_{ON}}{R_{C} \times C_{C}} = \frac{V_{OUT} \times C_{TON} \times R_{FREQ} \times V_{REF 1}}{R_{C} \times C_{C} \times V_{IN}} = \frac{C_{TON} \times R_{FREQ} \times V_{REF 1} \times D}{R_{C} \times C_{C}} - - - (4)

本领域的技术人员应当理解，图2所示斜坡调整电路206只是示例性的，在其它实施例中，斜坡调整电路可采用其它合适的、能够产生幅值与上开关管的占空比成正比的信号的拓扑结构。

由公式(3)和公式(4)可知，将斜坡补偿信号和斜坡调整信号相叠加所获得的和值信号V_SLOPE1的幅值V_SLOPE1(PP)为：

V_{SLOPE 1 (pp)} = V_{SLOPE (pp)} + V_{ADJ (pp)} = \frac{C_{TON} \times R_{FREQ} \times V_{REF 1}}{R_{C} \times C_{C}} - - - (5)

由公式(5)可知，在电阻器R_FREQ、R_C和电容器C_TON、C_C以及参考信号V_REF1选定的条件下，和值信号V_SLOPE1的幅值V_SLOPE1(PP)为一恒定值，不会随着开关变换器200的占空比的变化而变化，因此系统更加稳定。

反馈电路207包括由电阻器R1和R2串联连接的电阻分压器，其耦接于开关电路204的输出端和参考地之间。反馈电路207基于开关电路204输出端的输出电压V_OUT，在电阻器R1和R2的公共端输出反馈信号V_FB。

比较电路202具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一输入端耦接至反馈电路207、斜坡补偿电路205和斜坡调整电路206的输出端以接收反馈信号V_FB、斜坡补偿信号V_SLOPE和斜坡调整信号V_ADJ的和值V_SLOPE1，第二输入端接收参考信号V_REF2，比较电路202将反馈信号V_FB、斜坡补偿信号V_SLOPE和斜坡调整信号V_ADJ的和值V_SLOPE1与参考信号V_REF2进行比较，并在输出端产生比较信号SET。

逻辑电路203具有第一输入端和第二输入端，其中，第一输入端耦接至导通时间产生电路201以接收导通时间控制信号COT，第二输入端耦接至比较电路202以接收比较信号SET，逻辑电路203根据导通时间控制信号COT和比较信号SET产生控制信号Q和Q’，以控制开关电路204中主开关管M1和续流开关管M2的导通与关断以及导通时间产生电路201中开关S_TON的导通与关断。

图2所示开关变换器200工作在连续工作模式(CCM)下。若开关变换器200工作在不连续工作模式(DCM)下，则可将灌电流源CS1与开关串联连接后耦接至补偿电容器C_C的第一端，该开关在主开关管M1和续流开关管M2均关断时关断，其余时间导通。

图3A示出图2所示电流源电路的一个实施例。如图3A所示，电流源电路30A包括电流镜301、302和303，各个电流镜中的开关管对具有相同参数。电流镜301接收输出电压V_OUT，由电流镜工作原理可知，在电流镜301的输出端，由开关管MP1和MP2提供的电流I_MP1和I_MP2均为在电流镜302中，开关管MN1和开关S₁串联，开关S₁受控制信号Q’控制，即开关S₁的导通时间为(1-D)T，关断时间为D×T。因此，有(1-D)I_MN2＝(1-D)I_MN3＝I_MP1，所以，在电流镜302的输出端，由开关管MN2和MN3提供的电流I_MN2和I_MN3均为在电流镜303中，开关管MP3与开关S₂串联连接，开关S₂受控制信号Q控制。电流镜303接收电流I_MN3作为输入，因此，由开关管MP3提供的电流为

图3A所示电流源电路30A可等效为图3B所示等效电路30B。由于开关S₂受控制信号Q控制，而开关S₁受和控制信号Q互补的控制信号Q’控制，因此，可将电路30B进一步等效为30C。由电流源等效电路30C可知，电流源电路30A即为图2中所示的电流源电路。

图4示出依据本发明实施例的开关变换器400。开关变换器400包括开关电路404、反馈电路407和控制电路。其中，控制电路包括导通时间产生电路401、比较电路402、逻辑电路403、斜坡补偿电路405和斜坡调整电路406。

导通时间产生电路401产生导通时间控制信号COT，以控制开关电路404中开关管的导通时间。反馈电路407接收输出电压V_OUT，并产生代表输出电压V_OUT的反馈信号V_FB。

斜坡补偿电路405产生斜坡补偿信号V_SLOPE，斜坡补偿信号V_SLOPE的幅值V_SLOPE(PP)和1-D成正比，具有比例因子K，即

V_SLOPE(PP)＝K×(1-D) (6)

其中，D表示开关电路404中主开关管的导通占空比。

斜坡调整电路406产生斜坡调整信号V_ADJ，斜坡调整信号V_ADJ的幅值V_ADJ(PP)和D成正比，其比例因子亦为K，即

V_ADJ(PP)＝K×D (7)

斜坡补偿信号V_SLOPE和斜坡调整信号V_ADJ的和值为V_SLOPE1，其幅值V_SLOPE1(PP)为：

V_SLOPE1(PP)＝K×(1-D)+K×D＝K (8)

由公式(8)可知，由于比例因子K为一恒定值，斜坡补偿信号V_SLOPE与斜坡调整信号V_ADJ相叠加的和值信号V_SLOPE1的幅值V_SLOPE1(PP)与开关电路的占空比D无关，因此系统更加稳定。

比较电路402接收反馈信号V_FB、和值信号V_SLOPE1，并将信号V_SLOPE1和反馈信号V_FB的和值与参考信号V_REF2进行比较，产生比较信号SET。

逻辑电路403接收导通时间控制信号COT和比较信号SET，并基于导通时间控制信号COT和比较信号SET产生控制信号CTRL。开关电路404接收输入电压V_IN，并根据控制信号CTRL将输入电压V_IN转化为输出电压V_OUT。

图5示出依据本发明实施例的用于开关变换器的斜坡补偿方法500。开关变换器包括开关电路，该开关电路包括电感器、主开关管M1和续流元件M2，开关电路产生输出电压V_OUT。如图5所示，斜坡补偿方法500包括步骤501～505。在步骤501中，产生导通时间控制信号。在步骤502中，提供斜坡补偿信号，该斜坡补偿信号的的幅值同1与主开关管的占空比D之差成正比。在步骤503中，提供斜坡调整信号，该斜坡调整信号的幅值同占空比D成正比。在步骤504中，将代表输出电压V_OUT的反馈信号和斜坡补偿信号以及斜坡调整信号的和值与参考信号进行比较，获得比较结果。在步骤505中，根据导通时间控制信号和比较结果控制主开关管M1和续流元件M2的导通与关断。

在一个实施例中，在步骤502中，斜坡补偿信号由包括耦接至电感器的补偿电阻器R_C和补偿电容器C_C的斜坡补偿电路提供。在另一实施例中，提供斜坡调整信号的步骤503包括：在主开关管M1导通时，向补偿电容器C_C中扇入大小为的电流；在续流开关管M2导通时，从补偿电容器C_C中扇出大小为的电流；提供补偿电容器C_C中的电压作为斜坡补偿信号。

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

1.一种用于开关变换器的控制电路，开关变换器包括开关电路，开关电路包括主开关管、续流元件和具有第一端和第二端的电感器，开关电路接收输入电压且将输入电压转换为输出电压，其中，控制电路包括：

导通时间产生电路，产生导通时间控制信号；

斜坡补偿电路，产生斜坡补偿信号，其中，斜坡补偿信号的幅值和1与主开关管的占空比之差成正比；

斜坡调整电路，产生斜坡调整信号，其中，斜坡调整信号的幅值和主开关管的占空比成正比，其中，斜坡补偿信号的幅值和1与主开关管的占空比之差成正比的比例因子与斜坡调整信号的幅值和主开关管的占空比成正比的比例因子相同；

比较电路，将反馈信号与斜坡补偿信号以及斜坡调整信号的和值同参考信号进行比较；以及

逻辑电路，根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果产生控制信号以控制主开关管和续流元件的导通与关断。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中，斜坡补偿电路包括：

补偿电阻器，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电感器的第一端；以及

补偿电容器，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至补偿电阻器的第二端且输出斜坡补偿信号，所述第二端耦接至电感器的第二端。

3.如权利要求2所述的控制电路，其中，斜坡调整电路包括：

灌电流源，耦接至补偿电容器以向补偿电容器扇入电流；

拉电流源，耦接至补偿电容器以从补偿电容器扇出电流；以及

开关，与拉电流源串联连接，且在续流元件导通时导通；

其中，灌电流源扇入的电流和拉电流源扇出的电流流过补偿电容器所产生的电容电压为斜坡调整信号。

4.如权利要求2所述的控制电路，其中，斜坡调整电路包括：

第一电流镜电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收输出电压，并产生和输出电压相关的基准电流，所述输出端根据输入端的基准电流提供扇入补偿电容器的第一电流；

第二电流镜电路，具有输入端和输出端，包括与输入端串联耦接的开关，所述输入端接收第一电流，且在输出端提供扇出补偿电容器的第二电流；以及

第三电流镜电路，具有输入端和输出端，包括与所述输出端串联耦接的开关，所述输入端接收第二电流，所述输出端提供扇入补偿电容器的第三电流；

其中，第一电流镜电路、第二电流镜电路和第三电流镜电路作用于补偿电容器所产生的电容电压为斜坡调整信号。

5.如权利要求1所述的控制电路，其中，导通时间产生电路包括：

电阻器，具有第一端和第二端，所述第一端接收输入电压；

电容器，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电阻器的第二端，所述第二端连接至地；

开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电阻器的第二端，所述第二端连接至地，所述控制端耦接至逻辑电路以接收控制信号；以及

比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电容器的第一端以接收电容器上的电压，所述第二输入端接收参考信号，比较器将电容器上的电压和参考信号进行比较且在所述输出端产生比较信号。

6.一种开关变换器，包括：

开关电路，包括主开关管、续流元件和具有第一端和第二端的电感器，开关电路接收输入电压且将输入电压转换为输出电压；以及

如权利要求1至5中任一项所述的控制电路。

7.如权利要求6所述的开关变换器，其中，主开关管具有第一端、第二端和控制端，所述第一端接收输入电压，所述第二端耦接至电感器的第一端，所述控制端耦接至逻辑电路以接收控制信号；续流元件具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电感器的第一端，所述第二端连接至地；开关电路还包括电容器，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至电感器的第二端且提供输出电压，所述第二端连接至地。

8.一种用于开关变换器的控制方法，开关变换器包括开关电路，开关电路包括主开关管和续流元件，且开关电路提供输出电压，其中，控制方法包括：

产生导通时间控制信号；

产生斜坡补偿信号，其中，斜坡补偿信号的幅值同1与主开关管的占空比之差成正比；

产生斜坡调整信号，其中，斜坡调整信号的幅值同主开关管的占空比成正比；

将代表输出电压的反馈信号与斜坡补偿信号以及斜坡调整信号的和值同参考信号进行比较，获得比较结果；以及

根据导通时间控制信号和比较结果控制主开关管和续流元件的导通与关断；

其中，斜坡补偿信号的幅值和1与主开关管的占空比之差成正比的比例因子与斜坡调整信号的幅值和主开关管的占空比成正比的比例因子相同。