CN104467374B - 控制电路及应用其的开关型变换器 - Google Patents

Abstract

公开了一种控制电路及应用其的开关型变换器。在当前参考电压高于限压阈值时，使得限压电路和主环路中的跨导放大器共用主环路的补偿电路进行工作，限压电路从补偿电路抽取电流，从而减小流入补偿电路的电流，直至使主环路和限压环路的误差放大信号相互抵消。由此，误差补偿信号能够在进入限压模式后较快地稳定，不再增加。本发明仅使用一个补偿电路就可以使输出电压限定在限压阈值附近，达到限压的目的。减少了反馈环路中电容和电阻元件的数量，可以缩减集成电路面积。

Description

控制电路及应用其的开关型变换器

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种控制电路及应用其的开关型变换器。

背景技术

在开关型变换器中，可以基于多环路反馈来对开关型变换器的输出进行限压。这种限压方式可以应用于不能利用过压保护电路进行限压的情形，特别是表征期望的输出电压的参考电压会发生变化的情况。例如，在非接触供电系统中，可以通过在逆变电路前设置开关型变换器，使得谐振型非接触供电装置的谐振与磁耦合电路的输入电压可调，通过调节输入到谐振与磁耦合电路的电压可以使得阻抗匹配不受负载阻抗的限制。但是，对于该开关型变换器，其动态生成的期望电压可能大于电路的限压阈值，此时不能使用过压保护电路进行限压。

现有的用于限压的多环路反馈电路包括两个反馈回路，每个环路的补偿电路均需要单独的补偿电容和补偿电阻，而电容和电阻元件在集成电路中占用面积较大，因此，不利于系统的小型化和提高功率密度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种控制电路及应用其的开关型变换器，以减少电容和电阻元件数量，缩减集成电路的面积。

第一方面，提供一种控制电路，用于控制开关型变换器，所述控制电路包括：

第一跨导放大器，用于向第一端输出表征参考电压和第一反馈电压的差值的第一电流，所述第一反馈电压用于表征所述开关型变换器的输出电压；

补偿电路，连接在所述第一端和接地端之间，用于在第一端生成误差补偿信号；

限压电路，用于在限压模式下从所述第一端抽取第二电流，所述第二电流的强度随输出电压的增大而增大，在正常模式下不影响所述误差补偿信号；

控制信号生成电路，用于根据所述误差补偿信号生成开关控制信号控制所述开关型变换器；

所述第二电流的强度随所述输出电压的变化速率大于所述第一电流的强度随所述输出电压的变化速率。

优选地，所述限压电路在第二反馈电压大于所述限压阈值时进入所述限压模式，在所述第二反馈电压小于所述限压阈值时进入所述正常模式；

所述第二反馈电压用于表征所述开关型变换器的输出电压。

优选地，所述限压电路包括：

第二跨导放大器，同相端输入所述阈值电压，反相端输入所述第二反馈电压，输出端与第二端连接；

第一开关，连接在所述第一端和所述第二端之间，在限压模式下导通，在正常模式下关断；

所述第二跨导放大器的跨导系数大于所述第一跨导放大器的跨导系数。

优选地，所述限压电路还包括：

电压跟随器，输入端与所述第一端连接，用于使得第二跨导放大器的输出端电压跟随所述误差补偿信号；

第二开关，连接在所述第二端和所述电压跟随器的输出端之间，在限压模式下关断，在正常模式下导通。

优选地，所述限压电路还包括：

比较器，同相端输入所述限压阈值，反相端输入所述第二反馈电压，输出比较信号控制所述第一开关和所述第二开关。

优选地，所述控制电路还包括：

缓冲器，连接在所述第一端和所述控制信号生成电路之间。

优选地，所述补偿电路包括串联连接在所述第一端和接地端之间的电阻和电容。

第二方面，提供一种开关型变换器，包括：

功率级电路；和

如上所述的控制电路。

本发明在当前参考电压高于限压阈值时，使得限压电路和主环路中的跨导放大器共用主环路的补偿电路工作，限压电路从补偿电路抽取电流，从而减小流入补偿电路的电流，直至使主环路和限压环路的误差放大信号相互抵消。由此，误差补偿信号能够在进入限压模式后较快地稳定，不再增加。本发明仅使用一个补偿电路就可以使输出电压限定在限压阈值附近，达到限压的目的。减少了反馈环路中电容和电阻元件的数量，可以缩减集成电路面积。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有技术中基于反馈环路限压的开关型变换器的电路示意图；

图2是本发明实施例的开关型变换器的电路示意图；

图3是本发明实施例的第一电流和第二电流相对于输出电压变化的示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

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。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是现有技术中基于环路反馈限压的开关型变换器的电路示意图。以下结合图1解释现有技术存在的问题。如图1所示，在参考电压Vref会变化的应用场景下，基于反馈环路限压的开关型变换器包括功率级电路11以及控制电路12。控制电路12包括误差补偿信号生成电路121和控制信号生成电路122。误差补偿信号生成电路121用于根据反馈电压和参考电压Vref生成误差补偿信号Vcomp。控制信号生成电路122用于根据误差补偿信号Vcomp生成开关控制信号，控制功率级电路11。

其中，误差补偿信号生成电路121包括由跨导放大器gm1、电阻R1和电容C1构成的反馈补偿环路，其生成表征反馈电压Vfb与参考电压Vref差值的误差补偿信号Vcomp1。误差补偿信号生成电路121还包括由跨导放大器gm2、电阻R2和电容C2构成的限压补偿环路，其生成表征反馈电压Vfb与限压阈值Vth差值的误差补偿信号Vcomp2。误差补偿信号生成电路121还包括选择电路，其根据参考电压Vref是否大于限压阈值Vth选择误差补偿信号Vcomp1或误差补偿信号Vcomp2输出。由此，在反馈电压Vfb变化到大于限压阈值Vth时，基于限压阈值进行控制，从而实现限压。但是，由于采用两个独立的环路，误差补偿信号生成电路121包括两组电容和电阻构成的补偿电路，而电容和电阻元件在集成电路中占用面积较大，因此，不利于控制电路小型化和提高功率密度。

图2是本发明实施例的开关型变换器的电路示意图。如图2所示，本实施例的开关型变换器包括功率级电路21和控制电路22。

功率级电路21接收输入信号Vin，输出满足电路要求的输出信号Vo，其中功率级电路21中包括功率开关管(图2中没有示出)，控制电路22用于控制功率开关管的开关动作以使得输出信号Vo满足电路要求。应理解，功率级电路21可以设置为各种现有的拓扑，例如降压型拓扑、升压型拓扑或升降压型拓扑。

控制电路22包括第一跨导放大器gm1、补偿电路221、限压电路222和控制信号生成电路223。

第一跨导放大器gm1、补偿电路221和限压电路222共同工作生成误差补偿信号Vcomp。控制信号生成电路223用于根据误差补偿信号Vcomp生成开关控制信号Q，控制功率级电路21。

其中，第一跨导放大器gm1的同相端输入参考电压Vref，反相端输入第一反馈电压Vfb1。补偿电路221连接在第一端a(也即第一跨导放大器gm1的输出端)和接地端之间，其包括串联连接在第一端a和接地端之间电阻R和电容C。第一跨导放大器gm1根据参考电压Vref和第一反馈电压Vfb1的差值向补偿电路221注入或抽取第一电流i1。从而可以根据参考电压Vref和第一反馈电压Vfb1的差值在第一端a生成误差补偿信号Vcomp。第一反馈电压Vfb1用于表征输出电压Vo。优选地，Vfb1＝K1*Vo,K1为预定值。

应理解，补偿电路还可以采用其它结构，例如采用仅包括电容的补偿电路。

误差补偿信号Vcomp用于在正常模式下表征输出电压Vo与预期的输出电压之间的误差。由此，控制信号生成电路223可以根据误差补偿信号Vcomp来控制功率级电路21的功率开关动作以使得该误差最小化。由此使得表征输出电压Vo的第一反馈电压Vfb1跟随参考电压Vref变化。

由于在某些应用场景下，参考电压Vref会随电路状态的变化而变化，当其过大时会导致输出电压Vo过大，此时需要进行限压。

限压电路222与第一端a连接，用于在限压模式下对第一端a抽取第二电流i2，从而实质上减小当前的误差补偿信号Vcomp。第二电流i2的强度随输出电压的增大而增大。并且，第二电流i2的强度随输出电压Vo的变化速率大于第一电流i1的强度随输出电压Vo的变化速率。在限压模式下，第二电流i2从0开始以较大的速率增加，直至与第一电流i1相互抵消，使得误差补偿信号Vcomp快速稳定到最大值。功率级电路21的输出电压Vo被稳定在一个小于当前参考电压Vref所对应的输出电压值的位置，由此实现限压。同时，限压电路222在正常模式下不对误差补偿信号Vcomp施加影响，由此，可以在不需要限压时，根据参考电压Vref来控制输出电压。

优选地，限压电路在第二反馈电压Vfb2大于限压阈值Vth时进入限压模式，在第二反馈电压Vfb2小于限压阈值Vth时进入正常模式。

第二反馈电压Vfb2也用于表征输出电压Vo，优选地，Vfb2＝K2*Vo,K2为预定值。第二反馈电压Vfb2与第一反馈电压Vfb1成比例，两者可以相同也可以不同。

具体地，限压电路222包括第二跨导放大器gm2、第一开关S1、第二开关S2和电压跟随器F。

其中，第二跨导放大器gm2的同相端输入限压阈值Vth，反相端输入第二反馈电压Vfb2，输出表征限压阈值Vth和第二反馈电压Vfb2差值的第二电流i2。在第二反馈电压Vfb2大于限压阈值Vth时，第二电流i2为负值，也即，第二跨导放大器gm2抽取电流。

第一开关S1连接在第二端b(也即，第二跨导放大器gm2的输出端)和第一端a之间。第二开关S2连接在第二端b和电压跟随器F的输出端之间。电压跟随器F的输入端与第一端a连接。

第一开关S1在限压模式下导通，在正常模式下关断。第二开关S2在正常模式下导通，在限压模式下关断。也即，第一开关S1和第二开关S2交替关断和导通，其控制信号相位相差180°。

在一个优选实施方式中，通过在限压电路中设置比较器cmp来控制第一开关S1和第二开关S2。

在以第二反馈电压Vfb2大于限压阈值Vth为进入限压模式条件时，比较器cmp的反相端输入限压阈值Vth，同相端输入第二反馈电压Vfb2。比较器cmp比较第二反馈电压Vfb2和限压阈值Vth，在第二反馈电压Vfb2大于限压阈值Vth时控制第一开关S1导通、第二开关S2关断，在第二反馈电压Vfb2小于限压阈值Vth时控制第二开关S2导通、第一开关S1关断。

优选地，第一开关S1和第二开关S2可以分别由比较器cmp的输出信号和输出信号的反相信号控制。

优选地，比较器cmp可以为迟滞比较器，其可以防止输出电压Vo波动导致的输出信号误翻转。

由此，在第二反馈电压Vfb2大于限压阈值Vth时，第一开关S1导通，第二开关S2关断。第二跨导放大器gm2从第一端a抽取第二电流i2。其中，第二电流i2的强度等于g2*(Vfb1-Vth)，其随着Vfb1的增大以斜率g2增大。g2为第二跨导放大器gm2的跨导系数。此时，由于参考电压Vref较大，第一反馈电压Vfb1仍然小于参考电压Vref。第一跨导放大器gm1向输出端注入第一电流i1。第一电流的强度等于g1*(Vref-Vfb1)，其随着第一反馈电压Vfb1的增大以斜率g1减小。第一电流i1和第二电流i2在第一端a叠加，使得在该端产生的误差补偿信号Vcomp随第一反馈电压Vfb1的增大而减小。在本实施例中，g2被设置为大于g1。

图3是第一电流i1和第二电流i2随输出电压变化的关系图。如图3所示，在点A，也即限压阈值Vth对应的输出电压Vo＝Vth/K2处，第二反馈电压Vfb2增大到即将大于限压阈值。伴随着输出电压Vo的增大，第二电流i2以比第一电流i1更大的斜率在X轴以下下降。也即，方向与第一电流i1相反，强度持续增大。在点B，第二电流i2与第一电流i1的强度达到相等，由此，在第一反馈电压Vfb1达到参考电压Vref前，第一电流i1和第二电流i2相互抵消，使得误差补偿信号Vcomp表征当前电路达到稳定点。因此，点B为限压模式下的实际限压稳定点，其小于参考电压Vref所对应的输出电压值Vref/K1(图3中点C)。根据该误差补偿信号Vcomp，控制信号生成电路222控制功率级电路21稳定在当前输出电压。由此，在第二反馈电压Vfb2大于限压阈值Vth时，限压电路221b可以通过反馈环路控制功率级电路21进行限压，使得功率级电路21的输出电压被限制在某一输出电压值，最后的实际稳定点略大于限压阈值Vth对应的输出电压值。因此，在进行电路设计时，可以将限压阈值Vth设置为略小于实际所需的限压值。

在第二反馈电压Vfb2小于限压阈值Vth时，第一开关S1关断，第二开关S2导通。第二跨导放大器gm2输出电流，该电流流向与第二开关S2连接的电压跟随器F。电压跟随器F用于使得第二端b的电压跟随第一端a的电压变化，使得第二跨导放大器gm2的输出电流不对第一端a的电压(也即，误差补偿信号Vcomp)产生影响。同时，由于在第二反馈电压Vfb2小于限压阈值Vth时第二端b的电压跟随误差补偿信号Vcomp，在电压Vfb2大于限压阈值Vth时，在第一端a的电压仍然等于第二端b的电压，限压电路221可以线性地被接入，从而使得电路平滑切换，更加稳定。

应理解，第二开关S2和电压跟随器F也可以被替换为其它电路，只要实现在正常模式下，限压电路不对误差补偿信号Vcomp施加影响，并可以将第二跨导放大器gm2输出的电流引流至它处即可。

优选地，控制电路22还包括连接在第一端a和控制信号生成电路223之间的缓冲器224。缓冲器224可以隔离后级电路对于误差补偿信号Vcomp的影响，使得控制电路22更加稳定。

本发明实施例在当前参考电压高于限压阈值时，使得限压电路和主环路中的跨导放大器共用主环路的补偿电路工作，限压电路从补偿电路抽取电流，从而减小流入补偿电路的电流，直至使主环路和限压环路的误差放大信号相互抵消。由此，误差补偿信号能够在进入限压模式后较快地稳定，不再增加。本发明仅使用一个补偿电路就可以使输出电压限定在限压阈值附近，达到限压的目的。减少了反馈环路中电容和电阻元件的数量，可以缩减集成电路面积。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种控制电路，用于控制开关型变换器，所述控制电路包括：

第一跨导放大器，用于向第一端输出表征参考电压和第一反馈电压的差值的第一电流，所述第一反馈电压用于表征所述开关型变换器的输出电压；

补偿电路，连接在所述第一端和接地端之间，用于在第一端生成误差补偿信号；

限压电路，用于在限压模式下从所述第一端抽取第二电流，所述第二电流的强度随输出电压的增大而增大，在正常模式下不影响所述误差补偿信号；

控制信号生成电路，用于根据所述误差补偿信号生成开关控制信号控制所述开关型变换器；

所述第二电流的强度随所述输出电压的变化速率大于所述第一电流的强度随所述输出电压的变化速率。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述限压电路在第二反馈电压大于限压阈值时进入所述限压模式，在所述第二反馈电压小于所述限压阈值时进入所述正常模式；

所述第二反馈电压用于表征所述开关型变换器的输出电压。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述限压电路包括：

第二跨导放大器，同相端输入所述限压阈值，反相端输入所述第二反馈电压，输出端与第二端连接；

第一开关，连接在所述第一端和所述第二端之间，在限压模式下导通，在正常模式下关断；

所述第二跨导放大器的跨导系数大于所述第一跨导放大器的跨导系数。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述限压电路还包括：

电压跟随器，输入端与所述第一端连接，用于使得第二跨导放大器的输出端电压跟随所述误差补偿信号；

第二开关，连接在所述第二端和所述电压跟随器的输出端之间，在限压模式下关断，在正常模式下导通。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述限压电路还包括：

比较器，同相端输入所述限压阈值，反相端输入所述第二反馈电压，输出比较信号控制所述第一开关和所述第二开关。

6.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：

缓冲器，连接在所述第一端和所述控制信号生成电路之间。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述补偿电路包括串联连接在所述第一端和接地端之间的电阻和电容。

8.一种开关型变换器，包括：

功率级电路；

根据权利要求1-7中任一项所述的控制电路。