CN104539154A - 开关变换器及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

公开了开关变换器及其控制电路。控制电路包括斜坡补偿电路，在补偿节点产生斜坡补偿信号；误差放大器，接收反馈信号和参考信号并产生误差信号；第一校正电流源，接收误差信号，并产生第一校正电流以提供至补偿节点；校正电阻器，其第一端接收参考信号，第二端耦接至补偿节点以提供校正参考信号；比较电路，将校正参考信号和斜坡补偿信号的叠加值与反馈信号进行比较；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来控制开关电路。本发明的控制电路能够消除斜坡补偿电路引入的直流误差。

Description

开关变换器及其控制电路
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。
背景技术
恒定导通时间控制(COT)开关变换器由于其优越的负载瞬态响应性能在电源领域得到了广泛的应用。COT电路通常需要对电路进行补偿以使得输出电压稳定。然而，补偿信号会引入直流分量，需要对其进行校正。
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能够消除斜坡补偿电路引入的直流误差的开关变换器及其控制电路。
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和续流元件，开关电路接收输入电压，并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，产生导通时间信号；斜坡补偿电路，具有补偿节点，且在补偿节点产生斜坡补偿信号；误差校正电路，包括：误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收代表输出电压的反馈信号，其第二输入端接收参考信号，误差放大器根据反馈信号和参考信号产生误差信号；第一校正电流源，接收误差信号，并根据误差信号产生第一校正电流以提供至补偿节点；校正电阻器，具有第一端和第二端，其第一端接收参考信号，其第二端耦接至补偿节点以提供校正参考信号；比较电路，将校正参考信号和斜坡补偿信号的叠加值与反馈信号进行比较；以及逻辑电路，耦接至导通时间控制电路和比较电路，根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果来控制开关电路将输入电压转换为输出电压。
根据本发明实施例的一种开关变换器，包括开关电路，包括主开关管和续流元件，开关电路接收输入电压，并将输入电压转换为输出电压；以及控制电路，该控制电路包括：导通时间产生电路，产生导通时间信号；斜坡补偿电路，具有补偿节点，且在补偿节点产生斜坡补偿信号；误差校正电路，包括：误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收代表输出电压的反馈信号，其第二输入端接收参考信号，误差放大器根据反馈信号和参考信号产生误差信号；第一校正电流源，接收误差信号，并根据误差信号产生第一校正电流以提供至补偿节点；校正电阻器，具有第一端和第二端，其第一端接收参考信号，其第二端耦接至补偿节点以提供校正参考信号；比较电路，将校正参考信号和斜坡补偿信号的叠加值与反馈信号进行比较；以及逻辑电路，电耦接至导通时间控制电路和比较电路，根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果来控制开关电路将输入电压转换为输出电压。
在本发明的实施例中，斜坡补偿电路引入的直流误差能够被误差校正电路消除。
附图说明
图1示出依据本发明一实施例的恒定导通时间控制开关变换器10的框图；
图2A示出开关变换器10在误差校正前的部分波形；
图2B示出开关变换器10在误差校正后的部分波形；
图3示出依据本发明一个实施例的用于消除斜坡补偿电路307引入的直流误差的误差校正电路306；
图4示出依据本发明一个实施例的用于消除斜坡补偿电路407引入的直流误差的误差校正电路406；
图5示出依据本发明一个实施例的用于消除斜坡补偿电路507引入的直流误差的误差校正电路506。
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1示出依据本发明一实施例的恒定导通时间控制开关变换器10的框图。如图1所示，开关变换器10包括控制电路、开关电路104和反馈电路105。开关电路104采用了同步降压变换拓扑，其包括主开关管M、续流元件R、输出电感器L和输出电容器C，并通过主开关管M和续流元件R的导通与关断将输入信号VIN转换为输出信号VOUT。主开关管M的一端接收输入电压VIN，另一端电耦接至续流元件R的一端。续流元件R的另一端接地。输出电感器L的一端电耦接至主开关管M和续流元件R的公共端，输出电容器C电耦接在输出电感器L的另一端和地之间。输出电容器C两端的电压即为输出电压VOUT。本领域技术人员应当理解，图1所示开关电路104只是示例性的，在其它实施例中，开关电路104可采用任何合适的直流/直流或交流/直流变换拓扑结构，例如同步或非同步的升压、降压变换器，正激、反激变换器等等。在同步变换器中，续流元件可以是开关管；在非同步变换器中，续流元件可以是二极管等。开关电路104中的开关管可以为任何半导体开关器件，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。
反馈电路105电耦接至开关电路104以接收输出信号VOUT，并产生代表输出信号VOUT的反馈信号VFB。本技术领域的技术人员应当理解，在其它实施例中，开关变换器10可以不包括反馈电路105，输出电压VOUT作为反馈信号VFB直接馈入控制电路中。
控制电路包括导通时间产生电路101、比较电路102、逻辑电路103、误差校正电路106和斜坡补偿电路107。斜坡补偿电路107包括第一电流源CS1、第一开关S1、第二电流源CS2、第二开关S2以及补偿电容器CC。补偿电容器CC具有第一端和第二端，其第一端作为斜坡补偿电路107的补偿节点NOD1，其第二端连接至参考地。补偿电容器CC两端的电压降即为斜坡补偿信号VRAMP。第一开关S1串联耦接于第一电流源CS1和补偿节点NOD1之间，其受主开关管M的控制信号HS所控制，在主开关管M导通时导通，其余时间关断。第一电流源CS1提供第一电流I1，其大小正比于输入电压VIN，其方向为从补偿节点NOD1扇出的方向。第二开关S2串联耦接于第二电流源CS2和补偿节点NOD1之间，其在主开关管M和续流元件R均关断时关断，其余时间导通。第二电流源CS2提供第二电流I2，其大小正比于输出电压VOUT，其方向为向补偿节点NOD1扇入的方向。
本领域技术人员应当理解，在其它开关变换器10工作于连续工作模式(CCM)的实施例中，斜坡补偿电路107可以不包括第二开关S2，第二电流源CS2持续地向补偿节点NOD1扇入第二电流I2。本领域技术人员还应当理解，图1所示的斜坡补偿电路107采用模拟电感电流的方式实现，其只是示例性的，其它形式的斜坡补偿电路，如电感与电容串联连接的斜坡补偿电路等也可应用于本发明。
误差校正电路106包括误差放大器EA、校正电流源CS3和校正电阻器R。误差放大器EA具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收参考信号VREF，其第二输入端接收反馈信号VFB，误差放大器EA放大参考信号VREF与反馈信号VFB之间的差值，且在其输出端输出误差信号VERR。在图1所示实施例中，误差信号VERR先经过由电容器形成的补偿网络进行补偿后再提供至校正电流源CS3。在其它实施例中，误差放大器EA的输出端也可以不具有补偿网络。
校正电流源CS3耦接至误差放大器EA以接收误差信号VERR，并根据误差信号VERR产生校正电流I3，校正电流I3的方向为扇出补偿节点NOD1的方向。在图2所示实施例中，校正电流源CS3的输出端耦接至第二电流源CS2与第二开关S2的公共节点NOD2，以使得校正电流I3亦受第二开关S2控制。然而，本领域技术人员应当理解，在斜坡补偿电路不包括第二开关S2的实施例中，校正电流源CS3的输出端耦接至补偿节点NOD1且持续地向补偿节点NOD1扇入校正电流I3。
校正电阻器R具有第一端和第二端，其第一端接收参考信号VREF，其第二端耦接至补偿节点NOD1以提供校正参考信号VREFC。
在图1所示实施例中，误差校正电路106还包括缓冲电路BUF。缓冲电路BUF具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收参考信号VREF，其第二输入端耦接至其输出端和校正电阻器R的第一端。缓冲电路BUF根据参考信号VREF在其输出端产生缓冲信号VBUF以提供至校正电阻器R的第一端。缓冲电路BUF可以防止其输出端电压的波动对其输入端接收的参考信号VREF产生影响。本领域的技术人员应当理解，图1所示缓冲电路BUF只是示例性的，在其它实施例中，误差校正电路106可以不包括缓冲电路BUF，而由校正电阻器R的第一端接收参考信号VREF。
如图1所示，当第二开关S2导通时，校正电流I3从校正电阻器R的第一端流向第二端，其在校正电阻器R两端产生电压降R×I3。因此，校正电阻器R的第二端提供校正参考信号VREFC＝VREF-R×I3。校正参考信号VREFC与斜坡补偿信号VRAMP相叠加形成补偿校正参考信号VREFX。补偿校正参考信号VREFX由于包括直流分量R×I3，从而使得斜坡补偿信号VRAMP引入的直流误差得以消除。
比较电路102具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收补偿校正参考信号VREFX，其第二输入端接收反馈信号VFB，比较电路102将反馈信号VFB与补偿校正参考信号VREFX进行比较，在其输出端产生比较信号SET。导通时间产生电路101产生导通时间信号COT，通过逻辑电路103控制开关电路104中主开关管M的导通时间。逻辑电路103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导通时间产生电路101以接收导通时间信号COT，其第二输入端耦接至比较电路102的输出端以接收比较信号SET，逻辑电路103根据导通时间信号COT和比较信号SET产生控制信号HS和LS，以分别控制开关电路104中的主开关管M和续流元件R。
图2A示出开关变换器10在误差校正前的部分波形。图2B示出开关变换器10在误差校正后的部分波形。从图2A可知，在误差校正前，反馈信号VFB和参考信号VREF与斜坡补偿信号VRAMP的叠加值进行比较，当反馈信号VFB小于VREF+VRAMP时，控制信号CTRL将主开关管M导通，输出电压VOUT增大。经过一固定导通时间后，控制信号CTRL将主开关管关断，输出电压VOUT减小。由于反馈信号VFB是和参考信号VREF与斜坡补偿信号VRAMP的叠加值进行比较，这将引入直流分量△V，从而使得输出电压VOUT大于预设值。在由误差校正电路106进行误差校正后，第三电流I3从校正电阻器R的第一端流向第二端，产生电压R×I3，反馈信号VFB是和补偿校正参考信号VREFX＝VREF+VRAMP-R×I3进行比较。电压R×I3的引入使得补偿节点NOD1的直流点降低，从而消除了斜坡补偿信号VRAMP所引入的直流分量△V。
图3示出依据本发明一个实施例的用于消除斜坡补偿电路307引入的直流误差的误差校正电路306。和图1所示误差校正电路106相比，图3所示误差校正电路306还包括第四电流源CS4，其耦接至节点NOD2，以在第二开关S2导通时向补偿节点NOD1扇入第四电流I4。第四电流I4可以是一恒定值，例如，1uA，也可以随输出电压VOUT的变化而变化。由于第三电流I3的电流方向为扇出补偿节点NOD1的方向，而第四电流I4的电流方向为扇入补偿节点NOD1的方向，因此，由第三电流I3和第四电流I4相叠加后流经校正电阻器R的电流方向可以是从补偿节点NOD1至参考信号VREF的方向，也可以是从参考信号VREF至补偿节点NOD1的方向。因此，无论斜坡补偿信号VRAMP引入的直流分量是正值还是负值，误差校正电路306都能对其进行校正。
图4示出依据本发明一个实施例的用于消除斜坡补偿电路407引入的直流误差的误差校正电路406。和图1所示误差校正电路106相比，图4所示误差校正电路406还包括第五电流源CS5。第五电流源CS5耦接至误差放大器EA以接收误差信号VERR，并根据误差信号VERR产生第五电流I5以扇入补偿节点NOD1。第五电流I5不受第二开关S2控制，持续地馈入补偿节点NOD1。
当负载很小时，开关变换器将工作在非连续工作模式(DCM)，此时，第二开关S2在大多数时候断开，第三电流源CS3失去对环路的控制。由于第五电流源CS5不受第二开关S2控制，因此，误差校正电路406仍然能够利用第五电流源CS5对斜坡补偿电路407引入的直流误差进行校正。
图5示出依据本发明一个实施例的用于消除斜坡补偿电路507引入的直流误差的误差校正电路506。和图1所示误差校正电路106相比，图5所示误差校正电路506还包括箝位电路，其耦接于误差放大器EA的输出端，当误差信号VERR大于一参考值时，箝位电路将误差信号VERR箝位于一固定值。这样，当负载较大，使得误差信号VERR较大时，箝位电路将误差信号VERR箝位于在固定值，不会造成电路过冲。在一个实施例中，箝位电路231可以包括一箝位二极管。
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 (8)

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和续流元件，开关电路接收输入电压，并将输入电压转换为输出电压，控制电路包括：
导通时间产生电路，产生导通时间信号；
斜坡补偿电路，具有补偿节点，且在补偿节点产生斜坡补偿信号；
误差校正电路，包括：
误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收代表输出电压的反馈信号，所述第二输入端接收参考信号，误差放大器根据反馈信号和参考信号在输出端产生误差信号；
第一校正电流源，接收误差信号，并根据误差信号产生第一校正电流以提供至补偿节点；
校正电阻器，具有第一端和第二端，所述第一端接收参考信号，所述第二端耦接至补偿节点以提供校正参考信号；
比较电路，将校正参考信号与斜坡补偿信号的叠加值与反馈信号进行比较；以及
逻辑电路，耦接至导通时间控制电路和比较电路，根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果来控制主开关管和续流元件。
2.如权利要求1所述的控制电路，还包括第二校正电流源，所述第二校正电流源向补偿节点扇入第二校正电流。
3.如权利要求1所述的控制电路，还包括耦接于第一校正电流源和补偿节点之间的开关，所述开关在主开关管和续流元件均关断时关断。
4.如权利要求3所述的控制电路，还包括第三校正电流源，所述第三校正电流源接收误差信号，且根据误差信号产生第三校正电流以持续地提供至补偿节点。
5.如权利要求1所述的控制电路，其中，误差校正电路还包括箝位电路，所述箝位电路耦接至误差放大器的输出端，且在误差信号超过参考值时将误差信号箝位在一固定值。
6.如权利要求1所述的控制电路，其中，斜坡补偿电路包括：
第一电流源，在续流元件导通时从补偿节点扇出第一电流，所述第一电流和输入电压成比例；
第二电流源，在主开关管导通或续流元件导通时向补偿节点扇入第二电流，所述第二电流和输出电压成比例；以及
补偿电容器，耦接于补偿节点和参考地之间。
7.如权利要求1所述的控制电路，其中，控制电路还包括缓冲电路，所述缓冲电路接收参考信号，并依据参考信号产生缓冲信号以提供至校正电阻器的第一端。
8.一种开关变换器，包括：
开关电路，包括主开关管和续流元件，开关电路接收输入电压，并将输入电压转换为输出电压；
反馈电路，耦接至开关电路以接收输出电压，并依据输出电压产生反馈信号；以及
如权利要求1～7中任意一项所述的控制电路。
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