CN105024545A - 一种开关控制方法、开关控制电路及调控器 - Google Patents

一种开关控制方法、开关控制电路及调控器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种开关控制电路，包括误差放大器、补偿网络、以及控制电路；其中，所述补偿网络连接于所述误差放大器的输出端；所述控制电路包括第一开关至第五开关，用于通过控制第一开关至第五开关的开闭状态来控制所述误差放大器和补偿网络的工作状态。本发明还提供了一种开关控制方法及调控器。

Description

一种开关控制方法、开关控制电路及调控器
技术领域
本发明涉及电路控制技术，尤其涉及一种开关控制方法、开关控制电路及调控器。
背景技术
误差放大器是降压式变换电路(BUCK)中电压控制环路的核心部分，误差放大器的工作方式将会直接影响整个BUCK电路的稳定性。图1为BUCK电路的组成结构示意图，如图1所示，在电压控制环路中，误差放大器的反相输入端连接输出采样电压VFB，同相输入端连接参考电压VREF；当BUCK电路工作在脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)模式时，误差放大器的输出电压Vc和锯齿波相互比较，通过PWM电压比较器来影响SR锁存器置位端的状态，从而达到改变开关占空比的目的，并最终来稳定电路的输出电压。
当BUCK电路处在轻载模式的情况下，电路会通过PWM_PSM控制电路在脉冲跳跃调制(Pulse Skip Modulation，PSM)模式和PWM模式之间相互切换。为了降低功耗，在PSM模式时，利用使能信号PWM_PSM将误差放大器关闭，使得误差放大器的输出端置为一个很低的电平，这样在BUCK电路从PSM模式切换到PWM模式时，由于开关占空比过小，会使得电路输出电压继续下降造成很大且无法确定的纹波。如果在PSM模式时，不关闭误差放大器，这样会使负载的输出电压逐渐降低，从而误差放大器的输出电压不断升高，这样在BUCK电路从PSM模式切换到PWM模式时，误差放大器的输出电平很高，PWM调整输出电压时会造成很大的纹波，如图2所示，为现有的BUCK电路中误差放大器工作时的电路输出电压Vout及部分工作点的波形图。
因此，如果不能够很好的设计误差放大器和补偿网络的控制电路，则在轻载情况下，BUCK电路从PSM模式和PWM模式之间相互切换时，电路输出电压将会产生较大的纹波。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种基于误差放大器的开关控制方法、开关控制电路及调控器，能在PSM模式和PWM模式相互切换时很好地控制误差放大器和补偿网络，有效地减小电路输出电压的纹波。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种开关控制电路，包括误差放大器、补偿网络、以及控制电路；所述补偿网络连接于所述误差放大器的输出端；其中，
所述控制电路包括第一开关至第五开关，用于通过控制第一开关至第五开关的开闭状态来控制所述误差放大器和补偿网络的工作状态。
上述方案中，所述控制电路通过同一使能信号控制第一开关至第五开关的开闭状态；所述补偿网络包括电阻和电容；
所述控制电路控制第一开关和第二开关处于闭合状态，且第三开关至第五开关处于断开状态时，所述误差放大器工作在放大状态，所述补偿网络工作在电阻和电容的互补偿状态；
所述控制电路控制第一开关和第二开关处于断开状态，且第三开关至第五开关处于闭合状态时，所述误差放大器工作在电压跟随状态，所述补偿网络工作在电容自补偿状态。
上述方案中，所述第一开关至第五开关采用PMOS、NMOS、以及三极管中的一种。
上述方案中，所述第一开关至第五开关采用PMOS或NMOS时，所述第一开关的源极和漏极，一极连接输出采样电压，另一极连接误差放大器的反相输入端；所述第二开关的源极和漏极，一极连接参考电压，另一极连接误差放大器的同相输入端；所述第三开关的源极和漏极，一极连接电路输出电压，另一极连接误差放大器的同相输入端；所述第四开关的源极和漏极，一极连接误差放大器的反相输入端，另一极连接误差放大器的输出端；所述第五开关的源极和漏极分别连接所述补偿网络中电阻的两端。
上述方案中，所述第一开关和第五开关采用三极管时，所述第一开关的发射极和集电极，一极连接输出采样电压，另一极连接误差放大器的反相输入端；所述第二开关的发射极和集电极，一极连接参考电压，另一极连接误差放大器的同相输入端；所述第三开关的发射极和集电极，一极连接电路输出电压，另一极连接误差放大器的同相输入端；所述第四开关的发射极和集电极，一极连接误差放大器的反相输入端，另一极连接误差放大器的输出端；所述第五开关的发射极和集电极分别连接所述补偿网络中电阻的两端。
本发明实施例还提供一种开关控制方法，该方法包括：控制电路通过控制第一开关至第五开关的开闭状态，来控制误差放大器和补偿网络的工作状态。
上述方案中，所述控制电路通过控制第一开关至第五开关的开闭状态，来控制误差放大器和补偿网络的工作状态包括：
通过同一使能信号控制第一开关和第二开关处于闭合状态，且第三开关至第五开关处于断开状态，使所述误差放大器工作在放大状态，所述补偿网络工作在电阻和电容的互补偿状态；
通过所述同一使能信号控制第一开关和第二开关处于断开状态，且第三开关至第五开关处于闭合状态，使所述误差放大器工作在电压跟随状态，所述补偿网络工作在电容自补偿状态。
本发明实施例又提供一种调控器，包括上述开关控制电路。
本发明实施例所提供的开关控制方法、开关控制电路及调控器，由控制电路通过控制第一开关至第五开关的开闭状态，来控制所述误差放大器和补偿网络的工作状态；第一开关和第二开关处于闭合状态，且第三开关至第五开关处于断开状态，使所述误差放大器工作在放大状态，所述补偿网络工作在电阻和电容的互补偿状态；第一开关和第二开关处于断开状态，且第三开关至第五开关处于闭合状态，使所述误差放大器工作在电压跟随状态，所述补偿网络工作在电容自补偿状态。如此，通过控制误差放大器和补偿网络，当负载较轻的情况下，BUCK电路在PSM模式和PWM模式相互切换时，能够有效控制误差放大器的输出，从而减小电路输出电压的纹波。
另外，本发明实施例通过控制连接于所述误差放大器的输出端的补偿网络，能有效地提高误差放大器和BUCK电路的稳定性；而且，本发明实施例中，所述开关控制电路，实现方案简单、方便，易于实现。
附图说明
图1为BUCK电路的组成结构示意图；
图2为现有的BUCK电路中误差放大器工作时的电路输出电压及部分工作点的波形图；
图3为本发明实施例开关控制电路的组成结构示意图；
图4为本发明实施例实际应用中开关控制电路的组成结构示意图；
图5为本发明实施例在轻载时BUCK电路的电路输出电压的波形图及其对应的五个开关的工作情况示意图；
图6为本发明实施例BUCK电路中误差放大器工作时的电路输出电压及部分工作点的波形图。
具体实施方式
在本发明实施例中，由控制电路通过控制第一开关至第五开关的开闭状态，来控制所述误差放大器和补偿网络的工作状态。
具体的，所述控制电路通过同一使能信号控制第一开关和第二开关处于闭合状态，第三开关至第五开关处于断开状态，使所述误差放大器工作在放大状态，所述补偿网络工作在电阻和电容的互补偿状态；所述控制电路通过所述同一使能信号控制第一开关和第二开关处于断开状态，且第三开关至第五开关处于闭合状态，使所述误差放大器工作在电压跟随状态，所述补偿网络工作在电容自补偿状态。
这里，所述同一使能信号为图1所示的BUCK电路中的使能信号PWM_PSM。
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。
图3为本发明实施例开关控制电路的组成结构示意图，如图3所示，所述开关控制电路包括：误差放大器10、补偿网络11、以及控制电路12；其中，
所述补偿网络11连接于所述误差放大器10的输出端；
所述控制电路12包括第一开关至第五开关，用于通过控制第一开关至第五开关的开闭状态，来控制所述误差放大器10和补偿网络11的工作状态。
进一步的，所述控制电路通过同一使能信号控制第一开关至第五开关的开闭状态；所述补偿网络包括电阻和电容。
在实际应用中，如图4所示，所述补偿网络11包括电阻R1和电容C1，所述控制电路12包括第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5；所述控制电路12通过同一使能信号控制第一开关K1至第五开关K5的开闭状态，来控制所述误差放大器(EA)10和补偿网络11的工作状态。
具体地，所述控制电路12通过同一使能信号控制第一开关K1和第二开关K2处于闭合状态，且第三开关K3、第四开关K4、以及第五开关K5处于断开状态，使得所述EA10工作在放大状态，所述补偿网11工作在电阻和电容的互补偿状态；所述控制电路12通过所述同一使能信号控制第一开关K1和第二开关K2处于断开状态，且第三开关K3、第四开关K4、以及第五开关K5处于闭合状态，使得所述EA10工作在电压跟随状态，所述补偿网络11工作在电容自补偿状态。
这里，所述第一开关K1至第五开关K5采用PMOS、NMOS、以及三极管中的一种。
当所述第一开关K1至第五开关K5采用PMOS或NMOS时，所述第一开关K1的源极和漏极，一极连接输出采样电压VFB，另一极连接EA10的反相输入端；所述第二开关K2的源极和漏极，一极连接参考电压VREF，另一极连接EA10的同相输入端；所述第三开关K3的源极和漏极，一极连接电路输出电压Vout，另一极连接误差放大器10的同相输入端；所述第四开关K4的源极和漏极，一极连接EA10的反相输入端，另一极连接EA10的输出端；所述第五开关K5的源极和漏极分别连接所述补偿网络11中电阻R1的两端。
当所述第一开关K1至第五开关K5采用三极管时，所述第一开关K1的发射极和集电极，一极连接输出采样电压VFB，另一极连接EA10的反相输入端；所述第二开关K2的发射极和集电极，一极连接参考电压VREF，另一极连接EA10的同相输入端；所述第三开关K3的发射极和集电极，一极连接电路输出电压Vout，另一极连接EA10的同相输入端，所述第四开关K4的发射极和集电极，一极连接EA10的反相输入端，另一极连接EA10的输出端；所述第五开关K5的发射极和集电极分别连接所述补偿网络11中电阻R1的两端。
这里，需要说明的是，针对第一开关K1至第五开关K4所采用的器件类型的选择，可以通过增加反相器的方式将使能信号反相，从而保证第一开关K1和第二开关K2同时开启或者关断，第三开关K3至第五开关K5同时开启或者关断，以及第一开关K1和第二开关K2与第三开关K3至第五开关K5的开启或者关断状态刚好相反。
如此，在负载较轻时，为了提高电源效率，BUCK电路会在PWM模式和PSM模式相互切换。在这两种不同模式下，所述EA10的工作状态和补偿网络11是不相同的。
当BUCK电路工作在PSM模式时，通过同一使能信号PWM_PSM控制第一开关K1和第二开关K2断开，而第三开关K3、第四开关K4、以及第五开关K5闭合，误差放大器工作在闭环模式下，其输出电压Vc跟随输入电压的变化，Vc＝Vout，即误差放大器作为单位增益运算放大器工作，其输出跟随输入电压的变化。同时，补偿网络11工作在电容自补偿状态，电阻R1被第五开关K5短路，此时电容C1作为误差放大器的自补偿电容，可以很好得提高误差放大器的闭环稳定性。
当BUCK电路切换为PWM模式工作时，通过PWM_PSM控制第一开关K1和第二开关K2闭合，而第三开关K3、第四开关K4、以及第五开关K5断开，误差放大器工作在开环模式下，将参考电压VREF与输出采样电压VFB的差值进行放大，其输出电压Vc与锯齿波比较，从而达到改变开关占空比的目的。同时，补偿网络11工作在电阻和电容的互补偿状态，电阻R1和电容C1的共同作用引入一个在1/R1C1处的零点，用以补偿BUCK电路的LC极点，以得到足够大的相位裕度，从而提高整个BUCK电路的稳定性。
基于上述开关控制电路，本发明实施例还提供了一种开关控制方法，该方法包括：控制电路通过控制第一开关至第五开关的开闭状态，来控制所述误差放大器和补偿网络的工作状态。
具体的，所述控制电路通过同一使能信号控制第一开关和第二开关处于闭合状态，第三开关、第四开关、以及第五开关处于断开状态，使所述误差放大器工作在放大状态，所述补偿网络工作在电阻和电容的互补偿状态；所述控制电路通过所述同一使能信号控制第一开关和第二开关处于断开状态，第三开关、第四开关、以及第五开关处于闭合状态，使所述误差放大器工作在电压跟随状态，所述补偿网络工作在电容自补偿状态。
基于上述开关控制电路，本发明实施例又提供了一种调控器，包括开关控制电路，所述开关控制电路的具体组成结构、以及各组成结构完成的功能，与图3、图4所示的组成结构和所完成的功能相同。
图5为本发明实施例在轻载时BUCK电路的电路输出电压的波形图及其对应的五个开关的工作情况示意图。当BUCK电路切换到PWM时，结合图1和图4所示，在电路输出电压Vout上升的AB段，电感电流减小，当过零检测电路检测到过零信号时，即VZCD变为高电平，则电路转入到PSM工作模式，此时电路输出电压Vout升高到B点；这时，通过使能信号PWM_PSM控制第一开关K1和第二开关K2断开，而第三开关K3、第四开关K4、以及第五开关K5闭合，结果使得EA的同相输入端与电路输出电压Vout直接相连，EA的反相输入端与输出端相连，误差放大器工作在闭环模式下，误差放大器的输出电压Vc跟随输入电压的变化。
如图5所示，在电路输出电压Vout下降的BC段，BUCK电路工作在PSM模式下，误差放大器作为单位增益放大器一直跟随电路输出电压的变化，由于电路工作在PSM模式下的时间足够长，所以完全能够满足误差放大器的响应时间。此时PWM模式中的其它模块，如SR锁存器，电压比较器等都处于关闭状态。
当电路输出电压Vout降低到C点时，电路输出电压Vout同预置参考电压VSET进行比较，使得图1中所示开关管M1闭合，M2管断开，电感两端电流上升，BUCK电路从PSM模式切换到PWM模式工作。此时，EA的输出电压Vc仍等于电路输出电压Vout。当电路切换到PWM模式时，通过使能信号PWM_PSM控制第一开关K1和第二开关K2闭合，而第三开关K3、第四开关K4、以及第五开关K5断开，EA将输出采样电压VFB和参考电压VREF的差值进行放大，得到的输出电压Vc同锯齿波比较，达到改变开关管占空比的目的。
需要说明的是，预设PWM_PSM在低电平时控制BUCK电路转入PWM模式，则当所述第一开关至第五开关K1～K5同时采用在同一使能信号为低电平时才导通的PMOS或PNP型三极管的情况下，需要在第三开关、第四开关、以及第五开关所采用的PMOS或PNP型三极管上增加一个反向器。
另外，除上述所述五个开关所采用的器件外，任意输入/输出具有开关逻辑的器件或组合电路均属于本发明的保护范围。
本发明实施例BUCK电路中误差放大器工作时的电路输出电压及部分工作点的波形图，如图6所示。通过对比图2和图6中的电路输出电压波形，可以明显地看出电路输出电压的纹波得到了很好地改善。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种开关控制电路，包括误差放大器、补偿网络、以及控制电路；所述补偿网络连接于所述误差放大器的输出端；其中，
所述控制电路包括第一开关至第五开关，用于通过控制第一开关至第五开关的开闭状态来控制所述误差放大器和补偿网络的工作状态。
2.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述控制电路通过同一使能信号控制第一开关至第五开关的开闭状态；所述补偿网络包括电阻和电容；
所述控制电路控制第一开关和第二开关处于闭合状态，且第三开关至第五开关处于断开状态时，所述误差放大器工作在放大状态，所述补偿网络工作在电阻和电容的互补偿状态；
所述控制电路控制第一开关和第二开关处于断开状态，且第三开关至第五开关处于闭合状态时，所述误差放大器工作在电压跟随状态，所述补偿网络工作在电容自补偿状态。
3.根据权利要求1或2所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一开关至第五开关采用PMOS、NMOS、以及三极管中的一种。
4.根据权利要求3所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一开关至第五开关采用PMOS或NMOS时，所述第一开关的源极和漏极，一极连接输出采样电压，另一极连接误差放大器的反相输入端；所述第二开关的源极和漏极，一极连接参考电压，另一极连接误差放大器的同相输入端；所述第三开关的源极和漏极，一极连接电路输出电压，另一极连接误差放大器的同相输入端；所述第四开关的源极和漏极，一极连接误差放大器的反相输入端，另一极连接误差放大器的输出端；所述第五开关的源极和漏极分别连接所述补偿网络中电阻的两端。
5.根据权利要求3所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一开关和第五开关采用三极管时，所述第一开关的发射极和集电极，一极连接输出采样电压，另一极连接误差放大器的反相输入端；所述第二开关的发射极和集电极，一极连接参考电压，另一极连接误差放大器的同相输入端；所述第三开关的发射极和集电极，一极连接电路输出电压，另一极连接误差放大器的同相输入端；所述第四开关的发射极和集电极，一极连接误差放大器的反相输入端，另一极连接误差放大器的输出端；所述第五开关的发射极和集电极分别连接所述补偿网络中电阻的两端。
6.一种开关控制方法，其特征在于，所述方法包括：控制电路通过控制第一开关至第五开关的开闭状态，来控制误差放大器和补偿网络的工作状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制电路通过控制第一开关至第五开关的开闭状态，来控制误差放大器和补偿网络的工作状态包括：通过同一使能信号控制第一开关和第二开关处于闭合状态，且第三开关至第五开关处于断开状态，使所述误差放大器工作在放大状态，所述补偿网络工作在电阻和电容的互补偿状态；
通过所述同一使能信号控制第一开关和第二开关处于断开状态，且第三开关至第五开关处于闭合状态，使所述误差放大器工作在电压跟随状态，所述补偿网络工作在电容自补偿状态。
8.一种调控器，包括：权利要求1至5任一项所述的开关控制电路。
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Legal Events

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SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
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Application publication date: 20151104

Assignee: Xi'an Chris Semiconductor Technology Co. Ltd.

Assignor: SHENZHEN ZTE MICROELECTRONICS TECHNOLOGY CO., LTD.

Contract record no.: 2019440020036

Denomination of invention: Switch control method, ON-OFF control circuit and modulator

Granted publication date: 20181207

License type: Common License

Record date: 20190619