CN105071655A - 自适应恒定导通时间控制的开关电源及控制器和控制方法 - Google Patents

Abstract

开关电源包括开关电路和控制器。开关电路具有输入端和输出端，同时包括开关和电感。开关电路通过控制开关的开关行为，基于输入端的输入电压调节输出端的输出电压。控制器生成开关控制信号以控制开关，当开关电源输出端的输出信号满足预设条件时，开关控制信号从第一状态跳变到第二状态，经过一段时间后，开关控制信号从第二状态跳变到第一状态。开关的开关频率和电感的纹波电流都随输入电压的变化而变化。

Description

自适应恒定导通时间控制的开关电源及控制器和控制方法

技术领域

本发明主要涉及电子电路，尤其涉及但不局限于具有恒定导通时间(COT,ConstantOnTime)控制的开关电源(SMPS,SwitchingModePowerSupply)。

技术背景

通过控制至少一个开关的打开和关断，开关电源广泛地应用于将输入电压转换成输出电压。COT控制方式因其快速的瞬态响应性能而常用于开关电源中。在COT控制的开关电源中，一旦检测到预设的状态时，比如说，检测到表征输出电压的反馈信号低于参考信号时，开关就打开。开关处于导通状态一段固定的导通时间后，开关关断。

当导通时间固定后，开关电源的输入电压和输出电压的变化会导致开关频率的巨大变化。开关频率的巨大变化会对系统其它部分引入干扰。并且，为了减小开关损耗也需要限制开关频率。

因此，我们需要一种改进的COT控制的开关电源，该电源至少可以解决前面描述的一个缺点。

发明内容

本发明一实施例提出了一种用于控制开关电源的控制器，开关电源包括开关和电感，开关电源将接收的输入电压转换为输出电压，所述控制器包括：输出调节电路，基于开关电源的输出信号生成输出调节信号，其中，当输出信号满足预设条件时，输出调节信号跳变至有效状态；导通时间控制电路，用于生成导通时间控制信号，其中，导通时间控制信号使得开关的开关频率和电感的电感纹波电流都随着输入电压的变化而变化；以及逻辑电路，具有第一输入端以接收输出调节信号，第二输入端以接收导通时间控制信号，输出端以提供控制开关的开关行为的开关控制信号，其中，当输出调节信号为有效状态时，开关控制信号从第一状态跳变到第二状态；当导通时间控制信号为有效状态时，开关控制信号从第二状态跳变到第一状态。

本发明一实施例提出了一种开关电源，包括：开关电路，具有输入端和输出端，开关电路包括开关和电感，开关电路通过控制开关的开关行为基于输入端的输入电压调节输出端的输出电压；以及如前所述的控制器。

本发明一实施例提出了一种采用恒定导通时间控制的控制开关电源的方法，开关电源包括开关和电感，所述方法包括：调节开关的开关频率以使开关频率随输入电压的变化而变化；调节电感的电感纹波电流以使电感纹波电流随输入电压的变化而变化；以及同时限制开关频率和电感纹波电流的变化。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述。这些附图仅用于示例。附图通常仅示出实施例中系统或电路的部分特征，并且附图不一定是按比例绘制的。

图1给出了根据本发明一实施例的开关电源100。

图2给出了根据本发明一实施例的对应图1所示开关电源100的信号的波形图。

图3给出了根据本发明一实施例的用于生成导通时间控制信号OT的导通时间控制电路122。

图4给出了根据本发明一实施例的参考信号产生电路1222。

图5给出了根据本发明一实施例的基于输入电压变化时开关频率和电感纹波电流的函数图。

图6给出了根据现有控制方法中的导通时间控制信号产生电路600。

图7给出了对应图6所示电路600的现有控制方法的，基于输入电压Vin变化时开关频率和电感纹波电流的函数图。

图8给出了根据本发明一实施例的导通时间控制信号产生电路800。

图9给出了对应图8所示电路800第二种控制方法的，基于输入电压Vin变化时开关频率Fs和电感纹波电流Ipp的函数图。

图10给出了根据本发明一实施例的控制开关电源开关的方法1000的流程图。

不同示意图中的相同的附图标记表示相同或者相似的部分或特征。

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。在其它实施例中，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”或者”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”一个实施例”、”实施例”、”一个示例”、”示例”不一定都指同一个实施例或者示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特征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，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”或者”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给出了根据本发明一实施例的开关电源100。开关电源100包括开关电路11和控制器12。控制器12生成至少一个开关控制信号来控制开关电路11中的至少一个开关S1以调整开关电源100的输出提供给负载。对于COT控制的开关电源，当开关电路11的输出信号满足预设条件时，比如说，当开关电路11的输出电压低于参考值时，生成的开关控制信号PWM从第一状态跳变到第二状态以使开关S1跳变到第一状态，比如说导通状态。经过一段时间后，开关控制信号PWM从第二状态跳变到第一状态，以使得开关S1跳变到第二状态，比如说关断状态。其中开关S1处于导通状态的时间决定于开关控制信号PWM从第二状态跳变到第一状态的时间点。但是，应当知晓，根据本发明实施例的COT控制既可以指控制开关的导通时间，也可以指控制开关的关断时间。控制器12同时控制开关S1的开关频率和电感纹波电流，即电感电流IL的峰峰值，使该两者随输入电压和输出电压变化而变化。因此，需要优化这两个参数以改善开关电源的性能，使其开关损耗更低，系统稳定性更高，系统体积更小等等。

开关电路11具有输入端Vin、输出端Vout以及开关S1。开关电路11通过控制开关S1，或者通过控制开关S1和同步整流器的开关行为，基于输入端Vin的输入电压调整输出端Vout的输出电压。在一实施例中，开关S1采用MOSFET。应当注意，标识“Vin”和“Vout”既可以表示端口也可以表示电压信号。在另一实施例中，开关S1采用JFET。开关S1还可以采用其它形式的开关元件。在图示实施例中，开关电路11采用降压变换器结构，其包括开关S1、整流器S2以及包括输出电感L和输出电容Co的输出滤波器。但是，应当知晓，根据本发明的一些实施例的开关电源可以采用其它的结构。另外，本发明权利要求中所定义的开关可能指主开关或者是同步整流器。继续图1的说明，开关S1耦接于输入端Vin和开关节点SW之间。整流器S2耦接于开关节点SW和参考地GND之间。在另一实施例中，所述非同步整流器S2可以用同步整流器代替。同步整流器采用开关元件，比如MOSFET、JFET等等。输出电感L耦接于开关节点SW和输出端Vout之间。输出电容Co耦接于输出端Vout和参考地GND之间。开关S1的开关行为将输入电压转换成开关节点SW处的开关电压。输出电感L和输出电容Co对开关节点SW处的开关电压进行滤波，生成比开关节点SW处开关电压的波形更平滑的输出电压。输出端Vout的输出电压提供给负载。具体地，输出电压Vout由输入电压Vin和开关S1的占空比控制，其中占空比表征开关S1导通的时间(开关S1处于导通状态的时间)占开关S1一个周期中的比例。

控制器12生成开关控制信号PWM以控制开关S1。控制器12包括输出调节电路121、导通时间控制电路122和逻辑电路123。输出调节电路121基于开关电源100输出端Vout的输出信号生成输出调节信号SET。在一实施例中，输出调节电路121包括具有第一输入端、第二输入端和输出端的比较电路1211，其中第一输入端耦接于输出端Vout以接收输出电压或者表征输出电压的反馈信号，第二输入端接收参考阈值信号Vth，输出端提供输出调节信号SET。在一实施例中，当输出电压Vout减小到低于参考阈值信号Vth时，输出调节信号SET跳变到有效状态，比如说逻辑高以打开开关S1。在另一实施例中，输出调节电路121基于不同于输出电压的其它输出信号生成输出调节信号SET，比如说电感电流检测信号或者输出功率信号。

继续图1的说明，导通时间控制电路122基于开关电源100输入端的输入电压Vin和输出端的输出电压Vout生成导通时间控制信号OT。导通时间控制电路122包括斜坡信号产生电路1221、参考信号产生电路1222和比较电路1223。斜坡信号产生电路1221基于输入电压Vin和输出电压Vout生成斜坡信号Von。在一实施例中，斜坡信号Von是输入电压Vin和输出电压Vout两者电压差值的函数，可表示为：Von＝f(Vin-Vout)。但是，应当知晓，斜坡信号Von也可以表示成函数：Von＝f((k1×Vin)–(k2×Vout))，其中k1和k2是不等于0的常数(k1≠0，k2≠0)，且k1和k2不相等但可以具有接近数值。在一实施例中，斜坡信号Von是锯齿波信号，并且斜坡信号Von的斜率由输入电压和输出电压两者的电压差(Vin-Vout)控制。参考信号产生电路1222基于输出电压Vout生成参考信号Vref。在一实施例中，参考信号Vref的值可以表示成：Vref＝a×Vout–b，其中a和b是常数且a≠0。比较电路1223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于斜坡信号产生电路1221的输出端以接收斜坡信号Von，第二输入端耦接于参考信号产生电路1222的输出端以接收参考信号Vref，输出端提供导通时间控制信号OT。

逻辑电路123具有第一输入端、第二输入端以及输出端，其中第一输入端耦接于输出调节电路121的输出端以接收输出调节信号SET，第二输入端耦接于导通时间控制电路122的输出端以接收导通时间控制信号OT，输出端提供开关控制信号PWM以控制开关S1的开关行为。在图1所示实施例中，逻辑电路123包括RS触发器，其具有置位输入端S、复位输入端R、第一输出端Q以及第二输出端/Q。其中，置位输入端S耦接于输出调节电路121的输出端，复位输入端R耦接于导通时间控制电路122的输出端，第一输出端Q提供开关控制信号PWM，第二输出端/Q提供与开关控制信号PWM互补的第二控制信号/PWM。在一实施例中，第二控制信号/PWM提供给导通时间控制电路122的斜坡信号产生电路1221以生成斜坡信号Von。在一实施例中，控制器12还包括驱动电路，其耦接于逻辑电路123输出端和开关S1之间，以合适的电压驱动开关S1。在一实施例中，当输出电压Vout减小到低于阈值电压信号Vth时，输出调节信号SET从无效状态跳变到有效状态，相应地，开关控制信号PWM从无效状态跳变到有效状态以打开开关S1。同时，斜坡信号Von开始增加，当斜坡信号Von增加到参考信号Vref时，导通时间控制信号OT从无效状态跳变到有效状态以触发开关控制信号PWM跳变到无效状态以关断开关S1。相应地，导通时间控制信号OT决定开关S1的导通时间。在本实施例中，开关S1的导通时间由斜坡信号Von和参考信号Vref决定，其中，斜坡信号Von由输入电压Vin和输出电压Vout两者的电压差(Vin-Vout)决定，参考信号Vref由输出电压Vout决定。这种结构使得开关频率特性和电感纹波电流特性之间具有折中关系，开关频率的限制使得开关损耗不高，电感纹波电流的抑制使得输出电容的补偿容易。

图2给出了根据本发明一实施例的对应图1所示开关电源100的信号的波形图。如图2所示的信号包括：输出电压Vout，斜坡信号Von，提供给开关S1控制端的开关控制信号PWM，与开关控制信号PWM互补的第二控制信号/PWM，开关节点SW处的开关电压V_SW。在时刻t1，输出电压Vout减小到预设的阈值电压信号Vth，开关控制信号PWM从无效状态(这里是逻辑低)跳变到有效状态(这里是逻辑高)以打开开关S1。同时，信号/PWM从逻辑高跳变到逻辑低。由于开关S1处于导通状态，开关节点SW处的开关电压V_SW增加到与输入电压Vin接近，斜坡信号Von从零开始以一定的斜率增加。在时刻t2，斜坡信号Von碰到参考信号Vref，开关控制信号PWM被触发，其从有效状态跳变到无效状态以关断开关S1。同时，整流器S2打开，电流流过整流器S2，开关电压V_SW减小到与参考地电压接近，输出电压Vout开始慢慢减小，斜坡电压Von快速减小到零。相应地，开关S1的导通时间Ton1决定于从时刻t1到时刻t2的时间段。开关S1的导通时间由时刻t1到时刻t2时间段内的斜坡信号Von的斜率决定，其中，斜坡信号Von的斜率决定于输入电压Vin和输出电压Vout。在一实施例中，如上所述，斜坡信号Von的斜率可表示成函数：f(Vin-Vout)。在时刻t3，输出电压降低到阈值电压信号Vth，开始下一个周期。

图3给出了根据本发明一实施例的用于生成导通时间控制信号OT的导通时间控制电路122。导通时间控制电路122包括斜坡信号产生电路1221、参考信号产生电路1222和比较电路1223。斜坡信号产生电路1221包括电流信号产生电路、电流镜213、开关K和电容C1。电流信号产生电路生成电流信号Ic，Ic是输入电压Vin和输出电压Vout两者电压差的函数。当主开关S1处于导通状态时，电流信号Ic对电容C1充电。电容C1上的电压形成斜坡信号Von，其斜率是输入电压Vin和输出电压Vout两者电压差的函数。在一实施例中，电流信号Ic与输入电压Vin和输出电压Vout两者电压差(Vin-Vout)成比例，并且斜坡信号Von的斜率也与电压差(Vin-Vout)成比例。当斜坡信号Von增加到参考信号产生电路122生成的参考信号Vref时，导通时间控制信号OT从无效状态跳变到有效状态以关断开关S1，电容C1立刻放电为参考地电压。斜坡信号产生电路1221的电流信号产生电路包括电阻分压器、第三电阻R3、第四电阻R4、放大器211和晶体管212，其中电阻分压器包括第一电阻R1和第二电阻R2。第一电阻R1具有耦接于输入端Vin以接收输入电压的第一端和耦接于放大器211的第一输入端(+)的第二端。第二电阻R2具有耦接于第一电阻第二端的第一端和耦接于参考地GND的第二端。第三电阻R3具有耦接于输出端Vout以接收输出电压的第一端，以及耦接于放大器211的第二输入端(-)的第二端。第四电阻R4具有耦接于放大器211的第二输入端(-)的第一端，以及耦接于参考地GND的第二端。在一实施例中，放大器211的第一输入端是同相输入端，放大器211的第二输入端是反相输入端。如上所述，放大器211的第一输入端耦接于第一电阻R1的第二端，第一电阻R1的第二端也是电阻分压器的输出端，放大器211的第二输入端耦接于第三电阻R3的第二端和第四电阻R4的第一端。晶体管212具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接于第四电阻R4的第一端，晶体管212的第二端提供电流信号Ic，晶体管212的控制端耦接于放大器211的输出端。放大器211的输出控制流过晶体管212的电流Ic。晶体管212可采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、结型场效应晶体管(JFET)或者是其它形式的晶体管。

根据运算放大器的固有特性，放大器211的两个输入端的电流约等于零且两个输入端的电压基本相同。相应地，放大器211的同相输入端的电压V⁺和输入电压Vin成比例，可以表示为：

$V^{+}=\frac{R2}{R1+R2}\×Vin$

流过电阻R3的电流为：

$I3=\frac{Vout-V^{+}}{R3}=\frac{Vout-\frac{R2}{R1+R2}\×Vin}{R3}$

流过电阻R4的电流为：

$I4=\frac{V^{+}}{R4}=\frac{R2}{R4\×(R1+R2)}\×Vin$

这样，通过晶体管212的电流为：

$Ic=I4-I3=\frac{R2}{R4\×(R1+R2)}\×Vin-\frac{Vout-\frac{R2}{R1+R2}\×Vin}{R3}$

在一实施例中，第一电阻R1和第三电阻R3的阻值相同(R1＝R3)，第二电阻R2和第四电阻R4的阻值相同(R2＝R4)，电流Ic为：

$Ic=\frac{Vin-Vout}{R1}$

可见，电流Ic与输入电压Vin和输出电压Vout两者的电压差成比例。

在一实施例中，放大器211的同相输入端的电压和输入电压Vin成比例，可表示为k×Vin(其中k是常数)，选取第三电阻R3的阻值为：或者(因为)，相应地，对电容C1充电的电流Ic为：这样，斜坡信号Von的斜率与电流Ic成比例，也就与输入电压Vin和输出电压Vout两者的电压差(Vin-Vout)成比例。

电流镜213包括两个晶体管，其栅极与栅极耦接于一起，源极与源极耦接在一起，流过电流镜213输入端2131的电流，即流过第一晶体管漏端的电流和流过电流镜213输出端2132的电流成比例。相应地，流过晶体管212的电流Ic，即流过电流镜213输入端2131的电流和流过电流镜213输出端2132的电流成比例。电流镜213输出端2132耦接于电容C1，流过电流镜213输出端2132的电流对电容C1充电。电容C1具有耦接于电流镜213输出端2132的第一端和耦接于参考地GND的第二端。斜坡信号产生电路1221还包括开关K，其第一端耦接于电容C1的第一端，其第二端耦接于电容C1的第二端，其控制端接收与控制开关电路中主开关的开关控制信号PWM互补的第二控制信号/PWM。电容C1的第一端是斜坡产生电路1221的输出，当开关电路的主开关处于关断状态时，控制信号/PWM处于有效状态，开关K导通，电流Ic流过开关K到参考地，斜坡信号Von为参考地电压。当开关电路的主开关处于导通状态时，控制信号/PWM处于无效状态，开关K关断，电流Ic对电容C1充电。

参考信号产生电路1222耦接于输出端以接收输出电压Vout，并输出参考信号Vref，参考信号Vref的值为：

Vref＝a×Vout-b

其中a和b为常数。

比较电路1223具有第一输入端(+)、第二输入端(-)以及输出端，其中第一输入端耦接于斜坡产生电路1221的输出端以接收斜坡信号Von，第二输入端耦接于参考信号产生电路1222的输出端以接收参考信号Vref，输出端提供导通时间控制信号OT。

当开关控制信号PWM处于有效状态时，第二控制信号/PWM处于无效状态，开关K关断，电流Ic对电容C1充电。斜坡信号Von增加，当斜坡信号Von超过参考信号Vref时，导通时间控制信号OT从无效状态跳变到有效状态，开关控制信号PWM从有效状态跳变到无效状态以关断开关电路的主开关。同时，第二控制信号/PWM从无效状态跳变到有效状态，开关K打开，斜坡信号Von减小为参考地电压。斜坡信号Von保持为零直到开关控制信号PWM跳变为有效状态，接着开关K再次关断，下一个周期开始。

如果斜坡信号Von的斜率高，则主开关的导通时间短，开关频率高。对电容C1充电的电流Ic的函数是：Ic＝f(Vin-Vout)，当输入电压Vin增加时，斜坡信号Von的斜率增加，主开关S1的导通时间变短，开关频率增加。相应地，输出电压Vout随着输入电压Vin增加而增加，斜坡信号Von的斜率会减小，参考信号Vref增加。相应地，开关频率Fs增加的速率将会下降。

开关频率由下面公式决定：

$Fs=\frac{Duty}{Ton}=\frac{Vout/Vin}{Vref/Ic\×\frac{1}{C}}=\frac{Vout\×(Vin-Vout)}{Vin\×R\×C\×Vref}$

其中R表示电阻R1、R2、R3、R4的阻值，C表示电容C1的容值。相应地，参考电压Vref可以根据开关频率Fs的目标范围，输入电压Vin和输出电压Vout的可能范围以及电阻R和电容C的值计算得到。

图4给出了根据本发明一实施例的参考信号产生电路1222。参考信号产生电路1222包括放大器411、第一电阻R5、晶体管412、电流镜413、第二电阻R6以及电压源414。放大器411具有第一输入端、第二输入端以及输出端，其中第一输入端耦接于开关电源的输出端以接收输出电压Vout。第一电阻R5具有第一端和第二端，其第一端耦接于放大器411的第二输入端，其第二端耦接于参考地GND。晶体管412具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接于电阻R5的第一端，其控制端耦接于放大器411的输出端。电流镜413具有输入端和输出端，电流镜413的输入端耦接于晶体管412的第二端。第二电阻R6具有耦接于电流镜413输出端的第一端以及耦接于电压值为V1的电压源414负端的第二端。相应地，流过晶体管412的电流值为参考信号Vref为：

$Vref=a\×Vout-b=\frac{R6}{R5}\×Vout-V1$

其中以及b＝V1。如上所述，参考信号Vref可以根据开关频率的目标范围计算出来。在一实施例中，通常选择的值在0.5到0.7之间，V1的值在0.15V到0.35V之间。在一特定实施例中，约等于0.6，V1约等于0.3V。

图5给出了根据本发明一实施例的基于输入电压变化时开关频率和电感纹波电流的函数图。从图中可以看出，开关频率Fs和峰峰值电感纹波电流Ipp随着输入电压的增加而逐渐增加。下面将给出和另两种可能的控制方法相比，本发明实施例的特性和优点。

图6给出了根据现有控制方法中的导通时间控制信号产生电路600。导通时间控制信号产生电路600包括电流源61、电容62以及比较器63。电流源61的电流和输入电压Vin成比例：I＝k×Vin，其对电容62充电。比较器63的第一输入端耦接于电流源61和电容62的公共端，比较器63的第二输入端耦接于开关电路的输出端以接收输出电压Vout或者是表征输出电压Vout的反馈信号。通过比较电容62上的电压和输出电压Vout生成导通时间控制信号OT。图7给出了对应图6所示电路600的现有控制方法的，基于输入电压Vin变化时开关频率和电感纹波电流的函数图。采用这种控制方法，周期其中C是电容62的容值。这样开关频率Fs是常数。但是，如图1所示的流过电感L的电感纹波电流Ipp随输入电压Vin的增加而快速增加，变化很大。这是因为采用这种控制方法，周期是固定的，只能通过改变占空比调节输出电压，这就导致占空比变化很大。占空比变化大导致电感纹波电流Ipp变化大。在实际应用中，纹波电流大对开关电源中功率元件的最大电流能力要求就会高，就需要电感纹波电流Ipp的设计在瞬态响应和功率损耗之间做折中考虑。电感纹波电流的设计不要太小也不要太大。此外，电感纹波电流变化大意味着陶瓷输出电容的补偿更困难，在电感L固定的情况下输出电容Co的选择更具挑战性。但是，在模块产品中，电感L通常是固定的，因此电感纹波电流会随输入电压和输出电压变化而变化。因此对于图6所示的方法，系统不稳定，需要限制电感电流纹波的变化。

图8给出了根据本发明一实施例的导通时间控制信号产生电路800。这种方法可以解决图6电路600所示的第一种控制方法的缺点。电路800中电流源81的电流与输入电压Vin和输出电压Vout两者的电压差(Vin-Vout)成比例，比较器83的第二输入端接收固定参考信号Vrefc。图9给出了采用与图8所示电路800相关的第二种控制方法时，开关频率Fs和电感纹波电流Ipp对输入电压Vin的函数图。采用这种控制方法，电感纹波电流Ipp是固定的，这样更容易进行补偿，有利于输出电容的设计。但是，开关频率Fs随输入电压Vin增加而快速增加，会导致在正常输入电压范围内，当输入电压Vin很高时，开关频率很高，这导致开关损耗高；或者当输入电压Vin很低时，开关频率很低，这导致磁干扰。这种方法另一个缺点是由于占空比是固定的，输出电压是不可调的。

和图6所示电路600以及图8所示电路800中的这两种控制方法相比，根据本发明图3-5所示某些实施例中的导通时间控制方法可以通过控制开关频率和电感纹波电流均随输入电压和输出电压的变化而变化，从而使开关频率和电感纹波电流在正常输入电压范围内既不会太高也不会太低，最终实现在开关频率和电感纹波电流之间做出折中。同时，输出电压是可调的。根据本发明实施例的可调参考信号增加了最小开关频率，减小了最大开关频率，使开关频率保持在根据导通时间计算所定义的范围内，开关频率决定于公式：其中R是电阻R1的阻值，C是电容C1的容值，参考信号可表示为：Vref＝a×Vout-b(a和b为固定值)。在一实施例中，参考信号约等于：

Vref＝1.2+0.6×(Vout-2.4)

其中a＝0.6，b＝0.24V。在一实施例中，在正常工作时，开关频率保持在2Mhz之上以降低干扰且保持在4Mhz之下以降低功率功耗。根据本发明图3-5所示某些实施例的电感纹波电流Ipp的变化不大，这使得输出电容的选取变得简单。相应地，根据本发明的一些实施例的电路基于输入电压和输出电压优化了导通时间，显著改善了具有固定电感和可调输出电压的模块产品的性能。在开关频率Fs和电感纹波电流Ipp两者之间做了折中。同时，由于可以采用感值更小的电感，降低了电感的体积。

图10给出了根据本发明一实施例的控制开关电路中开关的方法1000的流程图。所述方法采用COT控制，包括：调节开关电路的开关频率，使其随开关电路的输入电压和输出电压的变化而变化；调节开关电路的电感纹波电流，使其随输入电压和输出电压变化而变化；如前图5所述，同时限制开关频率的变化和电感纹波电流的变化。相应地，开关频率变化不大，减小了对开关电源其余部分的干扰；开关频率不是太高，减小了开关损耗；电感纹波电流不是太高，改善了系统的稳定性；电感电流的限制同时抑制了功率损耗。

在具体的实施例中，方法1000包括步骤1001：生成与开关电路的输入电压Vin和输出电压Vout两者的电压差具有函数关系的斜坡信号Von，函数关系可表示为：Von＝f(Vin-Vout)。在一实施例中，斜坡信号Von和电压差(Vin-Vout)成比例。在一实施例中，生成斜坡信号包括：生成与输入电压和输出电压两者的电压差(Vin-Vout)成比例的电流信号；当开关导通时，使所述电流信号对电容充电得到斜坡信号。方法1000包括步骤1002：生成参考信号Vref，其是输出电压Vout的函数，可以表示为：Vref＝f(Vout)。在一实施例中，参考信号为：Vref＝a×Vout–b，其中a和b是正的常数。在一实施例中，生成参考信号Vref包括：设定既定的开关频率，然后根据等式：计算出参考信号Vref，其中R和C是既定值。方法1000包括步骤1003：通过比较斜坡信号Von和参考信号Vref生成导通时间控制信号OT。方法1000包括步骤1004：基于开关电路的输出信号生成输出调节信号SET。在一实施例中，输出信号是输出电压Vout。进行步骤1005：当输出电压Vout小于参考阈值信号，输出调节信号SET从无效状态“0”跳变到有效状态“1”，开关电路的开关S1打开。同时，斜坡信号从零开始增加。当斜坡信号Von增加到大于参考信号Vref时，导通时间控制信号OT跳变到有效状态(OT＝1)，开关电路的开关S1关断。

在以上的一些实施例中，“有效状态”是对应于高电压的逻辑“高”状态，“无效状态”是对应于低电压的逻辑“低”状态，但是，在其它一些实施例中，“有效状态”可以是低电压，“无效状态”是高电压。

上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明。这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其它可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其它变化和修改并不超出本发明的精神和权利要求限定的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于控制开关电源的控制器，开关电源包括开关和电感，开关电源将接收的输入电压转换为输出电压，所述控制器包括：

输出调节电路，基于开关电源的输出信号生成输出调节信号，其中，当输出信号满足预设条件时，输出调节信号跳变至有效状态；

导通时间控制电路，用于生成导通时间控制信号，其中，导通时间控制信号使得开关的开关频率和电感的电感纹波电流都随着输入电压的变化而变化；以及

逻辑电路，具有第一输入端以接收输出调节信号，第二输入端以接收导通时间控制信号，输出端以提供控制开关的开关行为的开关控制信号，其中，当输出调节信号为有效状态时，开关控制信号从第一状态跳变到第二状态；当导通时间控制信号为有效状态时，开关控制信号从第二状态跳变到第一状态。

2.如权利要求1所述的控制器，导通时间控制电路包括：

斜坡信号产生电路，生成斜坡信号，所述斜坡信号的斜率决定于开关电源的输入电压和输出电压；

参考信号产生电路，基于输出电压生成参考信号；以及

比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一输入端接收斜坡信号，第二输入端接收参考信号，比较电路将斜坡信号与参考信号进行比较且根据比较结果在输出端产生导通时间控制信号。

3.如权利要求2所述的控制器，其中斜坡信号的斜率与输入电压和输出电压两者的电压差成比例。

4.如权利要求2所述的控制器，其中斜坡信号产生电路包括：

电流信号产生电路，生成电流信号，所述电流信号与输入电压和输出电压两者的电压差成比例；

电流镜，具有输入端和输出端，其中，输入端接收电流信号；

电容，耦接于电流镜的输出端和参考地之间；以及

第二开关，耦接于电容的两端，第二开关的控制端接收与开关控制信号互补的信号，其中，电容上的电压形成斜坡信号。

5.如权利要求4所述的控制器，其中电流信号产生电路包括：

第一电阻，具有第一端和第二端，其第一端接收输入电压；

第二电阻，具有第一端和第二端，其第一端耦接于第一电阻的第二端，其第二端耦接于参考地；

第三电阻，具有第一端和第二端，其中第一端接收输出电压；

放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，放大器的第一输入端耦接于第一电阻的第二端和第二电阻的第一端，放大器的第二输入端耦接于第三电阻的第二端；

第四电阻，具有第一端和第二端，其中第一端耦接于放大器的第二输入端，其第二端耦接于参考地；以及

晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接于第四电阻的第一端，晶体管的控制端耦接于放大器的输出端，晶体管的第二端提供电流信号。

6.如权利要求2所述的控制器，参考信号为:Vref＝a×Vout–b，其中，Vref表示参考信号，a和b分别表示常数，Vout表示输出电压。

7.如权利要求6所述的控制器，其中常数a的取值范围为0.5到0.7，常数b的取值范围为0.15伏特到0.35伏特。

8.一种开关电源，包括：

开关电路，具有输入端和输出端，开关电路包括开关和电感，开关电路通过控制开关的开关行为基于输入端的输入电压调节输出端的输出电压；以及

如权利要求1至7中任一一项所述的控制器。

9.一种采用恒定导通时间控制的控制开关电源的方法，开关电源包括开关和电感，所述方法包括：

调节开关的开关频率以使开关频率随输入电压的变化而变化；

调节电感的电感纹波电流以使电感纹波电流随输入电压的变化而变化；以及

同时限制开关频率和电感纹波电流的变化。

10.如权利要求9所述的方法还包括：

根据开关电源输入电压和输出电压两者的电压差生成斜坡信号；

基于输出电压生成参考信号；

当输出电压低于参考阈值信号时，打开开关；以及

当斜坡信号高于参考信号时，关断开关。

11.如权利要求10所述的方法，参考信号为：Vref＝a×Vout-b，其中，Vref表示参考信号，a和b分别表示常数，Vout表示输出电压。

12.如权利要求10所述的方法，还包括根据开关电源的目标频率计算生成参考信号。