CN105141114A - 恒定导通时长控制的开关变换器及其控制电路 - Google Patents

Abstract

公开了恒定导通时长控制的开关变换器及其控制电路，其中该开关变换器包括具有主开关管的开关电路。该控制电路包括导通时长控制单元、比较单元、逻辑单元以及参考电压调节单元。导通时长控制单元产生控制主开关管导通时长的导通时长控制信号。比较单元将参考电压同代表开关电路输出电压的反馈信号相比较，产生比较信号。逻辑单元根据导通时长控制信号和比较信号产生控制信号以控制主开关管。参考电压调节单元基于基准参考电压与控制信号产生参考电压，其中参考电压在主开关管由关断变为导通时被拉低，然后以一斜率线性上升，直至主开关管再次由关断变为导通或参考电压达到一最大值。

Description

恒定导通时长控制的开关变换器及其控制电路

技术领域

本发明涉及电子电路，尤其涉及恒定导通时长控制的开关变换器及其控制电路。

背景技术

恒定导通时长控制由于其优越的负载瞬态响应、简单的内部结构和平滑的工作模式切换，在电源领域得到了很好的应用。然而，对于采用恒定导通时长控制的开关变换器而言，即使采用瓷片电容作为输出电容器，其输出电压仍可能因为输出电容器的等效串联电阻不足而产生次谐波振荡。

为了防止次谐波振荡的发生，常用的做法是引入一与电感电流同相的补偿信号。图1为传统的采用恒定导通时长控制的开关变换器的电路原理图。其中由电阻器Rramp和电容器Cramp组成的斜坡补偿单元与电感器L并联，其产生的补偿信号被叠加至反馈信号FB以消除次谐波振荡。

然而，在上述的斜坡补偿方式中，补偿信号会对反馈信号FB的平均值造成影响，导致开关变换器的负载调整率和输入调整率不佳。同时，耦接在开关节点SW与反馈信号FB之间的电阻器Rramp也大大不利于开关变换器的瞬态响应。而且，在电流断续模式下，开关节点SW处的振荡和干扰在开关管M1和M2均关断时会通过斜坡补偿单元影响反馈信号FB，从而导致双脉冲(doublepulse)现象。此外，图1所示斜坡补偿单元的参数由输入电压Vin、输出电压Vout和开关频率共同决定，需要根据不同的应用情况具体设计，这无疑增大了系统设计难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供恒定导通时长控制的开关变换器及其控制电路，它不仅可以有效消除次谐波振荡，而且能克服前面所述的现有技术中存在的缺点。

根据本发明实施例的一种用于恒定导通时长控制开关变换器的控制电路，其中该开关变换器包括具有主开关管的开关电路。该控制电路包括导通时长控制单元、比较单元、逻辑单元以及参考电压调节单元。导通时长控制单元产生控制主开关管导通时长的导通时长控制信号。比较单元具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收代表开关电路输出电压的反馈信号，第二输入端接收参考电压，所述比较单元将参考电压同反馈信号相比较，在输出端产生比较信号。逻辑单元耦接至导通时长控制单元和比较单元，根据导通时长控制信号和比较信号产生控制信号以控制主开关管。参考电压调节单元耦接至逻辑单元，基于基准参考电压与控制信号产生参考电压，其中参考电压在主开关管由关断变为导通时被拉低，然后以一斜率线性上升，直至主开关管再次由关断变为导通或参考电压达到一最大值。

根据本发明实施例的一种开关变换器，包括：具有主开关管的开关电路，将输入电压转换为输出电压；反馈单元，耦接至开关电路的输出端，提供代表开关电路输出电压的反馈信号；以及如前所述的控制电路。

附图说明

图1为现有的采用恒定导通时长控制的开关变换器的框图；

图2为根据本发明实施例的开关变换器200的框图；

图3A和3B分别为图1和图2所示开关变换器的稳态工作波形图；

图4A和4B分别为图1和图2所示开关变换器的瞬态工作波形图；

图5～8均为根据本发明实施例的参考电压调节单元的电路原理图。

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。

图2为根据本发明实施例的开关变换器200的框图，包括控制电路、开关电路和反馈单元205。其中开关电路采用同步降压变换拓扑，包括开关管M1、M2、电感器L和输出电容器Cout。该开关电路通过开关管M1和M2的导通与关断，将输入电压Vin转换为输出电压Vout。开关管M1具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压Vin。开关管M2具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至开关管M1的第二端并形成开关节点SW，第二端耦接至参考地。电感器L具有第一端和第二端，其中第一端耦接至开关管M1的第二端和开关管M2的第一端。输出电容器Cout耦接在电感器L的第二端和参考地之间，输出电容器Cout两端的电压即为输出电压Vout。虽然在本实施例中开关电路采用同步降压变换拓扑，但本领域普通技术人员可以理解，其中的开关管M2可由二极管代替以形成非同步降压电路。此外，开关电路也可采用其他合适的拓扑结构，例如同步或非同步的升降压电路，以及正激、反激变换器等等。开关电路中的开关管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。

反馈单元205具有输入端和输出端，其中输入端耦接至开关电路的输出端以接收输出电压Vout，输出端提供代表输出电压Vout的反馈信号FB。一般地，反馈单元205由电阻分压器组成。但在某些实施例中，反馈单元205也可能仅包括简单的一段导线，在这种情况下，反馈信号FB与输出电压Vout相等。

控制电路包括导通时长控制单元201、比较单元202、逻辑单元203以及参考电压调节单元204。导通时长控制单元201产生导通时长控制信号COT，以控制开关管M1的导通时长。开关管M1的导通时长通常被设置为恒定值，或与输入电压Vin和/或输出电压Vout有关的可变值。比较单元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单元205以接收反馈信号FB，第二输入端接收参考电压REF。比较单元202将参考电压REF同反馈信号FB相比较，在输出端产生比较信号SET。

逻辑单元203耦接至导通时长控制单元201和比较单元202，根据导通时长控制信号COT和比较信号SET产生控制信号HS和LS以分别控制开关管M1与M2。一般来说，逻辑单元203在反馈信号FB降低至参考电压REF时将M1导通、M2关断，在开关管M1的导通时长达到预设时长时将M1关断、M2导通。当然，为了防止开关管M1与M2直通，两者的开关变换之间通常会设置有死区时间。而且，为了避免噪声干扰等对比较单元202造成影响，开关管M1的最小关断时长被引入，在该最小关断时长内，比较单元202输出的比较信号SET被屏蔽。

参考电压调节单元204耦接至逻辑单元203，基于基准参考电压Vref与控制信号HS产生参考电压REF。其中参考电压REF在开关管M1由关断变为导通时被拉低，然后以一斜率线性上升，直至开关管M1再次由关断变为导通或参考电压REF达到一最大值。该最大值可以与基准参考电压Vref相等或基本相等(例如与基准参考电压Vref相差20～40mV)。

图3A和3B分别为图1和图2所示开关变换器的稳态工作波形图，而图4A和4B分别为图1和图2所示开关变换器的瞬态工作波形图，其中IL代表流过电感器L的电流，Vsw代表开关节点SW处的电压，Iout代表开关变换器的输出电流。由图3B可知，图2所示的实施例中斜坡补偿实际上被叠加至基准参考电压Vref，而非反馈信号FB，这样就能有效地避免斜坡补偿对反馈信号FB造成的影响，改善开关变换器的负载调整率和输入调整率。同时，也消除了电流断续模式下来自开关节点SW处的振荡和干扰。由于反馈信号FB在任何时候都仅反映输出电压Vout的信息，可以极大地改善开关变换器的瞬态响应。对比图4A与4B所示，与图1所示的现有技术相比，图2所示的方案在负载突然增大时电感电流IL平均值的上升速率要快得多，开关管M1的关断时间也相对较小。

图5为根据本发明实施例的参考电压调节单元204A的电路原理图。该参考电压调节单元包括电阻器R1、R2、二极管D1、电流源IS1、电容器C1、晶体管S1、单稳态触发器241以及电压电流转换器242。电流源IS1具有第一端和第二端，其中第一端耦接至供电电压Vcc。电容器C1具有第一端和第二端，其中第一端耦接至电流源IS1的第二端，第二端耦接至参考地。单稳态触发器241具有输入端和输出端，其中输入端接收控制信号HS。晶体管S1具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电容器C1的第一端，第二端耦接至参考地，控制端耦接至单稳态触发器241的输出端。二极管D1具有阳极和阴极，其中阳极耦接至电容器C1的第一端，阴极耦接至基准参考电压Vref。电压电流转换器242具有输入端和输出端，其中输入端耦接至电容器C1的第一端，电压电流转换器242基于电容器C1两端的电压Vc1，在输出端产生电流I1。电阻器R1具有第一端和第二端，其中第一端耦接至基准参考电压Vref。电阻器R2具有第一端和第二端，其中第一端耦接至电阻器R1的第二端和电压电流转换器242的输出端，并同时提供参考电压REF，第二端耦接至参考地。

根据图5所示的电路结构，参考电压REF可以表示为：

$REF=\frac{R2}{R1+R2}*Vref+\frac{R1*R2}{R1+R2}*I1=\frac{R2}{R1+R2}*Vref+\frac{R1*R2}{R1+R2}*K1*Vc1---\left(1\right)$

其中K1为电压电流转换器242的转换系数。

当开关管M1由关断变为导通时，单稳态触发器241输出一短脉冲将晶体管S1导通，使电容器C1两端的电压Vc1放电至零。其后，晶体管S1关断，电流源IS1对电容器C1进行充电，电压Vc1逐渐增大，直至开关管M1再次由关断变为导通或电压Vc1增大至与基准参考电压Vref相等。结合以上分析与公式(1)可以得出，参考电压REF在开关管M1由关断变为导通时被拉低至然后以固定斜率线性上升，直至开关管M1再次由关断变为导通或参考电压REF达到

在某些应用场合，输出电容器Cout的等效串联阻抗可能会在输出电压Vout和期望值之间引入一定的直流误差。为了解决这个问题，可以引入误差校正单元。图6为根据本发明实施例的参考电压调节单元204B的电路原理图。与图5所示电路相比，图6所示参考电压调节单元204B进一步包括缓冲电路243、误差校正单元244和电阻器R3。误差校正单元244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反馈信号FB，第二输入端接收基准参考电压Vref。误差校正单元244基于反馈信号FB与基准参考电压Vref，在输出端产生电流I2。缓冲电路243具有输入端和输出端，其中输入端耦接至电阻器R2的第一端和电压电流转换器242的输出端。电阻器R3具有第一端与第二端，其中第一端耦接至缓冲电路243的输出端，第二端耦接至误差校正单元244的输出端并提供参考电压REF。

图6中参考电压REF可以表示为：

$REF=\frac{R2}{R1+R2}*Vref+\frac{R1*R2}{R1+R2}*K1*Vc1+I2*R3---\left(2\right)$

由该公式可以看出，参考电压REF在开关管M1由关断变为导通时被拉低至然后以固定斜率线性上升，直至开关管M1再次由关断变为导通或参考电压REF达到

在一个实施例中，误差校正单元244包括误差放大器2441、低通滤波器2442以及电压电流转换器2443。误差放大器2441具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收基准参考电压Vref，反相输入端接收反馈信号FB。低通滤波器2442具有输入端和输出端，其中输入端耦接至误差放大器2441的输出端。电压电流转换器2443具有输入端和输出端，其中输入端耦接至低通滤波器2442的输出端，输出端提供电流I2。误差校正单元244根据反馈信号FB和基准参考电压Vref调节电流I2和参考电压REF，而参考电压REF的改变将影响开关变换器的工作频率，并最终消除潜在的直流误差。

图7为根据本发明另一实施例的参考电压调节单元204C的电路原理图。该参考电压调节单元204C与图6所示204B相比，区别主要在于电压电流转换器242输出端所连接的元件不同。图7所示的实施例中，电压电流转换器242的输出端连接至电阻R3的第二端，而非缓冲电路243的输入端。

对于图7所示的参考电压调节单元204C而言，其中的参考电压REF可以表示为：

$REF=\frac{R2}{R1+R2}*Vref+(K1*Vc1+I2)*R3---\left(3\right)$

由该公式可以看出，参考电压REF在开关管M1由关断变为导通时被拉低至然后以固定斜率线性上升，直至开关管M1再次由关断变为导通或参考电压REF达到

图8为根据本发明又一实施例的参考电压调节单元204D的电路原理图。与图7所示参考电压调节单元204C相比，参考电压调节单元204D中的误差校正单元244的输出端连接至电阻器R2的第一端和缓冲电路243的输入端，而非电阻器R3的第二端。

图8中的参考电压REF可以表示为：

$REF=\frac{R2}{R1+R2}*Vref+\frac{R1*R2}{R1+R2}*I2+K1*Vc1*R3---\left(4\right)$

由该公式可以看出，参考电压REF在开关管M1由关断变为导通时被拉低至然后以固定斜率线性上升，直至开关管M1再次由关断变为导通或参考电压REF达到

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。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。

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 (10)

1.一种用于恒定导通时长控制开关变换器的控制电路，该开关变换器包括具有主开关管的开关电路，该控制电路包括：

导通时长控制单元，产生控制主开关管导通时长的导通时长控制信号；

比较单元，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代表开关电路输出电压的反馈信号，第二输入端接收参考电压，所述比较单元将参考电压同反馈信号相比较，在输出端产生比较信号；

逻辑单元，耦接至导通时长控制单元和比较单元，根据导通时长控制信号和比较信号产生控制信号以控制主开关管；以及

参考电压调节单元，耦接至逻辑单元，基于基准参考电压与控制信号产生参考电压，其中参考电压在主开关管由关断变为导通时被拉低，然后以一斜率线性上升，直至主开关管再次由关断变为导通或参考电压达到一最大值。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中所述斜率恒定不变。

3.如权利要求1所述的控制电路，其中所述最大值与基准参考电压相等。

4.如权利要求1所述的控制电路，其中参考电压调节单元包括：

电流源，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至供电电压；

电容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至电流源的第二端，第二端耦接至参考地；

单稳态触发器，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至逻辑单元以接收控制信号；

晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电容器的第一端，第二端耦接至参考地，控制端耦接至单稳态触发器的输出端；

二极管，具有阳极和阴极，其中阳极耦接至电容器的第一端，阴极耦接至基准参考电压；

第一电压电流转换器，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至电容器的第一端，第一电压电流转换器基于电容器两端的电压，在输出端产生第一电流；

第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至基准参考电压；以及

第二电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一电阻器的第二端和第一电压电流转换器的输出端，第二端耦接至参考地。

5.如权利要求4所述的控制电路，其中参考电压调节单元进一步包括：

误差校正单元，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反馈信号，第二输入端接收基准参考电压，该误差校正单元基于反馈信号与基准参考电压，在输出端产生第二电流；

缓冲电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第二电阻器的第一端和第一电压电流转换器的输出端；以及

第三电阻器，具有第一端与第二端，其中第一端耦接至缓冲电路的输出端，第二端耦接至误差校正单元的输出端并提供参考电压。

6.如权利要求4所述的控制电路，其中参考电压调节单元进一步包括：

误差校正单元，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反馈信号，第二输入端接收基准参考电压，该误差校正单元基于反馈信号与基准参考电压，在输出端产生第二电流；

缓冲电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第二电阻器的第一端；以及

第三电阻器，具有第一端与第二端，其中第一端耦接至缓冲电路的输出端，第二端耦接至误差校正单元和第一电压电流转换器的输出端并提供参考电压。

7.如权利要求4所述的控制电路，其中参考电压调节单元进一步包括：

误差校正单元，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反馈信号，第二输入端接收基准参考电压，输出端耦接至第二电阻器的第一端，该误差校正单元基于反馈信号与基准参考电压，在输出端产生第二电流；

缓冲电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至第二电阻器的第一端；以及

第三电阻器，具有第一端与第二端，其中第一端耦接至缓冲电路的输出端，第二端耦接至第一电压电流转换器的输出端并提供参考电压。

8.如权利要求5所述的控制电路，其中误差校正单元包括：

误差放大器，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反馈信号，第二输入端接收基准参考电压；

低通滤波器，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至误差放大器的输出端；以及

第二电压电流转换器，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至低通滤波器的输出端，输出端提供第二电流。

9.如权利要求1所述的控制电路，其中逻辑单元在反馈信号降低至参考电压时将主开关管导通，在主开关管的导通时长达到预设时长时将主开关管关断。

10.一种恒定导通时长控制的开关变换器，包括：

具有主开关管的开关电路，将输入电压转换为输出电压；

反馈单元，耦接至开关电路的输出端，提供代表开关电路输出电压的反馈信号；以及

如权利要求1至9中任一项所述的控制电路。