CN105226940A - 升压电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种升压电路，所述升压电路采用固定时长导通电路来控制升压电路中的开关。所述升压电路包括输入端口、输出端口、电感、上拉开关、下拉开关和控制电路。在每个开关周期内，所述控制电路控制下拉开关导通一段固定的时长。本发明提供的升压电路结构简单、系统带宽较高，因而具有较好的瞬态特性。同时，本发明提供的升压电路在轻载条件下具有较高的电路效率。

Description

升压电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种开关电路及其控制方法。
背景技术
传统的升压电路(BOOST)通常采用峰值电流控制模式。在峰值电流控制的升压电路中，为保证电路系统的稳定，系统带宽较低，即瞬态响应较慢。
因此，有需要提出一种电路结构简单，系统带宽较高，并且同时具有较高的电路效率的升压电路。
发明内容
考虑到现有技术的一个或多个技术问题，提出了一种升压电路及其控制方法。
根据本技术的实施例，提出了一种升压电路，包括：输入端口，接收输入电压；输出端口，提供输出电压；电感，具有第一端和第二端，所述第一端接收输入电压；上拉开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感的第二端，所述第二端耦接输出端口，所述控制端接收上拉控制信号；下拉开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感的第二端，所述第二端接地，所述控制端接收下拉控制信号；以及控制电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中所述第一输入端接收表征输出电压的反馈信号，所述第二输入端接收基准信号，基于所述反馈信号和基准信号，所述控制电路输出上拉控制信号和下拉控制信号，其中，在每个开关周期内，所述下拉控制信号控制下拉开关导通一段固定的时长。
根据本技术的实施例，还提出了一种升压电路的控制电路，所述升压电路包括上拉开关、下拉开关和电感，其特征在于，所述控制电路包括：反馈放大器，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基准信号，所述第二输入端接收表征升压电路的输出电压的反馈信号，基于所述基准信号和反馈信号，所述反馈放大器在输出端输出电压控制信号；比较器，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表征流过上拉开关的电流的电流检测信号，所述第二输入端耦接至反馈放大器的输出端接收电压控制信号，基于所述电流检测信号和电压控制信号，所述输出端输出导通控制信号；固定导通时长电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收下拉控制信号，基于所述下拉控制信号，所述输出端输出关断控制信号；以及逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接至比较器的输出端接收导通控制信号，所述第二输入端耦接至固定导通时长电路的输出端接收关断控制信号，基于所述导通控制信号和关断控制信号，所述逻辑电路在第一输出端输出下拉控制信号，在第二输出端输出上拉控制信号。
根据本技术的实施例，还提出了一种升压电路的控制方法，所述升压电路将输入电压转换为输出电压，所述升压电路包括电感、耦接在电感与输出电压之间的上拉开关和耦接在电感和地之间的下拉开关，其特征在于，所述控制方法包括：放大基准信号与表征输出电压的反馈信号之间的误差，得到电压控制信号；比较电压控制信号与表征流过上拉开关的电流的电流检测信号，得到导通控制信号；基于导通控制信号和关断控制信号生成下拉控制信号；基于下拉控制信号生成关断控制信号；反相下拉控制信号以生成上拉控制信号；以及通过上拉控制信号控制上拉开关，通过下拉控制信号控制下拉开关，其中，所述下拉开关在下拉控制信号的控制下，在每个开关周期内导通固定的时长。
根据本发明上述各方面提供的升压电路及其控制方法，电路结构简单，系统带宽高，并且在轻载条件下具有较高的电路效率。
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进行详细描述：
图1示出了根据本发明一实施例的升压电路10的电路结构示意图；
图2示出了图1中的升压电路10中的部分信号的波形示意图；
图3示出了根据本发明一实施例的升压电路30的电路结构示意图；
图4示出了根据本发明一实施例的升压电路40的电路结构示意图；
图5示出了根据本发明一实施例的升压电路的控制方法50的流程示意图。
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。
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。
图1示出了根据本发明一实施例的升压电路10的电路结构示意图。如图1所示，升压电路10包括：输入端口101，接收输入电压Vin；输出端口102，提供输出电压Vout；电感L1，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至输入端口101接收输入电压Vin；上拉开关HS，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感L1的第二端，所述第二端耦接输出端口102，所述控制端接收上拉控制信号HG；下拉开关LS，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感L1的第二端，所述第二端接地，所述控制端接收下拉控制信号LG；以及控制电路11，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中所述第一输入端接收表征输出电压Vout的反馈信号Vfb，所述第二输入端接收基准信号Vref，基于所述反馈信号Vfb和基准信号Vref，所述控制电路11输出上拉控制信号HG和下拉控制信号LG，其中，在每个开关周期内，所述下拉控制信号LG控制下拉开关LS导通一段固定的时长Ton。
在图1所示实施例中，升压电路10还包括耦接在输出端102和地之间的电容Cout。并且，升压电路10的负载以电阻RL表示。
在一个实施例中，所述上拉开关HS和下拉开关LS包括任意可控半导体开关，如金属氧化物半导体场效应管、双极型晶体管等。
在一个实施例中，控制电路11包括：反馈放大器103，具有第一输入端(正相输入端)、第二输入端(负相输入端)和输出端，所述第一输入端接收基准信号Vref，所述第二输入端接收反馈信号Vfb，基于所述基准信号Vref和反馈信号Vfb，所述反馈放大器103在输出端输出电压控制信号Vcom；比较器104，具有第一输入端(负相输入端)、第二输入端(正相输入端)和输出端，所述第一输入端接收表征流过上拉开关HS的电流的电流检测信号Ics，所述第二输入端耦接至反馈放大器103的输出端接收电压控制信号Vcom，基于所述电流检测信号Ics和电压控制信号Vcom，所述输出端输出导通控制信号Ictr；固定导通时长电路105，具有输入端和输出端，所述输入端接收下拉控制信号LG，基于所述下拉控制信号LG，所述输出端输出关断控制信号COT；以及逻辑电路12，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接至比较器104的输出端接收导通控制信号Ictr，所述第二输入端耦接至固定导通时长电路105的输出端接收关断控制信号COT，基于所述导通控制信号Ictr和关断控制信号COT，所述逻辑电路12在第一输出端输出下拉控制信号LG，在第二输出端输出上拉控制信号HG。
在一个实施例中，逻辑电路12包括：RS触发器106，具有置位端“S”、复位端“R”和输出端“Q”，所述置位端“S”耦接至比较器104的输出端接收导通控制信号Ictr，所述复位端“R”耦接至导通时长控制电路105的输出端接收关断控制信号COT，基于导通控制信号Ictr和关断控制信号COT，所述RS触发器106在输出端“Q”输出下拉控制信号LG；以及反相器107，具有输入端和输出端，所述输入端耦接至RS触发器106的输出端“Q”接收下拉控制信号LG，基于下拉控制信号LG，所述反相器107在输出端输出与下拉控制信号LG相位相反的上拉控制信号HG。在一个实施例中，所述逻辑电路还包括死区控制电路。在上拉开关HS关断，下拉开关LS导通，或者下拉开关LS关断，上拉开关HS导通的瞬间，死区控制电路控制上拉开关HS和下拉开关LS同时关断一段预设的死区时间。
图2示出了图1中的升压电路10中的部分信号的波形示意图。下面结合图1和图2来说明升压电路10的工作过程。当升压电路10工作在稳态时，在每个开关周期中，当上拉开关HS导通并且下拉开关LS关断时，流过上拉开关HS的电流下降，即电流检测信号Ics下降。当电流检测信号Ics下降至电压控制信号Vcom的值时，比较器104翻转，输出导通控制信号Ictr置位RS触发器106，此时，RS触发器106输出下拉控制信号LG导通下拉开关LS，同时，反相器107输出上拉控制信号HG关断上拉开关HS，此时，电感L1中的电流增大，即流过下拉开关LS的电流增大。经过固定的导通时长Ton后，导通时长控制电路105输出关断控制信号COT以复位RS触发器106，此时，RS触发器106输出上拉控制信号HG关断下拉开关LS，同时，反相器107输出上拉控制信号HG导通上拉开关HS，此时，电感L1中的电流减小，即流过上拉开关HS的电流减小。当电流检测信号Ics下降至电压控制信号Vcom时，比较器104翻转，再次置位RS触发器106，升压电路10的下一个开关周期开始。
在一个实施例中，导通时长控制电路105接收下拉控制信号LG，从下拉控制信号LG导通下拉开关LS的时刻开始，经过一段固定的导通时长Ton，导通时长控制电路105输出关断控制信号COT，以复位RS触发器106，输出下拉控制信号LG关断下拉开关LS。导通时长控制电路105可以以数字电路形式或模式电路形式实现。
图3示出了根据本发明一实施例的升压电路30的电路结构示意图。与图1所示的升压电路10相比，升压电路30的控制电路31还包括：电流检测放大器301，具有第一输入端(正相输入端)、第二输入端(反相输入端)和输出端，所述第一输入端耦接至电感L1与上拉开关HS的连接点，所述第二输入端耦接至上拉开关HS与输出端口102的连接点，基于上拉开关HS两端的电压，所述电流检测放大器301在输出端输出电流检测信号Ics。
本领域普通技术人员应该知道，当上拉开关HS导通时，流过上拉开关HS的电流在上拉开关HS的导通电阻上形成压降，即上拉开关HS两端的电压差值为上拉开关HS的导通电阻和流过上拉开关HS的电流的乘积。电流检测放大器301放大上拉开关HS两侧的电压差值，在输出端生成表征流过上拉开关HS的电流的电流检测信号Ics。
图4示出了根据本发明一实施例的升压电路40的电路结构示意图。与图1所示的升压电路10相比，升压电路40还包括：断路开关SS，耦接在输入端口101和电感L1之间的。并且升压电路40的控制电路401还包括电流检测放大器401，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至断路开关SS与输入端口101的连接点，所述第二输入端耦接至断路开关SS与电感L1的连接点，基于断路开关SS两端的电压，所述电流检测放大器在输出端输出电流检测信号Ics。
在升压电路40的正常工作阶段，断路开关SS闭合。断路开关SS上流过的电流等同于流过电感L1的电流。断路开关SS两端的电压差值为断路开关SS的导通电阻和流过断路开关SS的电流的乘积。电流检测放大器401放大断路开关SS两侧的电压差值，在输出端生成表征流过电感L1的电流的电流检测信号Ics。毫无疑义地，在上拉开关HS导通期间，流过电感L1的电流等同于流过上拉开关HS的电流。因此，在图4所示的升压电路40中，电流检测信号Ics同样表征了流过上拉开关HS的电流。
当升压电路40的输出短路时，短路触发信号SHT断开断路开关SS，使升压电路40从输入电压Vin处断开，以保护升压电路40不被短路电路烧毁。短路触发信号SHT为本领域公知常识，此处不再展开叙述。
图5示出了根据本发明一实施例的升压电路的控制方法50的流程示意图。所述升压电路包括电感、耦接在电感与输出电压之间的上拉开关和耦接在电感和地之间的下拉开关，其特征在于，所述控制方法50包括：步骤501，放大基准信号与表征输出电压的反馈信号之间的误差，得到电压控制信号；步骤502，比较电压控制信号与表征流过上拉开关的电流的电流检测信号，得到导通控制信号；步骤503，基于导通控制信号和关断控制信号生成下拉控制信号；步骤504，基于下拉控制信号生成关断控制信号；步骤505，反相下拉控制信号以生成上拉控制信号；以及步骤506，通过上拉控制信号控制上拉开关，通过下拉控制信号控制下拉开关，其中，所述下拉开关在下拉控制信号的控制下，在每个开关周期内导通固定的时长。
在一个实施例中，所述控制方法50还包括通过采样上拉开关两端的电压生成电流检测信号。
在一个实施例中，所述升压电路还包括耦接在输入电压和电感之间的断路开关。所述控制方法50还包括采样断路开关两端的电压生成电流检测信号。
本发明提供的升压电路结构简单，同时由于其不具有电流环路，因此系统带宽较高，具有较好的瞬态特性。同时，本发明提供的升压电路在轻载条件下具有较高的电路效率。
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 (13)

1.一种升压电路，其特征在于，包括：
输入端口，接收输入电压；
输出端口，提供输出电压；
电感，具有第一端和第二端，所述第一端接收输入电压；
上拉开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感的第二端，所述第二端耦接输出端口，所述控制端接收上拉控制信号；
下拉开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至电感的第二端，所述第二端接地，所述控制端接收下拉控制信号；以及
控制电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中所述第一输入端接收表征输出电压的反馈信号，所述第二输入端接收基准信号，基于所述反馈信号和基准信号，所述控制电路输出上拉控制信号和下拉控制信号，其中，在每个开关周期内，所述下拉控制信号控制下拉开关导通一段固定的时长。
2.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述控制电路包括：
反馈放大器，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基准信号，所述第二输入端接收反馈信号，基于所述基准信号和反馈信号，所述反馈放大器在输出端输出电压控制信号；
电流检测放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电感与上拉开关的连接点，所述第二输入端耦接至上拉开关与输出端口的连接点，基于上拉开关两端的电压，所述电流检测放大器在输出端输出电流检测信号；
比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测放大器的输出端接收电流检测信号，所述第二输入端耦接至反馈放大器的输出端接收电压控制信号，基于所述电流检测信号和电压控制信号，所述输出端输出导通控制信号；
固定导通时长电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收下拉控制信号，基于所述下拉控制信号，所述输出端输出关断控制信号；以及
逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接至比较器的输出端接收导通控制信号，所述第二输入端耦接至固定导通时长电路的输出端接收关断控制信号，基于所述导通控制信号和关断控制信号，所述逻辑电路在第一输出端输出下拉控制信号，在第二输出端输出上拉控制信号。
3.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，还包括耦接在输入端口和电感之间的断路开关。
4.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述控制电路包括：
反馈放大器，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基准信号，所述第二输入端接收反馈信号，基于所述基准信号和反馈信号，所述反馈放大器在输出端输出电压控制信号；
电流检测放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至断路开关与输入端口的连接点，所述第二输入端耦接至断路开关与电感的连接点，基于断路开关两端的电压，所述电流检测放大器在输出端输出电流检测信号；
比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测放大器的输出端接收电流检测信号，所述第二输入端耦接至反馈放大器的输出端接收电压控制信号，基于所述电流检测信号和电压控制信号，所述输出端输出导通控制信号；
固定导通时长电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收下拉控制信号，基于所述下拉控制信号，所述输出端输出关断控制信号；以及
逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接至比较器的输出端接收导通控制信号，所述第二输入端耦接至固定导通时长电路的输出端接收关断控制信号，基于所述导通控制信号和关断控制信号，所述逻辑电路在第一输出端输出下拉控制信号，在第二输出端输出上拉控制信号。
5.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述控制电路还包括第三输入端，所述第三输入端接收表征流过上拉开关的电流的电流检测信号，基于所述电流检测信号，反馈信号和基准信号，所述控制电路输出上拉控制信号和下拉控制信号分别控制上拉开关和下拉开关。
6.如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述控制电路包括：
反馈放大器，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基准信号，所述第二输入端接收反馈信号，基于所述基准信号和反馈信号，所述反馈放大器在输出端输出电压控制信号；
比较器，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表征流过上拉开关的电流的电流检测信号，所述第二输入端耦接至反馈放大器的输出端接收电压控制信号，基于所述电流检测信号和电压控制信号，所述输出端输出导通控制信号；
固定导通时长电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收下拉控制信号，基于所述下拉控制信号，所述输出端输出关断控制信号；以及
逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接至比较器的输出端接收导通控制信号，所述第二输入端耦接至固定导通时长电路的输出端接收关断控制信号，基于所述导通控制信号和关断控制信号，所述逻辑电路在第一输出端输出下拉控制信号，在第二输出端输出上拉控制信号。
7.一种升压电路的控制电路，所述升压电路包括上拉开关、下拉开关和电感，其特征在于，所述控制电路包括：
反馈放大器，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基准信号，所述第二输入端接收表征升压电路的输出电压的反馈信号，基于所述基准信号和反馈信号，所述反馈放大器在输出端输出电压控制信号；
比较器，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表征流过上拉开关的电流的电流检测信号，所述第二输入端耦接至反馈放大器的输出端接收电压控制信号，基于所述电流检测信号和电压控制信号，所述输出端输出导通控制信号；
固定导通时长电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收下拉控制信号，基于所述下拉控制信号，所述输出端输出关断控制信号；以及
逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接至比较器的输出端接收导通控制信号，所述第二输入端耦接至固定导通时长电路的输出端接收关断控制信号，基于所述导通控制信号和关断控制信号，所述逻辑电路在第一输出端输出下拉控制信号，在第二输出端输出上拉控制信号。
8.如权利要求7所述的控制电路，其特征在于，还包括：
电流检测放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端和第二输入端分别耦接至上拉开关的两端，基于上拉开关两端的电压，所述电流检测放大器在输出端输出电流检测信号。
9.一种升压电路的控制电路，所述升压电路包括电感、耦接在输入电压和电感之间的断路开关、耦接在电感与输出电压之间的上拉开关和耦接在电感和地之间的下拉开关，其特征在于，所述控制电路包括：
反馈放大器，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基准信号，所述第二输入端接收表征升压电路的输出电压的反馈信号，基于所述基准信号和反馈信号，所述反馈放大器在输出端输出电压控制信号；
比较器，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表征流过上拉开关的电流的电流检测信号，所述第二输入端耦接至反馈放大器的输出端接收电压控制信号，基于所述电流检测信号和电压控制信号，所述输出端输出导通控制信号；
固定导通时长电路，具有输入端和输出端，所述输入端接收下拉控制信号，基于所述下拉控制信号，所述输出端输出关断控制信号；以及
逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端耦接至比较器的输出端接收导通控制信号，所述第二输入端耦接至固定导通时长电路的输出端接收关断控制信号，基于所述导通控制信号和关断控制信号，所述逻辑电路在第一输出端输出下拉控制信号，在第二输出端输出上拉控制信号。
10.如权利要求9所述的控制电路，其特征在于，还包括：
电流检测放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至断路开关与输入电压的连接点，所述第二输入端耦接至断路开关与电感的连接点，基于断路开关两端的电压，所述电流检测放大器在输出端输出电流检测信号。
11.一种升压电路的控制方法，所述升压电路将输入电压转换为输出电压，所述升压电路包括电感、耦接在电感与输出电压之间的上拉开关和耦接在电感和地之间的下拉开关，其特征在于，所述控制方法包括：
放大基准信号与表征输出电压的反馈信号之间的误差，得到电压控制信号；
比较电压控制信号与表征流过上拉开关的电流的电流检测信号，得到导通控制信号；
基于导通控制信号和关断控制信号生成下拉控制信号；
基于下拉控制信号生成关断控制信号；
反相下拉控制信号以生成上拉控制信号；以及
通过上拉控制信号控制上拉开关，通过下拉控制信号控制下拉开关，其中，所述下拉开关在下拉控制信号的控制下，在每个开关周期内导通固定的时长。
12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，还包括通过采样上拉开关两端的电压生成电流检测信号。
13.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，还包括采样耦接在输入电压和电感之间的断路开关两端的电压生成电流检测信号。
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