CN105305785B - 直流变换器及其控制电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种直流变换器及其控制电路和方法。所述直流变换器包括功率开关电路、采样保持电路、误差放大电路、电压电流转化器、电阻、比较电路、以及逻辑控制电路。所述直流变换器及其控制电路和方法精确地实现过零检测对从功率管的断开控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种直流变换器及其控制电路和方法。
背景技术
在电源转换领域中，功率开关电路的运行通常有两种模式，电流连续运行模式(continued current mode，CCM)和电流断续运行模式(discontinued current mode，DCM)。在CCM下，无需过零检测(zero current detection,ZCD)，从功率管的断开通过主功率管的导通来实现。在DCM下，从功率管的断开可以通过对电感电流的过零检测实现。
然而，过零检测用的比较器通常存在速度误差，使得过零检测的精确度受到影响。因此，有需要提出一种精确性更高的过零检测。
发明内容
因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种可以精确提供过零检测的直流变换器及其控制电路和方法。
根据本发明的实施例，提出了一种用于直流变换器的控制电路，所述直流变换器包括主功率管、从功率管、储能元件，其中主功率管和从功率管分别被第一控制信号和第二控制信号周期性地导通和断开，当主功率管导通、从功率管断开时，流过储能元件的电流增大，储能元件开始储存能量；当主功率管断开、从功率管导通时，流过储能元件的电流减小，储能元件存储的能量被输送至输出，所述从功率管具有体二极管，所述控制电路包括：采样保持电路，接收表征从功率管两端压降的检测电压，所述采样保持电路响应从功率管的断开，对检测电压进行短时间地采样，并对采样的结果进行保持，得到采样保持信号；误差放大电路，耦接至采样保持电路接收采样保持信号，产生误差放大信号；电压电流转化器，耦接至误差放大电路接收误差放大信号，产生转化电流；电阻，耦接至电压电流转化器，所述电阻两端电压为阈值电压；比较电路，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电阻接收阈值电压，其第二输入端接收检测电压，所述比较电路在主功率管断开时对检测电压和阈值电压进行比较，产生过零检测信号，在主功率管导通时比较电路输出的过零检测信号被无效；以及逻辑控制电路，接收过零检测信号，产生所述第二控制信号，当所述检测电压大于阈值电压时，所述过零检测信号复位第二控制信号，使从功率管被断开。
根据本发明的实施例，提出了一种直流变换器，包括上述控制电路和具有所述主功率管、从功率管、储能元件的功率开关电路。
根据本发明的实施例，还提出了一种用于直流变换器的方法，所述直流变换器包括主功率管、从功率管、储能元件，其中主功率管和从功率管被周期性地导通和断开，当主功率管导通、从功率管断开时，流过储能元件的电流增大，储能元件开始储存能量；当主功率管断开、从功率管导通时，流过储能元件的电流减小，储能元件存储的能量被输送至输出，所述方法包括：响应从功率管的断开，产生短脉冲信号，在短脉冲时间内对从功率管两端的压降进行采样，得到采样保持信号；对采样保持信号与参考零电压的差值进行放大，并进行比例积分，得到误差放大信号；将误差放大信号转化为与之成比例的转化电流；响应转化电流，得到与之成比例的阈值电压；当主功率管断开时，比较从功率管两端的压降和阈值电压的大小，产生过零检测信号；当主功率管导通时，所述过零检测信号被无效；其中在主功率管断开期间，当所述从功率管两端的压降大于阈值电压时，断开从功率管。
根据本发明各方面的上述直流变换器及其控制电路和方法，精确地实现过零检测对从功率管的断开控制。
附图说明
图1为根据本发明实施例的直流变换器100的电路结构示意图；
图2示出根据本发明实施例的图1所示直流变换器100中比较电路108的电路结构示意图；
图3示出根据本发明实施例的图1所示直流变换器100中比较电路108的另一电路结构示意图；
图4示出根据本发明实施例的图1所示直流变换器100中采样保持电路104的电路结构示意图；
图5示出根据本发明实施例的图1所示直流变换器100中逻辑控制电路109的电路结构示意图；
图6为根据本发明实施例的直流变换器200的电路结构示意图；
图7为根据本发明实施例的直流变换器300的电路结构示意图；
图8示意性示出了根据本发明实施例的用于直流变换器的方法流程图400。
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“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦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“直接耦接到”或“直接连接到”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为根据本发明实施例的直流变换器100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，所述直流变换器100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VO；功率开关电路103，耦接在输入端口101和输出端口102之间，所述功率开关电路103包括：主功率管31、从功率管32和储能元件(如电感)33，三者均耦接至开关节点30，所述主功率管31在第一控制信号G31的控制下被导通和断开，所述从功率管32在第二控制信号G32的控制下被导通和断开，所述从功率管32具有体二极管；采样保持电路104，接收表征从功率管32两端压降的检测电压V32，所述采样保持电路104响应从功率管32的断开，对检测电压V32进行短时间地采样，并对采样的结果进行保持，得到采样保持信号VSH；误差放大电路105，耦接至采样保持电路104接收采样保持信号VSH，产生误差放大信号VEA；电压电流转化器106，耦接至误差放大电路105接收误差放大信号VEA，产生转化电流Ich，其中所述转化电流Ich与误差放大信号VEA成比例(Ich＝VEA×KI，其中KI为转化系数)；电阻107，耦接至电压电流转化器106，所述电阻107两端电压为阈值电压VTH；比较电路108，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电阻107接收阈值电压VTH，其第二输入端接收检测电压V32，所述比较电路108在主功率管31断开时对检测电压V32和阈值电压VTH进行比较，产生过零检测信号ZCD，在主功率管31导通时比较电路输出的过零检测信号ZCD被无效；以及逻辑控制电路109，接收过零检测信号ZCD，产生第二控制信号G32，当所述检测电压V32大于阈值电压VTH时，所述过零检测信号ZCD复位第二控制信号G32，使从功率管32被断开。
当主功率管31导通、从功率管32断开时，流过储能元件33的电流增大，储能元件33开始储存能量；当主功率管31断开、从功率管32导通时，流过储能元件33的电流减小，储能元件33存储的能量被输送至输出。
在一个实施例中，主功率管31耦接至输入端口101，从功率管32耦接参考地，储能元件33耦接至输出端口102，功率开关电路103包括buck拓扑结构。在另一个实施例中，储能元件33耦接至输入端口101，主功率管31耦接至参考地，从功率管32耦接至输出端口102，功率开关电路包括boost拓扑结构。
在一个实施例中，误差放大电路105包括：误差放大器51，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采样保持电路104接收采样保持信号VSH，其第二输入端耦接至参考地，其输出端产生误差放大信号VEA；补偿电容52，耦接在误差放大器51的输出端和参考地之间。
图2示出根据本发明实施例的图1所示直流变换器100中比较电路108的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述比较电路108包括：比较器80，具有第一输入端、第二输入端、使能端和输出端，其第一输入端耦接至电阻107接收阈值电压VTH，其第二输入端接收检测电压V32，其使能端接收表征第一控制信号G31的使能信号EN，所述比较器80在第一控制信号G31将主功率管31导通时被去使能，在第一控制信号G31将主功率管31断开时被使能，并对检测电压V32和阈值电压VTH进行比较，产生过零检测信号ZCD。
图3示出根据本发明实施例的图1所示直流变换器100中比较电路108的另一电路结构示意图。在图3所示实施例中，所述比较电路108包括：比较器80，具有第一输入端、第二输入端和输出端；第一开关81，具有第一端和第二端，其第一端接收检测电压V32，第二端耦接至比较器80的第二输入端；第二开关82，耦接在比较器80的第二输入端和参考地之间；第三开关83，具有第一端和第二端，其第一端接收阈值电压VTH，第二端耦接至比较器80的第一输入端；第四开关84，耦接在比较器80的第一输入端和参考地之间。其中，在主功率管31导通时，第一开关81断开、第二开关82导通、第三开关83断开、第四开关84导通；在主功率管31断开时，第一开关81导通、第二开关82断开、第三开关83导通、第四开关84断开。因此，当主功率管31导通时，比较器80的第一输入端和第二输入端均接参考地(其电压均为零)，此时其输出ZCD为无效状态；当主功率管31断开时，比较器80的第一输入端接收阈值电压VTH，第二输入端接收检测电压V32，此时比较器80对检测电压V32和阈值电压VTH进行比较，产生过零检测信号ZCD。
图4示出根据本发明实施例的图1所示直流变换器100中采样保持电路104的电路结构示意图。在图4所示实施例中，所述采样保持电路104包括：短脉冲电路41，响应第二控制信号G32的下降沿，产生短脉冲信号；采样开关42，具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收检测电压V32，其控制端耦接至短脉冲电路41接收短脉冲信号；保持电容43，耦接在采样开关42的第二端和参考地之间，其中所述保持电容43两端的电压即为采样保持信号VSH。
在一个实施例中，短脉冲信号的持续时间为1％的开关周期，如20ns。
图5示出根据本发明实施例的图1所示直流变换器100中逻辑控制电路109的电路结构示意图。在图5所示实施例中，所述逻辑控制电路109包括：RS触发器，具有置位输入端S、复位输入端R和输出端Q，其复位输入端R耦接至比较电路108接收过零检测信号ZCD，输出端产生所述第二控制信号G32，用以控制从功率管32的运行。
图6为根据本发明实施例的直流变换器200的电路结构示意图。图6所示直流变换器200与图1所示直流变换器100相似，与图1所示实施例不同的是，在图6所示实施例中，所述直流变换器200还包括：第一偏置电路110，提供第一偏置电压V1，所述检测电压V32经由所述第一偏置电路110被输送至比较电路108；所述比较电路108比较阈值电压VTH和检测电压V32与第一偏置电压V1之和的大小，产生过零检测信号ZCD。当检测电压V32与第一偏置电压之和V1大于阈值电压VTH时(即V32+V1>VTH)，所述过零检测信号ZCD复位第二控制信号G32，使从功率管32被断开。
图7为根据本发明实施例的直流变换器300的电路结构示意图。图7所示直流变换器300与图1所示直流变换器100相似，与图1所示实施例不同的是，在图7所示实施例中，所述直流变换器300还包括：第二偏置电路111，提供第二偏置电压V2至误差放大电路105。所述误差放大电路105基于采样保持信号VSH和偏置电压V2，产生误差放大信号VEA。
误差放大器51将采样保持信号VSH和零电压(或者第二偏置电压V2)之间的差值进行放大，并在补偿电容52上进行比例积分，得到误差放大信号VEA。从功率管32被断开后，在电感电流为零前，检测电压V32为从功率管32体二极管的导通压降VD(在某些应用中，该电压VD＝-0.7V)；电感电流为零后，检测电压V32为输出电压VO(在某些应用中，VO＝1.2V)。
如果在当前周期，从功率管32被断开比较早，则体二极管续流的时间较长，即检测电压V32＝VD的时间较长。而短脉冲时间固定，因此，此时保持电容52两端电压(即采样保持信号VSH)的平均值小于零。相应地，误差放大信号VEA增大，经由电压电流转化器106后，转化电流Ich也增大。增大的转化电流Ich使阈值电压VTH也增大。因此，在比较电路108处，检测电压V32增大至阈值电压VTH的时间变长。也就是说，过零检测信号ZCD被延迟复位第二控制信号G32，在下一个周期中，从功率管32被延迟断开。相反地，如果在当前周期，从功率管32被断开比较晚，则体二极管续流的时间较短，即检测电压V32＝VD的时间较短，则误差放大信号VEA减小，经由电压电流转化器106后，转化电流Ich也减小。减小的转化电流Ich使阈值电压VTH也减小。因此，在比较电路108处，检测电压V32增大至阈值电压VTH的时间被缩短，在下一个周期中，从功率管32的断开时间点被提前。
因此，前述实施例的直流变换器100和200可以精确地实现过零检测对从功率管的断开控制。
图8示意性示出了根据本发明实施例的用于直流变换器的方法流程图400，所述直流变换器400包括主功率管、从功率管、储能元件，其中主功率管和从功率管被周期性地导通和断开，当主功率管导通、从功率管断开时，流过储能元件的电流增大，储能元件开始储存能量；当主功率管断开、从功率管导通时，流过储能元件的电流减小，储能元件存储的能量被输送至输出，所述方法包括：
步骤401，响应从功率管的断开，产生短脉冲信号，在短脉冲时间内对从功率管两端的压降进行采样，得到采样保持信号。
步骤402，对采样保持信号与参考零电压的差值进行放大，并进行比例积分，得到误差放大信号。在一个实施例中，对采样保持信号与第一偏置电压的差值进行放大，并进行比例积分，得到误差放大信号。
步骤403，将误差放大信号转化为与之成比例的转化电流。
步骤404，响应转化电流，得到与之成比例的阈值电压。
步骤405，当主功率管断开时，比较从功率管两端的压降和阈值电压的大小，产生过零检测信号；当主功率管导通时，所述过零检测信号被无效；其中在主功率管断开期间，当所述从功率管两端的压降大于阈值电压时，断开从功率管。
在一个实施例中，步骤405包括：当主功率管断开时，比较阈值电压和从功率管两端的压降与第二偏置电压之和的大小，产生过零检测信号：当从功率管两端的压降与第二偏置电压之和大于阈值电压时，断开从功率管。
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 (10)
1.一种用于直流变换器的控制电路，所述直流变换器包括主功率管、从功率管、储能元件，其中主功率管和从功率管分别被第一控制信号和第二控制信号周期性地控制导通和断开，当主功率管导通、从功率管断开时，流过储能元件的电流增大，储能元件开始储存能量；当主功率管断开、从功率管导通时，流过储能元件的电流减小，储能元件存储的能量被输送至输出，所述从功率管具有体二极管，所述控制电路包括：
采样保持电路，接收表征从功率管两端压降的检测电压，所述采样保持电路响应从功率管的断开，对检测电压进行采样，并对采样的结果进行保持，得到采样保持信号；
误差放大电路，耦接至采样保持电路接收采样保持信号，产生误差放大信号；
电压电流转化器，耦接至误差放大电路接收误差放大信号，产生转化电流；
电阻，耦接至电压电流转化器，所述电阻两端电压为阈值电压；
比较电路，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电阻接收阈值电压，其第二输入端接收检测电压，所述比较电路在主功率管断开时对检测电压和阈值电压进行比较，产生过零检测信号，在主功率管导通时比较电路输出的过零检测信号被无效；以及
逻辑控制电路，接收过零检测信号，产生所述第二控制信号，当所述检测电压大于阈值电压时，所述过零检测信号复位第二控制信号，使从功率管被断开。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中所述比较电路包括：
比较器，具有第一输入端、第二输入端、使能端和输出端，其第一输入端耦接至电阻接收阈值电压，其第二输入端接收检测电压，其使能端接收表征第一控制信号的使能信号；其中
所述比较器在第一控制信号将主功率管导通时被去使能；在第一控制信号将主功率管断开时被使能，并对检测电压和阈值电压进行比较，产生过零检测信号。
3.如权利要求1所述的控制电路，其中所述比较电路包括：
比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端；
第一开关，具有第一端和第二端，其第一端接收检测电压，第二端耦接至比较器的第二输入端；
第二开关，耦接在比较器的第二输入端和参考地之间；
第三开关，具有第一端和第二端，其第一端接收阈值电压，第二端耦接至比较器的第一输入端；
第四开关，耦接在比较器的第一输入端和参考地之间。
4.如权利要求1所述的控制电路，其中所述采样保持电路包括：
短脉冲电路，响应第二控制信号的下降沿，产生短脉冲信号；
采样开关，具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收检测电压，其控制端耦接至短脉冲电路接收短脉冲信号；
保持电容，耦接在采样开关的第二端和参考地之间，其中所述保持电容两端的电压即为采样保持信号。
5.如权利要求1所述的控制电路，还包括：
第一偏置电路，提供第一偏置电压，所述检测电压经由所述第一偏置电路被输送至比较电路。
6.如权利要求1所述的控制电路，还包括：
第二偏置电路，提供第二偏置电压至误差放大电路；其中所述误差放大电路基于采样保持信号和偏置电压，产生误差放大信号。
7.如权利要求1所述的控制电路，其中所述误差放大电路包括：
误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至采样保持电路接收采样保持信号，其第二输入端耦接至参考地，其输出端产生误差放大信号；
补偿电容，耦接在误差放大器的输出端和参考地之间。
8.如权利要求1所述的控制电路，其中所述逻辑控制电路包括：
RS触发器，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其复位输入端耦接至比较电路接收过零检测信号，输出端产生所述第二控制信号，用以控制从功率管的运行。
9.一种直流变换器，包括如权利要求1～8中任一项所述的控制电路，所述直流变换器还包括具有所述主功率管、从功率管、储能元件的功率开关电路。
10.一种用于直流变换器的方法，所述直流变换器包括主功率管、从功率管、储能元件，其中主功率管和从功率管被周期性地导通和断开，当主功率管导通、从功率管断开时，流过储能元件的电流增大，储能元件开始储存能量；当主功率管断开、从功率管导通时，流过储能元件的电流减小，储能元件存储的能量被输送至输出，所述方法包括：
响应从功率管的断开，产生短脉冲信号，在短脉冲信号的控制下对从功率管两端的压降进行采样，得到采样保持信号；
对采样保持信号与参考零电压的差值进行放大，并进行比例积分，得到误差放大信号；
将误差放大信号转化为与之成比例的转化电流；
响应转化电流，得到与之成比例的阈值电压；
当主功率管断开时，比较从功率管两端的压降和阈值电压的大小，产生过零检测信号；当主功率管导通时，所述过零检测信号被无效；其中在主功率管断开期间，当所述从功率管两端的压降大于阈值电压时，断开从功率管。
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