CN105515388B - 开关模式变换器及其控制电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种开关模式变换器及其控制电路和方法。所述开关模式变换器仅在开关周期的固定时间内将转化电流传输给补偿电容和补偿电阻；而在开关周期的剩余时间内将转化电流仅传输给补偿电阻，使系统在轻载下开关频率降低时，补偿网络的零点减小，保证了系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种开关模式变换器及其控制电路和方法。
背景技术
在开关模式变换器中，常常需要提供稳定的输出电压。因此，输出电压被反馈至控制电路进行调节。通常情况下，控制电路中包括补偿网络，该补偿网络的零点(1/(R×C)，其中R为补偿网络的等效电阻值，C为补偿网络的等效电容值)必须足够小(远远小于系统开关频率)，以维持系统的稳定性。
在脉冲频率调制(PFM，pulse frequency modulation)的控制策略中，随着负载的降低，开关频率也被降低以提高轻载下的效率。如在某些应用中，最小开关频率为100Hz。然而，在芯片的制作中，电容和电阻的尺寸被限制。通常情况下，电容值C<100pF，电阻值R<1MΩ。因此，在轻载状态下，控制环路的零点不能处理该低频率，将会产生系统的稳定性问题。
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，提出一种改进的开关模式变换器及其控制电路和方法。
根据本发明的实施例，提出了一种控制电路，用于开关模式变换器，所述开关模式变换器接收输入电压，提供输出电压，所述开关模式变换器包括被周期性导通和断开的功率开关，所述控制电路包括：跨导放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收表征输出电压的反馈电压，第二输入端接收参考电压，所述跨导放大器基于反馈电压和参考电压，在其输出端产生跨导电流；开关单元，耦接至跨导放大器的输出端；补偿节点；中间节点；补偿电容，耦接在补偿节点和中间节点之间；补偿电阻，耦接在中间节点和参考地之间；其中所述开关单元在开关周期的固定时间内，将跨导电流输送至补偿节点，在开关周期的剩余时间内，将跨导电流输送至中间节点；逻辑控制单元，耦接至补偿节点，接收补偿电容和补偿电阻上的压降，产生开关控制信号，用以控制功率开关周期性的导通与断开。
根据本发明的实施例，还提出了一种开关模式变换器，包括前述控制电路和所述功率开关。
根据本发明的实施例，还提出了一种方法，用于开关模式变换器，所述开关模式变换器包括功率开关，所述方法包括：周期性地导通和闭合功率开关，以产生输出电压，所述功率开关具有开关周期；提供表征输出电压的反馈电压；将反馈电压和参考电压的差值进行放大，并转化为电流形式，得到跨导电流；在开关周期的固定时间内，使跨导电流流经补偿电容和补偿电阻；在开关周期的剩余时间内，使跨导电流不流经补偿电容，仅流经补偿电阻；接收补偿电容和补偿电阻上的压降，产生开关控制信号，用以控制所述功率开关的运行。
根据本发明各方面的上述开关模式变换器及其控制电路和方法，在不改变补偿网络的参数的前提下，保证了系统的稳定。
附图说明
图1为根据本发明实施例的开关模式变换器100的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的开关模式变换器200的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的开关模式变换器300的结构示意图；
图4为根据本发明实施例的开关模式变换器400的结构示意图；
图5为根据本发明实施例的开关模式变换器500的结构示意图图；
图6为根据本发明实施例的开关模式变换器600的结构示意图；
图7示意性示出了根据本发明实施例的用于开关模式变换器的方法流程图700。
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开关模式变换器100的结构示意图。在图1所示实施例中，所述开关模式变换器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包括被周期性导通和断开的功率开关31，所述功率开关31具有开关周期Ts；控制电路，所述控制电路包括：跨导放大器104，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收表征输出电压VO的反馈电压VFB，第二输入端接收参考电压VR，所述跨导放大器104基于反馈电压VFB和参考电压VR，在其输出端产生跨导电流IC；开关单元105，耦接至跨导放大器104的输出端；补偿节点61；中间节点62；补偿电容106，耦接在补偿节点61和中间节点62之间；补偿电阻107，耦接在中间节点62和参考地之间；其中所述开关单元105在开关周期Ts的固定时间Tc内，将跨导电流IC输送至补偿节点61，使跨导电流IC流经补偿电容106和补偿电阻107，在开关周期Ts的剩余时间内，将跨导电流IC输送至中间节点62，使跨导电流IC不流经补偿电容106；逻辑控制单元108，耦接至补偿节点61，接收补偿电容106和补偿电阻107上的压降，产生开关控制信号，用以控制功率开关31周期性的导通与断开。
跨导放大器将反馈电压VFB和参考电压VR的差值进行放大并转化为电流形式(即跨导电流IC)，然后将该放大的电流输出在补偿电容106和补偿电阻107上进行比例积分，得到补偿电容106和补偿电阻107上的压降。
在图1所示实施例中，所述开关单元105包括：第一开关51，耦接在跨导放大器104的输出端和补偿节点61之间，所述第一开关51在开关周期Ts的固定时间Tc内导通，在开关周期Ts的剩余时间内断开；第二开关52，耦接在跨导放大器104的输出端和中间节点62之间，所述第二开关52在开关周期Ts的固定时间Tc内断开，在开关周期Ts的剩余时间内导通。
在一个实施例中，所述开关单元105可能包括选择开关，如图2所示的开关模式变换器200。图2所示开关模式变换器200与图1所示开关模式变换器100相似，与图1所示实施例不同的是，在图2所示实施例中，所述开关单元105包括选择开关53，所述选择开关53在开关周期Ts的固定时间Tc内将跨导放大器104的输出端连接至补偿节点61，在开关周期Ts的剩余时间内将跨导放大器104的输出端连接至中间节点62。
图3为根据本发明实施例的开关模式变换器300的结构示意图。图3所示开关模式变换器300与图1所示开关模式变换器100相似，与图1所示实施例不同的是，在图3所示实施例中，所述开关模式变换器300还包括：采样保持电路109，接收反馈电压VFB，输出采样保持信号VSH至跨导放大器104的第一输入端。
在一个实施例中，采样保持电路109对反馈电压VFB的采样可以是短脉冲时间段的采样：如在当前开关周期下任意合适时刻开始的短脉冲时间段内，采样保持电路109对反馈电压VFB实施采样；在短脉冲时间段之外的剩余时间对所采样的信号进行保持，直至下一个开关周期。该采样也可以是全时段的采样：如在当前开关周期下，在功率开关31断开或者导通的全时段内，采样保持电路109对反馈电压VFB实施采样；在剩余时间内，采样保持电路109对所采样的信号进行保持，直至下一个开关周期。
在图3所示实施例中，所述采样保持电路109包括：采样开关91，耦接在反馈信号VFB和跨导放大器104的第一输入端之间；保持电容92，耦接在跨导放大器104的第一输入端和参考地之间。在一个实施例中，所述采样开关91在功率开关31断开时被导通，在功率开关31导通时被断开；或者在功率开关31导通时被导通，在功率开关31断开时被断开。在另一个实施例中，所述采样开关91在开关周期的任意合适时刻开始被导通一短脉冲时间段，在短脉冲时间段之外的剩余时间被断开。
图1、图2和图3所示开关模式变换器100、200和300运行时，功率开关31在开关控制信号的控制下，被周期性地导通和断开。开关单元105在开关周期Ts的固定时间Tc内，将跨导电流IC输送至补偿节点61，跨导电流IC流经补偿电容106和补偿电阻107，此时补偿网络包括串联耦接在补偿节点61和参考地之间的补偿电容106和补偿电阻107；在开关周期Ts的剩余时间内，将跨导电流IC输送至中间节点62，跨导电流IC不流经补偿电容106，仅流经补偿电阻107，此时补偿网络仅仅包括补偿电阻107。
当系统处于重载状态时，开关频率较大，即开关周期Ts较小，此时Ts<Tc，则开关单元105始终将跨导电流IC输送至补偿节点61，补偿网络的零点为1/(R×C)，其中R为补偿电阻107的电阻值，C为补偿电容106的电容值；当系统处于轻载状态时，开关频率较小，即开关周期Ts较大，当Ts>Tc时，则在固定时间Tc时间段内，补偿网络包括补偿电容106和补偿电阻107，在剩余时间，补偿网络仅仅包括补偿电阻107。也就是说，在系统轻载时，跨导放大器104输出的跨导电流IC始终流经补偿电阻107，但该跨导电流IC仅在固定时间Tc时间内流经补偿电容106。因此此时补偿网络的等效电容值Ceq为
因此，补偿网络的零点为
由于此时Ts>Tc，则
因此，随着系统开关频率的降低，补偿网络的零点也减小，保证了系统的稳定。
图4为根据本发明实施例的开关模式变换器400的结构示意图。图4所示开关模式变换器400与图3所示开关模式变换器300相似，与图3所示实施例不同的是，在图4所示实施例中，所述开关模式变换器400还包括：电压跟随器110，所述反馈电压VFB经由该电压跟随器112后被输送至采样保持电路109。所述电压跟随器112保证了采样保持电路109的输入有足够的驱动能力。图4所示的开关模式变换器400与图1、图2、图3所示的开关模式变换器100、200、300的运行原理相似，为叙述简明，这里不再详述。
图5为根据本发明实施例的开关模式变换器500的结构示意图。图5示出了逻辑控制单元108的具体电路结构示意图。在图5所示实施例中，所述逻辑控制单元108包括：比较器81，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补偿节点61，接收补偿电容106和补偿电阻107上的压降，第二输入端接收折线波VFL，所述折线波VFL为峰-峰值不变(恒定)的周期性变化的波(如锯齿波、三角波等)，所述比较器81比较所述折线波VFL与补偿电容106和补偿电阻107上的压降，产生比较信号；后续控制模块82，耦接至所述比较器81的输出端接收所述比较信号，产生开关控制信号，用以控制功率开关31周期性的导通与断开。
图6为根据本发明实施例的开关模式变换器600的结构示意图。图6所示实施例示出了功率开关电路103的电路结构图。如图6所示，所述功率开关电路103包括：具有原边绕组32、副边绕组33和辅助绕组34的变压器；所述功率开关31，耦接至原边绕组32；续流器35，耦接在副边绕组33和输出端口102之间。
在图6所示实施例中，所述开关模式变换器600还包括：整流单元，耦接在输入端口101和原边绕组32之间；输入电容，耦接在整流单元和原边参考地之间；输出电容，耦接在输出端口102和副边参考地之间。
在图6所示实施例中，输入端口101接收交流输入电压VAC，该交流输入电压VAC经由整流单元后被整流为直流电压被输送至后续电路。其为本领域技术人员的公知常识，且因其不是本发明的要讨论的发明点所在，为叙述简明，这里不再详述。
在图6所示的实施例中，当采样保持电路109对反馈电压VFB进行短脉冲时间段的采样时，所述采样保持电路109在当前开关周期下，在功率开关31断开过程的任意短脉冲时间段内对反馈电压VFB实施采样；在短脉冲时间段之外的剩余时间对所采样的信号进行保持，直至下一个开关周期。当采样保持电路109对反馈电压VFB进行全时段的采样时，所述采样保持电路109在当前开关周期下，在功率开关31断开的全时段内对反馈电压VFB实施采样；在功率开关31的导通时段内对所采样的信号进行保持，直至下一个开关周期。
图6所示的开关模式变换器600与图1、图2、图3、图4、图5所示的开关模式变换器100、200、300、400、500的运行原理相似，为叙述简明，这里不再详述。
图7示意性示出了根据本发明实施例的用于开关模式变换器的方法流程图700。所述开关模式变换器包括功率开关，所述方法包括：
步骤701，周期性地导通和闭合功率开关，以产生输出电压，所述功率开关具有开关周期。
步骤702，提供表征输出电压的反馈电压。
步骤703，将反馈电压和参考电压的差值进行放大，并转化为电流形式，得到跨导电流。
步骤704，在开关周期的固定时间内，使跨导电流流经补偿电容和补偿电阻；在开关周期的剩余时间内，使跨导电流不流经补偿电容，仅流经补偿电阻。
步骤705，接收补偿电容和补偿电阻上的压降，产生开关控制信号，用以控制所述功率开关的运行。
在一个实施例中，所述步骤：“将反馈电压和参考电压的差值进行放大，并转化为电流形式，得到跨导电流”包括：采样并保持所述反馈电压，得到采样保持信号，将采样保持信号和参考电压的差值进行放大，并将该放大的差值转化为电流形式，得到跨导电流。在一个实施例中，所述采样包括短脉冲时间段采样：在当前开关周期下任意合适时刻开始的短脉冲时间段内，对反馈电压实施采样；在的短脉冲时间段之外的剩余时间对所采样的信号进行保持，直至下一个开关周期。在另一个实施例中，所述采样包括全时段采样：在当前开关周期下，在功率开关断开或者导通的全时段内，对反馈电压实施采样；在剩余时间内，对所采样的信号进行保持，直至下一个开关周期。
前述各实施例的开关模式变换器及其控制电路和方法，由于仅在开关周期的固定时间内将转化电流传输给补偿电容和补偿电阻；而在开关周期的剩余时间内将转化电流仅传输给补偿电阻，使系统在轻载下开关频率降低时，补偿网络的等效电容值减小，补偿网络的零点也减小，因此，零点对应的频率也降低。因此，系统的稳定性得到了保证。且该方法无需改变补偿电阻的电阻值和补偿电容的电容值，保证了设计的简易性。
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)
1.一种控制电路，用于开关模式变换器，所述开关模式变换器接收输入电压，提供输出电压，所述开关模式变换器包括被周期性导通和断开的功率开关，所述控制电路包括：
跨导放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收表征输出电压的反馈电压，第二输入端接收参考电压，所述跨导放大器基于反馈电压和参考电压，在其输出端产生跨导电流；
开关单元，耦接至跨导放大器的输出端；
补偿节点；
中间节点；
补偿电容，耦接在补偿节点和中间节点之间；
补偿电阻，耦接在中间节点和参考地之间；其中所述开关单元在开关周期的固定时间内，将跨导电流输送至补偿节点，在开关周期的剩余时间内，将跨导电流输送至中间节点；以及
逻辑控制单元，耦接至补偿节点，接收补偿电容和补偿电阻上的压降，产生开关控制信号，用以控制功率开关周期性的导通与断开。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中所述开关单元包括：
第一开关，耦接在跨导放大器的输出端和补偿节点之间，所述第一开关在开关周期的固定时间内导通，在开关周期的剩余时间内断开；
第二开关，耦接在跨导放大器的输出端和中间节点之间，所述第二开关在开关周期的固定时间内断开，在开关周期的剩余时间内导通。
3.如权利要求1所述的控制电路，其中所述开关单元包括：选择开关，所述选择开关在开关周期的固定时间内将跨导放大器的输出端连接至补偿节点，在开关周期的剩余时间内将跨导放大器的输出端连接至中间节点。
4.如权利要求1所述的控制电路，还包括：
采样保持电路，接收反馈电压，输出采样保持信号至跨导放大器的第一输入端。
5.如权利要求4所述的控制电路，其中所述采样保持电路对反馈电压的采样包括短脉冲时间段的采样或者全时段的采样。
6.如权利要求4所述的控制电路，还包括：电压跟随器，所述反馈电压经由该电压跟随器后被输送至采样保持电路。
7.如权利要求1所述的控制电路，其中所述逻辑控制单元包括：
比较器，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补偿节点，接收补偿电容和补偿电阻上的压降，第二输入端接收折线波，所述折线波为峰-峰值不变的周期性变化的波，所述比较器比较所述折线波与补偿电容和补偿电阻上的压降，产生比较信号；
后续控制模块，耦接至所述比较器的输出端接收所述比较信号，产生开关控制信号，用以控制功率开关周期性的导通与断开。
8.一种开关模式变换器，包括如权利要求1～7任一项的控制电路，还包括所述功率开关。
9.一种用于开关模式变换器的控制方法，所述开关模式变换器包括功率开关，所述方法包括：
周期性地导通和闭合功率开关，以产生输出电压，所述功率开关具有开关周期；
提供表征输出电压的反馈电压；
将反馈电压和参考电压的差值进行放大，并转化为电流形式，得到跨导电流；
在开关周期的固定时间内，使跨导电流流经补偿电容和补偿电阻；在开关周期的剩余时间内，使跨导电流不流经补偿电容，仅流经补偿电阻；
接收补偿电容和补偿电阻上的压降，产生开关控制信号，用以控制所述功率开关的运行。
10.如权利要求9所述的控制方法，其中所述步骤：“将反馈电压和参考电压的差值进行放大，并转化为电流形式，得到跨导电流”包括：
采样并保持所述反馈电压，得到采样保持信号；
将采样保持信号和参考电压的差值进行放大，并将该放大的差值转化为电流形式，得到跨导电流。
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