CN105846653B - 开关变换电路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变换电路及其控制电路和方法。所述开关变换电路包括功率级、电流断续模式检测器、计时器、最小导通时间电路和逻辑驱动电路。所述开关变换电路在系统处于DCM模式下时，强制使功率级导通最小时间，从而保证系统在轻载时能进入休眠模式，减少了损耗，提高了效率。

Description

开关变换电路及其控制电路和方法
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变换电路及其控制电路和方法。
背景技术
在电流变换领域，峰值电流控制和恒定导通时间控制为广泛采用的两种控制模式。在峰值电流模式控制中，输出电压被反馈至反馈环，与参考电压进行比较，其差值被放大并积分后得到误差放大信号。该误差放大信号与表征电感电流的电流采样信号进行比较，来产生控制功率级的PWM比较信号。因此，在峰值电流模式控制中，误差放大信号能反映输出电流的大小(即反映负载状况)。当误差放大信号非常小(如小于某个休眠参考值)，表明此时系统为轻载或超轻载状态。为提高效率，此时系统将进入休眠模式(sleep mode)。而在恒定导通时间控制模式中，由于采用的是电压环控制，电感电流没有参与反馈调节，反馈信号不反映负载状况。即使负载为超轻载状态，反馈信号依然有可能大于休眠参考值，使得系统一直不能进入休眠模式。
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，提出一种开关变换电路和方法。
根据本发明的实施例，提出了一种开关变换电路，包括：功率级，将输入电压转化为输出电压；电流断续模式检测器，接收表征流过功率级的电流的电流采样信号，输出检测信号；计时器，响应所述检测信号开始计时，当计时满设定时间，输出计时满信号；最小导通时间电路，响应计时满信号，产生最小导通时间信号；逻辑驱动电路，响应计时满信号和最小导通时间信号，产生逻辑驱动信号，控制功率级导通一最小时间。
根据本发明的实施例，还提出了一种控制电路，用于控制开关变换电路，所述开关变换电路包括将输入电压转化为输出电压的功率级，所述控制电路包括：电流断续模式检测器，接收表征流过功率级的电流的电流采样信号，输出检测信号；计时器，响应所述检测信号开始计时，当计时满设定时间，输出计时满信号；最小导通时间电路，响应计时满信号，产生最小导通时间信号；逻辑驱动电路，响应计时满信号，将功率级导通；响应最小导通时间信号，在功率级导通了最小时间后将其断开。
根据本发明的实施例，提出了一种用于开关变换电路的方法，所述开关变换电路包括功率级，所述功率级将输入电压转化为输出电压，所述方法包括：检测系统是否处于电流断续模式；若检测结果为系统处于电流断续模式，响应检测结果开始计时，直至计时满设定时间；计时结束，将功率级导通最小时间。
根据本发明各方面的开关变换电路及其控制电路和方法，保证了系统在轻载模式下能有效进入休眠模式，减少了损耗，提高了效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的开关变换电路100的电路结构示意图；
图2为根据本发明实施例的开关变换电路200的电路结构示意图；
图3为根据本发明实施例的开关变换电路300的电路结构示意图；
图4示出了图2和图3所示实施例中误差放大信号VEA、休眠参考信号Vsleep、电感电流IL、休眠信号sleep和逻辑驱动信号DG的波形图；
图5为根据本发明实施例的开关变换电路500的电路结构示意图；
图6为根据本发明实施例的开关变换电路600的电路结构示意图；
图7示意性示出了根据本发明实施例的用于开关变换电路的方法流程图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变换电路100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，所述开关变换电路100包括：功率级101和控制电路，所述功率级101具有周期性导通和断开的功率开关，所述功率级101在功率开关的周期性导通和断开下将输入电压VIN转化为输出电压VO；所述控制电路包括：DCM(电流断续模式，discontinuous current mode)检测器102，接收表征流过功率级101的电流的电流采样信号IS，输出检测信号DCM，所述检测信号DCM表征开关变换电路100是否处于DCM模式；计时器103，接收并响应所述检测信号DCM，若检测信号DCM指示开关变换电路100处于电流断续模式，所述计时器103开始计时，当计时满设定时间，计时器103输出计时满信号T；最小导通时间电路104，响应计时满信号T，产生最小导通时间信号min-on；逻辑驱动电路105，接收并响应计时满信号T和最小导通时间信号min-on，产生逻辑驱动信号DG，控制功率级101导通一最小时间：所述逻辑驱动电路105响应计时满信号T，将功率级导通，响应最小导通时间信号min-on，在功率级导通了最小时间后将其断开。
在实际应用中，开关变换电路通常包括储能元件(如电感)，流过功率级的电流即是流过该储能元件的电流，通常表示为电感电流IL。因此，表征流过功率级101的电流的电流采样信号IS同时也表征了电感电流IL。DCM检测器102比较电流采样信号IS与一零值附近的参考值(如0.1V)的大小，判断系统是否处于DCM模式。由于DCM检测为本领域技术人员熟知的技术手段，且不是本发明要讨论的技术问题，为叙述简明，这里不再详述。
在一个实施例中，所述计时器103响应DCM检测器102的检测结果开始计时。当计时满设定时间后，计时器103被复位，直至新的检测结果表明系统再次处于DCM模式，计时器重新开始计时。
当开关变换电路处于DCM模式的持续时间为计时器的设定时间T时，计时器103和最小导通时间电路104强制使功率级101导通一最小时间。在该最小时间过程中，流过功率级101的电流(也就是电感电流)开始上升；在该最小时间之后，流过功率级101的电流(电感电流)开始下降，直至降至零电流，使得系统再次进入DCM模式。若此时系统仍未进入休眠模式，则计时器103再次计时，持续时间T后，功率级101被控制再次导通一最小时间。上述过程重复，功率级101在每个周期中DCM模式持续时间T后，均被导通最小时间，使得后续用于判断并指示系统进入休眠模式的信号达到设定水平，从而在恒定导通时间模式下确保系统在超轻载模式下顺利进入休眠模式。相应地，绝大部分电路(如计时器、最小导通时间电路、功率级等)被去使能，停止运行，从而减少损耗，提高效率。当系统进入休眠模式，由于计时器已经被去使能，因此不再计时，功率级也不再被强制导通。直到负载重新变大，不再为轻载模式，系统退出休眠模式。
图2为根据本发明实施例的开关变换电路200的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述控制电路包括图1所示的DCM检测器102、计时器103、最小导通时间电路104和逻辑驱动电路105，还包括：误差放大器(EA)106，接收电压参考信号VREF和表征输出电压VO的反馈信号VFB，所述误差放大器106对反馈信号VFB和电压参考信号VREF的差值进行放大并积分，得到误差放大信号VEA；电压比较器107，接收所述误差放大信号VEA和斜坡信号Vramp，所述电压比较器107比较误差放大信号VEA和斜坡信号Vramp的大小，产生比较信号PWM；休眠比较器108，接收误差放大信号VEA和休眠参考信号Vsleep，所述休眠比较器108比较误差放大信号VEA和休眠参考信号Vsleep的大小，产生休眠信号sleep，指示开关变换电路是否进入休眠模式；其中所述比较信号PWM、休眠信号sleep和最小导通时间信号min-on经由逻辑驱动电路105后，控制功率级101的运行。
图2所示实施例示出了根据本发明一个实施例的逻辑驱动电路105的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述逻辑驱动电路105包括：逻辑或电路(第一逻辑或单元)51，接收比较信号PWM和计时满信号T，并对比较信号PWM和计时满信号T执行逻辑或运算，得到置位信号；RS触发器52，具有置位输入端S、复位输入端R和输出端Q，其置位输入端S接收置位信号，复位输入端R接收最小导通时间信号min-on，所述RS触发器52响应置位信号和最小导通时间信号min-on，在其输出端Q产生逻辑驱动信号DG，控制功率级101的运行。
图3为根据本发明实施例的开关变换电路300的电路结构示意图。图3所示开关变换电路300与图2所示开关变换电路200相似，与图2所示开关变换电路200不同的是，在图3所示实施例中，所述控制电路还包括：恒定导通时间电路109，接收输入电压VIN和输出电压VO，产生恒定导通时间信号COT至逻辑驱动电路105，从而参与控制功率级101的运行。其中所述逻辑驱动电路105还包括：逻辑或电路(第二逻辑或单元)53，接收最小导通时间信号min-on和恒定导通时间信号COT，并对最小导通时间信号min-on和恒定导通时间信号COT执行逻辑或运算，得到复位信号，所述复位信号被输送至RS触发器的复位输入端R，用以控制功率级101的导通时间。
图2和图3实施例所示的开关变换电路在运行时，表征输出电压VO的反馈信号VFB经由误差放大器106后得到误差放大信号VEA。若负载为正常水平，则误差放大信号VEA大于休眠参考信号Vsleep，休眠信号sleep指示系统正常运行：此时若电感电流为CCM(continuouscurrent mode，电流连续)模式，则DCM检测器102的检测结果表明系统没有处在DCM模式，计时器103不计时，最小导通时间电路104没有动作。当功率级101断开时，输出电压VO(反馈信号VFB)减小，误差放大信号VEA随着反馈信号VFB的减小而增大，当误差放大信号VEA增大至斜坡信号Vramp时，比较信号PWM跳变为高电平，并经由逻辑或电路51后将逻辑驱动信号DG置高，从而将功率级101导通；恒定导通时间电路109随之输出恒定导通时间信号COT，使得在功率级101导通固定时间后，经由逻辑或电路53将逻辑驱动信号DG置低，从而将功率级101断开；以上过程重复，从而将输出电压VO调整至所需水平。
若负载水平开始下降，误差放大信号VEA大于休眠参考信号Vsleep，但系统进入DCM模式时，DCM检测器102检测到该模式，输出检测信号DCM至计时器103，置位计时器103开始计时。当系统处于DCM模式的持续时间为T时，计时器103和最小导通时间电路104控制功率级101导通最小时间。在该最小时间过程中，电感电流开始上升；在该最小时间之后，电感电流开始下降，直至降至零电流，使得系统被再次检测到进入DCM模式。若此时在休眠比较器108处误差放大信号VEA仍然大于休眠参考信号Vsleep，系统仍未进入休眠模式，则持续时间T后，功率级101被控制再次导通最小时间。上述过程重复，功率级101在每个周期均被导通最小时间，使得误差放大信号VEA最终减小至休眠参考信号Vsleep。于是休眠比较器108产生的休眠信号sleep指示系统进入休眠模式。
图4示出了图2和图3所示实施例中误差放大信号VEA、休眠参考信号Vsleep、电感电流IL、休眠信号sleep和逻辑驱动信号DG的波形图。如图4所示，在经历两次最小时间后，误差放大信号VEA减小至休眠参考信号Vsleep。相应地，休眠信号sleep跳变为高电平，从而在恒定导通时间模式下确保系统在超轻载模式下顺利进入休眠模式，使绝大部分电路被去使能，从而减少了损耗，提高了效率。
在前述图2和图3实施例中，反馈信号VFB经由误差放大器被转化为误差放大信号VEA后与休眠参考信号Vsleep(此时休眠参考信号Vsleep的值相对比较小)进行比较，从而判断系统是否处于轻载模式，是否需要进入休眠模式。然而本领域的技术人员应该知道，反馈环可不包含误差放大器，反馈信号VFB可直接与休眠参考信号Vsleep(此时休眠参考信号Vsleep的值相对比较大)进行比较，来判断系统是否处于轻载模式，是否需要进入休眠模式。如接下去要讨论的图5和图6的实施例。
图5为根据本发明实施例的开关变换电路500的电路结构示意图。在图5所示实施例中，所述控制电路包括图1所示的DCM检测器102、计时器103、最小导通时间电路104和逻辑驱动电路105，还包括：电压比较电路110，接收表征输出电压VO的反馈信号VFB、电压参考信号VREF和斜坡信号Vramp，所述电压比较电路110比较反馈信号VFB与斜坡信号Vramp之和与电压参考信号VREF的大小，产生比较信号PWM；休眠比较器111，接收反馈信号VFB和休眠参考信号Vsleep，所述休眠比较器111比较反馈信号VFB和休眠参考信号Vsleep的大小，产生休眠信号sleep；其中所述比较信号PWM、休眠信号sleep和最小导通时间信号min-on经由逻辑驱动电路105后，控制功率级101的运行，从而将输入电压VIN转化为输出电压VO。
图6为根据本发明实施例的开关变换电路600的电路结构示意图。图6所示开关变换电路600与图5所示开关变换电路500相似，与图5所示开关变换电路500不同的是，在图6所示实施例中，所述控制电路还包括：恒定导通时间电路109，接收输入电压VIN和输出电压VO，产生恒定导通时间信号COT至逻辑驱动电路105，从而控制功率级101的运行。其中所述逻辑驱动电路105还包括：逻辑或电路(第二逻辑或单元)53，接收最小导通时间信号min-on和恒定导通时间信号COT，并对最小导通时间信号min-on和恒定导通时间信号COT执行逻辑或运算，得到复位信号，所述复位信号被输送至RS触发器的复位输入端R，用以控制功率级101的导通时间。
图5和图6实施例所示的开关变换电路在运行时，表征输出电压VO的反馈信号VFB没有经过误差放大器的转化，直接进行比较。若负载为正常水平，则反馈信号VFB小于休眠参考信号Vsleep，休眠信号sleep指示系统正常运行：此时若电感电流为CCM模式，则DCM检测器102的检测结果表明系统没有处在DCM模式，计时器103不计时，最小导通时间电路104没有动作。当功率级101断开时，输出电压VO(反馈信号VFB)减小，当反馈信号VFB与斜坡信号Vramp之和小于电压参考信号VREF时，比较信号PWM跳变为高电平，并经由逻辑或电路51后将逻辑驱动信号DG置高，从而将功率级101导通；恒定导通时间电路109随之输出恒定导通时间信号COT，使得在功率级101导通固定时间后，经由逻辑或电路53将逻辑驱动信号DG置低，从而将功率级101断开；以上过程重复，从而将输出电压VO调整至所需水平。
若负载水平开始下降，反馈信号VFB小于休眠参考信号Vsleep，但系统进入DCM模式时，DCM检测器102检测到该模式，输出检测信号DCM至计时器103，置位计时器103开始计时。当系统处于DCM模式的持续时间为T时，计时器103和最小导通时间电路104控制功率级101导通最小时间。在该最小时间过程中，电感电流开始上升；在该最小时间之后，电感电流开始下降，直至降至零电流，使得系统被再次检测到进入DCM模式。若此时在休眠比较器111处反馈信号VFB仍然小于休眠参考信号Vsleep，系统仍未进入休眠模式，则持续时间T后，功率级101被控制再次导通最小时间。上述过程重复，功率级101在每个周期均被导通最小时间，使得反馈信号VFB最终增大至休眠参考信号Vsleep。于是休眠比较器111产生的休眠信号sleep跳变为高电平，指示系统进入休眠模式，使绝大部分电路被去使能，从而减少了损耗，提高了效率。
图7示意性示出了根据本发明实施例的用于开关变换电路的方法流程图700。所述开关变换电路包括功率级，所述功率级将输入电压转化为输出电压，所述方法包括：
步骤701，检测系统是否处于DCM模式：若检测结果为系统处于DCM模式，则进入步骤702；否则继续检测。
步骤702，响应检测结果开始计时，直至计时满设定时间。
步骤703，计时结束，将功率级导通最小时间。
步骤704，判断系统是否进入休眠模式：若系统已经进入休眠模式，进入步骤705；若系统没有进入休眠模式，跳转至步骤701，继续检测系统是否处于DCM模式。
步骤705，结束。
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)

1.一种开关变换电路，包括：
功率级，将输入电压转化为输出电压；
电流断续模式检测器，接收表征流过功率级的电流的电流采样信号，输出检测信号；
计时器，响应所述检测信号开始计时，当计时满设定时间，输出计时满信号；
最小导通时间电路，响应计时满信号，产生最小导通时间信号；
逻辑驱动电路，响应计时满信号和最小导通时间信号，产生逻辑驱动信号，控制功率级导通一设定的最小时间。
2.如权利要求1所述的开关变换电路，其中
所述逻辑驱动电路响应计时满信号，将功率级导通；
响应最小导通时间信号，在功率级导通了最小时间后将其断开。
3.如权利要求1所述的开关变换电路，还包括：
误差放大器，接收电压参考信号和表征输出电压的反馈信号，所述误差放大器对反馈信号和电压参考信号的差值进行放大并积分，得到误差放大信号；
电压比较器，接收误差放大信号和斜坡信号，所述电压比较器比较误差放大信号和斜坡信号的大小，产生比较信号；
休眠比较器，接收误差放大信号和休眠参考信号，所述休眠比较器比较误差放大信号和休眠参考信号的大小，产生休眠信号，指示所述开关变换电路是否进入休眠模式。
4.如权利要求3所述的开关变换电路，其中所述逻辑驱动电路包括：
第一逻辑或单元，接收比较信号和计时满信号，并对计时满信号和比较信号执行逻辑或运算，得到置位信号；
RS触发器，响应置位信号和最小导通时间信号，产生逻辑驱动信号，控制功率级的运行。
5.如权利要求3所述的开关变换电路，还包括：恒定导通时间电路，接收输入电压和输出电压，产生恒定导通时间信号至逻辑驱动电路。
6.如权利要求1所述的开关变换电路，还包括：
电压比较电路，接收表征输出电压的反馈信号、电压参考信号和斜坡信号，所述电压比较电路比较反馈信号与斜坡信号之和与电压参考信号的大小，产生比较信号；
休眠比较器，接收反馈信号和休眠参考信号，所述休眠比较器比较反馈信号和休眠参考信号的大小，产生休眠信号。
7.一种控制电路，用于控制开关变换电路，所述开关变换电路包括将输入电压转化为输出电压的功率级，所述控制电路包括：
电流断续模式检测器，接收表征流过功率级的电流的电流采样信号，输出检测信号；
计时器，响应所述检测信号开始计时，当计时满设定时间，输出计时满信号；
最小导通时间电路，响应计时满信号，产生最小导通时间信号；
逻辑驱动电路，响应计时满信号，将功率级导通；响应最小导通时间信号，在功率级导通了设定的最小时间后将其断开。
8.如权利要求7所述的控制电路，还包括：
误差放大器，接收电压参考信号和表征输出电压的反馈信号，所述误差放大器对反馈信号和电压参考信号的差值进行放大并积分，得到误差放大信号；
电压比较器，接收误差放大信号和斜坡信号，所述电压比较器比较误差放大信号和斜坡信号的大小，产生比较信号；
休眠比较器，接收误差放大信号和休眠参考信号，所述休眠比较器比较误差放大信号和休眠参考信号的大小，产生休眠信号。
9.如权利要求7所述的控制电路，还包括：
电压比较电路，接收表征输出电压的反馈信号、电压参考信号和斜坡信号，所述电压比较电路比较反馈信号与斜坡信号之和与电压参考信号的大小，产生比较信号；
休眠比较器，接收反馈信号和休眠参考信号，所述休眠比较器比较反馈信号和休眠参考信号的大小，产生休眠信号。
10.一种用于开关变换电路的方法，所述开关变换电路包括功率级，所述功率级将输入电压转化为输出电压，所述方法包括：
检测系统是否处于电流断续模式；
若检测结果为系统处于电流断续模式，响应检测结果开始计时，直至计时满设定时间；
计时结束，将功率级导通设定的最小时间。
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