CN105896934B - 具有自适应时钟的开关电源及其控制器和控制方法 - Google Patents

具有自适应时钟的开关电源及其控制器和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有自适应时钟的开关电源及其控制器和控制方法。开关电源包括开关电路和控制器，开关电路包括电感和具有最小导通时间的开关。控制器根据时钟信号和关断信号生成控制信号以控制开关的导通和关断。本发明提出的开关电源在开关所需导通时间小于最小导通时间时，可以自适应的降低开关电源的导通频率，此时开关电源的导通时间为最小导通时间。

Description

具有自适应时钟的开关电源及其控制器和控制方法
技术领域
本发明主要涉及电源控制技术，尤其涉及但不局限于开关型稳压电源。
技术背景
开关型稳压电源(全文简称为开关电源)广泛地应用于便携式电子设备。开关电源通常包括开关管。由于多方面的原因，开关电源具有最小导通时间Tmin，即开关管在每个周期中处于导通状态的最短时间。例如，因开关电源中的逻辑电路和驱动电路存在固有延迟，使得开关电源存在最小导通时间Tmin；或者，为了防止开关管的误触发，开关电源在电路设计时也可以设置有最小导通时间Tmin。近年来，一方面便携式电子设备的功耗越来越低，即要求为便携式电子设备供电的开关电源的输出电压越来越低；一方面开关电源的通用性越来越高，即要求开关电源的输入电压范围越来越宽。因此，在实际的应用中，开关电源经常遇到输入电压较高同时输出电压又较低的情况，此时，开关电源中开关管所需导通时间非常小。当开关电源中开关管所需导通时间小于开关电源的最小导通时间Tmin时，会造成输出电压过压的情况。
因此，我们需要一种方法，该方法至少可以解决前面描述的一个缺点。
发明内容
本发明一实施例提出了一种控制开关电路的控制器，开关电路包括具有最小导通时间的开关，开关电路通过开关的导通和关断将输入电压转换成输出电压，所述控制器包括：时钟电路，用于生成时钟信号以控制开关的导通时刻，其中，当开关电路将输入电压转换成所需输出电压时开关所需导通时间大于最小导通时间时，时钟信号的频率为预设频率，当开关所需导通时间小于最小导通时间时，时钟信号的频率和开关所需导通时间成正相关；关断信号产生电路，用于生成关断信号以控制开关的导通时长，其中，当开关所需导通时间大于最小导通时间时，关断信号控制开关的导通时长为开关所需导通时间，当开关所需导通时间小于最小导通时间时，关断信号控制开关的导通时长为最小导通时间；以及逻辑电路，耦接于时钟电路和关断信号产生电路，基于时钟信号和关断信号产生控制信号以控制开关的开关行为。
本发明一实施例提出了一种开关电源，包括：开关电路，包括开关，开关电路通过开关的导通和关断将输入电压转换成输出电压；以及如前所述的控制器。
本发明一实施例提出了一种控制开关电路的方法，其中开关电路包括具有最小导通时间的开关，开关电路通过开关的导通和关断将输入电压转换为输出电压，所述方法包括：检测开关所需导通时间是否小于最小导通时间；当开关所需导通时间小于最小导通时间时，控制开关的导通频率小于预设频率，控制开关的导通时长为最小导通时间；当开关所需导通时间大于最小导通时间时，控制开关的导通频率为预设频率，控制开关的导通时长为开关所需导通时间。
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的实施例进行描述。这些附图仅用于示例。附图通常仅示出实施例中系统或电路的部分特征，并且附图不一定是按比例绘制的。
图1给出了根据本发明一实施例的具有自适应时钟的开关电源100的模块示意图。
图2给出了根据本发明另一实施例的开关电源200的模块示意图。
图3给出了根据本发明一具体实施例的开关电源300的示意图。
图4给出了根据本发明一实施例的对应于图3中的开关电源300的信号的波形图。
图5给出了根据本发明一实施例的具有自适应时钟功能的时钟电路500的模块图。
图6给出了根据本发明一实施例的具有自适应时钟功能的时钟电路600的电路图。
图7给出了根图6中的时钟电路600中各个信号的波形图，用以说明时钟电路600的工作原理和功能。
图8给出了根据本发明一实施例的用于控制开关电路的方法800。
不同示意图中的相同的附图标记表示相同或者相似的部分或特征。
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。在其它实施例中，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”或者“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“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”不一定都指同一个实施例或者示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特征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，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”或者“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给出了根据本发明一实施例的具有自适应时钟的开关电源100的模块示意图。开关电源100包括开关电路11和控制器12。在图示实施例中，开关电路11具有电源输入端和电源输出端，其中电源输入端耦接输入电压Vin，电源输出端提供输出电压Vout用于为负载LD供电。标记Vin和Vout在下文中也可分别用于表征电源输入端和电源输出端。开关电路11包括开关S1，开关电源100在开关S1的导通和关断动作下将输入电压Vin转换成输出电压Vout。在一个实施例中，开关电路11包括直流-直流降压变换电路(BUCK)。
继续图1的说明，控制器12包括时钟电路122、关断信号产生电路123以及逻辑电路125。时钟电路122在输出端提供时钟信号CLKx用于控制开关S1的导通时刻，从而设置开关电源100的工作频率。其中，当开关电源100将输入电压Vin转换为所需输出电压Vout所需要的导通时间Ton，即当开关电源100将输入电压Vin转换为所需输出电压Vout所需要的开关S1在一个周期中处于导通状态的时间，大于开关电源100的最小导通时间Tmin，即开关S1在一个周期中处于导通状态的最短时间时，时钟电路122提供的时钟信号CLKx的频率固定为F，此时开关S1的导通时间为开关S1所需导通时间Ton，开关电源100的工作频率为F，其中频率F为开关电源100的预设工作频率；当开关S1所需导通时间Ton小于开关电源100的最小导通时间Tmin时，例如，由于开关电源100的输入电压Vin很高和/或输出电压Vout很低从而导致开关所需导通时间Ton小于开关电源100的最小导通时间Tmin时，时钟电路122提供的时钟信号CLKx的频率为Fx，此时开关S1的导通时间为最小导通时间Tmin，开关电源100的工作频率为Fx，其中频率Fx小于预设频率F。在一实施例中，开关电源100的最小导通时间Tmin可以是人为预设的电路参数，也可以是开关电源100的内在固有参数，例如，开关电源的最小导通时间Tmin由开关电源中的逻辑电路和驱动电路内部信号的传输延迟产生和决定，比如说，比较器的传输延迟。在另一实施例中，开关电源100的最小导通时间Tmin可以是固定值，也可以是变化值。例如，在一实施例中，开关电源的最小导通时间Tmin根据开关电源的相关参数进行设置，最小导通时间Tmin是固定值。比如说，对于开关频率为500KHz的开关电源，最小导通时间Tmin可设置为50ns。
在一实施例中，时钟信号CLKx的频率Fx和开关S1所需导通时间Ton成正相关。在另一实施例中，时钟信号CLKx的频率Fx受输入电压Vin和输出电压Vout的影响，其中时钟信号CLKx的频率Fx与输入电压Vin成反相关，与输出电压Vout成正相关。例如，当输入电压Vin固定时，如果输出电压Vout减小，时钟信号CLKx的频率Fx降低；当输出电压Vout固定时，如果输入电压Vin增加，时钟信号CLKx的频率Fx降低。
关断信号产生电路123在输出端输出关断信号OFFSET以控制开关S1的关断。逻辑电路125具有第一输入端、第二输入端以及输出端，其第一输入端耦接于时钟电路122的输出端以接收时钟信号CLKx，其第二输入端耦接于关断信号产生电路123的输出端以接收关断信号OFFSET，逻辑电路125基于时钟信号CLXx和关断信号OFFSET在其输出端产生控制信号用于控制开关S1的开关行为。
在本发明中，当开关S1所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin时，开关S1的实际导通时间为最小导通时间Tmin，开关电源100的工作频率为Fx。由于时钟信号CLKx的频率Fx与开关S1所需导通时间Ton成正相关，因此，开关S1所需导通时间Ton越小，频率Fx的值越小。这样，即使开关S1实际的导通时间(为最小导通时间Tmin)大于所需导通时间Ton，由于开关电源100的工作频率Fx变小了，其输出电压也不会过压。因此，与采用固定频率的传统方式相比，本发明实施例的开关电源，其输出电压不会出现过压情况；与采用跳频的传统方式相比，本发明实施例的开关电源，其输出电压纹波较小。因此，图1所示实施例的开关电源100，在开关S1所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin时，具有通过降低开关S1的导通频率来自适应的调节输出电压Vout的优点。
图2给出了根据本发明另一实施例的开关电源200的模块示意图。开关电源200包括开关电路21和控制器22，与图1所示的开关电源100相比，开关电源200还包括模式检测电路221。模式检测电路221基于开关S1所需导通时间Ton和表征开关S1的最小导通时间Tmin的最小导通时间信号MIN生成指示信号IND到时钟电路222以设置时钟电路222的工作状态。具体工作原理是，当模式检测电路221检测到开关S1所需导通时间Ton大于开关S1的最小导通时间Tmin时，其输出的指示信号IND处于第一状态，比如说逻辑低状态。此时，时钟电路222根据指示信号IND输出的时钟信号CLKx的频率固定为F，其中频率F为开关电源200的预设工作频率。当模式检测电路221检测到开关S1所需导通时间Ton小于开关S1的最小导通时间Tmin时，其输出的指示信号IND处于第二状态，比如说逻辑高状态。此时，时钟电路222根据指示信号IND输出的时钟信号CLKx的频率为Fx，其中频率Fx小于预设频率F。在一实施例中，时钟电路222通过检测特定时刻的指示信号IND的逻辑状态来指示开关S1所需导通时间Ton是否大于开关S1的最小导通时间Tmin，比如说，时钟电路222检测开关S1导通一段固定时间后指示信号IND的逻辑状态。在另一实施例中，指示信号IND可以由其他信号复用得到，例如，关断信号OFFSET可以复用作指示信号IND。
图3给出了根据本发明一具体实施例的开关电源300的示意图。开关电源300包括开关电路31和控制器32。开关电路31采用降压变换器结构，开关电路31包括开关S1、同步整流管S2以及包括输出电感L和输出电容Co的输出滤波器。其中开关S1耦接于电源输入端Vin和开关节点SW之间，同步整流管S2耦接于开关节点SW和参考地GND之间。输出电感L耦接于开关节点SW和输出端Vout之间，输出电容Co耦接于输出端Vout和参考地GND之间。在图示实施例中，开关S1和同步整流管S2包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，MOSFET可采用增强型N-沟道MOSFET。在另一实施例中，开关S1和同步整流管S2为P-沟道MOSFET。在其它实施例中，开关S1和同步整流管S2可包括其他类型的器件，如结型场效应晶体管(JFET)或双极结型晶体管(BJT)。在又一实施例中，同步整流管S2被非同步整流管，如二极管代替。开关电路31除了具有接收输入电压Vin的电源输入端和提供输出电压Vout的电源输出端外，还具有接收第一控制信号CTRL的第一控制信号输入端和接收第二控制信号CTRL’的第二控制信号输入端，其中第一控制信号输入端耦接开关S1的控制端，第二控制信号输入端耦接同步整流管S2的控制端。第一控制信号CTRL和第二控制信号CTRL’通过控制开关S1以及同步整流管S2的开关行为，基于输入端Vin的输入电压调整输出端Vout的输出电压。其中，第一控制信号CTRL和第二控制信号CTRL’可以是互补关系，或者说第二控制信号CTRL’可以是第一控制信号CTRL的非信号。因此，当第一控制信号CTRL信号处于第二状态，比如说逻辑高状态，第二控制信号CTRL’就处于第一状态，如逻辑低状态。此时，开关S1导通，同步整流管S2关断，电流从输入端Vin经过开关S1和输出电感L流到输出电容Co，流过输出电感L的电感电流IL逐渐增加。当第一控制信号CTRL处于第一状态，比如说逻辑低状态，第二控制信号CTRL’就处于第二状态，如逻辑高状态。此时，开关S1关断，同步整流管S2导通，电流从输出电容Co流经同步整流管S2和输出电感L，流过输出电感L的电感电流IL逐渐减小。
开关电源300中开关S1所需导通时间Ton受开关电源300的输入电压Vin和输出电压Vout的影响。例如，当输入电压Vin固定时，若输出电压Vout减小则开关S1所需导通时间Ton减小。当输出电压Vout固定时，若输出电压Vin增加则开关S1所需导通时间Ton减小。在本发明实施例中，若开关S1所需导通时间Ton大于开关S1的最小导通时间Tmin，时钟电路322输出的时钟信号CLKx的频率为F，该时钟信号CLKx设置开关电源300的工作频率为F。若由于输入电压Vin增加和/或者输出电压Vout减小导致开关S1所需导通时间Ton减小以至于小于最小导通时间Tmin，则时钟电路322输出时钟信号CLKx的频率为Fx，该时钟信号CLKx设置开关电源300的工作频率为Fx，其中频率Fx小于预设频率F。此时，时钟信号CLKx的频率Fx与开关S1所需导通时间Ton成正相关，若由于Vin的增加和/或者是Vout的减小导致开关S1所需导通时间Ton进一步减小，时钟信号CLKx的频率Fx进一步降低，其中时钟信号CLKx的频率Fx与输入电压Vin成反相关，与输出电压Vout成正相关。
控制器32包括时钟电路322、关断信号产生电路323和逻辑电路325。关断信号产生电路323根据表征输出电压Vout的反馈信号FB以及表征流过输出电感L的电感电流IL的电感电流感应信号CS生成关断信号OFFSET到逻辑电路325。在图示实施例中开关电源300采用电流控制模式，关断信号产生电路323基于表征输出电压Vout的反馈信号FB和表征流过输出电感L的电感电流IL的电感电流感应信号CS产生关断信号OFFSET。在另一实施例中，开关电源300采用电压控制模式，关断信号产生电路323不必采样电感电流IL，而是利用反馈信号FB和斜坡信号产生关断信号OFFSET。其中斜坡信号在一个周期中的至少一个时间段内具有斜坡波形，如在开关S1的导通阶段具有斜坡波形。在一个实施例中，斜坡信号为锯齿波。继续参照图3，关断信号产生电路323包括放大电路A、比较电路B和逻辑电路C，放大电路A具有第一输入端(+)、第二输入端(-)以及输出端，其中第一输入端耦接于参考信号REF，第二输入端耦接于表征输出电压Vout的反馈信号FB，放大电路A将参考信号REF和反馈信号FB之间的差值放大并在输出端生成误差放大信号EAO。比较电路B具有第一输入端(+)、第二输入端(-)以及输出端，其中第一输入端耦接于电感电流感应信号CS，第二输入端耦接于放大电路A的输出端以接收误差放大信号EAO，比较电路B比较误差放大信号EAO和电感电流感应信号CS，并基于比较结果在输出端生成比较信号到逻辑电路C，逻辑电路C包括与门，与门具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收比较电路B的输出信号，第二输入端接收表征最小导通时间Tmin的最小导通时间信号MIN，输出端生成关断信号OFFSET，其中，最小导通时间信号MIN在最小导通时间Tmin内处于第一状态，比如说逻辑低，从而确保开关S1导通的最小时间为Tmin。在一实施例中，关断信号产生电路323不包括逻辑电路C，此时，比较电路B还具有一个控制端，该控制端用于接收最小导通时间信号MIN，比较电路B根据最小导通时间信号MIN设置关断信号OFFSET在最小导通时间Tmin内处于第一状态，比如说逻辑低，从而确保开关S1导通的最小时间为Tmin，比较电路B的输出信号作为关断信号OFFSET。
时钟电路322根据关断信号OFFSET在输出端提供时钟信号CLKx到逻辑电路325的输入端。在图示实施例中，关断信号OFFSET复用做指示信号IND，时钟电路322通过检测开关S1导通时刻一段时间T后关断信号OFFSET的逻辑状态来指示开关电源300中开关S1所需导通时间Ton是否小于开关S1的最小导通时间Tmin，其中，T为与时钟信号CLKx的频率F相对应的预设周期。若时钟电路322检测到开关S1导通时刻一段时间T后关断信号OFFSET处于第一状态，如逻辑低，则表明开关电源300中开关S1所需导通时间Ton大于最小导通时间Tmin，此时，时钟电路322提供的时钟信号CLKx为频率固定为F的时钟信号，其中频率F为开关电源300的预设工作频率。若时钟电路322检测开关S1导通时刻一段时间T后关断信号OFFSET处于第二状态，如逻辑高，则表明开关S1所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin，此时，时钟电路322提供的时钟信号CLKx的频率为Fx，开关电源300中开关S1的导通时间为Tmin，开关电源300的工作频率为Fx，其中频率Fx小于预设频率F。
逻辑电路325包括RS触发器，RS触发器具有置位输入端S、复位输入端R以及第一输出端Q和第二输出端Q’，其中置位输入端S耦接于时钟电路322以接收时钟信号CLKx，复位输入端R耦接于关断信号OFFSET，RS触发器基于时钟信号CLKx和关断信号OFFSET在第一输出端Q和第二输出端Q’分别生成第一控制信号CTRL和第二控制信号CTRL’以分别控制开关S1和同步整流管S2的开关行为。
图4给出了根据本发明一实施例的对应于图3中的开关电源300的信号的波形图。如图4所示，所示信号包括：输入电压信号Vin、误差放大信号EAO、电感电流感应信号CS、关断信号OFFSET、时钟信号CLKx以及第一控制信号CTRL。时钟信号的周期定义为时钟信号的一个边沿到下一个相同边沿来临所间隔的时间，例如，时钟信号CLKx的周期定义为时钟信号CLKx的上升沿到下一个上升沿来临所间隔的时间。继续图4的说明，当时钟信号CLKx的上升沿来临时，开关S1导通，同步整流管S2关断，电感电流感应信号CS逐渐增加。当关断信号OFFSET的上升沿来临时，开关S1关断，同步整流管S2导通，电感电流感应信号CS逐渐减小。若开关S1所需导通时间Ton大于最小导通时间Tmin，电感电流感应信号CS在开关S1导通时刻一段时间T后(T为时钟信号CLKx的预设周期)是小于误差放大信号EAO的；若开关S1所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin，则电感电流感应信号CS在开关S1导通时刻一段时间T后是大于误差放大信号EAO。
继续图4的说明，在时刻t1，时钟信号CLKx的上升沿来临，触发第一控制信号CTRL从逻辑低的第一状态跳变到逻辑高的第二状态，开关S1导通，此时，由于开关S1具有最小导通时间Tmin的限制，关断信号OFFSET在Tmin这段时间一直被置位成逻辑低的第一状态；关断信号OFFSET一直保持逻辑低状态，直到经过大于最小导通时间Tmin的一段时间Ton后的时刻t2，由于电感电流感应信号CS大于误差放大信号EAO，关断信号OFFSET从逻辑低的第一状态跳变到逻辑高的第二状态，即在时刻t2，关断信号OFFSET的上升沿来临，触发第一控制信号CTRL从逻辑高的第二状态跳变到逻辑低的第一状态，开关S1关断，同步整流管S2导通，电感电流感应信号CS逐渐减小。应当注意，在图4所示波形图中，时刻t2到时刻t3这段时间由比较电路B的传输延迟产生和决定，在本发明的讨论中，可以忽略不计。在时刻t3，电感电流感应信号CS减小到误差放大信号EAO，关断信号OFFSET从逻辑高跳变到逻辑低。在从时刻t1开始一段时间T后的时刻t4(其中T为时钟信号CLKx的预设周期)，关断信号OFFSET处于逻辑低的第一状态，表明开关S1所需导通时间Ton大于最小导通时间Tmin。在时刻t4，时钟信号CLKx的下一个上升沿来临，开关电源300开始下一个开关周期。时钟信号CLKx的周期为从时刻t1到t4的时间T，时钟信号CLKx的频率为F。开关电源300工作频率为预设频率F。
在时刻t5，输入电压Vin升高，使得开关S1所需导通时间Ton减小，小于开关电源300的最小导通时间Tmin。在时刻t6，时钟信号CLKx的上升沿来临，触发第一控制信号CTRL从逻辑低跳变到逻辑高以打开开关S1，在时刻t7，电感电流感应信号CS增大至误差放大信号EAO，与开关电源300工作于预设开关频率F时(比如从时刻t1至t5时段)相比，由于输入电压Vin升高，电感电流感应信号CS上升斜率变大，因此从CLKx的上升沿来临(时刻t6)至电感电流感应信号CS增大至误差放大信号EAO(时刻t7)之间的时长变短，小于开关电源300的最小导通时间Tmin。但是，由于最小导通时间Tmin的限制，关断信号OFFSET需要经过Tmin时间后才能从逻辑低跳变到逻辑高以关断开关S1，同时打开同步整流管S2。从时刻t6开始一段时间T后的时刻t8，由于电感电流感应信号CS仍大于误差放大信号EAO，此时，关断信号OFFSET仍保持逻辑高的第二状态。直到时刻t9，电感电流感应信号CS才减小到误差放大信号EAO，关断信号OFFSET从逻辑高的第二状态跳变到逻辑低的第一状态，时钟信号CLKx的上升沿来临，开关电源300开始下一个开关周期。时钟信号CLKx的周期从预设开关周期T延长到从时刻t6到时刻t9的瞬态调整周期Ttran。
开关电源300经过一个瞬态调整周期Tran后，在时刻t9，时钟信号CLKx的上升沿来临，开关S1在时钟信号CLKx上升沿的触发下导通，开关S1导通最小导通时间Tmin后，在时刻t10，开关S1关断，同步整流管S2导通，直到时刻t11，电感电流感应信号CS减小到误差放大信号EAO，从而导致关断信号OFFSET从逻辑高跳变到逻辑低，时钟信号CLKx的上升沿来临，开关S1再次导通，开关电源300开始下一个开关周期。此时，开关电源300具有工作周期Tx，对应地，具有频率Fx。
图5给出了根据本发明一实施例的具有自适应时钟功能的时钟电路500的模块图。时钟电路500包括预设时钟产生模块51和延时模块52，其中预设时钟产生模块51具有输出端，并在输出端产生具有预设频率F的预设时钟信号CLK。延迟模块52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于指示信号IND，其第二输入端耦接于预设时钟产生模块52的输出端以接收预设时钟信号CLK，其输出端输出时钟信号CLKx以设置开关电源中开关的导通频率。在开关电源中开关所需导通时间Ton大于最小导通时间Tmin时，延迟模块52将预设时钟信号CLK输出作为时钟信号CLKx，在开关电源中开关所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin时，延时模块52基于指示信号IND将预设时钟信号CLK的有效边沿延迟一段时间后输出作为时钟信号CLKx。在一实施例中，指示信号IND可以由其他信号复用得到，例如，关断信号OFFSET可以复用作指示信号IND。
图6给出了根据本发明一实施例的具有自适应时钟功能的时钟电路600的电路图。时钟电路600基于表征开关电源300所需导通时间Ton的关断信号OFFSET提供时钟信号CLKx。
时钟电路600包括电流源61、电容62、开关管63、比较器64、非门65以及或非门66。电流源61具有第一端和第二端，其第一端耦接于供电电源VCC，第二端提供电流I1。电容62具有两端，一端耦接于电流源61，另一端耦接于参考地GND。电流源61对电容62充电，以在电容62两端形成电压Von。开关管63具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接于电流源61和电容62的公共端，开关管63的第二端耦接于参考地GND，开关管63的控制端耦接于时钟信号CLKx。比较器64具有第一输入端(+)、第二输入端(-)以及输出端，其第一输入端耦接于电流源61、电容62以及开关管63的公共端，其第二输入端耦接于参考信号REF1，比较器64比较电容62上的电压Von和参考信号REF1，并在输出端生成信号D。非门65具有耦接于比较器64输出端的输入端，其对信号D进行反相处理。或非门66有第一输入端、第二输入端和输出端，或非门66的第一输入端耦接于非门65的输出端，或非门66的第二输入端耦接于关断信号OFFSET，或非门66的输出端提供时钟信号CLKx。
图7给出了图6中的时钟电路600中各个信号的波形图，用以说明时钟电路600的工作原理及功能。如图7所示，所述信号包括：输入电压信号Vin、关断信号OFFSET、参考信号REF1、电容上电压信号Von、比较器64的输出信号D以及时钟信号CLKx。如前所述，时钟信号的周期定义为时钟信号的一个边沿到下一个相同边沿来临所间隔的时间。
在初始时，假设开关S1所需导通时间Ton大于最小导通时间Tmin，相应地，关断信号OFFSET在开关S1导通时刻(时钟信号CLKx的上升沿)一段时间T后处于逻辑低状态(T为时钟信号CLKx的预设周期)。如图7所示，在时刻ta，时钟信号CLKx处于逻辑低状态，开关管63关断，电流源61中的电流I1开始对电容62充电，电压Von随着电容62的充电不断增大。在时刻tb，电容62上的电压Von大于参考信号REF1，信号D从逻辑低跳变到逻辑高。此时，由于关断信号OFFSET处于逻辑低状态，则由关断信号OFFSET和信号D决定的时钟信号CLKx从逻辑低状态跳变到逻辑高状态，时钟信号CLKx从逻辑低状态跳变到逻辑高状态导致开关管63导通，从而电容62对参考地GND放电，电容62上的电压Von迅速减小。在时刻tc，Von减小到参考地GND电位，信号D从逻辑高跳变到逻辑低状态，相应地，由关断信号OFFSET和信号D决定的时钟信号CLKx从逻辑高状态跳变到逻辑低状态。时钟信号CLKx跳变到逻辑低状态后，开关管63再次关断，电流源61中的电流I1再次对电容62充电。在时刻td，电容62上的电压Von大于参考信号REF1导致信号D从逻辑低跳变到逻辑高，此时，时钟信号CLKx从逻辑低状态跳变到逻辑高状态，时钟信号CLKx的下一上升沿来临。从时刻tb(时钟信号CLKx的上升沿来临)到时刻td(时钟信号CLKx的下一上升沿来临)所间隔的时间T即为时钟信号CLKx的预设周期。
在时刻tf，假设由于工作条件发生变化，比如说输入电压Vin升高导致开关S1所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin。相应地，关断信号OFFSET在开关S1导通时刻(时刻te)一段时间T后(时刻tg)处于逻辑高状态。关断信号OFFSET一直处于逻辑高状态，直到时刻th从逻辑高状态跳变到逻辑低状态，在时刻th，由关断信号OFFSET和信号D决定的时钟信号CLKx从逻辑低状态跳变到逻辑高状态，时钟信号CLKx的上升沿来临。从图中可以看出，此时时钟信号CLKx的周期从te到时刻tg的预设周期T延长为从时刻te到时刻th的瞬态调整周期Tran。在时刻ti，由关断信号OFFSET和信号D决定的时钟信号CLKx从逻辑低状态跳变到逻辑高状态，时钟信号CLKx的上升沿来临。从图中可以看出，经过一个瞬态调整周期Tran后，此时时钟信号CLKx的周期从瞬态调整周期Tran变成Tx，相应地此时时钟信号CLKx的频率从预设频率F降低为Fx。
如图7所示，时钟电路600根据表征开关S1所需导通时间的关断信号OFFSET产生周期变化的时钟信号CLKx。当开关S1所需导通时间Ton大于最小导通时间Tmin时，即关断信号OFFSET在开关S1导通时刻一段时间T后处于逻辑低状态时，依据图6所示时钟电路600产生的时钟信号CLKx的周期为预设周期T，频率为预设频率F。当开关S1所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin，即关断信号OFFSET在开关S1导通时刻一段时间T后处于逻辑高状态，时钟电路600提供的时钟信号CLKx的周期为Tx，频率为Fx，其中频率Fx小于预设频率F。
图8给出了根据本发明一实施例的控制开关电路的方法800。开关电路包括具有最小导通时间的开关，开关电路通过开关的导通和关断将输入电压转换为输出电压。如图8所示，所述方法800包括步骤801、802和803。步骤801：检测开关所需导通时间Ton是否小于最小导通时间Tmin。步骤802：若开关所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin，控制开关的导通频率小于预设频率F，控制开关的导通时长为最小导通时间Tmin。步骤803：若开关所需导通时间Ton大于最小导通时间Tmin，控制开关的导通频率保持为预设频率F，控制开关的导通时长为开关所需导通时间Ton。
在一实施例中，方法800中步骤802还包括在开关所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin时，使开关的导通频率与开关所需导通时间Ton成正相关。在另一实施例中，步骤802还包括在开关所需导通时间Ton小于最小导通时间Tmin时，使开关的导通频率与输入电压Vin成反相关，与输出电压Vout成正相关。
在以上的一些实施例中，“第一状态”是对应于低电压的逻辑“低”状态，“第二状态”是对应于高电压的逻辑“高”状态，但是，在其它一些实施例中，“第一状态”可以是高电压，“第二状态”是低电压。
上述的一些特定实施例仅仅以示例性的方式对本发明进行说明。这些实施例不是完全详尽的，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其它可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其它变化和修改并不超出本发明的精神和权利要求限定的保护范围。

Claims (13)

1.一种控制开关电路的控制器，开关电路包括具有最小导通时间的开关，开关电路通过开关的导通和关断将输入电压转换成输出电压，所述控制器包括：
时钟电路，用于生成时钟信号以控制开关的导通时刻，其中，当开关电路将输入电压转换成所需输出电压时开关所需导通时间大于最小导通时间时，时钟信号的频率为预设频率，当开关所需导通时间小于最小导通时间时，时钟信号的频率和开关所需导通时间成正相关；
关断信号产生电路，用于生成关断信号以控制开关的导通时长，其中，当开关所需导通时间大于最小导通时间时，关断信号控制开关的导通时长为开关所需导通时间，当开关所需导通时间小于最小导通时间时，关断信号控制开关的导通时长为最小导通时间；以及
逻辑电路，耦接于时钟电路和关断信号产生电路，基于时钟信号和关断信号产生控制信号以控制开关的开关行为；
其中当开关所需导通时间小于最小导通时间时，时钟信号的频率与输入电压成反相关，与输出电压成正相关。
2.如权利要求1所述的控制器，其中，时钟电路包括：
预设时钟产生模块，产生具有预设频率的预设时钟信号；以及
延时模块，耦接至预设时钟产生模块以接收预设时钟信号，延时模块还接收表征开关所需导通时间的指示信号，在开关所需导通时间大于最小导通时间时，延时模块将预设时钟信号输出作时钟信号，在开关所需导通时间小于最小导通时间时，延时模块基于指示信号将预设时钟信号的有效边沿延迟一段时间后输出作时钟信号。
3.如权利要求2所述的控制器，其中，指示信号为关断信号。
4.如权利要求1所述的控制器，其中时钟电路包括：
电流源，具有第一端和第二端，其第一端耦接于供电电源，其第二端提供电流；
电容，具有第一端和第二端，其第一端耦接于电流源的第二端，其第二端耦接于参考地；
开关管，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接于电流源的第二端和电容的第一端，其第二端耦接于参考地，其控制端接收时钟信号；
比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，比较器的第一输入端耦接于电流源的第二端和电容的第一端，比较器的第二输入端耦接于参考电压，比较器在输出端产生比较信号；
反相器，具有输入端和输出端，其输入端耦接于比较器的输出端以接收比较信号；以及
或非门，具有第一端、第二端和输出端，或非门的第一端耦接于反相器的输出端，或非门的第二端接收表征开关所需导通时间的指示信号，或非门的输出端提供时钟信号。
5.如权利要求4所述的控制器，其中，指示信号为关断信号。
6.如权利要求1所述的控制器，其中开关电路还包括电感，其中关断信号产生电路包括：
放大电路，基于表征输出电压的反馈信号以及参考信号生成误差放大信号；
比较电路，基于误差放大信号和表征流过电感的电流的电感电流感应信号在输出端生成比较信号；以及
逻辑电路，包括与门，与门具有第一输入端，第二输入端和输出端，与门的第一输入端耦接于比较电路的输出端以接收比较信号，与门的第二输入端耦接于表征最小导通时间的最小导通时间信号，与门的输出端输出关断信号。
7.如权利要求1所述的控制器，其中开关电路还包括电感，其中关断信号产生电路包括：
放大电路，基于表征输出电压的反馈信号以及参考信号生成误差放大信号；
比较电路，基于误差放大信号和表征流过电感的电流的电感电流感应信号在输出端生成比较信号作为关断信号。
8.如权利要求7所述的控制器，其中，比较电路还接收表征开关最小导通时间的最小导通时间信号，在最小导通时间信号为有效状态时，比较电路所产生的关断信号处于无效状态。
9.如权利要求1所述的控制器，其中逻辑电路包括：
触发器，耦接于时钟电路和关断信号产生电路，并基于时钟信号和关断信号在输出端生成控制信号。
10.一种开关电源，包括：
开关电路，包括开关，开关电路通过开关的导通和关断将输入电压转换成输出电压；以及
如权利要求1-9任一项所述的控制器。
11.如权利要求10所述的开关电源，其中开关电路包括：
开关，具有第一端、第二端和控制端，开关的第一端接收输入电压，开关的第二端耦接开关节点，开关的控制端接收控制信号；
整流元件，具有第一端和第二端，整流元件的第一端耦接开关节点，整流元件的第二端耦接参考地；
输出电感，具有第一端和第二端，输出电感的第一端耦接开关节点；以及
输出电容，具有第一端和第二端，输出电容的第一端耦接输出电感的第二端并提供输出电压，输出电容的第二端耦接参考地。
12.一种控制开关电路的方法，其中开关电路包括具有最小导通时间的开关，开关电路通过开关的导通和关断将输入电压转换为输出电压，所述方法包括：
检测开关所需导通时间是否小于最小导通时间；
当开关所需导通时间小于最小导通时间时，控制开关的导通频率小于预设频率，控制开关的导通时长为最小导通时间；
当开关所需导通时间大于最小导通时间时，控制开关的导通频率为预设频率，控制开关的导通时长为开关所需导通时间,
其中，控制开关的导通频率还包括在开关所需导通时间小于最小导通时间时，使开关的导通频率与输入电压成反相关，与输出电压成正相关。
13.如权利要求12所述的方法，其中，控制开关的导通频率还包括在开关所需导通时间小于最小导通时间时，使开关的导通频率与开关所需导通时间成正相关。
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