CN106130325A - 一种降噪开关变换器以及控制电路和方法 - Google Patents

一种降噪开关变换器以及控制电路和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种降噪开关变换器以及其降噪控制电路和方法。降噪控制电路判定开关变换器的开关频率是否降低到阈值频率，当开关频率降低到阈值频率，降噪控制电路将开关变换器的工作频率固定在阈值频率。同时，降噪控制电路根据反馈信号产生降噪阈值电流，当流过输出电感的电流反向增大到降噪阈值电流时，关断低侧开关。该降噪控制电路可有效避免开关变换器工作在轻载或空载状态下时的音频噪音干扰。

Description

一种降噪开关变换器以及控制电路和方法
技术领域
本发明涉及电子电路，具体但不仅限于涉及一种降噪开关变换器以及降噪控制电路和方法。
背景技术
人耳能听到的声音频率范围是在20～20k赫兹，在开关变换器中，当其开关频率低于20k赫兹的时候，人耳就能听到相关的音频噪音。在开关变换器的设计中，我们需要避免音频噪音的产生。一般地，开关变换器在正常的带载情况下，开关频率远高于20k赫兹，但是当开关变换器负载变为轻载或空载的情况下，开关频率低于20k赫兹，噪音就会产生。
为了避免噪音干扰，我们期望提出一种降噪开关变换器，即使其工作在轻载或空载时也可避免噪音干扰。
发明内容
为了解决前面描述的一个问题或者多个问题，本发明提出与现有技术不同的一种降噪开关变换器以及其控制电路和方法。
本发明一方面提供了一种用于开关变换器的降噪控制电路，其中所述开关变换器包括高侧开关和低侧开关，所述降噪控制电路包括：计时器，产生一个具有阈值频率的降噪时钟信号；过零检测模块，用于检测流过开关变换器输出电感的电感电流，还用于接收反馈信号，并根据接收的反馈信号产生降噪阈值电流，该过零检测模块将电感电流与降噪阈值电流比较，产生过零信号；以及变频控制模块，接收降噪时钟信号、反馈信号和过零信号，当开关变换器的开关频率大于阈值频率时，变频控制模块根据反馈信号产生频率可变的高侧控制信号和低侧控制信号，分别用于控制高侧开关和低侧开关的导通和关断切换；当开关变换器的开关频率降低到阈值频率时，变频控制模块根据降噪时钟信号将高侧控制信号和低侧控制信号的频率固定为阈值频率；当电感电流反向增大到降噪阈值电流时，变频控制模块根据过零信号关断低侧开关。
本发明又一方面提供了一种降噪开关变换器，其中所述降噪开关变换器包括如上所述的降噪控制电路。
本发明又一方面提供了一种用于开关变换器的降噪控制方法，其中所述开关变换器包括高侧开关和低侧开关，所述降噪控制方法包括：判定开关变换器的开关频率是否降低到阈值频率；当开关频率小于阈值频率，将开关变换器的工作频率固定在阈值频率；检测流过开关变换器中输出电感的电感电流；根据反馈信号产生降噪阈值电流；判定电感电流是否等于降噪阈值电流；以及当电感电流等于降噪阈值电流时，关断低侧开关。
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所示为根据本发明一实施例的降噪开关变换器100的原理框图；
图2所示为根据本发明一实施例的变频控制模块200的原理框图；图3所示为根据本发明一实施例的变频控制模块300的原理框图；
图4为根据图3所示实施例的一变频控制模块400的电路原理图；
图5所示为根据本发明一实施的降噪开关变换器500的电路原理图；
图6所示为根据本发明一实施的降噪开关变换器的工作波形600的示意图；
图7所示为根据本发明一实施的降噪开关变换器700的电路原理图；
图8所示为根据本发明一实施的一种开关变换器的降噪控制方法800。下面将参考附图详细说明本发明的具体实施方式。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同的或相似的部件或特征。
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。在下面对本发明的详细描述中，为了更好地理解本发明，描述了大量的细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。为了清晰明了地阐述本发明，本文简化了一些具体结构和功能的详细描述。此外，在一些实施例中已经详细描述过的类似的结构和功能，在其它实施例中不再赘述。尽管本发明的各项术语是结合具体的示范实施例来一一描述的，但这些术语不应理解为局限于这里阐述的示范实施方式。
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所示为根据本发明一实施例的降噪开关变换器100的原理框图。如图1所示，降噪开关变换器100包括开关电路10和控制电路，其中控制电路包括反馈电路20、过零检测电路30、计时器40和变频控制模块50。
在图1所示实施例中，开关电路10包括一个降压型(BUCK)变换电路，包括高侧开关101、低侧开关102，电感器103以及电容器104，其中高侧开关101和低侧开关102被示意为一个金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。高侧开关101的漏极电连接至降噪开关变换器100的输入端接收输入电压信号VIN；低侧开关102的源极电连接至地；高侧开关101的源极和低侧开关102的漏极耦接形成公共节点SW；电感103电连接于节点SW和降噪开关变换器100输出端之间；电容器104连接在降噪开关变换器100的输出端与逻辑地之间，用于为负载提供一个输出电压VOUT。
控制电路根据降噪开关变换器100的反馈信号FB，判断输出电压VOUT的变化，产生用于导通和关断高侧开关101和低侧开关102的控制信号SH和SL。控制电路通过控制高侧开关101和低侧开关102的导通和关断切换，将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。
本领域一般技术人员应该明白，图1所示实施例中，高侧开关101和低侧开关102不局限于MOSFET，在其他实施例中，高侧开关101和低侧开关102还可以是其他任何可控的半导体开关器件，如结型场效应晶体管(JFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。此外，开关电路10被示意为一个降压型(BUCK)变换电路，在其他实施例中，开关电路10可以包括其他适合的电路拓扑结构。
在图1所示实施例中，反馈电路20耦接至开关电路10并产生一个反馈信号FB。反馈信号FB可以包括一个反馈电压信号，也可以包括一个反馈电流信号或者同时包括一个反馈电压信号和一个反馈电流信号。反馈电压信号为一个输出反馈电压信号，反馈电流信号可以包括电感电流反馈信号或开关电流反馈信号。
在图1所示实施例中，过零检测电路30用于检测流过电感103的电感电流iL，并将电感电流iL与一个降噪阈值电流比较。
当高侧开关101导通，低侧开关102关断期间，节点SW处的节点电压VSW＝VIN-iL*RDSON1，其中，RDSON1为高侧开关101的导通电阻，节点电压VSW随电感电流iL的增大而减小。由于高侧开关101的导通电阻RDSON1的值较小，因此在高侧开关101导通，低侧开关102关断期间，节点电压VSW的值为接近于输入电压VIN的正值。当高侧开关101关断，低侧开关102导通期间，节点电压VSW＝-iL*RDSON2，其中，RDSON2为低侧开关102的导通电阻，随电感电流iL的减小而增大。由于低侧开关102的导通电阻RDSON2较小，因此在高侧开关101关断，低侧开关102导通期间，节点电压VSW的值为接近零的负值。当电感电流iL等于零后，如果低侧开关102继续导通，则电感电流iL反向，输出电容104通过低侧开关102放电，节点电压VSW＝iL*RDSON2，随电感电流iL的反向增大而增大。因此，在一个实施例中，节点电压信号VSW可以代表电感电流iL的值。过零检测电路30将节点电压信号VSW与一个代表降噪阈值电流的降噪阈值电压比较，产生一个过零信号ZCD。一旦节点电压信号VSW等于降噪阈值电压(即电感电流iL等于降噪阈值电流)，过零信号ZCD用于关断低侧开关102。
过零检测电路30还用于接收反馈信号FB，并根据反馈信号FB产生降噪阈值电压。与传统的过零阈值电压不同，这里的降噪阈值电压代表的降噪阈值电流iTH0并不意味着电感电流iL过零关断值，而是电感电流iL过零后反向增大后到达的一个值。降噪阈值电压是一个变化的值，用于决定输出电容104通过低侧开关102放电的时间。降噪阈值电压的值越大，输出电容104通过低侧开关102放电的时间越长。在一个实施例中，降噪阈值电流小于零。
在图1所示实施例中，计时器40用于设定降噪开关变换器100的阈值频率fTH。计时器40产生一个降噪时钟信号CLK_L，其中，该降噪时钟信号CLK_L的频率为阈值频率fTH，其值不小于20K赫兹。当降噪开关变换器100的开关频率降低到阈值频率fTH时，降噪时钟信号CLK_L用于将降噪开关变换器100的开关频率限定为阈值频率fTH。
在图1所示实施例中，变频控制模块50接收反馈信号FB、过零信号ZCD以及降噪时钟信号CLK_L，并根据反馈信号FB、过零信号ZCD以及降噪时钟信号CLK_L产生高侧控制信号SH和低侧控制信号SL，用于控制高侧开关101和低侧开关102的导通和关断切换，从而调节输出电压VOUT。
在一个实施例中，当降噪开关变换器100的开关频率高于阈值频率fTH时，降噪开关变换器100工作在变频模式，通过调节高侧控制信号SH和低侧控制信号SL的开关频率进而调节输出电压VOUT。因此，变频控制模块50包括一个脉宽频率调制(Pulse FrequencyModulation,PFM)的控制模块，例如恒定导通时间(Constant On Time，COT)控制模块。当降噪开关变换器100的开关频率低于阈值频率fTH时，变频控制模块50工作在恒频模式，通过降噪时钟信号CLK_L将高侧控制信号SH和低侧控制信号SL的频率固定为阈值频率fTH。
在一个实施例中，当降噪开关变换器100的开关频率大于阈值频率fTH时，降噪开关变换器100可以工作在变频和恒频两种模式。当负载为正常带载，高侧控制信号SH和低侧控制信号SL的开关频率恒定，变频控制模块50通过调节高侧控制信号SH和低侧控制信号SL的占空比进而调节输出电压VOUT，此时，变频控制模块50包括一个脉宽宽度调制(Pulse WidthModulation,PWM)的控制模块，例如峰值电流控制模块。当负载为轻载或空载时，变频控制模块50通过调节高侧控制信号SH和低侧控制信号SL的频率进而调节输出电压VOUT，此时，变频控制模块50还包括一个PFM控制模块。
在本发明申请公开的实施例中，由于降噪开关变换器100的最小开关频率被限定在人耳能听到的音频噪声频率之上(大于20K赫兹)，因此，本发明申请公开的实施例不会产生音频噪声。同时，由于降噪开关变换器100通过低侧开关102对输出电容104放电，因此可以降低输出电压VOUT。这样在轻载或空载情况下，可克服因为限制降噪开关变换器100的开关频率进一步降低而导致的输出电压VOUT比期望的输出电压高的缺陷。
图2所示为根据本发明一实施例的变频控制模块200的原理框图。在图2所示实施例中，当降噪开关变换器的开关频率大于阈值频率fTH时，变频控制模块200工作在变频模式，即通过调节降噪开关变换器的开关频率进而调节输出电压VOUT。因此，变频控制模块200包括一个PFM控制模块，在图2中示意为一个恒定导通时间控制的PFM模块。
如图2所示，变频控制模块200包括比较电路21、恒定导通时间产生电路22和逻辑电路23。
在图2所示实施例中，比较电路21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反馈电压信号VFB，第二输入端接收参考电压信号VREF，比较电路21比较反馈电压信号VFB和参考电压信号VREF的大小并输出一个比较信号CA。
在图2所示实施例中，恒定导通时间产生电路22用于产生一个恒定导通时间Ton。其中，当反馈电压信号VFB的值小于参考电压信号VREF时，比较信号CA用于导通高侧开关101；恒定导通时间Ton用于关断高侧开关101。在一个实施例中，恒定导通时间产生电路22可以用一个恒定关断时间(Constant Off Time)产生电路代替，产生一个恒定关断时间Toff。其中，恒定关断时间Toff用于导通高侧开关101，且当反馈电压信号VFB的值大于参考电压信号VREF时，比较信号CA用于关断高侧开关101。
在图2所示实施例中，逻辑电路23具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端和第二输出端，其中，第一输入端接收比较信号CA，第二输入端接收恒定导通时间Ton，第三输入端接收过零信号ZCD，以及第四输入端接收降噪时钟信号CLK_L。逻辑电路23将比较信号CA、恒定导通时间Ton、过零信号ZCD和降噪时钟信号CLK_L做逻辑运算，并在第一输出端和第二输出端分别输出高侧控制信号SH和低侧控制信号SL。
在图2所示实施例中，当降噪开关变换器的开关频率高于阈值频率fTH时，变频控制模块200通过调节高侧控制信号SH和低侧控制信号SL的开关频率进而调节输出电压VOUT。当降噪开关变换器的开关频率低于阈值频率fTH时，变频控制模块200通过降噪时钟信号CLK_L将高侧控制信号SH和低侧控制信号SL的频率固定在阈值频率fTH，与此同时，当电感电流iL降低到零后，变频控制模块200控制低侧开关102继续导通，使得电感电流iL反向。当过零信号ZCD有效时(即电感电流iL等于降噪阈值电流)，过零信号ZCD控制低侧控制信号SL关断低侧开关102。
图3所示为根据本发明一实施例的变频控制模块300的原理框图。如图3所示，变频控制模块300包括PWM控制模块31、PFM控制模块32和逻辑电路33。在图3所示实施例中，PFM控制模块32包括轻载判定模块，当轻载判定模块判定降噪开关变换器正常带载，PWM控制模块31工作，并根据接收的输出反馈电压信号VFB输出第一控制信号C1。其中，第一控制信号C1用于产生一个频率恒定的高侧控制信号SH和低侧控制信号SL。当降噪开关变换器轻载，降噪开关变换器从PWM控制模式进入PFM控制模式，PFM控制模块32工作。PFM控制模块32接收PWM控制模块输出的误差信号EA，并根据误差信号EA输出第二控制信号C2。其中，第二控制信号C2用于产生一个频率变化的高侧控制信号SH和低侧控制信号SL。
在图3所示实施例中，逻辑电路34具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端和第二输出端，其中，第一输入端接收第一控制信号C1，第二输入端接收第二控制信号C2，第三输入端接收降噪时钟信号CLK_L，第四输入端接收过零信ZCD。逻辑电路34将第一控制信号C1，第二控制信号C2、过零信号ZCD以及降噪时钟信号CLK_L做逻辑运算，并在第一输出端和第二输出端分别输出高侧控制信号SH和低侧控制信号SL。
在图3所示实施例中，当降噪开关变换器的开关频率高于阈值频率fTH时，变频控制模块300通过PWM控制模块32和PFM控制模块33共同调节输出电压VOUT。当降噪开关变换器的开关频率低于阈值频率fTH时，变频控制模块300通过降噪时钟信号CLK_L将高侧控制信号SH和低侧控制信号SL的频率固定在阈值频率fTH，与此同时，当电感电流iL降低到零后，变频控制模块300控制低侧开关102继续导通，使得电感电流iL反向，当过零信号ZCD有效时(即电感电流iL等于降噪阈值电流)，过零信号ZCD控制低侧控制信号SL关断低侧开关102。
图4为根据图3所示实施例的一变频控制模块400的电路原理图。
如图4所示，PWM控制模块31包括一个电压误差放大器41和电压比较器42。电压误差放大器41具有第一输入端、第二输入端和输出端。电压误差放大器41的第一输入端接收反馈电压信号VFB，第二输入端接收参考电压信号VREF，电压误差放大器41比较反馈电压信号VFB与参考电压信号VREF并将其差值放大，在输出端输出误差信号EA。电压比较器42具有第一输入端、第二输入端和输出端。电压比较器42的第一输入端接收误差信号EA，第二输入端接收代表采样电流的电压信号VCS，电压比较器42将误差信号EA与电压信号VCS比较，并在其输出端输出第一控制信号C1。
PFM控制模块32包括跨导放大器43和时钟信号发生器44。跨导放大器43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误差信号EA，第二输入端接收轻载阈值信号VTH_H，跨导放大器43将误差信号EA与轻载阈值信号VTH差值放大，并在输出端输出一个误差电流信号iCLK。时钟信号发生器44接收误差电流信号iCLK，并根据误差电流信号iCLK产生第二控制信号C2。在图4所示实施例中，第二控制信号C2即为逻辑电路33的初始时钟信号，该初始时钟信号用于设定降噪变换器的工作频率。
当误差信号EA大于轻载阈值信号VTH_H时,表示负载正常带载，误差电流信号iCLK控制时钟信号发生器44产生频率固定的第二控制信号C2，此时，第二控制信号C2的频率远大于阈值频率。当误差信号EA小于轻载阈值信号VTH_H时，表示负载轻载，误差电流信号iCLK控制时钟信号发生器44产生频率变化的第二控制信号C2。其中，第二控制信号C2的频率和误差电流信号iCLK的大小有关，误差电流信号iCLK越小，第二控制信号C2的频率越低。在一个实施例中，PFM控制模块32还包括一个轻载钳位模块，当误差信号EA小于一个轻载钳位信号时，误差信号被钳位，接下来在图7中会详细描述该模块功能。
图5所示为根据本发明一实施的降噪开关变换器500的电路原理图。其中，降噪开关变换器500中的变频控制模块50为图2所示变频控制模块200的一个具体实施例。
如图5所示，降噪开关变换器500包括开关电路10和控制电路，其中控制电路包括反馈电路20、过零检测电路30、计时器40和变频控制模块50。
开关电路10已经在图1所示实施例中详细描述，这里不再累述。
在图5所示实施例中，反馈电路20被示意为由电阻501和502组成的的分压网络，用于产生一个代表输出电压VOUT的反馈电压VFB。
在图5所示实施例中，过零检测电路30包括跨导放大器504、比较器505和电阻器506。跨导放大器504具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收反馈电压信号VFB，其第二输入端接收第一参考电压信号VREF1，跨导放大器504将反馈电压信号VFB和第一参考电压信号VREF1的差值放大，产生一个降噪阈值电流iTH0。与传统的过零阈值电流不同，这里的降噪阈值电流iTH0不代表电感电流iL过零关断值，而是电感电流iL过零后反向增大后到达的一个值。降噪阈值电流iTH0是一个变化的值，随着输出电压VOUT的变化而变化，用于决定输出电容104通过低侧开关102放电的时间，等同于给降噪开关变换器500额外增加了一个负载。降噪阈值电流iTH0值越大，输出电容104通过低侧开关102放电的时间越长，即额外增加的负载越大。当降噪开关变换器500的负载为轻载或空载时，为了避免音频噪音，开关频率不再继续降低，而是被限制在阈值频率fTH。因此输出电压VOUT会略高于正常输出电压值，因此第一参考电压信号VREF1的值应设置为略大于第二参考电压信号VREF2，其中，第二参考信号VREF2为降噪开关变换器500的一个参考电压值，其与期望的输出电压VOUT成比例。在一个实施例中，第一参考电压信号VREF1＝101％VREF2。在一个实施例中，电阻器506电连接在跨导放大器504的输出端和地之间，用于将降噪阈值电流iTH0转化为降噪阈值电压VTH0。
在一个实施例中，跨导放大器504和电阻器506也可以用一个差分放大器504代替，直接产生一个降噪阈值电压VTH0。
比较器505具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收降噪阈值电压VTH0，其第二输入端耦接节点SW，接收节点电压VSW。比较器505将节点电压VSW与降噪阈值电压VTH0比较，产生过零信号ZCD。过零信号ZCD为一个具有高低电平的逻辑信号。当电感电流iL反向增大后，节点电压VSW随着电感电流iL增大而增大，当节点电压VSW的值等于降噪阈值电压VTH0时，过零信号ZCD由逻辑高变成逻辑低，低侧开关102关断。
在图5所示实施例中，计时器40用于产生一个降噪时钟信号CLK_L，其中，该降噪时钟信号CLK_L的频率恒定，为降噪开关变换器100的阈值频率fTH，其值不小于20K赫兹，以此避免人耳能听到的噪音。在一个实施例中，计时器40可设置为40微秒计时器，产生25K赫兹的阈值频率fTH。当降噪开关变换器500的开关频率降低到阈值频率fTH时，降噪时钟信号CLK_L用于将降噪开关变换器500的开关频率限定为25K赫兹。
在图5所示实施例中，变频控制模块50包括比较电路21、恒定导通时间产生电路22和逻辑电路23。比较电路21和恒定时间产生电路的功能与图2所示变频控制模块200中的一样，其中，比较电路21被示意为一个电压比较器503。
逻辑电路23包括或门506、触发器507和与门508。或门506的一端耦接比较电路21的输出端接收比较信号CA；或门506的另一端耦接计时器40的输出端接收降噪时钟信号CLK_L；或门506对比较信号CA和降噪时钟信号CLK_L做或逻辑运算，并输出一个置位信号SET。触发器507的置位端耦接或门506的输出端接收置位信号SET；触发器507的复位端耦接恒定导通时间产生电路22的输出端接收恒定导通时间信号Ton。触发器507的第一输出端耦接至高侧开关101的栅极，提供高侧控制信号SH；触发器507的第二输出端耦接至与门508的一端，提供与高侧控制信号SH逻辑互补的控制信号SL1。与门508的另一端耦接比较电路505的输出端接收过零信号ZCD，与门508对控制信号SL1和过零信号ZCD做与逻辑运算，并在输出端输出低侧控制信号SL至低侧开关102的栅极。
图6所示为根据本发明一实施的降噪开关变换器500的工作波形示意图。图6所示波形图从上至下分别为电感电流iL波形、高侧控制信号SH波形和低侧控制信号SL波形。当降噪开关变换器500正常带载状态下(t1-t2)，开关频率f大于阈值频率fTH，电感电流iL连续；高侧控制信号SH的占空比为D；低侧控制信号SL与高侧控制信号SH逻辑互补(占空比为1-D)。当降噪开关变换器500进入轻载状态后，开关频率f持续降低，电感电流iL断续。当开关频率f降低到阈值频率fTH后(t3时刻以后)，开关频率f被限制在阈值频率fTH。与传统的开关变换器相比，降噪开关变换器500在电感电流iL降低为零时(t4时刻)，并未关断低侧开关102，低侧开关102继续导通，电感电流反iL反向，当电感电流iL反向增大到降噪阈值电流iTH0时(t5时刻)，低侧开关102被关断。
图7所示为根据本发明一实施的降噪开关变换器700的电路原理图。其中，降噪开关变换器700中的变频控制模块50为图3所示变频控制模块300的一个具体实施例。
如图7所示，降噪开关变换器700包括开关电路10和控制电路，其中控制电路包括反馈电路、过零检测电路30和变频控制模块50。
开关电路10已经在图1所示实施例中详细描述，这里不再累述。
与图5所示降噪开关变换器500不同地是，降噪开关变换器700中的反馈电路包括电压反馈电路和电流反馈电路。电压反馈电路采样输出电压VOUT并产生一个反馈电压信号VFB；电流反馈电路采样电流并产生一个代表采样电流的电压信号VCS。在图5所示实施例中，电流反馈电路采样电感电流信号。在另一个实施例中，电流反馈电路可以采样开关电流等其他合适的电流信号。
在图7所示实施例中，变频控制模块50包括PWM控制模块31、PFM控制模块32和逻辑电路33。PWM控制模块31与图4所示实施例中的PWM控制模块31的结构功能，这里不再累述。
在图7所示实施例中，PFM控制模块32不仅包括如图4所示实施例中的跨导放大器43和时钟信号发生器44，还包括比较器71、降噪开关72和电流镜73。比较器71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误差信号EA，第二输入端接收轻载钳位信号VTH_L，比较器71将误差信号EA与轻载钳位信号VTH_L比较，并在输出端输出一个钳位控制信号CL。降噪开关72一端连接电流镜73，另一端耦接误差放大器41的输出端，降噪开关72的控制端接收钳位控制信号CL。电流镜73提供轻载钳位电流。当误差信号EA降低到轻载钳位信号VTH_L时，钳位控制信号CL导通降噪开关72，轻载钳位电流送至误差放大器41的输出端，钳位误差放大器41。与此同时，钳位电流同时可作为降噪阈值电流iTH0。
与图5所示降噪开关变换器500不同地是，在图7所示实施例中，计时器40不再需要。当误差信号EA降低到轻载钳位信号VTH_L时，误差电流信号iCLK控制时钟信号发生器44产生的第二控制信号C2等同于降噪开关变换器500中计时器40产生的降噪时钟信号CLK_L，此时，第二控制信号C2的频率为恒定的阈值频率fTH。通过设置轻载钳位电流来设置阈值频率fTH，使其值不小于20K赫兹，以此避免产生人耳能听到的噪音。在一个实施例中，阈值频率fTH为25K赫兹。
在图7所示实施例中，过零检测电路30包括变频控制模块50中的误差放大器41、比较器71、降噪开关72和电流镜73。误差放大器41、比较器71、降噪开关72和电流镜73通过接受反馈电压信号VFB产生降噪阈值电流iTH0。过零检测电路30还包括比较器74和电阻器75。比较器74具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收降噪阈值电压VTH0，其第二输入端耦接开关电路10中的节点SW，接收节点电压VSW。比较器74将节点电压VSW与降噪阈值电压VTH0比较，产生过零信号ZCD。过零信号ZCD为一个具有高低电平的逻辑信号。当电感电流iL反向增大后，节点电压VSW随着电感电流iL增大而增大，当节点电压VSW的值增大到降噪阈值电压VTH0时，过零信号ZCD由逻辑高变成逻辑低，低侧开关102关断。如图8所示为根据本发明一实施的一种开关变换器的降噪控制方法800。控制方法800可用于前图1-7所示实施例中的降噪变换器。
如图1-7所述，当降噪开关变换器的开关频率高于阈值频率fTH时，降噪开关变换器工作在变频模式，通过调节高侧控制信号和低侧控制信号的开关频率进而调节输出电压。当降噪开关变换器的开关频率低于阈值频率时，降噪开关变换器工作在恒频模式，通过降噪时钟信号将高侧控制信号和低侧控制信号的频率固定为阈值频率。
在一个实施例中，当降噪开关变换器的开关频率大于阈值频率时，降噪开关变换器可以工作在变频和恒频两种模式。当负载为正常带载，高侧控制信号和低侧控制信号的开关频率恒定，变频控制模块通过调节高侧控制信号和低侧控制信号的占空比进而调节输出电压。当负载为轻载或空载时，变频控制模块通过调节高侧控制信号和低侧控制信号的频率进而调节输出电压。
该降噪控制方法800包括步骤801-806。
步骤801，判定开关变换器的开关频率是否降低到阈值频率fTH。如果开关频率等于阈值频率fTH，转至步骤802，否者继续判定开关变换器的开关频率是否降低到阈值频率fTH。
步骤802，将降噪开关变换器的开关频率固定在阈值频率fTH。
步骤803，检测流过开关变换器中输出电感的电感电流，并提供一个代表电感电流的电压信号。
步骤804，根据反馈信号产生降噪阈值电流。在一个实施例中，反馈信号包括一个反馈电压信号VFB。与传统的过零阈值电流不同，这里的降噪阈值电流iTH0不代表电感电流iL过零关断值，而是电感电流iL过零后反向增大后到达的一个值。降噪阈值电流iTH0是一个变化的值，随着输出电压VOUT的变化而变化，用于决定输出电容(如输出电容104)通过低侧开关(如低侧开关102)放电的时间，等同于给降噪开关变换器额外增加了一个负载。降噪阈值电流iTH0的值越大，输出电容通过低侧开关放电的时间越长，即额外增加的负载越大。
步骤805，判断电感电流是否等于降噪阈值电流，当电感电流降低到降噪阈值电流时，转至步骤806。在一个实施例中，步骤806包括将代表电感电流的电压信号与代表降噪阈值电流的降噪阈值电压比较，判断电感电流的电压信号是否等于代表降噪阈值电流的降噪阈值电压。
步骤806，关断低侧开关(如低侧开关102)。
需要说明的是，步骤805被示意在步骤804之后，步骤804被示意在步骤803之后，步骤803被示意在步骤802之后，实际上，步骤802、803、804和805可以同时进行。
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 (19)

1.一种用于开关变换器的降噪控制电路，其中所述开关变换器包括高侧开关和低侧开关，所述降噪控制电路包括：
计时器，产生一个具有阈值频率的降噪时钟信号；
过零检测模块，用于检测流过开关变换器输出电感的电感电流，还用于接收反馈信号，并根据接收的反馈信号产生降噪阈值电流，该过零检测模块将电感电流与降噪阈值电流比较，产生过零信号；以及
变频控制模块，接收降噪时钟信号、反馈信号和过零信号，当开关变换器的开关频率大于阈值频率时，变频控制模块根据反馈信号产生频率可变的高侧控制信号和低侧控制信号，分别用于控制高侧开关和低侧开关的导通和关断切换；当开关变换器的开关频率降低到阈值频率时，变频控制模块根据降噪时钟信号将高侧控制信号和低侧控制信号的频率固定为阈值频率；当电感电流反向增大到降噪阈值电流时，变频控制模块根据过零信号关断低侧开关。
2.如权利要求1所述的降噪控制电路，其中，所述降噪阈值电流的值决定开关变换器中输出电容通过低侧开关放电的时间。
3.如权利要求1所述的降噪控制电路，其中，所述反馈信号包括反馈电压信号和反馈电流信号，其中，过零检测模块接收反馈电压信号，并根据反馈电压信号产生所述降噪阈值电流，降噪阈值电流为一个变化值，跟随反馈电压信号的变化而变化。
4.如权利要求1所述的降噪控制电路，其中所述阈值频率大于人耳能听到的音频噪音频率。
5.如权利要求1所述的降噪控制电路，其中所述阈值频率等于25K赫兹。
6.如权利要求1所述的降噪控制电路，其中，所述反馈信号包括反馈电压信号和反馈电流信号，其中，变频控制模块包括：
比较电路，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反馈电压信号，第二输入端接收第一参考电压信号，比较电路比较反馈电压信号和第一参考电压信号的大小，并输出比较信号；
恒定导通时间产生电路，用于产生一个恒定导通时间信号；以及
逻辑电路，接收比较信号、恒定导通时间信号、过零信号和降噪时钟信号，逻辑电路将比较信号、恒定导通时间信号、过零信号以及降噪时钟信号做逻辑运算，并分别输出高侧控制信号和低侧控制信号。
7.如权利要求6所述的降噪控制电路，其中逻辑电路包括：
或逻辑门，接收比较信号和降噪时钟信号，并对比较信号和降噪时钟信号做或逻辑运算，输出一个置位信号；
触发器，具有置位端、复位端、第一输出端和第二输出端，置位端接收置位信号，复位端接收恒定导通时间信号，触发器的第一输出端提供高侧控制信号，触发器的第二输出端提供与高侧控制信号逻辑互补的第三控制信号；以及
与逻辑门，接收第三控制信号和过零信号，并对第三控制信号和过零信号做与逻辑运算，输出低侧控制信号。
8.如权利要求6所述的降噪控制电路，其中，所述过零检测模块包括：
差分放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，差分放大器的第一输入端接收反馈电压信号；差分放大器的第二输入端接收第二参考电压信号，差分放大器将反馈电压信号和第二参考电压信号的差值放大，产生代表降噪阈值电流的降噪阈值电压，其中，第二参考电压信号大于第一参考电压信号；以及
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接收降噪阈值电压，比较器的第二输入端耦接高侧开关和低侧开关的公共节点，接收代表电感电流的节点电压，比较器比较节点电压和降噪阈值电压的大小，并产生过零信号，当节点电压等于降噪阈值电压时，过零信号用于关断低侧开关。
9.如权利要求6所述的降噪控制电路，其中，所述过零检测模块包括：
跨导放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收反馈电压信号，其第二输入端接收第二参考电压信号，跨导放大器将反馈电压信号和第二参考电压信号的差值放大，产生降噪阈值电流，其中，第二参考电压信号大于第一参考信号；
电阻器，电连接在跨导放大器的输出端和地之间，用于将降噪阈值电流转化为降噪阈值电压；以及
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接收降噪阈值电压，比较器的第二输入端耦接高侧开关和低侧开关的公共节点，接收代表电感电流的节点电压，比较器将节点电压与降噪阈值电压比较，产生过零信号。
10.如权利要求1所述的降噪控制电路，其中所述变频控制模块包括：
脉冲宽度调制模块，接收反馈信号，并根据反馈信号产生误差信号和频率恒定的第一控制信号；
脉冲频率调制模块，接收误差信号，并根据误差信号产生频率可变的第二控制信号；以及
逻辑电路，接收第一控制信号、第二控制信号、降噪时钟信号和过零信号，逻辑电路将第一控制信号、第二控制信号、降噪时钟信号和过零信号做逻辑运算，并在第一输出端和第二输出端分别输出高侧控制信号和低侧控制信号。
11.如权利要求10所述的降噪控制电路，其中所述反馈信号包括反馈电压信号和反馈电流信号，所述脉冲宽度调制模块包括：
电压误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，电压误差放大器的第一输入端接收反馈电压信号，第二输入端接收第一参考电压信号，电压误差放大器将反馈电压信号与第一参考电压信号的差值放大，并在输出端输出误差信号；以及
第一电压比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一电压比较器的第一输入端接收误差信号，第一电压比较器的第二输入端接收反馈电流信号，第一电压比较器将误差信号与反馈电流信号比较，并在其输出端输出第一控制信号。
12.如权利要求11所述的降噪控制电路，其中所述脉冲频率调制模块包括：跨导放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，跨导放大器的第一输入端接收误差信号，跨导放大器的第二输入端接收轻载阈值信号，跨导放大器将误差信号与轻载阈值信号的差值放大，并在输出端输出一个误差电流信号；以及
时钟信号发生器，接收误差电流信号，并根据误差电流信号产生第二控制信号；其中，
当误差信号大于轻载阈值信号时,误差电流信号控制时钟信号发生器产生具有固定的第一频率的第二控制信号；当误差信号小于轻载阈值信号时，误差电流信号控制时钟信号发生器产生具有变化的第二频率的第二控制信号，其中，第一频率大于第二频率。
13.如权利要求12所述的降噪控制电路，其中所述脉冲频率调制模块进一步包括：
第二电压比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，第二电压比较器的第一输入端接收误差信号，第二电压比较器的第二输入端接收轻载钳位信号，第二电压比较器将误差信号与轻载钳位信号比较，并在输出端输出一个钳位控制信号，其中，轻载钳位信号小于轻载阈值信号；
电流镜，产生钳位电流；以及
钳位开关，具有第一端、第二端和控制端，钳位开关的第一端耦接电流镜，钳位开关的第二端耦接误差放大器的输出端，钳位开关的控制端接收轻载钳位信号，当误差信号降低到轻载钳位信号时，钳位控制信号导通钳位开关。
14.如权利要求13所述的降噪控制电路，其中所述过零检测模块包括：
电阻器，电连接在电流镜和地之间，用于将钳位电流转化为降噪阈值电压；以及
第三比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，第三比较器的第一输入端接收降噪阈值电压，第三比较器的第二输入端耦接高侧开关和低侧开关的公共节点，接收代表电感电流的节点电压，比较器将节点电压与降噪阈值电压比较，产生过零信号。
15.一种降噪开关变换器，其中所述降噪开关变换器包括如权利要求1-14所述的降噪控制电路。
16.一种用于开关变换器的降噪控制方法，其中所述开关变换器包括高侧开关和低侧开关，所述降噪控制方法包括：
判定开关变换器的开关频率是否降低到阈值频率；
当开关频率小于阈值频率，将开关变换器的工作频率固定在阈值频率；
检测流过开关变换器中输出电感的电感电流；
根据反馈信号产生降噪阈值电流；
判定电感电流是否等于降噪阈值电流；以及
当电感电流等于降噪阈值电流时，关断低侧开关。
17.如权利要求16所述的降噪控制方法，其中，所述降噪阈值电流的值决定开关变换器中输出电容通过低侧开关放电的时间。
18.如权利要求16所述的降噪控制电路，其中，所述反馈信号包括反馈电压信号，所述降噪阈值电流为一个跟随反馈电压信号的变化的变化值，其中，所述降噪阈值电流的值决定开关变换器中输出电容通过低侧开关放电的时间。
19.如权利要求16所述的降噪控制电路，其中所述阈值频率大于人耳能听到的音频噪音频率。
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