CN106208697A - 升压降压型开关功率变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种升压降压型开关功率变换器的控制电路和控制方法。该控制电路包括逻辑控制单元，用于接收跳频控制信号和跨零指示信号，在该跳频控制信号控制该升压降压型开关功率变换器进入跳频模式且该跨零指示信号指示该升压降压型开关功率变换器的输出电感电流跨零时，将升压降压型开关功率变换器中串联耦接于其输入端和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关中的第二功率开关导通，或者将串联耦接于其输出端和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关中的第三功率开关导通，或者将该第二功率开关和第三功率开关同时导通。从而保证升压降压型开关功率变换器的自举电压及时刷新且不引起升压降压型开关功率变换器的输出电压紊乱波动。

Description

升压降压型开关功率变换器及其控制电路和控制方法
技术领域
本公开的实施例涉及功率变换器，尤其涉及升压降压型开关功率变换器及其控制电路。
背景技术
升压降压型开关功率变换器可以将输入电压转换为高于、等于或低于该输入电压的输出电压，可以工作在较宽的输入电压变化范围内。因此在电源领域得到了广泛应用。
图1示出了一种常见的升压降压型开关功率变换器中的功率开关的拓扑结构10。该功率开关的拓扑结构10包括四个功率开关SWA、SWB、SWC和SWD。第一功率开关SWA和第二功率开关SWB串联耦接于输入端IN和参考地GND之间，第一功率开关SWA和第二功率开关SWB的公共耦接端形成第一开关节点SW1。第三功率开关SWC和第四功率开关SWD串联耦接于输出端OUT和参考地GND之间，第三功率开关SWC和第四功率开关SWD的公共耦接端形成第二开关节点SW2。第一开关节点SW1和第二开关节点SW2之间耦接电感L。升压降压型开关功率变换器通常还包括控制电路，用于为拓扑结构10中的功率开关SWA、SWB、SWC和SWD的控制端GA、GB、GC和GD提供控制信号，以控制每个开关各自的导通和关断切换，从而将输入电压Vin转换为合适的输出电压Vo。
控制电路中一般还包括用于驱动每个功率开关SWA、SWB、SWC和SWD的驱动器，图1中示意出了第一功率开关SWA和第四功率开关SWD的驱动器DRA和DRD。对于第一功率开关SWA和第四功率开关SWD采用N沟道功率开关器件(例如N沟道FET、N沟道DMOS等)的情形，通常需要提供自举电路，例如图1中示意的耦接于第一自举端BST1与第一开关节点SW1之间的第一自举电容CB1和耦接于第二自举端BST2与第二开关节点SW2之间的第二自举电容CB2，用于分别以SW1和SW2节点的电压为参考电势产生第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2。该第一自举电压VBST1和该第二自举电压VBST2分别用于提升/增强由驱动器DRA和DRD为第一功率开关SWA和第四功率开关SWD的控制端GA和GD提供的控制信号DR1和DR4的驱动能力，从而很好地控制第一功率开关SWA和第四功率开关SWD的导通和关断。
第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2可以分别通过对第一自举电容CB1和第二自举电容CB2充电得到。然而在某些工作状态下(如升压降压型开关功率变换器工作在负载较轻或者空载的情况下)，可能由于第一自举电容CB1和第二自举电容CB2上的电荷不足而又不能及时被充电到足够的水平，而导致第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2下降，不足以使第一功率开关SWA和第四功率开关SWD正常导通和关断，升压降压型开关功率变换器也因此不能正常工作。因此，通常在第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2下降至低于设定阈值时，则需要对第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2进行刷新，即：把第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2充电(例如通过对第一自举电容CB1和第二自举电容CB2充电)至恢复到正常期望值。
在跳频模式下，通常当流过电感L的电感电流IL跨零时则将四个功率开关SWA、SWB、SWC和SWD均关断，此时第一开关节点SW1和第二开关节点SW2处的电压将振荡或者处于悬浮电势(可能为高电位例如Vin也可能为低电位例如GND)。在这种情况下，若刚好需要对第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2进行刷新，则采用例如发明专利ZL201210315162.5公开的自举电压刷新方案，令第一功率开关SWA和第二功率开关SWB进行频率大致恒定的导通和关断切换和/或令第三功率开关SWC和第四功率开关SWD进行频率大致恒定的导通和关断切换以为第一自举电容CB1和/或第二自举电容CB2充电会导致开关节点SW1和/或开关节点SW2处的电压出现高频振荡，不仅不能成功对第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2进行刷新，而且会导致升压降压型开关功率变换器的输出电压Vo紊乱波动。图2示出了一种现有的升压降压型开关功率变换器在跳频模式下并且电感电流IL跨零后保持四个功率开关SWA、SWB、SWC和SWD均关断的情形下进行自举电压刷新时的仿真波形示意图。由图2可见，在对第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2进行刷新的过程中，SW1和SW2节点处的电压VSW1和VSW2会出现振荡，引起输出电压Vo紊乱。
发明内容
针对现有技术中的一个或多个问题，本公开的实施例提供一种升压降压型开关功率变换器及控制电路和控制方法。
升压降压型开关功率变换器可以包括串联耦接于该升压降压型开关功率变换器的输入端和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关以及串联耦接于该升压降压型开关功率变换器的输出端和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关，该第一功率开关和第二功率开关的公共耦接点构成第一开关节点，该第三功率开关和第四功率开关的公共耦接点构成第二开关节点。
在本公开的一个方面，提出了一种用于控制升压降压型开关功率变换器的控制电路。该控制电路包括逻辑控制单元，用于接收跳频控制信号和跨零指示信号，并且在所述跳频控制信号控制该升压降压型开关功率变换器进入跳频模式且所述跨零指示信号指示该升压降压型开关功率变换器的输出电感电流跨零时，将所述第二功率开关导通，或者将所述第三功率开关导通，或者将所述第二功率开关和所述第三功率开关同时导通。
在一个实施例中，该控制电路可以进一步包括：跳频控制单元，用于将表征该升压降压型开关功率变换器的负载状态的负载状态表征信号与跳频阈值比较以输出所述跳频控制信号，若该负载状态表征信号小于该跳频阈值，则该跳频控制信号控制该升压降压型开关功率变换器进入跳频模式；和跨零检测单元，用于将表征所述输出电感电流的电感电流表征信号与跨零阈值比较以输出所述跨零指示信号，若该电感电流表征信号达到所述跨零阈值时，所述跨零指示信号指示该输出电感电流跨零。
在本公开的另一方面，提出了一种包括本公开各实施例的控制电路的升压降压型开关功率变换器。该升压降压型开关功率变换器还可以包括自举电路，包含耦接于第一自举端与第一开关节点之间的第一自举电容和耦接于第二自举端与第二开关节点之间的第二自举电容。当该升压降压型开关功率变换器进入跳频模式且所述跨零指示信号指示该升压降压型开关功率变换器的输出电感电流跨零时，将第二功率开关和/或第三功率开关导通可以将第一开关节点电压和第二开关节点电压拉低，使第一开关节点电压和第二开关节点电压不再是振荡或者处于悬浮电势，并且可以对第一自举电容和第二自举电容充电，不仅能保证对第一自举电压和第二自举电压的及时刷新，而且能保证升压降压型开关功率变换器的输出电压平稳。
在本公开的再一方面，提出了一种控制升压降压型开关功率变换器的方法，包括：判定升压降压型开关功率变换器是否进入跳频模式；判定升压降压型开关功率变换器的输出电感电流是否跨零；以及在升压降压型开关功率变换器进入跳频模式且其输出电感电流跨零时，将该升压降压型开关功率变换器的第二功率开关和/或第三功率开关导通。
附图说明
下面的附图有助于更好地理解接下来对本公开不同实施例的描述。这些附图并非按照实际的特征、尺寸及比例绘制，而是示意性地示出了本公开一些实施方式的主要特征。这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本公开的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
图1示出了一种常见的升压降压型开关功率变换器中的功率开关的拓扑结构10；
图2示出了一种现有的升压降压型开关功率变换器在跳频模式下并且电感电流IL跨零后保持四个功率开关SWA、SWB、SWC和SWD均关断的情形下进行自举电压刷新时的仿真波形示意图；
图3示出了根据本公开一个实施例的升压降压型开关功率变换器100及其控制电路200的电路架构示意图；
图4示根据本公开一个变型实施例的跨零检测单元108的电路架构示意图；
图5示意出了一种控制升压降压型开关功率变换器的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将详细说明本公开的一些实施例。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如实施例中的具体电路结构和这些电路元件的具体参数，都用于对本公开的实施例提供更好的理解。本技术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况下，本公开的实施例也可以被实现。
在本公开的说明书中，提及“一个实施例”时均意指在该实施例中描述的具体特征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本公开的一个实施例中。因而，在本公开的说明书中，若采用了诸如“根据本公开的一个实施例”、“在一个实施例中”等用语并不用于特指在同一个实施例中，若采用了诸如“在另外的实施例中”、“根据本公开的不同实施例”、“根据本公开另外的实施例”等用语，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的实施例中。本领域的技术人员应该理解，在本公开说明书的一个或者多个实施例中公开的各具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。另外，在本公开的说明书及权利要求中，“耦接”一词意指通过电气或者非电气的方式实现直接或者间接的连接。“一个”并不用于特指单个，而是可以包括复数形式。“在……中”可以包括“在……中”和“在……上”的含义。除非特别明确指出，“或”可以包括“或”、“和”及“或/和”的含义，并不用于特指只能选择几个并列特征中的一个，而是意指可以选择其中的一个或几个或其中某几个特征的组合。除非特别明确指出，“基于”一词不具有排它性，而是意指除了基于明确描述的特征之外，还可以基于其它未明确描述的特征。“电路”意指至少将一个或者多个有源或无源的元件耦接在一起以提供特定功能的结构。“信号”至少可以指包括电流、电压、电荷、温度、数据、压力或者其它类型的信号。若“晶体管”的实施例可以包括“场效应晶体管”或者“双极结型晶体管”，则“栅极/栅区”、“源极/源区”、“漏极/漏区”分别可以包括“基极/基区”、“发射极/发射区”、“集电极/集电区”，反之亦然。本领域的技术人员应该理解，以上罗列的对本公开中描述用语的解释仅仅是示例性的，并不用于对各用语进行绝对的限定。
图3示出了根据本公开一个实施例的升压降压型开关功率变换器100及其控制电路200的电路架构示意图。该升压降压型开关功率变换器100可以包括：输入端IN，用于接收输入电压Vin；输出端OUT，用于提供合适的输出电压Vo，以为负载供电并提供输出电流Io；开关单元，例如包括第一功率开关SWA、第二功率开关SWB、第三功率开关SWC和第四功率开关SWD，具有用于耦接所述输入端IN的第一端、用于耦接所述输出端OUT的第二端，以及用于接收控制信号(例如图3中的第一控制信号DR1、第二控制信号DR2、第三控制信号DR3和第四控制信号DR4)的控制端(例如图3中的第一控制端GA、第二控制端GB、第三控制端GC和第四控制端GD)，该开关单元被配置为基于控制信号(例如图3中的第一控制信号DR1、第二控制信号DR2、第三控制信号DR3和第四控制信号DR4)进行导通和关断切换，以将输入电压Vin转换为所述输出电压Vo；以及控制电路200，用于检测/接收表征输出电压Vo的第一反馈信号Vfb、反映输出电流Io的第二反馈信号Vcs和表征输出电压Vo的期望值的参考信号Vref。该控制电路200被构建用于至少基于所述第一反馈信号Vfb、第二反馈信号Vcs和参考信号Vref提供前述控制信号(例如图3中的第一控制信号DR1、第二控制信号DR2、第三控制信号DR3和第四控制信号DR4)至开关单元。
根据本公开的一个示例性实施例，升压降压型开关功率变换器100还可以包括容性储能元件Co，其一端耦接输出端OUT，另一端连接至参考地GND，用于对开关单元的输出(例如第一开关节点电压VSW1或第二开关节点电压VSW2)滤波(或者可以看作对输出电压Vo滤波)以使输出端OUT提供平滑的输出电压Vo。
根据本公开的一个示例性实施例，升压降压型开关功率变换器100还可以包括反馈电路，用于检测输出电压Vo并提供表征输出电压Vo的第一反馈信号Vfb。例如，图3中的反馈电路示意为包括串联耦接在输出端OUT与参考地GND之间的第一反馈电阻Rf1与第二反馈电阻Rf2，在该第一反馈电阻Rf1与第二反馈电阻Rf2的公共节点处提供第一反馈信号Vfb。在其它的实施例中，也可以采用其它合适的反馈电路，甚至也可以不包括反馈电路，而是可以通过直接反馈输出电压Vo以提供第一反馈信号Vfb。
根据本公开的一个示例性实施例，升压降压型开关功率变换器100还可以包括自举电路，例如图3中示意的耦接于第一自举端BST1与第一开关节点SW1之间的第一自举电容CB1和耦接于第二自举端BST2与第二开关节点SW2之间的第二自举电容CB2，用于分别以SW1和SW2节点的电压为参考电势产生第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2。该第一自举电压VBST1和该第二自举电压VBST2分别用于提升/增强由驱动器DR1和DR4为第一功率开关SWA和第四功率开关SWD的控制端GA和GD提供的控制信号DR1和DR4的驱动能力，从而很好地控制第一功率开关SWA和第四功率开关SWD的导通和关断。
根据本公开的一个示例性实施例，升压降压型开关功率变换器100的开关单元可以具有如下拓扑结构：第一功率开关SWA和第二功率开关SWB串联耦接于输入端IN和参考地GND之间，第一功率开关SWA和第二功率开关SWB的公共耦接端形成第一开关节点SW1；第三功率开关SWC和第四功率开关SWD串联耦接于输出端OUT和参考地GND之间，第三功率开关SWC和第四功率开关SWD的公共耦接端形成第二开关节点SW2。在一个示例性实施例中，第一开关节点SW1和第二开关节点SW2之间耦接感性储能元件Lo。在图3的示例性实施例中，第一至第四功率开关SWA、SWB、SWC和SWD均可以包括可控开关元件，例如示意为MOSFET。该第一至第四功率开关SWA、SWB、SWC和SWD可以分别具有各自的控制端，例如所述第一控制端GA、第二控制端GB、第三控制端GC和第四控制端GD，分别用于接收控制电路200提供的第一控制信号DR1、第二控制信号DR2、第三控制信号DR3和第四控制信号DR4。
根据本公开的一个示例性实施例，升压降压型开关功率变换器100的控制电路200在负载为正常带载或者重载时采用峰值电流控制脉冲宽度调制模式或者恒定导通时间控制模式对开关单元进行导通和关断切换控制。控制电路200还被构建在负载为轻载或者空载时采用跳频模式(PSM)对开关单元进行导通和关断切换控制以降低功耗。在一个实施例中，控制电路200至少提供例如图3中的第一控制信号DR1、第二控制信号DR2、第三控制信号DR3和第四控制信号DR4分别至开关单元中的第一功率开关SWA、第二功率开关SWB、第三功率开关SWC和第四功率开关SWD，以控制这些功率开关的导通和关断切换。根据本公开的一个示例性实施例，第一功率开关SWA和第二功率开关SWB构成第一组开关对(通常称为降压开关对)，第三功率开关SWC和第四功率开关SWD构成第二组开关对(通常称为升压开关对)。控制电路200被构建以控制该第一组开关对和第二组开关对相互独立地进行导通和关断切换。控制电路200可以根据输入电压Vin和输出电压Vo的相对大小调整该升压降压型开关功率变换器100至少工作于降压模式(例如若输入电压Vin高于输出电压Vo)、升压-降压模式(例如若输入电压Vin接近或等于输出电压Vo)和升压模式(例如若输入电压Vin降至低于输出电压Vo)。
根据本公开的一个示例性实施例，控制电路200采用的第二反馈信号Vcs可以通过检测流过功率开关SWA、SWB、SWC和SWD的开关电流或者通过检测流过感性储能元件Lo的电感电流IL获得，因而第二反馈信号Vcs正比于开关电流或者电感电流IL，并包含了开关电流或者电感电流IL的实时信息。图3中示意为控制电路200通过检测流过第二功率开关SWB的开关电流IB或第三功率开关SWC的开关电流IC获得第二反馈信号Vcs。
根据本公开的一个示例性实施例，控制电路200可以基于第一反馈信号和参考信号的差值以及跳频阈值判定升压降压型开关功率变换器100是否进入跳频模式。当然，这只是一种判定是否进入跳频模式的方案，应该理解在其它实施例中也可以采用其它技术方案，例如：该跳频阈值可以是设定的阈值，也可以是来自升压降压型开关功率变换器100其它电路模块的输出信号，例如来自非同步调制单元(Advanced Asynchronous Modulation，AAM)的输出信号。控制电路200还可以基于第二反馈信号Vcs与跨零阈值比较以判定升压降压型开关功率变换器100的电感电流IL是否跨零。本领域的技术人员应该理解这里的跨零阈值可以为零，也可以是非常接近零的值(例如在误差容限允许范围内考虑了电路元件的失调电压之后设定的跨零阈值)。
根据本公开的一个示例性实施例，在升压降压型开关功率变换器100进入跳频模式且电感电流IL跨零时，控制电路200还将第二功率开关SWB和/或第三功率开关SWC导通。这样第一开关节点SW1和第二开关节点SW2处的电压VSW1和VSW2将被拉低(例如到参考地电势GND)，使第一自举电容CB1和第二自举电容CB2可以被及时充电，从而保证第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2不低于允许的最小自举电压阈值。由于第一开关节点电压VSW1和第二开关节点电压VSW2不再是振荡或者处于悬浮电势，因而对第一自举电容CB1和/或第二自举电容CB2充电并不会引起开关节点SW1和/或开关节点SW2处的电压出现高频振荡，不仅能保证对第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2的及时刷新，而且能保证升压降压型开关功率变换器的输出电压Vo平稳。
以下将参考图3至图4对根据本公开实施例的升压降压型开关功率变换器100和控制电路200进行进一步说明。
根据本公开的一个示例性实施例，控制电路200可以是制作于单个芯片上的单晶片集成电路。在一个实施例中，控制电路200可以包括误差放大单元101，用于将第一反馈信号Vfb与参考信号Vref进行运算，以提供表征该第一反馈信号Vfb与该参考信号Vref之差值的差值放大信号Vcomp。
控制电路200还可以包括电流检测与斜坡补偿单元106，用于检测流过开关单元的开关电流(例如图3中示意为检测流过第二功率开关SWB的开关电流IB或流过第三功率开关SWC的开关电流IC)或者流过感性储能元件Lo的电感电流IL以产生第二反馈信号Vcs，并将该第二反馈信号Vcs进行斜坡补偿，以提供第一电流检测信号VCS1和第二电流检测信号VCS2，其中该第一电流检测信号VCS1表征了升压-降压型开关功率变换器100工作于降压模式/降压周期时的开关电流或者电感电流IL，该第二电流检测信号表征了升压-降压型开关功率变换器100工作于升压模式/升压周期时的开关电流或者电感电流IL。在图3的示例中，电流检测与斜坡补偿单元106示意为采用电流检测电阻RS和检测放大器CS实现该功能。该电流检测电阻RS可以在控制电路200外部提供，该电流检测电阻RS与第二功率开关SWB和/或第三功率开关SWC串联耦接，检测放大器CS的两个输入端分别耦接电流检测电阻RS的两端，其输出端提供所述第二反馈信号VCS。本领域的技术人员应该理解实现电流检测的电路有多种，其它实施例中也可采用现有的其它电流检测电路。电流检测与斜坡补偿单元106可以接收第一斜坡补偿信号RAMP1和第二斜坡补偿信号RAMP2，用于分别对第二反馈信号VCS进行补偿，采用第一斜坡补偿信号RAMP1对所述第二反馈信号Vcs进行补偿后得到所述第一电流检测信号VCS1，同时采用第二斜坡补偿信号RAMP2对所述第二反馈信号Vcs进行补偿后得到所述第二电流检测信号VCS2。。在一个实施例中，第二斜坡补偿信号RAMP2可以由第一斜坡补偿信号RAMP1叠加设定的偏压ΔV得到，使第一斜坡补偿信号RAMP1的峰值与第二斜坡补偿信号RAMP2的谷值相等。也就是说第一斜坡补偿信号RAMP1的峰值刚好与第二斜坡补偿信号RAMP2的谷值相碰，但第一斜坡补偿信号RAMP1与第二斜坡补偿信号RAMP2不交叠。在这种情况下也可以认为所述设定的偏压ΔV等于第一斜坡补偿信号RAMP1的幅值。因而，所述第一电流检测信号VCS1和所述第二电流检测信号VCS2之间也具有所述设定的偏压ΔV(即，第二电流检测信号VCS2也可看作由第一电流检测信号VCS1叠加所述设定的偏压ΔV得到)。
控制电路200还可以包括降压周期脉冲宽度调制单元102和升压周期脉冲宽度调制单元103。降压周期脉冲宽度调制单元102用于接收所述差值放大信号Vcomp和所述第一电流检测信号VCS1，并将该第一电流检测信号VCS1与差值放大信号Vcomp比较以输出第一脉冲宽度调制信号PWM1。升压周期脉冲宽度调制单元103用于接收所述差值放大信号Vcomp和所述第二电流检测信号VCS2，并将该第二电流检测信号VCS2与差值放大信号Vcomp比较以输出第二脉冲宽度调制信号PWM2。
根据本公开的一个示例性实施例，控制电路200还可以包括逻辑控制单元104。该逻辑控制单元104至少接收所述第一脉冲宽度调制信号PWM1、第二脉冲宽度调制信号PWM2和例如时钟信号CLK(在采用峰值电流控制脉冲宽度调制模式，如图3示意)或导通时间控制信号(在采用恒定导通时间控制模式，未图示，但本领域的技术人员应该熟知)，并至少基于该第一脉冲宽度调制信号PWM1、第二脉冲宽度调制信号PWM2和时钟信号CLK或恒定导通时间信号产生第一中间控制信号Q1、第二中间控制信号Q2、第三中间控制信号Q3和第四中间控制信号Q4。该时钟信号CLK可以由例如振荡器提供。该恒定导通时间控制信号可以由例如计时单元产生。第一至第四中间控制信号Q1～Q4分别被送至第一驱动器109、第二驱动器110、第三驱动器111和第四驱动器112后产生所述第一控制信号DR1、第二控制信号DR2、第三控制信号DR3和第四控制信号DR4。该第一至第四驱动器109～112分别用于增进第一至第四中间控制信号Q1～Q4的驱动能力，以使输出的第一至第四控制信号DR1～DR4具有足够驱动第一至第四功率开关SWA～SWD很好地导通和关断的能力(所谓很好地导通和关断一般指能使第一至第四功率开关SWA～SWD完全导通以及完全关断)。在一些实施例中，该第一至第四驱动器109～112也可以包含在逻辑控制单元104中而不再单独示意出。
根据本公开的一个示例性实施例，第一驱动器109的第一电源端耦接第一自举端BST1用于接收第一自举电压VBST1，其第二电源端耦接第一开关节点SW1用于接收第一开关节点电压VSW1，这样第一驱动器109可以将第一中间控制信号Q1分别以第一开关节点电压VSW1和第一开关节点电压VSW1加第一自举电压VBST1为参考低电位和参考高电位转换为第一控制信号DR1，则该第一控制信号DR1具有增进的驱动能力，可以保证第一功率开关SWA的控制端GA与第一开关节点SW1之间的电压差足够大，从而很好地控制第一功率开关SWA导通或关断。第二驱动器110的第一电源端耦接内部供电电压VCC(该内部供电电压可以由升压降压型开关功率变换器100内部的其它电路模块提供)，其第二电源端耦接参考地，这样第二驱动器110可以将第二中间控制信号Q2分别以参考地和内部供电电压VCC为参考低电位和参考高电位转换为第二控制信号DR2，以驱动第二功率开关SWB导通或关断。第三驱动器111的第一电源端耦接内部供电电压VCC，其第二电源端耦接参考地，这样第三驱动器111可以将第三中间控制信号Q3分别以参考地和内部供电电压VCC为参考低电位和参考高电位转换为第三控制信号DR3，以驱动第三功率开关SWC导通或关断。第四驱动器112的第一电源端耦接第二自举端BST2用于接收第二自举电压VBST2，其第二电源端耦接第二开关节点SW2用于接收第二开关节点电压VSW2，这样第四驱动器112可以将第四中间控制信号Q4分别以第二开关节点电压VSW2和第二开关节点电压VSW2加第二自举电压VBST2为参考低电位和参考高电位转换为第四控制信号DR4，则该第四控制信号DR4具有增进的驱动能力，可以保证第四功率开关SWD的控制端GD与第二开关节点SW2之间的电压差足够大，从而很好地控制第四功率开关SWD导通或关断。由此可见，必须保证第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2不低于允许的最小自举电压阈值以保证第一控制信号DR1和第四控制信号DR4的驱动能力足够大。
根据本公开的一个示例性实施例，控制电路200还可以包括跳频控制单元105。跳频控制单元105通过将表征负载状态的信号与跳频阈值VPSM比较以判定升压降压型开关功率变换器100是否该进入跳频模式并输出跳频控制信号PSM。在一个示例性的实施例中，如图3所示，可以采用所述差值放大信号Vcomp作为所述表征负载状态的信号，若该表征负载状态的信号小于跳频阈值VPSM，则表明升压降压型开关功率变换器100的负载为轻载或空载，跳频控制信号PSM控制该升压降压型开关功率变换器100进入跳频模式，以降低功耗。在一个实施例中，如图3示例，该跳频控制单元105可以包括跳频比较器，其一个输入端用于接收所述差值放大信号Vcomp，另一输入端用于接收跳频阈值VPSM，其输出端提供跳频控制信号PSM。本领域的技术人员应该理解采用所述差值放大信号Vcomp作为所述表征负载状态的信号仅仅是示例性的，还可以采用其它携带负载信息的信号作为所述表征负载状态的信号。
根据本公开的一个示例性实施例，控制电路200还可以包括跨零检测单元108。在第二功率开关SWB或第三功率开关SWC导通期间，该跨零检测单元108可以基于所述第二反馈信号Vcs与第一跨零阈值VZCD1比较以判断电感电流IL是否跨零，并产生第一跨零指示信号ZCD1，若所述第二反馈信号Vcs达到所述第一跨零阈值VZCD1则第一跨零指示信号ZCD1指示流过第二功率开关SWB或第三功率开关SWC的电流(亦即在第二功率开关SWB或第三功率开关SWC导通期间的电感电流IL)跨零。在第四功率开关SWD导通期间，该跨零检测单元108可以基于输出电压Vo与第二开关节点电压VSW2之差值与第二跨零阈值VZCD2比较以判断电感电流IL是否跨零，并产生第二跨零指示信号ZCD2，若所述输出电压Vo与第二开关节点电压VSW2之差值达到所述第二跨零阈值VZCD2则第二跨零指示信号ZCD2指示流过第四功率开关SWD的电流(亦即在第四功率开关SWD导通期间的电感电流IL)跨零。如图3示意，在一个实施例中，该跨零检测单元108示意为包括第一跨零比较器1081、第二跨零比较器1082和运算放大器1083。该第一跨零比较器1081用于分别在其第一输入端和第二输入端接收第二反馈信号Vcs和第一跨零阈值VZCD1，并在其输出端提供第一跨零指示信号ZCD1。该运算放大器1083用于分别在其第一输入端和第二输入端接收输出电压Vo(也可以是表征输出电压Vo的信号，例如对输出电压Vo分压之后得到的输出分压信号)与第二开关节点电压VSW2(也可以是表征第二开关节点电压VSW2的信号，例如对第二开关节点电压VSW2分压之后得到的第二开关节点分压信号)，计算输出电压Vo与第二开关节点电压VSW2的差值，并在其输出端提供表征输出电压Vo与第二开关节点电压VSW2之差值的第一差值信号Vd1。该第二跨零比较器1082用于分别在其第一输入端和第二输入端接收该第一差值信号Vd1和第二跨零阈值VZCD2，并在其输出端提供第二跨零指示信号ZCD2。在一个实施例中，跨零检测单元108还可以包括或逻辑电路1085，用于接收第一跨零指示信号ZCD1和第二跨零指示信号ZCD2，并对该第一跨零指示信号ZCD1和第二跨零指示信号ZCD2进行“或”逻辑运算以输出跨零指示信号ZCD。若第一跨零指示信号ZCD1指示流过第二功率开关SWB或第三功率开关SWC的电流跨零或第二跨零指示信号ZCD2指示流过第四功率开关SWD的电流跨零，则跨零指示信号ZCD指示电感电流IL跨零。在一个实施例中，该或逻辑电路1085也可以集成于逻辑控制单元104中。
在一个实施例中，如图4所示，在第四功率开关SWD导通期间，该跨零检测单元108也可以基于输入电压Vin与第一开关节点电压VSW1之差值与第三跨零阈值VZCD3比较以判断电感电流IL是否跨零，并产生第三跨零指示信号ZCD3。若所述输入电压Vin与第一开关节点电压VSW1之差值达到所述第三跨零阈值VZCD3则第三跨零指示信号ZCD3指示流过第一功率开关SWA的电流(亦即在第一功率开关SWA导通期间的电感电流IL)跨零。图4例子示意出的跨零检测单元108与图3实施例中的跨零检测单元108区别在于采用运算放大器1086替换运算放大器1083，该运算放大器1086用于分别在其第一输入端和第二输入端接收输入电压Vin(也可以是表征输入电压Vin的信号，例如对输入电压Vin分压之后得到的输入分压信号)与第一开关节点电压VSW1(也可以是表征第一开关节点电压VSW1的信号，例如对第一开关节点电压VSW1分压之后得到的第一开关节点分压信号)，计算输入电压Vin与第一开关节点电压VSW1的差值，并在其输出端提供表征输入电压Vin与第一开关节点电压VSW1之差值的第二差值信号Vd2。第二跨零比较器1082则分别在其第一输入端和第二输入端接收该第二差值信号Vd2和第三跨零阈值VZCD3，并在其输出端提供第三跨零指示信号ZCD3。或逻辑电路1085则接收第一跨零指示信号ZCD1和第三跨零指示信号ZCD3，并对该第一跨零指示信号ZCD1和第三跨零指示信号ZCD3进行“或”逻辑运算以输出跨零指示信号ZCD。若第一跨零指示信号ZCD1指示流过第二功率开关SWB或第三功率开关SWC的电流跨零或第三跨零指示信号ZCD3指示流过第一功率开关SWA的电流跨零，则跨零指示信号ZCD指示电感电流IL跨零。
根据本公开的一个示例性实施例，逻辑控制单元104进一步接收所述跳频控制信号PSM和所述跨零指示信号ZCD，并基于该跳频控制信号PSM和该跨零指示信号ZCD控制第二功率开关SWB和/或第三功率开关SWC。在一个实施例中，当所述跳频控制信号PSM控制该升压降压型开关功率变换器100进入跳频模式并且所述跨零指示信号ZCD指示电感电流IL跨零时，逻辑控制单元104控制第二功率开关SWB导通。这样第一开关节点电压VSW1被拉低(例如至地电位GND)，从而使第一自举电容CB1可以被充电，进而保证第一自举电压VBST1不低于允许的最小自举电压阈值。经过一段很短的时间后由于第二开关节点SW2可以通过经感性储能元件Lo和第二功率开关SWB到参考地GND的通路放电，因而第二开关节点电压VSW2也会被拉低(例如至地电位GND)，从而使第二自举电容CB2可以被充电，进而保证第二自举电压VBST2不低于允许的最小自举电压阈值。在一个实施例中，当所述跳频控制信号PSM控制该升压降压型开关功率变换器100进入跳频模式并且所述跨零指示信号ZCD指示电感电流IL跨零时，逻辑控制单元104控制第三功率开关SWC导通。这样第二开关节点电压VSW2被拉低(例如至地电位GND)，从而使第二自举电容CB2可以被充电，进而保证第二自举电压VBST2不低于允许的最小自举电压阈值。经过一段很短的时间后由于第一开关节点SW1可以通过经感性储能元件Lo和第三功率开关SWC到参考地GND的通路放电，因而第一开关节点电压VSW1也会被拉低(例如至地电位GND)，从而使第一自举电容CB1可以被充电，进而保证第一自举电压VBST1不低于允许的最小自举电压阈值。在一个实施例中，当所述跳频控制信号PSM控制该升压降压型开关功率变换器100进入跳频模式并且所述跨零指示信号ZCD指示电感电流IL跨零时，逻辑控制单元104也可以控制第二功率开关SWB和第三功率开关SWC同时导通，则第一开关节点电压VSW1和第二开关节点电压VSW2同时被拉低(例如至地电位GND)，从而使第一自举电容CB1和第二自举电容CB2可以及时被充电，进而保证第一自举电压VBST1和第二自举电压VBST2不低于允许的最小自举电压阈值。
根据本公开的一个实施例，逻辑控制单元104中可以包括与逻辑电路，用于对跳频控制信号PSM和跨零指示信号ZCD进行“与”逻辑运算后产生与逻辑信号，并基于该与逻辑信号实现对第二功率开关SWB和/或第三功率开关SWC的控制。本领域的技术人员应该理解逻辑控制单元104要实现在跳频模式且电感电流IL跨零时控制第二功率开关SWB和/或第三功率开关SWC导通可采用的电路结构有多种，并不限于此处举例的与逻辑电路。
图5示出了根据本公开一个实施例的控制升压降压型开关功率变换器的方法500的示意图。该升压降压型开关功率变换器(例如图3实施例示意的升压降压型开关功率变换器200)可以包括串联耦接于该升压降压型开关功率变换器的输入端和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关、串联耦接于该升压降压型开关功率变换器的输出端和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关。该第一功率开关和第二功率开关的公共耦接点构成第一开关节点，该第三功率开关和第四功率开关的公共耦接点构成第二开关节点。输出感性储能元件(例如图3示意的电感Lo)耦接于该第一开关节点和该第二开关节点之间，流过该输出感性储能元件的电流称作输出电感电流(例如图3示意的输出电感电流IL)。
所述控制升压降压型开关功率变换器的方法500包括：步骤501，判定升压降压型开关功率变换器是否进入跳频模式；步骤502，判定升压降压型开关功率变换器的输出电感电流是否跨零；步骤503，在升压降压型开关功率变换器进入跳频模式且其输出电感电流跨零时，将该升压降压型开关功率变换器的第二功率开关和/或第三功率开关导通。
根据本公开的一个实施例，在步骤501，判定升压降压型开关功率变换器是否进入跳频模式可以包括：步骤5011，检测升压降压型开关功率变换器的负载状态并提供表征其负载状态的负载状态表征信号；以及步骤5012将该负载状态表征信号与跳频阈值比较以提供跳频控制信号，当该负载状态表征信号小于跳频阈值时，该跳频控制信号控制该升压降压型开关功率变换器进入跳频模式。其中在步骤5011提供所述负载状态表征信号可以包括：检测该升压降压型开关功率变换器的输出电压并产生表征该输出电压的第一反馈信号；以及将该第一反馈信号与表征该输出电压的期望值的参考信号进行运算，以提供表征该第一反馈信号与该参考信号之差值的差值放大信号作为所述负载状态表征信号。
根据本公开的一个实施例在步骤502，判定升压降压型开关功率变换器的输出电感电流是否跨零可以包括：步骤5021，检测升压降压型开关功率变换器的输出电感电流并提供表征该输出电感电流的电感电流表征信号；以及步骤5022，将该电感电流表征信号与跨零阈值比较以提供跨零指示信号，当该电感电流表征信号达到该跨零阈值时，该跨零指示信号表征输出电感电流跨零。在一个实施例中，所述电感电流表征信号包括表征流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流的第二反馈信号和表征该升压降压型开关功率变换器的输出电压与第二开关节点电压之差值的第一差值信号。所述跨零阈值包括第一跨零阈值和第二跨零阈值。将该电感电流表征信号与跨零阈值比较包括将所述第二反馈信号和所述第一差值信号分别与该第一跨零阈值和第二跨零阈值比较以分别输出第一跨零指示信号和第二跨零指示信号。其中所述跨零指示信号包括所述第一跨零指示信号和所述第二跨零指示信号，若所述第二反馈信号达到所述第一跨零阈值则该第一跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零，若所述第一差值信号达到所述第二跨零阈值则该第二跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零。在另一实施例中，所述电感电流表征信号包括表征流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流的第二反馈信号和表征该升压降压型开关功率变换器的输入电压与第一开关节点电压之差值的第二差值信号。所述跨零阈值包括第一跨零阈值和第三跨零阈值。将该电感电流表征信号与跨零阈值比较包括将所述第二反馈信号和所述第二差值信号分别与该第一跨零阈值和第三跨零阈值比较以分别输出第一跨零指示信号和第三跨零指示信号。其中所述跨零指示信号包括所述第一跨零指示信号和所述第三跨零指示信号，若所述第二反馈信号达到所述第一跨零阈值则该第一跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零，若所述第二差值信号达到所述第三跨零阈值则该第三跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零。
根据本公开各实施例及其变形实施方式的控制电路200及升压降压型开关功率变换器100及其控制方法的有益效果不应该被认为仅仅局限于本公开以上所描述的。根据本公开各实施例的这些及其它有益效果可以通过阅读本公开的详细说明及研究各实施例的附图被更好地理解。
上述本公开的说明书和实施方式仅仅以示例性的方式对本公开实施例的控制电路及升压降压型开关功率变换器进行了说明，并不用于限定本公开的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他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。本公开所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本公开的精神和保护范围。

Claims (18)

1.一种控制电路，用于控制升压降压型开关功率变换器，其中该升压降压型开关功率变换器包括串联耦接于该升压降压型开关功率变换器的输入端和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关以及串联耦接于该升压降压型开关功率变换器的输出端和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关，该第一功率开关和第二功率开关的公共耦接点构成第一开关节点，该第三功率开关和第四功率开关的公共耦接点构成第二开关节点；该控制电路包括：
逻辑控制单元，用于接收跳频控制信号和跨零指示信号，并且在所述跳频控制信号控制该升压降压型开关功率变换器进入跳频模式且所述跨零指示信号指示该升压降压型开关功率变换器的输出电感电流跨零时，将所述第二功率开关导通，或者将所述第三功率开关导通，或者将所述第二功率开关和所述第三功率开关同时导通。
2.如权利要求1所述的控制电路，进一步包括：
跳频控制单元，用于将表征该升压降压型开关功率变换器的负载状态的负载状态表征信号与跳频阈值比较以输出所述跳频控制信号，若该负载状态表征信号小于该跳频阈值，则该跳频控制信号控制该升压降压型开关功率变换器进入跳频模式；和
跨零检测单元，用于将表征所述输出电感电流的电感电流表征信号与跨零阈值比较以输出所述跨零指示信号，若该电感电流表征信号达到所述跨零阈值时，所述跨零指示信号指示该输出电感电流跨零。
3.如权利要求2所述的控制电路，其中所述跳频控制单元包括：
跳频比较器，其一个输入端用于接收所述负载状态表征信号，另一输入端用于接收所述跳频阈值，其输出端提供所述跳频控制信号。
4.如权利要求2所述的控制电路，进一步包括：
误差放大单元，用于接收表征升压降压型开关功率变换器的输出电压的第一反馈信号和表征该输出电压期望值的参考信号，并将该第一反馈信号和该参考信号进行运算，以提供表征该第一反馈信号与该参考信号之差值的差值放大信号；其中
该差值放大信号用作所述负载状态表征信号。
5.如权利要求2所述的控制电路，其中所述电感电流表征信号包括表征流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流的第二反馈信号和表征该升压降压型开关功率变换器的输出电压与第二开关节点电压之差值的第一差值信号，所述跨零阈值包括第一跨零阈值和第二跨零阈值，所述跨零检测单元将所述第二反馈信号和所述第一差值信号分别与该第一跨零阈值和第二跨零阈值比较以分别输出第一跨零指示信号和第二跨零指示信号。
6.如权利要求5所述的控制电路，其中所述跨零指示信号包括所述第一跨零指示信号和所述第二跨零指示信号，若所述第二反馈信号达到所述第一跨零阈值则该第一跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零，若所述第一差值信号达到所述第二跨零阈值则该第二跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零。
7.如权利要求2所述的控制电路，其中所述跨零检测单元包括：
第一跨零比较器，用于在其第一输入端接收表征流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流的第二反馈信号，在其第二输入端接收所述第一跨零阈值，并在其输出端提供所述第一跨零指示信号，若所述第二反馈信号达到所述第一跨零阈值则该第一跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零；
第一运算放大器；用于分别在其第一输入端和第二输入端接收表征该升压降压型开关功率变换器的输出电压的信号和表征第二开关节点电压的信号，计算输出电压与第二开关节点电压的差值，并在其输出端提供表征输出电压与第二开关节点电压之差值的第一差值信号；和
第二跨零比较器，用于分别在其第一输入端和第二输入端接收该第一差值信号和第二跨零阈值，并在其输出端提供第二跨零指示信号，若所述第一差值信号达到所述第二跨零阈值则该第二跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零；其中
所述跨零指示信号包括所述第一跨零指示信号和所述第二跨零指示信号。
8.如权利要求2所述的控制电路，其中所述电感电流表征信号包括表征流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流的第二反馈信号和表征该升压降压型开关功率变换器的输入电压与第一开关节点电压之差值的第二差值信号，所述跨零阈值包括第一跨零阈值和第三跨零阈值，所述跨零检测单元将所述第二反馈信号和所述第二差值信号分别与该第一跨零阈值和第三跨零阈值比较以分别输出第一跨零指示信号和第三跨零指示信号。
9.如权利要求8所述的控制电路，其中所述跨零指示信号包括所述第一跨零指示信号和所述第三跨零指示信号，若所述第二反馈信号达到所述第一跨零阈值则该第一跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零，若所述第二差值信号达到所述第三跨零阈值则该第三跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零。
10.如权利要求2所述的控制电路，其中所述跨零检测单元包括：
第一跨零比较器，用于在其第一输入端接收表征流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流的第二反馈信号，在其第二输入端接收所述第一跨零阈值，并在其输出端提供所述第一跨零指示信号，若所述第二反馈信号达到所述第一跨零阈值则该第一跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零；
第二运算放大器；用于分别在其第一输入端和第二输入端接收表征该升压降压型开关功率变换器的输入电压的信号和表征第一开关节点电压的信号，计算输入电压与第一开关节点电压的差值，并在其输出端提供表征输入电压与第一开关节点电压之差值的第二差值信号；和
第三跨零比较器，用于分别在其第一输入端和第二输入端接收该第二差值信号和第三跨零阈值，并在其输出端提供第三跨零指示信号，若所述第二差值信号达到所述第三跨零阈值则该第三跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零；其中
所述跨零指示信号包括所述第一跨零指示信号和所述第三跨零指示信号。
11.一种升压降压型开关功率变换器，包括如权利要求1至10其中之一所述的控制电路。
12.如权利要求11所述的升压降压型开关功率变换器，还包括：
自举电路，包括耦接于第一自举端与第一开关节点之间的第一自举电容和耦接于第二自举端与第二开关节点之间的第二自举电容。
13.一种控制升压降压型开关功率变换器的方法，该升压降压型开关功率变换器包括串联耦接于该升压降压型开关功率变换器的输入端和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关以及串联耦接于该升压降压型开关功率变换器的输出端和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关，该方法包括：
判定升压降压型开关功率变换器是否进入跳频模式；
判定升压降压型开关功率变换器的输出电感电流是否跨零；以及
在升压降压型开关功率变换器进入跳频模式且其输出电感电流跨零时，将该升压降压型开关功率变换器的第二功率开关和/或第三功率开关导通。
14.如权利要求13所述的方法，其中判定升压降压型开关功率变换器是否进入跳频模式包括：
检测升压降压型开关功率变换器的负载状态并提供表征其负载状态的负载状态表征信号；以及
将该负载状态表征信号与跳频阈值比较以提供跳频控制信号，当该负载状态表征信号小于跳频阈值时，该跳频控制信号控制该升压降压型开关功率变换器进入跳频模式。
15.如权利要求14所述的方法，其中检测升压降压型开关功率变换器的负载状态并提供表征其负载状态的负载状态表征信号包括：
检测该升压降压型开关功率变换器的输出电压并产生表征该输出电压的第一反馈信号；以及
将该第一反馈信号与表征该输出电压的期望值的参考信号进行运算，以提供表征该第一反馈信号与该参考信号之差值的差值放大信号作为所述负载状态表征信号。
16.如权利要求13所述的方法，其中判定升压降压型开关功率变换器的输出电感电流是否跨零包括：
检测升压降压型开关功率变换器的输出电感电流并提供表征该输出电感电流的电感电流表征信号；以及
将该电感电流表征信号与跨零阈值比较以提供跨零指示信号，当该电感电流表征信号达到该跨零阈值时，该跨零指示信号表征输出电感电流跨零。
17.如权利要求13所述的方法，其中判定升压降压型开关功率变换器的输出电感电流是否跨零包括：
检测流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流以提供表征流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流的第二反馈信号；
将该第二反馈信号与第一跨零阈值比较以提供第一跨零指示信号，且当该第二反馈信号达到该第一跨零阈值时该第一跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零；
将表征该升压降压型开关功率变换器的输出电压的信号与表征所述第三功率开关和所述第四功率开关的公共耦接点处的电压的信号进行运算以提供第一差值信号；
将该第一差值信号与第二跨零阈值比较以提供第二跨零指示信号，且当该第一差值信号达到该第二跨零阈值时该第二跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零。
18.如权利要求13所述的方法，其中判定升压降压型开关功率变换器的输出电感电流是否跨零包括：
检测流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流以提供表征流过第二功率开关的电流或第三功率开关的电流的第二反馈信号；
将该第二反馈信号与第一跨零阈值比较以提供第一跨零指示信号，且当该第二反馈信号达到该第一跨零阈值时该第一跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零；
将表征该升压降压型开关功率变换器的输入电压的信号与表征所述第一功率开关和所述第二功率开关的公共耦接点处的电压的信号进行运算以提供第二差值信号；
将该第二差值信号与第三跨零阈值比较以提供第三跨零指示信号，且当该第二差值信号达到该第三跨零阈值时该第三跨零指示信号指示所述输出电感电流跨零。
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