CN109067179A - 集成电路、开关变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种集成电路、开关变换器及其控制方法，所述开关变换器包括多个交错并联支路，通过在负载由轻载跳变为重载的过程中控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠，本发明实施例可以提高负载动态响应性能。

Description

集成电路、开关变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种集成电路、开关变换器及其控制方法。
背景技术
在开关变换器中，为了减小功率器件的负担，提高电源的功率密度，减小输出电压纹波，使开关变换器的输出电压具有更高的质量，通常将多个支路以交错并联的方式连接，每个支路包括功率开关、整流开关和对应的储能元件，这些支路可以被称为开关变换器的交错并联支路。
由于开关变换器经常在空载、轻载和重载模式之间切换，因此，提高具有多相交错并联支路的开关变换器的负载动态响应性能是极为重要的。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种集成电路、开关变换器及其控制方法，以提高负载动态响应性能。
第一方面，本发明实施例提供一种控制方法，用于控制包括多个交错并联支路的开关变换器，所述方法包括：
在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。
进一步地，所述方法还包括：
在稳态工作时，控制所述各交错并联支路的功率开关的导通相位错开以减小纹波。
进一步地，通过比较补偿信号和纹波信号控制各交错并联支路的功率开关的导通时机；
其中，所述补偿信号用于表征所述开关变换器的输出电压与输出电压期望值的差异程度，所述纹波信号根据开关变换器的输出电压平均值和各交错并联支路的中间节点电压获得。
进一步地，通过比较补偿信号和纹波信号控制各交错并联支路的功率开关的导通时机包括：
根据所述补偿信号和所述纹波信号的比较结果按照预定的顺序从所述多个交错并联支路中选择一个，触发被选择的交错并联支路的功率开关导通。
进一步地，在稳态工作时，以固定导通时间模式控制主相交错并联支路的功率开关的导通时间，并根据各从相交错并联支路的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异控制各从相交错并联支路的功率开关的导通时间。
进一步地，在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能包括：
在检测到所述补偿信号持续大于所述纹波信号期间，屏蔽各交错并联支路的功率开关的导通时间控制信号；
在检测到所述补偿信号持续大于所述纹波信号的时间超过预定的时间阈值后，控制剩余的交错并联支路的功率开关导通。
进一步地，在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能还包括：
以固定导通时间模式控制所述剩余的交错并联支路中的主相交错并联支路的功率开关；
根据对应的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异来控制所述剩余的交错并联支路中的从相交错并联支路的功率开关的导通时间。
进一步地，在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能还包括：
在所述补偿信号不大于所述纹波信号时，控制导通时间超过所述时间阈值的功率开关关断。
第二方面，本发明实施例提供一种开关变换器，包括：
多个交错并联支路；以及
控制电路，被配置为在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。
进一步地，所述控制电路还被配置为在稳态工作时，控制所述各交错并联支路的功率开关的导通相位错开以减小纹波。
进一步地，所述控制电路包括：
置位信号生成电路，被配置为获取补偿信号和纹波信号，并比较补偿信号和纹波信号生成置位信号；
其中，所述置位信号用于控制各交错并联支路的功率开关的导通时机，所述补偿信号用于表征所述开关变换器的输出电压与输出电压期望值的差异程度，所述纹波信号根据开关变换器的输出电压平均值和各交错并联支路的中间节点电压获得。
进一步地，所述控制电路还包括：
相位分布电路，被配置为在稳态下根据所述置位信号按照预定的顺序控制各个交错并联支路的功率管导通。
进一步地，所述控制电路还包括：
主导通时间控制电路，被配置为在稳态下以固定导通时间模式控制主相交错并联支路的功率开关的导通时间；以及
从导通时间控制电路，对应于每个从相交错并联支路设置，被配置为根据对应从相交错并联支路的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异控制对应的从相交错并联支路的功率开关的导通时间。
进一步地，所述控制电路还包括：
屏蔽电路，被配置为在所述置位信号为有效时屏蔽各交错并联支路的功率开关的导通时间控制信号，使得处于导通状态的交错并联支路的功率开关保持继续导通；
叠相触发电路，被配置为在检测到任一个交错并联支路的功率开关的导通时间超过时间阈值后，输出有效的叠相触发信号；以及
多个逻辑电路，每个逻辑电路对应于一个交错并联支路，被配置为在接收到有效的叠相触发信号后控制对应的交错并联支路的功率开关导通。
进一步地，所述屏蔽电路被配置为在所述置位信号为无效时取消所述屏蔽。
第三方面，本发明实施例提供一种集成电路，包括：
多个开关组，用于分别作为多个交错并联支路的功率开关和整流开关；
控制电路，被配置为在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。
进一步地，所述控制电路还被配置为在稳态工作时，控制所述各交错并联支路的功率开关的导通相位错开以减小纹波。
进一步地，所述控制电路包括：
置位信号生成电路，被配置为获取补偿信号和纹波信号，并比较补偿信号和纹波信号生成置位信号；
其中，所述置位信号用于控制各交错并联支路的功率开关的导通时机，所述补偿信号用于表征所述开关变换器的输出电压与输出电压期望值的差异程度，所述纹波信号根据开关变换器的输出电压平均值和各交错并联支路的中间节点电压获得。
进一步地，所述控制电路还包括：
相位分布电路，被配置为在稳态下根据所述置位信号按照预定的顺序控制各个多个交错并联支路中的功率管导通。
进一步地，所述控制电路还包括：
主导通时间控制电路，被配置为在稳态下以固定导通时间模式控制主相交错并联支路的功率开关的导通时间；以及
从导通时间控制电路，对应于每个从相交错并联支路设置，被配置为根据对应从相交错并联支路的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异控制对应的从相交错并联支路的功率开关的导通时间。
进一步地，所述控制电路还包括：
屏蔽电路，被配置为在所述置位信号为有效时屏蔽各交错并联支路的功率开关的导通时间控制信号，使得处于导通状态的交错并联支路的功率开关保持继续导通；
叠相触发电路，被配置为在检测到任一个交错并联支路的功率开关的导通时间超过时间阈值后，输出有效的叠相触发信号；以及
多个逻辑电路，每个逻辑电路对应于一个交错并联支路，被配置为在接收到有效的叠相触发信号后控制对应的交错并联支路的功率开关导通。
进一步地，所述屏蔽电路被配置为在所述置位信号为无效时取消所述屏蔽。
在本发明实施例的技术方案中，所述开关变换器包括多个交错并联支路，通过在负载由轻载跳变为重载的过程中控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠，可以提高负载动态响应性能。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的开关变换器的电路图；
图2是本发明实施例的控制电路的电路图；
图3A是本发明一个实施例的置位信号生成电路的电路图；
图3B是本发明另一个实施例的置位信号生成电路的电路图；
图4A是本发明一个实施例的斜坡信号生成电路的电路图；
图4B是本发明另一个实施例的斜坡信号生成电路的电路图；
图5是本发明实施例的相位分布电路的电路图；
图6是本发明实施例的主导通时间控制电路的电路图；
图7是本发明实施例的叠相触发电路的电路图；
图8是本发明实施例的从导通时间控制电路的电路图；
图9是本发明实施例的开关变换器由轻载模式向重载模式跳变时的工作波形图；
图10是本发明实施例的开关变换器由重载模式向轻载模式跳变时的工作波形图；
图11是本发明实施例的开关变换器的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下基于实施例对本申请进行描述，但是本申请并不仅仅限于这些实施例。在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。为了避免混淆本申请的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
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。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明实施例的开关变换器的电路图。如图1所示，本实施例的开关变换器1包括主相交错并联支路11、从相交错并联支路12、控制电路13和输出电容Co。在本实施例中，主相交错并联支路11和从相交错并联支路12均为降压型拓扑(Buck)，容易理解，主相交错并联支路11和从相交错并联支路12也可以为升压型拓扑(Boost)或升降压型拓扑(buck-boost)等其他拓扑结构电路。还应理解，本实施例以设置一个从相交错并联支路为例进行说明，在其它的应用场景，也可以根据需要设置两个或两个以上的从相交错并联支路。主相交错并联支路11包括功率开关Q1、整流开关Q2和电感L1，从相交错并联支路12包括功率开关Q3、整流开关Q4和电感L2。其中，功率开关Q1和整流开关Q2连接在开关变换器1的输入端和接地端之间，电感L1的一端连接在功率开关Q1和整流开关Q2的公共连接点(也即主相交错并联支路11的中间节点x1)和开关变换器1的输出端之间。功率开关Q3和整流开关Q4连接在开关变换器1的输入端和接地端之间，电感L2的一端连接在功率开关Q3和整流开关Q4的公共连接点(也即从相交错并联支路12的中间节点x2)和开关变换器1的输出端之间。根据开关变换器的交错并联工作原理，在开关变换器工作在稳态时，功率开关Q1和功率开关Q3错相导通，流过电感L1和L2的电流的纹波可以相互抵消，使得输出电流的电流纹波和输出电压的电压纹波可以大大减小。优选地，功率开关Q1和功率开关Q3错相180°导通。
本发明实施例的控制电路13被配置为在负载由轻载跳变为重载的过程中控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能，并且在开关变换器工作在稳态时控制各交错并联支路的功率开关的导通相位错开以减小纹波。
图2是本发明实施例的控制电路的电路图。如图2所示，控制电路13包括斜坡信号生成电路131、置位信号生成电路132、主导通时间控制电路133、从导通时间控制电路134、相位分布电路135、逻辑电路136、逻辑电路137、屏蔽电路138、叠相触发电路139和叠相触发电路139'。其中，逻辑电路136对应于主相交错并联支路11，被配置为生成功率开关Q1和整流开关Q2的开关控制信号TG1和BG1。逻辑电路137对应于从相交错并联支路12，被配置为生成功率开关Q3和整流开关Q4的开关控制信号TG2和BG2。叠相触发电路139和叠相触发电路139'分别对应于主相交错并联支路11和从相交错并联支路12。
置位信号生成电路132被配置为根据补偿信号和纹波信号生成置位信号。其中，补偿信号用于表征开关变换器1的输出电压Vout与输出电压期望值的差异程度。纹波信号根据开关变换器1的输出电压平均值和各交错并联支路的中间节点电压获得(也即中间节点x1和中间节点x2的电压)。。置位信号用于控制各交错并联支路(包括主相交错并联支路和从相交错并联支路)的功率开关的导通时机。
图3A是本发明一个实施例的置位信号生成电路的电路图。如图3A所示，置位信号生成电路132包括误差放大器gm1、加法器31和比较器cmp1。其中，误差放大器gm1的一个输入端输入用于表征输出电压的反馈信号Vfb，另一个输入端输入表征输出电压期望值的参考信号Vref1，输出端输出补偿信号Error+。优选地，置位信号生成电路132还包括补偿电路32，以对误差放大器gm1的输出进行补偿后生成补偿信号Error+。在一种可选的实现方式中，补偿电路32可以为电容器件。加法器31用于将主相交错并联支路11对应的斜坡信号Vr1和从相交错并联支路12对应的斜坡信号Vr2进行叠加生成纹波信号Error-。比较器cmp1用于比较纹波信号Error-和补偿信号Error+生成置位信号set。其中，斜坡信号Vr1为开关变换器的输出电压平均值和主相交错并联支路11的中间节点电压Vx1的叠加信号。斜坡信号Vr2为开关变换器的输出电压平均值和从相交错并联支路12的中间节点电压Vx2的叠加信号。
在本实施例中，以误差放大器gm1的同相输入端输入参考信号Vref1，反相输入端输入反馈信号Vfb为例进行描述。容易理解，将电路设置为误差放大器gm1的反相输入端输入参考信号Vref1，同相输入端输入反馈信号Vfb也可以获得同样的效果。
斜坡信号生成电路131被配置为根据开关变换器1的输出电压平均值和对应的交错并联支路的中间节点电压生成对应的斜坡信号。图4A是本发明一个实施例的斜坡信号生成电路的电路图。如图4A所示，斜坡信号生成电路131包括电阻R1-R4、电容C1和C2。其中，电阻R1的一端连接至主相交错并联支路11的中间节点x1，另一端连接至第一中间端r1。电阻R2连接在第一中间端r1和接地端之间。电容C1连接在中间端r1和开关变换器1的输出端之间。中间节点x1的电压Vx1和输出电压Vout经由电阻R1、电阻R2和电容C1在中间端r1处生成主相交错并联支路11对应斜坡信号Vr1。电阻R3的一端连接至从相交错并联支路12的中间节点x2，另一端连接至第一中间端r2。电阻R4连接在第一中间端r2和接地端之间。电容C2连接在中间端r2和开关变换器1的输出端之间。中间节点x2的电压Vx2和输出电压Vout经由电阻R3、电阻R4和电容C2在中间端r2处生成从相交错并联支路12对应斜坡信号Vr2。
图4B是本发明另一个实施例的斜坡信号生成电路的电路图。如图4B所示，斜坡信号生成电路131'包括电阻Ra和Rb，电容Crip。其中，电阻Ra和Rb串联连接在主相交错并联支路11的中间节点x1和从相交错并联支路12的中间节点x2之间。电容Crip连接在电阻Ra和Rb的公共连接点和开关变换器1的输出端之间。电阻Ra、Rb和电容Crip的公共连接点处生成斜坡信号Vripple。图3B是与图4B对应的根据本发明另一个实施例的置位信号生成电路的电路图。与图3A类似，置位信号生成电路132'包括误差放大器gm1'、补偿电路3a和比较器cmp1'，并且具有相同的连接关系和功能。所不同的是，比较器cmp1接收的纹波信号Error-为图4B中的斜坡信号产生电路产生的斜坡信号Vripple。
相位分布电路135被配置为根据置位信号set按照预定的顺序从各交错并联支路中选取一个，向对应的逻辑电路输出有效的导通触发信号。图5是本发明实施例的相位分布信号的电路图。如图5所示，相位分布电路135包括D触发器51、单触发电路oneshot1和单触发电路oneshot2。在本实施例中，D触发器51响应于置位信号set的上升沿。也即，在置位信号set出现上升沿时，D触发器的CLK端置1。若上次D触发器的输出端Q'端输出的信号set2'为高电平，也即D触发器的D端置为1，则D触发器的CLK端再次被置为1时，输出端Q输出的信号set1'为高电平，输出端Q'端输出的信号set2'为低电平。高电平的信号set1'控制单触发电路oneshot1输出主相交错并联支路11的导通触发信号set1，高电平的信号set2'控制单触发电路oneshot2输出从相交错并联支路12的导通触发信号set2。也就是说，在本实施例中，相位分布电路135可以根据置位信号set的上升沿(根据电路的实际应用，也可以设置为根据置位信号set的下降沿)交替生成导通触发信号set1和set2，以使得主相交错并联支路11的功率开关Q1和从相交错并联支路12的功率开关Q3依次交替导通。优选地，相位分布电路135被配置为输出相位差为180°的导通触发信号set1和set2，以使得开关变换器1工作在稳态时，功率开关Q1和功率开关Q3错相180°导通，流过电感L1和L2的电流的纹波可以相互抵消，从而使得输出电流的电流纹波和输出电压的电压纹波可以大大减小。
主导通时间控制电路133被配置为在稳态下以固定导通时间模式控制主相交错并联支路11的功率开关Q1的导通时间。图6是本发明实施例的主导通时间控制电路的电路图。如图6所示，主导通时间控制电路133包括反相器inv1、开关K1、电容C3、电压源k1Vin和比较器cmp2。其中，开关K1、电容C3和电压源k1Vin并联连接在比较器cmp2的一个输入端(例如同相输入端端)和接地端之间。在功率开关Q1导通，开关控制信号TG1为有效时，开关K1受控关断，电压源k1Vin为电容C3充电，电容C3上的电压Vcot_ramp1逐渐上升。在电容C3上的电压Vcot_ramp1逐渐上升到大于主导通时间参考信号Vcot_ref1时，输出有效的主导通时间控制信号Cot1以使得逻辑电路136生成有效的开关控制信号BG1和无效的开关控制信号TG1，进而驱动整流开关Q2导通，功率开关Q1关断。主导通时间参考信号Vcot_ref1用于表征主相交错并联支路中的功率开关Q1的固定导通时间。在一种可选的实现方式中，主导通时间参考信号Vcot_ref1可以为与开关变换器的输出电压平均值成比例的值。
如图2所示，在一种可选的实现方式中，逻辑电路136包括或门电路or1、RS触发器136a和PWM生成电路136b。或门电路or1的输入端输入导通触发信号set1和叠相触发电路139'输出的叠相触发信号ext1，以在导通触发信号set1和/或叠相触发信号ext1有效时使得RS触发器136a置位，从而控制PWM生成电路生成有效的开关控制信号TG1和无效的开关控制信号BG1，以驱动功率开关Q1导通，整流开关Q2关断。同理，逻辑电路137根据有效的导通触发信号set2和/或叠相触发电路139输出的叠相触发信号ext2输出有效的开关控制信号TG2和无效的开关控制信号BG2以驱动功率开关Q3导通，整流开关Q4关断。逻辑电路137包括或门电路or2、RS触发器137a和PWM生成电路137b。逻辑电路137与逻辑电路136有相同的电路结构，在此不再赘述。
在开关变换器1的负载由轻载转换为重载时，补偿信号Error+跟随输出电压Vout的减小而增大，这使得补偿信号Error+在较长的时间段内大于纹波信号Error-，也即置位信号set在较长时间段内处于有效状态，为了使得开关变换器尽快进入重载下的稳态，可以在置位信号set有效时屏蔽主导通时间控制电路133和从导通时间控制电路134输出的主导通时间控制信号Cot1和从导通时间控制信号Cot2。也即，在补偿信号Error+大于纹波信号Error-期间，屏蔽各交错并联支路的功率开关的导通时间控制信号，使得处于导通状态的交错并联支路的功率开关不受对应的导通时间控制信号的影响而保持继续导通。
屏蔽电路138被配置为当负载由轻载转换为重载且置位信号set有效时屏蔽主导通时间控制电路133和从导通时间控制电路134的输出信号(也即主导通时间控制信号Cot1和从导通时间控制信号Cot2)，使得处于导通状态的交错并联支路的功率开关保持继续导通。这可以提高负载的动态响应性能。其中，屏蔽电路138还被配置为在置位信号set为无效时取消屏蔽。如图2所示，屏蔽电路138包括反相器138a和138a'、与门电路138b和138c。其中，反相器138a被配置为将置位信号set反相后输入至与门电路138b，反相器138a'被配置为将置位信号set反相后输入至与门电路138c。若开关变换器1在功率开关Q1导通期间由轻载模式转换为重载模式，则置位信号set持续有效，因此，即使主导通时间控制电路133输出有效的主导通时间控制信号Cot1，与门电路138b也会输出无效的复位信号res1，以使得逻辑电路136输出的开关控制信号TG1持续有效，功率开关Q1持续导通。
叠相触发电路139被配置为在检测到主相交错并联支路的功率开关Q1的导通时间超过预定的第一时间阈值后，输出有效的叠相触发信号ext2，以使得逻辑电路137控制从相交错并联支路12的功率开关Q3导通，从而控制功率开关Q1和Q3的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。同理，叠相触发电路139'被配置为在检测到从相交错并联支路的功率开关Q3的导通时间超过预定的第二时间阈值后，输出有效的叠相触发信号ext1，以使得逻辑电路136控制主相交错并联支路11的功率开关Q1导通，从而控制功率开关Q1和Q3的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。应理解，在开关变换器包括多个从相交错并联支路时，叠相触发电路139输出的叠相触发信号ext2可以控制部分或所有从相交错并联支路对应的逻辑电路以使得对应的功率开关导通。同理，当其中一个从相交错并联支路对应的功率开关的导通时间超过一个预定的时间阈值之后，其对应的叠相触发电路输出的叠相触发信号可以控制部分或所有其他并联交错支路(包括其他从相交错并联支路和主相交错并联支路)对应的功率开关导通。应理解，每个交错并联支路的功率开关对应的时间阈值并不完全相同，其可以根据实际应用中开关变换器所要达到的性能标准来分别设置。
图7是本发明实施例的叠相触发电路的电路图。本实施例以主相交错并联支路11对应的叠相触发电路139进行表述。如图7所示，叠相触发电路139包括加法器71、比较器cmp3和单触发电路oneshot。其中，加法器71根据主导通时间参考信号Vcot_ref1和电容C3上的电压Vcot_ramp1的差值生成时间误差信号Vcot。时间误差信号Vcot用于表征当前功率开关Q1的导通时间与稳态下功率开关Q1的导通时间的差值。比较器cmp3的输入端分别输入时间误差信号Vcot和时间参考信号Vth1。其中，时间参考信号Vth1用于表征预定的功率开关Q1导通的时间阈值与固定导通时间的差值。由此，在时间误差信号Vcot大于时间参考信号Vth1时，比较器cmp3输出有效的信号使得单触发电路oneshot输出有效的叠相触发信号ext2。如图2所示，在叠相触发信号ext2有效时，逻辑电路137中的或门电路or2输出有效的信号使得RS触发器137a置位，进而控制PWM生成电路137b输出有效的开关控制信号TG2，从而使得功率开关Q3导通。因此，叠相触发电路139可以使得功率开关Q1和Q3的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。应理解，上述描述以主相交错并联支路的功率开关Q1导通期间开关变换器由轻载模式切换到重载模式进行举例，在其他从相交错并联支路的功率开关导通期间开关变换器由轻载模式切换到重载模式时，上述控制方案同样适用。
从导通时间控制电路134被配置为根据从相交错并联支路12的电感电流Is2与主相交错并联支路11的电感电流Is1的差异控制功率开关Q3的导通时间。应理解，电感电流Is1和电感电流Is2是在一个开关周期内的电感电流平均值。
图8是本发明实施例的从导通时间控制电路的电路图。如图8所示，从导通时间控制电路134包括误差放大器gm2、乘法器81、补偿电路82、反相器inv2、开关K2、电容C4、电压源k2Vin和比较器cmp4。其中，开关K2、电容C4和电压源k2Vin并联连接在比较器cmp4的一个输入端(例如同相输入端)和接地端之间。开关K2受控于开关控制信号TG2导通或关断。在开关控制信号TG2有效时，开关K2受控关断，电压源k2Vin给电容C4充电。在电容C4上的电压Vcot_ramp2上升到大于从导通时间参考信号Vcot_ref2时输出有效的从导通时间控制信号Cot2以使得逻辑电路137生成有效的开关控制信号BG2和无效的开关控制信号TG2，从而驱动功率开关Q3关断，整流开关Q4导通。
误差放大器gm2的同相输入端和反相输入端分别接收表征主相交错并联支路11和从相交错并联支路12中电感电流的电流采样信号VIs1和VIs2。补偿电路82连接在误差放大器gm2的输出端和接地端之间。在一种可选的实现方式中，补偿电路82可以为电容器件。误差放大器gm2的输出信号经补偿电路82补偿后生成导通时间补偿信号Vcomp。导通时间补偿信号Vcomp经过乘法器81后叠加上与输出电压Vout成一定比例的信号k3Vout生成从导通时间参考信号Vcot_ref2。因此，当从相交错并联支路12中的电感电流Is2小于主相交错并联支路11中的电感电流Is1时，导通时间补偿信号Vcomp增大。从导通时间参考信号Vcot_ref2随导通时间补偿信号Vcomp增大而增大，进而使得电容C4上的电压Vcot_ramp2上升到大于从导通时间参考信号Vcot_ref2的时间变长，也即延长了功率开关Q3的导通时间，以使得从相交错并联支路12中的电感电流Is2相应地增大。同理，当从相交错并联支路12中的电感电流Is2大于主相交错并联支路11中的电感电流Is1时，导通时间补偿信号Vcomp减小，以缩短功率开关Q3的导通时间，使得从相交错并联支路12中的电感电流Is2相应地减小。由此，从导通时间控制电路134根据从相交错并联支路12的电感电流Is2与主相交错并联支路11的电感电流Is1的差异控制功率开关Q2的导通时间，同时使得各交错并联支路中的电感电流平均值基本保持相等，从而减小开关变换器输出电流的纹波。
在一个可选地实施方式中，如图2所示，控制电路13还包括电流采样电路13a和电流采样电路13b。其中，电流采样电路13a和电流采样电路13b被配置为分别采样获取用于表征电感电流Is1和Is2的电流采样信号VIs1和VIs2。电流采样电路13a连接在整流开关Q2和接地端之间，包括开关sw1、电阻Rf1和电容Cf1。其中，开关sw1受控于有效的开关控制信号BG1导通。在开关sw1导通后，电容Cf1被充电，其上的电压(也即电流采样信号VIs1)逐渐上升直至开关sw1受控关断，获取电容Cf1上保持的电流采样信号VIs1。应理解，本实施例仅以在整流开关Q2和接地端之间采样电流采样信号为例，能够获取电感电流平均值的其他采样点(如直接在电感L1上进行采样等)均能够应用在本实施例中。同理，电流采样电路13b连接在整流开关Q4和接地端之间，包括开关sw2、电阻Rf2和电容Cf2，采样原理与电流采样电路13a相同，在此不再赘述。
应理解，开关变换器可以包括多个从相交错并联支路，其控制方式与本实施例中的开关变换器1中的从相交错并联支路类似。开关变换器包括的交错并联支路越多，在稳态下工作时输出电流和输出电压的纹波越小，在工作模式转换时的动态响应性能越好。
图9是本发明实施例的开关变换器由轻载模式向重载模式跳变时的工作波形图。如图9所示，在t0时刻，负载由轻载跳变为重载，输出电压Vout开始下降，输出电压的反馈信号Vfb减小。如图3所示，输出电压的反馈信号Vfb减小，经误差放大器gm1和补偿电路32放大补偿后的误差信号Error+增大，并在t1时刻增大到大于纹波信号Error-，此时比较器cmp1输出高电平的置位信号set。在置位信号set的上升沿时刻(也即t1时刻)，置位信号set作用于相位分布电路135以控制相位分布电路135输出有效的导通触发信号set1。有效的导通触发信号set1使得RS触发器136a置位以控制PWM生成电路136b输出有效的开关控制信号TG1和无效的开关控制信号BG1，进而驱动功率开关Q1导通，整流开关Q2关断。此时，主相交错并联支路11中的电感电流Is1开始上升。
在t1时刻，如图6所示，开关控制信号TG1控制开关K1关断，电压源k1Vin开始给电容C3充电。在t2时刻，电容C3上的电压Vcot_ramp1上升到大于主导通时间参考信号Vcot_ref1，比较器cmp2输出有效的主导通时间控制信号Cot1。但是，由于此时误差信号Error+仍旧大于纹波信号Error-，置位信号set有效，因此，屏蔽电路138可以屏蔽有效的主导通时间控制信号Cot1。这使得即使功率开关Q1的导通时间已经达到固定导通时间，但复位信号res1仍旧被控制为无效，从而使得功率开关Q1继续保持导通，整流开关Q2继续保持关断。此时，主相交错并联支路11中的电感电流Is1保持上升。
在t3时刻，如图7所示，时间误差信号Vcot大于时间参考信号Vth1(也即主相交错并联支路11中的功率开关Q1的导通时间大于阈值时间)，比较器cmp3输出有效的信号使得单触发电路oneshot输出有效的叠相触发信号ext2。有效的叠相触发信号ext2使得逻辑电路137生成有效的开关控制信号TG2和无效的开关控制信号BG2，以驱动功率开关Q3导通，整流开关Q4关断。此时，从相交错并联支路12中的电感电流Is2开始上升，主相交错并联支路11中的电感电流Is1保持上升。
在t4时刻，误差信号Error+小于纹波信号Error-，使得置位信号set无效，屏蔽电路138取消屏蔽，与门电路138b输出有效的复位信号res1使得RS触发器136a复位，进而驱动功率开关Q1关断，整流开关Q2导通。此时，主相交错并联支路11中的电感电流Is1开始下降，从相交错并联支路12中的电感电流Is2保持上升。
由此，本实施例的技术方案使得主相交错并联支路11中的功率开关Q1和从相交错并联支路12中的功率开关Q3的导通相位相互重叠，以使得开关变换器的输出电流进一步增大，从而使得开关变换器1尽快进入重载模式下的稳态，这提高了系统的动态响应性能。
在t3时刻，开关控制信号TG2有效，从导通时间控制电路134中的控制开关K2受控关断，电压源k2Vin开始给电容C4充电。在t5时刻，电容C4上的电压Vcot_ramp2上升到大于从导通时间参考信号Vcot_ref2，比较器cmp4输出有效的从导通时间控制信号Cot2。并且，此时误差信号Error+小于纹波信号Error-，置位信号set无效，因此，从导通时间控制信号Cot2不会被屏蔽电路138屏蔽。由此，在t5时刻，从导通时间控制信号Cot2控制逻辑电路137生成无效的开关控制信号TG2和有效的开关控制信号BG2，以驱动功率开关Q3关断，整流开关Q4导通。此时，从相交错并联支路12中的电感电流Is2开始下降，主相交错并联支路11中的电感电流Is1保持下降。
在t6时刻，误差信号Error+大于纹波信号Error-，置位信号set有效。相位分布电路135受控输出有效的导通触发信号set2。容易理解，在本实施例中，相位分布电路135交替生成导通触发信号set1和set2。导通触发信号set2控制逻辑电路137生成有效的开关控制信号TG2和无效的开关控制信号BG2，以驱动功率开关Q3导通，整流开关Q4关断。此时，从相交错并联支路12中的电感电流Is2开始上升，主相交错并联支路11中的电感电流Is1保持下降。
在t6时刻，开关控制信号TG2有效，从导通时间控制电路134中的控制开关K2受控关断，电压源k2Vin开始给电容C4充电。在t7时刻，电容C4上的电压Vcot_ramp2上升到大于从导通时间参考信号Vcot_ref2，比较器cmp4输出有效的从导通时间控制信号Cot2。控制逻辑电路137受控生成无效的开关控制信号TG2和有效的开关控制信号BG2，以驱动功率开关Q3关断，整流开关Q4导通。此时，从相交错并联支路12中的电感电流Is2开始下降，主相交错并联支路11中的电感电流Is1保持下降。
在t8时刻，误差信号Error+大于纹波信号Error-，置位信号set有效。相位分布电路135受控输出有效的导通触发信号set1。导通触发信号set1控制逻辑电路136生成有效的开关控制信号TG1和无效的开关控制信号BG1，以驱动功率开关Q1导通，整流开关Q2关断。此时，主相交错并联支路11中的电感电流Is1开始上升，从相交错并联支路12中的电感电流Is2保持下降。
在t8时刻，开关控制信号TG1有效，主导通时间控制电路133中的控制开关K1受控关断，电压源k1Vin开始给电容C3充电。在t9时刻，电容C3上的电压Vcot_ramp1上升到大于主导通时间参考信号Vcot_ref1，比较器cmp2输出有效的从导通时间控制信号Cot1。控制逻辑电路136受控生成无效的开关控制信号TG1和有效的开关控制信号BG1，以驱动功率开关Q1关断，整流开关Q2导通。此时，主相交错并联支路11中的电感电流Is1开始下降，从相交错并联支路12中的电感电流Is2保持下降。
容易理解，上述t6-t9时刻的工作过程为开关变换器在重载下稳态的工作过程。自t10时刻开始，重复t6-t9时刻的工作过程，也即，开关变换器开始在重载模式下稳定工作。
在本发明实施例的技术方案中，所述开关变换器包括多个交错并联支路，通过在负载由轻载跳变为重载的过程中控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠，可以提高负载动态响应性能。
图10是本发明实施例的开关变换器由重载模式向轻载模式跳变时的工作波形图。如图10所示，在t0'时刻，负载由重载变为轻载，输出电压Vout开始上升，输出电压的反馈信号Vfb增大。如图3所示，输出电压的反馈信号Vfb增大，经误差放大器gm1和补偿电路32放大补偿后的误差信号Error+减小，并在t1'时刻减小到小于纹波信号Error-，此时比较器cmp1输出高电平的置位信号set。相位分布电路135受控输出有效的导通触发信号set1，以控制逻辑电路136输出有效的开关控制信号TG1和无效的开关控制信号BG1，进而驱动功率开关Q1导通，整流开关Q2关断。此时，主相交错并联支路11中的电感电流Is1开始上升，从相交错并联支路12中的电感电流Is2保持下降。
在t2'时刻，主导通时间控制电路133输出有效的主导通时间控制信号Cot1以控制逻辑电路136输出无效的开关控制信号TG1和有效的开关控制信号BG1，进而驱动功率开关Q1关断，整流开关Q2导通。此时，主相交错并联支路11中的电感电流Is1开始下降，从相交错并联支路12中的电感电流Is2保持下降。
在t3'时刻，误差信号Error+小于纹波信号Error-，置位信号set有效。相位分布电路135受控输出有效的导通触发信号set2，以控制逻辑电路137输出有效的开关控制信号TG2和无效的开关控制信号BG2，进而驱动功率开关Q3导通，整流开关Q4关断。此时，从相交错并联支路12中的电感电流Is2开始上升，主相交错并联支路11中的电感电流Is1保持下降。
在t4'时刻，从导通时间控制电路134输出有效的从导通时间控制信号Cot2，以控制逻辑电路137驱动功率开关Q3关断，整流开关Q4导通。此时，从相交错并联支路12中的电感电流Is2开始下降，主相交错并联支路11中的电感电流Is1保持下降。
在t5'时刻，误差信号Error+小于纹波信号Error-，置位信号set有效。相位分布电路135受控输出有效的导通触发信号set1，以控制逻辑电路136驱动功率开关Q1导通，整流开关Q2关断。此时，主相交错并联支路11中的电感电流Is1开始上升，从相交错并联支路12中的电感电流Is2保持下降。
在t6'时刻，主导通时间控制电路133输出有效的主导通时间控制信号Cot1以控制逻辑电路136驱动功率开关Q1关断，整流开关Q2导通。此时，主相交错并联支路11中的电感电流Is1开始下降，从相交错并联支路12中的电感电流Is2保持下降。
在t7'时刻，误差信号Error+小于纹波信号Error-，置位信号set有效。相位分布电路135受控输出有效的导通触发信号set2，以控制逻辑电路137驱动功率开关Q3导通，整流开关Q4关断。此时，从相交错并联支路12中的电感电流Is2开始上升，主相交错并联支路11中的电感电流Is1保持下降。
容易理解，上述t3'-t7'时刻的工作过程为开关变换器在轻载下稳态的工作过程。自t8'时刻开始，重复t3'-t7'时刻的工作过程，也即，开关变换器开始在轻载模式下稳定工作。
在本实施例中，用于生成纹波信号Error-的各斜坡信号是由各交错并联支路的中间节点电压和输出电压生成的。因此，在开关变换器的负载由重载变为轻载的过程中，纹波信号Error-大于补偿信号Error+的时间变长，各交错并联支路对应的整流开关的导通时间变长，使得开关变换器的输出电流和输出电压更快的进入稳态，提高了系统的动态响应性能。
图11是本发明实施例的开关变换器的控制方法的流程图。在开关变换器的负载由轻载跳变为重载的过程中，输出电压下降，使得误差信号Error+增大。因此，在负载由轻载跳变为重载后的较长一段时间内，误差信号会持续大于纹波信号。其中，补偿信号用于表征开关变换器的输出电压与输出电压期望值的差异程度。纹波信号根据开关变换器的输出电压平均值和各交错并联支路的中间节点电压获得。在一种可选的实现方式中，纹波信号可以通过叠加各交错并联支路对应的斜坡信号获得。斜坡信号为开关变换器的输出电压平均值和所对应的交错并联支路的中间节点电压的叠加信号。在补偿信号大于纹波信号时，置位信号被置为有效，相位分布电路响应于置位信号的上升沿或下降沿输出一个导通触发信号以触发各交错并联支路之一的功率开关导通。
如图11所示，本实施例的开关变换器的控制方法包括以下步骤：
在步骤S100，屏蔽各交错并联支路的功率开关的导通时间控制信号。
当补偿信号Error+持续大于纹波信号Error-的时间(也即置位信号set的有效时间)大于导通的功率开关在稳态下的导通时间后，也即，功率开关的导通时间达到其在稳态下的导通时间后置位信号set仍旧有效时，屏蔽该功率开关的导通时间控制信号，以使得该功率开关继续保持导通。例如，在主相交错并联支路的功率开关导通固定时间后置位信号set仍为有效信号，屏蔽主导通时间控制电路输出的主导通时间控制信号以使得对应的功率开关继续保持导通。
在步骤S200，控制剩余的交错并联支路的功率开关导通。具体地，在补偿信号Error+持续大于纹波信号Error-的时间超过预定的时间阈值后，控制剩余的交错并联支路的功率开关导通。其中，该时间阈值大于该功率开关在稳态下的导通时间。也就是说，开关变换器中的一个交错并联支路的功率开关的导通时间大于预定的时间阈值后，控制其他交错并联支路中的功率开关导通以实现各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠，从而提高负载动态响应性能。
进一步地，以固定导通时间模式控制所述剩余的交错并联支路中的主相交错并联支路的功率开关。根据对应的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异来控制所述剩余的交错并联支路中的从相交错并联支路对应的功率开关的导通时间。
在步骤S300，控制导通时间超过预定的时间阈值的功率开关关断。具体地，在补偿信号Error+下降到小于纹波信号Error-后，也即置位信号set置为无效时，取消对导通时间控制信号的屏蔽，进而使得有效的导通时间控制信号控制对应的逻辑电路以驱动该功率开关关断。由此，容易理解，在开关变换器的负载由轻载跳变为重载的过程中，补偿信号持续大于纹波信号的时间可以用于表征上述被选择导通的功率开关的当前导通时间。
进一步地，开关变换器在稳态工作时，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位错开以减小纹波。其中，通过比较补偿信号和纹波信号控制各交错并联支路的功率开关的导通时机。具体地，在补偿信号和纹波信号的比较结果满足预定条件时按照预定的顺序从多个交错并联支路中选择一个，触发被选择的交错并联支路的功率开关导通。优选地，以固定导通时间模式控制主相交错并联支路的功率开关的导通时间，并根据对应的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异控制各从相交错并联支路的功率开关的导通时间。
本实施例的技术方案通过在负载由轻载跳变为重载的过程中控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种控制方法，用于控制包括多个交错并联支路的开关变换器，其特征在于，所述方法包括：
在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在稳态工作时，控制所述各交错并联支路的功率开关的导通相位错开以减小纹波。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过比较补偿信号和纹波信号控制各交错并联支路的功率开关的导通时机；
其中，所述补偿信号用于表征所述开关变换器的输出电压与输出电压期望值的差异程度，所述纹波信号根据开关变换器的输出电压平均值和各交错并联支路的中间节点电压获得。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过比较补偿信号和纹波信号控制各交错并联支路的功率开关的导通时机包括：
根据所述补偿信号和所述纹波信号的比较结果按照预定的顺序从所述多个交错并联支路中选择一个，触发被选择的交错并联支路的功率开关导通。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在稳态工作时，以固定导通时间模式控制主相交错并联支路的功率开关的导通时间，并根据各从相交错并联支路的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异控制各从相交错并联支路的功率开关的导通时间。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能包括：
在检测到所述补偿信号持续大于所述纹波信号期间，屏蔽各交错并联支路的功率开关的导通时间控制信号；
在检测到所述补偿信号持续大于所述纹波信号的时间超过预定的时间阈值后，控制剩余的交错并联支路的功率开关导通。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能还包括：
以固定导通时间模式控制所述剩余的交错并联支路中的主相交错并联支路的功率开关；
根据对应的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异来控制所述剩余的交错并联支路中的从相交错并联支路的功率开关的导通时间。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能还包括：
在所述补偿信号不大于所述纹波信号时，控制导通时间超过所述时间阈值的功率开关关断。
9.一种开关变换器，其特征在于，包括：
多个交错并联支路；以及
控制电路，被配置为在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。
10.根据权利要求9所述的开关变换器，其特征在于，所述控制电路还被配置为在稳态工作时，控制所述各交错并联支路的功率开关的导通相位错开以减小纹波。
11.根据权利要求9所述的开关变换器，其特征在于，所述控制电路包括：
置位信号生成电路，被配置为获取补偿信号和纹波信号，并比较补偿信号和纹波信号生成置位信号；
其中，所述置位信号用于控制各交错并联支路的功率开关的导通时机，所述补偿信号用于表征所述开关变换器的输出电压与输出电压期望值的差异程度，所述纹波信号根据开关变换器的输出电压平均值和各交错并联支路的中间节点电压获得。
12.根据权利要求11所述的开关变换器，其特征在于，所述控制电路还包括：
相位分布电路，被配置为在稳态下根据所述置位信号按照预定的顺序控制各个交错并联支路的功率管导通。
13.根据权利要求11所述的开关变换器，其特征在于，所述控制电路还包括：
主导通时间控制电路，被配置为在稳态下以固定导通时间模式控制主相交错并联支路的功率开关的导通时间；以及
从导通时间控制电路，对应于每个从相交错并联支路设置，被配置为根据对应从相交错并联支路的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异控制对应的从相交错并联支路的功率开关的导通时间。
14.根据权利要求13所述的开关变换器，其特征在于，所述控制电路还包括：
屏蔽电路，被配置为在所述置位信号为有效时屏蔽各交错并联支路的功率开关的导通时间控制信号，使得处于导通状态的交错并联支路的功率开关保持继续导通；
叠相触发电路，被配置为在检测到任一个交错并联支路的功率开关的导通时间超过时间阈值后，输出有效的叠相触发信号；以及
多个逻辑电路，每个逻辑电路对应于一个交错并联支路，被配置为在接收到有效的叠相触发信号后控制对应的交错并联支路的功率开关导通。
15.根据权利要求14所述的开关变换器，其特征在于，所述屏蔽电路被配置为在所述置位信号为无效时取消所述屏蔽。
16.一种集成电路，其特征在于，包括：
多个开关组，用于分别作为多个交错并联支路的功率开关和整流开关；
控制电路，被配置为在负载由轻载跳变为重载的过程中，控制各交错并联支路的功率开关的导通相位相互重叠以提高负载动态响应性能。
17.根据权利要求16所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路还被配置为在稳态工作时，控制所述各交错并联支路的功率开关的导通相位错开以减小纹波。
18.根据权利要求16所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路包括：
置位信号生成电路，被配置为获取补偿信号和纹波信号，并比较补偿信号和纹波信号生成置位信号；
其中，所述置位信号用于控制各交错并联支路的功率开关的导通时机，所述补偿信号用于表征所述开关变换器的输出电压与输出电压期望值的差异程度，所述纹波信号根据开关变换器的输出电压平均值和各交错并联支路的中间节点电压获得。
19.根据权利要求18所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
相位分布电路，被配置为在稳态下根据所述置位信号按照预定的顺序控制各个多个交错并联支路中的功率管导通。
20.根据权利要求18所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
主导通时间控制电路，被配置为在稳态下以固定导通时间模式控制主相交错并联支路的功率开关的导通时间；以及
从导通时间控制电路，对应于每个从相交错并联支路设置，被配置为根据对应从相交错并联支路的电感电流与所述主相交错并联支路的电感电流的差异控制对应的从相交错并联支路的功率开关的导通时间。
21.根据权利要求20所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
屏蔽电路，被配置为在所述置位信号为有效时屏蔽各交错并联支路的功率开关的导通时间控制信号，使得处于导通状态的交错并联支路的功率开关保持继续导通；
叠相触发电路，被配置为在检测到任一个交错并联支路的功率开关的导通时间超过时间阈值后，输出有效的叠相触发信号；以及
多个逻辑电路，每个逻辑电路对应于一个交错并联支路，被配置为在接收到有效的叠相触发信号后控制对应的交错并联支路的功率开关导通。
22.根据权利要求21所述的集成电路，其特征在于，所述屏蔽电路被配置为在所述置位信号为无效时取消所述屏蔽。
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