CN109742943A - 升降压型开关电路的控制电路和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明给出了一种升降压型开关电路的控制电路和控制方法，其中开关电路包括电感以及第一，第二，第三和第四功率开关。当开关电路工作于升降压模式时，在工作周期开始时，第一和第三功率开关导通，第二和第四功率开关关断，第一和第三功率开关持续导通一段时间后第三功率开关关断，第四功率开关导通，第四功率开关导通第一恒定值时间后，第一功率开关关断，第二功率开关导通，第二功率开关持续导通直到所述工作周期结束，第一和第三功率开关再次导通，第二和第四功率开关再次关断，下一个工作周期开始。本发明的开关电路在降压模式，升压模式以及升降压模式切换时，控制环路简单且稳定。
Description
技术领域
本发明涉及功率开关电路，尤其涉及升降压型开关电路及其模式切换控制电路。
技术背景
升降压型开关电路可以将输入电压转换为高于、等于或者低于输入电压的输出电压。因此在输入电压一定的情况下，可以提供较宽的输出电压范围，应用范围比较广。
理论上，升降压型开关电路可以选择性的工作于降压模式，升压模式或者升降压模式，从而达到将输入电压转换为任何合适的输出电压的目的。然而，事实上现有的升降压型开关电路并不能实现以上三种工作模式间的平稳切换，其在从一种工作模式切换至另一种工作模式时易出现控制环路不稳定，特别是从升压模式切换至升降压模式，或者是从降压模式切换至升降压模式时。
因此，需要一种升降压型开关电路，其在三种工作模式切换时，控制环路稳定。
发明内容
本发明一实施例提出了一种升降压型开关电路的控制电路，所述升降压型开关电路包括输入端口以接收输入电压，输出端口以提供输出电压，串联耦接在输入端口和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关，串联耦接在输出端口和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关，以及耦接于第一功率开关与第二功率开关的连接点和第三功率开关与第四功率开关的连接点之间的电感，所述控制电路包括模式切换控制单元，升压控制单元，降压控制单元以及升降压控制单元，其中模式切换控制单元输出降压使能信号、升压使能信号和升降压使能信号以分别控制升降压型开关电路工作于降压模式，升压模式或者升降压模式。升压控制单元耦接至模式切换控制单元以接收升压使能信号并在升压使能信号使能时，控制升降压型开关电路工作于升压模式，此时第一功率开关保持持续导通，第二功率开关保持持续关断，第三功率开关和第四功率开关进行互补地导通和关断切换，一个升压周期包括第一功率开关和第三功率开关同时导通的AC阶段，以及第一功率开关和第四功率开关同时导通的AD阶段。降压控制单元耦接至模式切换控制单元以接收降压使能信号并在降压使能信号使能时，控制升降压型开关电路工作于降压模式，此时第一功率开关和第二功率开关进行互补地导通和关断切换，第三功率开关保持持续关断，第四功率开关保持持续导通，一个降压周期包括AD阶段以及第二功率开关和第四功率开关同时导通的BD阶段，其中一个降压周期中AD阶段时长的最大值定义为最大降压导通时长。升降压控制单元，耦接至模式切换控制单元以接收升降压使能信号并在升降压使能信号使能时，控制升降压型开关电路工作于升降压模式，一个升降压周期包括AC阶段、AD阶段以及BD阶段，其中，升降压控制单元控制AD阶段的时长为第一恒定值且控制升降压周期等于升压周期和/或降压周期，并根据表征输出电压的反馈信号，参考信号以及表征流过电感的电流的电感电流感应信号控制AC阶段的时长，其中，第一恒定值小于最大降压导通时长。
本发明一实施例提出了一种升降压型开关电路的控制方法，所述升降压型开关电路包括输入端口以接收输入电压，输出端口以提供输出电压，串联耦接在输入端口和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关，串联耦接在输出端口和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关，以及耦接于第一功率开关与第二功率开关的连接点和第三功率开关和第四功率开关的连接点之间的电感，所述控制方法包括：当升降压型开关电路工作于升压模式时，第一功率开关保持持续导通，第二功率开关保持持续关断，第三功率开关和第四功率开关进行互补地导通和关断切换，一个升压周期包括第一功率开关和第三功率开关同时导通的AC阶段，以及第一功率开关和第四功率开关同时导通的AD阶段；当升降压型开关电路工作于降压模式时，第一功率开关和第二功率开关进行互补地导通和关断切换，第三功率开关保持持续关断，第四功率开关保持持续导通，一个降压周期包括AD阶段，以及第二功率开关和第四功率开关同时导通的BD阶段，其中，一个降压周期中AD阶段时长的最大值定义为最大降压导通时长；以及当升降压型开关电路工作于升降压模式时，一个升降压周期包括AC阶段、AD阶段以及BD阶段，其中AC阶段的时长由表征输出电压的反馈信号，参考信号以及表征流过电感的电流的电感电流感应信号控制，AD阶段的时长为第一恒定值，第一恒定值小于最大降压导通时长，所述升降压周期与降压周期和/或升压周期的时长相等。
本发明一实施例提出了一种升降压型开关电路的控制方法，所述升降压型开关电路包括输入端口以接收输入电压，输出端口以提供输出电压，串联耦接在输入端口和参考地之间的由第一功率开关和第二功率开关组成的降压开关对，串联耦接在输出端口和参考地之间的由第三功率开关和第四功率开关组成的升压开关对，以及耦接于降压开关对的连接点和升压开关对的连接点之间的电感，所述控制方法包括：当升降压型开关电路工作于升压模式时，采用固定导通时长控制方式，固定关断时长控制方式或者脉冲宽度调制方式控制升压开关对，升降压型开关电路工作于升压模式时的工作周期为升压周期；当升降压型开关电路工作于降压模式时，采用固定导通时长控制方式，固定关断时长控制方式或者脉冲宽度调制方式控制降压开关对，升降压型开关电路工作于降压模式时的工作周期为降压周期；以及当升降压型开关电路工作于升降压模式时，在升降压周期开始时，第一功率开关和第三功率开关同时导通，第二功率开关和第四功率开关同时关断，此时检测流过电感的电流生成电感电流感应信号，根据参考信号和表征输出电压的反馈信号生成补偿信号，将电感电流感应信号和补偿信号进行比较，当电感电流感应信号增大到补偿信号时，关断第三功率开关，同时导通第四功率开关，当第四功率开关导通第一恒定值时间后，关断第一功率开关，同时导通第二功率开关，第二功率开关一直导通直到所述升降压周期结束，第一功率开关和第三功率开关再次同时导通，第二功率开关和第四功率开关再次同时关断，下一个升降压周期开始，所述升降压周期与降压周期和/或升压周期的时长相等。
根据本发明提供的升降压型开关电路及其控制方法，实现了升降压型开关电路在升压模式，降压模式和升降压模式这三种模式下有效平稳切换。
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的升降压型开关电路100的拓扑结构。
图2给出了根据本发明一实施例的模式切换控制单元11的电路结构图。
图3A给出了根据本发明一实施例的升降压控制单元的电路原理图。
图3B给出了图3A所示的升降压控制单元中各信号的波形图。
图4给出了根据本发明一实施例的AD时长电路的电路结构图。
图5给出了根据本发明一实施例的升降压型开关电路从降压模式切换到升降压模式时电感电流IL的波形示意图。
图6给出了根据本发明一实施例的升降压型开关电路从升压模式切换到升降压模式时电感电流IL的波形示意图。
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。
在本公开的说明书及权利要求书中，若采用了诸如“左、右、内、外、上、下、之上、之下”等一类词，均只是为了便于描述，而不表示组件/结构的必然或者永久的相对位置。本领域的技术人员应该理解这类词在合适的情况下是可以互换的，例如，以使的本公开的实施例可以在不同于本说明书描绘的方向下仍可以运作。在本公开的上下文中，将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者他们之间可以存在居中层/元件。此外“耦接”一词意味着以直接或者间接的电气的或者非电气的方式连接。“一个/这个/那个”并不用于特指单数，而可能涵盖复数形式。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。本领域普通技术人员应该理解，在本公开说明书的一个或者多个实施例中公开的各个具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。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的升降压型开关电路100的拓扑结构。升降压型开关电路100具有输入端口，输出端口，降压开关对以及升压开关对。其中输入端口接收输入电压VIN，输出端口提供输出电压VOUT，降压开关对包括串联耦接于输入端口和参考地GND之间的第一功率开关SWA和第二功率开关SWB，升压开关对包括串联耦接于输出端口和参考地GND之间的第三功率开关SWC和第四功率开关SWD。升降压型开关电路100还包括电感L，电感L耦接于降压开关对的连接点和升压开关对的连接点之间。升降压型开关电路100还包括控制电路以提供第一控制信号GA，第二控制信号GB，第三控制信号GC和第四控制信号GD分别控制第一功率开关SWA，第二功率开关SWB、第三功率开关SWC和第四功率开关SWD的导通和关断，从而将输入电压VIN转换成合适的输出电压VOUT。
继续图1的说明，控制电路包括模式切换控制单元11，降压控制单元12，升压控制单元13，升降压控制单元14和逻辑单元15。其中模式切换控制单元11输出降压使能信号BKEN，升压使能信号BTEN以及升降压使能信号BBEN以分别控制升降压型开关电路100工作于降压模式，升压模式或者升降压模式。当升压使能信号BTEN处于有效状态时，升压控制单元13被使能，升降压型开关电路100工作于升压模式，第一功率开关SWA保持持续导通，第二功率开关SWB保持持续关断，第三功率开关SWC和第四功率开关SWD进行互补地导通和关断切换，即：当第三功率开关SWC导通时，第四功率开关SWD关断，反之当第三功率开关SWC关断时，第四功率开关SWD导通。因此对于一个升压周期，包括第一功率开关SWA和第三功率开关SWC均导通的第一阶段(本公开中用AC阶段表示)和第一功率开关SWA和第四功率开关SWD均导通的第二阶段(本公开中用AD阶段表示)，即TBT＝TAC+TAD，TBT是一个升压周期时长，TAC是AC阶段的时长，TAD是AD阶段的时长。当升降压型开关电路100工作于升压模式时，一般将AC阶段的时长TAC占整个升压周期时长TBT的比例称为升压占空比DBT，升压占空比DBT由输入电压VIN和输出电压VOUT决定。其中，升降压型开关电路100在升压模式下的升压占空比DBT的最小值定义为升压占空比阈值DBTTH。在一实施例中，升压占空比阈值DBTTH被设置为10％，在另一实施例中，升压占空比阈值DBTTH被设置为20％，在其它实施例中，升压占空比阈值DBTTH可以为其它百分比值。
当降压使能信号BKEN处于有效状态时，降压控制单元12被使能，升降压型开关电路100工作于降压模式，第四功率开关SWD保持持续导通，第三功率开关SWC保持持续关断，第一功率开关SWA和第二功率开关SWB进行互补地导通和关断切换，即：当第一功率开关SWA导通时，第二功率开关SWB关断，反之当第一功率开关SWA关断时，第二功率开关SWB导通。因此对于一个降压周期，包括第一功率开关SWA和第四功率开关SWD均导通的第一阶段(本公开中用AD阶段表示)以及第二功率开关SWB和第四功率开关SWD均导通的第二阶段(本公开中用BD阶段表示)，即TBK＝TAD+TBD，且TBK＝TBT，其中TBK是一个降压周期时长，TAD是AD阶段的时长，TBD是BD阶段的时长。当升降压型开关电路100工作于降压模式时，一般将AD阶段的时长TAD占整个降压周期时长TBK的比例称为降压占空比DBK，降压占空比DBK由输入电压VIN和输出电压VOUT决定。其中，升降压型开关电路100在降压模式下的降压占空比DBK的最大值定义为降压占空比阈值DBKTH，此时AD阶段的时长TAD定义为最大降压导通时长TBK×DBKTH。在一实施例中，降压占空比阈值DBKTH设置为90％，在另一实施例中，降压占空比阈值DBKTH设置为80％，在其它实施例中，降压占空比阈值DBKTH可以为其它百分比值。
当升降压使能信号BBEN处于有效状态时，升降压控制单元14被使能，升降压型开关电路100工作于升降压模式。不同于包括AC阶段和AD阶段的升压模式，或者包括AD阶段和BD阶段的降压模式，当升降压型开关电路100工作于升降压模式时，一个升降压周期包括三个阶段，即第一功率开关SWA和第三功率开关SWC同时导通的AC阶段，第一功率开关SWA和第四功率开关SWD同时导通的AD阶段以及第二功率开关SWB和第四功率开关SWD同时导通的BD阶段，即TBB＝TAC+TAD+TBD，且TBB与TBT和/或TBK相等，其中TBB是一个升降压周期时长，表征输出电压VOUT的反馈信号VFB，参考信号REF以及表征流过电感L的电流的电感电流感应信号CS控制AC阶段的时长TAC，AD阶段的时长TAD是第一恒定值TON1，TON1小于最大降压导通时长TBK×DBKTH。在TBB与TBT相等且TBT为一恒定值或TBB与TBK相等且TBK为一恒定值的实施例中，则AC阶段的时长TAC和BD阶段的时长TBD两者的和是第二恒定值TON2，其中，第二恒定值TON2为升降压周期时长TBB与第一恒定值TON1的差值。
对于本发明的实施例，降压控制单元12可以采用脉冲宽度调制方式，恒定导通时间控制方式或者恒定关断时间控制方式等来控制降压开关对。若降压控制单元12采用脉冲宽度调制方式的控制方式，其工作原理是：在时钟信号的一个脉冲沿来临时，AD阶段开始，根据参考信号REF和表征输出电压VOUT的反馈信号VFB生成补偿信号COMP，检测流过电感L的电流来生成电感电流感应信号CS，当电感电流感应信号CS增大到补偿信号COMP时，AD阶段结束，BD阶段开始。BD阶段一直持续，直到时钟信号的下一个相同的脉冲沿来临，BD阶段结束，AD阶段再次开始。因采用脉冲宽度调制方式的降压控制单元是本领域的常规技术手段，此处不再详细给出具体电路结构。
若降压控制单元12采用恒定导通时长控制方式，其工作原理是：比较参考信号REF和表征输出电压VOUT的反馈信号VFB，当反馈信号VFB小于参考信号REF时，AD阶段开始，AD阶段持续一段固定时长后结束，BD阶段开始，BD阶段一直持续，直到反馈信号VFB再次小于参考信号REF时，AD阶段再次开始。因采用恒定导通时长控制方式的降压控制单元也是本领域的常规技术手段，此处也不再详细给出具体电路结构。
同理，升压控制单元13同样可以采用脉冲宽度调制控制方式，恒定导通时间控制方式或者恒定关断时间控制方式等来控制升压开关对。当升压控制单元13采用脉冲宽度调制方式的控制方式时，其工作原理与上述的采用脉冲宽度调制控制方式的降压控制单元12相同。同理，采用脉冲宽度调制方式，恒定导通时间控制方式或者恒定关断时间控制方式等的升压控制单元是本领域的常规技术手段，此处不再详细给出具体电路结构。
继续图1的说明，升降压控制单元14包括AC时长电路，AD时长电路和AC&BD时长电路，其中AC时长电路包括误差放大器EA，比较器CMP。误差放大器EA和比较器CMP根据表征输出电压VOUT的反馈信号VFB，参考信号REF和表征流过电感L的电流的电感电流感应信号CS生成置位信号SET以决定AC阶段的时长TAC。其中误差放大器EA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参考信号REF，第二输入端接收反馈信号VFB，误差放大器EA基于参考信号REF和反馈信号VFB在输出端输出补偿信号COMP。比较器CMP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电感电流感应信号CS，第二输入端接收补偿信号COMP，比较器CMP比较电感电流感应信号CS和补偿信号COMP在输出端输出置位信号SET到AD时长电路。当置位信号SET从无效状态跳变到有效状态时，AC阶段结束，AD时长电路被使能，AD时长电路控制升降压型开关电路100工作于升降压模式时AD阶段的时长TAD为第一恒定值TON1，TON1小于最大降压导通时长TBK×DBKTH。AC&BD时长电路用于控制升降压型开关电路100的升降压周期等于升压周期和/或降压周期。
图2给出了根据本发明一实施例的模式切换控制单元11的电路结构图。模式切换控制单元11包括降压比较器CM1，升压比较器CM2和或非门NOR。其中降压比较器CM1具有第一输入端以接收输入电压VIN，第二输入端以接收输出电压VOUT和降压比例系数K1的乘积，降压比较器CM1将输出电压VOUT和降压比例系数K1的乘积与输入电压VIN进行比较，并在输出端输出降压使能信号BKEN，当输入电压VIN大于等于输出电压VOUT和降压比例系数K1的乘积时，降压使能信号BKEN有效，降压控制单元12被使能，升降压型开关电路100工作于降压模式，其中降压比例系数K1是一个大于1的常数。升压比较器CM2具有第一输入端以接收输出电压VOUT和升压比例系数K2的乘积，第二输入端以接收输入电压VIN，升压比较器CM2将输出电压VOUT和升压比例系数K2的乘积与输入电压VIN进行比较，并在输出端输出升压使能信号BTEN，当输入电压VIN小于等于输出电压VOUT和升压比例系数K2的乘积时，升压使能信号BTEN处于有效状态，升压控制单元13被使能，升降压型开关电路100工作于升压模式，其中升压比例系数K2是一个小于1并且大于0的常数。或非门NOR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降压使能信号BKEN，第二输入端接收升压使能信号BTEN，当升降压型开关电路的输入电压VIN的值小于输出电压VOUT与降压比例系数K1的乘积且大于输出电压VOUT和升压比例系数K2的乘积时，或非门NOR的输出端输出的升降压使能信号BBEN处于有效状态，升降压控制单元14被使能，升降压型开关电路100工作于升降压模式。
在图2所示的实施例中的模式切换控制单元11是比较输入电压VIN和输出电压VOUT来控制升降压型开关电路工作于降压模式，升压模式或者升降压模式。在其它实施例中，模式切换控制单元11还可以通过检测升压占空比DBT和降压占空比DBK来控制升降压型开关电路工作于哪种工作模式。即当升降压型开关电路100工作于升压模式时，检测升压占空比DBT，当检测到升压占空比DBT小于等于升压占空比阈值DBTTH时，升降压型开关电路100从升压模式切换到升降压模式。当升降压型开关电路100工作于降压模式时，检测降压占空比DBK，当检测到降压占空比DBK大于等于降压占空比阈值DBKTH时，升降压型开关电路100从降压模式切换到升降压模式。
图3A给出了根据本发明一实施例的升降压控制单元14的电路原理图。升降压控制单元14包括AC时长电路，AC&BD时长电路14A和AD时长电路。其中AC时长电路包括误差放大器EA，比较器CMP。其中误差放大器EA和比较器CMP根据表征输出电压VOUT的反馈信号VFB，参考信号REF和表征流过电感L的电流的电感电流感应信号CS生成置位信号SET以控制AC阶段的时长TAC。误差放大器EA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参考信号REF，第二输出入端接收表征输出电压VOUT的反馈信号VFB，误差放大器EA将参考信号REF和反馈信号VFB两者的误差放大生成补偿信号COMP。比较器CMP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表征流过电感L的电流的电感电流感应信号CS，第二输入端接收补偿信号COMP，比较器CMP比较电感电流感应信号CS和补偿信号COMP，当电感电流感应信号CS增大到补偿信号COMP时，置位信号SET从无效状态跳变到有效状态以结束AC阶段并使能AD时长电路，置位信号SET处于无效状态的时长决定了AC阶段的时长TAC。
AD时长电路生成AD阶段控制信号CAD以控制AD阶段的时长TAD为第一恒定值TON1，其中TON1小于最大降压导通时长TBK×DBKTH。当置位信号SET从无效状态跳变到有效状态从而结束AC阶段并使能AD时长电路时，AD时长电路开始工作，控制升降压型开关电路100工作于升降压周期的AD阶段，并输出AD阶段控制信号CAD用于控制AD阶段的时长TAD为第一恒定值TON1。
AC&BD时长电路14A输出AC&BD阶段控制信号CAC&BD用于控制升降压型开关电路100的升降压周期等于降压周期和/或升压周期。在图3A中，AC&BD阶段控制信号CAC&BD控制AC阶段的时长TAC和BD阶段的时长TBD两者的和为第二恒定值TON2，TON2＝TBB-TON1。AC&BD时长电路14A包括第一电流源I1，第二电流源I2，第一开关S1，第一电容C1，第一晶体管M1，第二晶体管M2，边沿触发器A1，第一反相器INV1以及第二反相器INV2，其连接如图3A所示，其中第一电流源I1，第一开关S1以及第一电容C1串联耦接于供电电源VCC和参考地GND之间，第一电流源I1具有第一端和第二端，其中第一端耦接于供电电源VCC。第一开关S1具有第一端和第二端，其中第一端耦接于第一电流源I1的第二端，第一电容C1具有第一端和第二端，其中第一端耦接于第一开关S1的第二端，第二端耦接于参考地GND。第二晶体管M2具有源端，漏端和栅端，其中漏端耦接于第一电容C1的第一端，源端耦接于参考地GND。边沿触发器A1接收AC&BD阶段控制信号CAC&BD并根据AC&BD阶段控制信号CAC&BD产生一短脉冲至第二晶体管M2的栅极。第二电流源I2和第一晶体管M1串联耦接于供电电源VCC和参考地GND之间。第二电流源I2具有第一端和第二端，其中第一端耦接于供电电源VCC。第一晶体管M1具有源端，漏端和栅端，其中漏端耦接于第二电源I2的第二端，源端耦接于参考地GND，栅端耦接于第一电容C1的第一端。第一反相器INV1具有输入端和输出端，其中输入端耦接于第一晶体管M1的漏端。第二反相器INV2具有输入端和输出端，其中输入端耦接于第一反相器INV1的输出端，输出端输出AC&BD阶段控制信号CAC&BD。AC&BD时长电路14A的工作原理如下：在第一功率开关SWA和第三功率开关SWC同时导通的AC阶段，第一开关S1导通，第一电流源I1对第一电容C1充电，第一电容C1上的电压V1从零开始增大。第一电流源I1持续对第一电容C1充电直到AC阶段结束，AD时长电路被使能。第一开关S1关断，第一电流源I1停止对第一电容C1充电。第一开关S1保持关断状态直到AD阶段控制信号CAD控制的AD阶段结束，第一开关S1再次导通，第一电流源I1对第一电容C1继续充电，当第一电容C1上的电压V1达到第一晶体管M1的阈值电压VTH时第一晶体管M1导通，AC&BD阶段控制信号CAC&BD从第一状态跳变到第二状态。边沿触发器A1耦接于第二晶体管M2的栅极，其在AC&BD阶段控制信号CAC&BD边沿的触发下导通第二晶体管M2对第一电容C1快速放电使得电压V1再次为零，如此反复。
在其它实施例中，AC&BD时长电路可以采用其它电路结构，只要该电路可以控制升降压型开关电路100的升降压周期等于升压周期和/或降压周期即可。
在图3A中，升降压控制单元14还包括BD时长电路，其耦接AD时长电路和AC时长电路以接收AD阶段控制信号CAD和置位信号SET并根据AD阶段控制信号和置位信号SET生成BD阶段控制信号以用于控制升降压型开关电路100工作在升降压周期的BD阶段且控制BD阶段的时长。在图3A中，BD时长电路包括第三反相器INV3和或非门A2。
图3B给出了图3A所示的升降压控制单元14中各信号的波形图。图3B分别给出了第一电容C1上的电压V1，第一晶体管M1的阈值电压VTH，补偿信号COMP，电感电流感应信号CS，置位信号SET，AD阶段控制信号CAD，AC&BD阶段控制信号CAD&BD，BD阶段控制信号CBD。在时刻T1，第二晶体管M2在AC&BD阶段控制信号CAC&BD下降沿的触发下导通，第一电容C1上的电压V1被快速放电到零，一个升降压周期开始。此时，因为电感电流感应信号CS(在本实施例中，通过检测流过第一功率开关SWA的电流得到表征流过电感L的电流)小于补偿信号COMP，第一电容C1上的电压V1逐渐升高，并且，置位信号SET一直为逻辑低，直到时刻T2，电感电流感应信号CS增大到补偿信号COMP，此时置位信号SET从逻辑低跳变到逻辑高，相应地AC阶段结束。从时刻T1到时刻T2，置位信号SET处于逻辑低的时长即为AC阶段的时长TAC。在时刻T2，因置位信号SET从逻辑低的无效状态跳变到逻辑高的有效状态，AD时长电路被使能，AD阶段控制信号CAD在置位信号SET的触发下从逻辑低跳变到逻辑高，AD阶段控制信号CAD处于逻辑高一段时长(该时长为第一恒定值TON1，其中TON1小于最大降压导通时长TBK×DBKTH)后，直到时刻T3，AD阶段控制信号CAD从逻辑高跳变为逻辑低，AD阶段结束。在时刻T2和T3之间的时段内，开关S1关断，第一电流源I1停止对电容C1充电，第一电容C1上的电压V1保持恒定。在时刻T3，在AD阶段控制信号CAD下降沿的触发下，BD阶段控制信号CBD从逻辑低跳变到逻辑高，BD阶段开始，第一电容C1上的电压V1又逐渐升高，BD阶段控制信号CBD处于逻辑高一段时间后，在时刻T4，第一电容C1上的电压V1增大到第一晶体管M1的阈值电压VTH，表示此时AC阶段的时长TAC和BD阶段的时长TBD两者的和已经达到第二恒定值TON2，其中TON2＝TBB-TON1，AC&BD阶段控制信号CAC&BD从逻辑高跳变到逻辑低，BD阶段结束。从时刻T1到时刻T4为一个升降压周期时长TBB。在时刻T4，第二晶体管M2在AC&BD阶段控制信号CAC&BD下降沿的触发下再次导通，第一电容C1上的电压V1被快速放电到零，下一个升降压周期开始，从时刻T4到时刻T5为下一个升降压周期。
图4给出了根据本发明一实施例的AD时长电路的电路结构图。AD时长电路用于控制升降压型开关电路工作于升降压模式时AD阶段的时长TAD为第一恒定值TON1，其中TON1小于最大降压导通时长TBK×DBKTH。在图4中，AD时长电路包括第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、运算放大器OP1、电阻器R1、第二电容C2、比较器COM2以及单触发电路B，其连接如图4所示，其中第三晶体管M3和第五晶体管M5均具有源端，漏端和栅端，第三晶体管M3的源端和第五晶体管M5的源端均耦接于供电电源VCC，第三晶体管M3的栅端和漏端短接并和第五晶体管M5的栅端耦接于一起。第四晶体管M4具有源端，漏端和栅端，其中漏端耦接于第三晶体管M3的漏端，源端耦接于电阻器R1的一端，电阻器R1的另一端耦接于参考地GND。运算放大器OP1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输入电压VIN，第二输入端耦接于第四晶体管M4的源端，输出端耦接于第四晶体管M4的栅端。第二电容C2和第六晶体管M6并联耦接于第五晶体管M5的漏端和参考地GND之间，第六晶体管M6的源端耦接于参考地。单触发电路B接收置位信号SET，并根据置位信号SET产生一短脉冲至第六晶体管M6的栅极以控制第六晶体管M6的导通和关断。比较器COM2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第五晶体管M5的漏端，第二输入端接收输出电压VOUT，输出端输出AD阶段控制信号CAD信号。AD时长电路的工作原理如下：当电感电流感应信号CS增大到补偿信号COMP时，即在置位信号SET的上升沿，单触发电路B被触发产生一短脉冲将晶体管M6导通，第二电容C2对参考地GND放电，第二电容C2两端的电压V2瞬间放电至零。在所述短脉冲结束后，晶体管M6关断，晶体管M3和M5组成的电流镜对第二电容C2充电，电压V2逐渐增大。当电压V2增大到输出电压VOUT，意味着AD阶段的时长达到第一恒定值TON1，AD阶段控制信号CAD由逻辑高变为逻辑低。
图5给出了根据本发明一实施例的升降压型开关电路从降压模式切换到升降压模式时电感电流IL的波形示意图。在图5中，升降压型开关电路的降压占空比阈值DBKTH设置为90％。在时刻Ta到时刻Tb这段时间，升降压型开关电路工作于降压模式，一个降压周期包括第一功率开关SWA和第四功率开关SWD同时导通的AD阶段和第二功率开关SWB和第四功率开关SWD同时导通的BD阶段。从时刻Ta到时刻Tc，随着输入电压VIN的降低，降压占空比DBK从第一个降压周期(时刻Ta到时刻Tb)的85％增大到第二个降压周期(时刻Tb到时刻Tc)的90％。因此在第二个降压周期，降压占空比DBK已经增大到降压占空比阈值DBKTH，因此在第二个降压周期结束后，升降压型开关电路切换到升降压模式。从时刻Tc到时刻Tf为一个升降压周期，相对于降压周期仅包括AD阶段和BD阶段，升降压周期还包括第一功率开关SWA和第三功率开关SWC同时导通的AC阶段。当升降压型开关电路从降压模式切换到到升降压模式时，AC阶段的时长TAC由表征输出电压VOUT的反馈信号VFB，参考信号REF以及表征流过电感L的电流的电感电流感应信号CS决定。在图5中，升降压周期中AC阶段的时长TAC为T×5％，其中T＝TBB＝TBK。AD阶段的时长TAD从降压模式下的T×90％减小为第一恒定值TON1，此处TON1为T×80％。由于AC阶段的时长TAC和BD阶段的时长TBD两者的和为第二恒定值TON2，其中TON2＝T-TON1＝T×20％，且AC阶段的时长TAC是T×5％，因此BD阶的时长TBD为T×15％。即如图5所示，从时刻Tc到时刻Tf是一个升降压周期，其中从时刻Tc到时刻Td，AC阶段持续T×5％的时长，AC阶段持续时长结束后，从时刻Td到时刻Te，AD阶段持续TON1＝T×80％的时长，AD阶段持续时长结束后，从时刻Te到时刻Tf，BD阶段持续T×15％的时长。从时刻Tf到时刻Tg是下一个升降压周期。
图6给出了根据本发明一实施例的升降压型开关电路从升压模式切换到升降压模式时电感电流IL的波形示意图。在图6中，升降压型开关电路的升压压占空比阈值DBTTH设置为10％。在时刻TA到时刻TB这段时间，升降压型开关电路工作于升压模式，一个升压周期包括第一功率开关SWA和第三功率开关SWC同时导通的AC阶段和第一功率开关SWA和第四功率开关SWD同时导通的AD阶段。从时刻TA到时刻TC，随着输入电压VIN的升高，升压占空比DBT从第一个升压周期(时刻TA到时刻TB)的15％减小到第二个升压周期(时刻TB到时刻TB)的10％。因此在第二个升压周期，升压占空比DBT已经减小到升压占空比阈值DBTTH，因此在第二个升压周期结束后，升降压型开关电路从升压模式切换到升降压模式。从时刻TC到时刻TF为一个升降压周期，相对于升压周期仅包括AC阶段和AD阶段，升降压周期还包括第二功率开关SWB和第四功率开关SWD同时导通的BD阶段。当升降压型开关电路从升压模式切换到到升降压模式时，AC阶段的时长TAC由表征输出电压VOUT的反馈信号VFB，参考信号REF以及表征流过电感L的电流的电感电流感应信号CS决定。在图6中，升降压周期中AC阶段的时长TAC为T×15％，其中T＝TBB＝TBT。AD阶段的时长TAD从升压模式下的T×90％减小为第一恒定值TON1，此处TON1为T×80％。由于AC阶段的时长TAC和BD阶段的时长TBD两者的和为第二恒定值TON2，其中TON2＝T-TON1＝T×20％，且AC阶段的时长TAC是T×15％，因此BD阶段时长TBD为T×5％。即如图6所示，从时刻TC到时刻TF是一个升降压周期，其中从时刻TC到时刻TD，AC阶段持续T×15％的时长，AC阶段持续时长结束后，从时刻TD到时刻TE，AD阶段持续TON1＝T×80％的时长，AD阶段持续时长结束后，从时刻TE到时刻TF，BD阶段持续T×5％的时长。从时刻TF到时刻TG是下一个升降压周期。
应当知晓，虽然在图5和图6所示实施例中，升降压模式下的AD阶段的时长TAD为第一恒定值TON1，其中TON1＝T×80％，AC阶段的时长TAC和BD阶段的时长TBD两者的和为第二恒定值TON2，其中TON2＝T×20％。在另一实施例中，第一恒定值TON1可以为T×70％，此时第二恒定值TON2为T×30％。在其它实施例中，第一恒定值TON1为其它固定值，只需要小于最大降压导通时长TBK×DBKTH即可。
需要说明的是，虽然在图5和图6中，升降压型开关电路是检测降压占空比DBK和升压占空比DBT，并分别与降压占空比阈值DBKTH和升压占空比阈值DBTTH进行比较以控制升降压型开关电路是否切换到升降压模式，但在其它实施例中，也可通过比较输入电压VIN和输出电压VOUT来控制升降压型开关电路工作于升压模式，降压模式或者是升降压模式。
根据本发明一实施例的一种升降压型开关电路的控制方法，所述升降压型开关电路包括输入端口以接收输入电压，输出端口以提供输出电压，串联耦接在输入端口和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关，串联耦接在输出端口和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关，以及耦接于第一功率开关与第二功率开关的连接点和第三功率开关和第四功率开关的连接点之间的电感，所述控制方法包括：当升降压型开关电路工作于升压模式时，第一功率开关保持持续导通，第二功率开关保持持续关断，第三功率开关和第四功率开关进行互补地导通和关断切换，一个升压周期包括第一功率开关和第三功率开关同时导通的AC阶段，以及第一功率开关和第四功率开关同时导通的AD阶段；当升降压型开关电路工作于降压模式时，第一功率开关和第二功率开关进行互补地导通和关断切换，第三功率开关保持持续关断，第四功率开关保持持续导通，一个降压周期包括AD阶段，以及第二功率开关和第四功率开关同时导通的BD阶段，其中，一个降压周期中AD阶段时长的最大值定义为最大降压导通时长；以及当升降压型开关电路工作于升降压模式时，一个升降压周期包括AC阶段、AD阶段以及BD阶段，其中AC阶段的时长由表征输出电压的反馈信号，参考信号以及表征流过电感的电流的电感电流感应信号控制，AD阶段的时长为第一恒定值，第一恒定值小于最大降压导通时长，所述升降压周期与降压周期和/或升压周期的时长相等。
根据本发明一实施例的一种升降压型开关电路的控制方法，所述升降压型开关电路包括输入端口以接收输入电压，输出端口以提供输出电压，串联耦接在输入端口和参考地之间的由第一功率开关和第二功率开关组成的降压开关对，串联耦接在输出端口和参考地之间的由第三功率开关和第四功率开关组成的升压开关对，以及耦接于降压开关对的连接点和升压开关对的连接点之间的电感，所述控制方法包括：当升降压型开关电路工作于升压模式时，采用固定导通时长控制方式，固定关断时长控制方式或者脉冲宽度调制方式控制升压开关对，升降压型开关电路工作于升压模式时的工作周期为升压周期；当升降压型开关电路工作于降压模式时，采用固定导通时长控制方式，固定关断时长控制方式或者脉冲宽度调制方式控制降压开关对，升降压型开关电路工作于降压模式时的工作周期为降压周期；以及当升降压型开关电路工作于升降压模式时，在升降压周期开始时，第一功率开关和第三功率开关同时导通，第二功率开关和第四功率开关同时关断，此时检测流过电感的电流生成电感电流感应信号，根据参考信号和表征输出电压的反馈信号生成补偿信号，将电感电流感应信号和补偿信号进行比较，当电感电流感应信号增大到补偿信号时，关断第三功率开关，同时导通第四功率开关，当第四功率开关导通第一恒定值时间后，关断第一功率开关，同时导通第二功率开关，第二功率开关一直导通直到所述升降压周期结束，第一功率开关和第三功率开关再次同时导通，第二功率开关和第四功率开关再次同时关断，下一个升降压周期开始，所述升降压周期与降压周期和/或升压周期的时长相等。在一实施例中，当升降压型开关电路工作于降压模式时，第一功率开关和第四功率开关同时导通的时长的最大值为最大降压导通时长，所述第一恒定值小于最大降压导通时长。
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)
1.一种升降压型开关电路的控制电路，所述升降压型开关电路包括输入端口以接收输入电压，输出端口以提供输出电压，串联耦接在输入端口和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关，串联耦接在输出端口和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关，以及耦接于第一功率开关与第二功率开关的连接点和第三功率开关与第四功率开关的连接点之间的电感，所述控制电路包括：
模式切换控制单元，输出降压使能信号、升压使能信号和升降压使能信号以分别控制升降压型开关电路工作于降压模式，升压模式或者升降压模式；
升压控制单元，耦接至模式切换控制单元以接收升压使能信号并在升压使能信号使能时，控制升降压型开关电路工作于升压模式，此时第一功率开关保持持续导通，第二功率开关保持持续关断，第三功率开关和第四功率开关进行互补地导通和关断切换，一个升压周期包括第一功率开关和第三功率开关同时导通的AC阶段，以及第一功率开关和第四功率开关同时导通的AD阶段；
降压控制单元，耦接至模式切换控制单元以接收降压使能信号并在降压使能信号使能时，控制升降压型开关电路工作于降压模式，此时第一功率开关和第二功率开关进行互补地导通和关断切换，第三功率开关保持持续关断，第四功率开关保持持续导通，一个降压周期包括AD阶段以及第二功率开关和第四功率开关同时导通的BD阶段，其中一个降压周期中AD阶段时长的最大值定义为最大降压导通时长；以及
升降压控制单元，耦接至模式切换控制单元以接收升降压使能信号并在升降压使能信号使能时，控制升降压型开关电路工作于升降压模式，一个升降压周期包括AC阶段、AD阶段以及BD阶段，其中，升降压控制单元控制AD阶段的时长为第一恒定值且控制升降压周期等于升压周期和/或降压周期，并根据表征输出电压的反馈信号，参考信号以及表征流过电感的电流的电感电流感应信号控制AC阶段的时长，其中，第一恒定值小于最大降压导通时长。
2.如权利要求1所述的控制电路，当升降压型开关电路工作于升降压模式时，检测流过电感的电流生成电感电流感应信号，根据参考信号和反馈信号生成补偿信号，比较电感电流感应信号和补偿信号，当电感电流感应信号增大到补偿信号时，AC阶段结束。
3.如权利要求1所述的控制电路，其中升降压控制单元包括：
AC时长电路，接收参考信号、反馈信号和电感电流感应信号，并根据参考信号、反馈信号和电感电流感应信号生成置位信号以控制AC阶段的时长；
AD时长电路，耦接至AC时长电路以接收置位信号，并根据置位信号以控制升降压型开关电路工作于升降压周期的AD阶段，AD时长电路还生成AD阶段控制信号以控制AD阶段的时长为第一恒定值，以及
AC&BD时长电路，耦接至AC时长电路和AD时长电路以接收置位信号和AD阶段控制信号，并根据置位信号和AD阶段控制信号生成AC&BD阶段控制信号以控制升降压周期。
4.如权利要求3所述的控制电路，其中AC时长电路包括：
误差放大器，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参考信号，第二输入端接收反馈信号，误差放大器根据参考信号和反馈信号在输出端输出补偿信号；以及
比较器，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电感电流感应信号，第二输入端接收补偿信号，比较器比较电感电流感应信号和补偿信号并在输出端输出置位信号。
5.如权利要求3所述的控制电路，其中AC&BD时长电路包括：
第一电流源，具有第一端和第二端，其中第一端耦接于供电电源；
第一开关，具有第一端和第二端，其中第一端耦接于第一电流源的第二端；
第一电容，具有第一端和第二端，其中第一端耦接于第一开关的第二端，第二端耦接于参考地；
第二晶体管，具有源端，漏端和栅端，其中漏端耦接于第一电容的第一端，源端耦接于参考地；
边沿触发器，接收AC&BD阶段控制信号，并根据AC&BD阶段控制信号产生一短脉冲至第二晶体管的栅极；
第二电流源，具有第一端和第二端，其中第一端耦接于供电电源；
第一晶体管，具有源端，漏端和栅端，其中漏端耦接于第二电源的第二端，源端耦接于参考地，栅端耦接于第一电容的第一端；
第一反相器，具有输入端和输出端，其中输入端耦接于第一晶体管的漏端；以及
第二反相器，具有输入端和输出端，其中输入端耦接于第一反相器的输出端，输出端输出AC&BD阶段控制信号。
6.如权利要求3所述的控制电路，其中AD时长电路包括：
第三晶体管，具有源端，漏端和栅端，其中源端耦接于供电电源，栅端和漏端短接于一起；
第五晶体管，具有源端，漏端和栅端，其中源端耦接于供电电源，栅端耦接于第三晶体管的栅端；
电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接于参考地；
第四晶体管，具有源端，漏端和栅端，其中漏端耦接于第三晶体管的漏端，源端耦接于电阻器的第二端；
运算放大器，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输入电压，第二输入端耦接于第四晶体管的源端，输出端耦接于第四晶体管的栅端；
第二电容，具有第一端和第二端，其中第一端耦接于第五晶体管的漏端，第二端耦接于参考地；
第六晶体管，具有源端，漏端和栅端，其中源端耦接于参考地，漏端耦接于第五晶体管的漏端；
单触发电路，接收置位信号，并根据置位信号产生一短脉冲至第六晶体管的栅极；以及
比较器，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第五晶体管的漏端，第二输入端接收输出电压，输出端输出AD阶段控制信号。
7.如权利要求3所述的控制电路，其中升降压控制单元还包括BD时长电路，耦接至AD时长电路和AC时长电路以接收AD阶段控制信号和置位信号并根据AD阶段控制信号和置位信号生成BD阶段控制信号以用于控制升降压型开关电路工作在升降压周期的BD阶段且控制BD阶段的时长。
8.如权利要求1所述的控制电路，其中模式切换控制单元接收输入电压和输出电压，并比较输入电压和输出电压以控制升降压型开关电路工作于降压模式，升压模式或者升降压模式。
9.如权利要求1所述的控制电路，其中模式切换控制单元通过检测升压占空比和降压占空比以控制升降压型开关电路工作于降压模式，升压模式或者升降压模式。
10.如权利要求1所述的控制电路，其中升压控制单元和/或降压控制单元采用恒定导通时间控制方式，恒定关断时间控制方式或脉冲宽度调制控制方式。
11.一种升降压型开关电路的控制方法，所述升降压型开关电路包括输入端口以接收输入电压，输出端口以提供输出电压，串联耦接在输入端口和参考地之间的第一功率开关和第二功率开关，串联耦接在输出端口和参考地之间的第三功率开关和第四功率开关，以及耦接于第一功率开关与第二功率开关的连接点和第三功率开关和第四功率开关的连接点之间的电感，所述控制方法包括：
当升降压型开关电路工作于升压模式时，第一功率开关保持持续导通，第二功率开关保持持续关断，第三功率开关和第四功率开关进行互补地导通和关断切换，一个升压周期包括第一功率开关和第三功率开关同时导通的AC阶段，以及第一功率开关和第四功率开关同时导通的AD阶段；
当升降压型开关电路工作于降压模式时，第一功率开关和第二功率开关进行互补地导通和关断切换，第三功率开关保持持续关断，第四功率开关保持持续导通，一个降压周期包括AD阶段，以及第二功率开关和第四功率开关同时导通的BD阶段，其中，一个降压周期中AD阶段时长的最大值定义为最大降压导通时长；以及
当升降压型开关电路工作于升降压模式时，一个升降压周期包括AC阶段、AD阶段以及BD阶段，其中AC阶段的时长由表征输出电压的反馈信号，参考信号以及表征流过电感的电流的电感电流感应信号控制，AD阶段的时长为第一恒定值，第一恒定值小于最大降压导通时长，所述升降压周期与降压周期和/或升压周期的时长相等。
12.一种升降压型开关电路的控制方法，所述升降压型开关电路包括输入端口以接收输入电压，输出端口以提供输出电压，串联耦接在输入端口和参考地之间的由第一功率开关和第二功率开关组成的降压开关对，串联耦接在输出端口和参考地之间的由第三功率开关和第四功率开关组成的升压开关对，以及耦接于降压开关对的连接点和升压开关对的连接点之间的电感，所述控制方法包括：
当升降压型开关电路工作于升压模式时，采用固定导通时长控制方式，固定关断时长控制方式或者脉冲宽度调制方式控制升压开关对，升降压型开关电路工作于升压模式时的工作周期为升压周期；
当升降压型开关电路工作于降压模式时，采用固定导通时长控制方式，固定关断时长控制方式或者脉冲宽度调制方式控制降压开关对，升降压型开关电路工作于降压模式时的工作周期为降压周期；以及
当升降压型开关电路工作于升降压模式时，在升降压周期开始时，第一功率开关和第三功率开关同时导通，第二功率开关和第四功率开关同时关断，此时检测流过电感的电流生成电感电流感应信号，根据参考信号和表征输出电压的反馈信号生成补偿信号，将电感电流感应信号和补偿信号进行比较，当电感电流感应信号增大到补偿信号时，关断第三功率开关，同时导通第四功率开关，当第四功率开关导通第一恒定值时间后，关断第一功率开关，同时导通第二功率开关，第二功率开关一直导通直到所述升降压周期结束，第一功率开关和第三功率开关再次同时导通，第二功率开关和第四功率开关再次同时关断，下一个升降压周期开始，所述升降压周期与降压周期和/或升压周期的时长相等。
13.如权利要求12所述的控制方法，其中升降压型开关电路工作于降压模式时，第一功率开关和第四功率开关同时导通的时长的最大值为最大降压导通时长，所述第一恒定值小于最大降压导通时长。
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