CN109861500B - 一种用于升降压电源管理芯片的控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子电路技术领域，提供了一种用于升降压电源管理芯片的控制电路及控制方法，通过对输入电压进行变压处理后输出优化电压，然后根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节所述优化电压。由此通过控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节优化电压，实现了对输入电压进行升压或降压时控制芯片的环路稳定，并且输出纹波较小，其转换效率较高的效果，解决了现有的用于升降压电源管理芯片的控制技术存在着当输入电压接近输出电压时控制芯片的环路不稳定，输出纹波较大导致转换效率低的问题。

Description

一种用于升降压电源管理芯片的控制电路及控制方法

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种用于升降压电源管理芯片的控制电路及控制方法。

背景技术

目前，具备QC快速充电协议或PD快速充电协议的电源产品在输入电压大于、等于或小于输出电压的所有电源应用场景中。由于宽范围电压输入时主要采用升降压的控制方式，并输出受电设备所需要的电压，但当输入电压接近输出电压时，会产生一些问题，例如：控制芯片的环路不稳定、输出纹波较大导致受电设备在充电时不能正常使用、电路产生音频噪声导致电源产品及受电设备损坏等。

因此，现有的用于升降压电源管理芯片的控制技术存在着当输入电压接近输出电压时控制芯片的环路不稳定，输出纹波较大导致转换效率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于升降压电源管理芯片的控制电路及控制方法，旨在解决现有的用于升降压电源管理芯片的控制技术存在着当输入电压接近输出电压时控制芯片的环路不稳定，输出纹波较大导致转换效率低的问题。

本发明第一方面提供了一种用于升降压电源管理芯片的控制电路，所述控制电路包括：

用于接收输入电压，并对所述输入电压进行变压处理后输出优化电压的变压模块；

与所述变压模块连接，用于根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制所述变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节所述优化电压的触发模块；

与所述变压模块及所述触发模块连接，用于对所述触发信号进行信号处理后输出第一比较电压，并与所述输入电压进行比较后输出所述第一比较信号的第一比较模块；

与所述变压模块及所述触发模块连接，用于对所述触发信号进行信号处理后输出第二比较电压，并与所述优化电压进行比较后输出所述第二比较信号的第二比较模块；以及

与所述触发模块连接，用于对所述优化电压与基准电压进行比较，并结合对所述输入电压进行分压比较，以输出驱动信号的控制模块。

本发明第二方面提供了一种用于升降压电源管理芯片的控制方法，所述控制方法包括：

采用变压模块接收输入电压，并对所述输入电压进行变压处理后输出优化电压；

采用触发模块根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制所述变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节所述优化电压；

采用第一比较模块对所述触发信号进行信号处理后输出第一比较电压，并与所述优化电压进行比较后输出所述第一比较信号；

采用第二比较模块对所述触发信号进行信号处理后输出第二比较电压，并与所述输入电压进行比较后输出所述第二比较信号；

采用控制模块对所述优化电压与基准电压进行比较，并结合对所述输入电压进行分压比较，以输出驱动信号。

本发明提供的一种用于升降压电源管理芯片的控制电路及控制方法，通过对输入电压进行变压处理后输出优化电压，然后根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节所述优化电压；其中，第一比较信号为对触发信号进行信号处理后输出第一比较电压，并与优化电压进行比较后获取的，第二比较信号为对触发信号进行信号处理后输出第二比较电压，并与输入电压进行比较后获取的，驱动信号对优化电压与基准电压进行比较，并结合对输入电压进行分压比较后获取的。由此通过控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节优化电压，实现了对输入电压进行升压或降压时控制芯片的环路稳定，并且输出纹波较小，其转换效率较高的效果，解决了现有的用于升降压电源管理芯片的控制技术存在着当输入电压接近输出电压时控制芯片的环路不稳定，输出纹波较大导致转换效率低的问题。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种用于升降压电源管理芯片的控制电路的模块结构示意图。

图2是本发明一实施例提供的一种用于升降压电源管理芯片的控制电路的示例电路图。

图3是本发明一实施例提供的一种用于升降压电源管理芯片的控制电路中在升降压模式时将开关周期T分为三个时间段时电压变化的曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

上述的一种用于升降压电源管理芯片的控制电路及控制方法，通过对输入电压进行变压处理后输出优化电压，然后根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节所述优化电压；其中，第一比较信号为对触发信号进行信号处理后输出第一比较电压，并与优化电压进行比较后获取的，第二比较信号为对触发信号进行信号处理后输出第二比较电压，并与输入电压进行比较后获取的，驱动信号对优化电压与基准电压进行比较，并结合对输入电压进行分压比较后获取的。由此通过控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节优化电压，实现了对输入电压进行升压或降压时控制芯片的环路稳定，并且输出纹波较小，其转换效率较高的效果。

图1示出了本发明一实施例提供的一种用于升降压电源管理芯片的控制电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

上述一种用于升降压电源管理芯片的控制电路，包括变压模块101、触发模块102、第一比较模块103、第二比较模块104以及控制模块105。

变压模块101用于接收输入电压，并对输入电压进行变压处理后输出优化电压。

触发模块102与变压模块101连接，用于根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制变压模块101中多个开关单元的动作状态，以调节优化电压。

第一比较模块103与变压模块101及触发模块102连接，用于对触发信号进行信号处理后输出第一比较电压，并与优化电压进行比较后输出所述第一比较信号。

第二比较模块104与变压模块101及触发模块102连接，用于对触发信号进行信号处理后输出第二比较电压，并与输入电压进行比较后输出所述第二比较信号。

控制模块105与触发模块102连接，用于对优化电压与基准电压进行比较，并结合对输入电压进行分压比较，以输出驱动信号。

具体地，上述变压模块101对输入电压进行变压处理包括升压处理、降压处理以及升降压处理。

在一实施例中，由于设置了触发模块102，并且触发模块102根据第一比较模块103输出的第一比较信号、第二比较模块104输出的第二比较信号以及控制模块105输出的驱动信号输出触发信号，并控制变压模块101中多个开关单元的动作状态，以调节优化电压。由此使得即便是当输入电压接近输出电压时控制芯片的环路也处于稳定状态，触发模块102针对用于升降压电源管理芯片工作周期独特的时间算法，其具有负载响应速度快，轻载效率高，连续模式与断续模式过渡平滑的效果。

图2示出了本发明一实施例提供的一种用于升降压电源管理芯片的控制电路的示例电路，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

作为本发明一实施例，上述变压模块101中的多个所述开关单元包括第一开关单元1011、第二开关单元1012、第三开关单元1013以及第四开关单元1014；

第一开关单元1011、第二开关单元1012、第三开关单元1013以及第四开关单元1014分别采用第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3以及第四场效应管Q4实现。

作为本发明一实施例，上述变压模块101还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2以及第一电感L1；

第一电容C1的第一端与第一电阻R1的第一端接入输入电压，第一电阻R1的第二端接第一场效应管Q1的漏极，第一场效应管Q1的源极与第二场效应管Q2的漏极以及第一电感L1的第一端共接，第一电感L1的第二端与第三场效应管Q3的漏极以及第四场效应管Q4的源极共接，第二场效应管Q2的源极与第三场效应管Q3的源极接地，第四场效应管Q4的漏极接第二电阻R2的第一端，第二电阻R2的第二端接第二电容C2的第一端，第一电容C1的第二端与第二电容C2的第二端接地。

作为本发明一实施例，上述触发模块102包括第一控制芯片U1、第二控制芯片U2、第一触发器RS1以及第二触发器RS2；

第一触发器RS1的S端接第二触发器RS2的S端，第一触发器RS1的Q端接第一控制芯片U1的受控端V1，第一控制芯片U1的第一输出端X1接第一场效应管Q1的栅极，第一控制芯片U1的第二输出端X2接第二场效应管Q2的栅极，第二触发器RS2的Q端接第二控制芯片U2的受控端V1，第二控制芯片U2的第一输出端X1接第三场效应管Q3的栅极，第二控制芯片U2的第二输出端X2接第四场效应管Q4的栅极。

其中，第一触发器RS1和第二触发器RS2均为RS触发器。

作为本发明一实施例，上述第一比较模块103包括电流源Is、第一电压源E1、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第三电容C3、第一比较器OP1以及与门And1；

电流源Is的输出端接第一开关管S1的输入端，第一开关管S1的输出端、第二开关管S2的输出端、第三开关管S3的输入端、第三电容C3的第一端以及第一比较器OP1的正相输入端共接，第一电压源E1的输出端接第二开关管S2的输入端，第一开关管S1的受控端与与门And1的第一输入端接第一触发器R1的Q端，与门And1的第二输入端悬空，第三开关管S3的输出端与第三电容C3的第二端接地，第二开关管S2的受控端接第二触发器RS2的Q端，第一比较器OP1的反相输入端接入优化电压，第一比较器OP1的输出端接触发模块102。

具体地，上述第一开关管S1、第二开关管S2以及第三开关管S3均可采用三极管或者场效应管实现。

作为本发明一实施例，上述第二比较模块104包括第四开关管S4、第五开关管S5、第四电容C4、第二电压源E2以及第三比较器OP3；

第四开关管S4的输入端接入优化电压，第四开关管S4的输出端、第二电压源E2的输入端、第四电容C4的第一端以及第三比较器OP3的反相输入端，第三比较器OP3的正相输入端接入输入电压，第二电压源E2的输出端接第五开关管S5的输入端，第五开关管S5的输出端与第四电容C4的第二端接地，第四开关管S4的受控端与第五开关管S5的受控端接第二触发器RS2的Q端。

具体地，上述第四开关管S4和第五开关管S5均可采用三极管或者场效应管实现。

根据以上描述的用于升降压电源管理芯片，其工作于降压模式时和升压模式时的工作原理如下：

1、降压模式

当VOUT<0.9*VIN时，TON_BOOST为0，即第三场效应管Q3关断，第一场效应管Q1的开关时间等于第三电容C3的充放电时间。

具体公式如下：

VO<0.9*VIN.

Ton_Boost＝0.

Ton_Buck＝(Vout/VIN)*RC.

T＝RC

2、升压模式

当VOUT>1.1*VIN时，TON_Buck为1，即第一场效应管Q1常通，第三场效应管Q3的开关时间取决于第四电容C4的充放电时间。

具体公式如下：

VO>1.1*VIN,

Ton_Buck＝1.

Ton_Boost＝(VO-VIN)*RC/VOUT.

T＝RC

图3示出了本发明一实施例提供的一种用于升降压电源管理芯片的控制电路中在升降压模式时将开关周期T分为三个时间段时电压变化，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在T1时间段：当VIN有电压接入时，第四开关管S4导通给第四电容C4充电。且第五比较器OP5的FB电平低于基准电压VREF，第五比较器OP5输出高电平，此时第一场效应管Q1和第三场效应管Q3导通，第二场效应管Q2和第四场效应管Q4关断。同时第一开关管S1和第二开关管S2导通，给第三电容C3充电。

在T2时间段：当第四电容C4的电平大于第三比较器OP3的VIN电平时，第三场效应管Q3关断，第四场效应管Q4导通。同时第二开关管S2断开，第一开关管S1继续导通给第三电容C3充电。此时第一场效应管Q1和第四场效应管Q4导通，第二场效应管Q2和第三场效应管Q3关断。

在T3时间段：当第三电容C3的电平大于VOUT时，第一场效应管Q1关断，第二场效应管Q2导通，同时第三开关管S3导通给第三电容C3放电，此时第二场效应管Q2和第四场效应管Q4导通，第一场效应管Q1和第三场效应管Q3关断。

具体地，T1＝Ton_Boost，T1+T2＝Ton_Buck，T1+T2+T3＝T。

(VOUT/R)*T1+VIN/R*(T1+T2)＝VOUT*C.

VIN/L*T1+(VIN-VOUT)/L*T2-VOUT/L*T3＝0.

所以:VO*T1+VIN*(T1+T2)＝VOUT*RC

VIN*(T1+T2)＝VOUT*(T2+T3)

VOUT*(T1+T2+T3)＝VOUT*RC.T＝T1+T2+T3＝RC

当然，上述一种用于升降压电源管理芯片的控制电路具有双向工作模式，当VOUT端变为输入，VIN端变为输出时，重复进行上述处理方式，只是将相关节点的VOUT变为VIN，VIN变为VOUT。

本发明另一实施例还提供了一种用于升降压电源管理芯片的控制方法，包括：

采用变压模块接收输入电压，并对输入电压进行变压处理后输出优化电压；

采用触发模块根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节优化电压；

采用第一比较模块对触发信号进行信号处理后输出第一比较电压，并与优化电压进行比较后输出第一比较信号；

采用第二比较模块对触发信号进行信号处理后输出第二比较电压，并与输入电压进行比较后输出第二比较信号；

采用控制模块对优化电压与基准电压进行比较，并结合对输入电压进行分压比较，以输出驱动信号。

具体地，采用触发模块根据第一比较模块输出的第一比较信号、第二比较模块输出的第二比较信号以及控制模块输出的驱动信号输出触发信号，并控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节优化电压。由此使得即便是当输入电压接近输出电压时控制芯片的环路也处于稳定状态，同时采用COT模式，针对用于升降压电源管理芯片工作周期独特的时间算法，其具有负载响应速度快，轻载效率高，连续模式与断续模式过渡平滑的效果。

综上，本发明实施例提供的一种用于升降压电源管理芯片的控制电路及控制方法，通过对输入电压进行变压处理后输出优化电压，然后根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节所述优化电压；其中，第一比较信号为对触发信号进行信号处理后输出第一比较电压，并与优化电压进行比较后获取的，第二比较信号为对触发信号进行信号处理后输出第二比较电压，并与输入电压进行比较后获取的，驱动信号对优化电压与基准电压进行比较，并结合对输入电压进行分压比较后获取的。由此通过控制变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节优化电压，实现了对输入电压进行升压或降压时控制芯片的环路稳定，并且输出纹波较小，其转换效率较高的效果，解决了现有的用于升降压电源管理芯片的控制技术存在着当输入电压接近输出电压时控制芯片的环路不稳定，输出纹波较大导致转换效率低的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于升降压电源管理芯片的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：

用于接收输入电压，并对所述输入电压进行变压处理后输出优化电压的变压模块；

与所述变压模块连接，用于根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制所述变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节所述优化电压的触发模块；

与所述变压模块及所述触发模块连接，用于对所述触发信号进行信号处理后输出第一比较电压，并与所述优化电压进行比较后输出所述第一比较信号的第一比较模块；

与所述变压模块及所述触发模块连接，用于对所述触发信号进行信号处理后输出第二比较电压，并与所述输入电压进行比较后输出所述第二比较信号的第二比较模块；以及

与所述触发模块连接，用于对所述优化电压与基准电压进行比较，并结合对所述输入电压进行分压比较，以输出驱动信号的控制模块；

所述变压模块中的多个所述开关单元包括：

第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元以及第四开关单元；

所述第一开关单元、所述第二开关单元、所述第三开关单元以及所述第四开关单元分别采用第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管以及第四场效应管实现；

所述触发模块包括：

第一控制芯片、第二控制芯片、第一触发器以及第二触发器；

所述第一触发器的S端接所述第二触发器的S端，所述第一触发器的Q端接所述第一控制芯片的受控端，所述第一控制芯片的第一输出端接所述第一场效应管的栅极，所述第一控制芯片的第二输出端接所述第二场效应管的栅极，所述第二触发器的Q端接所述第二控制芯片的受控端，所述第二控制芯片的第一输出端接所述第三场效应管的栅极，所述第二控制芯片的第二输出端接所述第四场效应管的栅极；

所述第一比较模块包括：

电流源、第一电压源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第三电容、第一比较器以及与门；

所述电流源的输出端接所述第一开关管的输入端，所述第一开关管的输出端、所述第二开关管的输出端、所述第三开关管的输入端、所述第三电容的第一端以及所述第一比较器的正相输入端共接，所述第一电压源的输出端接所述第二开关管的输入端，所述第一开关管的受控端与所述与门的第一输入端接所述第一触发器的Q端，所述与门的第二输入端悬空，所述第三开关管的输出端与所述第三电容的第二端接地，所述第二开关管的受控端接所述第二触发器的Q端，所述第一比较器的反相输入端接入所述优化电压，所述第一比较器的输出端接所述触发模块；

所述第二比较模块包括：

第四开关管、第五开关管、第四电容、第二电压源以及第三比较器；

所述第四开关管的输入端接入所述优化电压，所述第四开关管的输出端、所述第二电压源的输入端、所述第四电容的第一端以及所述第三比较器的反相输入端，所述第三比较器的正相输入端接入所述输入电压，所述第二电压源的输出端接所述第五开关管的输入端，所述第五开关管的输出端与所述第四电容的第二端接地，所述第四开关管的受控端与所述第五开关管的受控端接所述第二触发器的Q端。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述变压模块还包括：

第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容以及第一电感；

所述第一电容的第一端与所述第一电阻的第一端接入所述输入电压，所述第一电阻的第二端接所述第一场效应管的漏极，所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的漏极以及所述第一电感的第一端共接，所述第一电感的第二端与所述第三场效应管的漏极以及所述第四场效应管的源极共接，所述第二场效应管的源极与所述第三场效应管的源极接地，所述第四场效应管的漏极接所述第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端接所述第二电容的第一端，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第二端接地。

3.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述控制模块包括：

第二比较器、第四比较器、第五比较器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第五电容以及第六电容；

所述第三电阻的第一端接入所述优化电压，所述第三电阻的第二端与所述第四电阻的第一端以及所述第五比较器的反相输入端共接，所述第五比较器的正相输入端接所述基准电压，所述第五比较器的输出端、所述第五电阻的第一端、所述第五电容的第一端以及所述第四比较器的正相输入端共接，所述第五电阻的第二端接所述第六电容的第一端，所述第四电阻的第二端与所述第五电容的第二端以及所述第六电容的第二端接地，所述第二比较器的正相输入端接所述第一电阻的第一端，所述第二比较器的反相输入端接所述第一电阻的第二端，所述第二比较器的输出端接所述第四比较器的反相输入端，所述第四比较器的输出端与所述第一触发器的S端以及所述第二触发器的S端共接。

4.一种用于升降压电源管理芯片的控制方法，其特征在于，所述控制方法基于权利要求1所述的控制电路，所述控制方法包括：

采用变压模块接收输入电压，并对所述输入电压进行变压处理后输出优化电压；

采用触发模块根据第一比较信号、第二比较信号以及驱动信号输出触发信号，并控制所述变压模块中多个开关单元的动作状态，以调节所述优化电压；

采用第一比较模块对所述触发信号进行信号处理后输出第一比较电压，并与所述优化电压进行比较后输出所述第一比较信号；

采用第二比较模块对所述触发信号进行信号处理后输出第二比较电压，并与所述输入电压进行比较后输出所述第二比较信号；

采用控制模块对所述优化电压与基准电压进行比较，并结合对所述输入电压进行分压比较，以输出驱动信号。