CN110545039A - 开关变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种开关变换器及其控制电路和控制方法。该控制电路包括纹波补偿模块，根据第一开关管和第二开关管之间的开关节点电压、第一开关管的第一驱动信号和第二开关管的第二驱动信号，产生斜坡补偿信号和直流补偿信号，所述直流补偿信号是所述斜坡补偿信号的采样信号，其中，所述控制电路采用斜坡补偿信号改善瞬态特性，采用直流补偿信号消除纹波补偿模块引入的失调。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源领域，更具体地，涉及基于恒定导通时间控制模式的开关变换器及其控制电路和控制方法。
背景技术
随着电路电子技术的进步，开关电源不断向高功率密度、高效率、高可靠性方向发展。在各种电子产品的开关电源中，广泛地使用开关变换器。开关变换器可以采用多种拓扑，例如BOOST、BUCK、BOOST-BUCK、反激式拓扑。在工作期间，开关变换器例如采用PWM调制(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)方式控制开关管的导通状态，从而控制从输入端到输出端的电能传输，以提供稳定的输出电压和/或电流。
在采用PWM控制方式时，开关变换器可以基于恒定开关周期或恒定导通时间(COT，Constant on time)的控制方式实现开关控制信号的占空比调节，从而获得期望的输出电压和/或电流。由于无需额外的环路补偿网络和具有更快速的瞬态响应特性，采用恒定导通时间控制方式的开关变换器广泛地应用于各种电子产品中。在采用恒定导通时间控制方式的情形下，还可以引入输出电压前馈的自适应导通时间(ACOT，Adaptive constant ontime)控制，以消除输入、输出电压对系统工作频率的影响，因此，采用恒定导通时间控制方式的开关变换器可以有更好的EMI特性。
在开关变换器的输出端连接有输出电容，用于对输出电压进行滤波以获得平滑的波形。由于输出电容的容性特性，开关变换器的输出电压相对于电感电流信息存在一定的相位滞后，故需要足够等效串联电阻(ESR)的输出电容才能保证系统稳定工作，这也导致输出纹波较大。在将开关变换器用于提供CPU、服务器等高端功能芯片所需的供电电压时，要求供电电压的纹波足够小。为了减小供电电压的纹波，一方面可以选取体积小、ESR小的陶瓷电容或贴片钽电容，另一方面需要在开关变换器的芯片内和芯片外采用附加的纹波补偿模块以满足系统稳定性的要求。
然而，位于芯片外的纹波补偿模块需要增加额外的元器件，位于芯片内的纹波补偿模块可能引入直流失调导致输出电压有偏差。而且，为了在不同输入、输出电压下都能满足系统稳定性的要求，开关变换器的纹波补偿模块的补偿量设计都较大，导致动态特性变差。
因此，期望进一步改进开关变换器的纹波补偿模块以兼顾系统稳定性和动态特性的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明一方面提供了一种用于开关变换器的控制电路，所述开关变换器的主电路包括电感器以及为所述电感器提供充电路径的第一开关管和提供放电路径的第二开关管，所述控制电路包括：误差放大器，将所述主电路的直流输出电压的反馈信号与第一基准电压相比较，以产生补偿信号；
纹波补偿模块，根据所述第一开关管和所述第二开关管之间的开关节点电压、所述第一开关管的第一驱动信号和所述第二开关管的第二驱动信号，产生斜坡补偿信号和直流补偿信号，所述直流补偿信号是所述斜坡补偿信号的采样信号；
第一叠加模块，将所述补偿信号与所述斜坡补偿信号相叠加，以产生第一叠加信号；
第二叠加模块，将所述反馈信号与所述直流补偿信号相叠加，以产生第二叠加信号；
比较器，将所述第一叠加信号和所述第二叠加信号相比较，以产生脉宽调制信号；以及
驱动信号产生模块，产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号，并且根据所述脉宽调制信号调节所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的导通时间，
其中，所述控制电路采用所述斜坡补偿信号改善所述开关变换器的瞬态特性，采用所述直流补偿信号消除所述纹波补偿模块引起的失调。
优选地，在所述控制电路中，所述驱动信号产生模块包括：导通信号产生模块，根据所述主电路的直流输入电压、直流输出电压和所述脉宽调制信号产生导通信号；以及
逻辑和驱动模块，根据所述导通信号和时钟信号产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号。
优选地，在所述控制电路中，还包括：过零检测模块，根据所述开关节点电压产生过零检测信号，
其中，所述纹波补偿模块与所述过零检测模块相连接，在断续工作模式中，所述纹波补偿模块根据所述过零检测信号判断过零时刻。
优选地，在所述控制电路中，所述纹波补偿模块包括：第一电容；自适应电流产生模块，包括与所述第一电容相连接的第一开关，用于产生与所述直流输出电压、和/或所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比成比例的充电电流，在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对所述第一电容进行充电；
放电模块，与所述第一电容相连接，用于在所述第一开关管的断开瞬间对所述第一电容进行放电；
采样模块，包括串联连接在所述第一电容的两端的第三开关和第二电容，在所述第二电容的两端产生所述斜坡补偿信号，以及
串联连接在所述第二电容的两端的第四开关和第三电容，在所述第三开关管的断开瞬间，采用所述第二电容对所述第三电容充电，在所述第三电容的两端产生所述直流补偿信号。
优选地，在所述控制电路中，所述放电模块包括串联连接在所述第一电容两端的第二开关和第一电阻。
优选地，在所述控制电路中，所述纹波补偿模块还包括：开关控制模块，根据所述第一开关管和所述第二开关管的驱动信号产生所述第一开关至所述第四开关的控制信号。
优选地，在所述控制电路中，所述开关控制模块包括：串联连接的第一反相器和第二反相器，用于将所述第二驱动信号转换成彼此同相位的充电控制信号，以控制所述第一开关的导通状态；
第一单稳态触发器，用于在所述第一驱动信号的下降沿触发产生放电控制信号，以控制所述第二开关的导通状态；
第二单稳态触发器，用于在所述第二驱动信号的下降沿触发产生第一采样控制信号，以控制所述第三开关的导通状态；以及
第三反相器，用于将所述第一采样控制信号反相产生第二采样控制信号，以控制所述第四开关的导通状态。
优选地，在所述控制电路中，所述第二单稳态触发器产生第一触发信号，所述开关控制模块还包括：第四反相器，用于将所述第一采样控制信号反相产生复位信号；
计时器，在所述复位信号的触发下重复进行计时以产生计时信号；
第三单稳态触发器，用于根据所述计时信号产生第二触发信号；以及
异或门，连接至所述第二单稳态触发器以接收第一触发信号，以及连接至所述第三单稳态触发器以接收第二触发信号，以及根据所述第一触发信号和所述第二触发信号产生所述第一采样控制信号。
优选地，在所述控制电路中，所述自适应电流产生模块还包括：自适应电压产生模块，用于产生与所述直流输出电压和\或所述占空比成比例的中间电压；以及
电压电流转换模块，用于将所述中间电压转换成所述充电电流。
优选地，在所述控制电路中，所述自适应电压产生模块包括：串联连接在所述第一开关管和所述第二开关管的中间节点和接地端之间的第二电阻和第三电阻；
连接在在所述第二电阻和所述第三电阻的中间节点和接地端之间的第四电容，在所述第四电容的两端获得与所述直流输出电压相对应的采样电压；
第一运算放大器，用于缓冲所述采样电压；
串联连接在所述第一运算放大器的输出端和接地端之间的第五开关和第六开关；
串联连接在所述第五开关和所述第六开关的中间节点和接地端之间的第四电阻和第五电容，在所述第五电容的两端获得所述中间电压。
优选地，在所述控制电路中，所述第五开关和所述第六开关的导通状态分别受所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的控制。
优选地，在所述控制电路中，所述自适应电压产生模块包括：串联连接在所述第一开关管和所述第二开关管的中间节点和接地端之间的第二电阻和第三电阻；
连接在在所述第二电阻和所述第三电阻的中间节点和接地端之间的第四电容，在所述第四电容的两端获得与所述直流输出电压相对应的采样电压；
第三叠加模块，用于将所述采样电压与基准电压相叠加以产生所述中间电压。
优选地，在所述控制电路中，所述电压电流转换模块包括：第二运算放大器，用于缓冲所述中间电压；
第五电阻，连接在所述第二运算放大器的输出端和接地端之间，将所述中间电压转换成中间电流；以及
电流镜，将所述中间电流镜像为所述充电电流。
优选地，在所述控制电路中，所述第五电阻为可调电阻，用于根据所述开关变换器的工作频率调节阻值以获得预定的充电电流。
另一方面提供了一种开关变换器，包括：主电路，包括电感器以及提供为所述电感器提供充电路径的第一开关管和提供放电路径的第二开关管；以及控制电路，包括：误差放大器，将所述主电路的直流输出电压的反馈信号与第一基准电压相比较，以产生补偿信号；
纹波补偿模块，根据所述第一开关管和所述第二开关管之间的开关节点电压、所述第一开关管的第一驱动信号和所述第二开关管的第二驱动信号，产生斜坡补偿信号和直流补偿信号，所述直流补偿信号是所述斜坡补偿信号的采样信号；
第一叠加模块，将所述补偿信号与所述斜坡补偿信号相叠加，以产生第一叠加信号；
第二叠加模块，将所述反馈信号与所述直流补偿信号相叠加，以产生第二叠加信号；
比较器，将所述第一叠加信号和所述第二叠加信号相比较，以产生脉宽调制信号；以及
驱动信号产生模块，产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号，并且根据所述脉宽调制信号调节所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的导通时间，
其中，所述控制电路采用所述斜坡补偿信号改善所述功率变器的瞬态特性，采用所述直流补偿信号消除所述纹波补偿模块引起的失调。
优选地，在所述开关变换器中，所述开关变换器为BUCK拓扑。
优选地，在所述开关变换器中，所述驱动信号产生模块包括：导通信号产生模块，根据所述主电路的直流输入电压、直流输出电压和所述脉宽调制信号产生导通信号；以及
逻辑和驱动模块，根据所述导通信号和时钟信号产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号。
优选地，在所述开关变换器中，还包括：过零检测模块，根据所述开关节点电压产生过零检测信号，
其中，所述纹波补偿模块与所述过零检测模块相连接，在断续工作模式中，所述纹波补偿模块根据所述过零检测信号判断过零时刻。
优选地，在所述开关变换器中，所述纹波补偿模块包括：第一电容；自适应电流产生模块，包括与所述第一电容相连接的第一开关，用于产生与所述直流输出电压和/或所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比成比例的充电电流，在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对所述第一电容进行充电；
放电模块，与所述第一电容相连接，用于在所述第一开关管的断开瞬间对所述第一电容进行放电；
采样模块，包括串联连接在所述第一电容的两端的第三开关和第二电容，在所述第二电容的两端产生所述斜坡补偿信号，以及
串联连接在所述第二电容的两端的第四开关和第三电容，在所述第三开关管的断开瞬间，采用所述第二电容对所述第三电容充电，在所述第三电容的两端产生所述直流补偿信号。
优选地，在所述开关变换器中，所述放电模块还包括串联连接在所述第一电容两端的第二开关和第一电阻。
优选地，在所述开关变换器中，所述纹波补偿模块还包括：
开关控制模块，根据所述第一开关管和所述第二开关管的驱动信号产生所述第一开关至所述第四开关的控制信号。
优选地，在所述开关变换器中，所述开关控制模块包括：串联连接的第一反相器和第二反相器，用于将所述第二驱动信号转换成彼此同相位的充电控制信号，以控制所述第一开关的导通状态；
第一单稳态触发器，用于在所述第一驱动信号的下降沿触发产生放电控制信号，以控制所述第二开关的导通状态；
第二单稳态触发器，用于在所述第二驱动信号的下降沿触发产生第一采样控制信号，以控制所述第三开关的导通状态；以及
第三反相器，用于将所述第一采样控制信号反相产生第二采样控制信号，以控制所述第四开关的导通状态。
优选地，在所述开关变换器中，所述第二单稳态触发器产生第一触发信号，所述开关控制模块还包括：第四反相器，用于将所述第一采样控制信号反相产生复位信号；
计时器，在所述复位信号的触发下重复进行计时以产生计时信号；
第三单稳态触发器，用于根据所述计时信号产生第二触发信号；以及
异或门，连接至所述第二单稳态触发器以接收第一触发信号，以及连接至所述第三单稳态触发器以接收第二触发信号，以及根据所述第一触发信号和所述第二触发信号产生所述第一采样控制信号。
优选地，在所述开关变换器中，所述自适应电流产生模块还包括：自适应电压产生模块，用于产生与所述直流输出电压和/或所述占空比成比例的中间电压；以及电压电流转换模块，用于将所述中间电压转换成所述充电电流。
优选地，在所述开关变换器中，所述自适应电压产生模块包括：串联连接在所述第一开关管和所述第二开关管的中间节点和接地端之间的第二电阻和第三电阻；连接在在所述第二电阻和所述第三电阻的中间节点和接地端之间的第四电容，在所述第四电容的两端获得与所述直流输出电压相对应的采样电压；第一运算放大器，用于缓冲所述采样电压；串联连接在所述第一运算放大器的输出端和接地端之间的第五开关和第六开关；串联连接在所述第五开关和所述第六开关的中间节点和接地端之间的第四电阻和第五电容，在所述第五电容的两端获得所述中间电压。
优选地，在所述开关变换器中，所述第五开关和所述第六开关的导通状态分别受所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的控制。
优选地，在所述开关变换器中，所述自适应电压产生模块包括：串联连接在所述第一开关管和所述第二开关管的中间节点和接地端之间的第二电阻和第三电阻；连接在在所述第二电阻和所述第三电阻的中间节点和接地端之间的第四电容，在所述第四电容的两端获得与所述直流输出电压相对应的采样电压；第三叠加模块，用于将所述采样电压与基准电压相叠加以产生所述中间电压。
优选地，在所述开关变换器中，所述电压电流转换模块包括：第二运算放大器，用于缓冲所述中间电压；电阻，连接在所述第二运算放大器的输出端和接地端之间，将所述中间电压转换成中间电流；
以及，电流镜，将所述中间电流镜像为所述充电电流。
优选地，在所述开关变换器中，所述第五电阻为可调电阻，用于根据所述开关变换器的工作频率调节阻值以获得预定的充电电流。
又一方面提供了一种用于开关变换器的控制方法，所述开关变换器的主电路包括电感器以及提供为所述电感器提供充电路径的第一开关管和提供放电路径的第二开关管，所述控制方法包括：
将所述主电路的直流输出电压的反馈信号与第一基准电压相比较，以产生补偿信号；
根据所述第一开关管和所述第二开关管之间的开关节点电压、所述第一开关管的第一驱动信号和所述第二开关管的第二驱动信号，产生斜坡补偿信号和直流补偿信号，所述直流补偿信号是所述斜坡补偿信号的采样信号；
在所述补偿信号上叠加所述斜坡补偿信号以产生第一叠加信号；
在所述反馈信号上叠加所述直流补偿信号以产生第二叠加信号；
将所述第一叠加信号与所述第二叠加信号进行比较以产生脉宽调制信号；以及
根据所述脉宽调制信号调节所述第一驱动信号和第二驱动信号的导通时间，
其中，所述开关变换器的控制电路采用所述斜坡补偿信号改善所述开关变换器的瞬态特性，采用所述直流补偿信号消除所述纹波补偿模块引起的失调。
优选地，所述控制方法，还包括：根据所述主电路的直流输入电压、直流输出电压和所述脉宽调制信号产生导通信号；以及根据所述导通信号和时钟信号产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号。
优选地，所述控制方法，还包括：根据所述开关节点电压产生过零检测信号，其中，在产生所述斜坡补偿信号和所述直流补偿信号的步骤中，所述第一驱动信号、所述第二驱动信号、所述过零检测信号共同控制多个开关的导通状态。
优选地，产生所述斜坡补偿信号的步骤包括：产生与所述直流输出电压成比例的充电电流；在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对第一电容和第二电容进行充电；以及在所述第一开关管的断开瞬间，对所述第一电容和所述第二电容进行放电，其中，在所述第一电容的两端获得所述斜坡补偿信号。
优选地，产生所述斜坡补偿信号的步骤包括：产生与所述直流输出电压和基准电压的叠加信号成比例的充电电流；在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对第一电容和第二电容进行充电；以及在所述第一开关管的断开瞬间，对所述第一电容和所述第二电容进行放电，其中，在所述第二电容的两端获得所述斜坡补偿信号。
优选地，产生所述直流补偿信号的步骤包括：在所述第二开关管的断开瞬间，采用所述第二电容对第三电容充电，在所述第三电容的两端产生所述直流补偿信号。
优选地，产生所述直流补偿信号的步骤包括：在所述第二驱动信号的下降沿开始计时，当计时时间大于预设时间且在所述计时时间内未接收到所述第二驱动信号的下一个下降沿时，采用所述第二电容对第三电容短时间充电，在所述第三电容的两端产生所述直流补偿信号，同时重新开始计时，循环进行到收到所述第二驱动信号的下降沿。
优选地，产生所述直流补偿信号的步骤包括：在所述第二开关管的断开瞬间，所述第一电容和所述第二电容断开彼此之间的连接。
根据本发明实施例的开关变换器及其控制电路和控制方法，其中，该控制电路根据第一开关管和第二开关管之间的开关节点电压、第一开关管的第一驱动信号和第二开关管的第二驱动信号，产生斜坡补偿信号和直流补偿信号，以补偿第一开关管的导通时间，从而改善瞬态特性和系统稳定性。
根据本发明实施例的开关变换器，控制电路采用纹波补偿模块对第一开关管的导通时间进行补偿。该纹波补偿模块的内部可以包括多个开关，根据第一开关管的驱动信号和第二开关管的驱动信号产生多个控制信号，以控制所述多个开关的导通状态，从而获得与直流输出电压和/或驱动信号的占空比成比例的斜坡补偿信号和直流补偿信号。该控制电路采用斜坡补偿信号改善瞬态特性，采用直流补偿信号消除纹波补偿模块引入的失调。
在优选的实施例中，纹波补偿模块的控制信号包括第一开关管和第二开关管的驱动信号及相关的反馈信号。由于第一开关管的驱动信号和第二开关管的驱动信号与开关变换器的电流模式和过零时刻相关，因此，该实施例的开关变换器在工作于电感电流连续模式和断续模式均可以实现改善瞬态特性和消除失调的有益效果。
在优选的实施例中，纹波补偿模块的控制信号不仅限于第一开关管和第二开关管的驱动信号及相关的反馈信号，还可以采用过零检测信号直接参与纹波补偿模块中的多个开关的导通状态控制，因此，该实施例的开关变换器在工作于电感电流连续模式和断续模式均可以实现改善瞬态特性和消除失调的有益效果。
在优选的实施例中，纹波补偿模块将第一开关管和第二开关管的开关节点电压的采样信号叠加基准电压的方式增大补偿量，从而进一步提高系统的稳定性。
在优选的实施例中，纹波补偿模块通过采样保持电路的设计产生直流补偿信号，从而消除因纹波补偿引入的输出电压失调，特别设计的采样保持电路使系统在轻负载断续工作模式开关管长时间无开关动作时也不会有额外的直流失调。
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他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性框图。
图2示出在图1所示开关变换器中纹波补偿模块的示意性框图。
图3示出在图1所示开关变换器中开关控制模块的示意性电路图。
图4示出在图1所示开关变换器中纹波补偿模块的第一实施例的示意性电路图。
图5示出在图1所示开关变换器中纹波补偿模块的第二实施例的示意性电路图。
图6示出图1所示开关变换器中纹波补偿模块在连续模式下的波形图。
图7示出图1所示开关变换器中纹波补偿模块在断续模式下的波形图。
图8示出图1所示开关变换器中纹波补偿模块在断续模式下的控制波形图。
图9示出根据本发明实施例的开关变换器控制方法的流程图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
图1示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性框图。如图1所示，该开关变换器100例如为BUCK拓扑，包括主电路和控制电路110。
主电路包括串联连接在输入端VIN和接地端GND之间的开关管M1和M2、连接在开关管M1和M2的中间节点SW和输出端VO之间的电感器L、串联连接在输出端VO和接地端GND之间的采样电阻R11和R12、连接在输出端VO和接地端GND之间的输出电容Co。在图1中还示出了输出电容Co的等效串联电阻Ro。在开关管M1和M2的中间节点SW提供电感器L的开关节点电压VSW。在采样电阻R11和R12的中间节点FB提供输出电压相对应的电压反馈信号Vfb。外部的负载Rload连接在输出端VO和接地端GND之间，从主电路的输出端VO获取输出电压Vout，例如作为供电电压。
控制电路110用于向开关管M1和M2的控制端分别提供驱动信号VHG和VLG，以控制开关管M1和M2的导通状态。在开关管M1导通且开关管M2断开时，直流输入电压Vin经由开关管M1的充电路径对电感器L进行充电，电能在储存在电感器L中的同时对负载Rload进行供电。在开关管M1断开且开关管M2导通时，电感器L继续维持电流方向，经由开关管M2的放电路径对负载Rload进行供电。
控制电路110包括纹波补偿模块112、误差放大器113、叠加模块114和115、比较器116、驱动信号产生模块101。纹波补偿模块112连接至中间节点SW以获得开关节点电压VSW。
纹波补偿模块112根据开关节点电压VSW、开关管M1的驱动信号VHG、开关管M2的驱动信号VLG，产生开关控制信号以控制纹波补偿模块112的内部开关，从而产生随主电路的变化而自适应变化的斜坡补偿信号RAMP，以及对斜坡补偿信号RAMP的峰值采样获得直流补偿信号VSNS。
误差放大器113连接至采样电阻R11和R12的中间节点FB以获得电压反馈信号Vfb。进一步地，误差放大器113的反相输入端和同相输入端分别接收电压反馈信号Vfb和基准电压Vref，对二者的差值进行放大以产生补偿信号COMP。
叠加模块114接收补偿信号COMP和斜坡补偿信号RAMP，将二者叠加以产生第一叠加信号。叠加模块115接收电压反馈信号Vfb和直流补偿信号VSNS，将二者叠加以产生第二叠加信号。比较器116的同相输入端和反相输入端分别接收第一叠加信号和第二叠加信号，将二者进行比较以产生脉宽调制信号PWM。
驱动信号产生模块101包括导通信号产生模块117、逻辑和驱动模块118。
导通信号产生模块117连接至比较器116的输出端以接收脉宽调制信号PWM、连接至主电路的输入端VIN以接收直流输入电压Vin、连接至主电路的输出端VO以接收直流输出电压Vout。导通信号产生模块117在脉宽调制信号PWM的触发下产生导通信号TON。由于导通信号产生模块117引入主电路的输入电压Vin和输出电压Vout的前馈，因而，导通信号产生模块117产生的导通信号TON可以随着主电路的输入电压和输出电压变化。
逻辑和驱动模块118例如连接至时钟信号发生电路(未在图中示出)以获得时钟信号CLK，以及接收导通信号TON，经控制逻辑产生驱动信号VHG和VLG，分别提供至驱动端HG和LG，以控制开关管M1、M2的导通与断开。根据时钟信号CLK和脉宽调制信号PWM产生开关控制信号。该逻辑和驱动模块118例如包括RS触发器。RS触发器的置位端和复位端分别接收时钟信号CLK和调制信号PWM。RS触发器的输出端提供开关控制信号。进一步，逻辑和驱动模块118提高驱动能力，从而将开关控制信号转换成开关驱动信号。开关驱动信号控制开关管M1和M2的导通状态，从而控制从输入端至输出端的电能传输。开关管M1和M2在开关周期中的占空比越大，开关变换器100的输出电压越高。
根据该实施例的开关变换器100，采用控制电路110的芯片内部的纹波补偿模块112来改善系统稳定性。该开关变换器100允许采用等效串联电阻数值较小的输出电容Co，在维持系统稳定性的同时还可以减小输出纹波。
在纹波补偿模块112中，从开关管M1和M2之间的开关节点SW获得的开关节点电压VSW结合开关管M1的驱动信号VHG和开关管M2的驱动信号VLG产生随输入电压Vin、输出电压Vout及系统工作频率变化而自适应变化的斜坡补偿信号RAMP。该斜坡补偿信号RAMP与电感电流在开关管M2的导通阶段同频同相，叠加在补偿信号COMP上，形成第一叠加信号，提供至比较器116的同相输入端，则等效于在输出电压Vout上叠加了与电感电流同相的纹波，从而满足系统稳定性要求。此外，纹波补偿模块112还通过采样保持的方式产生直流补偿信号VSNS，叠加在电压反馈信号Vfb上形成第二叠加信号，提供至比较器116的反相输入端，从而可以消除纹波补偿模块112引起的输出上的失调。
在该实施例中，纹波补偿模块112的内部包括多个开关，根据开关管M1的驱动信号VHG和开关管M2的驱动信号VLG产生多个控制信号，以控制所述多个开关的导通状态，从而获得与直流输出电压Vout和\或驱动信号的占空比成比例的斜坡补偿信号和直流补偿信号。由于开关管M1的驱动信号VHG和开关管M2的驱动信号VLG与开关变换器100的电流模式和过零时刻相关，因此，该实施例的开关变换器100在工作于电感电流连续模式和断续模式均可以实现改善瞬态特性和消除失调的有益效果。
在替代的实施例中，控制电路110还包括过零检测模块111，过零检测模块111连接至中间节点SW以获得开关节点电压VSW。过零检测模块111检测电感电流的过零时刻并且产生过零检测信号DCM。在开关变换器100工作于电感电流断续模式时，过零检测模块111检测电感电流的过零时刻，控制电路110根据过零检测信号DCM控制开关管M2及时断开，因而可以阻止电流反向流动。
纹波补偿模块112与过零检测模块111相连接以获得过零检测信号DCM。根据过零检测信号DCM、开关管M1的驱动信号VHG和开关管M2的驱动信号VLG产生多个控制信号，以控制所述多个开关的导通状态，从而获得与直流输出电压Vout和\或驱动信号的占空比成比例的斜坡补偿信号和直流补偿信号。采用过零检测模块112的过零检测信号DCM控制纹波补偿模块112的多个开关，因此，该替代实施例的开关变换器在工作于电感电流连续模式和断续模式均可以实现改善瞬态特性和消除失调的有益效果。
图2示出在图1所示开关变换器中纹波补偿模块的示意性框图。该纹波补偿模块112包括开关控制模块1211、自适应电流产生模块1212、采样模块1214、以及放电模块1213及电容C01。
开关控制模块1211例如连接至图1所示控制电路110的驱动端HG和LG以接收驱动信号VHG和VLG，连接时钟信号发生电路以接收时钟信号CLK，以及产生纹波补偿模块112的内部控制信号S1至S4，分别为充电控制信号S1、放电控制信号S2、第一采样控制信号S3和第二采样控制信号S4。
自适应电流产生模块1212包括自适应电压产生模块1201及电压电流转换模块1202。优选地，自适应电流产生模块1212连接至开关管M1和M2的中间节点SW以接收电感器L的开关节点电压VSW，以及连接至开关控制模块1211以接收驱动信号VHG和VLG，以及根据二者产生中间电压Va。该中间信号Va的幅值随输入电压Vin、输出电压Vout、系统工作频率及驱动信号VHG和VLG的占空比变化而变化。
优选地，自适应电流产生模块1212连接至开关管M1和M2的中间节点SW以接收电感器L的开关节点电压VSW，以及接收基准电压Vdc，例如采用基准源根据主电路的直流输出电压Vout产生的基准电压，以及根据二者产生中间电压Va。该中间信号Va的幅值随输入电压Vin、输出电压Vout以及系统工作频率的变化而变化。
电压电流转换模块1202连接至自适应电压产生模块1201以接收中间电压Va，以及将中间电压转换成充电电流Ic。进一步地，电压电流转换模块1202连接至开关控制模块1211以接收充电控制信号S1，从而控制充电电流Ic的充电路径的导通和断开，使得自适应电流产生模块1212相应地提供或断开充电电流Ic。
放电模块1213和电容C01并联连接在自适应电流产生模块1212的输出端和接地端之间。放电模块1213与开关控制模块1211相连接以接收放电控制信号S2，从而控制放电路径的导通和断开。在自适应电流产生模块1212的充电路径导通以提供充电电流Ic的第一阶段，放电模块1213中的放电路径断开，从而对电容C01进行充电。在自适应电流产生模块1212的充电路径断开以断开充电电流Ic的第二阶段，放电模块1213中的放电路径导通，使得电容C01经由放电路径进行放电。上述的第一阶段和第二阶段交替进行，从而产生斜坡信号。通过放电模块1213放电达到周期内平衡，在电容C01的两端产生周期性的斜坡补偿信号RAMP。
采样模块1214采样斜坡补偿信号RAMP以得到直流补偿信号VSNS。该直流补偿信号VSNS提供至后级的比较器，以消除纹波补偿模块112引起的输出上的失调。
在该实施例中，纹波补偿模块112采用开关节点电压VSW，结合开关管M1和M2的驱动信号直接产生随输入电压Vin、输出电压Vout、系统工作频率及驱动信号的占空比变化而自适应变化的斜坡补偿信号RAMP。
在替代的实施例中，纹波补偿模块112还可以接收基准电压Vdc，结合开关节点电压VSW产生随输入电压Vin、输出电压Vout及系统工作频率变化而自适应变化的斜坡补偿信号RAMP。该实施例采用开关节点电压VSW的采样信号叠加基准电压Vdc的方式增大补偿量，从而进一步提高系统的稳定性。
图3示出在图1所示开关变换器中开关控制模块的示意性电路图。开关控制模块1211包括单稳态触发器A11至A13、反相器A14至A17、计时器A18、或非门A19。如上所述，开关控制模块1211例如连接至图1所示控制电路110的驱动端HG和LG以接收驱动信号VHG和VLG，连接时钟信号发生电路以接收时钟信号CLK。
开关管M2的驱动信号VLG经过串联连接的反相器A14和A15，产生与驱动信号VLG相同相位的方波信号。该方波信号作为充电控制信号S1。
开关管M1的驱动信号VHG经过单稳态触发器A11，产生在驱动信号VHG的下降沿触发的脉冲信号，脉冲宽度约为几十nS。该脉冲信号作为放电控制信号S2。
开关管M2的驱动信号VLG经过单稳态触发器A12，产生在驱动信号VLG的下降沿触发的脉冲信号，脉冲宽度约为几十nS。该脉冲信号与定时脉冲信号共同提供至或非门A19的输入端。或非门A19的输出端提供的逻辑信号作为第一采样控制信号S3。
该第一采样控制信号S3经过反相器A16和A17分别产生第二采样控制信号S4和复位信号RESET。
计时器A18接收时钟信号CLK和复位信号RESET。时钟信号CLK为固定频率的时钟输入信号。例如，在第一采样控制信号S3的上升沿(即，采样控制信号S4的下降沿)启动计时器A18进行计时，从而产生计时信号。该计时信号经由单稳态触发器A13产生定时脉冲信号。
在该实施例中，纹波补偿模块112产生随输出电压Vout和/或驱动信号占空比D及系统工作频率变化的斜坡补偿信号RAMP，相比现有片内纹波补偿电路，能自适应调整补偿量，在保证稳定的同时有更好的瞬态特性，同时通过去除采样保持得到的直流补偿信号VSNS可消除纹波补偿电路引入的失调。
在该实施例中，在轻载情况下，开关变换器100可以工作于强制的连续模式下，则可以省去过零检测模块111，纹波补偿模块112根据主电路的开关管驱动信号VHG和VLG产生相应的控制信号，以获得上述的斜坡补偿信号RAMP和直流补偿信号VSNS。
在替代的实施例中，开关变换器100可以工作于断续模式下，例如，过零检测模块111例如接收开关节点电压VSW来判断电感电流的过零时刻，或者接收驱动信号VHG/VLG来判断电感电流的过零时刻，产生过零检测信号DCM。纹波补偿模块的控制信号不仅限于主电路的开关管M1的驱动信号及相关的反馈信号，还可以采用过零检测信号DCM直接参与纹波补偿模块112中的多个开关的导通状态控制。
图4示出在图1所示开关变换器中纹波补偿模块的第一实施例的示意性电路图。参见图2，纹波补偿模块112包括开关控制模块1211、自适应电流产生模块1212、采样模块1214、以及放电模块1213及电容C01。
自适应电流产生模块1212包括自适应电压产生模块1201及电压电流转换模块1202。
自适应电压产生模块1201包括运算放大器A21、开关K21和K22、电阻R21至R23、电容C21和C22。电阻R21和R22串联连接在中间节点SW和接地端GND之间，电容C21连接在电阻R21和R22的中间节点和接地端之间，从而对主电路中电感器L的开关节点电压VSW进行分压和滤波，在电容C21的两端获得检测信号VC21，
其中，R21和R22分别表示相应的电阻阻值，Vout表示直流输出电压。
运算放大器A21连接成缓冲器，即，运算放大器A21的反相输入端与输出端连接，同相输入端连接至电容C21的高电位端，从而获得检测信号VC21。开关K21和K22串联连接在运算放大器A21的输出端和接地端之间。电阻R23和电容C22串联连接在开关K21和K22的中间节点与接地端之间。开关K21根据开关管M1的驱动信号VHG导通和断开，开关K22根据开关管M2的驱动信号VLG导通和断开。电阻R23和电容C22组成积分电路，在电容C22的两端获得中间电压Va，
其中，D表示开关管M1和M2的驱动信号的占空比。
电压电流转换模块1202包括运算放大器A22、可调电阻R24、电流镜A23、开关K23。运算放大器A22连接成缓冲器，即，运算放大器A22的反相输入端与输出端连接，同相输入端连接至电容C22的高电位端，从而获得中间电压Va。可调电阻R24连接在运算放大器A22的输出端和接地端之间，产生与中间电压Va相对应的电流。该电流经过电流镜A23的镜像之后，获得充电电流Ic，
其中，k表示电流镜的镜像比例，R24表示相应电阻阻值。
电压电流转换模块1202中的可调电阻R24的阻值大小与系统的工作频率相关。在设定不同系统工作频率时，可以通过逻辑电路改变可调电阻R24的阻值大小，以获得期望数值的充电电流Ic。
电压电流转换模块1202中的开关K23根据开关控制模块1211提供的充电控制信号S1导通和断开，从而控制充电电流Ic的充电路径的导通和断开，相应地提供或断开充电电流Ic。例如，仅在开关管M2的导通期间对电容C01进行充电。
放电模块1213包括开关K24和电阻R25。电阻R25和开关K24串联连接在电容C01的两端。采样模块1214包括开关K25、K26、电容C24和电容C23。开关K26和电容C24串联连接在电容C23的两端。开关K25和电容C23串联连接在电容C01的两端。开关K24根据开关控制模块1211的放电控制信号S2导通和断开，开关K25根据第一采样控制信号S3导通和断开。在电容C23的两端获得斜坡补偿信号RAMP。开关K26根据开关控制模块1211的第二采样控制信号S4导通和断开。在电容C24的两端获得直流补偿信号VSNS。
如上所述，自适应电流产生模块1212仅在开关管M2的导通期间对电容C01进行充电。类似地，开关K25在开关管M2导通时闭合，因而，电容C01和C23同时进行充电，其中，电容C23作为采样电容。该实施例中的放电控制信号S2为在开关管M1的驱动信号下降沿触发的脉冲信号，例如，脉冲宽度约几十nS。在脉冲信号的脉冲宽度内，经由开关K24和电阻R25的放电路径导通，从而同时对C01及C23放电。根据电容的充放电等式，可以得开关管M2导通时，对电容C01和C23充电的斜率Se,
该实施例中的第二采样控制信号S4为在开关管M2的驱动信号边沿触发的脉冲信号，例如，脉冲宽度约几十nS。在脉冲信号的脉冲宽度内，经由开关K26的充电路径导通，从而对电容C24进行充电，从而获得直流补偿信号VSNS。
图5示出在图1所示开关变换器中纹波补偿模块的第二实施例的示意性电路图。参见图2，纹波补偿模块112包括开关控制模块1211、自适应电流产生模块1212、采样模块1214、以及放电模块1213及电容C01。
自适应电流产生模块1212包括自适应电压产生模块2201及电压电流转换模块1202。
自适应电压产生模块2201包括叠加模块A31、电阻R21和R22、电容C21。电阻R21和R22串联连接在中间节点SW和接地端GND之间，电容C21连接在电阻R21和R22的中间节点和接地端之间，从而对主电路中电感器L的开关节点电压VSW进行分压和滤波，在电容C21的两端获得检测信号VC21，参见等式(1)。
叠加模块A31的各输入端分别接收检测信号VC21和基准电压Vdc，将二者叠加获得中间电压Va，
电压电流转换模块1202包括运算放大器A22、可调电阻R24、电流镜A23、开关K23。运算放大器A22连接成缓冲器，即，运算放大器A22的反相输入端与输出端连接，同相输入端连接至电容C22的高电位端，从而获得中间电压Va。可调电阻R24连接在运算放大器A22的输出端和接地端之间，产生与中间电压Va相对应的电流。该电流经过电流镜A23的镜像之后，获得充电电流Ic，
其中，k表示电流镜的镜像比例，R24表示相应电阻阻值。
电压电流转换模块1202中的可调电阻R24的阻值大小与系统的工作频率相关。在设定不同系统工作频率时，可以通过逻辑电路改变可调电阻R24的阻值大小，以获得期望数值的充电电流Ic。
根据第二实施例的纹波补偿模块的开关控制模块1211、采样模块1214、以及放电模块1213及电容C01与第一实施例相同。在此，不再进行详述。
如上所述，自适应电流产生模块1212在开关管M2的导通期间对电容C01进行充电。类似地，开关K25在开关管M2导通时闭合，因而，电容C01和C23同时进行充电，其中，电容C23作为采样电容。该实施例中的放电控制信号S2为在开关管M1的驱动信号下降沿触发的脉冲信号，例如，脉冲宽度约几十nS。在脉冲信号的脉冲宽度内，经由开关K24和电阻R25的放电路径导通，从而同时对C01及C23放电。根据电容的充放电等式，可以得开关管M2导通时，对电容C01和C23充电的斜率Se,
该实施例中的第二采样控制信号S4为在开关管M2的驱动信号边沿触发的脉冲信号，例如，脉冲宽度约几十nS。在脉冲信号的脉冲宽度内，经由开关K26的充电路径导通，从而对电容C24进行充电，从而获得直流补偿信号VSNS。
在第二实施例的纹波补偿模块中，采用开关节点电压VSW叠加基准电压Vdc的采样补偿，其补偿量与输出电压与系统工作频率均相关。理论上，补偿量越小，在实现系统稳定的同时动态特性越好。第一实施例采用开关节点电压VSW的采样信号结合开关信号进行补偿，其补偿量与输出电压、驱动信号占空比、系统工作频率相关。相较于第二实施例，第一实施例中控制变量更多。两实施例的提供旨在根据实际应用情况选择补偿方式，以精确跟随外围变化选择产生更贴切的补偿量，从而得到更好的动态性能，提高系统的稳定性。
图6示出图1所示开关变换器中纹波补偿模块在连续模式下的波形图。在图中，曲线VHG表示主电路的开关管M1的驱动信号，曲线VLG表示主电路的开关管M2的驱动信号，S1表示充电控制信号，S2表示放电控制信号，S3与S4彼此反相，分别表示第一采样控制信号和第二采样控制信号，RAMP表示随主电路的变化而自适应变化的斜坡信号，以及VSNS表示对斜坡补偿信号RAMP采样获得的直流采样信号。
参见图4所示的纹波补偿模块，自适应电压产生模块1201中的开关K21和K22分别在驱动信号VHG和VLH的控制下导通和断开，从而获得与输出电压Vout和占空比D相关的中间电压Va。电流转换模块1202中开关K23在充电控制信号S1的控制下导通和断开，在主电路的开关管M2的导通阶段提供充电电流Ic。放电模块1213中开关K24在放电控制信号S2的控制下导通和断开，在主电路的开关管M1的断开瞬间(脉冲宽度几十nS)提供放电路径，使得电容C01释放电荷而复位。
第一采样信号S3和第二采样信号S4彼此反相，在开关管M2的驱动信号VLG的下降沿，触发脉冲宽度约几十nS的脉冲信号，产生第一采样信号S3，并且经由反相器A16产生第二采样信号S4。放电模块1213中开关K25在第一采样控制信号S3的控制下导通和断开，在电容C23的两端产生斜坡补偿信号RAMP。采样模块1214中开关K26在第二采样控制信号S4的控制下导通和断开，在电容C24的两端产生直流补偿信号VSNS。
在系统稳定状态下，直流补偿信号VSNS等于斜坡补偿信号RAMP在主电路的开关管M2断开时的电压值。在纹波补偿模块中，直流补偿信号VSNS的数值由充电电流Ic、电阻R25和第二采样控制信号S4的脉冲宽度共同决定。在主电路的开关管M2的导通阶段采用充电电流Ic对电容C01充电的量，与在主电路的开关管M1的断开瞬间内对电容C01放电的量，二者之间达到动态平衡。在轻负载切换重负载时，由于主电路的开关管M2的导通时间会突然变短，充电量小于放电量，斜坡补偿信号RAMP及直流补偿信号VSNS会出现不同斜率不同幅度的下调，因而可以改善动态响应。
在连续模式时，斜坡补偿信号RAMP表现出主电路的开关管M2导通阶段先瞬间放电然后充电的特性，在主电路的开关管M2的断开瞬间采样斜坡补偿信号RAMP得到直流补偿信号VSNS，因此，在采样结束后，直流补偿信号VSNS保持不变。
图7示出图1所示开关变换器中纹波补偿模块在断续模式下的波形图。在图中，曲线VHG表示主电路的开关管M1的驱动信号，曲线VLG表示主电路的开关管M2的驱动信号，S1表示充电控制信号，S2表示放电控制信号，S3与S4彼此反相，分别表示第一采样控制信号和第二采样控制信号，RAMP表示随主电路的变化而自适应变化的斜坡信号，以及VSNS表示对斜坡补偿信号RAMP采样获得的直流采样信号。
参见图4所示的纹波补偿模块，自适应电压产生模块1201中的开关K21和K22分别在驱动信号VHG和VLH的控制下导通和断开，从而获得与输出电压Vout和占空比D相关的中间电压Va。电流转换模块1202中开关K23在充电控制信号S1的控制下导通和断开，在主电路的开关管M2的导通阶段提供充电电流Ic。放电模块1213中开关K24在放电控制信号S2的控制下导通和断开，在主电路的开关管M1的断开瞬间(脉冲宽度几十nS)提供放电路径，使得电容C01释放电荷而复位。
第一采样信号S3和第二采样信号S4彼此反相，在开关管M2的驱动信号VLG的下降沿，触发脉冲宽度约几十nS的脉冲信号，产生第一采样信号S3，并且经由反相器A16产生第二采样信号S4。放电模块1213中开关K25在第一采样控制信号S3的控制下导通和断开，在电容C23的两端产生斜坡补偿信号RAMP。采样模块1214中开关K26在第二采样控制信号S4的控制下导通和断开，在电容C24的两端产生直流补偿信号VSNS。
在系统稳定状态下，直流补偿信号VSNS等于斜坡补偿信号RAMP在主电路的开关管M2断开时的电压值。在纹波补偿模块中，直流补偿信号VSNS的数值由充电电流Ic、电阻R25和第二采样控制信号S4的脉冲宽度共同决定。在主电路的开关管M2的导通阶段采用充电电流Ic对电容C01充电的量，与在主电路的开关管M1的断开瞬间内对电容C01放电的量，二者之间达到动态平衡。在轻负载重负载切换时，由于主电路的开关管M2的导通时间会突然变短，充电量小于放电量，斜坡补偿信号RAMP及直流补偿信号VSNS会出现不同斜率不同幅度的下调，因而可以改善动态响应。
在断续模式时，斜坡补偿信号RAMP表现出主电路的开关管M2导通阶段先瞬间放电然后充电的特性，在主电路的开关管M2的断开瞬间采样斜坡补偿信号RAMP得到直流补偿信号VSNS。在电感电流过零后主电路的开关管M1和M2均断开时触发采样脉冲，直流补偿信号VSNS采样斜坡补偿信号RAMP电压并一直保持，由于主电路的开关管M1和M2可能会有较长时间(可接近mS级)无开关动作，而此时电容C01、电容C23、电容C24均处于悬空状态，会通过各节点的寄生阻抗缓慢放电，导致斜坡补偿信号RAMP与直流补偿信号VSNS的电压出现直流偏差，进而影响触发下一个导通时间时的输出电压的值，导致输出电压出现偏差。为此，在如图3所示的开关控制模块1211中，采用主电路的开关管M2的驱动信号VLG的下降沿触发脉冲电路清零计时器A18开始计时，计时长短可根据斜坡补偿信号RAMP与直流补偿信号VSNS放电的快慢而定，一般为10－50个系统工作的周期时间，若在此计时时间内LG一直没有新的下降沿触发Reset信号，则计时完成后触发单稳态触发器产生一较小的脉冲时间(约几十nS)强行触发第二采样信号S4，消除斜坡补偿信号RAMP与直流补偿信号VSNS间的直流失调。
纹波补偿模块在断续模式下的控制波形图如图8所示，计时触发第二采样信号S4，将会循环进行到主电路的开关管M2的驱动信号VLG的下降沿到来触发复位信号清零计时器A18。
图9示出根据本发明实施例的开关变换器控制方法的流程图。该控制方法例如应用于图1所示的开关变换器100，主电路包括电感器L以及为所述电感器L提供充电路径的第一开关管M1和提供放电路径的第二开关管M2。
该控制方法包括步骤S01至S06。
在步骤S01中，将所述主电路的直流输出电压的反馈信号与第一基准电压相比较，以产生补偿信号。
在步骤S02中，根据所述第一开关管和所述第二开关管之间的开关节点电压、所述第一开关管的第一驱动信号和所述第二开关管的第二驱动信号，产生斜坡补偿信号和直流补偿信号，所述直流补偿信号是所述斜坡补偿信号的采样信号。
在步骤S03中，在所述补偿信号上叠加所述斜坡补偿信号以产生第一叠加信号。
在步骤S04中，在所述反馈信号上叠加所述直流补偿信号以产生第二叠加信号。
在步骤S05中，将所述第一叠加信号与所述第二叠加信号进行比较以产生脉宽调制信号。
在步骤S06中，根据所述脉宽调制信号调节所述第一驱动信号和第二驱动信号的导通时间。
在该实施例的控制方法中，开关变换器100的控制电路110采用所述斜坡补偿信号改善所述开关变换器的瞬态特性，采用所述直流补偿信号消除所述纹波补偿模块引起的失调。
优选地，该控制方法还包括：根据所述主电路的直流输入电压、直流输出电压和所述脉宽调制信号产生导通信号；以及根据所述导通信号和时钟信号产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号。
优选地，该控制方法还包括：根据所述开关节点电压产生过零检测信号。在产生所述斜坡补偿信号和所述直流补偿信号的步骤中，所述第一驱动信号、所述第二驱动信号、所述过零检测信号一起控制多个开关的导通状态。
优选地，在该控制方法的步骤S02中，产生所述斜坡补偿信号的步骤包括：产生与所述直流输出电压和所述占空比成比例的充电电流；在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对第一电容和第二电容进行充电；以及在所述第一开关管的断开瞬间，对所述第一电容和所述第二电容进行放电。在所述第一电容的两端获得所述斜坡补偿信号。
优选地，在该控制方法的步骤S02中，产生所述斜坡补偿信号的步骤包括：产生与所述直流输出电压和基准电压的叠加信号成比例的充电电流；在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对第一电容和第二电容进行充电；以及在所述第一开关管的断开瞬间，对所述第一电容和所述第二电容进行放电。在所述第一电容的两端获得所述斜坡补偿信号。
优选地，在该控制方法的步骤S02中，产生所述直流补偿信号的步骤包括：在所述第二开关管的断开瞬间，采用所述第二电容对第三电容充电，在所述第三电容的两端产生所述直流补偿信号。在所述第二开关管的断开瞬间，所述第一电容和所述第二电容断开彼此之间的连接。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (37)
1.一种用于开关变换器的控制电路，所述开关变换器的主电路包括电感器以及为所述电感器提供充电路径的第一开关管和提供放电路径的第二开关管，所述控制电路包括：
误差放大器，将所述主电路的直流输出电压的反馈信号与第一基准电压相比较，以产生补偿信号；
纹波补偿模块，根据所述第一开关管和所述第二开关管之间的开关节点电压、所述第一开关管的第一驱动信号和所述第二开关管的第二驱动信号，产生斜坡补偿信号和直流补偿信号，所述直流补偿信号是所述斜坡补偿信号的采样信号；
第一叠加模块，将所述补偿信号与所述斜坡补偿信号相叠加，以产生第一叠加信号；
第二叠加模块，将所述反馈信号与所述直流补偿信号相叠加，以产生第二叠加信号；
比较器，将所述第一叠加信号和所述第二叠加信号相比较，以产生脉宽调制信号；以及
驱动信号产生模块，产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号，并且根据所述脉宽调制信号调节所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的导通时间，
其中，所述控制电路采用所述斜坡补偿信号改善所述开关变换器的瞬态特性，采用所述直流补偿信号消除所述纹波补偿模块引起的失调。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述驱动信号产生模块包括：
导通信号产生模块，根据所述主电路的直流输入电压、直流输出电压和所述脉宽调制信号产生导通信号；以及
逻辑和驱动模块，根据所述导通信号和时钟信号产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号。
3.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：
过零检测模块，根据所述开关节点电压产生过零检测信号，
其中，所述纹波补偿模块与所述过零检测模块相连接，在断续工作模式中，所述纹波补偿模块根据所述过零检测信号判断过零时刻。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述纹波补偿模块包括：
第一电容；
自适应电流产生模块，包括与所述第一电容相连接的第一开关，用于产生与所述直流输出电压、和/或所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比成比例的充电电流，在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对所述第一电容进行充电；
放电模块，与所述第一电容相连接，用于在所述第一开关管的断开瞬间对所述第一电容进行放电；
采样模块，包括串联连接在所述第一电容的两端的第三开关和第二电容，在所述第二电容的两端产生所述斜坡补偿信号，以及
串联连接在所述第二电容的两端的第四开关和第三电容，在所述第二开关管的断开瞬间，采用所述第二电容对所述第三电容充电，在所述第三电容的两端产生所述直流补偿信号。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其中，所述放电模块包括串联连接在所述第一电容两端的第二开关和第一电阻。
6.根据权利要求5所述的控制电路，其中，所述纹波补偿模块还包括：
开关控制模块，根据所述第一开关管和所述第二开关管的驱动信号产生所述第一开关至所述第四开关的控制信号。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其中，所述开关控制模块包括：
串联连接的第一反相器和第二反相器，用于将所述第二驱动信号转换成彼此同相位的充电控制信号，以控制所述第一开关的导通状态；
第一单稳态触发器，用于在所述第一驱动信号的下降沿触发产生放电控制信号，以控制所述第四开关的导通状态；
第二单稳态触发器，用于在所述第二驱动信号的下降沿触发产生第一采样控制信号，以控制所述第二开关的导通状态；以及
第三反相器，用于将所述第一采样控制信号反相产生第二采样控制信号，以控制所述第三开关的导通状态。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其中，所述第二单稳态触发器产生第一触发信号，所述开关控制模块还包括：
第四反相器，用于将所述第一采样控制信号反相产生复位信号；
计时器，在所述复位信号的触发下重复进行计时以产生计时信号；
第三单稳态触发器，用于根据所述计时信号产生第二触发信号；以及
异或门，连接至所述第二单稳态触发器以接收第一触发信号，以及连接至所述第三单稳态触发器以接收第二触发信号，以及根据所述第一触发信号和所述第二触发信号产生所述第一采样控制信号。
9.根据权利要求4所述的控制电路，其中，所述自适应电流产生模块还包括：
自适应电压产生模块，用于产生与所述直流输出电压和\或所述占空比成比例的中间电压；以及
电压电流转换模块，用于将所述中间电压转换成所述充电电流。
10.根据权利要求9所述的控制电路，其中，所述自适应电压产生模块包括：
串联连接在所述第一开关管和所述第二开关管的中间节点和接地端之间的第二电阻和第三电阻；
连接在在所述第二电阻和所述第三电阻的中间节点和接地端之间的第四电容，在所述第四电容的两端获得与所述直流输出电压相对应的采样电压；
第一运算放大器，用于缓冲所述采样电压；
串联连接在所述第一运算放大器的输出端和接地端之间的第五开关和第六开关；
串联连接在所述第五开关和所述第六开关的中间节点和接地端之间的第四电阻和第五电容，在所述第五电容的两端获得所述中间电压。
11.根据权利要求10所述的控制电路，其中所述第五开关和所述第六开关的导通状态分别受所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的控制。
12.根据权利要求9所述的控制电路，其中，所述自适应电压产生模块包括：
串联连接在所述第一开关管和所述第二开关管的中间节点和接地端之间的第二电阻和第三电阻；
连接在在所述第二电阻和所述第三电阻的中间节点和接地端之间的第四电容，在所述第四电容的两端获得与所述直流输出电压相对应的采样电压；
第三叠加模块，用于将所述采样电压与基准电压相叠加以产生所述中间电压。
13.根据权利要求9所述的控制电路，其中，所述电压电流转换模块包括：
第二运算放大器，用于缓冲所述中间电压；
第五电阻，连接在所述第二运算放大器的输出端和接地端之间，将所述中间电压转换成中间电流；以及
电流镜，将所述中间电流镜像为所述充电电流。
14.根据权利要求13所述的控制电路，其中，所述第五电阻为可调电阻，用于根据所述开关变换器的工作频率调节阻值以获得预定的充电电流。
15.一种开关变换器，包括：
主电路，包括电感器以及提供为所述电感器提供充电路径的第一开关管和提供放电路径的第二开关管；以及
控制电路，包括：
误差放大器，将所述主电路的直流输出电压的反馈信号与第一基准电压相比较，以产生补偿信号；
纹波补偿模块，根据所述第一开关管和所述第二开关管之间的开关节点电压、所述第一开关管的第一驱动信号和所述第二开关管的第二驱动信号，产生斜坡补偿信号和直流补偿信号，所述直流补偿信号是所述斜坡补偿信号的采样信号；
第一叠加模块，将所述补偿信号与所述斜坡补偿信号相叠加，以产生第一叠加信号；
第二叠加模块，将所述反馈信号与所述直流补偿信号相叠加，以产生第二叠加信号；
比较器，将所述第一叠加信号和所述第二叠加信号相比较，以产生脉宽调制信号；以及
驱动信号产生模块，产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号，并且根据所述脉宽调制信号调节所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的导通时间，
其中，所述控制电路采用所述斜坡补偿信号改善所述功率变器的瞬态特性，采用所述直流补偿信号消除所述纹波补偿模块引起的失调。
16.根据权利要求15所述的开关变换器，其中，所述开关变换器为BUCK拓扑。
17.根据权利要求15所述的开关变换器，其中，所述驱动信号产生模块包括：
导通信号产生模块，根据所述主电路的直流输入电压、直流输出电压和所述脉宽调制信号产生导通信号；以及
逻辑和驱动模块，根据所述导通信号和时钟信号产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号。
18.根据权利要求15所述的开关变换器，还包括：
过零检测模块，根据所述开关节点电压产生过零检测信号，
其中，所述纹波补偿模块与所述过零检测模块相连接，在断续工作模式中，所述纹波补偿模块根据所述过零检测信号判断过零时刻。
19.根据权利要求15所述的开关变换器，其中，所述纹波补偿模块包括：
第一电容；
自适应电流产生模块，包括与所述第一电容相连接的第一开关，用于产生与所述直流输出电压、和/或所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的占空比成比例的充电电流，在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对所述第一电容进行充电；
放电模块，与所述第一电容相连接，用于在所述第一开关管的断开瞬间对所述第一电容进行放电；
采样模块，包括串联连接在所述第一电容的两端的第三开关和第二电容，在所述第二电容的两端产生所述斜坡补偿信号，以及
串联连接在所述第二电容的两端的第四开关和第三电容，在所述第二开关管的断开瞬间，采用所述第二电容对所述第三电容充电，在所述第三电容的两端产生所述直流补偿信号。
20.根据权利要求19所述的开关变换器，其中，所述放电模块还包括串联连接在所述第一电容两端的第二开关和第一电阻。
21.根据权利要求20所述的开关变换器，其中，所述纹波补偿模块还包括：
开关控制模块，根据所述第一开关管和所述第二开关管的驱动信号产生所述第一开关至所述第四开关的控制信号。
22.根据权利要求21所述的开关变换器，其中，所述开关控制模块包括：
串联连接的第一反相器和第二反相器，用于将所述第二驱动信号转换成彼此同相位的充电控制信号，以控制所述第一开关的导通状态；
第一单稳态触发器，用于在所述第一驱动信号的下降沿触发产生放电控制信号，以控制所述第四开关的导通状态；
第二单稳态触发器，用于在所述第二驱动信号的下降沿触发产生第一采样控制信号，以控制所述第二开关的导通状态；以及
第三反相器，用于将所述第一采样控制信号反相产生第二采样控制信号，以控制所述第三开关的导通状态。
23.根据权利要求22所述的开关变换器，其中，所述第二单稳态触发器产生第一触发信号，所述开关控制模块还包括：
第四反相器，用于将所述第一采样控制信号反相产生复位信号；
计时器，在所述复位信号的触发下重复进行计时以产生计时信号；
第三单稳态触发器，用于根据所述计时信号产生第二触发信号；以及
异或门，连接至所述第二单稳态触发器以接收第一触发信号，以及连接至所述第三单稳态触发器以接收第二触发信号，以及根据所述第一触发信号和所述第二触发信号产生所述第一采样控制信号。
24.根据权利要求19所述的开关变换器，其中，所述自适应电流产生模块还包括：
自适应电压产生模块，用于产生与所述直流输出电压和/或所述占空比成比例的中间电压；以及
电压电流转换模块，用于将所述中间电压转换成所述充电电流。
25.根据权利要求24所述的开关变换器，其中，所述自适应电压产生模块包括：
串联连接在所述第一开关管和所述第二开关管的中间节点和接地端之间的第二电阻和第三电阻；
连接在在所述第二电阻和所述第三电阻的中间节点和接地端之间的第四电容，在所述第四电容的两端获得与所述直流输出电压相对应的采样电压；
第一运算放大器，用于缓冲所述采样电压；
串联连接在所述第一运算放大器的输出端和接地端之间的第五开关和第六开关；
串联连接在所述第五开关和所述第六开关的中间节点和接地端之间的第四电阻和第五电容，在所述第五电容的两端获得所述中间电压。
26.根据权利要求25所述的开关变换器，其中所述第五开关和所述第六开关的导通状态分别受所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的控制。
27.根据权利要求24所述的开关变换器，其中，所述自适应电压产生模块包括：
串联连接在所述第一开关管和所述第二开关管的中间节点和接地端之间的第二电阻和第三电阻；
连接在在所述第二电阻和所述第三电阻的中间节点和接地端之间的第四电容，在所述第四电容的两端获得与所述直流输出电压相对应的采样电压；
第三叠加模块，用于将所述采样电压与基准电压相叠加以产生所述中间电压。
28.根据权利要求24所述的开关变换器，其中，所述电压电流转换模块包括：
第二运算放大器，用于缓冲所述中间电压；
第五电阻，连接在所述第二运算放大器的输出端和接地端之间，将所述中间电压转换成中间电流；以及
电流镜，将所述中间电流镜像为所述充电电流。
29.根据权利要求28所述的开关变换器，其中，所述第五电阻为可调电阻，用于根据所述开关变换器的工作频率调节阻值以获得预定的充电电流。
30.一种用于开关变换器的控制方法，所述开关变换器的主电路包括电感器以及提供为所述电感器提供充电路径的第一开关管和提供放电路径的第二开关管，所述控制方法包括：
将所述主电路的直流输出电压的反馈信号与第一基准电压相比较，以产生补偿信号；
根据所述第一开关管和所述第二开关管之间的开关节点电压、所述第一开关管的第一驱动信号和所述第二开关管的第二驱动信号，产生斜坡补偿信号和直流补偿信号，所述直流补偿信号是所述斜坡补偿信号的采样信号；
在所述补偿信号上叠加所述斜坡补偿信号以产生第一叠加信号；
在所述反馈信号上叠加所述直流补偿信号以产生第二叠加信号；
将所述第一叠加信号与所述第二叠加信号进行比较以产生脉宽调制信号；以及
根据所述脉宽调制信号调节所述第一驱动信号和第二驱动信号的导通时间，
其中，所述开关变换器的控制电路采用所述斜坡补偿信号改善所述开关变换器的瞬态特性，采用所述直流补偿信号消除所述纹波补偿模块引起的失调。
31.根据权利要求30所述的控制方法，还包括：
根据所述主电路的直流输入电压、直流输出电压和所述脉宽调制信号产生导通信号；以及
根据所述导通信号和时钟信号产生所述第一驱动信号和所述第二驱动信号。
32.根据权利要求30所述的控制方法，还包括：
根据所述开关节点电压产生过零检测信号，
其中，在产生所述斜坡补偿信号和所述直流补偿信号的步骤中，所述第一驱动信号、所述第二驱动信号、所述过零检测信号共同控制多个开关的导通状态。
33.根据权利要求30所述的控制方法，其中，产生所述斜坡补偿信号的步骤包括：
产生与所述直流输出电压成比例的充电电流；
在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对第一电容和第二电容进行充电；以及
在所述第一开关管的断开瞬间，对所述第一电容和所述第二电容进行放电，
其中，在所述第二电容的两端获得所述斜坡补偿信号。
34.根据权利要求30所述的控制方法，其中，产生所述斜坡补偿信号的步骤包括：
产生与所述直流输出电压和基准电压的叠加信号成比例的充电电流；
在所述第二开关管的导通阶段，采用所述充电电流对第一电容和第二电容进行充电；以及
在所述第一开关管的断开瞬间，对所述第一电容和所述第二电容进行放电，
其中，在所述第二电容的两端获得所述斜坡补偿信号。
35.根据权利要求33或34所述的控制方法，其中，产生所述直流补偿信号的步骤包括：
在所述第二开关管的断开瞬间，采用所述第二电容对第三电容充电，在所述第三电容的两端产生所述直流补偿信号。
36.根据权利要求33或34所述的控制方法，其中，产生所述直流补偿信号的步骤包括：
在所述第二驱动信号的下降沿开始计时，当计时时间大于预设时间且在所述计时时间内未接收到所述第二驱动信号的下一个下降沿时，采用所述第二电容对第三电容短时间充电，在所述第三电容的两端产生所述直流补偿信号，同时重新开始计时，循环进行到收到所述第二驱动信号的下降沿。
37.根据权利要求35所述的控制方法，其中，在所述第二开关管的断开瞬间，所述第一电容和所述第二电容断开彼此之间的连接。
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