CN110892629A - 开关变换器及其控制方法和控制电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了开关变换器及其控制方法和控制电路。所述开关变换器将直流输入电压转换成直流输出电压，所述控制电路包括：补偿模块，用于产生斜坡信号；比较器，用于将所述直流输出电压的误差信号与所述斜坡信号相比较，以获得中间信号用于产生置位信号；第一RS触发器，分别根据置位信号和复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得固定导通时间，采用所述置位信号获得与所述直流输出电压相关的关断时间；以及驱动模块，将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，其中，所述补偿模块根据所述直流输出电压自适应地调整所述斜坡信号的斜率。该控制电路采用自适应的斜坡信号进行补偿，以维持开关变换器的稳定性和抑制输出纹波。

Description

开关变换器及其控制方法和控制电路
技术领域
本发明涉及电源技术，更具体地，涉及开关变换器及其控制方法和控制电路。
背景技术
在电子系统中已经广泛地使用开关变换器，用于产生内部电路模块或负载所需的工作电压和电流。开关变换器采用开关管控制输入端向输出端的电能传输，因而可以在输出端提供恒定的输出电压和/或输出电流。在开关变换器中，基于纹波的恒定导通时间控制方法具有良好的轻载效率、快速的瞬态响应和易于实现的优点，因而近年来得到广泛采用。
图1示出根据现有技术的一种开关变换器的示意性电路图。开关变换器100的主电路包括串联连接在输入端和接地端之间的开关管Q11和Q12，电感L连接在开关管Q11和Q12的中间节点和输出端之间，电容Co连接在输出端和接地端之间。主电路的输入端接收直流输入电压Vin，输出端提供直流输出电压Vout。开关变换器100的控制电路110用于向开关管Q11和Q12提供开关控制信号。
在控制电路110中，第一定时器114设定开关周期T的固定导通时间Ton，从而产生复位信号。第二定时器113用于设定与预定输出电压和预定负载相对应的最小关断时间Toff_min(或最大开关频率)。比较器111将直流输出电压Vout与参考电压Vref相比较以获得中间信号。与门112的两个输入端分别接收比较器输出中间信号和最小关断时间Toff_min，输出端提供置位信号。RS触发器115根据复位信号和置位信号产生脉宽调制信号PWM。驱动模块116将脉宽调制信号PWM转换成开关控制信号以控制开关管Q11和Q12的导通状态。
当输出电压Vout小于参考电压Vref，第一定时器114设定固定导通时间，使得开关控制信号的导通时间为固定值。在直流输出电压Vout大于等于参考电压Vref时，开关控制信号的关断信号有效，从而产生根据直流输出电压Vout进行动态调整的关断时间。该关断时间大于最小关断时间。
图2示出根据现有技术的另一种开关变换器的示意性电路图。开关变换器200的控制电路210包括误差放大器211，将直流输出电压Vout与参考电压Vref相比较而产生误差信号Verr。比较器111进一步将直流输出电压Vout与误差信号Verr相比较以获得中间信号。该控制电路210可以消除电压调节问题。然而，在一些高密度的应用中，在开关变换器200的输出端使用多层陶瓷电容作为输出电容。这种类型的输出滤波器即使在存在大量噪声的情形下也会产生很小的输出纹波。由于控制电路210基于纹波进行动态调节的控制方式，因此，在输出端产生的输出纹波较小可能会导致控制系统不稳定的问题。
图3示出根据现有技术的又一种开关变换器的示意性电路图。开关控制器300的控制电路310包括误差放大器311和补偿模块313。误差放大器311将直流输出电压Vout与参考电压Vref相比较而产生误差信号Verr。补偿模块313根据脉宽调制信号PWM产生斜坡信号Vramp。比较器312进一步将直流输出电压Vout、误差信号Verr和斜坡信号Vramp进行比较以获得中间信号。该控制电路310可以消除电压调节问题，以及采用补偿模块引入附加的斜坡信号，以维持控制系统稳定和抑制输出纹波。
在上述开关控制器中，控制电路采用固定斜率的斜坡信号作为比较器的补偿信号，以维持控制环路的稳定。该斜坡信号的斜率越高，控制系统的抖动越小且更稳定，然而瞬态性能却更差。在采用固定斜率的斜坡信号进行补偿的情形下，开关变换器的稳定性和瞬态性能都没有达到最佳值。
发明内容
本发明的目的是提供开关变换器及其控制方法和控制电路，其中，在恒定导通时间的控制系统中自适应地调节斜坡信号的斜率，以兼顾开关变换器的稳定性和瞬态性能。
根据本发明的一方面，提供一种用于开关变换器的控制电路，所述开关变换器将直流输入电压转换成直流输出电压，所述控制电路包括：补偿模块，用于产生斜坡信号；比较器，用于将所述直流输出电压相关的第一叠加信号与所述直流输出电压的误差信号、所述斜坡信号相关的第二叠加信号相比较，以获得中间信号用于产生置位信号；第一RS触发器，分别根据所述置位信号和复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得固定导通时间，采用所述置位信号获得与所述直流输出电压相关的关断时间；以及驱动模块，将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，其中，所述补偿模块根据所述直流输出电压自适应地调整所述斜坡信号的斜率。
优选地，还包括：与门，第一输入端和第二输入端分别接收所述中间信号和最小关断时间，输出端提供所述置位信号，所述最小关断时间为固定时间段。
优选地，还包括：第一定时器，用于产生所述复位信号；以及第二定时器，用于产生所述最小关断时间。
优选地，还包括：误差放大器，用于将所述直流输出电压与参考电压进行比较以获得所述误差信号。
优选地，所述补偿模块包括：电压检测模块，根据所述直流输出电压和参考电压产生指令信号，所述指令信号与所述直流输出电压成比例；采样保持模块，将所述指令信号和所述斜坡信号的误差信号进行采样保持以获得采样信号；斜坡信号产生模块，根据所述采样信号产生斜坡信号，所述斜坡信号的斜率与所述直流输出电压的幅值相关；以及均衡开关，连接在所述电压检测模块的输出端和所述斜坡信号产生模块的输出端之间。
优选地，所述电压检测模块包括：低通滤波器，对所述直流输出电压进行滤波和减慢响应时间；第一电压增益电路和第二电压增益电路，分别对所述直流输出电压和所述参考电压进行增益放大；以及加法器，将经过增益放大的直流输出电压和参考电压彼此相加以获得所述指令信号。
优选地，所述采样保持模块包括：跨导放大器，用于将所述指令信号和所述斜坡信号的误差信号转换成误差电流；以及第一开关和第一电容，串联连接在所述跨导放大器的输出端和接地端之间，在所述第一开关的导通期间进行采样，在所述第一开关的断开期间进行保持，其中，在采样期间所述误差电流对所述第一电容进行充电，以获得所述采样信号，其中，采用采样保持信号控制所述第一开关的导通状态，在开关变换器工作于连续电流模式时，在所述脉宽调制信号的上升沿开始的第一时间段采样，在开关变换器工作于非连续电流模式时，在电感电流的电流检测信号过零开始的第一时间段采样。
优选地，所述斜坡信号产生模块包括：电压到电流转换器,产生与所述采样信号相对应的充电电流；第二电容，连接在所述电压到电流转换器的输出端和接地端之间；以及第二电阻和第二开关，串联连接在所述第二电容的两端之间形成放电路径，其中，采用所述充电电流对所述第二电容进行充电，采用放电信号控制所述第二开关的导通状态，在所述脉宽调制信号的下降沿开始的第二时间段对所述第二电容进行放电，以获得所述斜坡信号。
优选地，还包括：模式检测模块，用于根据电感电流的电流检测信号的过零检测获得电流模式信号。
优选地，还包括：控制模块，根据所述脉宽调制信号和所述电流模式信号产生采样保持信号、放电信号和均衡信号，分别控制所述采样保持模块中的第一开关、所述斜坡信号产生模块中的第二开关、以及所述均衡开关。
优选地，所述控制模块包括：第二RS触发器；串联连接的或门、第一单触发电路和第二单触发电路，所述或门的第一输入端和第二输入端分别接收所述脉宽调制信号和所述电流模式信号，所述第二单触发电路的输出端连接至所述RS触发器的置位端；第三单触发电路，所述第三单触发电路的输出端连接至所述RS触发器的复位端；第四单触发电路，所述第四单触发电路的输入端连接至所述RS触发器的第二输出端，其中，所述第一单触发器的输出端提供所述采样保持信号，所述第四单触发电路的输出端提供所述放电信号，所述RS触发器的第一输出端提供所述均衡信号。
优选地，所述控制模块控制所述第一开关、所述第二开关和所述均衡开关的导通状态，在所述脉宽调制信号的开关周期的第一时间段，所述采样保持模块对所述指令信号和所述斜坡信号的误差信号进行采样，以获得采样信号；在所述脉宽调制信号的开关周期的第三时间段，所述斜坡信号产生模块采用根据所述采样信号产生的充电电流对电容充电；在所述脉宽调制信号的开关周期的第二时间段，所述斜坡信号产生模块经由放电路径对电容放电；以及在所述脉宽调制信号的开关周期的第四时间段，所述均衡开关导通以均衡所述指令信号和所述斜坡信号，所述第一时间段、所述第四时间段、所述第二时间段和所述第三时间段是依次连续的时间段。
优选地，所述斜坡信号的斜率与所述直流输出电压成比例。
根据本发明的另一方面，提供一种开关变换器，包括：主电路，采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压；以及本发明提供的所述的控制电路，用于产生开关控制信号以控制所述至少一个开关管的导通状态。
优选地，所述主电路采用选自以下任一种的拓扑结构：降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型。
优选地，所述至少一个开关管包括串联连接在输入端和接地端之间的高侧开关管和低侧开关管，所述主电路还包括：电感，连接在所述高侧开关管和所述低侧开关管的中间节点和输出端之间；以及输出电容，连接在所述输出端和接地端之间，其中，所述高侧开关管的开关控制信号是所述脉宽调制信号的同相信号，所述低侧开关管的开关控制信号是所述脉宽调制信号的反相信号。
优选地，所述主电路还包括：电流传感器，连接在所述低侧开关管和接地端之间，在所述低侧开关管的导通期间获得与流经电感的电感电流相关的电流检测信号。
根据本发明的再一方面，提供一种开关变换器的控制方法，包括：根据开关变换器的直流输出电压产生斜坡信号；将所述直流输出电压相关的第一叠加信号与所述直流输出电压的误差信号、所述斜坡信号相关的第二叠加信号相比较，以获得中间信号；产生固定周期的复位信号，以获得固定的导通时间；根据所述中间信号产生置位信号，以获得与所述直流输出电压相关的关断时间；根据置位信号和复位信号产生脉宽调制信号；以及将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，其中，所述斜坡信号的斜率根据所述直流输出电压自适应地调整。
优选地，产生斜坡信号的步骤包括：根据所述直流输出电压产生指令信号；在所述脉宽调制信号的开关周期的第一时间段，对所述指令信号和所述斜坡信号的误差信号进行采样，以获得采样信号；在所述脉宽调制信号的开关周期的第三时间段，采用根据所述采样信号产生的充电电流对电容充电；在所述脉宽调制信号的开关周期的第二时间段，经由放电路径对电容放电；以及在所述脉宽调制信号的开关周期的第四时间段，均衡所述指令信号和所述斜坡信号，所述第一时间段、所述第四时间段、所述第二时间段和所述第三时间段是依次连续的时间段。
优选地，所述第一时间段是从所述脉宽调制信号的上升沿开始的预定时间段，以及，所述第二时间段是从所述脉宽调制信号的下降沿开始的预定时间段。
优选地，所述第一时间段是从电感电流的过零开始的预定时间段，以及，所述第二时间段是从所述脉宽调制信号的下降沿开始的预定时间段。
优选地，所述指令信号与所述直流输出电压成比例。
优选地，还包括：采用第二定时器获得最小关断时间，所述关断时间大于所述最小关断时间。
根据本发明实施例的控制电路，用于产生固定导通时间的开关控制信号，以控制开关变换器的开关管的导通状态。该控制电路采用补偿模块产生斜坡信号，采用比较器将直流输出电压相关的第一叠加信号与直流输出电压的误差信号、所述斜坡信号相关的第二叠加信号相比较以获得中间信号，以及根据中间信号控制开关变换器的开关管的关断时间。因此，开关管的关断时间可以根据直流输出电压的误差信号进行动态调节，从而可以抑制输出纹波。补偿模块根据所述直流输出电压自适应地调整所述斜坡信号的斜率，从而可以兼顾开关变换器的稳定性和瞬态性能。
在优选的实施例中，在控制电路的补偿模块中，根据所述脉宽调制信号和所述电流模式信号产生采样保持信号、放电信号和均衡信号，分别控制所述采样保持模块中的第一开关、所述斜坡信号产生模块中的第二开关、以及所述均衡开关，从而在依次连续的时间段分别进行采样、均衡、放电和充电，从而获得与开关变换器的开关控制信号相关的分段式斜坡信号。该斜坡信号的斜率与直流输出电压成比例。该控制电路可以适用于不同拓扑结构的开关变换器，并且补偿模块可以自动适应开关变换器的电流模式，因而可以减少针对不同类型的开关变换器重新设计控制电路的设计成本和制造成本。
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示出根据现有技术的一种开关变换器的示意性电路图；
图2示出根据现有技术的另一种开关变换器的示意性电路图；
图3示出根据现有技术的又一种开关变换器的示意性电路图；
图4示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性电路图；
图5示出根据本发明实施例的开关变换器中的斜坡信号幅值与直流输出电压幅值的关系图；
图6示出根据本发明实施例的开关变换器中补偿模块的示意性电路图；
图7示出图6所示补偿模块在连续电流模式CCM下工作的示意性波形图；
图8示出图6所示补偿模块在非连续电流模式DCM下工作的示意性波形图；以及
图9示出根据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
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用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。此外，可能未示出某些公知的部分。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图4示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性电路图。
开关变换器400的主电路包括串联连接在输入端和接地端之间的开关管Q11和Q12，电感L连接在开关管Q11和Q12的中间节点和输出端之间，电容Co连接在输出端和接地端之间。主电路的输入端接收直流输入电压Vin，输出端提供直流输出电压Vout。开关管Q11和Q12例如分别称为高侧开关管和低侧开关管。开关变换器400的控制电路410用于向开关管Q11和Q12提供开关控制信号。该开关控制信号是根据脉宽调制信号产生的驱动信号。例如，开关管Q11的开关控制信号是脉宽调制信号的同相信号，开关管Q12的开关控制信号是脉宽调制信号的反相信号。在开关管Q12的导通期间，模式检测414可以获得与流经电感L的电感电流相关的电流检测信号Is。该电流传感器例如可以是与开关管Q12串联连接的采样电阻。
控制电路410包括误差放大器411、比较器412、补偿模块413、模式检测模块414、与门112、第二定时器113、第一定时器114、RS触发器115、以及驱动模块116。
误差放大器411将直流输出电压Vout与参考电压Vref相比较而产生误差信号Verr。
模式检测模块414与电流传感器401相连接以获得电流检测信号Is，并且根据电流检测信号产生电流模式信号CM。例如，在开关周期中，如果电流检测信号Is发生过零的情形，则电流模式信号CM为高电平，表示开关电源400的工作模式为非连续电流模式(DCM)，如果电流检测信号Is未发生过零的情形，则电流模式信号CM为低电平，表示开关电源400的工作模式为连续电流模式(CCM)。
补偿模块413根据直流输出电压Vout、电流模式信号CM、脉宽调制信号PWM产生斜坡信号Vramp，以及根据直流输出电压Vout和参考电压Vref产生指令信号Vcom。指令信号Vcom的幅值与直流输出电压Vout成比例，用于限定斜坡信号Vramp的斜率。与图1至图3所示现有技术的开关电源不同之处在于，根据本发明实施例的开关变换器400中的补偿模块413产生的斜坡信号Vramp的斜率不再是固定的，其斜率与指令信号Vcom相关，也即与直流输出电压Vout相关，从而补偿模块413具有自适应斜坡调制的功能。
比较器412进一步将直流输出电压Vout、指令信号Vcom的第一叠加信号与误差信号Verr、斜坡信号Vramp、参考电压Vref的第二叠加信号进行比较以获得中间信号，用于产生置位信号以控制脉宽调制信号PWM的关断时间。该控制电路410可以消除电压调节问题，以及采用补偿模块引入附加的斜坡信号，以维持控制系统稳定和抑制输出纹波。
第一定时器114设定开关周期T的固定导通时间Ton，从而产生复位信号。第二定时器113用于设定与预定输出电压和预定负载想对应的最小关断时间Toff_min(或最大开关频率)。与门112的两个输入端分别接收比较器412产生的中间信号和最小关断时间Toff_min，输出端提供置位信号。RS触发器115根据复位信号和置位信号产生脉宽调制信号PWM。驱动模块116将脉宽调制信号PWM转换成开关控制信号以控制开关管Q11和Q12的导通状态。
根据该实施例的开关变换器410，第一定时器114设定固定导通时间，使得开关控制信号的导通时间为固定值。在直流输出电压Vout大于等于误差信号Verr时，开关控制信号的关断信号有效，从而产生根据直流输出电压Vout进行动态调整的关断时间。该关断时间大于最小关断时间。经过动态调节产生的直流输出电压Vout纹波减小。
进一步地，控制电路410根据开关变换器的工作模式和直流输出电压Vout，自适应地调节斜坡信号Vramp的斜率，从而可以兼顾开关变换器的稳定性和瞬态性能。
图5示出根据本发明实施例的开关变换器中的斜坡信号幅值与直流输出电压幅值的关系图。根据本发明实施例的开关变换器400中的补偿模块413产生的斜坡信号Vramp的幅值不再是固定的，该幅值与指令信号Vcom相关，也即与直流输出电压Vout成比例。
图6示出根据本发明实施例的开关变换器中补偿模块的示意性电路图。补偿模块413包括控制模块10、电压检测模块20、采样保持模块30、斜坡信号产生模块40、以及均衡开关S1。
控制模块10根据脉宽调制信号PWM和电流模式信号CM产生多个开关控制信号，包括采样保持信号SH、放电信号DSC和均衡信号EQ。控制模块10包括或门11、单触发电路12至14和16、以及RS触发器15。
均衡开关S1连接在电压检测模块20的输出端和斜坡信号产生模块40的输出端之间。在均衡信号EQ的有效期间，使得电压检测模块20的输出端与斜坡信号产生模块40的输出端彼此连接，从而均衡指令信号Vcom和斜坡信号Vramp。
在控制模块10中，或门11的两个输入端分别接收脉宽调制信号PWM和电流模式信号CM，输出端与单触发电路12的输入端相连接。在脉宽调制信号PWM和电流模式信号CM中的任一个有效时，单触发电路12的输出端提供的采样保持信号SH有效。单触发电路13和14的输入端分别接收采样保持信号SH和脉宽调制信号PWM，输出端分别连接至RS触发器15的置位端和复位端。RS触发器15的第一输出端(Q端)和第二输出端(
Figure BDA0002326658890000101
端)提供彼此反相的第一逻辑信号和第二逻辑信号，其中，第一逻辑信号作为均衡信号EQ，第二逻辑信号经单触发电路16产生放电信号DSC。
电压检测模块20根据直流输出电压Vout和参考电压Vref产生指令信号Vcom。电压检测模块20包括低通滤波器21、电压增益电路22和23、以及加法器24。直流输出电压Vout可以是从开关电源的输出端采集的电压信号，或者在开关管Q11和Q12的中间节点采集的节点电压经过平均获得的等效电压信号。
在电压检测模块20中，直流输出电压Vout经由低通滤波器21进行滤波和减慢响应时间，然后经由电压增益电路22提供至加法器24的一个输入端。参考电压Vref经由电压增益电路22提供至加法器24的另一个输入端。加法器24将二者相加以获得指令信号Vcom，可以表示为：
Vcom＝Vout*K1+Vref*K2 (1)
其中，K1和K2是分别为电压增益电路22和23的增益系数，二者分别为常数。
采样保持模块30对指令信号Vcom和斜坡信号Vramp的误差信号进行采样保持以获得采样信号Va。采样保持模块30包括跨导放大器31、开关S2、电容C11。
在采样保持模块30中，跨导放大器31将指令信号Vcom和斜坡信号Vramp的误差信号转换成误差电流。开关S2在采样保持信号SH的控制下导通和断开。在开关S2导通时，该误差电流对电容C11进行充电，以获得采样信号Va。在开关S2断开时，电容C11保持采样信号Va。
斜坡信号产生模块40包括电压到电流转换器(V2I)41、电压增益电路42、电容C12、电阻R12和开关S3。
在斜坡信号产生模块40中，电压到电流转换器41产生与采样信号Va相对应的充电电流。该充电电流对电容C12进行充电以产生斜坡信号Vamp。电阻R12和开关S3串联连接在电容C12的两端，从而形成放电路径。开关S3在放电信号DSC的控制下导通和断开。
在开关变换器400的每个开关周期中，开关S3均导通和断开一段时间。在开关S3断开时，充电电流对电容C12进行充电，电容C12两端的电压随时间而逐渐增大。在开关S3导通时，电容C12经由放电路径进行放电。因而，斜坡信号产生模块40可以产生与开关变换器400相同开关周期的斜坡信号。
当开关S2处于导通状态时，将自动通过跨导放大器31调节电容C12的充电电流。在系统运行稳定后，在开关管Q12断开时刻斜坡信号Vramp可以表示为：
Vramp＝Vcom (2)
当开关S1断开，开关S2导通时，电压到电流转换器41的输入Va可以表示为：
Figure BDA0002326658890000111
其中,K3表示电压增益电路42的增益系数，Tos表示开关S3一次放电的放电时间，V2I表示电压到电流转换器41的增益系数，Toff表示开关管Q11的关断时间。
最终，当开关管Q11断开时，整个系统的补偿斜率Se可以表示：
Figure BDA0002326658890000121
图7示出图6所示补偿模块在连续电流模式CCM下工作的示意性波形图。在图中，曲线Is、PWM、SH、EQ、DSC、CM、Vcom和Vramp分别表示与开关管Q12的导通期间的电感电流相关的电流检测信号、与开关管Q11相关的脉宽调制信号、采样保持信号、均衡信号、放电信号、电流模式信号、指令信号和斜坡信号。
指令信号Vcom是根据直流输出电压Vout和参考电压Vref产生的叠加信号，其数值如等式(1)所示。
该补偿模块例如用于图4所示的开关变换器400中的补偿模块413。在该实施例中，开关变换器400工作于连续电流模式CCM。在开关变换器400的开关周期中，电流检测信号Is在开关管Q12的导通期间始终未过零，电流模式信号CM始终维持为无效。
在每个开关周期T中，采样保持信号SH和放电信号DSC分别是在脉宽调制信号PWM的上升沿和下降沿触发的脉冲信号，并且持续第一时间段t1和第三时间段t3。采样保持信号SH和放电信号DSC分别用于控制开关S2和S3，在开关变换器400的开关管Q11的导通期间开始的第一时间段t1对指令信号Vcom进行采样以获得采样信号Va，在开关管Q11的断开期间开始的第三时间段t3对电容C12进行放电。
均衡信号EQ是在采样保持信号SH的下降沿触发的脉冲信号，并且持续到脉宽调制信号PWM的下降沿。均衡信号EQ用于控制均衡开关S1的导通状态。即，在均衡信号EQ的有效期间，均衡开关S1导通，从而均衡指令信号Vcom和斜坡信号Vramp。
该补偿模块413产生与开关变换器400的开关控制信号相关的分段式斜坡信号Vramp。在每个开关周期开始，即在开关管Q11的导通阶段开始的第一时间段t1，对指令信号Vcom进行采样以产生采样信号Va，此时，斜坡信号Vramp逐渐增大至峰值，即指令信号Vcom。在开关管Q11的导通阶段的剩余第二时间段t2，将斜坡信号Vramp均衡为指令信号Vcom，此时，斜坡信号Vramp恒定为指令信号Vcom。在开关管Q11的断开阶段开始的第三时间段t3，对电容C12进行放电，斜坡信号Vramp逐渐减小至谷值。斜坡信号Vramp的谷值与三个因素相关：电阻R12的阻值、开关S3的导通时间长度、以及斜坡信号Vramp的峰值。在开关管Q11的断开阶段的剩余第四时间段t4，采用与采样信号Va相关的充电电流对电容C12进行充电，斜坡信号Vramp逐渐增大，直至下一个开关周期开始。
在开关变换器400的控制电路410中，比较器412进一步将直流输出电压Vout、指令信号Vcom的第一叠加信号与误差信号Verr、斜坡信号Vramp、参考电压Vref的第二叠加信号进行比较以获得中间信号，用于产生置位信号以控制脉宽调制信号PWM的关断时间。该控制电路410可以消除电压调节问题，以及采用补偿模块引入附加的斜坡信号Vramp。该斜坡信号Vramp的斜率根据直流输出电压Vout进行自适应调节，产生的系统补偿斜率Se如等式(4)所示，从而可以维持控制系统稳定和抑制输出纹波。
图8示出图6所示补偿模块在非连续电流模式DCM下工作的示意性波形图。在图中，曲线Is、PWM、SH、EQ、DSC、CM、Vcom和Vramp分别表示在开关管Q12的导通期间电感电流相关的电流检测信号、与开关管Q11相关的脉宽调制信号、采样保持信号、均衡信号、放电信号、电流模式信号、指令信号和斜坡信号。
指令信号Vcom是根据直流输出电压Vout和参考电压Vref产生的叠加信号，其数值如等式(1)所示。
该补偿模块例如用于图4所示的开关变换器400中的补偿模块413。在该实施例中，开关变换器400工作于非连续电流模式DCM。在开关变换器400的开关周期中，由于开关管Q12在PWM信号的低电平期间导通，电流检测信号Is在开关管Q12的导通期间过零，电流模式信号CM在PWM信号下降沿开始直至Is电流过零的时间段无效，在PWM信号的其余时间段有效。
在每个开关周期T中，采样保持信号SH是电流模式信号CM的上升沿触发的脉冲信号，放电信号DSC是脉宽调制信号PWM的下降沿触发的脉冲信号，两者分别持续第四时间段t4和第二时间段t2。采样保持信号SH和放电信号DSC分别用于控制开关S2和S3，在开关变换器400的电流过零开始的第四时间段t4对指令信号Vcom进行采样以获得采样信号Va，在开关管Q11的断开期间开始的第二时间段t2对电容C12进行放电。
均衡信号EQ是在采样保持信号SH的下降沿触发的脉冲信号，并且持续到脉宽调制信号PWM的下降沿。均衡信号EQ用于控制均衡开关S1的导通状态。即，在均衡信号EQ的有效期间，均衡开关S1导通，从而均衡指令信号Vcom和斜坡信号Vramp，使两者相等。
补偿模块413产生与开关变换器400的开关控制信号相关的分段式斜坡信号Vramp。在每个开关周期T内，即在开关管Q11的导通阶段相应的第一时间段t1，均衡开关S1导通，将斜坡信号Vramp均衡为指令信号Vcom。在开关管Q11的断开阶段开始的第二时间段t2内，对电容C12进行放电，斜坡信号Vramp逐渐减小至谷值。斜坡信号Vramp的谷值与三个因素相关：电阻R12的阻值、开关S3的导通时间长度、以及斜坡信号Vramp的峰值。在随后的第三时间段t3中，采用与前一开关周期的采样信号Va相对应的充电电流，重新对电容C12进行充电。在电流过零开始的第四时间段t4，通过对电容C11的充电，对指令信号Vcom进行采样以产生采样信号Va，该采样信号Va经过电压到电流转换器(V2I)41转换成电流，根据采样信号Va调整电容C12的充电电流，从而改变斜坡信号Vramp的斜率，此时，斜坡信号Vramp逐渐增大至峰值，即达到指令信号Vcom。在开关管Q11的断开阶段的第五时间段t5，将斜坡信号Vramp均衡为指令信号Vcom，此时，斜坡信号Vramp恒定为指令信号Vcom。
在开关变换器400的控制电路410中，比较器412进一步将直流输出电压Vout、指令信号Vcom的第一叠加信号与误差信号Verr、斜坡信号Vramp、参考电压Vref的第二叠加信号进行比较以获得中间信号，用于产生置位信号以控制脉宽调制信号的关断时间。该控制电路410可以消除电压调节问题，以及采补偿模块引入附加的斜坡信号Vramp。该斜坡信号Vramp的斜率根据直流输出电压Vout进行自适应调节，产生的系统补偿斜率Se如等式(4)所示，从而可以维持开关变换器的稳定性和抑制输出纹波。
图9示出根据本发明实施例的开关变换器的控制方法的流程图。该开关变换器例如是图4所示的开关变换器，其中,控制电路包括图6所示的补偿模块。该开关变换器工作在连续电流模式CCM和非连续电流模式DCM下。
在步骤S01中，根据开关变换器的直流输出电压产生自适应的斜坡信号。
在步骤S02中，将直流输出电压、指令信号的第一叠加信号与误差信号、斜坡信号、参考电压的第二叠加信号进行比较，以获得中间信号。
在步骤S03中，产生固定周期的复位信号，以获得固定的导通时间。
在步骤S04中，根据所述中间信号产生置位信号，以获得与所述直流输出电压相关的关断时间。
在步骤S05中，根据置位信号和复位信号产生脉宽调制信号。
在步骤S06中，将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号。
上述步骤S01包括根据所述直流输出电压产生指令信号，以及在脉宽调制信号的开关周期依次连续的第一时间段、第四时间段、第二时间段和第三时间段执行的多个子步骤。在第一时间段，对所述指令信号和所述斜坡信号的误差信号进行采样，以获得采样信号。在第三时间段，采用根据所述采样信号产生的充电电流对电容充电。在第二时间段，经由放电路径对电容放电。在第四时间段，均衡所述指令信号和所述斜坡信号。
在开关变换器工作于连续电流模式时，第一时间段是在脉宽调制信号的上升沿开始的预定时间段，在开关变换器工作于非连续电流模式时，第一时间段是在电感电流的电流检测信号过零开始的预定时间段。进一步地，在上述两种电流模式下，第二时间段均为从脉宽调制信号的下降沿开始的预定时间段。
优选地，上述步骤S04包括采用第二定时器获得最小关断时间，所述关断时间大于所述最小关断时间。
在上述的实施例中，尽管结合图4描述了降压型拓扑结构的开关变换器，然而，可以理解，该补偿模块产生的自适应斜率的斜坡信号也可以用于其他拓扑结构的开关变换器中，包括但不限于降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型等拓扑结构。
在以上的描述中，对公知的结构要素和步骤并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来实现相应的结构要素和步骤。另外，为了形成相同的结构要素，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (23)

1.一种用于开关变换器的控制电路，所述开关变换器将直流输入电压转换成直流输出电压，所述控制电路包括：
补偿模块，用于产生斜坡信号；
比较器，用于将所述直流输出电压相关的第一叠加信号与所述直流输出电压的误差信号、所述斜坡信号相关的第二叠加信号相比较，以获得中间信号用于产生置位信号；
第一RS触发器，分别根据所述置位信号和复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得固定导通时间，采用所述置位信号获得与所述直流输出电压相关的关断时间；以及
驱动模块，将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，
其中，所述补偿模块根据所述直流输出电压自适应地调整所述斜坡信号的斜率。
2.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：
与门，第一输入端和第二输入端分别接收所述中间信号和最小关断时间，输出端提供所述置位信号，所述最小关断时间为固定时间段。
3.根据权利要求2所述的控制电路，还包括：
第一定时器，用于产生所述复位信号；以及
第二定时器，用于产生所述最小关断时间。
4.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：
误差放大器，用于将所述直流输出电压与参考电压进行比较以获得所述误差信号。
5.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述补偿模块包括：
电压检测模块，根据所述直流输出电压和参考电压产生指令信号，所述指令信号与所述直流输出电压成比例；
采样保持模块，将所述指令信号和所述斜坡信号的误差信号进行采样保持以获得采样信号；
斜坡信号产生模块，根据所述采样信号产生斜坡信号，所述斜坡信号的斜率与所述直流输出电压的幅值相关；以及均衡开关，连接在所述电压检测模块的输出端和所述斜坡信号产生模块的输出端之间。
6.根据权利要求5所述的控制电路，其中，所述电压检测模块包括：
低通滤波器，对所述直流输出电压进行滤波和减慢响应时间；
第一电压增益电路和第二电压增益电路，分别对所述直流输出电压和所述参考电压进行增益放大；以及
加法器，将经过增益放大的直流输出电压和参考电压彼此相加以获得所述指令信号。
7.根据权利要求5所述的控制电路，其中，所述采样保持模块包括：
跨导放大器，用于将所述指令信号和所述斜坡信号的误差信号转换成误差电流；以及
第一开关和第一电容，串联连接在所述跨导放大器的输出端和接地端之间，在所述第一开关的导通期间进行采样，在所述第一开关的断开期间进行保持，其中，在采样期间所述误差电流对所述第一电容进行充电，以获得所述采样信号，
其中，采用采样保持信号控制所述第一开关的导通状态，在开关变换器工作于连续电流模式时，在所述脉宽调制信号的上升沿开始的第一时间段采样，在开关变换器工作于非连续电流模式时，在电感电流的电流检测信号过零开始的第一时间段采样。
8.根据权利要求5所述的控制电路，其中，所述斜坡信号产生模块包括：
电压到电流转换器,产生与所述采样信号相对应的充电电流；
第二电容，连接在所述电压到电流转换器的输出端和接地端之间；以及
第二电阻和第二开关，串联连接在所述第二电容的两端之间形成放电路径，
其中，采用所述充电电流对所述第二电容进行充电，采用放电信号控制所述第二开关的导通状态，在所述脉宽调制信号的下降沿开始的第二时间段对所述第二电容进行放电，以获得所述斜坡信号。
9.根据权利要求5所述的控制电路，还包括：
模式检测模块，用于根据电感电流的电流检测信号的过零检测获得电流模式信号。
10.根据权利要求9所述的控制电路，还包括：
控制模块，根据所述脉宽调制信号和所述电流模式信号产生采样保持信号、放电信号和均衡信号，分别控制所述采样保持模块中的第一开关、所述斜坡信号产生模块中的第二开关、以及所述均衡开关。
11.根据权利要求10所述的控制电路，其中，所述控制模块包括：
第二RS触发器；
串联连接的或门、第一单触发电路和第二单触发电路，所述或门的第一输入端和第二输入端分别接收所述脉宽调制信号和所述电流模式信号，所述第二单触发电路的输出端连接至所述RS触发器的置位端；
第三单触发电路，所述第三单触发电路的输出端连接至所述RS触发器的复位端；
第四单触发电路，所述第四单触发电路的输入端连接至所述RS触发器的第二输出端，
其中，所述第一单触发器的输出端提供所述采样保持信号，所述第四单触发电路的输出端提供所述放电信号，所述RS触发器的第一输出端提供所述均衡信号。
12.根据权利要求10所述的控制电路，其中，所述控制模块控制所述第一开关、所述第二开关和所述均衡开关的导通状态，
在所述脉宽调制信号的开关周期的第一时间段，所述采样保持模块对所述指令信号和所述斜坡信号的误差信号进行采样，以获得采样信号；
在所述脉宽调制信号的开关周期的第三时间段，所述斜坡信号产生模块采用根据所述采样信号产生的充电电流对电容充电；
在所述脉宽调制信号的开关周期的第二时间段，所述斜坡信号产生模块经由放电路径对电容放电；以及
在所述脉宽调制信号的开关周期的第四时间段，所述均衡开关导通以均衡所述指令信号和所述斜坡信号，
所述第一时间段、所述第四时间段、所述第二时间段和所述第三时间段是依次连续的时间段。
13.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述斜坡信号的斜率与所述直流输出电压成比例。
14.一种开关变换器，包括：
主电路，采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压；以及
根据权利要求1至13项中任一项所述的控制电路，用于产生开关控制信号以控制所述至少一个开关管的导通状态。
15.根据权利要求14所述的控制电路，其中，所述主电路采用选自以下任一种的拓扑结构：降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型。
16.根据权利要求15所述的控制电路，其中，所述至少一个开关管包括串联连接在输入端和接地端之间的高侧开关管和低侧开关管，所述主电路还包括：
电感，连接在所述高侧开关管和所述低侧开关管的中间节点和输出端之间；以及
输出电容，连接在所述输出端和接地端之间，
其中，所述高侧开关管的开关控制信号是所述脉宽调制信号的同相信号，所述低侧开关管的开关控制信号是所述脉宽调制信号的反相信号。
17.根据权利要求16所述的控制电路，其中，所述主电路还包括：
电流传感器，连接在所述低侧开关管和接地端之间，在所述低侧开关管的导通期间获得与流经电感的电感电流相关的电流检测信号。
18.一种开关变换器的控制方法，包括：
根据开关变换器的直流输出电压产生斜坡信号；
将所述直流输出电压相关的第一叠加信号与所述直流输出电压的误差信号、所述斜坡信号相关的第二叠加信号相比较，以获得中间信号；
产生固定周期的复位信号，以获得固定的导通时间；
根据所述中间信号产生置位信号，以获得与所述直流输出电压相关的关断时间；
根据置位信号和复位信号产生脉宽调制信号；以及
将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，
其中，所述斜坡信号的斜率根据所述直流输出电压自适应地调整。
19.根据权利要求18所述的控制方法，其中，产生斜坡信号的步骤包括：
根据所述直流输出电压产生指令信号；
在所述脉宽调制信号的开关周期的第一时间段，对所述指令信号和所述斜坡信号的误差信号进行采样，以获得采样信号；
在所述脉宽调制信号的开关周期的第三时间段，采用根据所述采样信号产生的充电电流对电容充电；
在所述脉宽调制信号的开关周期的第二时间段，经由放电路径对电容放电；以及
在所述脉宽调制信号的开关周期的第四时间段，均衡所述指令信号和所述斜坡信号，
所述第一时间段、所述第四时间段、所述第二时间段和所述第三时间段是依次连续的时间段。
20.根据权利要求19所述的控制方法，其中，
所述第一时间段是从所述脉宽调制信号的上升沿开始的预定时间段，以及，
所述第二时间段是从所述脉宽调制信号的下降沿开始的预定时间段。
21.根据权利要求19所述的控制方法，其中，
所述第一时间段是从电感电流的过零开始的预定时间段，以及，
所述第二时间段是从所述脉宽调制信号的下降沿开始的预定时间段。
22.根据权利要求19所述的控制方法，其中，所述指令信号与所述直流输出电压成比例。
23.根据权利要求19所述的控制方法，还包括：
采用第二定时器获得最小关断时间，所述关断时间大于所述最小关断时间。
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