CN112019048B - 开关变换器及其控制器和控制方法 - Google Patents
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Abstract
公开了开关变换器及其控制器和控制方法。该开关变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，该控制器包括置位信号产生电路，根据输出电压的反馈信号和参考信号产生第一置位信号以控制第一开关管的导通时刻，根据第一置位信号产生第二置位信号以控制第三开关管的导通时刻，该控制器根据输入电压、输出电压控制第一开关管的导通时长，当输出电压大于输入电压时，根据输入电压、输出电压和第一参数控制第三开关管的导通时长，当输出电压小于输入电压时，根据输入电压、输出电压和第二参数控制第三开关管的导通时长。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路，尤其涉及开关变换器及其控制器和控制方法。
背景技术
随着消费类电子产品市场的迅速发展，便携式电子产品不断向小型化、轻型化转变，产品的体积变小使得其电池的体积和容量也随之减小。这就要求尽可能地提高此类产品供电模块的转换效率，减小功耗，并使其能在较宽的电池电压变化范围内提供稳定的输出电压，以便延长电池的使用时间。能在宽输入范围下工作的开关变换器被广泛用于此类场合。
图1是传统四开关开关变换器的电路原理图。该开关变换器将输入电压VIN转换为输出电压VO，包括开关管S1～S4、电感器L以及输出电容器CO。当开关管S1、S3导通，开关管S2、S4关断时，电感器L储存能量。当开关管S1、S3关断，开关管S2、S4导通时，电感器L储存的能量被提供至负载。由于四个开关管S1～S4均持续工作，传统开关变换器的功率损耗较大。
为了降低功耗，可以引入不同的工作模式，例如升压模式、降压模式、以及升降压模式，升降压模式作为升压模式和降压模式的过渡，开关管S1～S4在控制器的控制下分别导通及关断。然而，升降压模式的设计较为复杂，需要兼顾效率和安全性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提出一种开关变换器及其控制器和控制方法。
根据本发明实施例的一种开关变换器的控制器，其中该开关变换器在输入端口接收输入电压，以及在输出端口提供输出电压，所述开关变换器包括耦接在输入端口和一电感器第一端之间的第一开关管、耦接所述电感器第一端和参考地之间的第二开关管、耦接在所述电感器第二端和参考地之间的第三开关管、以及耦接在所述电感器第二端和输出端口之间的第四开关管，该控制器包括：置位信号产生电路，接收代表输出电压的反馈信号和参考信号，并根据输出电压的反馈信号和参考信号产生第一置位信号以控制第一开关管的导通时刻，以及根据第一置位信号产生第二置位信号以控制第三开关管的导通时刻；所述控制器根据输入电压、输出电压控制第一开关管的导通时长，以及根据输入电压、输出电压、第一参数、第二参数控制第三开关管的导通时长，当输出电压大于输入电压时，所述控制器根据输入电压、输出电压和第一参数控制第三开关管的导通时长，以及当输出电压小于输入电压时，所述控制器根据输入电压、输出电压和第二参数控制第三开关管的导通时长。
根据本发明实施例的一种开关变换器，包括：第一开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压；第二开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一开关管的第二端，第二端接地；电感器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一开关管的第二端和第二开关管的第一端；第三开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器的第二端，第二端耦接至参考地；第四开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器的第二端和第三开关管的第一端，第二端提供输出电压；以及如上所述的控制器。
根据本发明实施例的一种开关变换器的控制方法，其中该开关变换器将输入电压转换为输出电压，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感器，该控制方法包括：根据参考信号和代表输出电压的反馈信号，产生第一置位信号以导通第一开关管并关断第二开关管；根据第一置位信号，产生第二置位信号以导通第三开关管并关断第四开关管；根据输出电压、输入电压产生第一导通时长；检测第一开关管的导通时长是否达到第一导通时长，当第一开关管的导通时间达到第一导通时长时，关断第一开关管并导通第二开关管；根据输出电压、输入电压、第一参数、以及第二参数产生第二导通时长；以及检测第三开关管的导通时长是否达到第二导通时长，当第三开关管的导通时长达到第二导通时长时，关断第三开关管并导通第四开关管。
根据本发明的实施例，基于输出电压、输入电压、第一参数、第二参数来动态的调节第三开关管的导通时长，使得电路的设计更为容易，且具有更小的纹波，更高的效率。
附图说明
图1为传统四开关开关变换器的电路原理图；
图2为根据本发明一实施例的开关变换器200的示意性框图；
图3为根据本发明一实施例的开关变换器200A的电路原理图；
图4为根据本发明另一实施例的开关变换器200B的电路原理图；
图5为根据本发明一实施例的开关变换器200A的波形图；
图6为根据本发明一实施例的开关变换器控制方法的流程图600；
图7为根据本发明一实施例的产生第二导通时长的方法流程图700。
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。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。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。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。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2为根据本发明一实施例的开关变换器200的示意性框图。开关变换器200包括开关管S1～S4、电感器L、输出电容器Co、反馈电路21、以及包括置位信号产生电路22和开关控制电路23的控制器20。开关管S1具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压Vin。开关管S2具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至开关管S1的第二端，第二端接参考地。电感器L具有第一端和第二端，其中第一端耦接至开关管S1的第二端和开关管S2的第一端。开关管S3具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器L的第二端，第二端接参考地。开关管S4具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器L的第二端和开关管S3的第一端，第二端提供输出电压Vo。输出电容器Co耦接在开关管S4的第二端和参考地之间。开关管S1～S4可以是任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应开关管(MOSFET)、绝缘栅双极开关管(IGBT)等。
反馈电路21根据输出电压Vo产生代表输出电压Vo的反馈信号FB。反馈电路21例如可以包括电阻分压器、差分采样电路等。置位信号产生电路22接收代表输出电压Vo的反馈信号FB和参考信号Ref，并根据反馈信号FB和参考信号Ref产生第一置位信号SET1以控制开关管S1的导通时刻，以及根据第一置位信号SET1产生第二置位信号SET2以控制开关管S3的导通时刻。当开关变换器200工作在升降压模式时，控制器20根据输入电压Vin、输出电压Vo控制开关管S1的导通时长，以及根据输入电压Vin、输出电压Vo、第一参数K1、第二参数K2控制开关管S3的导通时长，当输出电压Vo大于输入电压Vin时，控制器20根据输入电压Vin、输出电压Vo和第一参数K1控制开关管S3的导通时长，以及当输出电压Vo小于输入电压Vin时，控制器20根据输入电压Vin、输出电压Vo和第二参数K2控制开关管S3的导通时长。
在一个实施例中，开关控制电路23耦接至置位信号产生电路22以接收第一置位信号SET1、第二置位信号SET2，并根据第一置位信号SET1、第二置位信号SET2、输入电压Vin、输出电压Vo、第一参数K1、第二参数K2产生驱动信号Dr1以控制开关管S1、产生驱动信号Dr2以控制开关管S2、产生驱动信号Dr3以控制开关管S3、以及产生驱动信号Dr4以控制开关管S4。
图3为根据本发明一实施例的开关变换器200A的电路原理图。开关变换器200A中，置位信号产生电路22A包括误差放大电路221、比较电路222。误差放大电路221具有接收参考信号Ref的第一输入端、接收反馈信号FB的第二输入端，误差放大电路221根据参考信号Ref和反馈信号FB之间的差值(Ref-FB)，在其输出端产生误差补偿信号Comp。在一个实施例中，在误差放大电路221的输出端与参考地之间设置有类似图3中所示的由电阻器与电容器组成的补偿网络。比较电路222具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中比较电路222的同相输入端耦接至误差放大电路221的输出端以接收误差补偿信号Comp，比较电路222的反相输入端接收代表流过电感器的电流的采样信号Isen，比较电路222将误差补偿信号Comp与采样信号Isen进行比较，根据比较结果在其输出端产生第一置位信号SET1。在图3所示的实施例中，置位信号产生电路22进一步包括延迟电路223，延迟电路223将第一置位信号SET1延迟一预设时长tdl产生第二置位信号SET2。在图3所示的实施例中，开关变换器200A进一步包括电流采样电路24，根据流过电感器L的电流产生采样信号Isen。上述电流采样可以通过采样电阻器、电流互感器或电流镜等方式实现，而且，电流采样电路24也可以通过采样流过各开关管的电流来估算流过电感器L的电流并获取采样信号Isen。
在一个实施例中，开关控制电路23包括RS触发器231、第一导通时长控制电路232、第一驱动电路233、RS触发器234、第二导通时长控制电路235、以及第二驱动电路236。RS触发器231具有置位输入端S、复位输入端R、以及输出端Q，其置位输入端S接收第一置位信号SET1，其复位输入端R接收第一导通时长控制信号ON1，其输出端Q根据第一置位信号SET1和第一导通时长控制信号ON1提供第一控制信号Ct1。在一个实施例中，当采样信号Isen小于误差补偿信号Comp时，第一置位信号SET1有效，开关管S1在第一控制信号Ct1的控制下开通，开关管S2在第一控制信号Ct1的控制下关断。在一个实施例中，第一导通时长控制电路232产生第一导通时长控制信号ON1，以控制开关管S1在一个开关周期内的导通时长等于第一时长Ton1。在一个实施例中，第一导通时长控制电路232根据输入电压Vin、输出电压Vo得到第一时长Ton1，例如可以通过以下公式(1)得到。
其中Tperiod代表开关周期。
RS触发器234具有置位输入端S、复位输入端R、以及输出端Q，其置位输入端S接收第二置位信号SET2，其复位输入端R接收第二导通时长控制信号ON2，其输出端Q根据第二置位信号SET2和第二导通时长控制信号ON2提供第二控制信号Ct2。在一个实施例中，当采样信号Isen小于误差补偿信号Comp时，延迟预设时长tdl后，第二置位信号SET2有效，开关管S3在第二控制信号Ct2的控制下开通，开关管S4在第二控制信号Ct2的控制下关断。在一个实施例中，第二导通时长控制电路235产生第二导通时长控制信号ON2，以控制开关管S3在一个开关周期内的导通时长等于第二时长Ton2。在一个实施例中，第二导通时长控制电路235根据输入电压Vin、输出电压Vo、第一参数K1、第二参数K2得到第二时长Ton2，例如可以通过以下公式(2)得到。
其中Tbase为预设的基准时长，例如等于400ns。
在一个实施例中，当输出电压Vo大于或等于输入电压Vin时，第二时长Ton2等于基准时长Tbase加上第一时间阈值，所述第一时间阈值根据输入电压Vin、输出电压Vo、以及第一参数K1产生，例如第一时间阈值等于K1(Vo-Vin)/Vin。在一个实施例中，当输出电压Vo小于输入电压Vin时，第二时长Ton2等于基准时长Tbase减去第二时间阈值，所述第二时间阈值根据输入电压Vin、输出电压Vo、以及第二参数K2产生，例如第二时间阈值等于K2(Vin-Vo)/Vin。在一个实施例中，第一参数K1和第二参数K2不相等。基于输出电压、输入电压、第一参数、第二参数来动态的调节第三开关管的导通时长，使得电路的设计更为容易，既可以满足安全性要求，平滑的过渡到升压模式或降压模式，又可以具有更小的纹波，更高的效率。
在一个实施例中，第一驱动电路233根据第一控制信号Ct1产生驱动信号Dr1、Dr2以分别控制开关管S1和S2。一般地，驱动信号Dr1与Dr2互补。为了避免开关管S1和S2直通，第一驱动电路233通常包括死区时间控制器，以在驱动信号Dr1与Dr2之间引入死区时间。
第二驱动电路236根据第二控制信号Ct2产生驱动信号Dr3、Dr4以分别控制开关管S3和S4。一般地，驱动信号Dr3与Dr4互补。为了避免开关管S3和S4直通，第一驱动电路236通常包括死区时间控制器，以在驱动信号Dr31与Dr4之间引入死区时间。
本领域技术人员可知，开关控制电路23的具体电路结构不限于图3所示。
图4为根据本发明另一实施例的开关变换器200B的电路原理图。开关变换器200B中，置位信号产生电路22B包括比较电路224，具有接收参考信号Ref的同相输入端，接收反馈信号FB的反相输入端，比较电路224将反馈信号FB与参考信号Ref进行比较，并根据比较结果在其输出端产生第一置位信号SET1。和图3所示开关变换器200A类似，置位信号产生电路22B进一步包括延迟电路223，将第一置位信号SET1延迟预设时长tdl产生第二置位信号SET2。
图5为根据本发明一实施例的图3所示开关变换器200A的波形图。从上至下依次是采样信号Isen、第一置位信号SET1、第一控制信号Ct1、第二置位信号SET2、以及第二控制信号Ct2。在t1时刻，采样信号Isen下降至小于误差补偿信号Comp，第一置位信号SET1变为高电平，第一控制信号Ct1被置位，例如变为高电平，开关管S1导通，开关管S2关断。经过预设时长tdl后，在t2时刻，第二置位信号SET2变为高电平，第二控制信号Ct2被置位，例如变为高电平，开关管S3导通，开关管S4关断。在t3时刻，开关管S3的导通时长达到第二时长Ton2,第二控制信号Ct2被复位，例如变为低电平，开关管S3关断，开关管S4导通。在t4时刻开关管S1的导通时长达到第一时长Ton1，第一控制信号Ct1被复位，例如变为低电平，开关管S1关断，开关管S2导通。
图6为根据本发明一实施例的开关变换器控制方法的流程图600。所述开关变换器将输入电压转换为输出电压，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感器。图6所示的实施例包括步骤S11～S16。
在步骤S11，根据参考信号和代表输出电压的反馈信号，产生第一置位信号以导通第一开关管。
在步骤S12，根据第一置位信号，产生第二置位信号以导通第三开关管。
在步骤S13，根据输出电压、输入电压产生第一导通时长。
在步骤S14，检测第一开关管的导通时长是否达到第一导通时长，当第一开关管的导通时长达到第一导通时长时，关断第一开关管，导通第二开关管。
在步骤S15，根据输出电压、输入电压、第一参数、以及第二参数产生第二导通时长。
在步骤S16，检测第三开关管的导通时长是否达到第二导通时长，当第三开关管的导通时长达到第二导通时长时，关断第三开关管，导通第四开关管。
图7为根据本发明一实施例的产生第二导通时长的方法流程图700。图7所示的实施例包括步骤S21～S23。
在步骤S21，根据输入电压、输出电压、第一参数产生第一时间阈值，以及根据输入电压、输出电压、第二参数产生第二时间阈值。
在步骤S22，当输出电压大于输入电压时，第二导通时长等于基准时长加上第一时间阈值。
在步骤S23，当输出电压小于输入电压时，第二导通时长等于基准时长减去第二时间阈值。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种开关变换器的控制器，其中该开关变换器在输入端口接收输入电压，以及在输出端口提供输出电压，所述开关变换器包括耦接在输入端口和一电感器第一端之间的第一开关管、耦接所述电感器第一端和参考地之间的第二开关管、耦接在所述电感器第二端和参考地之间的第三开关管、以及耦接在所述电感器第二端和输出端口之间的第四开关管，该控制器包括：
置位信号产生电路，接收代表输出电压的反馈信号和参考信号，并根据输出电压的反馈信号和参考信号产生第一置位信号以控制第一开关管的导通时刻，以及根据第一置位信号产生第二置位信号以控制第三开关管的导通时刻；
当开关变换器工作在升降压模式时，所述控制器根据输入电压、输出电压控制第一开关管的导通时长，以及根据输入电压、输出电压、第一参数、第二参数控制第三开关管的导通时长,当输出电压大于输入电压时，控制器控制第三开关管的导通时长等于一基准时长加上第一时间阈值，所述第一时间阈值和第一参数成正比，所述第一时间阈值进一步和输出电压与输入电压之差成正比，以及所述第一时间阈值进一步和输入电压成反比,以及当输出电压小于输入电压时，控制器控制第三开关管的导通时长等于一基准时长减去第二时间阈值，所述第二时间阈值和第二参数成正比，所述第二时间阈值进一步和输入电压与输出电压之差成正比，以及所述第二时间阈值进一步和输入电压成反比。
2.如权利要求1所述的控制器，其中所述置位信号产生电路进一步包括：
比较电路，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，第二输入端接收代表输出电压的反馈信号，比较电路根据反馈信号与参考信号的比较结果，在输出端产生第一置位信号。
3.如权利要求1所述的控制器，其中所述置位信号产生电路进一步包括：
误差放大电路，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，第二输入端接收代表输出电压的反馈信号，误差放大电路根据参考信号和反馈信号之间的差值，在输出端产生误差补偿信号；以及
比较电路，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至误差放大电路的输出端以接收误差补偿信号，第二输入端接收代表流过电感器的电流的采样信号，比较电路根据误差补偿信号与采样信号的比较结果，在输出端产生第一置位信号。
4.如权利要求1所述的控制器，其中所述置位信号产生电路进一步包括：
延迟电路，所述延迟电路将第一置位信号延迟一预设时长产生第二置位信号。
5.如权利要求1所述的控制器，其中所述控制器进一步包括：
开关控制电路，所述开关控制电路根据第一置位信号、第二置位信号、输入电压、输出电压、第一参数、第二参数产生控制第一开关管的第一驱动信号，产生控制第二开关管的第二驱动信号，产生控制第三开关管的第三驱动信号，以及产生控制第四开关管的第四驱动信号。
6.一种开关变换器，包括：
第一开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压；
第二开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一开关管第二端，第二端接地；
电感器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一开关管的第二端和第二开关管的第一端；
第三开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器的第二端，第二端耦接至参考地；
第四开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器的第二端和第三开关管的第一端，第二端提供输出电压；以及
如权利要求1至5中任一项所述的控制器。
7.一种开关变换器的控制方法，其中该开关变换器将输入电压转换为输出电压，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和电感器，该控制方法包括：
根据参考信号和代表输出电压的反馈信号，产生第一置位信号以导通第一开关管；
根据第一置位信号，产生第二置位信号以导通第三开关管；
根据输出电压、输入电压产生第一导通时长；
当第一开关管的导通时间达到第一导通时长时，关断第一开关管，导通第二开关管；
当开关变换器工作在升降压模式且输出电压大于输入电压时，第二导通时长等于一基准时长加上第一时间阈值，所述第一时间阈值和第一参数成正比，所述第一时间阈值进一步和输出电压与输入电压之差成正比，以及所述第一时间阈值进一步和输入电压成反比；
当开关变换器工作在升降压模式且输出电压小于输入电压时，第二导通时长等于一基准时长减去第二时间阈值，所述第二时间阈值和第二参数成正比，所述第二时间阈值进一步和输出电压与输入电压之差成正比，以及所述第二时间阈值进一步和输入电压成反比；以及
当第三开关管的导通时长达到第二导通时长时，关断第三开关管，导通第四开关管。
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