CN112290791B - 升压型迟滞式开关变换器及控制方法、芯片、电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种升压型迟滞式开关变换器及其控制方法、电源芯片、电子设备，开关变换器的控制电路包括：提供第一参考电压和第二参考电压的参考电压发生模块；提供斜坡电压的斜坡产生模块，其包括电容单元、第一电阻单元和第二电阻单元；根据第一参考电压和第二参考电压以及斜坡电压生成第一控制信号的比较模块，其中，若斜坡电压达到第一参考电压或者第二参考电压，则第一控制信号翻转；否则第一控制信号的状态保持，以维持第一开关管和第二开关管的状态；以及根据所述第一控制信号控制所述开关电路的第一开关管、第二开关管的打开与关闭的控制逻辑模块。本发明的架构简单，元器件较少，能够减小整个电路板的面积。

Description

升压型迟滞式开关变换器及控制方法、芯片、电子设备
技术领域
本发明涉及开关电子电路技术领域，具体涉及一种升压型迟滞式开关变换器及其控制方法、电源芯片、电子设备。
背景技术
近几年，随着具有能量收集功能的共享单车、可穿戴的健康类电子产品等的大量普及，由于这些设备本身的电池容量较小，因此使用过程中续航时间的较短，会极大地影响用户对产品的使用体验。怎样提高电池的续航时间、减小芯片本身能量损耗、提高电源使用效率是目前许多市场最迫切解决的问题。在能量收集、小容量电池供电领域，由于其应用环境所限，绝大部分时间，能量的源头所提供的电压变化很大，一般情况下需要将电压抬升到一个固定的电位，将微弱的能量进行收集处理。
对于小容量电源来说，目前市面上存在的升压型开关变换器主要有两种：电压模式、电流模式，参考图1，为现有的升压型电压开关变换器的示意图，其斜坡发生电路参考图2所示；图3为现有的升压型电流开关变换器的示意图，其斜坡发生电路参考图4所示；然而，现有的这几种升压型开关变换器的斜坡发生电路都需要加入一些较为复杂的环路进行补偿，如增加分压电路，虽然有些厂家使用图5所示的恒定导通时间开关变换器，但这仅仅是一种基于电流模式变种的较为简洁的电压模式升压型开关变换器，其斜坡发生电路仍需要较为复杂的环路进行补偿，这些复杂的环路一方面增加了整个开关变换器的设计难度，整个开关变换器的架构繁琐，存在严重的系统缺陷，增加了整机出问题的几率，另一方面，如此复杂的环路，增加了整个开关变换器的电路板面积，不利于开关变换器向小型化发展，尤其是在应用于小型的电子设备时该问题尤为突出。
发明内容
基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种升压型迟滞式开关变换器及其控制方法、电源芯片、电子设备，以解决现有的升压型电压开关变换器、升压型电流开关变换器存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的第一方面提供了一种升压型迟滞式开关变换器，包括开关电路和控制电路，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管和电感件，所述第一开关管的一个连接端与所述第二开关管的一个连接端连接，另一连接端与输出节点连接，所述第二开关管的另一个连接端接地，所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端分别与所述控制电路连接；所述电感件的一端与开关节点连接，另一端与输出节点连接；所述开关电路用于接收输入电压，并通过第一开关管、第二开关管的导通与断开将输入节点的输入电压转换为输出节点的输出电压，以提供给负载；其中，所述开关节点为所述第一开关管与所述第二开关管的连接点；所述控制电路用于控制所述第一开关管、第二开关管的导通与断开；所述控制电路包括：
参考电压发生模块，用于提供第一参考电压和第二参考电压，所述第一参考电压的幅值大于所述第二参考电压的幅值；
斜坡产生模块，用于提供斜坡电压，包括电容单元、第一电阻单元和第二电阻单元，所述第一电阻单元和电容单元并联设置，且并联后的第一端与输入节点连接，第二端用于输出所述斜坡电压；所述第二电阻单元串联于所述第二端与所述开关节点之间；
比较模块，具有输入所述第一参考电压的第一正极输入端、输入所述第二参考电压的第二正极输入端、输入所述斜坡电压的负极输入端和用于输出第一控制信号的输出端，所述比较模块用于根据所述第一参考电压和第二参考电压以及斜坡电压生成第一控制信号，其中，若所述斜坡电压达到所述第一参考电压或者第二参考电压，则第一控制信号翻转，以控制第一开关管和第二开关管改变状态；否则所述第一控制信号的状态保持，以维持第一开关管和第二开关管的状态；
控制逻辑模块，与所述比较模块的输出端连接，用于根据所述第一控制信号控制所述开关电路的第一开关管、第二开关管的打开与关闭。
优选地，所述比较模块包括比较单元、第一开关、第二开关和非门，所述第一开关的第一接入端作为所述比较模块的第一正极输入端，所述第二开关的第一接入端作为所述比较模块的第二正极输入端，所述第一开关和第二开关的第二接入端均与所述比较单元的正极比较端连接；所述比较单元的负极比较端作为所述比较模块的负极输入端，比较输出端作为所述比较模块的输出端；
所述第一开关的控制端与所述比较输出端连接；所述第二开关的控制端通过所述非门与所述比较输出端连接。
优选地，所述比较单元包括：
全差分放大器，包括所述正极比较端、负极比较端，以用于输出所述斜坡电压与所述第一参考电压或者第二参考电压的比较结果；
偏置网络，用于为所述全差分放大器提供恒定电流；
输出逻辑网络，包括所述比较输出端，所述输出逻辑网络与所述全差分放大器连接，用于根据所述比较结果生成所述第一控制信号并输出。
优选地，所述参考电压发生模块包括：
基准产生电路单元，用于根据基准电压生成第一参考电压和第二参考电压；及
数字控制逻辑单元，与所述基准产生电路单元连接，用于提供第二控制信号，以控制所述基准产生电路单元输出的第一参考电压和第二参考电压的幅值。
优选地，所述基准产生电路单元包括：
运放器，所述运放器的正极输入端用于输入基准电压；
多个串联的降压电阻，多个所述降压电阻串联后的一端与所述运放器的输出端连接，另一端接地；且各所述降压电阻的高压端通过第三开关连接所述比较模块的第一正极输入端，低压端通过第四开关连接所述比较模块的第二正极输入端；其中两个降压电阻之间的连接点还与所述运放器的负极输入端连接；
所述数字控制逻辑单元与各所述第三开关、所述第四开关均连接，用于控制各所述第三开关、各所述第四开关的打开和关闭。
优选地，
所述基准产生电路单元还包括第五开关，任意两个所述降压电阻之间通过所述第五开关与所述运放器的负极输入端连接；
所述数字控制逻辑单元还与各所述第五开关连接，还用于控制各所述第五开关的导通与关闭。
优选地，所述电容单元包括多个串联的电容元件，任意相邻的两个电容元件之间还设置有第六开关；
所述第一电阻单元包括多个串联的第一电阻元件，任意两个相邻的第一电阻元件之间还设置有第七开关；
所述第二电阻单元包括多个串联的第二电阻元件，任意两个相邻的第二电阻元件之间还设置有第八开关；
所述斜坡产生模块还包括开关控制单元，所述开关控制单元与各所述第六开关、第七开关、第八开关均连接，用于控制所述第六开关、第七开关、第八开关的打开与关闭。
本发明的第二方面提供了一种上述任一项升压型迟滞式开关变换器的控制方法，包括步骤：
S10：采集输入节点的输入电压和开关节点处的开关节点电压；
S20：判断开关电路中第一开关管、第二开关管的状态，若所述第一开关管打开，第二开关管关闭，则执行S30；若所述第二开关管打开，第一开关管关闭，则执行S40；
S30：根据所述输入电压和所述开关节点电压计算斜坡电压Vramp；然后判断所述斜坡电压是否达到第一参考电压，若是，则控制所述第一开关管关闭，第二开关管打开，返回S10；若否，则直接返回S10；
S40：根据所述输入电压计算斜坡电压Vramp，然后判断所述斜坡电压是否达到第二参考电压，若是，则控制所述第二开关管关闭，第一开关管打开，返回S10；若否，则直接返回S10。
优选地，设置所述第一开关管导通、所述第二开关管断开时斜坡电压的斜率和其对应的占空比的乘积，等于所述第一开关管断开、第二开关管导通时斜坡电压的斜率和其对应的占空比的乘积；
所述步骤S30中，所述开关节点电压等于所述输出节点电压，根据公式(1)计算斜坡电压：
Figure GDA0003346269360000041
所述步骤S40中，根据公式(2)计算斜坡电压：
Figure GDA0003346269360000042
本发明的第三方面提供了一种电源芯片，包括如上任一项所述的升压型迟滞式开关变换器。
本发明的第四方面提供了一种电子设备，包括设备本体、电源本体和上述任一项所述的升压型迟滞式开关变换器，所述电源本体与所述输入节点连接，所述输出节点与所述设备本体连接，以用于为所述设备本体提供稳定的电压。
优选地，所述电子设备为可穿戴的电子设备或电子锁。
优选地，所述可穿戴的电子设备为蓝牙耳机，所述蓝牙耳机包括充电仓和耳机头，所述耳机头为所述设备本体；所述电源本体与所述升压型迟滞式开关变换器均设置于所述充电仓内，所述耳机头可容纳于所述充电仓，以为所述耳机头充电。
本发明的升压型迟滞式开关变换器，斜坡产生模块包括电容单元和两个电阻单元，且分别接入输入节点电压和开关节点电压，从而通过第一电阻单元和第二电阻单元的分压输出斜坡电压，还设置有与第一电阻单元并联的电容单元，如此，提高了输出的斜坡电压的稳定性，当将该斜坡电压输入比较模块时，能提高第一控制信号输出的准确性，进而精确地控制开关电路中的第一开关管和第二开关管的通断。一方面，本发明的斜坡产生模块电路架构简单，能够大大降低整个开关变换器的设计难度，减小了整个开关变换器出问题的几率；另一方面，由于斜坡产生模块仅设置有电容单元和两个电阻单元，较现有技术中复杂的环路补偿，元器件明显减少，因此，能够减小整个控制电路的成本，整个开关变换器的电路板面积也会大大减小，在以芯片形式设置时，能够将芯片做得更小，进一步降低成本；再一方面，在比较模块中，使用第一参考电压、第二参考电压分别作为斜坡电压上升和下降的限值，进而控制第一控制信号的高电平和低电平持续时间，以实现对第一开关管导通时间和第二开关管导通时间的控制，因此，省去了控制第一开关管导通时间发生器和第二开关管导通时间的发生器，进一步减少了整个升压开关变换器的环路，减小电路板的面积，降低设计难度，以及简化控制程序。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
以下将参照附图对本发明的优选实施方式进行描述。图中：
图1为现有技术中升压型电压开关变换器的系统图；
图2为图1中的斜坡发生电路的电路图；
图3为现有技术中升压型电流开关变换器的系统图；
图4为图3中的斜坡发生电路的电路图；
图5为现有技术中恒定导通时间开关变换器的系统图；
图6为本发明所提供的升压型迟滞式开关变换器的一种优选实施方式的系统图；
图7为本发明所提供的升压型迟滞式开关变换器中，斜坡产生模块的一种优选实施方式的电路图；
图8为本发明所提供的升压型迟滞式开关变换器的控制方法的一种优选实施方式的流程；
图9为本发明所提供的升压型迟滞式开关变换器中，比较模块的一种优选实施方式的架构图；
图10为本发明所提供的升压型迟滞式开关变换器中，比较模块的另一种优选实施方式的电路图；
图11为本发明所提供的升压型迟滞式开关变换器中，比较模块的比较单元的一种优选实施方式的架构图；
图12为本发明所提供的升压型迟滞式开关变换器中，参考电压发生模块的基准产生电路单元的一种优选实施方式的电路图；
图13为本发明所提供的升压型迟滞式开关变换器中，参考电压发生模块的数字控制逻辑单元的一种优选实施方式的电路图；
图14为本发明所提供的升压型迟滞式开关变换器工作的时序示意图。
图中，
10、开关电路；
20、控制电路；21、参考电压发生模块；211、基准产生电路单元；2111、运放器、2112、降压电阻；212、数字控制逻辑单元；22、斜坡产生模块；221、电容单元；222、第一电阻单元；223、第二电阻单元；23、比较模块；231、比较单元；2311、全差分放大器；2312、偏置网络；2312、输出逻辑网络；232、第一开关；233、第二开关；234、非门；235、逻辑输出单元；24、控制逻辑模块。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
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。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明提供了一种电子设备，包括设备本体、电源本体和升压型迟滞式开关变换器，电源本体与升压型迟滞式开关变换器的输入节点连接，设备本体与升压型迟滞式开关变换器的输出节点连接，以用于为设备本体提供稳定的电压。
上述电子设备可以为可穿戴的电子设备，如蓝牙耳机、蓝牙眼镜等；也可以为电子锁，如共享单车上的蓝牙电子锁。其中，在电子设备为可穿戴的电子设备时，常常设有充电仓，如电子设备为蓝牙耳机时，此时，蓝牙耳机包括充电仓和耳机头，电源本体和升压型迟滞式开关变换器设置于充电仓内，耳机头为设备本体，耳机头可以容纳于充电仓内，当耳机头放入充电仓内时，开关变换器开始工作，以为耳机头充电；电源本体可以通过市电等为其自身充电。当电子设备为电子锁时，蓝牙锁体为设备本体，电源本体和升压型迟滞式开关变换器设置于设备本体，电源本体通过开关变换器为蓝牙锁体充电，电源本体可以为太阳能板。
针对现有技术中开关变换器控制电路中斜坡发生电路过于复杂，以及需要外围环路进行补偿，本实施例公开了一种升压型迟滞式开关变换器控制电路，可以用于上述电子设备，参考图6，开关变换器包括开关电路10和控制电路20。
开关电路10包括第一开关管SW1、第二开关管SW2和电感件，第一开关管SW1的一个连接端与第二开关管SW2的一个连接端连接，另一连接端与输出节点连接，第二开关管SW2的另一个连接端接地，第一开关管SW1的控制端和第二开关管SW2的控制端分别与控制电路连接；电感件的一端与开关节点连接，另一端与输出节点连接；开关电路10用于接收输入电压VIN，并通过第一开关管SW1、第二开关管SW2的导通与断开将输入节点的输入电压VIN转换为输出节点的输出电压VOUT，以提供给负载RL；其中，开关节点为第一开关管SW1与第二开关管SW2的连接点。
控制电路20用于控制第一开关管SW1、第二开关管SW2的导通与断开，控制电路20包括：
参考电压发生模块21，用于提供第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-，第一参考电压VREF+的幅值大于第二参考电压VREF-的幅值。
斜坡产生模块22，用于提供斜坡电压Vramp，参考图7，斜坡产生模块22包括电容单元221、第一电阻单元222和第二电阻单元223，第一电阻单元222和电容单元221并联设置，且并联后的第一端与输入节点连接，第二端用于输出斜坡电压Vramp；第二电阻单元223串联于第二端与开关节点之间；其中，开关节点为第一开关管SW1与第二开关管SW2的连接点。
比较模块23，具有输入第一参考电压VREF+连接的第一正极输入端、输入第二参考电压VREF-连接的第二正极输入端、输入斜坡电压Vramp的负极输入端和用于输出第一控制信号COMP的输出端，比较模块23用于根据第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-以及斜坡电压Vramp生成第一控制信号COMP；其中，若斜坡电压Vramp达到第一参考电压或者第二参考电压，则第一控制信号COMP翻转(即由高电平变为低电平或者由低电平变为高电平)，以控制第一开关管SW1和第二开关管SW2改变状态；否则第一控制信号COMP的状态保持，以维持第一开关管SW1和第二开关管SW2的状态；
控制逻辑模块24，与比较模块23的输出端连接，用于根据第一控制信号COMP控制开关电路10的第一开关管SW1、第二开关管SW2的打开与关闭。
也就是说，比较模块23的第一正极输入端、第二正极输入端与参考电压发生模块21连接，负极输入端与斜坡发生产生模块22的输出端连接，比较模块23的输出端与控制逻辑模块24的输入端连接，控制逻辑模块24的输出端与开关电路10连接；斜坡产生模块22的输入端与开关电路10连接，如此，斜坡产生模块22根据开关电路10的输入电压VIN和开关节点的开关节点电压VSW生成斜坡电压Vramp，比较模块23根据第一参考电压VREF+、第二参考电压VREF-和斜坡电压Vramp生成第一控制信号COMP，控制逻辑模块24根据第一控制信号COMP生成第三控制信号PON和第四控制信号NON，进而控制第一开关管SW1、第二开关管SW2的导通和断开。其中，第一控制信号COMP、第三控制信号PON和第四控制信号NON均为PWM信号。
本发明还提供了一种上述升压型迟滞式开关变换器的控制方法，如图8所示，控制方法包括步骤：
S10：采集输入节点的输入电压VIN和开关节点处的开关节点电压VSW；
S20：判断开关电路中第一开关管SW1、第二开关管SW2的状态，若第一开关管SW1打开，第二开关管SW2关闭，则执行S30；若第二开关管SW2打开，第一开关管SW1关闭，则执行S40；
S30：根据输入电压VIN和开关节点电压VSW计算斜坡产生模块22的斜坡电压Vramp；然后判断斜坡电压是否达到第一参考电压VREF+，若是，则控制第一开关管SW1关闭，第二开关管SW2打开，返回S10；若否，则直接返回S10；
S40：根据输入电压VIN计算斜坡产生模块22的斜坡电压Vramp，然后判断斜坡电压Vramp是否达到第二参考电压VREF-，若是，则控制第二开关管SW2关闭，第一开关管SW1打开，返回S10；若否，则直接返回S10。
上述升压型迟滞式开关变换器，斜坡产生模块22包括电容单元221和两个电阻单元，且斜坡产生模块22的两端分别接入输入节点和开关节点，从而通过第一电阻单元222和第二电阻单元223的分压输出斜坡电压Vramp，上述斜坡产生模块22还设置有与第一电阻单元222并联的电容单元221，如此，提高了输出的斜坡电压Vramp的稳定性，当将该斜坡电压Vramp输入比较模块23时，能够提高第一控制信号COMP输出的准确性，进而精确地控制开关电路10中的第一开关管SW1和第二开关管SW2的通断。可见，一方面，本发明的斜坡产生模块22的架构简单，能够大大降低整个开关变换器的设计难度，减小了整个开关变换器出问题的几率；另一方面，由于斜坡产生模块22仅设置有电容单元221和两个电阻单元，较现有技术中复杂的环路补偿，元器件明显减少，因此，能够减小整个控制电路10的成本，整个开关变换器的电路板面积也会大大减小，在以芯片形式设置时，能够将芯片做得更小，进一步降低成本。
再一方面，在比较模块23中，使用第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-分别作为斜坡电压Vramp上升和下降的限值，进而控制第一控制信号COMP的高电平和低电平持续时间，以实现对第一开关管SW1导通时间和第二开关管导通时间的控制，从而省去了第一开关管SW1导通时间发生器和第二开关管导通时间发生器，进一步减少了整个升压开关变换器的环路，减少了元器件，能够减小整个电路板的面积，更好地降低设计难度，以及简化控制程序。
具体地，第一开关管SW1、第二开关管SW2可以为晶体管。开关电路10中，为了提高负载RL电压的稳定性，可以在负载RL的两端并联稳压电容，记为输出稳压电容CO。同理，在输入节点与地之间也可以连接稳压电容，记为输入稳压电容Cin，如此通过电容对输入电压VIN、输出电压VOUT进行滤波。工作时，电源本体的供电电压变化范围很大，先经过输入稳压电容Cin稳压后得到输入节点的输入电压VIN，然后通过第一开关管SW1、第二开关管SW2的导通与断开转换为输出节点的输出电压VOUT。在输入节点的电感件L0起到续流作用，以避免电流的突变。其中，当第二开关管SW2导通，第一开关管SW1断开时，开关节点直接接地，开关节点电压VSW等于地线电压，电感件L0处于充电状态，其上的电流逐渐增大；当第一开关管SW1导通，第二开关管SW2断开时，开关节点电压VSW为输出电压VOUT，电感件L0放电，其上的电流逐渐减小。在电子设备为蓝牙耳机时，上述电源本体即与该输入节点连接，耳机头为负载RL。
一种实施例中，如图9所示，比较模块23包括比较单元231、第一开关232、第二开关233和非门234，第一开关232的第一接入端作为比较模块23的第一正极输入端，即用于输入第一参考电压；第二开关233的第一接入端作为比较模块23的第二正极输入端，即用于输入第二参考电压；第一开关232和第二开关233的第二接入端均与比较单元231的正极比较端连接；比较单元231的负极比较端作为比较模块23的负极输入端，即用于输入斜坡电压Vramp，比较输出端作为比较模块23的输出端，即用于输出第一控制信号COMP；第一开关232的控制端与比较输出端连接；第二开关233的控制端通过非门234与比较输出端连接。采用这种方式，整个比较模块23的电路结构简单，能够进一步减少元器件的数量，减小开关变换器的电路板的面积，从而减小整个开关变换器的体积。
另一种实施例中，如图10所示，比较模块23包括两个比较单元231和逻辑输出单元235，两个比较单元分别为第一比较单元和第二比较单元，第一比较单元的正极比较端作为比较模块23的第一正极输入端，即用于输入第一参考电压VREF+；负极比较端作为比较模块23的负极输入端，即用于输入斜坡电压Vramp；比较输出端用于输出第五控制信号，也就是说，第一比较单元用于根据第一参考电压VREF+与斜坡电压Vramp输出第五控制信号。第二比较单元的正极比较端作为比较模块23的第二正极输入端，即用于输入第二参考电压VREF-；负极比较端也作为比较模块23的负极输入端，即用于输入斜坡电压Vramp；比较输出端用于输出第六控制信号，也就是说，第二比较单元用于根据第二参考电压VREF-与斜坡电压Vramp输出第六控制信号。逻辑输出单元235与第一比较单元的比较输出端、第二比较单元的比较输出端均连接，用于根据第五控制信号和第六控制信号输出第一控制信号COMP。
其中，上述比较单元231包括全差分放大器2311、偏置网络2312和输出逻辑网络2313，参考图11，全差分放大器2311包括标胶单元231的正极比较端、负极比较端，以用于输出斜坡电压Vramp与第一参考电压VREF+或者第二参考电压VREF-的比较结果；偏置网络2312用于为全差分放大器2311提供恒定电流，其输出端与全差分放大器2311连接，输入端与电压源和地连接；输出逻辑网络2313包括上述比较单元231的比较输出端，输出逻辑网络2313与全差分放大器2311连接，在上述仅设置有一个比较单元231时，用于根据比较结果生成第一控制信号COMP；在上述设置有两个比较单元的实施例中，输出逻辑网络2313用于根据比较结果输出第五控制信号或者第六控制信号。其中，偏置网络2312提供的电流大小与第一控制信号COMP(在包括两个比较单元的实施例时为第五控制信号或者第六控制信号)的翻转速度有关，提供的电流越大，当第一控制信号COMP(在包括两个比较单元的实施例时为第五控制信号或者第六控制信号)需要翻转时，则翻转的速度较快，此时比较模块23的功耗较高；提供的电流越小，当第一控制信号COMP(在包括两个比较单元的实施例时为第五控制信号或者第六控制信号)需要翻转时，则翻转的速度就会较慢，此时比较模块23的功耗较低，因此，采用这种比较单元231的架构，可以根据需要调整比较模块23的指标，使其在高速度或者低功耗工况下工作，或者使其工作在其他工况。
需要说明的是，上述偏置网络2312可以在出厂前调整好，也可以在实际使用时根据需要进行调整。具体地，全差分放大器2311、偏置网络2312和输出逻辑网络2313可以采用本领域技术人员常用的电路或者元器件来实现，这里就不在赘述。
当然比较模块23还可以采用其他电路组成，只要能够在斜坡电压达到第一参考电压VREF+或者第二参考电压VREF-时，第一控制信号COMP翻转，在斜坡电压Vramp未达到第一参考电压VREF+或者第二参考电压VREF-时，第一控制信号COMP的状态(即高电平状态或者低电平状态)保持即可。
继续参考图6，参考电压发生模块21包括基准产生电路单元211和数字控制逻辑单元212，基准产生电路单元211用于生成第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-；数字控制逻辑单元212与基准产生电路单元211连接，用于提供第二控制信号，以控制基准电路单元211输出的第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-的幅值，通过对第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-幅值的调整，能够改变输出电压VOUT与输入电压VIN的差值，因此，上述参考电压发生模块21可以在开关变换器出厂前通过调整第二控制信号事先确定输出电压VOUT与输入电压VIN的差值，也可以在开关变换器出厂后客户根据需要自行调整该差值，从而使升压型迟滞式开关变换器能够适应更多的电子设备，提高其通用性。其中，第二控制信号可以为持续高电平或者持续低电平信号，或者根据需要调整其状态。
其中，第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-的幅值变化趋势相同，即二者一起增大或者一起减小，且二者的差值不变，当二者的幅值一起增大时，输出电压VOUT与输入电压VIN的差值增大；当二者的幅值一起减小时，输出电压VOUT与输入电压VIN的差值减小。
参考图12，本发明的一种优选实施例中，基准产生电路单元211包括：运放器2111和多个串联的降压电阻2112，运放器2111的正极输入端用于输入基准电压VBG；多个降压电阻2112串联后的一端与运放器2111的输出端连接，另一端接地；各降压电阻2112的高压端(即远离地的一端)通过第三开关连接比较模块23的第一正极输入端，低压端通过第四开关连接比较模块23的第二正极输入端；其中两个降压电阻2112之间的连接点还与运放器2111的负极输入端连接。在该实施例中，数字控制逻辑单元212与各第三开关、第四开关均连接，用于控制各第三开关、第四开关的打开和关闭，进而调整第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-的幅值。采用上述基准产生电路单元211，通过两组开关能够实现多种降压电阻的接入方式，使整个参考电压发生模块21的架构简单，且对于不同的用户设置一种参考电压发生模块21即可，可以在出厂前直接限定各第三开关、第四开关的状态，也可以在出厂后用户根据实际需要对各第三开关、第四开关的状态进行调整。其中，上述各降压电阻的阻值可以相等，也可以不相等。上述数字控制逻辑单元212可以为译码器，如图13所示。
上述降压电阻可以设置两个、三个或者更多个，第三开关和第四开关的个数与降压电阻的个数相等，如图12所示，降压电阻、第三开关和第四开关均设置有n+1个，降压电阻依次为R0、R1、…、Rn，同一组的第三开关和第四开关记号相同，如多组第三开关和第四开关分别记为S0、S1、…、Sn，即两个S0为同一组的第三开关和第四开关，两个S1为同一组的第三开关和第四开关，…，如此数字控制逻辑单元212只要输出S0、S1、…、Sn对应的信号，即可直接控制同一组的第三开关和第四开关处于相同的状态。
上述实施例中，运放器2111的负极输入端的接入位置会影响运放器2111的输出端的电压，即在基准电压VBG一定时，会影响第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-可调节的最大幅值和最小幅值，为了进一步增加第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-的幅值的调整范围，本发明的一种优选实施例中，基准产生电路单元211还包括第五开关(图中未示出)，任意两个降压电阻2112之间通过第五开关与运放器2111的负极输入端连接。在该实施例总，数字控制逻辑单元还与各第五开关连接，还用于控制各第五开关的导通与关闭。
需要说明的是，上述基准产生电路单元211也可以采用运放器与其他降压电阻、开关形成的电路实现，如包括多条并列的子电路，各子电路均包括串联的第九开关和一个降压电阻，运放器的输出端与第五开关连接，降压电阻的两端分别用于输出第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-，在该实施例中，数字控制逻辑单元212仅用于控制个第九开关的打开(即断开)或者关闭(即导通)，在该实施例中，各子电路中的降压电阻的阻值不相等。
上述实施例虽然给出了一种参考电压模块21的优选实施例，但是本发明并不限定于上述实施例，参考电压模块21也可以直接提供两个固定幅值第一参考电压VREF+和第二参考电压VREF-。
上述各实施例中，电容单元221可以仅包括一个电容元件，第一电阻单元222和第二电阻单元223分别仅包括一个电阻元件，可以根据需要选择不同值的电容元件、电阻元件，以适应不同电子设备的电源需求。本发明的一种优选实施例中，电容单元221包括多个串联的电容元件，任意相邻的两个电容元件之间还设置有第六开关；第一电阻单元222包括多个串联的第一电阻元件，任意两个相邻的第一电阻元件之间还设置有第七开关；第二电阻单元223包括多个串联的第二电阻元件，任意两个相邻的第二电阻元件之间还设置有第八开关。在该实施例中，斜坡产生模块22还包括开关控制单元(图中未示出)，开关控制单元与各第六开关、第七开关、第八开关均连接，用于控制第六开关、第七开关、第八开关的打开与关闭。采用这种方式，可以在开关变换器出厂前设定各第六开关、第七开关、第八开关的打开与关闭；也可以在出售后，用户根据自己的需要对第六开关、第七开关、第八开关的状态进行调整，从而提高开关变换器的通用性。
控制逻辑模块24根据第一控制信号COMP输出控制第一开关管SW1的第三控制信号PON和控制第二开关管SW2的第四控制信号NON，需要说明的是，第一控制信号COMP、第三控制信号PON和第四控制信号NON均为PWM信号。
参考图14，为上述实施例中升压型迟滞式开关变换器工作的时序示意图，当第三控制信号PON为高电平，第四控制信号NON为低电平时，第一开关管SW1导通，第二开关管SW2断开，斜坡电压Vramp逐渐增大，在该过程中，电感件处于放电状态，流经其上的电流逐渐减小，输出电压VOUT也逐渐增大。当斜坡电压Vramp增大到第一参考电压VREF+时，比较模块23输出的第一控制信号COMP翻转，由高电平转为低电平，第三控制信号PON也转为低电平，第四控制信号NON转为高电平，从而控制第一开关管SW1断开，第二开关管SW2导通，此时斜坡电压Vramp逐渐减小，此时，电感件L0处于充电状态，流经其上的电流逐渐增增大，输出电压VOUT逐渐减小。当斜坡电压Vramp减小到第二参考电压VREF-时，第一控制信号COMP翻转，由低电平转为高电平，第三控制信号PON也转为高电平，第四控制信号NON转为低电平，从而重复上述工作时序。
继续参考图6、图7，当第一开关管SW1打开，第二开关管SW2关闭时，开关节点电压VSW等于输出节点处的输出电压VOUT，上述步骤S30中，可以根据公式(1)计算斜坡电压Vramp。当第二开关管SW2打开，第一开关管SW1关闭时，开关节点电压VSW等于零，步骤S40中，根据公式(2)计算斜坡电压Vramp。
Figure GDA0003346269360000151
Figure GDA0003346269360000152
其中，VIN为输入电压，OUT为输出电压，R1为第一电阻单元的阻值，R2为第二电阻单元的阻值，C1为电容单元的电容值，s为时间的函数。
上述实施例中，升压型迟滞式开关变换器均工作在CCM连续模式下，第一开关管SW1的占空比设为Pduty，第二开关管SW2的占空比设为Nduty，则二者可以分别按照公式(3)、(4)计算，
Figure GDA0003346269360000153
Figure GDA0003346269360000154
设置在第一开关管SW1导通、第二开关管SW2断开时斜坡电压Vramp的斜率和其对应的占空比Pduty的乘积，等于第一开关管SW1断开、第二开关管SW2导通时斜坡电压Vramp的斜率和其对应的占空比Nduty的乘积，具体地，根据公式(1)、(2)得到第一开关管SW1导通、第二开关管SW2断开时斜坡电压Vramp的斜率k1、第一开关管SW1断开、第二开关管SW2导通时斜坡电压Vramp的斜率k2按照公式(5)、(6)计算。其中，由于输出电压VOUT和输入电压VIN随时间的变化很小，因此在求斜率k1和斜率k2时可以作为常数，以简化运算。
k1＝a×(VOUT-VIN)；(5)
k2＝-a×VIN；(6)
其中，a为等效参量。
根据公式(3)～公式(6)可以发现，Nduty×k2＝Pduty×k1，符合上述设置目标，因此，根据上述公式(1)、(2)计算斜坡电压符合本发明的设计目标。
需要说明的是，上述控制方法的各实施例中，步骤S10、S20和S30的执行步骤并不做具体限定，具体顺序根据控制的时序进行。
另外，上述各实施例仅给出了升压型迟滞式开关变换器工作在连续PWM模式下的工作时序和控制方法，实际上，电子设备工作时，还会有跳频断续PFM模式，在该模式下第一开关管SW1、第二开关管SW2均断开。以蓝牙耳机为例，充电仓内的电源本体与输入节点连接，耳机头与输出节点连接，电源本体为耳机头充电，在连续PWM模式(即CCM模式)下，第一开关管SW1、第二开关管SW2如上述各实施例所示交替导通，当第一开关管SW1导通，第二开关管SW2断开时，电感件L0处于放电状态，流经其上的电流逐渐减小，输出稳压电容CO处于充电状态，此时输出电压VOUT也逐渐增大(但是增大的范围很小，基本为几毫伏)；当第一开关管SW1断开，第二开关管SW2导通时，电感件L0处于充电状态，流经其上的电流逐渐增增大，输出稳压电容CO处于放电状态，输出电压VOUT逐渐减小(但是减小的范围很小，基本为几毫伏)。在整个连续PWM模式下，输出电压VOUT基本处于恒定电压。当连续PWM模式工作一段时间后，开关变换器转为跳频断续PFM模式，此时，第一开关管SW1、第二开关管SW2均断开，输出电容CO处于放电状态。值得说明的是，在跳频断续模式PFM，开关变换器还会有其他的环路辅助工作，这些辅助的环路可以为本领域技术人员熟知的架构，这里就不再赘述了。当然，开关变换器可以在连续PWM模式和跳频断续PFM模式实现周期性的转换。
此外，本发明还提供了一种电源芯片，包括如上任一实施例所述的升压型迟滞式开关变换器。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (12)

1.一种升压型迟滞式开关变换器，包括开关电路和控制电路，所述开关电路包括第一开关管、第二开关管和电感件，所述第一开关管的一个连接端与所述第二开关管的一个连接端连接，另一连接端与输出节点连接，所述第二开关管的另一个连接端接地，所述第一开关管的控制端和所述第二开关管的控制端分别与所述控制电路连接；所述电感件的一端与开关节点连接，另一端与输入节点连接；所述开关电路用于接收输入电压，并通过所述第一开关管、第二开关管的导通与断开将输入节点的输入电压转换为输出节点的输出电压，以提供给负载；其中，所述开关节点为所述第一开关管与所述第二开关管的连接点；所述控制电路用于控制所述第一开关管、第二开关管的导通与断开；其特征在于，所述控制电路包括：
参考电压发生模块，用于提供第一参考电压和第二参考电压，所述第一参考电压的幅值大于所述第二参考电压的幅值；
斜坡产生模块，用于提供斜坡电压，包括电容单元、第一电阻单元和第二电阻单元，所述第一电阻单元和电容单元并联设置，且并联后的第一端与所述输入节点连接，第二端用于输出所述斜坡电压；所述第二电阻单元串联于所述第二端与所述开关节点之间；
比较模块，具有输入所述第一参考电压的第一正极输入端、输入所述第二参考电压的第二正极输入端、输入所述斜坡电压的负极输入端和用于输出第一控制信号的输出端，所述比较模块用于根据所述第一参考电压和第二参考电压以及斜坡电压生成第一控制信号，其中，若所述斜坡电压达到所述第一参考电压或者第二参考电压，则第一控制信号翻转，以控制所述第一开关管和第二开关管改变状态；否则所述第一控制信号的状态保持，以维持所述第一开关管和第二开关管的状态；
控制逻辑模块，与所述比较模块的输出端连接，用于根据所述第一控制信号控制所述开关电路的第一开关管、第二开关管的打开与关闭；
当所述第一开关管打开，第二开关管关闭时，所述电感件处于放电状态，电流逐渐减小，斜坡电压Vramp为：
Figure FDA0003497678300000021
当所述第二开关管打开，第一开关管关闭时，所述电感件处于充电状态，电流逐渐增增大，斜坡电压Vramp为：
Figure FDA0003497678300000022
其中，VIN为输入电压，OUT为输出电压，R1为第一电阻单元的阻值，R2为第二电阻单元的阻值，C1为电容单元的电容值，s为时间的函数。
2.根据权利要求1所述的升压型迟滞式开关变换器，其特征在于，所述比较模块包括比较单元、第一开关、第二开关和非门，所述第一开关的第一接入端作为所述比较模块的第一正极输入端，所述第二开关的第一接入端作为所述比较模块的第二正极输入端，所述第一开关和第二开关的第二接入端均与所述比较单元的正极比较端连接；所述比较单元的负极比较端作为所述比较模块的负极输入端，比较输出端作为所述比较模块的输出端；
所述第一开关的控制端与所述比较输出端连接；所述第二开关的控制端通过所述非门与所述比较输出端连接。
3.根据权利要求2所述的升压型迟滞式开关变换器，其特征在于，所述比较单元包括：
全差分放大器，包括所述正极比较端、负极比较端，以用于输出所述斜坡电压与所述第一参考电压或者第二参考电压的比较结果；
偏置网络，用于为所述全差分放大器提供恒定电流；
输出逻辑网络，包括所述比较输出端，所述输出逻辑网络与所述全差分放大器连接，用于根据所述比较结果生成所述第一控制信号并输出。
4.根据权利要求1-3任一项所述的升压型迟滞式开关变换器，其特征在于，所述参考电压发生模块包括：
基准产生电路单元，用于根据基准电压生成第一参考电压和第二参考电压；及
数字控制逻辑单元，与所述基准产生电路单元连接，用于提供第二控制信号，以控制所述基准产生电路单元输出的第一参考电压和第二参考电压的幅值。
5.根据权利要求4所述的升压型迟滞式开关变换器，其特征在于，所述基准产生电路单元包括：
运放器，所述运放器的正极输入端用于输入基准电压；
多个串联的降压电阻，多个所述降压电阻串联后的一端与所述运放器的输出端连接，另一端接地；且各所述降压电阻的高压端通过第三开关连接所述比较模块的第一正极输入端，低压端通过第四开关连接所述比较模块的第二正极输入端；其中两个降压电阻之间的连接点还与所述运放器的负极输入端连接；
所述数字控制逻辑单元与各所述第三开关、所述第四开关均连接，用于控制各所述第三开关、各所述第四开关的打开和关闭。
6.根据权利要求5所述的升压型迟滞式开关变换器，其特征在于，
所述基准产生电路单元还包括第五开关，任意两个所述降压电阻之间通过所述第五开关与所述运放器的负极输入端连接；
所述数字控制逻辑单元还与各所述第五开关连接，还用于控制各所述第五开关的导通与关闭。
7.根据权利要求1-3任一项所述的升压型迟滞式开关变换器，其特征在于，所述电容单元包括多个串联的电容元件，任意相邻的两个电容元件之间还设置有第六开关；
所述第一电阻单元包括多个串联的第一电阻元件，任意两个相邻的第一电阻元件之间还设置有第七开关；
所述第二电阻单元包括多个串联的第二电阻元件，任意两个相邻的第二电阻元件之间还设置有第八开关；
所述斜坡产生模块还包括开关控制单元，所述开关控制单元与各所述第六开关、第七开关、第八开关均连接，用于控制所述第六开关、第七开关、第八开关的打开与关闭。
8.一种权利要求1-7任一项所述升压型迟滞式开关变换器的控制方法，其特征在于，包括步骤：
S10：采集输入节点的输入电压和开关节点处的开关节点电压；
S20：判断开关电路中第一开关管、第二开关管的状态，若所述第一开关管打开，第二开关管关闭，则执行S30；若所述第二开关管打开，第一开关管关闭，则执行S40；
S30：根据所述输入电压和所述开关节点电压计算斜坡电压Vramp；然后判断所述斜坡电压是否达到第一参考电压，若是，则控制所述第一开关管关闭，第二开关管打开，所述电感件处于放电状态，电流逐渐减小，返回S10；若否，则直接返回S10；
S40：根据所述输入电压计算斜坡电压Vramp，然后判断所述斜坡电压是否达到第二参考电压，若是，则控制所述第二开关管关闭，第一开关管打开，所述电感件处于充电状态，电流逐渐增增大，返回S10；若否，则直接返回S10；设置所述第一开关管导通、所述第二开关管断开时斜坡电压的斜率和其对应的占空比的乘积，等于所述第一开关管断开、第二开关管导通时斜坡电压的斜率和其对应的占空比的乘积；
所述步骤S30中，所述开关节点电压等于所述输出节点电压，根据公式(1)计算斜坡电压：
Figure FDA0003497678300000041
所述步骤S40中，根据公式(2)计算斜坡电压：
Figure FDA0003497678300000042
9.一种电源芯片，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的升压型迟滞式开关变换器。
10.一种电子设备，其特征在于，包括设备本体、电源本体和权利要求1-7任一项所述的升压型迟滞式开关变换器，所述电源本体与所述输入节点连接，所述输出节点与所述设备本体连接，以用于为所述设备本体提供稳定的电压。
11.根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为可穿戴的电子设备或电子锁。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其特征在于，所述可穿戴的电子设备为蓝牙耳机，所述蓝牙耳机包括充电仓和耳机头，所述耳机头为所述设备本体；所述电源本体与所述升压型迟滞式开关变换器均设置于所述充电仓内，所述耳机头可容纳于所述充电仓，以为所述耳机头充电。
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