CN112688538A - 准恒定导通时间控制电路及其开关变换器和方法 - Google Patents

准恒定导通时间控制电路及其开关变换器和方法 Download PDF

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Abstract

公开了准恒定导通时间控制的开关变换器及其控制电路和控制方法。该开关变换器包括可控开关和准恒定导通时间控制电路。准恒定导通时间控制电路通过控制可控开关的导通与关断将输入电压转换为输出电压。当开关变换器进入轻载状态后，准恒定导通时间控制电路控制可控开关的导通时间小于其在正常状态下的导通时长。该准恒定导通时间控制电路和方法有利于减小开关变换器在稳态期间的电压纹波。

Description

准恒定导通时间控制电路及其开关变换器和方法
技术领域
本发明的实施例涉及电子电路，尤其涉及准恒定导通时间控制的开关变换器及其控制电路和控制方法。
背景技术
恒定导通时间控制(Constant On Time，COT)因其控制环路简单、动态响应速度快而广泛的运用在开关变换器中。传统的COT控制方法是一种变频控制方法，通过设置固定的开关导通时间、改变系统的开关频率进而调节开关的导通占空比，进而调节开关变换器的输出电压。在另一些COT控制方法中，在负载突变后的动态响应过程中，也可以调节开关的导通时间以适应系统的变化，但是在系统进入稳态后，负载变化前后的开关导通时间依然是不变的。在目前一些COT应用场合，为了改善负载突变时的瞬态响应性能，以及减小产品尺寸，通常在应用中采用小尺寸电感防止电压过冲等等。然而，由于前述的COT控制放电路中，开关的导通时间是不变的，小电感将导致系统进入轻载的稳态后，输出电压的纹波太高。
因此，我们期望提出一种瞬态响应性能良好且轻载电压纹波较低的准COT控制电路及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种准恒定导通时间控制开关变换器及其控制电路和控制方法。
本发明一方面提供了一种用于开关变换器的准恒定导通时间控制电路，该开关变换器包括可控开关，通过控制可控开关的导通和关断将输入电压转换为输出电压，其中，所述准恒定导通时间控制电路包括：轻载调节电流产生电路，接收轻载状态指示信号，当轻载指示信号指示开关变换器工作在轻载状态时，所述轻载调节电流产生电路产生轻载调节电流信号；导通时长控制电路，接收轻载调节电流信号，并基于轻载调节电流信号产生导通时长控制信号，其中，所述导通时长控制信号用于控制所述可控开关在轻载状态下的导通时长小于其在正常状态下的导通时长；比较电路，接收代表输出电压的反馈电压信号，并将反馈电压信号和参考电压信号比较，产生比较信号；以及逻辑电路，接收比较信号和导通时长控制信号，并将比较信号和导通时长控制信号做逻辑运算，输出可控开关控制信号，所述可控开关控制信号用于控制可控开关的导通和关断切换。
本发明另一方面提供了一种准恒定导通时间控制的开关变换器，包括：开关电路，所述开关电路包括可控开关，通过控制可控开关的导通和关断将输入电压转换为输出电压；反馈电路，耦接至开关电路，提供代表开关电路输出电压的反馈信号；以及如上所述的控制电路。
本发明又一方面提供了一种用于开关变换器的准恒定导通时间控制方法，该开关变换器包括可控开关，通过控制可控开关的导通和关断将输入电压转换为输出电压，其中，所述控制方法包括：判断开关变换器是否工作在轻载状态；当开关变换器工作在轻载状态时，产生轻载调节电流信号；以及当开关变换器工作在轻载状态时，根据轻载调节电流信号产生导通时长控制信号，其中，所述导通时长控制信号用于控制可控开关的在轻载状态时的导通时长小于开关变换器在正常状态时的导通时长。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干可行实施方式，其中：
图1为根据本发明一实施例的准恒定导通时间控制的开关变换器100的原理框图；
图2所示为根据本发明一个实施例的信号波形200的示意图；
图3所示为根据本发明另一个实施例的信号波形300的示意图；
图4所示为根据本发明一个实施例的图1中所示的导通时长控制电路13的原理图；
图5所示为根据本发明图1所示轻载调节电流产生电路12的一个实施例500的电路原理图；
图6所示为根据本发明图1所示轻载调节电流产生电路12的一个实施例600的电路原理图；
图7所示为根据本发明一个实施例导通时长控制电路13的电路结构示意图；
图8所示为根据本发明一实施例的准恒定导通时间控制的开关变换器的控制方法800的流程图。
在附图中，相同或对应的标号被用以表示相同或对应的元件。
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。
图1为根据本发明一实施例的准恒定导通时间控制的开关变换器100的原理框图。如图1所示，开关变换器100包括开关电路10和控制电路。开关电路10包括至少一个可控开关，通过控制电路控制该可控开关的导通和关断，开关电路10和输出滤波电容COUT将一输入电压信号VIN转换为一输出电压信号VOUT。在图1所示实施例中，开关电路10被示意为降压BUCK拓扑结构。如图1所示，降压BUCK拓扑结构包括高侧开关HS、低侧开关LS和电感器LOUT，其中，高侧开关HS和低侧开关LS均被示意为可控开关。在其他实施例中，低侧开关LS也可用单向二极管代替。本领域的一般技术人员可以理解，开关电路10还可以包括其他适合的直流/直流或交流/直流变换拓扑结构，例如同步或非同步的升压、降压变换器，以及正激、反激变换器等等。开关电路10中的可控开关可以为任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。
控制电路包括比较电路11、轻载调节电流产生电路12、导通时长控制电路13、逻辑电路14和模式判断电路15。在一个实施例中，比较电路11、轻载调节电流产生电路12、导通时长控制电路13、逻辑电路14和模式判断电路15可以被集成在同一集成电路(例如控制IC)中，该集成电路可为数字集成电路、模拟集成电路或数模结合的集成电路。
在一个实施例中，比较电路11接收一个代表输出电压VOUT的反馈电压信号VFB，并将反馈信号VFB和一个参考电压信号VREF比较，产生一个比较信号TOFF。比较信号TOFF包括一个高低逻辑电平信号。在一个实施例中，当比较信号TOFF从逻辑低变为逻辑高时，开关变换器100中的第一可控开关(如BUCK变换器中的高侧开关HS)导通，第二可控开关(如BUCK变换器中的低侧开关)关断。在一个实施例中，比较电路11包括一个电压比较器101，具有同相输入端和反相输入端，其同相输入端接收反馈电压信号VFB，反相输入端接收参考电压信号VREF。当反馈电压信号VFB降低到参考电压信号VREF时，电压比较器101输出的比较信号TOFF变高，第一可控开关导通，第二可控开关关断。
轻载调节电流产生电路12用于在开关变换器100工作在轻载状态时产生一个轻载调节电流信号Ishr。在一个实施例中，轻载调节电流产生电路12接收轻载指示信号SLP，并通过轻载指示信号SLP判断开关变换器100工作在轻载状态还是正常状态。在一个实施例中，“正常状态”是指开关变换器100未进入轻载状态或跳出轻载状态的正常带载的工作状态。在一个实施例中，当轻载指示信号SLP指示开关变换器100工作在正常状态时，轻载调节电流产生电路12不使能；在另一个实施例中，当轻载指示信号SLP指示开关变换器100工作在正常状态时，轻载调节电流信号Ishr为零。在一个实施例中，当轻载指示信号SLP指示开关变换器100工作在轻载状态时，轻载调节电流产生电路12产生一个恒定的轻载调节电流信号Ishr；在另一个实施例中，当轻载指示信号SLP指示开关变换器100工作在轻载状态时，轻载调节电流产生电路12根据负载的变化产生不同的轻载调节电流信号Ishr。在一个实施例中，负载越轻，轻载调节电流信号Ishr越大。
在图1所示实施例中，模式判断电路15用于判断开关变换器100是否工作在轻载状态，并输出用于指示开关变换器100是否工作在轻载状态的状态指示信号SLP。在一个实施例中，状态指示信号SLP为一个高低逻辑信号，状态指示信号SLP的逻辑有效状态(例如逻辑高)表示开关变换器100工作在轻载状态；状态指示信号SLP的逻辑无效(例如逻辑低)状态表示开关变换器100工作在正常状态。在实际应用中，可通过多种方法判断开关变换器100是否工作在轻载状态，因此，模式判断电路15的实施例很多。
在一个实施例中，模式判断电路15可基于高侧开关HS的关断时间来判断开关变换器100是否进入轻载状态。例如，当高侧开关HS被关断，模式判断电路15开始计时，当计时时间达到第一预设时间阈值tTH1，状态指示信号SLP逻辑有效。
在另一个实施例中，模式判断电路15也可基于低侧开关LS的关断时间来判断开关变换器100是否进入轻载状态。例如，当低侧开关LS被关断，模式判断电路15开始计时，当计时时间达到第二预设时间阈值tTH2，状态指示信号SLP逻辑有效。
在又一个实施例中，模式判断电路15也可基于高侧开关HS和低侧开关LS同时关断的时间来判断开关变换器100是否进入轻载状态。例如，当高侧开关HS和低侧开关LS同时被关断时，模式判断电路15开始计时，当计时时间达到第三预设时间阈值tTH3，状态指示信号SLP逻辑有效。
导通时长控制电路13接收输入电压信号VIN、输出电压信号VOUT和轻载调节电流信号Ishr，并根据输入电压信号VIN、输出电压信号VOUT和轻载调节电流信号Ishr产生导通时长控制信号TON。导通时长控制信号TON用于控制开关电路10中可控开关的导通时长。在一个实施例中，导通时长控制信号TON用于控制可控开关在轻载状态下的导通时长小于其在正常状态下的导通时长。在一个实施例中，导通时长控制信号TON用于控制高侧开关HS的导通时长。在其他实施例中，导通时长控制电路13也可不接收输入电压信号VIN和输出电压信号VOUT，仅接收轻载调节电流信号Ishr，并根据轻载调节电流信号Ishr和导通时长控制电路13内部的固定电压信号产生导通时长控制信号TON。在这种情况下，产生的导通时长控制信号TON不随输入电压信号VIN和输出电压信号VOUT变化而变化。
在一个实施例中，当开关变换器100工作在正常状态时，导通时长控制信号TON用于控制可控开关的导通时长在稳态时不随负载的改变而改变。需要说明的是：这里所说的“可控开关的导通时长在稳态时不随负载的改变而改变”是指在正常状态下，当负载改变后，开关变换器100从一个稳态进入另一个稳态时，可控开关的导通时长在两个稳态期间的值是相等的，而从一个稳态进入另一个稳态的中间的瞬态阶段，可控开关的导通时长可以变化也可以不变。例如，在一个实施例中，当开关变换器100工作在瞬态阶段时，可控开关的导通时长不随负载的变化而变化，而是通过调整开关频率来适应负载的变化；在另一个实施例中，当开关变换器100工作在瞬态阶段时，可控开关的导通时长也可以随负载的变化而变化。
本领域的一般技术人员可以理解，开关变换器100的“稳态”是指：在多个开关周期中，负载不再变化，电流波形和电压波形分别在每个开关周期都是重复的状态。例如，假设周期为T，第n个周期的电流i(nT)和第n+1个周期的电流i((n+1)T)相等；第n个周期的电压v(nT)和第n+1个周期的电压v((n+1)T)相等，此时，电压波形和电流波形变成了周期性波形。反之，当负载出现变化，或系统出现扰动，从变化或扰动出现的瞬间到下一次稳态之间的过程称之为“瞬态”。
在一个实施例中，当状态指示信号SLP指示开关变换器100工作在轻载状态时，导通时长控制信号TON控制可控开关在稳态时的导通时长小于其在正常状态下稳态时的导通时长。在一个实施例中，在轻载状态下，导通时长控制信号TON控制可控开关在每个稳态的导通时长不随每个稳态对应的负载的变化而变化。同样地，这里所说的“可控开关在每个稳态时的导通时长不随每个稳态对应的负载的变化而变化”是指在轻载状态下，当负载改变后，开关变换器100从一个稳态进入另一个稳态时，可控开关的导通时长在两个稳态期间的值是相等的。在另一个实施例中，在轻载状态下，导通时长控制信号TON控制可控开关在每个稳态的导通时长随每个稳态对应的负载的变化而变化。例如，在轻载状态下，负载越轻，可控开关的导通时长越短。
逻辑电路14接收比较信号TOFF和导通时长控制信号TON，并对比较信号TOFF和导通时长控制信号TON做逻辑运算，产生控制信号PWM控制开关变换器100中可控开关的导通和关断。在图1所示实施例中，逻辑电路14示意为一个RS触发器104，RS触发器104的置位端S接收比较信号TOFF，RS触发器104的复位端R接收导通时长控制信号TON，RS触发器104在输出端Q输出控制信号PWM。
在一个实施例中，开关变换器还包括驱动电路(未示出)，其输入端耦接至逻辑电路14的输出端，其输出端耦接至可控开关的控制端以控制可控开关的导通与关断。
在一些实施例中，为了消除次谐波振荡，开关变换器100还包括产生斜坡补偿信号的斜坡补偿电路(未示出)。该斜坡补偿信号可以被叠加至反馈信号VFB，亦或从参考信号VREF中被减去。
图2所示为根据本发明一个实施例的信号波形200的示意图。在图2所示实施例中，信号波形图200示意出了开关变换器100中相关参数的波形，波形从上至下分别为电感电流信号ILC的波形、导通时长控制信号TONC的波形、电感电流信号ILD的波形、导通时长控制信号TOND的波形、电感电流信号ILD的波形、导通时长控制信号TONS1的波形、电感电流信号ILS2的波形和导通时长控制信号TONS2的波形。其中，电感电流信号ILC的波形和导通时长控制信号TONC的波形为开关变换器工作在正常状态的连续模式下稳态时的波形示意图；导通时长控制信号TOND的波形和电感电流信号ILS1的波形为开关变换器工作在正常状态的断续模式下稳态时的波形示意图；电感电流信号ILS1的波形、导通时长控制信号TONS1的波形、电感电流信号ILS2的波形和导通时长控制信号TONS2的波形为开关变换器工作在轻载状态下稳态时的波形示意图。接下来，将结合图2所示波形，对开关变换器100的工作原理进一步进行描述。
开关变换器100工作在正常状态时，当反馈电压信号VFB小于参考电压信号VREF时，比较信号TOFF变为逻辑高，控制信号PWM控制开关电路10中的高侧开关HS导通，控制低侧开关LS关断。此时，电感电流信号(连续模式下的电感电流信号ILC或断续模式下的电感电流信号ILD)线性上升。导通时长控制信号(连续模式下的导通时长控制信号TONC或断续模式下的导通时长控制信号TOND)控制高侧开关HS导通固定时长后关断，同时低侧开关LS导通，电感电流信号(连续模式下的电感电流信号ILC或断续模式下的电感电流信号ILD)线性下降。在连续模式下，电感电流信号ILC降低到最低值后，高侧开关HS再次导通，电感电流信号ILC线性上升，开始新一周期。在断续模式下，电感电流信号ILC降低到零后，高侧开关HS继续保持关断，直到一个周期结束。从图2所示的导通时长控制信号TONC和导通时长控制信号TOND的波形可以看出，在正常工作状态下，不论连续模式还是断续模式，当开关变换器100进入稳态以后，导通时长控制信号TONC和导通时长控制信号TOND的脉冲宽度是不变的(也即高侧开关HS的导通时长不变)。开关变换器100通过改变开关频率来适应负载的变化，例如，当负载减轻，开关变换器100从连续模式转换为断续模式，开关周期也由TC增加到了TD。
根据本发明的一个实施例，当负载持续减轻，开关变换器100将进入轻载状态。在一个实施例中，当高侧开关HS和低侧开关LS均关断的时间tHZ超过一个时间阈值，例如第三预设时间阈值tTH3，则代表开关变换器100进入轻载状态。当开关变换器100工作在轻载状态时，导通时长控制电路13将根据轻载调节电流信号Ishr的大小来减小导通时长控制信号(TONS1或TONS2)的有效时长。在图2所示实施例中，减小导通时长控制信号(TONS1或TONS2)的有效时长即减小导通时长控制信号(TONS1或TONS2)的脉冲宽度，从而减小可控开关(例如图1中的高侧开关HS)的导通时长。在轻载状态下，减小可控开关的导通时长有利于减小开关变换器100在轻载状态时的输出电压纹波。
如图2所示实施例，当开关变换器100进入轻载状态，导通时长控制信号TONS1的脉冲宽度W1和导通时长控制信号TONS2的脉冲宽度W2均小于正常状态下的导通时长控制信号TONC和TOND的脉冲宽度，也即是说，可控开关在轻载状态下的导通时长小于其在正常状态下的导通时长。此外，在轻载状态时，导通时长控制信号TONS1的脉冲宽度W1和导通时长控制信号TONS2的脉冲宽度W2相等，也即是说：在轻载状态下，可控开关(例如，高侧开关HS)在稳态时的导通时长不随负载的改变而改变。
图3所示为根据本发明另一个实施例的信号波形300的示意图。在图3所示实施例中，信号波形图300示意出了开关变换器100中相关参数的波形，波形从上至下分别为电感电流信号ILC的波形、导通时长控制信号TONC的波形、电感电流信号ILD的波形、导通时长控制信号TOND的波形、电感电流信号ILS3的波形、导通时长控制信号TONS3的波形、电感电流信号ILS4的波形和导通时长控制信号TONS4的波形。其中，电感电流信号ILC的波形和导通时长控制信号TONC的波形为开关变换器工作在正常状态的连续模式下稳态时的波形示意图；导通时长控制信号TOND的波形和电感电流信号ILD的波形为开关变换器工作在正常状态的断续模式下稳态时的波形示意图；电感电流信号ILS3的波形、导通时长控制信号TONS3的波形、电感电流信号ILS4的波形和导通时长控制信号TONS4的波形为开关变换器工作在轻载状态下稳态时的波形示意图。
和图2所示波形200的示意图相比，图3所示波形300主要示出了不同的导通时长控制信号TONS3和导通时长控制信号TONS4的波形。从图3所示实施例可以看出，当开关变换器100进入轻载状态，导通时长控制信号TONS3的脉冲宽度W3和导通时长控制信号TONS4的脉冲宽度W4均小于正常状态下的导通时长控制信号TONC和TOND的脉冲宽度。此外，从导通时长控制信号TONS3和导通时长控制信号TONS4的波形可以看出：电感电流信号ILS4的平均值小于电感电流信号ILS3的平均值(代表电感电流信号ILS4的负载更轻)，此时导通时长控制信号TONS4的脉冲宽度W4相比于导通时长控制信号TONS3的脉冲宽度W3更窄。也即是说，在轻载状态时，导通时长控制信号的脉冲宽度随负载的变化而变化，负载越轻，导通时长控制信号的脉冲宽度越窄，可控开关导通的时间越短。
图4所示为根据本发明一个实施例的图1中所示的导通时长控制电路13的原理图。如图4所示，导通时长控制电路13包括受控电流产生电路31，受控电压产生电路32、复位开关33、电压比较器34、充放电电容35和节点36。受控电流产生电路31和充放电电容35串联连接在第一电压信号V1和参考地之间，且受控电流产生电路31和充放电电容35的公共节点被示意为节点36。受控电流产生电路31用于产生受控电流信号ICH。轻载调节电流产生电路12的输出端耦接节点36，提供轻载调节电流信号Ishr。复位开关33具有第一端、第二端和控制端，其第一端电连接节点36，其第二端电连接参考地，其控制端接收控制信号PWM。在一个实施例中，控制信号PWM包括高侧开关控制信号，当高侧开关控制信号控制高侧开关HS导通时，高侧开关控制信号控制复位开关33关断，受控电流信号ICH对充放电电容35充电。受控电压产生电路32接收第二电压信号V2，并产生受控电压信号VD。电压比较器34，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收受控电压信号VD，其第二输入端耦接至节点36接收充放电电容35两端的电压，电压比较器34比较受控电压信号VD和充放电电容35两端的电压，并产生导通时长控制信号TON。
在一个实施例中，第一电压信号V1和第二电压信号V2可以为一个固定值。此时，受控电流信号ICH包括一个恒定值，且受控电压信号VD包括一个恒定值。当开关变换器100工作在正常状态时，由于轻载调节电流信号Ishr为零，导通时长控制信号TON不论在瞬态还是稳态阶段的逻辑有效状态(例如逻辑高)的时长均不变，开关变换器100通过改变开关的频率以应对负载的变化。在一个实施例中，逻辑有效状态是指导通时长控制信号TON的脉冲宽度。当开关变换器100工作在轻载状态时，由于轻载调节电流信号Ishr的值不为零，导通时长控制信号TON的有效状态(例如逻辑高)的时长变小，可控开关的导通时间减小。
在另一个实施例中，第一电压信号V1和第二电压信号V2为一个可变值，例如，第一电压信号V1和第二电压信号V2均为与输入电压信号VIN和输出电压信号VOUT相关的可变信号。当开关变换器100工作在正常状态的瞬态时，由于输入电压信号VIN和/或输出电压信号VOUT会变化，受控电流信号ICH和/或受控电压信号VD会变化，因此导通时长控制信号TON的逻辑有效状态(例如逻辑高)的时长也会改变；当开关变换器100工作在正常状态的稳态时，由于输入电压信号VIN和输出电压信号VOUT在稳态时不变，受控电流信号ICH和受控电压信号VD也不变，所以导通时长控制信号TON的有效状态(例如逻辑高)的时长不变。当开关变换器100工作在轻载状态时，由于轻载调节电流信号Ishr的值不为零，导通时长控制信号TON的有效状态(例如逻辑高)的时长均变小，可控开关的导通时间减小。
在一个实施例中，当第一电压信号V1和第二电压信号V2为一个可变值时，其值与开关变换器100中开关电路10的拓扑结构选择相关。当开关电路10采用降压(BUCK)拓扑时，导通时长信号TON的占空比与输出电压信号VOUT成正比、且与输入电压信号VIN成反比。因此，在一个实施例中，第一电压信号V1包括输入电压信号VIN，受控电流信号ICH与输入电压信号VIN成正比；第二电压信号V2包括输出电压信号VOUT，受控电压信号VD与输出电压信号VOUT成正比。
当开关电路10采用升压(BOOST)拓扑时，导通时长信号TON的占空比与输出电压信号VOUT和输入电压信号VIN之差(VOUT-VIN)成正比、且与输出电压信号VOUT成反比。因此，在该实施例中，第一电压信号V1包括输出电压信号VOUT，受控电流信号ICH与输出电压信号VOUT成正比；第二电压信号V2包括输入电压信号VIN和输出电压信号VOUT，受控电压信号VD与输出电压信号VOUT和输入电压信号VIN之差(VOUT-VIN)成正比。
图5所示为根据本发明图1所示轻载调节电流产生电路12的一个实施例500的电路原理图。如图5所示，轻载调节电流产生电路500包括电流源51、电容器52、采样保持电路53和电流转换电路54。电流源51具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至供电电压VD，第二端输出充电电流信号ICH2，其控制端接收轻载指示信号SLP。电容器52具有第一端和第二端，其第一端耦接至电流源51的第二端，其第二端耦接至参考地。当开关变换器100进入轻载状态时，轻载指示信号SLP控制电流源51输出充电电流信号ICH2给电容器52充电。采样保持电路53具有输入端和输出端，其输入端耦接电流源51和电容器52的公共端。当电流源51给电容52充电一个预设固定时间段后，采样保持电路53将电容器52上的电压采样并保持，并在其输出端输出轻载调节电压信号Vshr。电流转换电路54具有输入端和输出端，其输入端接收轻载调节电压信号Vshr，电流转换电路54将轻载调节电压信号Vshr转换为轻载调节电流信号Ishr并在其输出端输出。
在图5所示实施例中，电压保持电路53包括延时脉冲发生器531、采样开关532和采样电容533。延时脉冲发生器531接收轻载指示信号SLP，同时将轻载指示信号SLP延时预设固定时间段后的上升沿时刻产生采样控制信号SLP_delay_pulse。在一个实施例中，采样控制信号SLP_delay_pulse为一个脉冲信号。本领域的一般技术人员可以理解，脉冲信号指在信号周期内短暂起伏的电压或电流信号，脉冲信号的脉冲宽度由脉冲信号发生器的参数决定。在一个实施例中，轻载指示信号SLP延时的预设固定时间段可以提前设置，例如5ns。采样开关532具有第一端、第二端和控制端，其第一端作为采样保持电路53的输入端，其第二端作为采样保持电路53的输出端输出轻载调节电压信号Vshr，其控制端接收采样控制信号SLP_delay_pulse。采样电容533耦接在采样开关532的第二端和参考地之间。当轻载指示信号SLP延时预设固定时间段后，在其上升沿时刻，采样控制信号SLP_delay_pulse控制采样开关532导通，采样电容533被充电，采样电容533上的电压信号即为轻载调节电压信号Vshr。
在图5所示实施例中，电流转换电路54包括运算放大器541、电阻542、晶体管543、运算放大器541和拉电流镜544。运算放大器541具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收轻载调节电压信号Vshr，其第二输入端经由电阻542耦接至参考地；晶体管543具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接运算放大器541的第二输入端，其控制端耦接运算放大器541的输出端；上拉电流镜544具有电流入端和电流出端，其电流入端耦接至晶体管543的第二端，其电流镜输出端提供轻载调节电流信号Ishr。
在图5所示实施例中，轻载调节电流产生电路500进一步还包括下降沿脉冲发生器55、采样复位开关56和轻载复位开关57。下降沿脉冲发生器55接收采样控制信号SLP_delay_pulse，并在采样控制信号SLP_delay_pulse的下降沿时刻产生采样复位控制信号RST。在一个实施例中，采样复位控制信号RST为一个脉冲信号。采样复位开关56具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接电容器52的第一端，其第二端耦接电容器52的第二端，其控制端接收采样复位控制信号RST。轻载复位开关57具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接采样保持电路53的输出端，其第二端耦接参考地，其控制端接收状态指示信号SLP。在一个实施例中，当状态指示信号SLP指示开关变换器100工作在轻载状态时，轻载复位开关57断开；当状态指示信号SLP指示开关变换器100工作在正常状态时，轻载复位开关57导通，轻载调节电压信号Vshr被钳位到参考地电位。在其他实施例中，轻载复位开关57也可以耦接在电流转换电路54的输出端和轻载调节电流产生电路12的输出端之间。当状态指示信号SLP指示开关变换器100工作在轻载状态时，轻载复位开关57将电流转换电路54的输出端和轻载调节电流产生电路12的输出端连接；当状态指示信号SLP指示开关变换器100工作在正常状态时，轻载复位开关57将电流转换电路54的输出端和轻载调节电流产生电路12的输出端断开。当开关变换器100工作在轻载状态时，采样复位开关56断开，轻载指示信号SLP控制电流源51输出充电电流信号ICH2给电容器52充电，当电容52被充电一个预设固定时间段后，采样开关532导通，采样电容533被充电。当采样开关532关断后，采样复位开关56导通，电容器52被放电复位。当电容器52被放电复位结束后，采样复位开关56再次被关断，充电电流信号ICH2重新给电容器52充电，开始下一个周期，依次重复。在图5所示实施例中，在轻载状态下，即使负载不同，电容52被充电的时间相同，因此采样并保持的轻载调节电压信号Vshr的值不变，所以轻载调节电流信号Ishr的值不变。
图6所示为根据本发明图1所示轻载调节电流产生电路12的一个实施例600的电路原理图。在图6所示实施例中，轻载调节电流产生电路12包括电流源51、电容器52、采样保持电路63和电流转换电路54。电流源51、电容器52、采样保持电路63和电流转换电路54的连接关系和图5所述实施例中电流源51、电容器52、采样保持电路53和电流转换电路54的连接关系相同。不同之处在于采样保持电路63为一个新的实施例。
在图6所示实施例中，电压保持电路63包括上升沿脉冲发生器631、采样开关632和采样电容633。上升沿脉冲发生器631接收可控开关控制信号PWM，并在可控开关控制信号PWM的上升沿时刻产生采样控制信号PWM_pulse。在一个实施例中，可控开关控制信号PWM包括高侧开关HS的控制信号；在另一个实施例中，可控开关控制信号PWM包括低侧开关LS的控制信号。在一个实施例中，采样控制信号PWM_pulse为一个脉冲信号。采样开关632具有第一端、第二端和控制端，其第一端作为采样保持电路63的输入端，其第二端作为采样保持电路63的输出端输出轻载调节电压信号Vshr，其控制端接收采样控制信号PWM_pulse。采样电容633具有第一端和第二端，其第一端耦接采样开关632的第二端，其第二端耦接参考地。在可控开关控制信号PWM的上升沿时刻，采样控制信号PWM_pulse控制采样开关632导通，采样电容633被充电，采样电容633上的电压信号即为轻载调节电压信号Vshr。当开关变换器100工作在轻载状态时，采样复位开关56断开，轻载指示信号SLP控制电流源51输出充电电流信号ICH2给电容器52充电，当可控开关控制信号PWM的上升沿来临时，采样开关632导通，采样电容633被充电。当采样开关632关断后，采样复位开关56导通，电容器52被放电复位。当电容器52被放电复位结束后，采样复位开关56再次被关断，充电电流信号ICH2重新给电容器52充电，开始下一个周期，依次重复。在图6所示实施例中，在轻载状态下，由于负载不同，可控开关控制信号PWM的上升沿来临时刻也不同，因此采样并保持的轻载调节电压信号Vshr的值也不同，所以轻载调节电流信号Ishr的值不变。。
同样地，在图6所示实施例中，轻载调节电流产生电路12进一步还包括下降沿脉冲发生器55、采样复位开关56和轻载复位开关57。与图5所示实施例不同之处在于：下降沿脉冲发生器55接收采样控制信号PWM_pulse，并在采样控制信号PWM_pulse的下降沿时刻产生采样复位控制信号RST。
图7所示为根据本发明一个实施例导通时长控制电路13的电路结构示意图。具体地，在图7所示实施例中，示意了当开关电路10采用BUCK拓扑时，受控电流产生电路31和受控电压产生电路32的具体电路结构。
如图7所示，受控电流产生电路31包括运算放大器311、电阻值为R1的电阻312、电阻值为R2的电阻313、电阻值为R3的电阻314、晶体管315和上拉电流镜316。运算放大器311，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端经由电阻值为R1的电阻312接收输入电压信号VIN、经由电阻值为R2的电阻313耦接至参考地；晶体管315，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接运算放大器311的第二输入端并经由电阻值为R3的电阻314耦接至参考地，其控制端耦接运算放大器311的输出端；上拉电流镜316，具有电流入端和电流出端，其电流入端耦接至晶体管315的第二端，其电流镜输出端提供受控电流信号ICH。通过计算，可知ICH＝VIN×R2/((R1+R2)×R3)。
在图7所示实施例中，受控电压产生电路32包括晶体管321和误差放大器322。晶体管321具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收输出电压信号VOUT，其第二端提供受控电压信号VD。误差放大器322具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收参考电压信号VREF，其第二输入端耦接至晶体管321的第二端接收受控电压信号VD，输出端耦接至晶体管321的控制端。误差放大器322用于放大参考电压信号VREF和受控电压信号VD的差值，并在输出端提供一个误差信号EO用于控制晶体管321工作在一个线性调节的区域。
图8所示为根据本发明一实施例的准恒定导通时间控制的开关变换器的控制方法800的流程示意图。图8所示的准恒定导通时间控制方法可用于前述图1～7所示的准恒定导通时间控制的开关变换器以及其他在本发明申请保护范围内的准恒定导通时间控制的开关变换器中，准恒定导通时间控制方法包括步骤801-804。
步骤801，判断开关变换器是否工作在轻载状态；当判断开关变换器工作在轻载状态，转至步骤802；否则转至步骤804。
步骤802，在开关变换器工作在轻载状态时，产生轻载调节电流信号。
步骤803，当开关变换器工作在轻载状态时，根据轻载调节电流信号产生导通时长控制信号，其中，所述导通时长控制信号用于控制可控开关的在轻载状态时的导通时长小于开关变换器工作在正常状态下的导通时长。在一个实施例中，当开关变换器工作在轻载状态时，可控开关在每个稳态的导通时长不变；在另一个实施例中，当开关变换器工作在轻载状态时，可控开关在每个稳态的导通时长随每个稳态对应的负载的变化而变化。
步骤804，在开关变换器工作在正常状态时，控制可控开关的导通时长在稳态时不随负载的变化而变化。在一个实施例中，开关变换器的控制电路根据输入电压信号VIN和输出电压信号VOUT产生导通时长控制信号；在另一个实施例中，开关变换器的控制电路根据固定电压信号产生导通时长控制信号。
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。
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 (15)

1.一种用于开关变换器的准恒定导通时间控制电路，该开关变换器包括可控开关，通过控制可控开关的导通和关断将输入电压转换为输出电压，其中，所述准恒定导通时间控制电路包括：
轻载调节电流产生电路，接收轻载状态指示信号，当轻载指示信号指示开关变换器工作在轻载状态时，所述轻载调节电流产生电路产生轻载调节电流信号；
导通时长控制电路，接收轻载调节电流信号，并基于轻载调节电流信号产生导通时长控制信号，其中，所述导通时长控制信号用于控制所述可控开关在轻载状态下的导通时长小于其在正常状态下的导通时长；
比较电路，接收代表输出电压的反馈电压信号，并将反馈电压信号和参考电压信号比较，产生比较信号；以及
逻辑电路，接收比较信号和导通时长控制信号，并将比较信号和导通时长控制信号做逻辑运算，输出可控开关控制信号，所述可控开关控制信号用于控制可控开关的导通和关断切换。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述轻载调节电流信号为一个固定值。
3.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述轻载调节电流信号根据负载的变化而变化。
4.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述轻载调节电流产生电路包括：
电流源，具有第一端、第二端和控制端，其中，电流源的第一端耦接至供电电压，电流源的控制端接收轻载指示信号；
第一电容器，具有第一端和第二端，其中，第一电容器的第一端耦接至电流源的第二端，第一电容器的第二端耦接至参考地；
采样保持电路，具有输入端和输出端，采样保持电路的输入端耦接电流源和第一电容器的公共端，采样保持电路将第一电容器上的电压采样并保持，并在采样保持电路的输出端输出轻载调节电压信号；以及
电流转换电路，接收轻载调节电压信号，并将轻载调节电压信号转换为轻载调节电流信号。
5.如权利要求4所述的控制电路，其中，当电流源给第一电容器充电一个预设固定时间段后，采样保持电路将第一电容器上的电压采样并保持，并在采样保持电路的输出端输出轻载调节电压信号。
6.如权利要求4所述的控制电路，其中，在可控开关的导通时刻，采样保持电路将第一电容器上的电压采样并保持，并在采样保持电路的输出端输出轻载调节电压信号。
7.如权利要求4所述的控制电路，其中，所述采样保持电路包括：
延时脉冲发生器，接收轻载指示信号，并在轻载指示信号延时一个预设固定时间段后的上升沿时刻产生第一采样控制信号；
采样开关，具有第一端、第二端和控制端，采样开关的第一端作为采样保持电路的输入端，采样开关的第二端作为采样保持电路的输出端，采样开关的控制端接收第一采样控制信号；以及
采样电容，耦接在采样开关的第二端和参考地之间。
8.如权利要求7所述的控制电路，其中，所述轻载调节电流产生电路进一步包括：
下降沿脉冲发生器，接收第一采样控制信号，并在第一采样控制信号的下降沿时刻产生采样复位控制信号；
采样复位开关，具有第一端、第二端和控制端，采样复位开关的第一端耦接第一电容器的第一端，采样复位开关的第二端耦接第一电容器的第二端，采样复位开关的控制端接收采样复位控制信号；以及
轻载复位开关，具有第一端、第二端和控制端，轻载复位开关的第一端耦接采样保持电路的第二端，轻载复位开关的第二端耦接参考地，轻载复位开关的控制端接收轻载状态指示信号。
9.如权利要求4所述的控制电路，其中，所述电压保持电路包括：
上升沿脉冲发生器，接收可控开关控制信号，并在可控开关控制信号的上升沿时刻产生第二采样控制信号；
采样开关，具有第一端、第二端和控制端，采样开关的第一端作为采样保持电路的输入端，采样开关的第二端作为采样保持电路的输出端，采样开关的控制端接收第二采样控制信号；以及
采样电容，耦接在采样开关的第二端和参考地之间。
10.如权利要求9所述的控制电路，其中，所述轻载调节电流产生电路进一步包括：
下降沿脉冲发生器，接收第二采样控制信号，并在第二采样控制信号的下降沿时刻产生采样复位控制信号；
采样复位开关，具有第一端、第二端和控制端，采样复位开关的第一端耦接第一电容器的第一端，采样复位开关的第二端耦接第一电容器的第二端，采样复位开关的控制端接收采样复位控制信号；以及
轻载复位开关，具有第一端、第二端和控制端，轻载复位开关的第一端耦接采样保持电路的第二端，轻载复位开关的第二端耦接参考地，轻载复位开关的控制端接收轻载状态指示信号。
11.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述导通时长控制电路包括：
受控电流产生电路，接收第一电压信号，并根据第一电压信号产生受控电流信号；
第二电容器，具有第一端和第二端，第二电容器的第一端耦接至受控电流产生电路和轻载调节电流产生电路分别接收受控电流信号和轻载调节电流信号，第二电容器的第二端电连接参考地；
第一复位开关，具有第一端、第二端和控制端，第一复位开关的第一端耦接第二电容器的第一端，第一复位开关的第二端电连接至参考地，第一复位开关的控制端接收可控开关控制信号；
受控电压产生电路，接收第二电压信号，并根据第二电压信号产生受控电压信号；以及
电压比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，电压比较器的第一输入端接收受控电压信号，电压比较器的第二输入端耦接至第二电容器的第一端，电压比较器比较受控电压信号和第二电容器两端的电压，并在电压比较器的输出端产生导通时长控制信号。
12.一种准恒定导通时间控制的开关变换器，包括：
开关电路，所述开关电路包括可控开关，通过控制可控开关的导通和关断将输入电压转换为输出电压；
反馈电路，耦接至开关电路，提供代表开关电路输出电压的反馈信号；以及
如权利要求1至11中任一项所述的控制电路。
13.一种用于开关变换器的准恒定导通时间控制方法，该开关变换器包括可控开关，通过控制可控开关的导通和关断将输入电压转换为输出电压，其中，所述控制方法包括：
判断开关变换器是否工作在轻载状态；
当开关变换器工作在轻载状态时，产生轻载调节电流信号；以及
当开关变换器工作在轻载状态时，根据轻载调节电流信号产生导通时长控制信号，其中，所述导通时长控制信号用于控制可控开关的在轻载状态时的导通时长小于开关变换器在正常状态时的导通时长。
14.如权利要求13所述的控制方法，其中，当开关变换器工作在轻载状态时，可控开关在每个稳态的导通时长不变。
15.如权利要求13所述的控制方法，其中，当开关变换器工作在轻载状态时，可控开关在每个稳态的导通时长随每个稳态对应的负载的变化而变化。
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