CN112688542A - 控制电路以及应用其的开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种控制电路以及应用其的开关变换器。本发明实施例通过在反馈电压中叠加变化范围在零和预设值之间的纹波信号以产生环路控制信号，并根据环路控制信号和基准信号控制功率级电路。本实施例中控制电路不需要对基准信号进行校正，从而可以省去校正电路，同时仅存在一个电压环，能够对负载的动态跳变作出快速响应，并且能够保证在不同应用下增大开关变换器的输出电压精度。

Description

控制电路以及应用其的开关变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体涉及开关变换器以及其控制电路。
背景技术
开关变换器通常采用电压模、电流模和迟滞控制三种方式对其功率级电路的状态进行控制，以产生稳定的输出电压。为了解决开关变换器输出的次斜坡振荡，基于纹波电压的恒定导通时间控制在迟滞控制中被广泛应用，该控制方式能够有效提高系统的稳定性。
图1是现有技术中基于纹波电压的恒定导通时间控制的电路图。如图1所示，通过在表征开关变换器的输出电压的反馈电压VFB中叠加纹波信号Vrip以产生第一输入电压Vb。图2是现有技术中纹波信号的波形图。如图2所示，假设纹波信号Vrip的峰峰值为Vp，则纹波信号Vrip在-1/2Vp和1/2Vp之间变化，并且平均值为零。由于所述纹波信号的存在，反馈电压VFB和参考电压VREF之间相差一个直流偏置电压。在现有的技术方案中，为了消除由于纹波信号的注入引起的直流偏置电压，在参考电压VREF中叠加校正信号Vcorr，以产生第二输入电压Vc。在本实施例中，校正信号Vcorr根据反馈电压VFB和参考电压VREF的误差产生，当开关变换器工作在稳态时，校正信号Vcorr的幅值为1/2Vp。驱动电路根据第一输入电压Vb和第二输入电压Vc控制功率级电路中功率管的开关状态。
然而，一方面该控制方式相当于有两个电压环，电压内环响应于反馈电压VFB能够对负载动态跳变作出快速响应，电压外环响应于校正信号Vcorr以消除稳态误差，内环调节速度快，外环调节速度慢，严重影响了动态性能。另一方面，在实际应用中校正信号需要根据纹波信号的峰峰值进行设计，并具有预设的变化范围，这导致在轻载状态下由于校正信号的变化范围限制使得输出电压失调，从而降低系统精度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种新型的开关变换器及其控制电路，以提高开关变换器的动态性能和输出电压精度。
根据本发明的一方面提供一种控制电路，包括：
纹波信号产生电路，用于生成与所述开关变换器的电感电流同频同相的纹波信号，其中所述纹波信号在零和预设值之间变化；
叠加电路，用以将所述纹波信号和表征所述开关变换器的输出电压的反馈信号进行叠加以产生环路控制信号；以及
开关控制信号产生电路，用以根据所述环路控制信号和基准信号产生开关控制信号，以控制所述开关变换器的功率级电路。
优选地，所述纹波信号产生电路被配置为产生与所述开关变换器的电感电流同频同相的三角波信号，并根据所述三角波信号和其谷值产生所述纹波信号。
优选地，所述纹波信号产生电路根据所述开关变换器的输入电压和占空比产生所述三角波信号。
优选地，所述开关控制信号产生电路在所述环路控制信号的谷值与基准信号相等时控制所述开关变换器的主功率管导通。
优选地，所述主功率管的导通时间根据所述开关变换器的输入电压和占空比进行设置。
优选地，所述纹波信号产生电路包括：
三角波产生电路，被配置为根据所述开关变换器的输入电压和占空比产生与所述电感电流同频同相的三角波信号；
谷值产生电路，被配置为采样所述三角波信号的谷值以产生谷值信号；以及
差值电路，被配置为将所述三角波信号和谷值信号进行差值运算以产生所述纹波信号。
优选地，所述三角波信号产生电路包括：
电流源，被配置为产生与所述开关变换器的输入电压成比例的电流；
第一电容，与所述电流源串联连接，其两端产生所述三角波信号；
第一开关，被配置为在所述开关变换器的主功率管导通期间控制所述电流源对所述第一电容进行充电；
第二开关，被配置为在所述第一开关关断，并在所述电感电流不过零时对所述第一电容放电。
优选地，所述谷值产生电路包括：
第三开关，其第一端接收所述三角波信号，；
第二电容，其第一端耦接至所述第三开关的第二端；以及
第四开关，其第一端耦接至所述第二电容的第一端；
其中在所述开关变换器的主功率管关断期间，所述第二电容获取所述三角波信号，在所述主功率管导通时所述谷值产生电路根据所述第二电容上的电压产生所述谷值信号。
优选地，所述谷值产生电路还包括：
第五开关，被配置为在所述电感电流过零时导通，并根据所述三角波信号产生所述谷值信号。
优选地，所述开关控制信号产生电路包括：
迟滞比较器，其第一输入端接收所述环路控制信号，第二输入端接收所述基准信号，以产生用于控制所述功率级电路的比较信号。
根据本发明的另一方面提供一种开关变换器，包括：
功率级电路，以及
如第一方面任一项所述的控制电路
本发明实施例通过在反馈电压中叠加变化范围在零和预设值之间的纹波信号以产生环路控制信号，并根据环路控制信号和基准信号控制功率级电路。本实施例中控制电路不需要对基准信号进行校正，从而可以省去校正电路，同时仅存在一个电压环，能够对负载的动态跳变作出快速响应，并且能够保证在不同应用下增大开关变换器的输出电压精度。
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是现有技术中基于纹波电压的恒定导通时间控制的电路图；
图2是现有技术中纹波信号的波形图；
图3是本发明实施例的开关变换器的电路图；
图4是本发明实施例的纹波信号产生电路的电路图；
图5是本发明实施例的控制电路的电路图；
图6是本发明实施例的开关变换器的工作波形图；
图7是本发明实施例开关变换器的负载跳变的工作波形图。
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。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
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。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
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。
图3是本发明实施例的开关变换器的电路图。如图3所示，本发明实施例的开关变换器以降压变换器为例进行说明，开关变换器包括功率级电路21和控制电路22。功率级电路21包括第一功率开关S1,其第一端接收输入电压Vin；电感L,其第一端与所述第一功率开关S1的第二端连接，第二端与所述开关变换器的输出端连接；第二功率开关S2,其第一端与第一功率开关S1的第二端连接，第二端耦接至所述开关变换器的参考地。输出电容Co与所述功率变换器的输出端连接以在其两端产生输出电压Vo，并且与负载RL并联连接以提供能量存储。应理解，在本实施例中功率开关S1为主功率管，功率开关S2为整流管，功率开关S1和S2可以是任何类型的场效应管，例如金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，在不背离本发明所教导的范围内，还可以是本领域技术人员已知范围内的其他类型的场效应管和、或其他类型的晶体管。
控制电路22根据输出电压Vo采用闭环控制模式产生开关控制信号PWM，以控制功率开关S1和S2的开关状态，以给所述负载提供能量。在本实施例中，控制电路22包括纹波信号产生电路221，叠加电路222和开关控制信号产生电路223。纹波信号产生电路221被配置为产生与流过电感L的电流IL同频同相的纹波信号Vrip，其中所述纹波信号Vrip的变化范围在零和预设值之间，也即纹波信号Vrip的峰峰值为所述预设值，所述预设值大于零。叠加电路222在反馈电压VFB中叠加纹波信号Vrip以产生环路控制信号VFB1。开关控制信号产生电路223根据环路控制信号VFB1和基准信号VREF产生开关控制信号PWM。
在优选的实施例中，纹波信号产生电路221根据开关变换器的输入电压Vin和占空比D产生与流过电感L的电感电流IL同频同相的三角波信号，并根据所述三角波信号与其谷值产生纹波信号Vrip。应理解，本实施中纹波信号产生电路221根据所述开关变换器的已知变量产生与流过电感L的电感电流IL同频同相的三角波信号，其他能够实现上述功能的电路结构均在本发明的保护范围之内。
相较于现有技术，本发明实施例的控制电路通过在反馈电压VFB中叠加纹波信号Vrip以产生环路控制信号VFB1，并根据环路控制信号VFB1和基准信号VREF控制功率级电路。由于纹波信号Vrip的变化范围在零和预设值之间，纹波信号Vrip的谷值不会随开关变换器的占空比进行变化，从而在基于谷值控制方式下反馈电压VFB和参考电压VREF之间不存在直流偏置电压，因此本实施例中控制电路不需要对基准信号进行校正，从而可以省去校正电路。本实施例中控制电路中仅存在一个电压环，能够对负载的动态跳变做出快速响应，同时能够保证在不同应用下增大开关变换器的输出电压精度。
图4是本发明实施例的纹波信号产生电路的电路图。如图4所示，纹波信号产生电路221包括三角波产生电路41，谷值产生电路42和差值电路43。三角波产生电路41根据开关变换器的输入电压Vin和占空比D产生与电感电流IL同频同相的三角波信号Vtri，以控制功率级电路的开关状态，从而能够避免由于输出电容的等效串联电阻过小导致的输出电压相位滞后而产生的谐振问题。谷值产生电路42用于根据所述功率开关的开关状态采样三角波信号Vtri的谷值以产生谷值信号Vva。差值电路43被配置为对三角波信号Vtri和谷值信号Vva进行差值运算，以产生纹波信号Vrip，其中纹波信号Vrip的变化范围在零和预设值之间。
在优选的实施例中，三角波产生电路41包括电流源I，开关K1和开关K2。电流源I，开关K1和开关K2串联连接在供电电压VCC和开关变换器的参考地之间，电容C1通过电阻R1并联在开关K2的两端。电流源I受控于输入电压Vin产生预定电流。开关K1受控于开关控制信号PWM，开关K2受控于表征电感电流IL过零的电流过零信号NCL。当开关变换器的功率开关S1导通时，开关控制信号PWM有效，开关K1闭合，电流源I给电容C1进行充电。当开关控制信号PWM和电流过零信号NCL均无效时，开关K1断开，开关K2闭合，电容C1通过电阻R1放电。在开关变换器工作在稳态时，电容C1的充放电达到平衡状态，在电阻R1和电容C1公共节点处产生稳定的三角波信号Vtri。三角波信号Vtri与开关变换器的占空比成比例，并且其相位和幅值与电感电流变化一致。当开关变换器工作在断续电流模式下，电流过零信号NCL有效，开关K2断开，三角波信号Vtri无法通过电阻R1放电，保持稳定。在本实施例中，三角波信号Vtri的相位和幅值始终与电感电流IL变化一致。在本实施例中，二极管D并联在电流源I的两端，用以在开关K1和K2断开时给电流源I提供续流回路。
在优选的实施例中，谷值产生电路42包括开关K3，开关K4，开关K5和电容C2。开关K3的第一端接收三角波信号Vtri，第二端连接至电容C2的第一端。开关K4的第一端连接至电容C2的第一端。开关K5的第一端通过电阻R2连接至开关K3的第一端，其第二端连接至开关K4的第二端。开关K4受控于开关控制信号PWM，开关K3受控于开关控制信号PWMB。开关K5受控于电流过零信号NCL。谷值产生电路42还包括连接至开关K4和K5的第二端的滤波电路，用于对开关K4和K5的第二端的电压进行滤波以产生谷值信号Vva。在本实施例中，滤波电路包括串联连接在开关K4和K5的第二端和参考地之间的电阻R3和电容C3,谷值信号Vva在电阻R3和电容C3的公共端产生。在本实施例中，谷值产生电路42还包括连接在三角波产生电路41的输出端和谷值产生电路42的输入端之间的缓冲器A0，用以避免谷值产生电路42对三角波信号Vtri的影响，从而优化电路性能。
在开关变换器工作在电流连续模式时，电流过零信号NCL无效，开关K5总处于关断状态。当信号PWMB有效，开关变换器中功率开关S2导通，开关K3闭合，电容C2获取电容C1上电压，也即电容C2上电压等于三角波信号Vtri。当开关控制信号PWM有效时，开关变换器中功率开关S1导通，功率开关S2关断，此时电容C2上电压为三角波信号Vtri的谷值，电容C2上电压通过滤波电路产生谷值信号Vva。
在开关变换器工作在电流断续模式时，当电流过零信号NCL无效时，谷值产生电路42的工作过程与电流连续模式相同。当开关控制信号PWM和PWMB均无效时，开关S1和S2均关断，电流过零信号NCL有效，开关K5闭合，三角波信号Vtri直接经过滤波电路产生谷值信号Vva。
图5是本发明实施例的控制电路的电路图。如图5所示，叠加电路222在反馈信号VFB中叠加纹波信号Vrip以产生环路控制信号VFB1。控制信号产生电路223根据环路控制信号VFB1和基准信号VREF产生功率开关S1和S2的控制信号。在优选的实施例中，开关控制信号产生电路223采用纹波控制的谷值控制模式控制开关变换器的功率级电路，同时为了简化电路结构采用恒定导通时间控制。控制信号产生电路223在环路控制信号VFB1的谷值等于基准信号VREF时，也即反馈信号VFB等于基准信号VREF时，控制功率开关S1导通。在一种实现方式中，开关控制信号产生电路223包括恒定导通时间控制电路，用于根据三角波信号Vtri的平均值产生参考信号，以调节功率开关S1的导通时间。例如恒定导通时间控制电路通过控制一斜坡信号从零开始上升，当斜坡信号上升至所述参考信号时，功率开关S1关断。
在本实施例中，开关控制信号产生电路223包括迟滞比较器50和驱动电路51。迟滞比较器50的第一输入端(例如反相输入端)接收环路控制信号VFB1，其第二输入端(例如同相输入端)接收基准信号VREF，通过比较环路控制信号VFB1和基准信号VREF以产生比较信号。驱动电路51连接至迟滞比较器50的输出端，根据所述比较信号产生开关控制信号PWM和PWMB。在本实施例中开关控制信号PWM和PWMB分别用于控制功率开关S1和S2。
图6是本发明实施例开关变换器的工作波形图。图6(a)为开关变换器工作在电流连续模式的信号波形，图6(b)为开关变换器工作在电流断续模式的信号波形，本实施例中开关变换器采用纹波控制的谷值控制模式控制功率级电路。如图6(a)所示，三角波信号Vtri和开关变换器的电感电流同频同相，电容C2上电压Vc2的最大值和最小值均与三角波信号Vtri的最大值和最小值相同，从而可以根据电压Vc2得到谷值信号Vva。谷值信号Vva与三角波信号Vtri的谷值保持相等。三角波信号Vtri与谷值信号Vva进行差值运算可以得到纹波信号Vrip。假设纹波信号Vrip的峰峰值为Vp，纹波信号Vrip在零与Vp之间变化，将反馈信号VFB和纹波信号Vrip叠加产生环路控制信号VFB1，其中环路控制信号VFB1在VFB和VFB+Vp之间变化。在t0时刻，环路控制信号VFB1的谷值等于基准信号VREF时，也即反馈信号VFB和基准信号VREF相等，控制电路控制功率开关S1导通，电感电流开始上升。在t1时刻，功率开关S1关断，功率开关S2导通，电感电流开始下降。在t2时刻，开关S1再次导通，开关变换器以此循环工作在稳态。
如图6(b)所示，在电流断续模式下，三角波信号Vtri，电容C2上电压Vc2，谷值信号Vva以及纹波信号Vrip的产生原理与图6(a)中相同，在此不再赘述。在t0时刻，环路控制信号VFB1的谷值等于基准信号VREF时，也即反馈信号VFB(如图中虚线所示)和基准信号VREF相等，控制电路控制功率开关S1导通，电感电流开始上升。在t1时刻，功率开关S1关断，功率开关S2导通，电感电流开始下降。在t2时刻，功率开关S1和S2均关断，电感电流为零。在t3时刻，功率开关S1再次导通，开关变换器以此循环工作在稳态。
图7是本发明实施例开关变换器的负载跳变的工作波形图。如图7所示，本实施例以上述buck变换器为例。在t0-t1阶段，开关变换器工作在稳态，所述控制电路在环路控制信号VFB1的谷值等于基准信号VREF时控制功率开关S1导通，电感电流IL开始上升，功率开关S1导通预定时间后关断，电感电流IL下降，从而控制功率级电路产生稳定的输出电压Vo。在t1时刻，负载由重载跳变至空载，由于电感电流IL不能突变能量过剩，导致输出电压Vo上升，使得环路控制信号VFB1始终大于基准信号VREF。在t2时刻，负载由空载跳变至重载。由于本实施例中控制电路仅存在一个电压环，能够响应于环路控制信号VFB1快速对负载跳变做出响应，输出电压Vo在短时间内仅跌落很小的压降ΔV，并经过较短时间控制开关变换器再次工作在稳态。因此本实施例中开关变换器具有良好的动态响应。
本发明实施例通过在反馈电压中叠加变化范围在零和预设值之间的纹波信号以产生环路控制信号，并根据环路控制信号和基准信号控制功率级电路。本实施例中控制电路不需要对基准信号进行校正，从而可以省去校正电路，同时仅存在一个电压内环，能够对负载的动态跳变做出快速响应，并且能够保证在不同应用下增大开关变换器的输出电压精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于开关变换器的控制电路，包括：
纹波信号产生电路，用于生成与所述开关变换器的电感电流同频同相的纹波信号，其中所述纹波信号在零和预设值之间变化；
叠加电路，用以将所述纹波信号和表征所述开关变换器的输出电压的反馈信号进行叠加以产生环路控制信号；以及
开关控制信号产生电路，用以根据所述环路控制信号和基准信号产生开关控制信号，以控制所述开关变换器的功率级电路。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述纹波信号产生电路被配置为产生与所述开关变换器的电感电流同频同相的三角波信号，并根据所述三角波信号和其谷值产生所述纹波信号。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述纹波信号产生电路根据所述开关变换器的输入电压和占空比产生所述三角波信号。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述开关控制信号产生电路在所述环路控制信号的谷值与基准信号相等时控制所述开关变换器的主功率管导通。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述主功率管的导通时间根据所述开关变换器的输入电压和占空比进行设置。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述纹波信号产生电路包括：
三角波产生电路，被配置为根据所述开关变换器的输入电压和占空比产生与所述电感电流同频同相的三角波信号；
谷值产生电路，被配置为采样所述三角波信号的谷值以产生谷值信号；以及
差值电路，被配置为将所述三角波信号和谷值信号进行差值运算以产生所述纹波信号。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述三角波信号产生电路包括：
电流源，被配置为产生与所述开关变换器的输入电压成比例的电流；
第一电容，与所述电流源串联连接，其两端产生所述三角波信号；
第一开关，被配置为在所述开关变换器的主功率管导通期间控制所述电流源对所述第一电容进行充电；
第二开关，被配置为在所述第一开关关断，并在所述电感电流不过零时对所述第一电容放电。
8.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述谷值产生电路包括：
第三开关，其第一端接收所述三角波信号，；
第二电容，其第一端耦接至所述第三开关的第二端；以及
第四开关，其第一端耦接至所述第二电容的第一端；
其中在所述开关变换器的主功率管关断期间，所述第二电容获取所述三角波信号，在所述主功率管导通时所述谷值产生电路根据所述第二电容上的电压产生所述谷值信号。
9.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，所述谷值产生电路还包括：
第五开关，被配置为在所述电感电流过零时导通，并根据所述三角波信号产生所述谷值信号。
10.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述开关控制信号产生电路包括：
迟滞比较器，其第一输入端接收所述环路控制信号，第二输入端接收所述基准信号，以产生用于控制所述功率级电路的比较信号。
11.一种开关变换器，包括：
功率级电路，以及
如权利要求1-10任一项所述的控制电路。
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