CN112865534B - 一种自适应导通时间控制的Buck变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应导通时间控制的Buck变换器，包括：直流电源，用于提供输入电压；Buck主功率级电路，用于对输入电压进行降压处理，得到输出电压；RC采样电路，用于对电感电流和输出电压进行采样，得到采样电压；控制电路，用于根据采样电压以及反馈电压产生导通时间控制信号；自适应导通时间产生电路，用于根据采样电压和输入电压，配合控制电路产生关断时间控制信号；控制电路，还用于根据导通时间控制信号和关断时间控制信号，生成控制Buck主功率级电路内的两个功率管的导通和关断的开关控制信号。本发明提供的Buck变换器，瞬态响应速度高，输出精度高，且在连续导通式下开关频率较为稳定。
Description
技术领域
本发明属于电源管理芯片领域，具体涉及一种自适应导通时间控制的Buck变换器。
背景技术
随着集成电路技术的进步，各类电子产品不断涌现。电源作为电子产品中必不可少的一部分，其性能及可靠性等会影响整个电子设备的质量。其中，开关电源因其转换效率高、带载能力强等优点在各类便携式设备、电子计算机、通讯及家电等领域得到广泛应用。
对于开关电源而言，在实际工作中的负载变化幅度较大，负载电流的变化率较高，这就要求开关电源的Buck变换器能够具有快速的瞬态响应速度，以满足对负载的供电需求，保证系统稳定工作。因此，对Buck变换器中的开关器件的导通与关断的控制方式很大程度上决定了Buck变换器的性能优劣。
现有技术中，大多数的Buck变换器均通过监测电感电流而适应调整开关器件的导通与关断；其中，根据调制频率是否恒定，Buck变换器的控制方式分为两大类：恒频调制和变频调制。其中，恒频调制通过调整开关占空比来维持开关频率的恒定，从而能够避免电子设备的电磁干扰问题，这种控制方式也称为脉冲宽度调制。变频调制则通过改变开关频率来维持开关的导通时间或者关断时间恒定，该种控制方式常用于轻载模式下，这是因为通过降低开关频率可以降低开关损耗，从而提高轻载下的转换效率。此外，为了提高转换效率并兼顾降低电子设备的电磁干扰问题，有些Buck变换器中会采用恒频调制加变频调制的混合控制模式，即在不同的负载条件下通过模式选择电路选取不同的控制方式。
然而，现有的混合控制模式存在多种亟待解决的问题，包括输出精度不高、瞬态响应速度不高，以及连续导通式下开关频率不稳定。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提供了一种自适应导通时间控制的Buck变换器。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种自适应导通时间控制的Buck变换器，包括：直流电源、Buck主功率级电路、RC采样电路、自适应导通时间产生电路以及控制电路；其中，
所述直流电源，用于为所述Buck变换器提供输入电压；
所述Buck主功率级电路，用于对所述输入电压进行降压处理，得到输出电压；
所述RC采样电路，用于对所述Buck主功率级电路中的电感电流和所述输出电压进行采样，得到包含有电感电流信息和输出电压信息的采样电压；其中，所述采样电压的平均值与所述输出电压的平均值相等；
所述控制电路，用于根据所述采样电压以及所述输出电压的反馈电压，产生导通时间控制信号；所述导通时间控制信号用于产生所述Buck主功率级电路中的主功率管的导通时间；
所述自适应导通时间产生电路，用于根据所述采样电压和所述输入电压，配合所述控制电路产生关断时间控制信号；其中，所述关断时间控制信号用于产生与所述输入电压成反比，且与所述输出电压成正比的主功率管的导通时间；
所述控制电路，还用于根据所述导通时间控制信号和所述关断时间控制信号，生成控制所述Buck主功率级电路内的两个功率管的导通和关断的开关控制信号，以使所述Buck主功率级电路基于所述开关控制信号对所述输入电压进行降压处理。
在一个实施例中，所述控制电路包括：带隙基准电路、误差运算放大器、第一比较器、RS触发器以及死区时间控制与驱动电路；其中，
所述带隙基准电路，用于输出基准电压；
所述误差运算放大器，用于将所述基准电压与所述反馈电压之间的误差进行放大，得到误差电压；
所述第一比较器，用于比较所述采样电压与所述误差电压的大小，输出所述导通时间控制信号；
所述RS触发器，用于根据自身的两个输入端所分别连接的所述导通时间控制信号和所述关断时间控制信号，输出状态信号；
所述死区时间控制与驱动电路，用于将所述状态信号处理为所述开关控制信号；其中，所述开关控制信号包括两个非交叠的MOS管栅控信号；所述两个非交叠的MOS管栅控信号分别用于控制所述Buck主功率级电路中的所述主功率管和整流管的导通和关断。
在一个实施例中，所述控制电路还包括：过零检测电路；
所述过零检测电路，用于对所述Buck主功率级中的功率开关结点电压进行检测；当检测到的电压在所述电感电流的下降阶段增加至零时，输出保护信号；其中，所述保护信号用于强制关断所述整流管；所述功率开关结点电压为所述主功率管和所述整流管的漏极电压；
所述死区时间控制与驱动电路，具体用于在所述保护信号的控制下将所述状态信号处理为所述两个非交叠的MOS管栅控信号。
在一个实施例中，所述自适应导通时间产生电路，具体用于：
根据所述采样电压和所述输入电压，配合所述控制电路中产生的所述状态信号产生关断时间控制信号。
在一个实施例中，所述自适应导通时间产生电路，包括：电流源电路、充电电容C3、NMOS管M6以及第二比较器；
其中，所述电流源电路的输入端连接所述输入电压，所述电流源电路的输出端连接所述充电电容C3的上极板、所述NMOS管M6的漏极以及所述第二比较器的正向输入端；
所述充电电容C3的下极板和所述NMOS管M6的源极均接地；
所述NMOS管M6的栅极连接所述状态信号；
所述第二比较器的反向输入端连接所述采样电压，所述第二比较器的输出端输出所述关断时间控制信号。
在一个实施例中，所述电流源电路包括：电阻R6、电阻R7、运算放大器、电阻R8、N型MOS管M3、P型MOS管M4以及P型MOS管M5；其中，
所述电阻R6的一端连接所述输入电压，构成所述电流源电路的输入端；所述电阻R6的另一端以及所述电阻R7的一端均连接所述运算放大器的正向输入端；所述电阻R7的另一端接地；
所述N型MOS管M3的源极以及所述电阻R8的一端均连接所述运算放大器的反向输入端；所述运算放大器的输出端连接所述N型MOS管M3的栅极；所述电阻R8的另一端接地；
所述P型MOS管M4的源极以及所述P型MOS管M5的源极均连接直流稳压电源VDD；
所述P型MOS管M4的栅极、所述P型MOS管M4的漏极、所述P型MOS管M5的栅极以及所述N型MOS管M3的漏极均相连；
所述P型MOS管M5的漏极连接所述充电电容C3的上极板，构成所述电流源电路的输出端。
本发明提供的自适应导通时间控制的Buck变换器中，通过RC采样电路对Buck主功率级电路中的电感电流和输出电压进行采样，得到既包含有电感电流信息又包含有输出电压信息的采样电压；由于该RC采样电路相当于对Buck主功率级电路中的功率级开关结点电压进行低通滤波，因此该采样电压的平均值等于功率级开关结点电压的平均值；又由能量守恒定理可得，在Buck主功率级电路中，输出电压的平均值是等于功率开关结点电压的平均值的；因此，RC采样电路的采样电压的平均值等于Buck主功率级电路的输出电压的平均值。将直流电源的输入电压和RC采样电路的采样电压均反馈到自适应导通时间控制电路中，由此产生与输入电压呈反比，与输出电压呈正比的主功率管的导通时间。其中，由于RC采样电路的采样电压包含有全周期的电感电流信息，且电感电流可以实时的反映Buck主功率级电路上的负载等变化信息，故控制电路根据采样电压和输出电压的反馈电压控制Buck主功率级电路内的两个功率管周期性地打开与关断实现降压时，可以同步地对Buck主功率级电路的工作状态进行快速的响应。由此，本发明实现了一种瞬态响应速度高，且在连续导通式下开关频率较为稳定的Buck变换器；并且，经过仿真验证，本发明提供的Buck变换器的输出精度也比较高。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种自适应导通时间控制的Buck变换器的结构图；
图2是本发明实施例提供的一种自适应导通时间控制的Buck变换器的详细结构图；
图3是本发明实施例中的自适应导通时间产生电路的结构图；
图4是本发明实施例提供的Buck变换器的输出电压和电感电流在不同的负载情况下的波形；
图5是本发明实施例提供的Buck变换器在连续导通模式下的开关频率与变换器输入电压的关系曲线；
图6是本发明实施例提供的Buck变换器在连续导通模式下的开关频率与变换器输出电压的关系曲线；
图7是本发明实施例提供的Buck变换器在连续导通模式下的开关频率与变换器的负载之间的关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了提高Buck变换器的瞬态响应速度、输出精度以及在连续导通式下开关频率的稳定性，本发明实施例提供了一种自适应导通时间控制的Buck变换器，如图1所示，该自适应导通时间控制的Buck变换器包括：直流电源10、Buck主功率级电路20、RC采样电路30、自适应导通时间产生电路50以及控制电路40。
其中，直流电源10，用于为Buck变换器提供输入电压。
Buck主功率级电路20，用于对输入电压进行降压处理，得到输出电压。
图2中示例性地示出了Buck主功率级电路20的电路结构。从图2中可以看到，该Buck主功率级电路20可以包括：P型MOS管M1、N型MOS管M2、电感L、电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3以及电阻R4。其中，P型MOS管M1和N型MOS管M2即是Buck主功率级电路20中的开关器件；具体而言，P型MOS管M1为Buck主功率级电路20中的主功率管，N型MOS管M2则为Buck主功率级电路20中的整流管。电阻R2表示的是Buck变换器的负载电阻，电阻R3和电阻R4组成分压电路，用于对Buck变换器的输出电压进行分压，从而形成输出电压的反馈电压；电阻R1代表的是电容C1的等效串联电阻，在实际的电路结构中是不存在的。
另外，图2中，VIN表示直流电源10，亦为Buck主功率级电路20的输入电压；VO表示Buck主功率级电路20的输出电压，亦为整个Buck变换器的输出电压；可以理解的是，由于电感L串接于Buck主功率级电路20中，故电感L上的电流IL便是整个Buck主功率级电路20上的电流；VFB表示输出电压VO的反馈电压。符号P表示控制MOS管M1周期性打开与关断的MOS管栅控信号，符号N表示控制MOS管M2周期性打开与关断时的MOS管栅控信号，这两个MOS管栅控信号由控制电路输出。
RC采样电路30，用于对Buck主功率级电路20中的电感电流IL和输出电压VO进行采样，得到包含有电感电流信息和输出电压信息的采样电压Va；其中，采样电压Va的平均值与输出电压VO的平均值相等。
在实际应用中，RC采样电路30可以按照图2所示的采样方式对Buck主功率级电路20中的电感电流和输出电压进行采样，从而得到既包含有电感电流信息，又包含有输出电压信息的采样电压Va。从图2中可以看到，RC采样电路30由电阻R5和电容C2串联而成，其输入电压为Buck主功率级电路20中的功率开关结点电压Vsw，即P型MOS管M1和N型MOS管M2两者的漏极电压，其输出电压为电容C2的上极板电压，即该RC采样电路30输出的采样电压Va；电容C2的下极板接地。
可以理解的是，采样电压Va中所包含的电感电流信息即是通过Buck主功率级电路20中的电感L的电流信息，而采样电压Va中所包含的输出电压信息则是能够反映输出电压VO的变化情况的信息。
控制电路，用于根据采样电压Va以及输出电压VO的反馈电压VFB，产生导通时间控制信号S；该导通时间控制信号S用于产生Buck主功率级电路20中的主功率管的导通时间。这里，该控制电路可以使用运算放大器、比较器、RS触发器以及逻辑门电路等元器件搭建而成。
自适应导通时间产生电路，用于根据采样电压Va和输入电压VIN，配合控制电路产生关断时间控制信号R；其中，关断时间控制信号R用于产生与输入电压成反比，且与输出电压成正比的主功率管的导通时间。该自适应导通时间产生电路可以由电流源电路、充电电容、NMOS管以及比较器搭建而成。
控制电路，还用于根据导通时间控制信号和关断时间控制信号，生成控制Buck主功率级电路20内的两个功率管的导通和关断的开关控制信号，以使Buck主功率级电路20基于该开关控制信号对输入电压进行降压处理。
可以理解的是，由于采样电压Va包含有输出电压信息和电感电流信息，而输入电压VIN包含输入电压信息，因此，该自适应导通时间产生电路能够根据输入电压VIN、输出电压VO以及电感电流的变化，自适应地调整所输出的关断时间控制信号；这样，RS触发器最终输出的状态信号，便能够达到根据输入电压VIN、输出电压VO以及电感电流IL的变化而自适应变化的效果；相应地，死区时间控制与驱动电路根据状态信号处理得到的两个非交叠的MOS管栅控信号P和N，也能够达到根据输入电压VIN、输出电压VO以及电感电流IL的变化而自适应变化的效果。这样，整个Buck变换器在连续导通模式下工作时，能够保持较为恒定的开关频率，具有较强的抗干扰能力。这里，所谓连续导通模式是指MOS管M1和MOS管M2交替导通，电感电流恒大于零的工作模式。
图2中示例性地示出了控制电路的电路结构，包括：带隙基准电路、误差运算放大器EA、第一比较器CMP1、RS触发器以及死区时间控制与驱动电路。
其中，带隙基准电路，用于输出基准电压Vref。
误差运算放大器EA，用于将基准电压Vref与反馈电压VFB之间的误差进行放大，得到误差电压Vc；可以理解的是，由于反馈电压VFB中包含有Buck变换器的输出电压信息，故而该误差电压Vc中，也包含有Buck变换器的输出电压信息。参见图2所示，该误差运算放大器EA的正向输入端连接基准电压Vref，反向输入端连接反馈电压VFB，输出端输出误差电压Vc。
第一比较器CMP1，用于比较采样电压Va与误差电压Vc的大小，输出导通时间控制信号；参见图2所示，该第一比较器的正向输入端连接误差电压Vc，反向输入端连接采样电压Va，输出端输出导通时间控制信号。可以理解的是，由于采样电压Va中同时包含有电感电流信息和输出电压信息，故而第一比较器CMP1的比较结果即第一比较器输出的导通时间控制信号不仅包含有输出电压信息，还包含有电感电流信息。
RS触发器，用于根据自身的两个输入端所分别连接的导通时间控制信号和关断时间控制信号，输出状态信号。参见图2所示，该RS触发器的S端连接导通时间控制信号，R端连接关断时间控制信号，该关断时间控制信号由自适应导通时间产生电路产生；该RS触发器的Q-端输出状态信号，该状态信号给到自适应导通时间产生电路中，该RS触发器的Q端可以悬空。
死区时间控制与驱动电路，用于将RS触发器输出的状态信号处理为开关控制信号；其中，该开关控制信号包括两个非交叠的MOS管栅控信号P和N；这两个非交叠的MOS管栅控信号P和N分别用于控制Buck主功率级电路20中的主功率管和整流管这两个功率管的导通和关断，即他们是Buck主功率级电路20对输入电压进行降压处理所基于的开关控制信号；这里，所谓的非交叠的MOS管栅控信号P和N是指：MOS管栅控信号P和MOS管栅控信号N之间具有一段非交叠的时间，即死区时间；这样，可以防止两个功率管在切换开关状态的过程中因同时导通而造成将输入电压短接到地。在实际应用中，该死区时间控制与驱动电路可以用逻辑门电路搭建而成。
基于图2中示出的控制电路，自适应导通时间产生电路，具体用于根据采样电压和输入电压，配合控制电路中产生的状态信号产生关断时间控制信号，该状态信号即是RS触发器的Q-端输出的信号。
具体的，参见图3所示，该自适应导通时间产生电路可以包括：电流源电路、充电电容C3、NMOS管M6以及第二比较器CMP2；其中，电流源电路的输入端连接输入电压VIN，电流源电路的输出端连接充电电容C3的上极板、NMOS管M6的漏极以及第二比较器的正向输入端；可以看到，该电流源电路是由输入电压VIN所控制的。另外，充电电容C3的下极板和NMOS管M6的源极均接地；NMOS管M6的栅极连接状态信号；第二比较器的反向输入端连接采样电压，第二比较器的输出端输出关断时间控制信号。
可以理解的是，电流源电路输出的电流I＝gVIN给第三电容C3进行充电，形成充电电压Vs；当NMOS管M6的栅极所接的状态信号为低电平时，第二比较器对充电电压Vs与采样电压Va进行比较，根据比较结果输出占空比变化的关断时间控制信号；而当状态信号为高电平时，充电电压Vs接地，第二比较器CMP2对采样电压Va与接地电压进行比较，输出的关断时间控制信号恒为低电平。
其中，电流源电路包括：电阻R6、电阻R7、运算放大器AMP、电阻R8、N型MOS管M3、P型MOS管M4以及P型MOS管M5。
具体而言，电阻R6的一端连接输入电压VIN，构成电流源电路的输入端；电阻R6的另一端以及电阻R7的一端均连接运算放大器的正向输入端；电阻R7的另一端接地；N型MOS管M3的源极以及电阻R8的一端均连接运算放大器的反向输入端；运算放大器的输出端连接N型MOS管M3的栅极；电阻R8的另一端接地；P型MOS管M4的源极以及P型MOS管M5的源极均连接直流稳压电源VDD；P型MOS管M4的栅极、P型MOS管M4的漏极、P型MOS管M5的栅极以及N型MOS管M3的漏极均相连；P型MOS管M5的漏极连接充电电容C3的上极板，构成电流源电路的输出端。
在一个实施例中，如图2所示的，上述控制电路还可以包括：过零检测电路；该过零检测电路，用于对Buck主功率级电路20中的功率开关结点电压Vsw进行检测，该功率开关结点电压为主功率管和整流管的漏极电压；当检测到的电压在电感电流的下降阶段增加至零时，过零检测电路输出保护信号；该保护信号用于强制关断Buck主功率级电路20中的整流管。
参见图2所示，该过零检测电路的输入端连接Buck主功率级电路20中的功率开关结点电压Vsw，与此同时也与RC采样电路电连接，该过零检测电路的输出端接入死区时间控制与驱动电路；由此，该死区时间控制与驱动电路，具体是在保护信号的控制下将状态信号处理为开关控制信号的。
本发明实施例提供的自适应导通时间控制的Buck变换器中，通过RC采样电路30对Buck主功率级电路20中的电感电流和输出电压进行采样，得到既包含有电感电流信息又包含有输出电压信息的采样电压；由于该RC采样电路30相当于对Buck主功率级电路20中的功率级开关结点电压进行低通滤波，因此该采样电压的平均值等于功率级开关结点电压的平均值；又由能量守恒定理可得，在Buck主功率级电路20中，输出电压的平均值是等于功率开关结点电压的平均值的；因此，RC采样电路30的采样电压的平均值等于Buck主功率级电路20的输出电压的平均值。然后，将直流电源10的输入电压和RC采样电路30的采样电压均反馈到自适应导通时间控制电路中，产生与输入电压呈反比，与输出电压呈正比的主功率管的导通时间。其中，由于RC采样电路30的采样电压包含有全周期的电感电流信息，且电感电流可以实时的反映Buck主功率级电路20上的负载等变化信息，故控制电路根据采样电压和输出电压的反馈电压控制Buck主功率级电路20内的两个功率管周期性地打开与关断实现降压时，可以同步地对Buck主功率级电路20的工作状态进行快速的响应。由此，本发明实现了一种瞬态响应速度高，且在连续导通式下开关频率较为稳定的Buck变换器；并且，由于本发明提供的Buck变换器的瞬态响应速度高，且在连续导通式下开关频率较为稳定，故而该Buck变换器的输出精度也比较高。
下面通过仿真验证对本发明实施例的有益效果进行说明。
图4是本发明实施例提供的Buck变换器的输出电压和电感电流在不同的负载情况下的波形。图4中，电感电流从30mA跳变到200mA后再跳变到30mA；在30mA时，Buck变换器工作在非连续导通模式下，在200mA时，Buck变换器工作在连续导通模式下；从图4中可以看出，本发明实施例提供的自适应导通时间控制的Buck变换器，在不同的工作模式下均能稳定输出且在两种工作模式之间转换时，能够具有快速的瞬态响应速度，且不同的负载条件下，输出电压的精度较高。
图5是本发明实施例提供的Buck变换器在连续导通模式下的开关频率与变换器输入电压的关系曲线，从图5中可以看出，本发明实施例提供的Buck变换器在连续导通模式下的开关频率随输入电压的变化很小，最大变化量约为2％。
图6是本发明实施例提供的Buck变换器在连续导通模式下的开关频率与变换器输出电压的关系曲线，从图6中可以看出，本发明实施例提供的Buck变换器在连续导通模式下的开关频率随输出电压的变化很小，最大变化量约为1.7％。
图7是本发明实施例提供的Buck变换器在连续导通模式下的开关频率与变换器的负载之间的关系曲线，从图7中可以看出，本发明实施例提供的Buck变换器在连续导通模式下的开关频率随变换器负载的变化很小，最大变化量约为3％。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种自适应导通时间控制的Buck变换器，其特征在于，包括：直流电源、Buck主功率级电路、RC采样电路、自适应导通时间产生电路以及控制电路；其中，
所述直流电源，用于为所述Buck变换器提供输入电压；
所述Buck主功率级电路，用于对所述输入电压进行降压处理，得到输出电压；
所述RC采样电路，用于对所述Buck主功率级电路中的电感电流和所述输出电压进行采样，得到包含有电感电流信息和输出电压信息的采样电压；其中，所述采样电压的平均值与所述输出电压的平均值相等；
所述控制电路，用于根据所述采样电压以及所述输出电压的反馈电压，产生导通时间控制信号；所述导通时间控制信号用于产生所述Buck主功率级电路中的主功率管的导通时间；
所述自适应导通时间产生电路，用于根据所述采样电压和所述输入电压，配合所述控制电路产生关断时间控制信号；其中，所述关断时间控制信号用于产生与所述输入电压成反比，且与所述输出电压成正比的主功率管的导通时间；
所述控制电路，还用于根据所述导通时间控制信号和所述关断时间控制信号，生成控制所述Buck主功率级电路内的两个功率管的导通和关断的开关控制信号，以使所述Buck主功率级电路基于所述开关控制信号对所述输入电压进行降压处理。
2.根据权利要求1所述的自适应导通时间控制的Buck变换器，其特征在于，所述控制电路包括：带隙基准电路、误差运算放大器、第一比较器、RS触发器以及死区时间控制与驱动电路；其中，
所述带隙基准电路，用于输出基准电压；
所述误差运算放大器，用于将所述基准电压与所述反馈电压之间的误差进行放大，得到误差电压；
所述第一比较器，用于比较所述采样电压与所述误差电压的大小，输出所述导通时间控制信号；
所述RS触发器，用于根据自身的两个输入端所分别连接的所述导通时间控制信号和所述关断时间控制信号，输出状态信号；
所述死区时间控制与驱动电路，用于将所述状态信号处理为所述开关控制信号；其中，所述开关控制信号包括两个非交叠的MOS管栅控信号；所述两个非交叠的MOS管栅控信号分别用于控制所述Buck主功率级电路中的所述主功率管和整流管的导通和关断。
3.根据权利要求2所述的自适应导通时间控制的Buck变换器，其特征在于，所述控制电路还包括：过零检测电路；
所述过零检测电路，用于对所述Buck主功率级中的功率开关结点电压进行检测；当检测到的电压在所述电感电流的下降阶段增加至零时，输出保护信号；其中，所述保护信号用于强制关断所述整流管；所述功率开关结点电压为所述主功率管和所述整流管的漏极电压；
所述死区时间控制与驱动电路，具体用于在所述保护信号的控制下将所述状态信号处理为所述两个非交叠的MOS管栅控信号。
4.根据权利要求3所述的自适应导通时间控制的Buck变换器，其特征在于，所述自适应导通时间产生电路，具体用于：
根据所述采样电压和所述输入电压，配合所述控制电路中产生的所述状态信号产生关断时间控制信号。
5.根据权利要求4所述的自适应导通时间控制的Buck变换器，其特征在于，所述自适应导通时间产生电路，包括：电流源电路、充电电容C3、NMOS管M6以及第二比较器；
其中，所述电流源电路的输入端连接所述输入电压，所述电流源电路的输出端连接所述充电电容C3的上极板、所述NMOS管M6的漏极以及所述第二比较器的正向输入端；
所述充电电容C3的下极板和所述NMOS管M6的源极均接地；
所述NMOS管M6的栅极连接所述状态信号；
所述第二比较器的反向输入端连接所述采样电压，所述第二比较器的输出端输出所述关断时间控制信号。
6.根据权利要求5所述的自适应导通时间控制的Buck变换器，其特征在于，所述电流源电路包括：电阻R6、电阻R7、运算放大器、电阻R8、N型MOS管M3、P型MOS管M4以及P型MOS管M5；其中，
所述电阻R6的一端连接所述输入电压，构成所述电流源电路的输入端；所述电阻R6的另一端以及所述电阻R7的一端均连接所述运算放大器的正向输入端；所述电阻R7的另一端接地；
所述N型MOS管M3的源极以及所述电阻R8的一端均连接所述运算放大器的反向输入端；所述运算放大器的输出端连接所述N型MOS管M3的栅极；所述电阻R8的另一端接地；
所述P型MOS管M4的源极以及所述P型MOS管M5的源极均连接直流稳压电源VDD；
所述P型MOS管M4的栅极、所述P型MOS管M4的漏极、所述P型MOS管M5的栅极以及所述N型MOS管M3的漏极均相连；
所述P型MOS管M5的漏极连接所述充电电容C3的上极板，构成所述电流源电路的输出端。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101777770A (zh) * | 2010-02-12 | 2010-07-14 | 浙江大学 | 降压型功率因数校正器的控制电路 |
| CN103401420A (zh) * | 2013-07-03 | 2013-11-20 | 西安电子科技大学 | 应用于dc-dc转换器中的自适应导通时间产生电路 |
| CN104079167A (zh) * | 2014-07-07 | 2014-10-01 | 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 | 控制电路、开关电源和控制方法 |
| CN107147292A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-09-08 | 电子科技大学 | 一种导通时间受控的降压变换器 |
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101777770A (zh) * | 2010-02-12 | 2010-07-14 | 浙江大学 | 降压型功率因数校正器的控制电路 |
| CN103401420A (zh) * | 2013-07-03 | 2013-11-20 | 西安电子科技大学 | 应用于dc-dc转换器中的自适应导通时间产生电路 |
| CN104079167A (zh) * | 2014-07-07 | 2014-10-01 | 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 | 控制电路、开关电源和控制方法 |
| CN107147292A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-09-08 | 电子科技大学 | 一种导通时间受控的降压变换器 |
| CN108282084A (zh) * | 2018-01-25 | 2018-07-13 | 福州瑞芯微电子股份有限公司 | Buck变换器及其锁频控制电路 |
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