CN113659815A - 用于开关变换器的控制电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于开关变换器的控制电路。该控制电路可以在定频控制的基础上，在最小导通时间限制下实现自适应降频，以实现更小的占空比；在最小关断时间限制下实现自适应降频，以实现更大的占空比，从而满足电路的运行要求。

Description

用于开关变换器的控制电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种用于开关变换器的控制电路。
背景技术
在现有的定频开关变换器中，对功率管的最小导通时间和最小关断时间均有所限制，进而限制了占空比的变化范围。以定频峰值电流buck变换器为例，受最小导通时间Ton_min的限制，定频模式下的最小占空比为Ton_min/T，其中T为开关周期。若想得到更小的占空比，就要降低开关频率。一种常见的方案是使开关电源间歇工作。由于开关电源反复在定频与非定频之间切换，所以间歇工作是一种不稳定的状态，输出电压波动较大。
此外，当输入输出接近时，此时主功率管所需关断时间很小，对于传统的定频控制模式，当开关变换器中的功率管所需的关断时间小于最小关断时间Toff_min时，会造成输出电压过低的情况。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种用于开关变换器的控制电路，以在定频控制的基础上，在最小导通时间限制下实现自适应降频，以实现更小的占空比；在最小关断时间限制下实现自适应降频，以实现更大的占空比。
本发明提出了一种用于开关变换器的控制电路，所述控制电路被配置为控制所述开关变换器工作于第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态，其中
在所述第一工作状态下，所述控制电路被配置为控制所述开关变换器的开关周期保持不变，并且控制所述开关变换器中功率管在每个开关周期中的导通时间不小于最小导通时间，并且关断时间不小于最小关断时间；
在所述第二工作状态下，所述控制电路被配置为在每个开关周期中控制所述功率管的导通时间为所述最小导通时间，并调节所述开关周期以进一步减小占空比；以及
在所述第三工作状态下，所述控制电路被配置为在每个开关周期中控制所述功率管的关断时间为所述最小关断时间，并调节所述开关周期以进一步增加所述占空比。
具体地，所述控制电路包括：
反馈控制电路，被配置为至少根据补偿信号以及与表征所述开关变换器的电感电流的电流采样信号来控制所述功率管的开通时刻，并且至少根据所述补偿信号和所述电流采样信号来控制所述功率管的关断时刻，其中所述补偿信号基于输出电压的反馈信号和基准信号的误差而产生。
具体地，所述控制电路还包括：
计时电路，被配置为在每个开关周期中，当计时时间达到预定时间后产生时钟信号并传递至所述反馈控制电路，其中所述计时电路在每个开关周期中受开关控制信号控制而清零，所述开关控制信号用于控制所述功率管的开通和关断。
具体地，当所述功率变换器处于所述第一工作状态，则所述功率管的开通和关断受所述时钟信号和所述电流采样信号与所述补偿信号的比较结果控制；当所述功率变换器处于所述第二工作状态，所述功率管的开通和关断受所述比较结果和所述最小导通时间控制；当所述功率变换器处于所述第三工作状态，所述功率管的开通和关断受所述比较结果和所述最小关断时间控制。
具体地，当所述控制电路处于峰值电流模式中时，在所述第一工作状态下，所述功率管的开通受所述时钟信号控制，所述主功率管的关断受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制；在所述第二工作状态下，所述功率管的开通受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制并在导通时间达到所述最小导通时间时关断；在所述第三工作状态下，所述功率管的关断受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制并在关断时间达到所述最小关断时间时开通。
具体地，当所述控制电路处于谷值电流模式中时，在所述第一工作状态下，所述功率管的关断受所述时钟信号控制，所述主功率管的开通受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制；在所述第二工作状态下，所述功率管的开通受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制并在导通时间达到所述最小导通时间时关断；在所述第三工作状态下，所述功率管的关断受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制并在关断时间达到所述最小关断时间时开通。
具体地，所述反馈控制电路包括：
电流控制电路，被配置为对所述反馈信号和所述基准信号的误差进行补偿以产生补偿信号，并通过比较所述补偿信号与所述电流采样信号来产生第一和第二比较信号；以及
PWM产生电路，被配置为根据所述第一比较信号、所述第二比较信号、所述时钟信号、所述最小导通时间和所述最小关断时间来产生开关控制信号以控制所述开关变换器中功率管的开通和关断。
具体地，所述控制电路还包括：
电流采样电路，被配置为获取在整个周期内与所述开关变换器的电感电流同步变化的电流采样信号。
具体地，所述电流采样电路被配置为采样所述开关变换器中的电感电流来获取所述电流采样信号。
具体地，所述电流采样电路被配置为产生与所述开关变换器中的电感电流同步变化的三角波信号以作为所述电流采样信号。
具体地，所述第一比较信号和所述第二比较信号相同。
具体地，所述控制电路还包括：
电流采样电路，被配置为采样流过所述开关变换器中功率管的电流来获取所述电流采样信号，其中所述电流采样信号包括表征上升阶段的电感电流的第一电流采样信号和表征下降阶段的电感电流的第二电流采样信号。
具体地，所述电流控制电路被配置为将所述补偿信号与所述第一电流采样信号比较来产生所述第一比较信号，将所述补偿信号与所述第二电流采样信号比较来产生所述第二比较信号。
具体地，所述PWM产生电路包括：
复位信号产生电路，被配置为至少根据所述第一比较信号产生复位信号，以控制所述主功率管的关断；以及
置位信号产生电路，被配置为至少根据所述第二比较信号产生置位信号，以控制所述主功率管的开通。
具体地，所述复位信号产生电路被配置为在所述第一比较信号有效且所述主功率管的导通时间满足最小导通时间时产生复位信号，以控制所述主功率管的关断；以及
所述置位信号产生电路被配置为在所述第二比较信号无效、所述主功率管的关断时间满足最小关断时间且所述计时时间达到所述预定时间时产生置位信号，以控制所述主功率管的开通。
具体地，当在整个周期内与所述电感电流同步变化的电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第一和第二比较信号有效；当在整个周期内与所述电感电流同步变化的电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第一和第二比较信号无效。
具体地，当表征上升阶段的电感电流的第一电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第一比较信号有效，当所述第一电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第一比较信号无效；当表征下降阶段的电感电流的第二电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第二比较信号有效，当所述第二电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第二比较信号无效。
具体地，所述置位信号产生电路被配置为在所述第二比较信号有效且所述主功率管的关断时间满足最小关断时间时产生置位信号，以控制所述主功率管的开通；以及
所述复位信号产生电路，被配置为在所述第一比较信号无效、所述主功率管的导通时间满足最小导通时间且所述计时时间达到所述预定时间时产生复位信号，以控制所述主功率管的关断。
具体地，当表征所述电感电流的电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第一和第二比较信号有效；当表征所述电感电流的电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第一和第二比较信号无效。
具体地，当表征上升阶段的电感电流的第一电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第一比较信号有效，当所述第一电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第一比较信号无效；当表征下降阶段的电感电流的第二电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第二比较信号有效，当所述第二电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第二比较信号无效。
具体地，所述计时电路包括：
斜坡产生电路，被配置为使用电流源给电容充电，从而在所述电容上产生斜坡电压以表征所述计时时间，其中所述斜坡电压在每个开关周期中所述主功率管的开通时刻清零；以及
比较电路，被配置为将所述斜坡电压与表征所述预定时间的阈值信号比较，并在所述斜坡电压大于所述阈值信号时产生有效的时钟信号。
综上所述，本发明实施例的控制电路，通过使得功率管的开通和关断均受表征误差信号的补偿信号和电流采样信号的比较结果控制，并且时钟信号受开关控制信号控制产生，从而在最小导通时间限制下实现自适应降频，以实现更小的占空比；在最小关断时间限制下实现自适应降频，以实现更大的占空比。
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为本发明实施例的控制电路的电路框图；
图2为本发明实施例的第一种控制电路的电路图；
图3为本发明实施例的示例电流采样电路的电路图；
图4为本发明实施例的第一种控制电路工作于最小导通时间的工作波形图；
图5为本发明实施例的第一种控制电路工作于最小关断时间的工作波形图；
图6为本发明实施例的第二种控制电路的电路图；
图7为本发明实施例的第二种控制电路工作于最小导通时间的工作波形图；
图8为本发明实施例的第三种控制电路的电路图；
图9为本发明实施例的第三种控制电路工作于最小导通时间的工作波形图；
图10为本发明实施例的第三种控制电路工作于最小关断时间的工作波形图；
图11为本发明实施例第四种控制电路的电路图；以及
图12为本发明实施例的第四种控制电路工作于最小关断时间的工作波形图。
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1为本发明实施例的控制电路的电路框图。如图1所示，常见的电流控制方式有峰值电流控制和谷值电流控制，在此以峰值电流控制为例进行说明，本领域技术人员在本发明公开的技术方案的基础上可以很容易地将其应用到谷值电流控制上。如图1所示，以开关变换器为buck变换器为例，应理解，其他任何可以采用峰值/谷值电流控制的开关变换器均可适用，本发明对此不作限制。
控制电路被配置为控制所述开关变换器工作于第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态，其中在第一工作状态下，控制电路被配置为控制开关变换器的开关周期保持不变，并且控制开关变换器中功率管在每个开关周期内的导通时间不小于最小导通时间，并且关断时间不小于最小关断时间；在第二工作状态下，控制电路被配置为在每个开关周期中控制功率管的导通时间为最小导通时间Ton_min，并调节所述开关周期以进一步减小占空比；以及在第三工作状态下，控制电路被配置为在每个开关周期中控制功率管的关断时间为最小关断时间Toff_min，并调节开关周期以进一步增加占空比。
控制电路包括反馈控制电路1和计时电路2。其中反馈控制电路1用于根据表征输出电压Vo的反馈信号Vfb与基准信号Vref的误差的补偿信号以及表征电感电流iL的电流采样信号CS来控制开关变换器中功率管的开通，并且根据补偿信号以及电流采样信号CS来控制功率管的关断，其中功率管的导通时间不小于最小导通时间Ton_min，关断时间不小于最小关断时间Toff_min。计时电路2用于在每个开关周期中当计时时间达到预定时间后产生有效的时钟信号CLK并传递至反馈控制电路1。计时电路2在每个开关周期中受开关控制信号PWM控制而清零，其中开关控制信号PWM用于控制功率管的开通和关断。
具体地，反馈控制电路1包括电流控制电路11和PWM产生电路3。电流控制电路11用于根据反馈信号Vfb与基准信号Vref的误差产生补偿信号，进而将补偿信号与电流采样信号CS比较以产生第一比较信号CMP1和第二比较信号CMP2。在一种实施方式中，获取在整个周期内与电感电流iL同步变化的电流采样信号，例如，直接采样流过电感L的电流iL以获取电流采样信号CS；或者，产生与电感电流iL同步变化的三角波信号以作为电流采样信号CS。在这种情况下，第二比较信号CMP2等于第一比较信号CMP1。在另一种实施方式中，通过采样流过功率管的电流来获取电流采样信号，其中电流采样信号包括表征上升阶段的电感电流的第一电流采样信号CS1和表征下降阶段的电感电流的第二电流采样信号CS2。在这种情况下，通过将第一电流采样信号CS1和补偿信号比较来产生第一比较信号CMP1，通过将第二电流采样信号CS2和补偿信号比较来产生第二比较信号CMP2。
PWM产生电路3用于根据第一比较信号CMP1、第二比较信号CMP2和时钟信号CLK来产生开关控制信号PWM，此外，PWM产生电路3还受最小导通时间Ton_min和最小关断时间Toff_min限制，从而使得buck变换器中功率管的最小导通时间不小于Ton_min，最小关断时间不小于Toff_min。具体地，PWM产生电路3包括复位信号产生电路31、置位信号产生电路32和RS触发器33。其中复位信号产生电路31用于至少根据第一比较信号CMP1产生复位信号rst，置位信号产生电路32用于至少根据第二比较信号CMP2产生置位信号set。在不同的电流控制模式下，复位信号产生电路31和置位信号产生电路32分别受时钟信号CLK、最小导通时间Ton_min和最小关断时间Toff_min中的至少一个控制。RS触发器33则用于根据置位信号set产生有效的开关控制信号PWM，以控制主功率管HS开通，同步管LS关断，以及根据复位信号rst产生无效的开关控制信号PWM，以控制主功率管HS关断，同步管LS开通。应理解，同步管LS也可以为二极管。
在此需要说明的是，开关变换器的电流控制模式存在峰值电流模式和谷值电流模式。在峰值电流模式下，当buck变换器处于第一工作状态下(即定频工作)时，电流采样信号CS大于补偿信号时控制主功率管关断，时钟信号CLK控制主功率管开通。在谷值电流模式下，当buck变换器处于第一工作状态下(即定频工作)时，电流采样信号CS小于补偿信号时控制主功率管HS开通，时钟信号CLK控制主功率管关断。因此，在峰值电流模式下，计时电路2受开关控制信号PWM的上升沿控制而清零并开始计时，也即计时电路2在每个开关周期中主功率管HS导通时刻受控从零开始计时，当计时时间达到预定时间后产生有效的时钟信号CLK。在谷值电流模式下，计时电路2受开关控制信号PWM的下降沿(即其反信号的上升沿)控制而清零并开始计时，也即计时电路2在每个开关周期中主功率管HS的关断时刻受控从零开始计时，当计时时间达到预定时间后产生有效的时钟信号CLK。
同时，在峰值电流模式下，复位信号产生电路31用于在第一比较信号CMP1有效且主功率管HS的导通时间满足最小导通时间Ton_min时产生有效的复位信号rst。置位信号产生电路32用于在时钟信号CLK有效(计时时间达到预定时间)、主功率管HS的关断时间满足最小关断时间Toff_min并且第二比较信号CMP2无效时产生有效的置位信号set。在谷值电流模式下，置位信号产生电路32用于在第二比较信号CMP2有效且主功率管HS的关断时间满足最小关断时间Toff_min时产生有效的置位信号set，以控制所述主功率管HS的开通。复位信号产生电路31用于在时钟信号CLK有效(计时时间达到预定时间)、主功率管HS的导通时间满足最小导通时间Ton_min并且第一比较信号CMP1无效时产生有效的复位信号rst。
此外，控制电路还包括驱动电路，用于接收开关控制信号PWM，并产生驱动信号以驱动开关变换器中的各个功率管。
图2给出了本发明实施例的第一种控制电路的电路图。如图2所示，以峰值电流模式下获取在整个周期内与电感电流iL同步变化的电流采样信号CS为例进行说明。控制电路包括电流控制电路11、计时电路2和PWM产生电路3。电流控制电路11包括误差放大器Gm，用于获取表征输出电压Vo的反馈信号Vfb和基准信号Vref的误差，并经补偿后在输出端产生补偿信号Vc。电流控制电路11还包括比较器cmp1，用于将电流采样信号CS与补偿信号Vc比较，以输出第一比较信号CMP1和第二比较信号CMP2，在本实施例中，第一比较信号CMP1和第二比较信号CMP2为相同的信号，且当电流采样信号CS大于补偿信号Vc时，第一比较信号CMP1和第二比较信号CMP2均有效。
计时电路2包括计时信号产生电路21和比较器cmp2，其中计时信号产生电路21被配置为在每个开关周期中主功率管HS的开通时刻开始计时，并产生表征计时时间的计时信号Vt。比较器cmp2将计时信号Vt与一阈值信号Vth比较，其中阈值信号Vth用以表征预定时间，当计时信号Vt达到阈值信号Vth时，代表计时时间达到预定时间，即产生有效的时钟信号CLK。在本实施例中，计时信号产生电路21通过在每个开关周期主功率管开通时刻使电容Ct放电清零，此后利用电流源It给电容Ct充电以在电容Ct上产生计时信号Vt。在一种实施方式中，计时信号产生电路21包括并联连接的电容Ct、电流源It、开关Kt以及单脉冲触发器oneshot，其中，单脉冲触发器oneshot受开关控制信号PWM的上升沿触发而产生一脉冲信号用于控制开关Kt导通。应理解，其他可以实现周期计时功能的电路同样包括在本发明的保护范围内。
PWM产生电路3包括复位信号产生电路31、置位信号产生电路32以及RS触发器33。具体地，复位信号产生电路31包括最小导通时间控制电路，用于控制主功率管HS的导通时间满足最小导通时间Ton_min，并当实际导通时间达到Ton_min时产生有效的最小导通时间检测信号VT1；以及与门电路U1，其接收最小导通时间检测信号VT1和第一比较信号CMP1，并在两者均有效时产生有效的复位信号rst，以控制主功率管关断。置位信号产生电路32包括反相器inv，用于接收第二比较信号CMP2并输出其反信号CMP2’；最小关断时间控制电路，用于控制主功率管的关断时间满足最小关断时间Toff_min，并当实际关断时间达到Toff_min时产生有效的最小关断时间检测信号VT2；以及与门电路U2，被配置为接收信号CMP2’、最小关断时间检测信号VT2以及时钟信号CLK，并在三者均有效时产生有效的置位信号set，以控制主功率管HS开通。也即，在本发明实施例中，置位信号set除了受时钟信号CLK和最小关断时间Toff_min控制之外，还将第二比较信号CMP2取反后作为置位信号set的产生条件。RS触发器33用于根据置位信号set产生有效的开关控制信号PWM，以控制主功率管HS开通，以及根据复位信号rst产生无效的开关控制信号PWM，以控制主功率管HS关断。
应理解，控制电路还包括电流采样电路以获取电流采样信号，其可以集成在控制电路的芯片内，也可以置于控制电路的芯片之外，本发明对此不作限制。
应理解，电感电流采样的方式有多种，在此不对其进行限制。可以直接对电感电流进行采样(未示出)，也可以通过产生与电感电流同步的三角波信号来表征电感电流，如图3所示。电流采样电路并联连接在电感L的两端，其包括串联的电阻R1和电容C1，以在电阻R1和电容C1的公共端产生与电感电流同步的三角波信号，以作为电流采样信号CS。应理解，其他能够产生与电感电流同步变化的信号的电路均在本发明的保护范围内。
下面结合图4来说明第一种控制电路工作于最小导通时间的工作波形图。如图4所示，整个工作过程分为两个区间，第一区间T1和第二区间T2。在第一区间T1内，buck变换器工作于定频模式(即第一工作状态)；在第二区间T2内，buck变换器工作于变频模式(在此为第二工作状态)。
在第一区间T1内，时钟信号CLK有效时，电流采样信号CS小于补偿信号Vc，因此第二比较信号CMP2的反信号CMP2’有效，并且关断时间满足最小关断时间，因此开关控制信号PWM在时钟信号CLK有效时置高。也即在该阶段内，第二比较信号CMP2没有影响置位，主功率管的开通由时钟信号CLK控制。当电流采样信号CS大于补偿信号Vc时，第一比较信号CMP1有效，同时由于最小导通时间检测信号VT1有效，因此复位信号rst有效以使得开关控制信号PWM置低。也即，主功率管的关断受补偿信号Vc和电流采样信号CS的比较结果确定，具体地，主功率管在电流采样信号CS大于补偿信号Vc时关断。
随着输入电压Vin的增加而远大于输出电压Vo，变换器进入第二区间T2。起初，由于buck变换器只能以最小导通时间Ton_min工作，会导致输出电压Vo飘高，则反馈信号Vfb升高，补偿信号Vc减小，如图4中所示。以一个开关周期为例，在t1时刻，开关控制信号PWM置高，最小导通时间控制电路中的计时器开始计时，主功率管导通，同步管关断，电感电流上升。当电流采样信号CS大于补偿信号Vc时，导通时间还未达到最小导通时间Ton_min，因此主功率管继续导通。电流采样信号CS继续上升直至t2时刻，导通时间达到Ton_min时，最小导通时间检测信号VT1有效，因此产生复位信号rst控制主功率管关断，同步管导通，此后电感电流开始下降。在t3时刻时钟信号CLK有效时，电流采样信号CS仍然大于补偿信号Vc，第二比较信号CMP2仍有效，从而时钟信号CLK无法触发产生置位信号set，此后时钟信号CLK保持为高电平。直到t4时刻，当电流采样信号CS下降至小于补偿信号Vc时，第二比较信号CMP2无效，其反信号CMP2’有效，同时最小关断时间检测信号VT2和时钟信号CLK有效，从而产生置位信号set。此时开关周期将大于预定时间TCLK。置位信号set的产生使得开关控制信号PWM由低置高，从而重置计时电路，时钟信号CLK置低，以重新开始计时。从图中可以看出，开关频率逐渐降低，最终使得输出电压Vo重新回到稳态。也即，在第二区间T2内，时钟信号CLK相当于被屏蔽，主功率管的开通受电流采样信号和补偿信号的比较结果确定，具体地，在电流采样信号CS小于补偿信号Vc时受控开通，并且导通时间达到最小导通时间Ton_min时关断。
图5给出了第一种控制电路工作于最小关断时间的工作波形图。同样，整个工作过程分为两个区间，第一区间T1和第二区间T2。在第一区间T1内，buck变换器工作于定频模式(即第一工作状态)；在第二区间T2内，buck变换器工作于变频模式(在此为第三工作状态)。由于在第一区间内的工作过程与上述实施例相同，在此不再描述。
随着输入电压Vin的减小，逐渐接近输出电压Vo，变换器进入第二区间T2。起初，由于buck变换器只能以最小关断时间Toff_min工作，导致输出电压Vo降低，则反馈信号Vfb减小，补偿信号Vc增大，如图5所示。以一个开关周期为例，在t1时刻，当开关控制信号PWM由低置高时，主功率管导通，同步管关断，电感电流上升，由于输入电压Vin和输出电压Vo比较接近，因此电流采样信号CS上升斜率减小，在t2时刻，计时时间达到预设时间，时钟信号CLK有效，但电流采样信号CS仍小于补偿信号Vc，因此无法触发复位信号rst的产生，主功率管继续导通，时钟信号CLK保持有效。在t3时刻，电流采样信号CS上升至大于补偿信号Vc时，由于最小导通时间检测信号VT1也有效，因此产生复位信号rst，使得开关控制信号PWM由高置低，主功率管关断，电流采样信号CS开始下降，最小关断时间控制电路中的计时器开始计时。在t4时刻，关断时间达到最小关断时间Toff_min，关断时间检测信号VT2有效，同时第二比较信号CMP2无效且时钟信号CLK仍有效，因此置位信号set产生，以使得开关控制信号PWM重新置高。从图中可以看出，开关周期大于预定时间TCLK。当开关控制信号PWM置高时，计时电路被复位，时钟信号CLK置低，重新开始计时。从图中可以看出，开关频率逐渐降低，最终使得输出电压Vo重新回到稳态。也即，在第二区间T2内，主功率管的关断受电流采样信号和补偿信号的比较结果确定，具体地，在电流采样信号CS大于补偿信号Vc时关断，当关断时间达到最小关断时间Toff_min时受控开通，时钟信号CLK相当于被屏蔽。
综上所述，本发明实施例的控制电路，通过使得功率管的开通和关断均受表征误差信号的补偿信号和电流采样信号的比较结果控制，并且时钟信号受开关控制信号控制产生，从而在最小导通时间限制下，自适应降频，以实现更小的占空比；在最小关断时间限制下，实现自适应降频，以实现更大的占空比。
图6给出了本发明实施例第二种控制电路的电路图。上述第一种控制电路通过获取在整个周期内与电感电流iL同步变化的电流采样信号CS为例进行说明，而在本实施例中，通过采样流过功率管的电流来表征电感电流。具体地，以buck变换器为例，在主功率管HS导通期间(电感电流iL上升阶段)，采样流过主功率管HS的电流以获取第一电流采样信号CS1，在同步管LS导通期间(电感电流iL下降阶段)，采样流过同步管的电流以获取第二电流采样信号CS2，从而可以根据第一和第二电流采样信号CS1和CS2共同来表征电感电流iL。如图6所示，电流控制电路11包括误差放大器Gm、比较器cmp1和比较器cmp3。其中误差放大器Gm用于获取反馈信号Vfb和基准信号Vref的误差，并经补偿后在输出端产生补偿信号Vc。比较器cmp1用于将第一电流采样信号CS1与补偿信号Vc比较，以在第一电流采样信号CS1大于补偿信号Vc时产生有效的第一比较信号CMP1。比较器cmp2用于将第二电流采样信号CS2与补偿信号Vc比较，以在第二电流采样信号CS2大于补偿信号Vc时产生有效的第二比较信号CMP2。其他电路结构均与图2所示的实施例相同，在此不再赘述。
图7给出了本发明实施例第二种控制电路工作于最小导通时间的工作波形图。与图4所示的波形图相比，区别在于，电流采样信号CS在此包括第一电流采样信号CS1(以虚线表示)和第二电流采样信号CS2(以实线表示)，且第一比较信号CMP1是当第一电流采样信号CS1大于补偿信号Vc时产生，第二比较信号CMP2是当第二电流采样信号CS2大于补偿信号Vc时产生。其他工作波形相同。同样，整个过程分为定频工作的第一区间T1(第一工作状态)和变频工作的第二区间T2(在此为第二工作状态)。
在第一区间T1中，时钟信号CLK有效时，第二电流采样信号CS2小于补偿信号Vc，因此第二比较信号CMP2的反信号CMP2’有效，并且最小关断时间检测信号VT2有效，因此开关控制信号PWM在时钟信号CLK有效时置高。也即在该区间内，第二比较信号CMP2没有影响置位，主功率管的开通由时钟信号CLK控制。当第一电流采样信号CS1大于补偿信号Vc时，由于最小导通时间检测信号VT1有效，因此复位信号rst有效以使得开关控制信号PWM置低，从而维持输出电压Vo不变。也即，主功率管的关断受补偿信号Vc和第一电流采样信号CS1的比较结果确定，具体地，主功率管在第一电流采样信号CS1大于补偿信号Vc时关断。
在第二区间T2中，在t1时刻，开关控制信号PWM置高时，最小导通时间控制电路中的计时器开始计时，主功率管导通，同步管关断，电感电流上升(第一电流采样信号CS1上升)。当第一电流采样信号CS1大于补偿信号Vc时，导通时间还未达到最小导通时间Ton_min，因此主功率管继续导通。第一电流采样信号CS1继续上升直至t2时刻，导通时间达到Ton_min时，最小导通时间检测信号VT1有效，因此产生复位信号rst以控制主功率管关断，同步管导通，此后电感电流开始下降，第二电流采样信号CS2开始起作用。在t3时刻，时钟信号CLK有效时，第二电流采样信号CS2仍然大于补偿信号Vc，因此第二比较信号CMP2仍有效，从而时钟信号CLK无法触发产生置位信号set，此后时钟信号CLK保持为高电平。直至t4时刻，第二电流采样信号CS2下降至小于补偿信号Vc时，第二比较信号CMP2无效，其反信号CMP2’有效，同时最小关断时间检测信号VT2和时钟信号CLK有效，从而产生置位信号set。此时开关周期将大于预定时间TCLK。置位信号set的产生使得开关控制信号PWM由低置高，从而重置计时电路，时钟信号CLK置低，以重新开始计时。从图中可以看出，开关频率逐渐降低，最终使得输出电压Vo重新回到稳态。也即，在第二区间T2内，时钟信号CLK相当于被屏蔽，主功率管的开通受电流采样信号和补偿信号的比较结果确定，具体地，在第二电流采样信号CS2小于补偿信号Vc时受控开通，并且导通时间达到最小导通时间Ton_min时关断。
从上述过程可知，无论采样流过功率管的电流还是获取整个周期内与电感电流同步的电流采样信号对控制上不会产生任何影响，因此对工作于最小关断时间Toff_min的过程(即第三工作状态)不再作阐述，本领域技术人员可以直接参考上一实施例得出。
图8给出了本发明实施例的第三种控制电路的电路图。以谷值电流模式下获取在整个周期内与电感电流iL同步变化的电流采样信号CS为例进行说明。与图2所示的第一种控制电路相比，区别在于：(1)第一比较信号CMP1和第二比较信号CMP2在补偿信号Vc大于电流采样信号CS时有效；(2)置位信号产生电路32被配置为在第二比较信号CMP2有效且主功率管的关断时间满足最小关断时间Toff_min时产生置位信号set，以控制主功率管的开通；复位信号产生电路31受控于时钟信号CLK、最小导通时间Ton_min以及第一比较信号CMP1，被配置为在第一比较信号CMP1无效、主功率管的导通时间满足最小导通时间Ton_min且时钟信号CLK有效(计时时间达到预定时间时)产生复位信号rst，以控制主功率管的关断；(3)计时电路2受开关控制信号PWM的反信号的上升沿控制而清零并开始计时，也即计时电路2在每个开关周期中主功率管关断时刻受控从零开始计时，当计时时间达到预定时间后产生有效的时钟信号CLK。其他电路与第一种控制电路相同，在此不作阐述。下面结合第三种控制电路的工作波形图来进一步说明。
图9给出了本发明实施例的第三种控制电路工作于最小导通时间的工作波形图。与上述相同，分为第一区间T1和第二区间T2。在第一区间T1内，buck变换器工作于定频模式(即第一工作状态)；在第二区间T2内，buck变换器工作于变频模式(在此为第二工作状态)。
在第一区间T1内，当开关控制信号PWM由高置低时，计时电路2开始计时，当电流采样信号CS小于补偿信号Vc时，产生置位信号set以使得开关控制信号PWM置高，主功率管导通，电感电流上升。当计时时间达到预定时间时，时钟信号CLK有效，由于此时导通时间大于最小导通时间Ton_min，最小导通时间检测信号VT1有效且电流采样信号CS大于补偿信号Vc，使得第一比较信号CMP1无效，因此复位信号rst有效以使得开关控制信号PWM置低。也即在第一区间T1内，主功率管的关断受时钟信号CLK控制，主功率管的开通受电流采样信号和补偿信号的比较结果确定，具体地，主功率管在电流采样信号CS小于补偿信号Vc时受控开通。
随着输入电压Vin的增加，当其远大于输出电压Vo时，变换器进入第二区间T2。以一个开关周期为例，在t1时刻，开关控制信号PWM置高时，主功率管导通，电感电流上升。当计时电路2的计时时间达到预设时间也即t2时刻，时钟信号CLK有效，但导通时间还未达到最小导通时间Ton_min，因此主功率管继续导通，电流采样信号CS继续上升，时钟信号CLK保持有效。在t3时刻，最小导通时间检测信号VT1有效，由于此时电流采样信号CS大于补偿信号Vc，因此第一比较信号CMP1无效，其反信号CMP1’为有效，因此开关控制信号PWM置低，使得主功率管关断。与此同时，时钟信号CLK受控置低，计时电路2重新开始计时。此后，电流采样信号CS开始下降，由于电流采样信号CS下降至小于补偿信号Vc所经历的时间变长，因此在t4时刻时钟信号CLK有效时，电流采样信号CS仍大于补偿信号Vc，从而时钟信号CLK无法触发复位且保持为高电平，因此开关周期变长。直至t5时刻，电流采样信号CS下降至小于补偿信号Vc，第二比较信号CMP2有效，因此置位信号set有效，使得开关控制信号PWM置高以控制主功率管导通。从图中可以看出，开关频率逐渐降低，最终使得输出电压Vo重新回到稳态。也即在第二区间T2内，主功率管的开通受电流采样信号和补偿信号的比较结果确定，具体地，主功率管在电流采样信号CS小于补偿信号Vc时受控开通，主功率管的关断相当于屏蔽了时钟信号CLK而受最小导通时间Ton_min控制，当导通时间达到最小导通时间Ton_min时受控关断。
图10给出了本发明实施例的第三种控制电路工作于最小关断时间的工作波形图。与上述相同，分为第一区间T1和第二区间T2。在第一区间T1内，buck变换器工作于定频模式(即第一工作状态)；在第二区间T2内，buck变换器工作于变频模式(在此为第三工作状态)。由于在第一区间T1的工作过程与上述实施例相同，在此不再描述。
在第二区间T2内，起初，由于buck变换器只能以最小关断时间Toff_min工作，导致输出电压Vo下降，则反馈信号Vfb减小，补偿信号Vc增大。以一个开关周期为例，在t1时刻，开关控制信号PWM置高，主功率管开通，电感电流上升。由于输入电压Vin和输出电压Vo比较接近，因此电流采样信号CS上升斜率减小。在t2时刻，计时时间达到预设时间，时钟信号CLK有效，但此时电流采样信号CS仍小于补偿信号Vc，因此第一比较信号CMP1有效，其反信号CMP1’无效，从而无法触发产生复位信号rst，主功率管继续导通，时钟信号CLK保持有效，此时开关周期增大。直至t3时刻，电流采样信号CS上升至大于补偿信号Vc时，第一比较信号CMP1无效，复位信号rst产生，开关控制信号PWM置低以使得主功率管关断。同时计时电路被清零，重新开始计时。此后电流采样信号CS小于补偿信号Vc，第二比较信号CMP2有效，在t4时刻，关断时间达到最小关断时间Toff_min，因此置位信号set产生，开关控制信号PWM置高，以使得主功率管开通。也即，在第二区间T2内，主功率管的关断受电流采样信号和补偿信号的比较结果确定，具体地，主功率管在电流采样信号CS大于补偿信号Vc时受控关断，当关断时间达到最小关断时间Toff_min时受控开通。
图11给出了本发明实施例第四种控制电路的电路图。与图8相比，图8中的控制电路通过获取在整个周期内与电感电流iL同步变化的电流采样信号CS，而在本实施例中，通过采样流过功率管的电流来表征电感电流。具体地，在buck变换器的主功率管导通期间(电感电流iL上升阶段)，采样流过主功率管的电流以获取第一电流采样信号CS1，在buck变换器的同步功率管导通期间(电感电流iL下降阶段)，采样流过同步功率管的电流以获取第二电流采样信号CS2，从而可以根据第一和第二电流采样信号CS1和CS2共同来表征电感电流iL。如图11所示，电流控制电路11包括误差放大器Gm、比较器cmp1和比较器cmp3。其中误差放大器Gm用于获取反馈信号Vfb和基准信号Vref的误差，并经补偿后在输出端产生补偿信号Vc。比较器cmp1用于将第一电流采样信号CS1与补偿信号Vc比较，以在第一电流采样信号CS1小于补偿信号Vc时产生有效的第一比较信号CMP1。比较器cmp2用于将第二电流采样信号CS2与补偿信号Vc比较，以在第二电流采样信号CS2小于补偿信号Vc时产生有效的第二比较信号CMP2。其他电路结构均与图8中的控制电路相同，在此不再赘述。
图12给出了本发明实施例的第四种控制电路工作于最小关断时间的工作波形图。与图10所示的波形图相比，区别在于，电流采样信号CS在此包括第一电流采样信号CS1(用虚线表示)和第二电流采样信号CS2(用实线表示)，且第一比较信号CMP1是当第一电流采样信号CS1小于补偿信号Vc而产生，第二比较信号CMP2是当第二电流采样信号CS2小于补偿信号Vc而产生。其他工作波形相同。同样，整个过程分为定频工作的第一区间T1(即第一工作状态)和变频工作的第二区间T2(在此为第三工作状态)。
在第一区间T1内，当第一电流采样信号CS1小于补偿信号Vc时，第一比较信号CMP1有效，且此时最小关断时间检测信号VT2有效，因此开关控制信号PWM置高，主功率管导通，电感电流上升。当计时时间达到预定时间时，时钟信号CLK有效，此时第二电流采样信号CS2大于补偿信号Vc，第二比较信号CMP2无效，同时最小导通时间检测信号VT1有效，因此复位信号rst产生，开关控制信号PWM置低，同时复位时钟信号CLK，重新计时，电感电流下降。
在第二区间T2内，在t1时刻，开关控制信号PWM置高，主功率管开通，电感电流上升。由于输入电压Vin和输出电压Vo比较接近，因此第一电流采样信号CS1上升斜率减小。在t2时刻，计时时间达到预设时间，时钟信号CLK有效，但此时第一电流采样信号CS1仍小于补偿信号Vc，因此第一比较信号CMP1有效，其反信号CMP1’无效，从而无法触发产生复位信号rst，主功率管继续导通，时钟信号CLK保持有效，此时开关周期增大。直至t3时刻，第一电流采样信号CS1上升至大于补偿信号Vc时，复位信号rst产生，开关控制信号PWM置低以使得主功率管关断。此后第二电流采样信号CS2小于补偿信号Vc，第二比较信号CMP2有效。在t4时刻，关断时间达到最小关断时间Toff_min因此，置位信号set产生，开关控制信号PWM置高，以使得主功率管开通。也即，在第二区间T2内，主功率管的关断受电流采样信号和补偿信号的比较结果确定，具体地，主功率管在第一电流采样信号CS1大于补偿信号Vc时受控关断，当关断时间达到最小关断时间Toff_min时受控开通。
无论采样流过功率管的电流还是获取整个周期内与电感电流同步的电流采样信号对控制上不会产生任何影响，因此对工作于最小导通时间Ton_min的过程(即第二工作状态)不再作阐述，本领域技术人员可以直接参考上一实施例得出。
综上所述，本发明实施例的控制电路，通过使得功率管的开通和关断均受表征误差信号的补偿信号和电流采样信号的比较结果控制，并且时钟信号受开关控制信号控制产生，从而在最小导通时间限制下实现自适应降频，以实现更小的占空比；在最小关断时间限制下实现自适应降频，以实现更大的占空比。
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 (21)

1.一种用于开关变换器的控制电路，其特征在于，所述控制电路被配置为控制所述开关变换器工作于第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态，其中
在所述第一工作状态下，所述控制电路被配置为控制所述开关变换器的开关周期保持不变，并且控制所述开关变换器中功率管在每个开关周期中的导通时间不小于最小导通时间，并且关断时间不小于最小关断时间；
在所述第二工作状态下，所述控制电路被配置为在每个开关周期中控制所述功率管的导通时间为所述最小导通时间，并调节所述开关周期以进一步减小占空比；以及
在所述第三工作状态下，所述控制电路被配置为在每个开关周期中控制所述功率管的关断时间为所述最小关断时间，并调节所述开关周期以进一步增加所述占空比。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，包括：
反馈控制电路，被配置为至少根据补偿信号以及与表征所述开关变换器的电感电流的电流采样信号来控制所述功率管的开通时刻，并且至少根据所述补偿信号和所述电流采样信号来控制所述功率管的关断时刻，其中所述补偿信号基于输出电压的反馈信号和基准信号的误差而产生。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，还包括：
计时电路，被配置为在每个开关周期中，当计时时间达到预定时间后产生时钟信号并传递至所述反馈控制电路，其中所述计时电路在每个开关周期中受开关控制信号控制而清零，所述开关控制信号用于控制所述功率管的开通和关断。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，当所述功率变换器处于所述第一工作状态，则所述功率管的开通和关断受所述时钟信号和所述电流采样信号与所述补偿信号的比较结果控制；当所述功率变换器处于所述第二工作状态，所述功率管的开通和关断受所述比较结果和所述最小导通时间控制；当所述功率变换器处于所述第三工作状态，所述功率管的开通和关断受所述比较结果和所述最小关断时间控制。
5.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，当所述控制电路处于峰值电流模式中时，在所述第一工作状态下，所述功率管的开通受所述时钟信号控制，所述主功率管的关断受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制；在所述第二工作状态下，所述功率管的开通受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制并在导通时间达到所述最小导通时间时关断；在所述第三工作状态下，所述功率管的关断受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制并在关断时间达到所述最小关断时间时开通。
6.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，当所述控制电路处于谷值电流模式中时，在所述第一工作状态下，所述功率管的关断受所述时钟信号控制，所述主功率管的开通受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制；在所述第二工作状态下，所述功率管的开通受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制并在导通时间达到所述最小导通时间时关断；在所述第三工作状态下，所述功率管的关断受所述电流采样信号和所述补偿信号的比较结果控制并在关断时间达到所述最小关断时间时开通。
7.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述反馈控制电路包括：
电流控制电路，被配置为对所述反馈信号和所述基准信号的误差进行补偿以产生补偿信号，并通过比较所述补偿信号与所述电流采样信号来产生第一和第二比较信号；以及
PWM产生电路，被配置为根据所述第一比较信号、所述第二比较信号、所述时钟信号、所述最小导通时间和所述最小关断时间来产生开关控制信号以控制所述开关变换器中功率管的开通和关断。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，还包括：
电流采样电路，被配置为获取在整个周期内与所述开关变换器的电感电流同步变化的电流采样信号。
9.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，所述电流采样电路被配置为采样所述开关变换器中的电感电流来获取所述电流采样信号。
10.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，所述电流采样电路被配置为产生与所述开关变换器中的电感电流同步变化的三角波信号以作为所述电流采样信号。
11.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，所述第一比较信号和所述第二比较信号相同。
12.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，还包括：
电流采样电路，被配置为采样流过所述开关变换器中功率管的电流来获取所述电流采样信号，其中所述电流采样信号包括表征上升阶段的电感电流的第一电流采样信号和表征下降阶段的电感电流的第二电流采样信号。
13.根据权利要求12所述的控制电路，其特征在于，所述电流控制电路被配置为将所述补偿信号与所述第一电流采样信号比较来产生所述第一比较信号，将所述补偿信号与所述第二电流采样信号比较来产生所述第二比较信号。
14.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述PWM产生电路包括：
复位信号产生电路，被配置为至少根据所述第一比较信号产生复位信号，以控制所述主功率管的关断；以及
置位信号产生电路，被配置为至少根据所述第二比较信号产生置位信号，以控制所述主功率管的开通。
15.根据权利要求14所述的控制电路，其特征在于，所述复位信号产生电路被配置为在所述第一比较信号有效且所述主功率管的导通时间满足最小导通时间时产生复位信号，以控制所述主功率管的关断；以及
所述置位信号产生电路被配置为在所述第二比较信号无效、所述主功率管的关断时间满足最小关断时间且所述计时时间达到所述预定时间时产生置位信号，以控制所述主功率管的开通。
16.根据权利要求15所述的控制电路，其特征在于，当在整个周期内与所述电感电流同步变化的电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第一和第二比较信号有效；当在整个周期内与所述电感电流同步变化的电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第一和第二比较信号无效。
17.根据权利要求15所述的控制电路，其特征在于，当表征上升阶段的电感电流的第一电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第一比较信号有效，当所述第一电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第一比较信号无效；当表征下降阶段的电感电流的第二电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第二比较信号有效，当所述第二电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第二比较信号无效。
18.根据权利要求14所述的控制电路，其特征在于，所述置位信号产生电路被配置为在所述第二比较信号有效且所述主功率管的关断时间满足最小关断时间时产生置位信号，以控制所述主功率管的开通；以及
所述复位信号产生电路，被配置为在所述第一比较信号无效、所述主功率管的导通时间满足最小导通时间且所述计时时间达到所述预定时间时产生复位信号，以控制所述主功率管的关断。
19.根据权利要求18所述的控制电路，其特征在于，当表征所述电感电流的电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第一和第二比较信号有效；当表征所述电感电流的电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第一和第二比较信号无效。
20.根据权利要求18所述的控制电路，其特征在于，当表征上升阶段的电感电流的第一电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第一比较信号有效，当所述第一电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第一比较信号无效；当表征下降阶段的电感电流的第二电流采样信号小于所述补偿信号时，所述第二比较信号有效，当所述第二电流采样信号大于所述补偿信号时，所述第二比较信号无效。
21.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述计时电路包括：
斜坡产生电路，被配置为使用电流源给电容充电，从而在所述电容上产生斜坡电压以表征所述计时时间，其中所述斜坡电压在每个开关周期中所述主功率管的开通时刻清零；以及
比较电路，被配置为将所述斜坡电压与表征所述预定时间的阈值信号比较，并在所述斜坡电压大于所述阈值信号时产生有效的时钟信号。
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