CN113890315A - 开关变换器的控制电路和控制方法以及开关变换器 - Google Patents

开关变换器的控制电路和控制方法以及开关变换器 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种开关变换器的控制电路和控制方法以及开关变换器。该控制电路包括逻辑电路、限流电路和关断控制电路，限流电路用于在电流检测信号大于限流阈值时反馈调节开关控制信号，将开关变换器的输出电流钳位在预设值，关断控制电路用于根据第一使能信号生成第二使能信号和触发信号，在第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，第二使能信号适于在预定的延迟时间之后将主开关管和同步开关管关断，触发信号适于在所述延迟时间内减小限流阈值，可以使得主开关管在更低的限流值下继续工作一段时间，减小电路中的电流，避免开关变换器关断时同步开关管中寄生体二极管导通而引起的闩锁效应，有利于提高开关变换器的稳定性和安全性。

Description

开关变换器的控制电路和控制方法以及开关变换器
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，更具体地，涉及一种开关变换器的控制电路和控制方法以及开关变换器。
背景技术
开关变换器是采用开关管控制储能元件的充放电过程实现供电，以及通过控制开关管的导通和关断的时间比来维持输出电压和/或输出电流稳定的电源。现有的开关变换器包括主开关管、同步开关管、电感和逻辑电路。逻辑电路用于控制主开关管和同步开关管的导通和关断状态，使得电感交替储存电能和供给电能，从而产生输出电压和/或输出电流。开关变换器容易形成模块化和小型化的集成电路，已经广泛地应用于手机、平板电脑和便携式媒体播放器的各种充电电源，以及用于驱动发光二极管(LED)的供电电源中。
如图1示出了现有技术的一种开关变换器的结构示意图。该开关变换器采用Boost拓扑。开关变换器100包括电感Lx、主开关管Mn、同步开关管Mp、输出电容Cout以及逻辑电路110。电感Lx和主开关管Mn串联连接在直流输入电压Vin和地之间，同步开关管Mp的第一端连接至电感Lx和主开关管Mn之间的节点，第二端连接至直流输出电压Vout端，输出电容Cout连接在同步开关管Mp的第二端和地之间。逻辑电路110用于产生开关控制信号PWM，以控制主开关管Mn和同步开关管Mp的导通和关断。开关变换器100工作时，主开关管Mn导通，同步开关管Mp关断，电感Lx开始储存电能；然后主开关管Mn关断，同步开关管Mp导通，电感Lx开始向输出电容Cout供给电能，使得直流输出电压Vout逐渐升高。
现有的开关变换器100具有以下问题：当开关变换器100关断时，主开关管Mn和同步开关管Mp均关断，此时电路中的电流从同步开关管Mp的衬底流向直流输出电压Vout端，当流经衬底的电流过大时，可能使得同步开关管Mp中漏端到源端的寄生体二极管D1导通，继而进一步使得同步开关管Mp中的寄生双极型晶体管被触发导通，同步开关管Mp出现闩锁效应，在电源和地之间形成低阻抗大电流的通路，导致器件无法正常工作，甚至烧毁器件的现象。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种开关变换器的控制电路和控制方法以及开关变换器，降低在开关变换器关断时会出现闩锁效应的风险，提高开关变换器的稳定性和安全性。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器包括主开关管和同步开关管，其中，所述控制电路包括：逻辑电路，用于产生开关控制信号，所述开关控制信号用于控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断；限流电路，通过检测流经所述主开关管的电流以得到电流检测信号，并在所述电流检测信号大于限流阈值时，反馈调节所述开关控制信号，将所述开关变换器的输出电流钳位在预设值；以及关断控制电路，用于接收第一使能信号，并根据所述第一使能信号生成第二使能信号和触发信号，其中，在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，所述第二使能信号适于在预定的延迟时间之后将所述主开关管和所述同步开关管关断，所述触发信号适于在所述延迟时间内减小所述限流阈值。
优选地，在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，所述第二使能信号在预定的延迟时间之内维持为有效状态，并在所述延迟时间之后切换至无效状态。
优选地，在所述第二使能信号处于无效状态的情况下，所述逻辑电路产生无效的开关控制信号，所述主开关管和所述同步开关管关断，在所述第二使能信号处于有效状态的情况下，所述逻辑电路产生有效的开关控制信号，控制所述主开关管和所述同步开关管交替导通和关断。
优选地，在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，所述关断控制电路向所述限流电路提供有效的触发信号，所述限流电路根据所述有效的触发信号减小所述限流阈值。
优选地，所述预定的延迟时间等于所述触发信号的有效电平时间。
优选地，所述关断控制电路包括：依次连接的第一反相器、一电阻、第二反相器以及第三反相器，所述第一反相器的输入端用于接收所述第一使能信号，所述第二反相器和所述第三反相器的中间节点用于提供所述第二使能信号；一电容，所述电容的第一端与所述电阻和所述第二反相器的中间节点连接，第二端接地；一或非门，所述或非门的第一输入端与所述第三反相器的输出端连接，第二输入端接收所述第一使能信号，输出端用于提供所述触发信号。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种开关变换器的控制方法，所述开关变换器包括主开关管和同步开关管，其中，所述控制方法包括：产生开关控制信号，所述开关控制信号用于控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断；检测流经所述同步开关管的电流以得到电流检测信号，并在所述电流检测信号大于限流阈值时，反馈调节所述开关控制信号，将所述开关变换器的输出电流钳位在预设值；以及接收第一使能信号，并根据所述第一使能信号生成第二使能信号和触发信号，其中，在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，所述第二使能信号适于在预定的延迟时间之后将所述主开关管和所述同步开关管关断，所述触发信号适于在所述延迟时间内减小所述限流阈值。
优选地，所述根据所述第一使能信号生成第二使能信号的步骤包括：在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，将所述第二使能信号在预定的延迟时间之内维持为有效状态，并在所述延迟时间之后切换至无效状态。
优选地，在所述第二使能信号处于无效状态的情况下，所述开关控制信号无效，所述主开关管和所述同步开关管关断，在所述第二使能信号处于有效状态的情况下，所述开关控制信号有效，所述主开关管和所述同步开关管交替导通和关断。
优选地，所述根据所述第一使能信号生成触发信号的步骤包括：在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，生成有效的触发信号。
优选地，所述预定的延迟时间等于所述触发信号的有效电平时间。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种开关变换器，包括主开关管、同步开关管以及上述的控制电路。
在本发明的开关变换器及其控制电路和控制方法中，当外部的第一使能信号从有效状态变为无效状态时，第二使能信号在一定的延迟时间内继续维持为有效状态，并在延迟时间之后切换至无效状态，使得开关变换器中各个电路可以在延迟时间内继续工作一段时间，同时限流电路根据触发信号在延迟时间内减小限流阈值，使得主开关管在更低的限流值下工作，降低电路中的电感电流，继而减小当主开关管和同步开关管均关断时流经同步开关管的衬底的电流，避免同步开关管中寄生体二极管导通而引起的闩锁效应，有利于提高开关变换器的稳定性和安全性。
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他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据现有技术的一种开关变换器的结构示意图；
图2示出根据本发明第一实施例的开关变换器的结构示意图；
图3示出图2中的关断控制电路的结构示意图；
图4示出图2中的开关变换器的波形图；
图5示出根据本发明第二实施例的一种开关变换器的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。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，它可以直接耦合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“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
在本申请中，开关管是工作开关模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。开关管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制开关管的导通和关断。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图2示出根据本发明第一实施例的开关变换器的电路示意图。该开关变换器200包括集成在同一集成电路芯片中的功率级电路和控制电路。功率级电路包括主开关管Mn、同步开关管Mp、电感Lx和输出电容Cout等分立元件，以及负载。控制电路包括逻辑电路210、限流电路220和关断控制电路230。
该开关变换器200用于为负载提供直流输出电压Vout。参照图2，功率级电路的电感Lx和主开关管Mn串联连接在直流输入电压Vin和地之间，同步开关管Mp的第一端连接至电感Lx和主开关管Mn之间的节点，第二端连接至直流输出电压Vout端，输出电容Cout连接在同步开关管Mp的第二端和地之间。主开关管Mn和同步开关管Mp的导通和关断受控于开关控制信号PWM，开关控制信号PWM例如为占空比信号。主开关管Mn例如采用N型场效应晶体管，同步开关管Mp例如采用P型场效应晶体管，在每个开关周期中，主开关管Mn和同步开关管Mp交替导通和关断，使得电感Lx交替储存电能和供给电能。开关变换器200开始工作时，主开关管Mn导通，同步开关管Mp关断，电感Lx开始储存电能。然后主开关Mn关断，同步开关管Mp导通，电感Lx开始向输出电容Cout供给电能，使得直流输出电压Vout逐渐升高。
在本发明其他实施例中，主开关管Mn和同步开关管Mp也可以是其他种类的晶体管，例如达林顿管、双极性晶体管以及绝缘栅双极性晶体管等。
逻辑电路210用于产生所述开关控制信号PWM，以控制主开关管Mn和同步开关管Mp的导通和关断。在一种实施例中，逻辑电路210根据开关变换器的输出电压和参考电压产生所述开关控制信号PWM。
限流电路220通过检测流经主开关管Mn的电流以得到电流检测信号Vs，将电流检测信号Vs与限流阈值进行比较，并在电流检测信号Vs大于限流阈值时向逻辑电路210提供有效的限流保护信号LIM，逻辑电路210根据所述限流保护信号LIM反馈调节所述开关控制信号PWM，将开关变换器200的输出电流钳位在预设值，以保护开关变换器200。在进一步的实施例中，开关变换器200还包括连接于主开关管Mn的第二端与地之间的检测电阻Rs。检测电阻Rs根据流经主开关管Mn的电流得到电流检测信号Vs，限流电路220通过监测检测电阻Rs上的压降来监测开关变换器的输出电流。
关断控制电路230包括输入端、第一输出端和第二输出端，输入端接收第一使能信号EN0，第一输出端根据第一使能信号EN0产生第二使能信号EN1，第二输出端用于输出触发信号Shot。其中，在第一使能信号EN0由有效状态切换至无效状态时，关断控制电路230在第二输出端输出有效的触发信号Shot，限流电路220根据有效的触发信号Shot减小所述限流阈值。
在本实施例中，第一使能信号EN0为外部控制开关变换器开启和关闭的信号，第二使能信号EN1为内部控制开关变换器开启和关闭的信号。进一步的，逻辑电路210包括使能端，逻辑电路210的使能端接收所述第二使能信号EN1，当第二使能信号EN1处于无效状态时，逻辑电路210不使能，也即逻辑电路210在第二使能信号EN1的控制下完全关断，逻辑电路210输出无效的开关控制信号PWM以关断主开关管Mn和同步开关管Mp，当第二使能信号EN1处于有效状态时，逻辑电路210根据开关变换器的输出电压和参考电压产生有效的开关控制信号PWM，以控制所述主开关管Mn和所述同步开关管Mp的导通和关断。
图3示出图2中的关断控制电路的结构示意图。参照图3，在一种实施例中，关断控制电路230包括反相器INV1-INV3、电阻R1、电容C1和或非门NOR。反相器INV1的输入端接收所述第一使能信号EN0，电阻R1的第一端与反相器INV1的输出端连接，电阻R1的第二端与反相器INV2的输入端连接，反相器INV2的输出端用于输出所述第二使能信号EN1。电容C1的第一端与电阻R1和反相器INV2的中间节点连接，第二端接地。反相器INV3的输入端与反相器INV2的输出端连接，输出端与或非门NOR的第一输入端连接，或非门NOR的第二输入端接收第一使能信号EN0，或非门NOR的输出端用于输出所述触发信号Shot。
图4示出图2中的开关变换器的控制电路的波形图。图4所示波形图从上到下依次为第一使能信号EN0、触发信号Shot以及第二使能信号EN1。在图4所示的实施例中，当第一使能信号EN0处于有效状态(高电平)，第二使能信号EN1处于有效状态(高电平)时，开关变换器正常运行；当第一使能信号EN0处于无效状态(低电平)，第二使能信号EN1处于无效状态(低电平)时，开关变换器关闭。在T1时刻，第一使能信号EN0从有效状态变为无效状态(从高电平变为低电平)，触发信号Shot变为有效(高电平)，第二使能信号EN1维持于有效状态(高电平)，此时开关变换器200中的各个电路继续工作，逻辑电路210使能工作，控制主开关管Mn和同步开关管Mp交替导通和关断，维持直流输出电压Vout的稳定，同时限流电路220根据有效的触发信号Shot减小限流阈值，以进一步减小开关变换器的输出电流的限流值。在时刻T2，第二使能信号EN1变为无效状态(低电平)，触发信号Shot变为无效(低电平)，此时开关变换器200中的各个电路不工作，逻辑电路210不使能，也即逻辑电路210输出无效的开关控制信号PWM将主开关管Mn和同步开关管Mp关断，将开关变换器200完全关闭。
在图4所示的实施例中，开关变换器200从检测到外部的使能信号到完全关闭的延迟时间Tdelay等于从T1时刻到T2时刻之间的时间间隔，此外，延时时间Tdelay也等于触发信号Shot的有效电平时间(高电平时间)，也即，第二使能信号EN1的下降沿与第一使能信号EN0的下降沿之间的延迟时间Tdelay等于触发信号Shot的有效电平时间。在一个实施例中，延迟时间Tdelay由以下公式得到：
Tdelay＝R1×C1
其中，R1表示电阻R1的电阻值，C1表示电容C1的电容值。在一种实施例中，通过调节电阻R1的电阻值和/或电容C1的电容值可以控制延迟时间Tdelay。
在上述的实施例中，以升压式开关变换电路为例对本发明进行说明，但是本领域的技术人员可以理解，本发明还用于任何拓扑，如Buck(降压)电路、Boost(升压)电路，Buck-Boost(升-降压)电路、Flyback(反激)电路以及Forward(正激)电路等。
图5示出根据本发明第二实施例的一种开关变换器的控制方法的流程示意图。参照图5，该开关变换器的控制方法包括步骤S01-步骤S04。
在步骤S01中，产生开关控制信号。
在步骤S02中，根据所述开关控制信号控制主开关管和同步开关管的导通和关断。
在步骤S03中，检测流经主开关管的电流以得到电流检测信号，并将电流检测信号与限流阈值进行比较。进一步的，本步骤还包括在所述电流检测信号大于限流阈值时产生有效的限流保护信号，并根据所述有效的限流保护信号反馈调节所述开关控制信号，将所述开关变换器的输出电流钳位在预设值。
在步骤S04中，接收第一使能信号，并根据第一使能信号生成第二使能信号和触发信号，第二使能信号适于在预定的延迟时间之后将主开关管和同步开关管关断，所述触发信号适于在延迟时间内减小限流阈值。
进一步的，本实施例的控制方法还包括当所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态时，所述第二使能信号在预定的延迟时间之内维持为有效状态，并在所述延迟时间之后切换至无效状态。在第二使能信号处于无效状态的情况下，开关控制信号无效，开关变换器中的主开关管和所述同步开关管关断，在第二使能信号处于有效状态的情况下，开关控制信号有效，开关变换器中的主开关管和所述同步开关管交替导通和关断。在进一步的实施例中，第二使能信号的下降沿与第一使能信号的下降沿之间的延迟时间等于触发信号的有效电平时间。
综上所述，在本发明的开关变换器及其控制电路和控制方法中，当外部的第一使能信号从有效状态变为无效状态时，第二使能信号在一定的延迟时间内继续维持为有效状态，并在延迟时间之后切换至无效状态，使得开关变换器中各个电路可以在延迟时间内继续工作一段时间，同时限流电路根据触发信号在延迟时间内减小限流阈值，使得主开关管在更低的限流值下工作，降低电路中的电感电流，继而减小当主开关管和同步开关管均关断时流经同步开关管的衬底的电流，避免同步开关管中寄生体二极管导通而引起的闩锁效应，有利于提高开关变换器的稳定性和安全性。
应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。
此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器包括主开关管和同步开关管，其中，所述控制电路包括：
逻辑电路，用于产生开关控制信号，所述开关控制信号用于控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断；
限流电路，通过检测流经所述主开关管的电流以得到电流检测信号，并在所述电流检测信号大于限流阈值时，反馈调节所述开关控制信号，将所述开关变换器的输出电流钳位在预设值；以及
关断控制电路，用于接收第一使能信号，并根据所述第一使能信号生成第二使能信号和触发信号，
其中，在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，所述第二使能信号适于在预定的延迟时间之后将所述主开关管和所述同步开关管关断，所述触发信号适于在所述延迟时间内减小所述限流阈值。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，所述第二使能信号在预定的延迟时间之内维持为有效状态，并在所述延迟时间之后切换至无效状态。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，在所述第二使能信号处于无效状态的情况下，所述逻辑电路产生无效的开关控制信号，所述主开关管和所述同步开关管关断，
在所述第二使能信号处于有效状态的情况下，所述逻辑电路产生有效的开关控制信号，控制所述主开关管和所述同步开关管交替导通和关断。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，所述关断控制电路向所述限流电路提供有效的触发信号，所述限流电路根据所述有效的触发信号减小所述限流阈值。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述预定的延迟时间等于所述触发信号的有效电平时间。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述关断控制电路包括：
依次连接的第一反相器、一电阻、第二反相器以及第三反相器，所述第一反相器的输入端用于接收所述第一使能信号，所述第二反相器和所述第三反相器的中间节点用于提供所述第二使能信号；
一电容，所述电容的第一端与所述电阻和所述第二反相器的中间节点连接，第二端接地；
一或非门，所述或非门的第一输入端与所述第三反相器的输出端连接，第二输入端接收所述第一使能信号，输出端用于提供所述触发信号。
7.一种开关变换器的控制方法，所述开关变换器包括主开关管和同步开关管，其中，所述控制方法包括：
产生开关控制信号，所述开关控制信号用于控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断；
检测流经所述主开关管的电流以得到电流检测信号，并在所述电流检测信号大于限流阈值时，反馈调节所述开关控制信号，将所述开关变换器的输出电流钳位在预设值；以及
接收第一使能信号，并根据所述第一使能信号生成第二使能信号和触发信号，
其中，在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，所述第二使能信号适于在预定的延迟时间之后将所述主开关管和所述同步开关管关断，所述触发信号适于在所述延迟时间内减小所述限流阈值。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述第一使能信号生成第二使能信号的步骤包括：
在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，将所述第二使能信号在预定的延迟时间之内维持为有效状态，并在所述延迟时间之后切换至无效状态。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在所述第二使能信号处于无效状态的情况下，所述开关控制信号无效，所述主开关管和所述同步开关管关断，
在所述第二使能信号处于有效状态的情况下，所述开关控制信号有效，所述主开关管和所述同步开关管交替导通和关断。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述第一使能信号生成触发信号的步骤包括：
在所述第一使能信号从有效状态切换至无效状态的情况下，生成有效的触发信号。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述预定的延迟时间等于所述触发信号的有效电平时间。
12.一种开关变换器，其特征在于，包括主开关管、同步开关管以及权利要求1-6任一项所述的控制电路。
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