CN114070016A - 开关电路及开关电路的控制方法 - Google Patents

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CN114070016A CN202110828004.9A CN202110828004A CN114070016A CN 114070016 A CN114070016 A CN 114070016A CN 202110828004 A CN202110828004 A CN 202110828004A CN 114070016 A CN114070016 A CN 114070016A
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Abstract

本发明公开了一种开关电路及开关电路的控制方法，通过计算开关电路中主功率开关管的工作开关周期与目标开关周期的差值，根据所述差值调整电感电流的上限值和/或下限值，以调整主功率开关管的开关时间，从而控制开关电路的开关频率与目标开关频率相一致，实现电路的频率稳定。本发明的开关电路控制方案能够根据电路的频率漂移情况调整工作开关频率，维持工作开关频率恒定，动态反应快，效果好。

Description

开关电路及开关电路的控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种开关电路及开关电路的控制方法。
背景技术
在当前开关电源的开关电路中，通过控制开关电路中主功率开关管的导通、关断来控制输出电压。开关电路包括BUCK(降压)电路、BOOST(升压)电路等电路结构。其中，图1为一种BUCK(降压)电路的电路结构示意图，如图1所示，所述BUCK电路包括第一开关管M00、第二开关管D00和电感L00，其中，第一开关管M00为主功率MOS管，第二开关管D00为续流二极管，Vin为BUCK电路的输入电压，Vout为BUCK电路的输出电压，通过驱动控制电路对第一开关管M00进行控制，在其他实施例中，所述第二开关管D00也可以为同步整流MOS管，通过驱动控制电路对第一开关管、同步整流MOS管进行控制。
图2a和2b为Buck开关电路中第一开关管导通信号TON和电感电流的波形图，第一开关管M00导通时，电感电流上升；第一开关管M00关断，续流二极管(或同步整流MOS管)导通时，电感电流下降。如图2a所示，电感电流的最低值大于0，则开关电路工作在连续导通模式(CCM)，如图2b所示，当电感电流的最低值为0，则电路工作在断续导通模式(DCM)，其中，当电感电流为0时，主开关MOS管和续流二极管都关断。
在开关电路某些应用中，希望保持第一开关管和第二开关管的开关周期T(或频率)尽可能不变，以防止开关电路工作在其他工作频率情况下对负载电路产生不利影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电路及开关电路的控制方法，用以解决现有技术存在的开关电路的频率不稳定的技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种开关电路，包括主功率开关管和控制电路，所述控制电路用以控制所述主功率开关管的开通和关断，所述开关电路通过所述主功率开关管的开通与关断将输入电压调整为预期的输出电压，所述控制电路包括：电感电流限值电路，所述电感电流限值电路根据输出电压反馈信号和基准电压信号获得第一补偿信号，并根据所述第一补偿信号和限值调整信号获得电感电流的限值；限值调整电路，接收开关信号和参考电压信号，根据所述开关信号和所述参考电压信号计算所述开关电路的工作开关周期和目标开关周期的时间差值，根据所述时间差值获得所述限值调整信号传输给所述电感电路限值电路；驱动控制电路，采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号，产生所述开关信号，所述开关信号用以控制所述主功率开关管的开通和关断。
优选地，所述限值调整信号与所述时间差值成比例关系。
优选地，所述电感电流的限值包括上限值和下限值，所述电感电流限值电路根据所述限值调整信号调整所述上限值和下限值的差值大小。
优选地，所述电感电流限值电路根据所述上限值和下限值的差值大小调整电感电流的上限值和/或下限值，以调整主功率开关管的开关时间。
优选地，所述限值调整电路包括短脉冲电路、计时电路、差值计算电路和调整信号产生电路，所述短脉冲电路接收所述开关信号，在所述开关信号的每一个开始导通时刻，产生一短脉冲信号；所述计时电路接收所述开关信号和所述参考电压信号，并据此产生第一脉冲信号；所述差值计算电路根据所述短脉冲信号和所述第一脉冲信号的到达时间获得所述时间差值；所述调整信号产生电路根据所述时间差值产生所述限值调整信号。
优选地，所述计时电路包括第一开关管、第一充电电容、第一充电电流源，所述第一开关管与所述第一充电电容并联，在所述开关信号的每一个开始导通时刻的预定时间后，所述第一充电电流源对所述第一充电电容进行充电，获得第一充电电压信号，所述第一充电电压信号达到所述参考电压信号时，产生所述第一脉冲信号，在所述开关信号的每一个开始导通时刻，所述第一开关管导通，所述第一充电电压信号复位。
优选地，所述计时电路包括第一计时电路和第二计时电路，所述第一计时电路和第二计时电路均包括一开关管、充电电容、充电电流源，所述开关管与所述充电电容并联，在所述开关信号的每一个开始导通时刻的预定时间后，所述第一计时电路和所述第二计时电路在交替的开关周期中通过所述充电电流源对所述充电电容进行充电，以获得第一充电电压信号和第二充电电压信号，所述第一充电电压信号和所述第二充电电压信号达到所述参考电压信号时，产生所述第一脉冲信号和第二脉冲信号，所述第一计时电路和所述第二计时电路在交替的开关周期中对所述第一充电电压信号和所述第二充电电压信号复位；所述差值计算电路根据所述短脉冲信号和所述第一脉冲信号或所述第二脉冲的到达时间获得所述时间差值。
优选地，所述电感电流限值电路包括补偿信号产生电路、幅值调节电路和限值输出电路，所述补偿信号产生电路接收所述输出电压反馈信号和所述基准电压信号获得所述第一补偿信号；所述幅值调节电路接收所述限值调整信号，以获得所述上限值和下限值的差值；所述限值输出电路根据所述第一补偿信号以及所述上限值和下限值的差值产生所述电感电流的上限值和/或下限值。
优选地，所述限值调整电路设置时间阈值，当获得的所述时间差值小于所述时间阈值时，则停止所述限值调整信号的传输。
第二方面，提供了一种开关电路的控制方法，所述开关电路通过主功率开关管的开通与关断将输入电压调整为预期的输出电压，所述控制方法包括步骤：接收开关信号和参考电压信号，根据所述开关信号和所述参考电压信号计算所述开关电路的工作开关周期和目标开关周期的时间差值，根据所述时间差值获得限值调整信号；接收输出电压反馈信号和基准电压信号获得第一补偿信号，接收所述第一补偿信号和所述限值调整信号获得电感电流的限值；采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号，产生所述开关信号，所述开关信号用以控制所述主功率开关管的开通和关断。
优选地，所述限值调整信号与所述时间差值成比例关系。
优选地，所述电感电流的限值包括上限值和下限值，根据所述限值调整信号调整所述上限值和下限值的差值大小。
优选地，根据所述上限值和下限值的差值大小调整电感电流的上限值和/或下限值，以调整主功率开关管的开关时间。
优选地，包括当所述时间差值表征所述开关电路的工作开关周期小于目标开关周期时，则所述限值调整信号用以增大所述上限值和下限值的差值。
当所述时间差值表征所述开关电路的工作开关周期大于目标开关周期时，则所述限值调整信号用以减小所述所述上限值和下限值的差值。
采用本发明的开关电路的电路结构，计算开关电路中主功率开关管的工作开关周期与目标开关周期的差值，根据差值调整电感电流的上下限值，以调整主功率开关管的开关时间，从而控制开关电路的开关频率与目标开关频率相一致，实现电路的频率稳定。
附图说明
图1为现有技术中的BUCK电路的电路框图；
图2a为现有技术中的BUCK电路工作在连续导通模式时的时序图；
图2b为现有技术中的BUCK电路工作在断续导通模式时的时序图；
图3为本发明第一实施例的开关电路的控制电路的电路结构示意图；
图4为本发明的控制电路的具体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图3为本发明第一实施例的开关电路的电路结构示意图，图4为本发明的控制电路的具体结构示意图。本实施例的开关电路包括功率级电路和控制电路，图3中功率级电路以Buck拓扑为例，所述功率级电路包括主功率开关管，如图3中M00为主功率开关管，所述Buck电路包括主功率开关管M00、第二开关管D00和电感L00，输入电压记为Vin，输出电压记为Vout，控制电路包括电感电流限值电路10、限值调整电路20和驱动控制电路30，控制电路产生开关信号用以控制主功率开关管M00的开通和关断，所Buck开关电路通过所述主功率开关管的开通与关断将输入电压调整为预期的输出电压。
一个实施例中，所述电感电流限值电路10根据输出电压反馈信号VFB和基准电压信号Vref1获得第一补偿信号Vc，并根据所述第一补偿信号Vc和限值调整信号Vctr获得电感电流的限值；所述电感电流的限值包括上限值和下限值，如上限值IM和下限值IL，所述电感电流限值电路根据所述限值调整信号调整所述上限值和下限值的差值大小，即调整△i的大小，并且，所述电感电流限值电路根据所述上限值和下限值的差值大小△i调整电感电流的上限值和/或下限值，以调整主功率开关管的开关时间。如图1所示，第一补偿信号Vc可通过比较器和第一电压转电流电路U01获得。
继续参考图3，在一实施例中，限值调整电路20接收开关信号T和参考电压信号Vref2，参考电压信号Vref2与目标开关周期相对应，根据所述开关信号和所述参考电压信号计算所述开关电路的工作开关周期和目标开关周期的时间差值△T，根据所述时间差值获得所述限值调整信号Vctrl传输给所述电感电路限值电路10。具体地，所述限值调整电路20包括短脉冲电路U04、计时电路U05、差值计算电路U06和调整信号产生电路U07，所述短脉冲电路U04接收所述开关信号，在所述开关信号的每一个开始导通时刻，产生一短脉冲信号V1，所述计时电路U05接收所述开关信号T和所述参考电压信号Vref2，并据此产生第一脉冲信号V2；所述差值计算电路U06根据所述短脉冲信号和所述第一脉冲信号的到达时间获得所述时间差值，所述调整信号产生电路根据所述时间差值产生所述限值调整信号。
这里，参考图4，为计时电路的一个具体实施例，所述计时电路所包括第一开关管K20、第一充电电容C20、第一充电电流源I20，所述第一开关管K20与所述第一充电电容并联C20，在所述开关信号的每一个开始导通时刻的预定时间后，所述第一充电电流源对所述第一充电电容进行充电，获得第一充电电压信号Vc20，所述第一充电电压信号Vc20达到所述参考电压信号Vref2时，产生所述第一脉冲信号V2，在所述开关信号的每一个开始导通时刻，所述第一开关管K20导通，所述第一充电电压信号Vc20复位。所述预定时间为设定的小时间段，以使得第一充电电压信号在下一个开关周期内能够从零开始。
参考图4为幅值调节调整电路U03的一个具体实施例，幅值调节电路U03包括电流源I40和电流源I41、电容C40、第二电压转电流电路U40，电流源I40用于给电容C40充电，电流源I41用于给电容C40放电，电容C40的端电压V3经过第二电压转电流电路U40转换后为差值电流△i，限流调整信号Vctr1和Vtr2分别控制开关K40和开关K41的开关状态，从而控制电容C40的充放电，可以控制差值电流△i的大小。
根据上述电路结构，在所述开关信号的每一个开始导通时刻产生短脉冲信号，即两个短脉冲时间的时间间隔为一个工作开关周期，计时电路在所述第一充电电压信号Vc20从零上升达到所述参考电压信号Vref2的时间为目标开关周期，当第一脉冲信号V2先于所述短脉冲信号到来时，则表征工作开关周期大于目标开关周期，则减小所述上限值和下限值的差值大小△i，例如通过限流调整信号控制开关K41导通，给电容C40放电实现减小差值大小△i，然后所述电感电流限值电路10根据所述上限值和下限值的差值大小调整电感电流的上限值和/或下限值，以调整主功率开关管的开关时间，例如通过减小上限值或增大下限值或同时减小上限值和增大下限值来减小工作开关周期，使得工作开关周期与目标开关周期一致，也即是开关频率与目标开关频率一致，维持了系统的频率恒定。反之，当第一脉冲信号V2后于所述短脉冲信号到来时，则表征工作开关周期小于目标开关周期，则增大所述上限值和下限值的差值大小△i，使得开关周期与目标开关周期一致，也即是使得开关频率与目标开关频率一致。
一个实施例中，所述限流调整信号与差值时间成比例关系，也即是，所述限流调整信号的高电平或低电平时间与所述差值时间一致，例如，当第一脉冲信号V2先于所述短脉冲信号到来时，差值时间为△T1，则所述限流调整信号控制K41导通的时间为△T1，可以根据开关电路周期的误差情况自适应地调节电流差值△i的大小，可以很好地解决开关电路中漏电流的问题，从而可以调整开关电路的开关频率，使得频率维持恒定。
在一个实施例中，所述计时电路包括第一计时电路和第二计时电路，所述第一计时电路和第二计时电路均包括一开关管、充电电容、充电电流源，所述开关管与所述充电电容并联，在所述开关信号的每一个开始导通时刻的预定时间后，所述第一计时电路和所述第二计时电路在交替的开关周期中通过所述充电电流源对所述充电电容进行充电，以获得第一充电电压信号和第二充电电压信号，所述第一充电电压信号和所述第二充电电压信号达到所述参考电压信号时，产生所述第一脉冲信号和第二脉冲信号，交替的开关周期指的是第一个开关周期第一计时电路充电，第二开关周期第二计时电路充电；所述第一计时电路和所述第二计时电路在交替的开关周期中对所述第一充电电压信号和所述第二充电电压信号复位；这里，第一计时电路和第二计时电路在交替的开关周期中对充电电容充电和复位，是指在第一个开关周期中，第一计时电路充电获得第一脉冲信号，在第二个开关周期中，第二计时电路充电获得第二脉冲信号，因此所述第一脉冲信号和第二脉冲信号也是在交替的开关周期中获得。所述差值计算电路根据所述短脉冲信号和所述第一脉冲信号或所述第二脉冲的到达时间获得所述时间差值。上述的计时方案设置两个计时电路，使得在工作开关周期小于目标开关周期时，使得其中计时电路得以复位，如此在每一个开关周期中，均有计时电路进行计时比较，可以在每个开个周期进行调整。
在另一个实施例中，所述限值调整电路设置时间阈值，当获得的所述时间差值小于所述时间阈值时，则停止所述限值调整信号的传输。这里，停止所述限值调整信号的传输可为切断所述限值调整信号的传输，或者是当获得的所述时间差值小于所述时间阈值时，则所述限值调整电路不产生所述限值调整信号。所述时间阈值为较小的一个时间值，如此，可使得在工作开关频率与期望开关频率相差不大的情况下，不需要对上限值或下限值进行调整，以提高系统的稳定性和响应速度。
继续参考图3，驱动控制电路30采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号，产生所述开关信号，所述开关信号用以控制所述主功率开关管的开通和关断。驱动控制电路30包括电感电流控制电路U08和驱动电路U09，电感电流控制电路采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号，产生所述开关信号T，所述电感电流的限值包括上限值和下限值，所述下限值可以为零；开关信号经过驱动电路U09转换为驱动信号，驱动信号用以控制所述主功率开关管的开通和关断。
本领域技术人员可知，调整主功率开关管的开关时间可调整其开关频率，从而调整开关电路的开关频率，目标开关周期与期望的开关频率相对应，因此，通过上述的控制方法可使得开关电路的开关频率为预定的恒定频率。
最后，本发明公开了一种开关电路的控制方法，所述开关电路通过主功率开关管的开通与关断将输入电压调整为预期的输出电压，所述控制方法包括步骤：
接收开关信号和参考电压信号，根据所述开关信号和所述参考电压信号计算所述开关电路的工作开关周期和目标开关周期的时间差值，根据所述时间差值获得限值调整信号；
接收输出电压反馈信号和基准电压信号获得第一补偿信号，接收所述第一补偿信号和所述限值调整信号获得电感电流的限值；
采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号，产生所述开关信号，所述开关信号用以控制所述主功率开关管的开通和关断。
优选地，所述限值调整信号与所述时间差值成比例关系。
优选地，所述电感电流的限值包括上限值和下限值，
根据所述限值调整信号调整所述上限值和下限值的差值大小。
优选地，根据所述上限值和下限值的差值大小调整电感电流的上限值和/或下限值，以调整主功率开关管的开关时间。
优选地，包括当所述时间差值表征所述开关电路的工作开关周期小于目标开关周期时，则所述限值调整信号用以增大所述上限值和下限值的差值。
当所述时间差值表征所述开关电路的工作开关周期大于目标开关周期时，则所述限值调整信号用以减小所述所述上限值和下限值的差值。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种开关电路，包括主功率开关管和控制电路，所述控制电路用以控制所述主功率开关管的开通和关断，所述开关电路通过所述主功率开关管的开通与关断将输入电压调整为预期的输出电压，其特征在于，所述控制电路包括：
电感电流限值电路，所述电感电流限值电路根据输出电压反馈信号和基准电压信号获得第一补偿信号，并根据所述第一补偿信号和限值调整信号获得电感电流的限值；
限值调整电路，接收开关信号和参考电压信号，根据所述开关信号和所述参考电压信号计算所述开关电路的工作开关周期和目标开关周期的时间差值，根据所述时间差值获得所述限值调整信号传输给所述电感电路限值电路；
驱动控制电路，采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号，产生所述开关信号，所述开关信号用以控制所述主功率开关管的开通和关断。
2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述限值调整信号与所述时间差值成比例关系。
3.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述电感电流的限值包括上限值和下限值，
所述电感电流限值电路根据所述限值调整信号调整所述上限值和下限值的差值大小。
4.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，所述电感电流限值电路根据所述上限值和下限值的差值大小调整电感电流的上限值和/或下限值，以调整主功率开关管的开关时间。
5.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，所述限值调整电路包括短脉冲电路、计时电路、差值计算电路和调整信号产生电路，
所述短脉冲电路接收所述开关信号，在所述开关信号的每一个开始导通时刻，产生一短脉冲信号；
所述计时电路接收所述开关信号和所述参考电压信号，并据此产生第一脉冲信号；
所述差值计算电路根据所述短脉冲信号和所述第一脉冲信号的到达时间获得所述时间差值；
所述调整信号产生电路根据所述时间差值产生所述限值调整信号。
6.根据权利要求5所述的开关电路，其特征在于，所述计时电路包括第一开关管、第一充电电容、第一充电电流源，所述第一开关管与所述第一充电电容并联，
在所述开关信号的每一个开始导通时刻的预定时间后，所述第一充电电流源对所述第一充电电容进行充电，获得第一充电电压信号，
所述第一充电电压信号达到所述参考电压信号时，产生所述第一脉冲信号，
在所述开关信号的每一个开始导通时刻，所述第一开关管导通，所述第一充电电压信号复位。
7.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，所述计时电路包括第一计时电路和第二计时电路，
所述第一计时电路和第二计时电路均包括一开关管、充电电容、充电电流源，所述开关管与所述充电电容并联，
在所述开关信号的每一个开始导通时刻的预定时间后，所述第一计时电路和所述第二计时电路在交替的开关周期中通过所述充电电流源对所述充电电容进行充电，以获得第一充电电压信号和第二充电电压信号，
所述第一充电电压信号和所述第二充电电压信号达到所述参考电压信号时，产生所述第一脉冲信号和第二脉冲信号，
所述第一计时电路和所述第二计时电路在交替的开关周期中对所述第一充电电压信号和所述第二充电电压信号复位；
所述差值计算电路根据所述短脉冲信号和所述第一脉冲信号或所述第二脉冲的到达时间获得所述时间差值。
8.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，所述电感电流限值电路包括补偿信号产生电路、幅值调节电路和限值输出电路，
所述补偿信号产生电路接收所述输出电压反馈信号和所述基准电压信号获得所述第一补偿信号；
所述幅值调节电路接收所述限值调整信号，以获得所述上限值和下限值的差值；
所述限值输出电路根据所述第一补偿信号以及所述上限值和下限值的差值产生所述电感电流的上限值和/或下限值。
9.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，所述限值调整电路设置时间阈值，当获得的所述时间差值小于所述时间阈值时，则停止所述限值调整信号的传输。
10.一种开关电路的控制方法，所述开关电路通过主功率开关管的开通与关断将输入电压调整为预期的输出电压，其特征在于，所述控制方法包括步骤：
接收开关信号和参考电压信号，根据所述开关信号和所述参考电压信号计算所述开关电路的工作开关周期和目标开关周期的时间差值，根据所述时间差值获得限值调整信号；
接收输出电压反馈信号和基准电压信号获得第一补偿信号，接收所述第一补偿信号和所述限值调整信号获得电感电流的限值；
采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号，产生所述开关信号，所述开关信号用以控制所述主功率开关管的开通和关断。
11.根据权利要求10所述的开关电路的控制方法，其特征在于，所述限值调整信号与所述时间差值成比例关系。
12.根据权利要求10所述的开关电路的控制方法，其特征在于，所述电感电流的限值包括上限值和下限值，
根据所述限值调整信号调整所述上限值和下限值的差值大小。
13.根据权利要求12所述的开关电路的控制方法，其特征在于，
根据所述上限值和下限值的差值大小调整电感电流的上限值和/或下限值，以调整主功率开关管的开关时间。
14.根据权利要求12所述的开关电路的控制方法，其特征在于，包括
当所述时间差值表征所述开关电路的工作开关周期小于目标开关周期时，则所述限值调整信号用以增大所述上限值和下限值的差值。
当所述时间差值表征所述开关电路的工作开关周期大于目标开关周期时，则所述限值调整信号用以减小所述所述上限值和下限值的差值。
15.根据权利要求10所述的开关电路的控制方法，其特征在于，包括设置时间阈值，当获得的所述时间差值小于所述时间阈值时，则停止所述限值调整信号的传输。
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