CN114079377A - 功率变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种功率变换器及其控制电路和控制方法。控制电路包括状态检测电路、时钟电路和驱动电路，驱动电路用于在负载端的输出电压小于期望电压的情况下导通主开关管。其中，在负载端处于轻载状态的情况下，驱动电路还用于根据时钟信号的第一脉冲的有效边沿导通主开关管，并在电感电流上升至第一预设电流值时关断主开关管，在所述负载端未处于轻载状态的情况下，驱动电路还用于根据第一脉冲的有效边沿关断所述主开关管。通过在不同的负载状态下采用不同的控制模式，不仅可以提高轻载下系统的效率，而且在负载发生变化时，可以提高电路的动态响应速度，减小输出电压的纹波，提高电路的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，更具体地，涉及一种功率变换器及其控制电路和控制方法。
背景技术
功率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。现有的功率变换器包括主开关管、同步开关管、电感和逻辑模块。逻辑模块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。功率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功率变换器的电路示意图。该功率变换器采用Boost拓扑。功率变换器100包括电感Lx、主开关管M1、同步开关管M2、输出电容Cout、跨导放大器110、补偿网络120、PWM比较器130以及驱动电路140。电感Lx和主开关管M1串联连接在直流输入电压Vin和地之间，同步开关管M2的第一端连接至电感Lx和主开关管M1之间的节点，第二端与外部负载端RL连接，输出电容Cout连接在同步开关管M2的和地之间。电阻Rs1和电阻Rs2用于得到表征输出电压Vout的大小的反馈信号VFB，跨导放大器110用于得到基准电压VREF和反馈信号VFB之间的误差信号，补偿网络120根据该误差信号得到补偿电压VC，PWM比较器130根据补偿信号VC和斜坡信号VRAM1得到PWM开关信号，驱动电路140根据PWM开关信号产生第一开关信号Non和第二开关信号Pon，以分别控制主开关管M1和同步开关管M2的导通和关断。
谷底电流模式的功率变换器在工作时，首先由一时钟信号关断主开关管M1，导通同步开关管M2，电感Lx开始向输出电容Cout供给电能，电感电流开始降低，PWM比较器130将采样同步开关管M2的电流与跨导放大器110的输出进行比较，触发PWM开关信号之后，关断同步开关管M2，导通主开关管M1，电感Lx开始储存电能。
这种典型的功率变换器虽然工作原理简单，所用器件少，成本低，但是该电路存在一定的问题，主要体现在电路会产生一定的损耗，主要包括控制电路部分损耗、主开关管M1和同步开关管M2的导通损耗、开关损耗、驱动主开关管M1和同步开关管M2的损耗、死区时间损耗以及外部元件损耗。而现有的功率变换器为了保证在轻载模式和重载模式之间可以平滑切换，在轻载模式和重载模式下都采用脉冲宽度调制模式(phase width modulation，PWM)进行驱动，因此，不管外部负载是处于轻载模式还是重载模式，输出电感都是工作在电流连续模式(CCM)，即电感电流始终大于零。在电感电流处于连续模式下时，开关管的导通周期(频率)不变，与时钟频率相同，功率变换器仅通过调节输出占空比来达到调节电路的输出功率的目的。而开关管每次导通或者关断时，都需要消耗一定的功耗，因此电路中会产生一定的损耗，当功率变换器工作在重载模式下，由于输出功率较大，开关管的导通损耗占主要作用，因此开关管的开关损耗对电路的影响相对较小，随着负载电流的降低，开关损耗对电路的影响逐渐增大，因此在轻载模式下，由于开关损耗的问题，导致电路的功耗较大，降低了轻载模式下的效率。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种功率变换器及其控制电路和控制方法，不仅可以提高轻载下系统的效率，而且在负载发生变化时，可以提高电路的动态响应速度，减小输出电压的纹波，提高电路的稳定性。
根据本发明的第一方面，提供了一种功率变换器的控制电路，所述功率变换器包括主开关管、同步开关管和电感，所述电感在所述主开关管被导通，所述同步开关管被关断的情况下获得电能，并在所述主开关管被关断，所述同步开关管被导通的情况下向负载端提供电能，其中，所述控制电路包括：状态检测电路，适于通过检测所述电感的电感电流判断所述负载端是否处于轻载状态；时钟电路，提供具有多个第一脉冲的时钟信号，相邻的所述第一脉冲的有效边沿限定时钟周期；驱动电路，用于在所述负载端的输出电压小于期望电压的情况下导通所述主开关管，其中，在所述负载端处于轻载状态的情况下，所述驱动电路还用于根据所述第一脉冲的有效边沿导通所述主开关管，并在所述电感电流上升至第一预设电流值时关断所述主开关管；在所述负载端未处于轻载状态的情况下，所述驱动电路还用于根据所述第一脉冲的有效边沿关断所述主开关管。
优选地，所述驱动电路还适于在所述电感电流下降至第二预设电流值时关断所述主开关管和所述同步开关管。
优选地，所述控制电路还包括：反馈控制电路，适于将所述输出电压与所述期望电压进行比较，并在所述输出电压小于等于所述期望电压时，向所述驱动电路提供有效的反馈控制信号，所述驱动电路根据所述反馈控制信号的有效脉冲导通所述主开关管。
优选地，所述状态检测电路包括：电流检测模块，适于在所述电感电流上升至所述第一预设电流值时生成有效的第一触发信号，并在所述电感电流下降至所述第二预设电流值时生成有效的第二触发信号；以及状态判断模块，适于在检测到所述第一触发信号的有效脉冲时产生第一电平的轻载检测信号，以及在检测到所述第二触发信号的有效脉冲时产生第二电平的轻载检测信号，其中，所述当所述轻载检测信号为第一电平的时表征所述负载端未处于轻载状态，当所述轻载检测信号为第二电平时表征所述负载端处于轻载状态。
优选地，所述驱动电路包括：第一控制信号发生模块，适于根据所述轻载检测信号和所述时钟信号产生第一控制信号；第二控制信号发生模块，适于根据所述轻载检测信号、所述时钟信号以及所述反馈控制信号产生第二控制信号；以及逻辑模块，适于根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述第二触发信号产生第一开关信号和第二开关信号，以分别控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断。
优选地，所述逻辑模块配置适于：根据第一电平的第一控制信号生成无效的第一开关信号和有效的第二开关信号，以关断所述主开关管，导通所述同步开关管，根据第二电平的第二控制信号生成有效的第一开关信号和无效的第二开关信号，以导通所述主开关管，关断所述同步开关管，以及根据所述第二触发信号的有效脉冲生成无效的第一开关信号和第二开关信号，以关断所述主开关管和所述同步开关管。
优选地，所述第一控制信号发生模块包括：一或非门，所述或非门的第一输入端接收所述时钟信号，第二输入端接收所述轻载检测信号；以及第一反相器，所述第一反相器的输入端与所述或非门的输出端连接，输出端用于输出所述第一控制信号。
优选地，所述第二控制信号发生模块包括：第二反相器，所述第二反相器的输入端接收所述时钟信号；第一与非门，所述第一与非门的第一输入端接收所述轻载检测信号，第二输入端与所述第二反相器的输出端连接；第三反相器，所述第三反相器的输入端接收所述反馈控制信号；以及第二与非门，所述第二与非门的第一输入端与所述第一与非门的输出端连接，第二输入端与所述第三反相器的输出端连接，输出端用于输出所述第二控制信号。
优选地，所述时钟电路包括：振荡器，用于产生所述时钟信号；以及时钟同步模块，用于在所述第二触发信号的有效脉冲在所述第一脉冲之后产生的情况下，根据所述第二触发信号的有效脉冲向所述振荡器提供一同步信号，所述振荡器根据所述同步信号生成第二脉冲，以实现所述时钟信号和所述第二触发信号的同步。
根据本发明的第二方面，提供了一种功率变换器的控制方法，所述功率变换器包括主开关管、同步开关管以及电感，其中，所述控制方法包括：通过检测所述电感的电感电流判断所述负载端是否处于轻载状态；提供具有多个第一脉冲的时钟信号，相邻的所述第一脉冲的有效边沿限定时钟周期；在所述负载端的输出电压小于期望电压的情况下导通所述主开关管，所述控制方法还包括：在所述负载端处于轻载状态的情况下，根据所述第一脉冲的有效边沿导通所述主开关管，并在所述电感电流上升至第一预设电流值时关断所述主开关管；在所述负载端未处于轻载状态的情况下，根据所述第一脉冲的有效边沿关断所述主开关管。
优选地，所述控制方法还包括：在所述电感电流下降至第二预设电流值时关断所述主开关管和所述同步开关管。
优选地，所述控制方法还包括：将所述输出电压与所述期望电压进行比较，并在所述输出电压小于等于所述期望电压时，提供有效的反馈控制信号，并根据所述反馈控制信号的有效脉冲导通所述主开关管。
优选地，所述通过检测所述电感的电感电流判断所述负载端是否处于轻载状态包括：在所述电感电流上升至所述第一预设电流值时生成有效的第一触发信号，并在所述电感电流下降至所述第二预设电流值时生成有效的第二触发信号；以及在检测到所述第一触发信号的有效脉冲时产生第一电平的轻载检测信号，以及在检测到所述第二触发信号的有效脉冲时产生第二电平的轻载检测信号，其中，所述当所述轻载检测信号为第一电平的时表征所述负载端未处于轻载状态，当所述轻载检测信号为第二电平时表征所述负载端处于轻载状态。
优选地，所述控制方法还包括：根据所述轻载检测信号和所述时钟信号产生第一控制信号；根据所述轻载检测信号、所述时钟信号以及所述反馈控制信号产生第二控制信号；以及根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述第二触发信号产生第一开关信号和第二开关信号，以分别控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断。
优选地，所述根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述第二触发信号控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断包括：在所述第一控制信号为第一电平的情况下生成无效的第一开关信号和有效的第二开关信号，以关断所述主开关管，导通所述同步开关管，在所述第二控制信号为第二电平的情况下生成有效的第一开关信号和无效的第二开关信号，以导通所述主开关管，关断所述同步开关管，以及根据所述第二触发信号的有效脉冲生成无效的第一开关信号和第二开关信号，以关断所述主开关管和所述同步开关管。
优选地，所述控制方法还包括：在所述第二触发信号的有效脉冲在所述第一脉冲之后产生的情况下，根据所述第二触发信号的有效脉冲产生一同步信号，并根据所述同步信号生成第二脉冲，以实现所述时钟信号和所述第二触发信号的同步。
根据本发明的第三方面，提供了一种功率变换器，包括：功率级电路以及上述的控制电路。
本发明的功率变换器的控制电路和控制方法具有以下有益效果。
该控制电路包括状态检测电路、时钟电路和驱动电路，状态检测电路通过检测电感的电感电流判断负载端是否处于轻载状态，时钟电路提供具有多个第一脉冲的时钟信号，驱动电路用于在负载端的输出电压小于期望电压的情况下导通主开关管。其中，在负载端处于轻载状态的情况下，驱动电路还用于根据第一脉冲的有效边沿导通主开关管，并在电感电流上升至第一预设电流值时关断主开关管，在所述负载端未处于轻载状态的情况下，驱动电路还用于根据第一脉冲的有效边沿关断所述主开关管。通过在不同的负载状态下采用不同的控制模式，不仅可以提高轻载下系统的效率，而且在负载发生变化时，可以提高电路的动态响应速度，减小输出电压的纹波，提高电路的稳定性。
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示出现有技术的一种功率变换器的电路示意图
图2示出根据本发明第一实施例的一种功率变换器的电路示意图；
图3示出图2中的时钟电路的电路示意图；
图4示出图2中的功率变换器的控制电路的波形图。
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示出了根据本发明实施例的一种功率变换器的电路示意图。在本实施例中，功率变换器以Boost变换器为例进行说明，本领域技术人员应当理解，其他拓扑，例如Buck拓扑、Buck-Boost拓扑均可适用在本发明中。该功率变换器200包括集成在同一集成电路芯片中的控制电路和功率级电路。功率级电路包括主开关管M1、同步开关管M2、电感Lx和电容Cout等分立元件，以及负载端RL。其中，主开关管M1和同步开关管M2均采用MOSFET。
该功率变换器200用于为负载端RL提供输出电压Vout。参照图2，功率级电路的电感Lx和主开关管M1串联连接在直流输入电压Vin和地之间，同步开关管M2的第一端连接至电感Lx和主开关管M1之间的节点，第二端与外部负载端RL连接，输出电容Cout连接在同步开关管M2的和地之间，主开关管M1和同步开关管M2用于向电感Lx提供充电和放电路径。控制电路用于产生第一开关信号Non和第二开关信号Pon，第一开关信号Non和第二开关信号Pon分别用于驱动主开关管M1和同步开关管M2。
在一种实施例中，主开关管M1例如采用N型场效应晶体管，同步开关管M2例如采用P型场效应晶体管。在每个开关周期中，当主开关管M1被导通，同步开关管M2被关断时，电感Lx获得电能；当主开关管M1被关断，同步开关管M2被导通时，电感Lx向负载端RL提供电能，通过调节第一开关信号Non和第二开关信号Pon的占空比，将输出电压Vout维持在恒定值。
在本发明其他实施例中，主开关管M1和同步开关管M2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。
参考图2，本发明实施例的控制电路包括状态检测电路201、反馈控制电路202、驱动电路203以及时钟电路204。
状态检测电路201通过检测所述电感Lx的电感电流判断所述负载端RL是否处于轻载状态。进一步的，状态检测电路201将电感电流ILx与第一预设电流值Iref1和第二预设电流值Iref2进行比较，根据比较结果判断负载的轻载状态，并产生轻载检测信号Light-load。
更进一步的，状态检测电路201包括电流检测模块211和状态判断模块212。电流检测模块211用于将电感电流ILx与第一预设电流值Iref1和第二预设电流值Iref2进行比较，并在电感电流ILx上升至第一预设电流值Iref1时产生有效的第一触发信号NTRIP，以及在电感电流ILx下降至第二预设电流值Iref2时产生有效的第二触发信号PTRIP。状态判断模块212用于在检测到第一触发信号NTRIP的有效脉冲时输出轻载检测信号Light-load为第一电平，以及在检测到第二触发信号PTRIP的有效脉冲时输出轻载检测信号Light-load为第二电平。其中，当轻载检测信号Light-load为第一电平时，表征负载端RL未处于轻载状态下；当轻载检测信号Light-load为第二电平时，表征负载端RL处于轻载状态下。
反馈控制电路202通过将输出电压Vout与期望电压Vref进行比较，根据比较结果产生反馈控制信号Main-TRIP。进一步的，反馈控制电路202包括稳压比较器OP1，稳压比较器OP1的反相输入端用于接收所述输出电压Vout，同相输入端用于接收期望电压Vref，并在输出电压Vout小于等于期望电压Vref时产生有效的反馈控制信号Main-TRIP。
时钟电路204用于提供具有多个第一脉冲的时钟信号CLKB，相邻的第一脉冲的有效边沿限定了一个时钟周期。
驱动电路203用于根据轻载检测信号Light-load、反馈控制信号Main-TRIP以及时钟信号CLKB产生第一开关信号Non和第二开关信号Pon，控制主开关管M1和同步开关管M2的导通和关断。
进一步的，驱动电路203被配置为：在轻载检测信号Light-load表征负载端RL处于轻载状态的情况下，驱动电路203还根据时钟信号CLKB的第一脉冲的有效边沿导通所述主开关管M1，并在所述第一触发信号NTRIP表征所述电感电流ILx上升至第一预设电流值Iref1时关断所述主开关管。在轻载检测信号Light-load表征负载端RL未处于轻载状态的情况下，驱动电路203还用于根据时钟信号CLKB的第一脉冲的有效边沿关断所述主开关管M1。
进一步的，驱动电路203包括：第一控制信号发生模块231、第二控制信号发生模块232和逻辑模块233。第一控制信号发生模块231适于根据轻载检测信号Light-load和时钟信号CLKB产生第一控制信号V1。第二控制信号发生模块232适于根据轻载检测信号Light-load、时钟信号CLKB以及反馈控制信号Main-TRIP产生第二控制信号V2。逻辑模块233适于根据第一控制信号V1、第二控制信号V2以及第二触发信号PTRIP产生第一开关信号Non和第二开关信号Pon，以分别控制主开关管M1和同步开关管M2的导通和关断。当第一控制信号V1为第一电平时，逻辑模块233产生无效的第一开关信号Non和有效的第二开关信号Pon，以关断主开关管M1，导通同步开关管M2；当第二控制信号V2为第二电平时，逻辑模块233产生有效的第一开关信号Non和无效的第二开关信号Pon，以导通主开关管M1，关断同步开关管M2；当第二触发信号PTRIP有效时，逻辑模块233产生无效的第二开关信号Pon，同时关断所述主开关管M1和所述同步开关管M2。
参照图2，第一控制信号发生模块231包括或非门NOR和反相器INV1。或非门NOR的第一输入端接收时钟信号CLKB，第二输入端接收轻载检测信号Light-load。反相器INV1的输入端与或非门NOR的输出端连接，输出端用于输出第一控制信号V1。
第二控制信号发生模块232包括反相器INV2、反相器INV3、与非门NAND1和与非门NAND2。反相器INV2的输入端接收时钟信号CLKB，输出端和与非门NAND1的第二输入端连接，与非门NAND1的第一输入端接收轻载检测信号Light-load，反相器INV3的输入端接收反馈控制信号Main-TRIP，输出端和与非门NAND2的第二输入端连接，与非门NAND2的第一输入端和与非门NAND1的输出端连接，输出端用于输出第二控制信号V2。
图3示出图2中的时钟电路的电路示意图。参考图3，时钟电路204包括振荡器241和时钟同步模块242。振荡器241用于产生时钟信号CLKB。时钟同步模块242用于根据时钟信号CLKB和第一触发信号NTRIP产生一同步信号SYNC。其中，在每个时钟周期中，时钟同步模块242用于在第一触发信号NTRIP的有效脉冲在时钟信号CLKB的第一脉冲之后产生的情况下，根据第一触发信号NTRIP的有效脉冲向振荡器241提供所述同步信号SYNC，振荡器242根据所述同步信号SYNC产生一新的时钟脉冲(例如第二脉冲)，以实现时钟信号CLKB和第一触发信号NTRIP的同步。
应当理解的是，第一电平可以是低电平，第二电平相对于第一电平为高电平，第一开关信号Non和第二开关信号Pon的有效电平高于第一电平，可以是高电平，只要是能够导通主开关管M1和同步开关管M2的电位即可。第一触发信号NTRIP、第二触发信号PTRIP以及反馈控制信号Main-TRIP的有效电平高于第二电平，可以是高电平，时钟信号CLKB的有效边沿为下降沿。
在上述实施例中，控制电路还适于根据反馈控制信号Main-TRIP自适应调节轻载模式下电感电流等于零的时间，当负载从轻载跳变为重载时，负载变化越大，反馈控制信号Main-TRIP的触发时间越提前，电感电流等于零的时间越短，从而能够自适应加快功率变换器200轻载模式和重载模式切换的动态响应速度。
图4示出图2中的功率变换器由轻载切换至重载的工作波形图。图4所示波形图从上到下依次为电感电流ILx、第二触发信号PTRIP、第一触发信号NTRIP、轻载检测信号Light-load、时钟信号CLKB、同步信号SYNC、反馈控制信号Main-TRIP、第一开关信号Non及第二开关信号Pon。下面结合图2和图4对本发明实施例的功率变换器的控制电路的工作原理进行说明。
在时间t0，时钟信号CLKB由高电平跳变为低电平，此时轻载检测信号Light-load为高电平，反馈控制信号Main-TRIP为低电平，表征此时负载端RL处于轻载状态，第一控制信号发生模块输出第一控制信号V1为高电平，第二控制信号发生模块输出第二控制信号V2为高电平，逻辑模块根据高电平的第二控制信号V2导通主开关管M1，在主开关管M1导通时(对应于第一开关信号Non的上升沿)，同步开关管M2关断，电感电流ILx上升。
在时间t1，电感电流ILx上升至第二预设电流值Iref2，第一触发信号NTRIP由低电平跳变为高电平，此时轻载检测信号Light-load由高电平为低电平。同时，同步信号SYNC变为高电平，对应于同步信号SYNC的上升沿，时钟信号CLKB再次由高电平翻转为低电平，实现了时钟信号CLKB与第一触发信号NTRIP的同步。第一控制信号发生模块根据低电平的轻载检测信号Light-load和低电平的时钟信号CLKB输出第一控制信号V1为低电平，逻辑模块根据低电平的第一控制信号V1关断主开关管M1，在主开关管在主开关管M1关断时(对应于第一开关信号Non的下降沿)，同步开关管M2导通，此时电感电流ILx大于零，因此电感电流ILx通过同步开关管M2中的体二极管续流，电感电流ILx下降。
在时间t2，电感电流ILx降低到第二预设电流值Iref2，第二触发信号PTRIP翻转为高电平，第一触发信号NTRIP维持为低电平，此时轻载检测信号Light-load由低电平变为高电平。同时，逻辑模块根据高电平的第二触发信号PTRIP关断同步开关管M2，而主功率管M1仍关断一定时间，则电感电流ILx断续，存在电感电流ILx等于零的一段时间。
在时间t3，时钟信号CLKB再次由高电平翻转为低电平，驱动电路根据时钟信号CLKB的下降沿导通主开关管M1，在主开关管M1导通时(对应于第一开关信号Non的上升沿)，同步开关管M2关断，电感电流ILx再次上升，功率变换器进入下一开关周期。
当功率变换器的负载逐渐加重时，反馈控制信号Main-TRIP的有效脉冲先于时钟信号CLKB的下降沿产生，驱动电路根据反馈控制信号Main-TRIP确定主开关管M1的导通时间，根据第一触发信号NTRIP确定主开关管M1的关断时间。
具体地，在时间t4，反馈控制信号Main-TRIP翻转为高电平，第二控制信号发生模块根据高电平的反馈控制信号Main-TRIP得到第二控制信号V2为高电平，逻辑模块根据高电平的第二控制信号V2导通主开关管M1，关断同步开关管M2，电感电流ILx逐渐增大。
在时间t5，电感电流ILx上升至第二预设电流值Iref2，第一触发信号NTRIP由低电平跳变为高电平，状态判断模块根据高电平的第一触发信号NTRIP输出轻载检测信号Light-load为低电平。时钟电路根据高电平的第一触发信号NTRIP输出同步信号SYNC为高电平，并根据同步信号SYNC产生一新的时钟信号CLKB。第一控制信号发生模块根据低电平的轻载检测信号Light-load和低电平的时钟信号CLKB输出第一控制信号V1为低电平，逻辑模块根据低电平的第一控制信号V1关断主开关管M1，导通同步开关管M2，电感电流ILx通过同步开关管M2中的体二极管续流，电感电流ILx下降。
在时间t6，反馈控制信号Main-TRIP再次翻转为高电平，驱动电路根据高电平的反馈控制信号Main-TRIP导通主开关管M1，关断同步开关管M2，电感电流ILx再次上升。
由上述可以看出，从时间t4开始，当功率变换器的负载端RL逐渐加重时，反馈控制信号Main-TRIP先于时钟信号CLKB产生，此时驱动电路根据反馈控制信号Main-TRIP确定主开关管M1的导通时间，根据第一触发信号NTRIP确定主开关管M1的关断时间，可以自适应调节功率变换器在轻载模式下电感电流等于零的时间。而且功率变换器的负载端RL变化越大，反馈控制信号Main-TRIP的触发时间越提前，电感电流等于零的时间越短(例如时间t6)，使得等效电感电流值变大，从而能够快速增大电感中存储的能量。
在时间t7，时钟信号CLKB翻转为低电平，此时轻载检测信号Light-load和反馈控制信号Main-TRIP为低电平，第一控制信号发生模块根据低电平的时钟信号CLKB和轻载检测信号Light-load输出第一控制信号V1为低电平，逻辑模块根据低电平的第一控制信号V1关断主开关管M1，导通同步开关管M2，电感电流ILx下降。
由上述可以看出，随着功率变换器的负载的进一步加重，时钟信号CLKB的第一脉冲晚于第一触发信号NTRIP的有效脉冲产生，此时驱动电路根据反馈控制信号Main-TRIP确定主开关管M1的导通时间，根据时钟信号CLKB的第一脉冲确定主开关管M1的关断时间。从而可以增大电感电流ILx的峰值，进一步增大等效电感电流值，使得电感中存储的能量进一步增大，从而可以满足大负载的需求。
在时间t8，反馈控制信号Main-TRIP再次翻转为高电平，第二控制信号发生模块根据高电平的反馈控制信号Main-TRIP和时钟信号CLKB输出第二控制信号V2为高电平，逻辑模块根据高电平的第二控制信号V2导通主开关管M1，关断同步开关管M2，电感电流ILx上升，此时电感电流ILx连续。
以上详细说明了可以自适应模式切换的控制方式的功率变换器的实现原理。同理，本发明还可以运用到自适应模式切换的控制方法，当负载从轻载跳变为重载时，负载变化越大，反馈控制信号的触发时间越提前，电感电流等于零的时间越短，从而能够自适应加快功率变换器轻载模式和重载模式切换的动态响应速度。
综上所述，在本发明实施例的功率变换器的控制电路和控制方法中，控制电路包括状态检测电路、时钟电路和驱动电路，状态检测电路通过检测电感的电感电流判断负载端是否处于轻载状态，时钟电路提供具有多个第一脉冲的时钟信号，驱动电路用于在负载端的输出电压小于期望电压的情况下导通主开关管。其中，在负载端处于轻载状态的情况下，驱动电路还用于根据第一脉冲的有效边沿导通主开关管，并在电感电流上升至第一预设电流值时关断主开关管，在所述负载端未处于轻载状态的情况下，驱动电路还用于根据第一脉冲的有效边沿关断所述主开关管。通过在不同的负载状态下采用不同的控制模式，不仅可以提高轻载下系统的效率，而且在负载发生变化时，可以提高电路的动态响应速度，减小输出电压的纹波，提高电路的稳定性。
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 (17)
1.一种功率变换器的控制电路，所述功率变换器包括主开关管、同步开关管和电感，所述电感在所述主开关管被导通，所述同步开关管被关断的情况下获得电能，并在所述主开关管被关断，所述同步开关管被导通的情况下向负载端提供电能，其特征在于，所述控制电路包括：
状态检测电路，适于通过检测所述电感的电感电流判断所述负载端是否处于轻载状态；
时钟电路，提供具有多个第一脉冲的时钟信号，相邻的所述第一脉冲的有效边沿限定时钟周期；
驱动电路，用于在所述负载端的输出电压小于期望电压的情况下导通所述主开关管，
其中，在所述负载端处于轻载状态的情况下，所述驱动电路还用于根据所述第一脉冲的有效边沿导通所述主开关管，并在所述电感电流上升至第一预设电流值时关断所述主开关管；在所述负载端未处于轻载状态的情况下，所述驱动电路还用于根据所述第一脉冲的有效边沿关断所述主开关管。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述驱动电路还适于在所述电感电流下降至第二预设电流值时关断所述主开关管和所述同步开关管。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，还包括：
反馈控制电路，适于将所述输出电压与所述期望电压进行比较，并在所述输出电压小于等于所述期望电压时，向所述驱动电路提供有效的反馈控制信号，所述驱动电路根据所述反馈控制信号的有效脉冲导通所述主开关管。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述状态检测电路包括：
电流检测模块，适于在所述电感电流上升至所述第一预设电流值时生成有效的第一触发信号，并在所述电感电流下降至所述第二预设电流值时生成有效的第二触发信号；以及
状态判断模块，适于在检测到所述第一触发信号的有效脉冲时产生第一电平的轻载检测信号，以及在检测到所述第二触发信号的有效脉冲时产生第二电平的轻载检测信号，
其中，所述当所述轻载检测信号为第一电平的时表征所述负载端未处于轻载状态，当所述轻载检测信号为第二电平时表征所述负载端处于轻载状态。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述驱动电路包括：
第一控制信号发生模块，适于根据所述轻载检测信号和所述时钟信号产生第一控制信号；
第二控制信号发生模块，适于根据所述轻载检测信号、所述时钟信号以及所述反馈控制信号产生第二控制信号；以及
逻辑模块，适于根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述第二触发信号产生第一开关信号和第二开关信号，以分别控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断。
6.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述逻辑模块配置适于：根据第一电平的第一控制信号生成无效的第一开关信号和有效的第二开关信号，以关断所述主开关管，导通所述同步开关管，
根据第二电平的第二控制信号生成有效的第一开关信号和无效的第二开关信号，以导通所述主开关管，关断所述同步开关管，以及
根据所述第二触发信号的有效脉冲生成无效的第一开关信号和第二开关信号，以关断所述主开关管和所述同步开关管。
7.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述第一控制信号发生模块包括：
一或非门，所述或非门的第一输入端接收所述时钟信号，第二输入端接收所述轻载检测信号；以及
第一反相器，所述第一反相器的输入端与所述或非门的输出端连接，输出端用于输出所述第一控制信号。
8.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述第二控制信号发生模块包括：
第二反相器，所述第二反相器的输入端接收所述时钟信号；
第一与非门，所述第一与非门的第一输入端接收所述轻载检测信号，第二输入端与所述第二反相器的输出端连接；
第三反相器，所述第三反相器的输入端接收所述反馈控制信号；以及
第二与非门，所述第二与非门的第一输入端与所述第一与非门的输出端连接，第二输入端与所述第三反相器的输出端连接，输出端用于输出所述第二控制信号。
9.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述时钟电路包括：
振荡器，用于产生所述时钟信号；以及
时钟同步模块，用于在所述第二触发信号的有效脉冲在所述第一脉冲之后产生的情况下，根据所述第二触发信号的有效脉冲向所述振荡器提供一同步信号，所述振荡器根据所述同步信号生成第二脉冲，以实现所述时钟信号和所述第二触发信号的同步。
10.一种功率变换器的控制方法，所述功率变换器包括主开关管、同步开关管以及电感，其特征在于，所述控制方法包括：
通过检测所述电感的电感电流判断所述负载端是否处于轻载状态；
提供具有多个第一脉冲的时钟信号，相邻的所述第一脉冲的有效边沿限定时钟周期；
在所述负载端的输出电压小于期望电压的情况下导通所述主开关管，
其中，所述控制方法还包括：
在所述负载端处于轻载状态的情况下，根据所述第一脉冲的有效边沿导通所述主开关管，并在所述电感电流上升至第一预设电流值时关断所述主开关管；在所述负载端未处于轻载状态的情况下，根据所述第一脉冲的有效边沿关断所述主开关管。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，还包括：
在所述电感电流下降至第二预设电流值时关断所述主开关管和所述同步开关管。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，还包括：
将所述输出电压与所述期望电压进行比较，并在所述输出电压小于等于所述期望电压时，提供有效的反馈控制信号，并根据所述反馈控制信号的有效脉冲导通所述主开关管。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述通过检测所述电感的电感电流判断所述负载端是否处于轻载状态包括：
在所述电感电流上升至所述第一预设电流值时生成有效的第一触发信号，并在所述电感电流下降至所述第二预设电流值时生成有效的第二触发信号；以及
在检测到所述第一触发信号的有效脉冲时产生第一电平的轻载检测信号，以及在检测到所述第二触发信号的有效脉冲时产生第二电平的轻载检测信号，
其中，所述当所述轻载检测信号为第一电平的时表征所述负载端未处于轻载状态，当所述轻载检测信号为第二电平时表征所述负载端处于轻载状态。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，还包括：
根据所述轻载检测信号和所述时钟信号产生第一控制信号；
根据所述轻载检测信号、所述时钟信号以及所述反馈控制信号产生第二控制信号；以及
根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述第二触发信号产生第一开关信号和第二开关信号，以分别控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断。
15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述第二触发信号控制所述主开关管和所述同步开关管的导通和关断包括：
在所述第一控制信号为第一电平的情况下生成无效的第一开关信号和有效的第二开关信号，以关断所述主开关管，导通所述同步开关管，
在所述第二控制信号为第二电平的情况下生成有效的第一开关信号和无效的第二开关信号，以导通所述主开关管，关断所述同步开关管，以及
根据所述第二触发信号的有效脉冲生成无效的第一开关信号和第二开关信号，以关断所述主开关管和所述同步开关管。
16.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，还包括：
在所述第二触发信号的有效脉冲在所述第一脉冲之后产生的情况下，根据所述第二触发信号的有效脉冲产生一同步信号，并根据所述同步信号生成第二脉冲，以实现所述时钟信号和所述第二触发信号的同步。
17.一种功率变换器，其特征在于，包括：功率级电路以及权利要求1-9任一项所述的控制电路。
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