CN114665711A - 开关变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents

开关变换器及其控制电路和控制方法 Download PDF

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CN114665711A CN202011538413.7A CN202011538413A CN114665711A CN 114665711 A CN114665711 A CN 114665711A CN 202011538413 A CN202011538413 A CN 202011538413A CN 114665711 A CN114665711 A CN 114665711A
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Abstract

本申请公开了一种开关变换器及其控制电路和控制方法。控制电路包括自适应导通时间控制电路、自适应导通频率控制电路、PWM信号产生电路、逻辑电路和驱动电路。逻辑电路将脉宽调制信号决定的关断时间与第一关断时间进行比较，并根据比较结果控制开关变换器工作在自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式，可以在直流输入电压和直流输出电压接近的时候，将开关变换器的导通时间延长，以使得开关变换器可以线性过渡到100％占空比，提高开关变换器的轻载效率和稳定性。

Description

开关变换器及其控制电路和控制方法
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及其控制电路和控制方法。
背景技术
随着电力电子产品的需求和半导体技术的发展，电源管理芯片在便携式电脑、移动电话、个人数字助理以及其他便携或非便携电子设备中的应用更加广泛。开关变换器采用功率开关管控制输入端向输出端的电能传输，因而可以在输出端提供恒定的输出电压和/或输出电流。在开关变换器中，由迟滞模式演化而来的基于纹波的恒定导通时间控制方法具有系统频率恒定、良好的轻载效率、快速的瞬态响应和易于实现的优点，因而近年来得到广泛的应用。
图1示出根据现有技术的一种开关变换器的示意性电路图。开关变换器100包括主电路和控制电路，主电路包括串联连接在输入端和接地端之间的主开关管MD1和同步开关管MD2，电感Lx连接在主开关管MD1和同步开关管MD2的中间节点和输出端之间，输出电容Cout连接在输出端和接地端之间。开关变换器100的输入端接收直流输入电压Vin，输出端提供直流输出电压Vout。开关变换器100的控制电路用于向主开关管MD1和同步开关管MD2提供开关驱动信号。
在开关变换器100的控制电路中，导通时间控制电路110设定开关周期Tsw的固定导通时间Ton，从而产生复位信号。最小关断时间控制电路120设定与预定输出电压和预定负载相对应的最小关断时间Toff_min(或最大开关频率)。误差放大器131根据直流输出电压Vout的反馈信号FB和参考电压Vref得到误差信号Vcomp，PWM比较器132将误差信号Vcomp与反馈信号FB进行比较以获得中间信号。与非门133的两个输入端分别接收比较器输出的中间信号和最小关断时间Toff_min，输出端提供置位信号。RS触发器140根据复位信号和置位信号产生开关信号SW。驱动电路150将开关信号SW转换成开关驱动信号以控制主开关管MD1和同步开关管MD2的导通状态。
当反馈信号FB小于等于误差信号Vcomp时，导通时间控制电路110设定固定导通时间，使得开关驱动信号的导通时间为固定值。当反馈信号FB大于误差信号Vcomp时，开关驱动信号的关断信号有效，从而根据直流输出电压Vout进行动态调整关断时间，该关断时间大于最小关断时间Toff_min。
然而，在一些应用中需要在开关变换器100的输出端使用低ESR(EquivalentSeries Resistance，等效串联电阻)电容(例如陶瓷电容)作为输出电容。由于这种类型的输出滤波器即使在存在大量噪声的情形下也会产生很小的输出纹波，并且电容纹波相比于电感纹波存在相位延迟，因此会在系统中发生次谐波振荡，所以可能会导致控制系统不稳定的问题。而在开关变换器100的输出端使用ESR较大的电容(例如电解电容)作为输出电容不仅会增大电路面积和成本，而且会导致输出电压的纹波增大而出现大的波动，影响后级电路的正常工作。
此外，现有技术的开关变换器100的瞬态响应较慢，当负载端出现大电压跌落事件时，会造成输出端电压的变化，限制了这种控制模型在需要快速瞬态响应的领域的应用。并且由于开关驱动信号的导通时间的限制，开关变换器100无法在输入电压Vin和输出电压Vout接近时提供稳定的供电，降低了开关变换器的整体效率。
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及其控制电路和控制方法，可以在直流输入电压和直流输出电压接近的时候将开关变换器的导通时间延长，提高开关变换器的轻载效率和稳定性。
根据本发明的第一方面，提供了一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器采用主开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压，其中，所述控制电路包括：自适应导通时间控制电路，用于产生所述主开关管在自适应导通时间控制模式下的第一导通时间；自适应导通频率控制电路，用于产生所述主开关管在自适应导通频率控制模式下的第一关断时间；PWM信号产生电路，用于根据所述直流输出电压的反馈信号产生脉宽调制信号；逻辑电路，用于基于所述脉宽调制信号、所述第一关断时间以及所述第一导通时间产生开关信号；以及驱动电路，将所述开关信号转换成开关驱动信号，以控制所述主开关管的导通状态，其中，所述逻辑电路还用于根据所述脉宽调制信号的关断时间和所述第一关断时间的比较结果控制所述开关变换器工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式。
可选的，所述逻辑电路配置为：在所述脉宽调制信号的关断时间大于所述第一关断时间的情况下控制所述开关变换器工作于所述自适应导通时间控制模式，以及在所述脉宽调制信号的关断时间小于所述第一关断时间的情况下控制所述开关变换器工作于所述自适应导通频率控制模式。
可选的，所述逻辑电路配置为：在所述自适应导通时间控制模式，由所述第一导通时间决定所述主开关管的导通时间，由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的关断时间，以及在所述自适应导通频率控制模式，由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的导通时间，由所述第一关断时间决定所述主开关管的关断时间。
可选的，所述逻辑电路包括：与非门，第一输入端接收所述第一导通时间，第二输入端接收最小导通时间，第三输入端接收所述脉宽调制信号，输出端提供复位信号；或门，第一输入端接收所述脉宽调制信号，第二输入端接收所述第一关断时间，第三输入端接收最小关断时间，输出端提供置位信号；以及RS触发器，分别根据所述置位信号和所述复位信号产生所述开关信号。
可选的，所述控制电路还包括：最小关断时间控制电路，用于产生所述最小关断时间，所述主开关管的关断时间大于所述最小关断时间；以及最小导通时间控制电路，用于产生所述最小导通时间，所述主开关管的导通时间大于所述最小导通时间。
可选的，所述PWM信号产生电路包括：误差放大器，反相输入端和同相输入端分别接收所述反馈信号和参考电压，输出端用于提供所述误差信号；以及PWM比较器，反相输入端和同相输入端分别接收所述反馈信号和所述误差信号与纹波注入信号的叠加信号，输出端用于提供所述脉宽调制信号。
可选的，所述PWM信号产生电路还包括：第一电容，第一端与所述误差放大器的输出端连接，第二端接地；以及依次连接于所述误差放大器的输出端和地之间的补偿电阻和补偿电容。
可选的，所述PWM信号产生电路还包括：纹波注入电路，用于在所述开关变换器的电感电流下降阶段产生所述纹波注入信号。
可选的，所述第一导通时间等于所述直流输出电压和所述直流输入电压的比值与所述开关变换器的开关周期的乘积。
可选的，所述第一关断时间等于一常数与所述直流输出电压的比值。
根据本发明的第二方面，提供了一种开关变换器，包括：主功率电路，采用主开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压；以及上述的控制电路，用于产生开关驱动信号以控制所述主开关管的导通状态。
可选的，所述主功率电路采用选自以下任一种的拓扑结构：浮地型Buck功率电路、实地型Buck功率电路、反激式功率电路、Buck-boost型功率电路、Boost型功率电路。
根据本发明的第三方面，提供了一种开关变换器的控制方法，所述开关变换器采用主开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压，其中，所述控制方法包括：产生所述主开关管在自适应导通时间控制模式下的第一导通时间；产生所述主开关管在自适应导通频率控制模式下的第一关断时间；根据所述直流输出电压的反馈信号产生脉宽调制信号；基于所述脉宽调制信号、所述第一关断时间以及所述第一导通时间产生开关信号；以及将所述开关信号转换成开关驱动信号，以控制所述主开关管的导通状态，其中，所述控制方法还包括：根据所述脉宽调制信号的关断时间和所述第一关断时间的比较结果控制所述开关变换器工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式。
可选的，所述根据所述脉宽调制信号的关断时间和所述第一关断时间的比较结果控制所述开关变换器工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式包括：在所述脉宽调制信号的关断时间大于所述第一关断时间的情况下控制所述开关变换器工作于所述自适应导通时间控制模式，以及在所述脉宽调制信号的关断时间小于所述第一关断时间的情况下控制所述开关变换器工作于所述自适应导通频率控制模式。
可选的，所述根据所述脉宽调制信号的关断时间和所述第一关断时间的比较结果控制所述开关变换器工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式还包括：在所述自适应导通时间控制模式，由所述第一导通时间决定所述主开关管的导通时间，由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的关断时间，以及在所述自适应导通频率控制模式，由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的导通时间，由所述第一关断时间决定所述主开关管的关断时间。
可选的，所述基于所述脉宽调制信号、所述第一关断时间以及所述第一导通时间产生开关信号包括：基于所述脉宽调制信号和所述第一关断时间产生置位信号；基于所述脉宽调制信号和所述第一导通时间产生复位信号；以及根据所述置位信号和所述复位信号产生所述开关信号。
可选的，所述基于所述脉宽调制信号和所述第一关断时间产生置位信号包括：分别将所述脉宽调制信号、所述第一关断时间和最小关断时间提供至或门的输入端，从而生成所述置位信号，所述最小关断时间为固定时间段，所述主开关管的关断时间大于所述最小关断时间。
可选的，所述基于所述脉宽调制信号和所述第一导通时间产生复位信号包括：分别将所述脉宽调制信号、所述第一导通时间和最小导通时间提供至与非门的输入端，从而生成所述复位信号，所述最小导通时间为固定时间段，所述主开关管的导通时间大于所述最小导通时间。
可选的，所述根据所述直流输出电压的反馈信号产生脉宽调制信号包括：将所述反馈信号和一参考电压相比较，以产生一误差信号；以及将所述误差信号和纹波注入信号的叠加信号与所述反馈信号相比较，以产生所述脉宽调制信号。
可选的，所述第一导通时间等于所述直流输出电压和所述直流输入电压的比值与所述开关变换器的开关周期的乘积。
可选的，所述第一关断时间等于一常数与所述直流输出电压的比值。
本发明实施例的开关变换器及其控制电路和控制方法中，逻辑电路将脉宽调制信号决定的关断时间与第一关断时间进行比较，并根据比较结果控制开关变换器工作在自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式，可以在直流输入电压和直流输出电压接近的时候，将开关变换器的导通时间延长，以使得开关变换器可以线性过渡到100％占空比，提高开关变换器的轻载效率和稳定性。该控制电路还可以改善开关变换器的瞬态响应问题，以及采用纹波注入电路引入附加的纹波注入信号。该纹波注入信号可以根据直流输出电压进行自适应调节，从而可以在开关变换器中使用低ESR的陶瓷电容作为输出电容，维持系统稳定和抑制输出纹波。
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示意性电路图；
图2示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性电路图；
图3示出根据本发明实施例的开关变换器中PWM信号产生电路的示意性电路图；
图4示出根据本发明实施例的开关变换器的控制方法的流程图。
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。此外，可能未示出某些公知的部分。
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。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图2示出根据本发明实施例的一种开关变换器的示意性电路图。该开关变换器200采用Buck拓扑并工作于浮地方式，包括主功率电路和控制电路，主功率电路包括串联连接在输入端和接地端之间的主开关管MD1和同步开关管MD2，电感Lx连接在主开关管MD1和同步开关管MD2的中间节点和输出端之间，输出电容Cout连接在输出端和接地端之间。开关变换器200的输入端接收直流输入电压Vin，输出端提供直流输出电压Vout。电阻R1和R2组成的分压网络用于得到直流输出电压Vout的反馈信号FB。
开关变换器200的控制电路用于向主开关管MD1和同步开关管MD2提供开关驱动信号。其中，开关变换器200的控制电路包括自适应导通时间控制电路210、自适应导通频率控制电路220、PWM信号产生电路230、最小导通时间控制电路240、最小关断时间控制电路250、逻辑电路260和驱动电路270。
自适应导通时间控制电路210接收直流输入电压Vin和直流输出电压Vout，用于设定主开关管MD1在自适应导通时间控制模式下的第一导通时间Ton1。进一步的，自适应导通时间控制电路210设置第一导通时间Ton1为：
Ton1＝Tsw*Vout/Vin
其中，Vout表示直流输出电压的电压值，Vin表示直流输入电压的电压值，Tsw表示开关变换器的开关周期，可以保证开关变换器的工作频率的一致性。
自适应导通频率控制电路220接收直流输出电压Vout，用于设定主开关管MD1在自适应导通频率控制模式下的第一关断时间Toff1。进一步的，自适应导通频率控制电路220设置第一关断时间Toff1为：
Toff1＝M/Vout
其中，Vout表示直流输出电压的电压值，M为设定的常数。
PWM信号产生电路230接收直流输出电压Vout的反馈信号FB，用于根据反馈信号FB产生脉宽调制信号PWM。
最小导通时间控制电路240和最小关断时间控制电路250分别用于设定与预设输出电压和预定负载对应的最小导通时间Ton_min和最小关断时间Toff_min。
逻辑电路260用于实现系统的逻辑控制功能，用于根据脉宽调制信号PWM、第一导通时间Ton1、第一关断时间Toff1、最小导通时间Ton_min和最小关断时间Toff_min生成开关信号SW。
进一步的，逻辑电路260包括与非门261、或门262以及RS触发器263。与非门261的第一输入端接收第一导通时间Ton1，与非门261的第二输入端接收最小导通时间Ton_min，与非门261的第三输入端接收PWM信号产生电路230的脉宽调制信号PWM，与非门261的输出端提供置位信号。或门262的第一输入端接收PWM信号产生电路230的脉宽调制信号PWM，或门262的第二输入端接收第一关断时间Toff1，或门262的第三输入端接收最小关断时间Toff_min，或门262的输出端提供复位信号。RS触发器263根据置位信号和复位信号产生开关信号SW。
驱动电路270用于将开关信号SW转换成开关驱动信号，以控制主开关管MD1和同步开关管MD2的导通状态。例如，主开关管MD1的开关驱动信号是开关信号SW的同相信号，同步开关管MD2的开关驱动信号是开关信号SW的反相信号。
进一步的，逻辑电路260根据脉宽调制信号PWM决定的关断时间和第一关断时间Toff1的比较结果控制开关变换器的工作模式(工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式)。当脉宽调制信号PWM决定的关断时间Toff大于第一关断时间Toff1时，开关变换器200工作于自适应导通时间控制模式，由第一导通时间Ton1决定主开关管MD1的导通时间，由脉宽调制信号PWM决定主开关管MD1的关断时间，此时脉宽调制信号PWM决定的关断时间Toff为：
Toff＝Tsw*(Vin-Vout)/Vin
随着直流输入电压Vin的降低，当脉宽调制信号PWM决定的关断时间小于第一关断时间Toff1时，开关变换器200工作于自适应导通频率控制模式，由第一关断时间Toff1决定主开关管MD1的关断时间，由脉宽调制信号PWM决定主开关管MD1的导通时间，此时脉宽调制信号PWM决定的导通时间Ton为：
Ton＝M/(Vin-Vout)
其中，M表示预先设置的常数，Vout表示直流输出电压的电压值，Vin表示直流输入电压的电压值。在这种状态下，由于脉宽调制信号PWM决定的导通时间Ton大于第一导通时间Ton1，从而使得系统完成了从自适应导通时间控制模式至自适应导通频率控制模式的切换，PWM信号产生电路230也完成了从谷底检测到峰值检测的过渡，进入自适应导通频率控制模式后，可以在直流输入电压Vin和直流输出电压Vout接近的时候，将开关变换器的导通时间延长，以使得开关变换器可以线性过渡到100％占空比。
图3示出根据本发明实施例的开关变换器中PWM信号产生电路的示意性电路图。如图3所示，PWM信号产生电路230包括误差放大器231、PWM比较器232以及纹波注入电路233。
误差放大器231的反相输入端接收反馈信号FB，正相输入端接收参考电压Vref，误差放大器231用于将直流输出电压Vout的反馈信号FB与参考电压Vref进行比较而产生误差信号Vcomp。纹波注入电路233用于在开关变换器200的电感电流下降阶段产生纹波注入信号Ripple，并根据所述纹波注入信号Ripple对误差信号Vcomp进行补偿，从而使得开关变换器可以使用低ESR的陶瓷电容作为输出电容，减小电路面积，降低输出电压的纹波。PWM比较器232用于将纹波注入信号Ripple和误差信号Vcomp的叠加信号与反馈信号FB进行比较，从而产生所述脉宽调制信号PWM。
进一步的，本发明实施例的开关变换器200中的纹波注入电路233产生的纹波注入信号Ripple的斜率不是固定的，其斜率与直流输出电压Vout相关，从而纹波注入电路233具有自适应斜坡调制的功能。
进一步的，PWM信号产生电路230还包括电容Cc以及补偿电阻Rea和补偿电容Cea。电容Cc的第一端与误差放大器231的输出端连接，第二端接地。补偿电阻Rea和补偿电容Cea依次串联连接于误差放大器231的输出端和地之间。
在开关变换器200的控制电路中，逻辑电路260将脉宽调制信号PWM决定的关断时间Toff与第一关断时间Toff1进行比较，并根据比较结果控制开关变换器工作在自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式，可以在直流输入电压Vin和直流输出电压Vout接近的时候，将开关变换器的导通时间延长，以使得开关变换器可以线性过渡到100％占空比。该控制电路还可以改善开关变换器的瞬态响应问题，以及采用纹波注入电路引入附加的纹波注入信号Ripple。该纹波注入信号Ripple可以根据直流输出电压Vout进行自适应调节，从而可以在开关变换器中使用低ESR的陶瓷电容作为输出电容，维持系统稳定和抑制输出纹波。
图4示出根据本发明实施例的开关变换器的控制方法的流程图。该开关变换器例如是图2所示的开关变换器，该开关变换器工作在自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式。
在步骤S01中，产生第一导通时间和第一关断时间。其中，第一导通时间用于控制主开关管MD1在自适应导通时间控制模式下的导通时间，第一关断时间用于控制主开关管MD1在自适应导通频率控制模式下的关断时间。
在步骤S02中，根据直流输出电压的反馈信号产生脉宽调制信号。进一步的，在本步骤中首先将直流输出电压Vout的反馈信号FB与参考电压进行比较以产生误差信号Vcomp，然后在开关变换器的电感电流下降阶段产生纹波注入信号Ripple，并根据该纹波注入信号Ripple对误差信号Vcomp进行补偿，最后将纹波注入信号Ripple和误差信号Vcomp的叠加信号与反馈信号FB进行比较，从而产生所述脉宽调制信号PWM。
在步骤S03中，基于脉宽调制信号、第一导通时间和第一关断时间产生开关信号。
在步骤S04中，将开关信号转换成开关驱动信号，所述开关驱动信号用于控制开关变换器中的主开关管MD1和同步开关管MD2的导通状态。
进一步的，在上述步骤S03中还包括根据所述脉宽调制信号的关断时间和所述第一关断时间的比较结果控制所述开关变换器工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式。当脉宽调制信号的关断时间大于第一关断时间时，控制所述开关变换器工作于所述自适应导通时间控制模式，此时由所述第一导通时间决定所述主开关管的导通时间，由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的关断时间。当所述脉宽调制信号的关断时间小于所述第一关断时间时，控制所述开关变换器工作于所述自适应导通频率控制模式，此时由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的导通时间，由所述第一关断时间决定所述主开关管的关断时间。
进一步的，设置第一导通时间为：
Ton1＝Vout/Vin*Tsw
其中，Vout表示直流输出电压的电压值，Vin表示直流输入电压的电压值，Tsw表示开关变换器的开关周期，可以保证开关变换器的工作频率的一致性。
进一步的，设置第一关断时间为：
Toff1＝M/Vout
其中，Vout表示直流输出电压的电压值，M为设定的常数。
进一步的，上述步骤S03还包括分别将所述脉宽调制信号、所述第一关断时间和最小关断时间提供至或门的输入端，从而生成置位信号，所述最小关断时间为固定时间段，所述主开关管的关断时间大于所述最小关断时间，分别将所述脉宽调制信号、所述第一导通时间和最小导通时间提供至与非门的输入端，从而生成所述复位信号，所述最小导通时间为固定时间段，所述主开关管的导通时间大于所述最小导通时间，然后根据所述置位信号和所述复位信号生成所述开关信号。
综上所述，本发明实施例的开关变换器及其控制电路和控制方法中，逻辑电路将脉宽调制信号决定的关断时间与第一关断时间进行比较，并根据比较结果控制开关变换器工作在自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式，可以在直流输入电压和直流输出电压接近的时候，将开关变换器的导通时间延长，以使得开关变换器可以线性过渡到100％占空比，提高开关变换器的轻载效率和稳定性。该控制电路还可以改善开关变换器的瞬态响应问题，以及采用纹波注入电路引入附加的纹波注入信号。该纹波注入信号可以根据直流输出电压进行自适应调节，从而可以在开关变换器中使用低ESR的陶瓷电容作为输出电容，维持系统稳定和抑制输出纹波。
在上述实施例中，尽管结合图2描述了降压型拓扑结构的开关变换器，然而，可以理解，本发明实施例的控制电路也可以用于其他拓扑结构的开关变换器中，主功率电路的结构包括但不限于浮地型Buck功率电路、实地型Buck功率电路、反激式功率电路、Buck-boost型功率电路和Boost型功率电路等拓扑结构。
在以上的描述中，对公知的结构要素和步骤并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来实现相应的结构要素和步骤。另外，为了形成相同的结构要素，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述各实施例，但是这不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
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 (21)

1.一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器采用主开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压，其中，所述控制电路包括：
自适应导通时间控制电路，用于产生所述主开关管在自适应导通时间控制模式下的第一导通时间；
自适应导通频率控制电路，用于产生所述主开关管在自适应导通频率控制模式下的第一关断时间；
PWM信号产生电路，用于根据所述直流输出电压的反馈信号产生脉宽调制信号；
逻辑电路，用于基于所述脉宽调制信号、所述第一关断时间以及所述第一导通时间产生开关信号；以及
驱动电路，将所述开关信号转换成开关驱动信号，以控制所述主开关管的导通状态，
其中，所述逻辑电路还用于根据所述脉宽调制信号的关断时间和所述第一关断时间的比较结果控制所述开关变换器工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述逻辑电路配置为：
在所述脉宽调制信号的关断时间大于所述第一关断时间的情况下控制所述开关变换器工作于所述自适应导通时间控制模式，以及在所述脉宽调制信号的关断时间小于所述第一关断时间的情况下控制所述开关变换器工作于所述自适应导通频率控制模式。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其中，所述逻辑电路配置为：
在所述自适应导通时间控制模式，由所述第一导通时间决定所述主开关管的导通时间，由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的关断时间，以及
在所述自适应导通频率控制模式，由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的导通时间，由所述第一关断时间决定所述主开关管的关断时间。
4.根据权利要求1所述的控制电路，所述逻辑电路包括：
与非门，第一输入端接收所述第一导通时间，第二输入端接收最小导通时间，第三输入端接收所述脉宽调制信号，输出端提供复位信号；
或门，第一输入端接收所述脉宽调制信号，第二输入端接收所述第一关断时间，第三输入端接收最小关断时间，输出端提供置位信号；以及
RS触发器，分别根据所述置位信号和所述复位信号产生所述开关信号。
5.根据权利要求4所述的控制电路，还包括：
最小关断时间控制电路，用于产生所述最小关断时间，所述主开关管的关断时间大于所述最小关断时间；以及
最小导通时间控制电路，用于产生所述最小导通时间，所述主开关管的导通时间大于所述最小导通时间。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述PWM信号产生电路包括：
误差放大器，反相输入端和同相输入端分别接收所述反馈信号和参考电压，输出端用于提供所述误差信号；以及
PWM比较器，反相输入端和同相输入端分别接收所述反馈信号和所述误差信号与纹波注入信号的叠加信号，输出端用于提供所述脉宽调制信号。
7.根据权利要求6所述的控制电路，其中，所述PWM信号产生电路还包括：
第一电容，第一端与所述误差放大器的输出端连接，第二端接地；以及
依次连接于所述误差放大器的输出端和地之间的补偿电阻和补偿电容。
8.根据权利要求6所述的控制电路，其中，所述PWM信号产生电路还包括：
纹波注入电路，用于在所述开关变换器的电感电流下降阶段产生所述纹波注入信号。
9.根据权利要求1所述的控制电路，所述第一导通时间等于所述直流输出电压和所述直流输入电压的比值与所述开关变换器的开关周期的乘积。
10.根据权利要求1所述的控制电路，所述第一关断时间等于一常数与所述直流输出电压的比值。
11.一种开关变换器，包括：
主功率电路，采用主开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压；以及
根据权利要求1-10任一项所述的控制电路，用于产生开关驱动信号以控制所述主开关管的导通状态。
12.根据权利要求11所述的开关变换器，所述主功率电路采用选自以下任一种的拓扑结构：浮地型Buck功率电路、实地型Buck功率电路、反激式功率电路、Buck-boost型功率电路、Boost型功率电路。
13.一种开关变换器的控制方法，所述开关变换器采用主开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压，其中，所述控制方法包括：
产生所述主开关管在自适应导通时间控制模式下的第一导通时间；
产生所述主开关管在自适应导通频率控制模式下的第一关断时间；
根据所述直流输出电压的反馈信号产生脉宽调制信号；
基于所述脉宽调制信号、所述第一关断时间以及所述第一导通时间产生开关信号；以及
将所述开关信号转换成开关驱动信号，以控制所述主开关管的导通状态，
其中，所述控制方法还包括：根据所述脉宽调制信号的关断时间和所述第一关断时间的比较结果控制所述开关变换器工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其中，所述根据所述脉宽调制信号的关断时间和所述第一关断时间的比较结果控制所述开关变换器工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式包括：
在所述脉宽调制信号的关断时间大于所述第一关断时间的情况下控制所述开关变换器工作于所述自适应导通时间控制模式，以及在所述脉宽调制信号的关断时间小于所述第一关断时间的情况下控制所述开关变换器工作于所述自适应导通频率控制模式。
15.根据权利要求14所述的控制方法，其中，所述根据所述脉宽调制信号的关断时间和所述第一关断时间的比较结果控制所述开关变换器工作于自适应导通时间控制模式或者自适应导通频率控制模式还包括：
在所述自适应导通时间控制模式，由所述第一导通时间决定所述主开关管的导通时间，由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的关断时间，以及
在所述自适应导通频率控制模式，由所述脉宽调制信号决定所述主开关管的导通时间，由所述第一关断时间决定所述主开关管的关断时间。
16.根据权利要求13所述的控制方法，其中，所述基于所述脉宽调制信号、所述第一关断时间以及所述第一导通时间产生开关信号包括：
基于所述脉宽调制信号和所述第一关断时间产生置位信号；
基于所述脉宽调制信号和所述第一导通时间产生复位信号；以及
根据所述置位信号和所述复位信号产生所述开关信号。
17.根据权利要求16所述的控制方法，所述基于所述脉宽调制信号和所述第一关断时间产生置位信号包括：
分别将所述脉宽调制信号、所述第一关断时间和最小关断时间提供至或门的输入端，从而生成所述置位信号，所述最小关断时间为固定时间段，所述主开关管的关断时间大于所述最小关断时间。
18.根据权利要求16所述的控制方法，所述基于所述脉宽调制信号和所述第一导通时间产生复位信号包括：
分别将所述脉宽调制信号、所述第一导通时间和最小导通时间提供至与非门的输入端，从而生成所述复位信号，所述最小导通时间为固定时间段，所述主开关管的导通时间大于所述最小导通时间。
19.根据权利要求13所述的控制方法，其中，所述根据所述直流输出电压的反馈信号产生脉宽调制信号包括：
将所述反馈信号和一参考电压相比较，以产生一误差信号；以及
将所述误差信号和纹波注入信号的叠加信号与所述反馈信号相比较，以产生所述脉宽调制信号。
20.根据权利要求13所述的控制方法，其中，所述第一导通时间等于所述直流输出电压和所述直流输入电压的比值与所述开关变换器的开关周期的乘积。
21.根据权利要求13所述的控制方法，其中，所述第一关断时间等于一常数与所述直流输出电压的比值。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115242089A (zh) * 2022-07-15 2022-10-25 圣邦微电子（北京）股份有限公司 开关变换器及其控制电路和控制方法
CN116436299A (zh) * 2023-06-13 2023-07-14 厦门英麦科芯集成科技有限公司 Buck电路的控制电路和电源管理芯片

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115242089A (zh) * 2022-07-15 2022-10-25 圣邦微电子（北京）股份有限公司 开关变换器及其控制电路和控制方法
CN115242089B (zh) * 2022-07-15 2024-05-14 圣邦微电子（北京）股份有限公司 开关变换器及其控制电路和控制方法
CN116436299A (zh) * 2023-06-13 2023-07-14 厦门英麦科芯集成科技有限公司 Buck电路的控制电路和电源管理芯片
CN116436299B (zh) * 2023-06-13 2023-09-29 厦门英麦科芯集成科技有限公司 Buck电路的控制电路和电源管理芯片

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