CN114679052A - 开关变换器及其控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种开关变换器及其控制电路。控制电路包括PWM比较器、逻辑驱动电路以及补偿电路。其中，补偿电路包括连接于PWM比较器的输入端和地之间的可变电阻模块和补偿电容，用于对误差信号进行频率补偿，该可变电阻模块用于根据直流输出电压得到预定频率的时钟信号，并根据时钟信号自适应调整其自身的电阻值，从而可以对系统的极点进行动态的频率补偿，以维持控制系统的稳定和抑制输出纹波，实现了开关变换器在很大的负载范围内保持稳定，并大大提高了系统带宽，加快了环路响应速度。

Description

开关变换器及其控制电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种开关变换器及其控制电路。

背景技术

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已经广泛地使用开关变换器，用于产生内部电路模块或负载所需工作电压和电流。开关变换器采用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。

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。如图1所示，开关变换器包括主电路和控制电路110。主电路包括功率开关管Q1、整流二极管D1、电感Lx以及输出电容Cout。功率开关管Q1和整流二极管D1串联连接在输入端和接地端之间，电感Lx连接在功率开关管Q1和整流二极管D1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。主电路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。控制电路110用于向功率开关管Q1提供开关控制信号，以控制功率开关管Q1的导通和关断。

在控制电路110中，误差放大器111将直流输出电压Vout的反馈电压VFB与参考电压VREF相比较而产生误差信号Verr。电流检测电路112通过采样电阻Rs检测流过功率开关管Q1的电流以获得电流检测信号Vsen。PWM比较器113用于将电流检测信号Vsen和斜坡信号Vramp的叠加信号与误差信号Verr进行比较以获得脉宽调制信号PWM。逻辑驱动电路114根据脉宽调制信号PWM生成开关控制信号，以控制功率开关管Q1的导通和关断，从而稳定直流输出电压Vout。补偿电阻Rc和补偿电容Cc连接在误差放大器111的输出端和地之间，补偿电阻Rc和补偿电容Cc组成的补偿电路用于对系统的极点进行补偿。

现有技术的开关变换器100具有环路带宽小，响应速度慢，负载能力差的缺点，已经无法满足性能日益提高的现代电子系统了。

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，根据输出电压自适应调整补偿电路的动态电阻，以兼顾开关变换器的稳定性和响应速度。

根据本发明的一方面，提供了一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器包括功率开关管，所述控制电路用于控制所述功率开关管的导通和关断以将直流输入电压转换成直流输出电压，其中，所述控制电路包括：PWM比较器，用于将所述直流输出电压的误差信号与流经所述功率开关管的负载电流的检测信号和斜坡信号的叠加信号相比较，以产生脉宽调制信号；逻辑驱动电路，用于将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，所述开关控制信号用于控制所述功率开关管的导通和关断；以及补偿电路，包括连接于所述PWM比较器的输入端和地之间的可变电阻模块和补偿电容，所述补偿电路用于对所述误差信号进行频率补偿，其中，所述可变电阻模块用于根据所述直流输出电压得到预定频率的时钟信号，并根据所述时钟信号自适应调整其自身的电阻值。

可选的，所述可变电阻模块包括：电压检测模块，用于根据所述直流输出电压产生时钟信号，所述时钟信号的频率与所述直流输出电压成比例；以及采样保持模块，用于根据所述时钟信号进行采样保持以改变所述电阻值。

可选的，所述电压检测模块包括：比较单元，用于将所述直流输出电压与一斜坡电压进行比较，并根据比较结果生成一比较信号；以及整形单元，根据所述比较信号整形得到所述时钟信号。

可选的，所述比较单元包括：电流源和第一电容，串联连接于电源电压和地之间，所述电流源和所述第一电容的中间节点用于提供所述斜坡电压；比较器，用于将所述斜坡电压与所述直流输出电压进行比较，以生成比较信号；以及第一开关，连接于所述中间节点与地之间，所述第一开关受控于所述比较信号，其中，在所述第一开关关断期间，所述电流源对所述第一电容进行充电，在所述第一开关导通期间，所述中间节点对地放电。

可选的，所述整形单元选自D触发器。

可选的，所述采样保持模块包括：第一开关和第二开关，串联连接于所述PWM比较器的输入端和所述补偿电容的第一端之间，所述第一开关受控于所述时钟信号，所述第二开关受控于所述时钟信号的反相信号；以及第二电容，第一端与所述第一开关和所述第二开关的中间节点连接，第二端接地，其中，在所述第一开关导通，所述第二开关关断期间进行采样，在所述第一开关关断，所述第二开关导通期间进行保持。

可选的，所述控制电路还包括：误差放大器，用于将所述直流输出电压的反馈电压与参考电压进行比较以获得所述误差信号。

可选的，所述控制电路还包括：电流检测电路，通过检测流经所述功率开关管的负载电流以获得所述检测信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种开关变换器，包括功率开关管上述的控制电路，所述控制电路用于控制所述功率开关管的导通和关断以将直流输入电压转换成直流输出电压。

本发明实施例的开关变换器及其控制电路中，控制电路包括PWM比较器、逻辑驱动电路以及补偿电路。其中，补偿电路包括连接于PWM比较器的输入端和地之间的可变电阻模块和补偿电容，用于对误差信号进行频率补偿，该可变电阻模块用于根据直流输出电压得到预定频率的时钟信号，并根据时钟信号自适应调整其自身的电阻值，从而可以对系统的极点进行动态的频率补偿，以维持控制系统的稳定和抑制输出纹波，实现了开关变换器在很大的负载范围内保持稳定，并大大提高了系统带宽，加快了环路响应速度。

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示出图2中的可变电阻模块的示意性电路图；

图4示出图3中的电压检测模块的示意性电路图。

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。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图2示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性电路图。如图2所示，开关变换器200包括主电路和控制电路210。主电路包括电感L1、功率开关管Q1、续流二极管D1(或者采用同步整流晶体管)以及输出滤波电容Cout。主电路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。控制电路210通过控制主电路中的功率开关管Q1的状态或者同时控制其他晶体管的状态来控制开关变换器的直流输出电压Vout。功率开关管Q1可以是各种晶体管，例如NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、以及N型MOSFET和P型MOSFET等。控制电路201例如封装成芯片IC。在一些实施例中，主电路中的功率开关管Q1也封装在芯片IC中。

在主电路中，采样电阻Rs、功率开关管Q1和电感L1依次串联在直流输入电压Vin与直流输出电压Vout之间。在该实施例中，功率开关管Q1为P型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。续流二极管D1的阴极连接于电感L1和功率开关管Q1的漏极之间，续流二极管D1的阳极接地。

控制电路210包括电流检测电路211、误差放大器212、PWM比较器213、逻辑驱动电路214以及可变电阻模块215和补偿电容Cc。

电流检测电路211例如通过运算放大器实现，运算放大器的同相输入端连接至采样电阻Rs的第一端，反相输入端连接至采样电阻Rs的第二端，从而获得与流经功率开关管Q1的负载电流相对应的经运算放大器放大后的检测信号Vsen。

误差放大器212用于将直流输出电压Vout与一参考电压VREF进行比较，并获得二者之间的误差信号Verr。在一种实施例中，误差放大器212可通过一运算放大器实现，误差放大器212的反相输入端用于接收一表征直流输出电压Vout的反馈电压VFB。反馈电压VFB的电压的大小可以等于输出电压Vout，也可以小于输出电压Vout。在一种实施例中，可以通过串联电阻R1和电阻R2构成的分压网络作为反馈电阻网络来得到所述反馈电压VFB。误差放大器212的同相输入端用于接收一参考电压VREF。该参考电压VREF可以有多种来源，例如通过带隙基准电路实现。

PWM比较器213的反相输入端用于接收所述检测信号Vsen和斜坡信号Vramp的叠加信号，同相输入端用于接收所述误差信号Verr。PWM比较器213用于将误差信号Verr与检测信号Vsen和斜坡信号Vramp的叠加信号相比较，以产生脉宽调制信号PWM。

逻辑驱动电路214用于将脉宽调制信号PWM转换成开关控制信号，所述开关控制信号用于控制所述功率开关管Q1的导通和关断。

可变电阻模块215和补偿电容Cc串联连接于PWM比较器213的一个输入端和地之间，可变电阻模块215可根据直流输出电压Vout得到一具有预定频率的时钟信号，并根据时钟信号自适应调整其自身的电阻值。时钟信号的频率与直流输出电压Vout的成比例，用于限定可变电阻模块的电阻值。可变电阻模块215和补偿电容Cc构成的补偿电路通过对误差信号Verr进行补偿，从而可以对系统的极点进行动态的频率补偿，以维持控制系统的稳定和抑制输出纹波。

图3示出图2中可变电阻模块的示意性电路图。如图3所示，可变电阻模块215包括电压检测模块2151和采样保护模块2152。电压检测模块2151用于根据所述直流输出电压Vout产生时钟信号CK，时钟信号CK的频率与所述直流输出电压Vout成比例。采样保持模块2152用于根据所述时钟信号CK进行采样保持以改变所述电阻值。

进一步的，采样保持模块2152包括开关K1、开关K2以及电容C1。开关K1和开关K2串联连接在节点A和节点B之间，其中，节点A用于与PWM比较器213的同相输入端连接，节点B用于与补偿电容Cc的第一端连接。电容C1的第一端与开关K1和开关K2的中间节点连接，第二端接地。开关K1受控于时钟信号CK，开关K2受控于时钟信号CK的反相信号，采样保持模块2152在开关K1导通，开关K2关断期间进行采样，在开关K1关断，开关K2导通器件进行保持。

其中，当开关K1导通，开关K2关断时，电容C1的充电电荷Q1＝C*U1(C表示电容C1的电容值，U1表示节点A的电压)；当开关K1关断，开关K2导通时，电容C1的放电电荷Q2＝C*U2(U2表示节点B的电压)。假设时钟信号CK的开关周期为Tc，则节点A到节点B传输的总电荷：ΔQ＝C*ΔU＝C*(U1-U2)，则可以得到节点A到节点B的等效电流为：

如果时钟信号CK的频率fc足够高，则可以认为在一个时钟周期内节点A和节点B的电压基本不变，则采样保持模块2152就可以等效为电阻，其电阻值为：

其中，fc表示时钟信号CK的频率，又因为时钟信号CK的频率与直流输出电压Vout成比例，由此可知采样保持模块2152的等效电阻值Rc与直流输出电压Vout成比例，即采样保持模块2152可根据直流输出电压Vout自适应改变其电阻值。

图4示出图3中的电压检测模块的示意性电路图。如图4所示，电压检测模块2151包括比较单元2153和整形单元2154。比较单元2153用于将所述直流输出电压Vout与一斜坡电压Vc进行比较，并根据比较结果生成一比较信号。整形单元2154例如通过D触发器实现，用于根据所述比较信号整形得到所述时钟信号CK。

进一步的，比较单元2153包括电流源I1、电容C2、开关K3以及比较器CP。电流源I1和电容C2串联连接于电源电压VCC和地之间，电流源I1和电容C2的中间节点用于提供所述斜坡电压Vc。比较器CP用于将所述斜坡电压Vc与所述直流输出电压Vout进行比较，以生成比较信号。开关K3连接于所述电流源I1和电容C2的中间节点与地之间，开关K3受控于所述比较信号，其中，在所述开关K3关断期间，所述电流源I1对所述电容C2进行充电，在所述开关K3导通期间，所述电流源I1和电容C2的中间节点对地放电。

在上述实施例中，开关K1-开关K3可以是各种晶体管，例如NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、以及N型MOSFET和P型MOSFET等。

综上所述，本发明实施例的开关变换器及其控制电路中，控制电路包括PWM比较器、逻辑驱动电路以及补偿电路。其中，补偿电路包括连接于PWM比较器的输入端和地之间的可变电阻模块和补偿电容，用于对误差信号进行频率补偿，该可变电阻模块用于根据直流输出电压得到预定频率的时钟信号，并根据时钟信号自适应调整其自身的电阻值，从而可以对系统的极点进行动态的频率补偿，以维持控制系统的稳定和抑制输出纹波，实现了开关变换器在很大的负载范围内保持稳定，并大大提高了系统带宽，加快了环路响应速度。

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 (9)

1.一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器包括功率开关管，所述控制电路用于控制所述功率开关管的导通和关断以将直流输入电压转换成直流输出电压，其中，所述控制电路包括：

PWM比较器，用于将所述直流输出电压的误差信号与流经所述功率开关管的负载电流的检测信号和斜坡信号的叠加信号相比较，以产生脉宽调制信号；

逻辑驱动电路，用于将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，所述开关控制信号用于控制所述功率开关管的导通和关断；以及

补偿电路，包括连接于所述PWM比较器的输入端和地之间的可变电阻模块和补偿电容，所述补偿电路用于对所述误差信号进行频率补偿，

其中，所述可变电阻模块用于根据所述直流输出电压得到预定频率的时钟信号，并根据所述时钟信号自适应调整其自身的电阻值。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述可变电阻模块包括：

电压检测模块，用于根据所述直流输出电压产生时钟信号，所述时钟信号的频率与所述直流输出电压成比例；以及

采样保持模块，用于根据所述时钟信号进行采样保持以改变所述电阻值。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述电压检测模块包括：

比较单元，用于将所述直流输出电压与一斜坡电压进行比较，并根据比较结果生成一比较信号；以及

整形单元，根据所述比较信号整形得到所述时钟信号。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述比较单元包括：

电流源和第一电容，串联连接于电源电压和地之间，所述电流源和所述第一电容的中间节点用于提供所述斜坡电压；

比较器，用于将所述斜坡电压与所述直流输出电压进行比较，以生成比较信号；以及

第一开关，连接于所述中间节点与地之间，所述第一开关受控于所述比较信号，

其中，在所述第一开关关断期间，所述电流源对所述第一电容进行充电，在所述第一开关导通期间，所述中间节点对地放电。

5.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述整形单元选自D触发器。

6.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述采样保持模块包括：

第一开关和第二开关，串联连接于所述PWM比较器的输入端和所述补偿电容的第一端之间，所述第一开关受控于所述时钟信号，所述第二开关受控于所述时钟信号的反相信号；以及

第二电容，第一端与所述第一开关和所述第二开关的中间节点连接，第二端接地，

其中，在所述第一开关导通，所述第二开关关断期间进行采样，在所述第一开关关断，所述第二开关导通期间进行保持。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括：

误差放大器，用于将所述直流输出电压的反馈电压与参考电压进行比较以获得所述误差信号。

8.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括：

电流检测电路，通过检测流经所述功率开关管的负载电流以获得所述检测信号。

9.一种开关变换器，其特征在于，包括功率开关管和权利要求1-8任一项所述的控制电路，所述控制电路用于控制所述功率开关管的导通和关断以将直流输入电压转换成直流输出电压。

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