CN115313807B - 双电压定频控制电路、变换器及方法 - Google Patents

双电压定频控制电路、变换器及方法 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例涉及开关变换器的控制电路和方法。该双电压定频控制电路包括时钟信号发生器和电压控制环路。时钟信号发生器产生时钟信号，用于触发主开关管导通。电压控制环路接收代表输出信号的电压反馈信号和代表主开关管和续流二极管公共节点上的电压的节点电压信号，并根据电压反馈信号和节点电压信号产生比较信号，用于触发主开关管关断。该双电压定频控制电路动态响应速度优越并具有良好的EMI和抗拍频干扰能力。

Description

双电压定频控制电路、变换器及方法
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种开关变换器的控制电路和方法。
背景技术
在电源系统中，目前直流-直流变换器中较为常用的控制模式一般为峰值电流控制模式和固定导通时间控制(Constant On Time,COT)模式。峰值电流控制模式的芯片具有的特点是定频控制，可以实现频率同步和相位控制，但需要外围补偿设计，动态负载特性一般。固定导通时间控制模式的特点是无须反馈补偿设计，动态负载特性好。但在轻载工作模式下，由于COT控制对频率的控制比较难，所以容易产生脉冲群(Group Pulse)现象，此现象的产生会导致输出电压纹波增大，甚至产生人耳能听到的音频噪声。此外，固定导通时间控制模式因为频率不固定无法进行频率同步设计，频率不同步将难以处理系统设计中的拍频干扰现象。在通讯、网络相关的应用系统中，由于通讯速度比较快，系统对噪声敏感，所以对拍频干扰影响比较敏感，而固定导通时间控制模式却无法很好的处理拍频干扰现象。因此我们期望提出了一种频率固定且动态反应速度快的开关变换器控制电路和方法。
发明内容
本公开的目的在于解决现有技术中的上述问题，提出一种用于开关变换器的双电压定频控制电路，所述开关变换器包括主开关管和续流开关管，其特征在于，所述控制电路包括：时钟信号发生器，产生时钟信号，所述时钟信号用于触发主开关管导通；以及电压控制环路，接收节点电压信号和电压反馈信号，并根据节点电压信号和电压反馈信号产生比较信号，其中，节点电压信号代表主开关管和续流开关管公共节点上的电压，电压反馈信号代表开关变换器的输出电压，所述比较信号用于触发主开关管关断。
本公开进一步提出一种开关变换器，包括如上所述的控制电路。
本公开进一步提出一种用于开关变换器的双电压定频控制电路，所述开关变换器包括主开关管和续流开关管，其特征在于，所述控制电路包括：时钟信号发生器，产生时钟信号；电压控制环路，接收节点电压信号和电压反馈信号，并根据节点电压信号和电压反馈信号产生比较信号，其中，节点电压信号代表主开关管和续流开关管公共节点上的电压，电压反馈信号代表开关变换器的输出电压；以及逻辑电路，接收比较信号和时钟信号，并对比较信号和时钟信号做逻辑运算，产生开关控制信号，所述开关控制信号用于控制主开关管的导通和关断切换。
本公开进一步提出一种用于开关变换器的双电压定频控制方法，所述开关变换器包括主开关管和续流开关管，其特征在于，所述控制方法包括：产生时钟信号；根据电压反馈信号和节点电压信号产生比较信号，其中，电压反馈信号代表开关变换器的输出电压，节点电压信号代表主开关管和续流开关管公共节点上的电压；以及将时钟信号和比较信号做逻辑运算，产生控制信号，该控制信号用于控制主开关管的导通和关断切换。
附图说明
图1所示为根据本公开一个实施例的开关变换器100的电路原理图；
图2根据本公开一个实施例提供了第一斜坡信号发生器303的电路示意图；
图3所示为根据本公开另一个实施例的开关变换器200的电路原理图；
图4所示为根据本公开一个实施例的开关变换器300中部分参数的波形示意图；
图5所示为根据本公开一个实施例的用于开关变换器的控制方法的流程示意图。
图6示意了传统峰值电流控制模式控制的开关变换器的电路仿真图；
图7示意本公开的控制模式控制的开关变换器的电路仿真图；
图8示意了传统双电压恒定导通时间控制模式控制下的电路参数仿真图；
图9示意了本公开的控制模式控制下的电路参数仿真图。
如附图所示，在所有不同的视图中，相同的附图标记指代相同的部分。在此提供的附图都是为了说明实施例、原理、概念等的目的，并非按比例绘制。
具体实施方式
接下来将结合附图对本公开的具体实施例进行非限制性描述。在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或特点被包括在本公开的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都是指同一实施例。动词“包括”和“具有”在本文中用作开放限制，其既不排除也不要求还存在未叙述特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。在整个文件中使用“一”或“一个”(即，单数形式)限定的元件，并不排除多个这个元件的可能。更进一步地，所描述的特征、结构或特点可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。除非另外指明，否则术语“连接”被用于指定电路元件之间的直接电连接，而术语“耦合”被用于指定可以是直接的或可以经由一个或多个其他元件的电路元件之间的电连接。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。当提及节点或端子的电压时，除非另外指示，否则认为该电压是该节点与参考电位(通常是地)之间的电压。此外，当提及节点或端子的电位时，除非另外指示，否则认为该电位指的是参考电位。给定节点或给定端子的电压和电位将进一步用相同的附图标记指定。将在第一逻辑状态(例如逻辑低状态)与第二逻辑状态(例如逻辑高状态)之间交替的信号称为“逻辑信号”。同一电子电路的不同逻辑信号的高和低状态可能不同。特别地，逻辑信号的高和低状态可以对应于在高或低状态下可能不是完全恒定的电压或电流。
图1所示为根据本公开一个实施例的开关变换器100的电路原理图。在图1所示实施例中，开关变换器100包括开关电路10、输出电压采样电路20和控制电路30以及电容Cout。
开关电路10的输入端接收输入电压信号VIN；开关电路10的输出端耦接开关变换器100的输出端提供输出电压信号VOUT。电容Cout耦接在开关变换器100的输出端和参考地之间。
在一个实施例中，开关电路10包括至少一个可控开关管。开关电路10接收控制信号，控制信号通过控制开关电路10里的可控开关进行导通和关断切换，进而将输入电压信号VIN转换为输出电压信号VOUT。在图1所示实施例中，开关电路10被示意为BUCK拓扑结构的开关电路。主开关管HS和续流开关管LS串联耦接在的开关电路10的输入端和参考地之间，主开关管HS和续流开关管LS的公共节点标记为开关节点SW。电感L耦接在开关节点SW和开关电路10的输出端之间。控制信号包括控制信号CTL和控制信号CTL的反相信号其中，控制信号CTL用于控制主开关管HS的导通和关断切换，反相信号/>用于控制续流开关管LS的导通和关断切换。本领域一般技术人员可以理解：控制信号CTL的反相信号/>是指与控制信号CTL逻辑互补的信号。此外，在其他实施例中，开关电路10可以被示意为其他类型的合适的隔离或非隔离的拓扑结构，例如，BOOST拓扑、FLYBACK拓扑等等。在一个实施例中，续流开关管LS也可以替换为不可控的二极管。
在图1所示实施例中，主开关管HS和续流开关管LS被示意为N型金属半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。本领域一般技术人员可以理解，在其他实施例中，主开关管HS和续流开关管LS还可以包括其他合适的半导体开关器件类型，如结型场效应晶体管(Junction Field-effect Transistor，JFET)、绝缘栅型双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)以及双扩散金属氧化物半导体(Double Diffusion Metal Oxide Semiconductor，DMOS)等等。
在图1所示实施例中，输出电压采样电路20耦接在开关变换器100的输出端，用于采样输出电压信号VOUT，并产生电压反馈信号Vfb，其中电压反馈信号Vfb代表输出电压信号VOUT。在一个实施例中，输出电压采样电路20包括由电阻器构成的分压器。在其他实施例中输出电压采样电路20也可以直接对输出电压信号VOUT进行采样。
在图1所示实施例中，控制电路30包括时钟信号发生器31、电压控制环路32和逻辑电路33。
时钟信号发生器31用于产生时钟信号CLK。时钟信号CLK用于控制开关电路10中主开关管(如图1所示的BUCK变换器中的主开关管HS)的导通时刻。在一个实施例中，在时钟信号CLK每个周期的上升沿时刻，主开关管HS被导通，此时续流开关管LS也将被关断。
电压控制环路32接收开关节点SW上的电压信号(被示意为节点电压信号Vsw)和电压反馈信号Vfb，并根据节点电压信号Vsw和电压反馈信号Vfb产生比较信号COMP。比较信号COMP用于控制开关电路10中主开关管(如图1所示的BUCK变换器中的主开关管HS)的关断时刻。比较信号COMP包括高低逻辑电平信号。比较信号COMP用于控制开关电路10中主开关管(如图1所示的BUCK变换器中的主开关管HS)的关断时刻。在一个实施例中，当比较信号COMP从逻辑低变为逻辑高时，主开关管HS关断。
在一个实施例中，电压控制环路32包括误差放大器301、电压比较器302、第一斜坡信号发生器303和加法器304。
误差放大器301具有第一输入端、第二输入端和输出端。其第一输入端接收电压反馈信号Vfb；其第二输入端接收电压参考信号Vref；误差放大器301将电压反馈信号Vfb和电压参考信号Vref比较并在输出端产生误差信号Vea，其中误差信号Vea代表电压反馈信号Vref和电压参考信号Vref之间的差值。在一个实施例中，误差放大器301的第一输入端为反相输入端；误差放大器301的第二输入端为同相输入端。
第一斜坡信号发生器303接收节点电压信号VSW，并根据节点电压信号VSW产生第一斜坡信号Ramp1。在一个实施例中，第一斜坡信号Ramp1具有和电感电流同相位的电压波形。本领域的一般技术人员可以理解，第一斜坡信号Ramp1的波形和电感电流信号的波形同相位是指：第一斜坡信号Ramp1和电感电流信号同时过零并同时达到最大值。
加法器304将电压反馈信号Vfb和第一斜坡信号Ramp1相加后产生第一电压补偿信号VR。
电压比较器302具有第一输入端、第二输入端和输出端。其第一输入端接收第一电压补偿信号VR；其第二输入端接收误差信号Vea；电压比较器302将第一电压补偿信号VR和误差信号Vea比较并在输出端产生比较信号COMP。在一个实施例中，电压比较器302的第一输入端为同相输入端；电压比较器302的第二输入端为反相输入端。
逻辑电路33接收比较信号COMP和时钟信号CLK，并对比较信号COMP和时钟信号CLK做逻辑运算，产生控制信号CTL和控制信号CTL的反相信号在图1所示实施例中，逻辑电路33被示意为一个RS触发器。RS触发器的置位端S接收时钟信号CLK，RS触发器的复位端R接收比较信号COMP，RS触发器在输出端Q输出控制信号CTL，在输出端/>控制信号CTL的反相信号/>
在一个实施例中，控制信号CTL和控制信号CTL的反相信号经过驱动电路分别变为用于驱动主开关管HS导通和关断的第一驱动信号和用于驱动续流开关管LS导通和关断的第二驱动信号。在其他实施例中，也可以只需要RS触发器在输出端Q输出控制信号CTL，控制信号CTL经过驱动电路变为第一驱动信号和第二驱动信号。
在图1所示实施例中，误差放大器301的作用只是微调输出电压信号VOUT，提高输出电压信号VOUT的精度。开关变换器100采用双电压定频控制模式，相比于传统的峰值电流控制模式，控制电路30中不再引入输出电流信息，而是引入节点SW上的节点电压信号VSW，并根据节点电压信号VSW去产生一个跟电感电流信号同相位的第一斜坡信号Ramp1，并将第一斜坡信号Ramp1叠加到电压反馈信号Vfb上产生第一电压补偿信号VR。由于第一电压补偿信号VR代替了输出电流信息，系统反应速度不受误差放大器301带宽的限制，电压反馈信号Vfb代表的输出电压信息将被直接引入电压比较器302中。因此，误差放大器301的速度不影响系统的动态性能，所以无需对误差放大器301进行补偿设计。同时，在本申请公开的双电压定频控制模式下，误差放大器301的带宽还可以尽量的设计低一些保证各种条件下的稳定性，因此，开关变换器100具有很好的动态负载响应特性。
相比于传统的双电压固定导通时间控制模式，开关变换器100采用的双电压定频控制模式引入时钟信号CLK控制主开关管HS的导通。因此，开关变换器100的开关频率固定，这有利于EMC设计，解决了拍频干扰的问题，在轻载时也不容易产生脉冲群现象。
图2所示为根据本公开一个实施例的第一斜坡信号发生器303的电路原理图。如图2所示，第一斜坡信号发生器303包括分压电路21、第一滤波电路22、第二滤波电路23和减法器24。
分压电路21耦接至开关节点SW，对节点电压信号Vsw的电压进行分压，产生分压信号VD。
第一滤波电路22耦接至分压电路21，对分压信号VD进行滤波，产生第一滤波信号VF1。
第二滤波电路23耦接至第一滤波电路42，对第一滤波信号VF1进行滤波，产生第二滤波信号VF2。
减法器24将第一滤波信号VF1和第二滤波信号VF2相减产生第一斜坡信号Ramp1。也即是说，第一斜坡信号Ramp1为开关节点SW上电压的交流分量。
在一些实施例中，分压电路41也可以根据实际应用情况被省略。
由于第一斜坡信号Ramp1是由第一滤波信号VF1和第二滤波信号VF2相减而成的，因此即使在系统负载变化导致输出电压变化时，也不会在第一斜坡信号Ramp1里引入直流量，整个系统的直流工作点不会受到影响。误差放大器301的输出电压也无需做出变化，那么误差放大器301就不用像传统的电流控制模式或者电压控制模式去提升带宽保证系统的动态特性，误差放大器301的带宽可以设计的尽可能的低，也无需补偿，用户使用非常简单。
在一个实施例中，为了保证环路的稳定性，第一斜坡信号Ramp1的下降斜率需要大于输出电容Cout的最大下降斜率(也即是输出电容Cout的放电斜率)。因此，系统参数需满足以下关系：
其中，Vrp为第一斜坡信号Ramp1的峰值，Toff为主开关管HS的关断时间，COUT为输出端电容Cout的电容值，IL_PP为电感电流的峰峰值(即电感电流波峰值和波谷值的差)。
在一个实施例中，通过调整第一滤波电路42和第二滤波电路43的时间常数(即电容容值和电阻阻值的乘积)来调整第一斜坡信号Ramp1的斜率和幅值。
为了解决次谐波震荡的问题以更好的保证系统的稳定性，图3根据本公开另一个实施例提供了一个开关变换器200的电路原理图。如图3所示，电压控制环路32进一步包括第二斜坡信号发生器305和加法器306。第二斜坡信号发生器305用于产生第二斜坡信号Ramp2。加法器306将误差信号Vea和第二斜坡信号Ramp2相加后产生第二电压补偿信号EAO，并将第二电压补偿信号EAO送入电压比较器302的第二输入端。
图4所示为根据本公开一个实施例的开关变换器200中部分参数的波形示意图。在图4所示波形图中，从上自下分别示意出了电感电流信号IL、第一斜坡信号Ramp1、第二斜坡信号Ramp2、电压反馈信号Vfb、误差信号Vea和第二斜坡信号Ramp2的和信号(即第二电压补偿信号EAO)、电压反馈信号Vfb和第一斜坡信号Ramp1的和信号(即第一电压补偿信号VR)、时钟信号CLK以及控制信号CTL的波形。
结合图4的波形示意图和开关变换器200的电路原理图可知：当时钟信号CLK的上升沿来临时刻，RS触发器被置位，控制信号CTL由逻辑低变为逻辑高，主开关管HS导通。当电压反馈信号Vfb和第二斜坡信号Ramp2的和上升到误差信号Vea和第二斜坡信号Ramp2的和时，比较信号COMP将复位触发器，控制信号CTL由逻辑高变为逻辑低，主开关管HS被关断。
图5所示为根据本公开一个实施例的用于开关变换器的控制方法的流程示意图。图5所示的控制方法可用于前述的开关变换器100-300，以及其他在本公开保护范围内的开关变换器中。该控制方法包括步骤51-53。
步骤51，产生时钟信号CLK。
步骤52，根据电压反馈信号Vfb和节点电压信号Vsw产生比较信号COMP。
在一个实施例中，步骤52包括步骤521-523。步骤521，将电压反馈信号Vfb和电压参考信号Vref比较，并将两者的误差放大产生误差信号Vea。步骤522，根据节点电压信号Vsw产生第一斜坡信号Ramp1。步骤523，将电压反馈信号Vfb和第一斜坡信号Ramp1的和与误差信号Vea比较，产生比较信号COMP。
在其他实施例中，步骤52包括步骤521、522、524和525。步骤524，产生第二斜坡信号Ramp2。步骤525，将电压反馈信号Vfb和第一斜坡信号Ramp1的和与误差信号Vea和第二斜坡信号Ramp2的和比较，产生比较信号COMP。
步骤53，将时钟信号CLK和比较信号COMP做逻辑运算，产生控制信号用于导通和关断开关电路10中的开关管。
图6和图7分别示意了传统峰值电流控制模式和本公开的控制模式控制下的开关变换器的电路仿真图。图6和图7的波形仿真图均是在主电路参数选择一致的情况下进行的。从输出电压的仿真波形中可以看出，本公开公开的控制模式控制下的变换器的动态响应速度优于传统峰值电流控制模式控制下的变换器的动态响应速度。
图8和图9分别示意了传统双电压恒定导通时间控制模式和本公开的控制模式的电路参数仿真图。同样需要理解，图8和图9的波形仿真图均是在主电路参数选择一致的情况下进行的。从仿真波形中脉冲的幅值和持续时间来看，本公开公开的控制模式控制下的变换器的Group pulse明显得到改善。
虽然前面已经参照几个典型实施例对本发明进行了描述，但相关领域的普通技术人员应当理解，所公开的本发明的实施例中所采用的术语是说明性和示例性的，而非限制性的，仅用于描述特定实施例，并非是对本发明的限制。此外，本领域的普通技术人员在没有背离本发明的原理和概念的前提下，未通过创造性的努力而对本发明公开的实施例在形式和细节上进行的多种修改，这些修改均落在本申请的权利要求或其等效范围所限定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于开关变换器的双电压定频控制电路，所述开关变换器包括主开关管和续流开关管，其特征在于，所述控制电路包括：
时钟信号发生器，产生时钟信号，所述时钟信号用于触发主开关管导通，所述主开关管的开关频率恒定且等于所述时钟信号的频率；
第一斜坡信号发生器，接收节点电压信号，并对节点电压信号进行滤波以产生第一滤波信号，并对第一滤波信号再次进行滤波以产生第二滤波信号，将第一滤波信号和第二滤波信号相减产生第一斜坡信号，其中，所述节点电压信号代表主开关管和续流开关管公共节点上的电压，第一斜坡信号的下降斜率大于耦接在开关变换器输出端和地之间的输出电容的放电斜率，第一斜坡信号的峰值Vrp和输出电容的电容值COUT满足公式：其中，Toff为主开关管的关断时间，IL_PP为开关变换器中电感电流的峰峰值；
误差放大器，接收电压反馈信号和电压参考信号，将电压反馈信号和电压参考信号比较并将两者的误差放大产生误差信号，其中，电压反馈信号代表开关变换器的输出电压；以及
电压比较器，将电压反馈信号和第一斜坡信号的叠加值与误差信号比较，产生比较信号；以及
逻辑电路，接收比较信号和时钟信号，并对比较信号和时钟信号做逻辑运算，产生开关控制信号，其中，当所述时钟信号从其第一状态转变到其第二状态时，所述开关控制信号控制主开关管导通，当所述比较信号从其第一状态转变到其第二状态时，所述开关控制信号控制主开关管关断。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
第一加法器，将电压反馈信号和第一斜坡信号相加后产生第一补偿电压信号并送至所述电压比较器，所述电压比较器将第一补偿电压信号与误差信号比较，产生比较信号。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一斜坡信号的波形和开关变换器中电感电流的波形同相位。
4.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述电压控制环路还包括：
第二斜坡信号发生器，用于产生第二斜坡信号；以及
第二加法器，将误差信号和第二斜坡信号相加后产生第二补偿电压信号，其中，所述电压比较器不再将第一补偿电压信号与误差信号比较，而是将第一补偿电压信号与第二补偿电压信号比较，产生比较信号。
5.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一斜坡信号发生器包括：
分压电路，接收节点电压信号，并对节点电压信号进行分压，产生分压信号；
第一滤波电路，接收分压信号并对分压信号进行滤波，产生第一滤波信号；
第二滤波电路，接收第一滤波信号并对第一滤波信号进行滤波，产生第二滤波信号；以及
减法器，将第一滤波信号和第二滤波信号相减产生第一斜坡信号。
6.一种开关变换器，包括如权利要求1至5中任一项所述的控制电路。
7.一种用于开关变换器的双电压定频控制方法，所述开关变换器包括主开关管和续流开关管，其特征在于，所述控制方法包括：
产生时钟信号；
将电压反馈信号和一个电压参考信号比较，并将两者的误差放大产生误差信号，其中，所述电压反馈信号代表开关变换器的输出电压；
将节点电压滤波以产生第一滤波信号，并对第一滤波信号再次进行滤波以产生第二滤波信号，将第一滤波信号和第二滤波信号相减产生第一斜坡信号，其中，所述节点电压信号代表主开关管和续流开关管公共节点上的电压，第一斜坡信号的下降斜率大于耦接在开关变换器输出端和地之间的输出电容的放电斜率，第一斜坡信号的峰值Vrp和输出电容的电容值COUT满足公式：其中，Toff为主开关管的关断时间，IL_PP为开关变换器中电感电流的峰峰值；
将电压反馈信号和第一斜坡信号的和与误差信号比较，产生比较信号；以及
将时钟信号和比较信号做逻辑运算，产生开关控制信号，其中，所述主开关管的开关频率等于所述时钟信号的频率，当所述时钟信号从其第一状态转变到其第二状态时，所述开关控制信号控制主开关管导通，当所述比较信号从其第一状态转变到其第二状态时，所述开关控制信号控制主开关管关断。
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