CN115459564A - 开关变换器的控制电路以及开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开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：反馈控制电路，适于根据表征所述直流输出电压的反馈信号以及基准电压信号产生反馈控制信号；PWM控制电路，适于根据与电感电流相关的电流采样信号以及所述反馈控制信号产生脉宽调制信号；驱动电路，适于将所述脉宽调制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；电源管理接口，适于产生调控信号；补偿电路，与所述电源管理接口以及所述反馈控制电路耦接，适于根据所述调控信号产生调节电流以对所述反馈信号进行补偿，从而调整所述开关变换器的直流输出电压。

Description

开关变换器的控制电路以及开关变换器
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种开关变换器的控制电路以及开关变换器。
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。在诸如电话系统的-48V信号或者某些通讯接口中需要用到负电压，因而衍生出一种输入电压为正电压、输出电压为负电压的开关变换器。
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100包括主功率电路和控制电路，主功率电路包括串联耦接在输入端和信号地之间的开关管T1和开关管T2，电感Ls耦接在开关管T1和开关管T2的中间节点和输出端之间，电阻R4和电容C3串联耦接在输出端和信号地之间。开关变换器100的输入端接收输入电压Vin，输入电压Vin可以等效为串联耦接在输入端和电源地之间的电压源Vin，输出端提供输出电压Vout。开关变换器100的控制电路用于向开关管T1和开关管T2提供开关驱动信号。
开关变换器100的控制电路包括PWM控制器110、反馈控制电路120以及驱动电路130。反馈控制电路120包括电阻R1、电阻R2、误差放大器121以及信号处理单元122，电阻R1和电阻R2依次串联耦接在输出电压Vout和地之间；误差放大器121的负输入端耦接至电阻R1和电阻R2的中间节点以接收输出电压Vout分压后的反馈信号VFB，其正输入端接收基准电压信号VREF，误差放大器121适于根据反馈信号VFB以及基准电压信号VREF的比较结果产生误差放大信号Vc，信号处理单元122对误差放大信号Vc进行调幅、滤波等处理后产生反馈控制信号Vc1。
PWM控制器110包括采样单元111、PWM比较器112以及RS触发器113。采样单元111采样流经电感Ls的电感电流iL1以产生电流采样信号，PWM比较器112适于根据电流采样信号以及反馈控制信号Vc1的比较结果产生置位信号，其中，PWM比较器112还接收纹波注入信号Vs以对电流采样信号进行纹波补偿。RS触发器113根据PWM比较器112提供的置位信号和时钟信号CLK产生脉宽调制信号PWM，驱动电路130根据脉宽调制信号PWM生成开关驱动信号以控制开关管T1和开关管T2的导通状态。
在一些应用场景下，例如对开关变换器100进行测试时，由电源管理接口140调整基准电压信号VREF从而改变开关变换器100的输出电压Vout，但当输出电压Vout为负时，因为输出电压Vout的信号地为负值，与电源管理接口140的参考地(其值例如为0V)电压不同，导致电源管理接口140不能直接与开关变换器100耦接。现有的解决方案是在电源管理接口140和开关变换器100之间耦接一个电平转换电路150，然而由于参考地电压的不同，需要额外设置一个独立的电平移位电路140，即电平转换电路150的参考地也需设置为信号地(其值例如为Vout)，导致开关变换器100的面积和成本显著增加。
因此，期待一种改进的开关变换器的控制电路以及开关变换器，以解决上述问题。
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的控制电路以及开关变换器，利用电流型数模转换电路产生的调节电流改变反馈信号的值，从而调整开关变换器输出电压。
根据本申请的一方面，提供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：反馈控制电路，适于根据表征所述直流输出电压的反馈信号以及基准电压信号产生反馈控制信号；PWM控制电路，适于根据与电感电流相关的电流采样信号以及所述反馈控制信号产生脉宽调制信号；驱动电路，适于将所述脉宽调制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；电源管理接口，适于产生调控信号；补偿电路，与所述电源管理接口以及所述反馈控制电路耦接，适于根据所述调控信号产生调节电流以对所述反馈信号进行补偿，从而调整所述开关变换器的直流输出电压。
可选地，所述补偿电路包括：电流源，与所述电源管理接口耦接，根据所述调控信号产生相应的调节电流。
可选地，所述电流源选自电流型数模转换电路。
可选地，所述补偿电路还包括：晶体管，所述晶体管的第一端与所述数模转换电路耦接以接收所述调节电流，第二端与所述反馈控制电路耦接，控制端耦接中电源地。
可选地，所述电源管理接口的参考地为0V。
可选地，所述反馈控制电路包括：误差放大器，适于将所述反馈信号与基准电压信号进行比较，并根据比较结果产生误差放大信号；信号处理单元，适于对所述误差放大信号进行滤波和/或调幅处理，以产生所述反馈控制信号。
可选地，所述反馈控制电路还包括：依次串联耦接于所述输出电压和地之间的第一电阻以及第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点提供所述反馈信号；所述晶体管的第二端耦接至所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点。
可选地，所述信号处理单元包括：耦接于所述误差放大器输出端和地之间的第二电容；串联耦接于所述误差放大器输出端和地之间的第三电阻以及第一电容；以及调幅单元，与所述误差放大器的输出端耦接，配置为对所述误差放大信号进行调幅处理，以产生所述反馈控制信号。
可选地，当所述调节电流变化时，所述输出电压的变化量等于负的所述调节电流与所述第一电阻阻值之积。
可选地，所述PWM控制电路包括：采样单元，适于根据所述开关变换器的电感电流产生所述电流采样信号；PWM比较器，正输入端接收所述反馈控制信号，第一负输入端接收电流采样信号，根据所述电流采样信号和所述反馈控制信号的比较结果生成复位信号；RS触发器，复位端与所述PWM比较器的输出端耦接以接收所述复位信号，置位端接收时钟信号，输出端根据所述复位信号以及所述时钟信号产生所述脉宽调制信号。
可选地，所述PWM比较器还包括用于接收纹波注入信号的第二负输入端，以对所述电流采样信号进行纹波补偿。
可选地，所述晶体管选自PNP型双极型晶体管。
根据本申请的另一方面，提供一种开关变换器，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；以及根据权利要求上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。
可选地，所述开关变换器的直流输入电压为正，直流输出电压为负。
可选地，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。
本申请提供的开关变换器及其控制电路，电源管理接口控制数模转换电路改变其输出的调节电流以改变反馈信号的值，从而调整开关变换器的输出电压。由于本申请采用调节电流改变反馈信号从而改变输出电压的方法，电源管理接口、数模转换电路的参考地可以与反馈控制电路以及开关变换器的主功率电路的参考地不同，因而适用于输入电压为正、输出电压为负的开关变换器。同时，本申请提供的开关变换器的控制电路结构简单，增加了数模转换电路和用于保护开关变换器的三极管，易于实现。
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示出了根据本发明实施例的一种开关变换器的示意性电路图。
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，相同的元件或者模块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”另一元件或称元件或电路“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。
同时，在本专利说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域普通技术人员应当可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本专利说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。
在本申请中，晶体管可以包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种，晶体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，控制端用于接收控制信号以控制晶体管的导通和关断。MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，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。
此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二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者操作区分开来，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”或者其任何其它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。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图2示出了根据本发明实施例的一种开关变换器的示意性电路图。如图2所示，开关变换器200包括开关变换器200包括主功率电路和控制电路，主功率电路包括开关管T1、开关管T2、电感Ls、电阻R4以及电容C3。开关管T1的第一端与输入电压Vin耦接，开关管T2的第一端与开关管T1的第二端耦接，第二端与信号地耦接。电感Ls的第一端与开关管T2的第一端耦接，第二端耦接至输出端，电阻R4和电容C3依次串联耦接在输出端和信号地之间。其中，输入电压Vin可以等效为串联耦接在输入端(即开关管T1的第一端)和电源地之间的电压源Vin，输出端提供输出电压Vout。在本实施例中输入电压Vin以及输出电压Vout都是直流电压。
开关变换器200的控制电路用于向开关管T1和开关管T2提供开关驱动信号，包括PWM控制器210、反馈控制电路220以及驱动电路230。
反馈控制电路220包括电阻R1、电阻R2、误差放大器221以及信号处理单元222，电阻R1和电阻R2依次串联耦接在输出电压Vout和信号地之间；误差放大器221的负输入端耦接至电阻R1和电阻R2的中间节点以接收输出电压Vout分压后的反馈信号VFB，其正输入端接收基准电压信号VREF，误差放大器221适于根据反馈信号VFB以及基准电压信号VREF的比较结果产生误差放大信号Vc，信号处理单元222对误差放大信号Vc进行调幅、滤波等处理后产生反馈控制信号Vc1。
具体地，信号处理单元222包括电容C1、电容C2、电阻R3以及调幅单元k。电容C2的第一端耦接至误差放大器221的输出端，第二端耦接至信号地。电阻R3的第一端耦接至电容C2的第一端，电容C1的第一端耦接至电阻R3的第二端，第二端耦接至信号地。电容C2以及串联耦接的电阻R3和电容C1对误差放大信号Vc进行滤波处理。调幅单元k耦接至电阻R3的第一端，接收误差放大信号Vc，并对其进行调幅处理，以产生反馈控制信号Vc1。
PWM控制器210包括采样单元211、PWM比较器212以及RS触发器213。采样单元211采样流经主功率电路中电感Ls的电感电流iL1，采样电流IL的值例如等于电感电流iL1，采样单元211根据采样电流IL产生电流采样信号。采样单元211的等效电阻例如为Ri，电流采样信号的值例如等于采样电流IL与等效电阻Ri之积。PWM比较器212的第一负输入端与采样单元211耦接以接收电流采样信号，第二负输入端接收纹波注入信号Vs以对电流采样信号进行纹波补偿，通常情况下，纹波注入信号Vs选自斜坡信号。PWM比较器212的正输入端接收反馈控制电路220提供的反馈控制信号Vc1，以根据反馈控制信号Vc1和电流采样信号的比较结果产生复位信号。RS触发器213的复位端R与PWM比较器212的输出端耦接以接收复位信号，置位端S接收时钟信号CLK，输出端Q根据复位信号与时钟信号CLK产生脉宽调制信号PWM。驱动电路230根据脉宽调制信号PWM产生开关驱动信号以控制开关管T1和开关管T2的导通状态。
进一步地，本申请提供的开关变换器200的控制电路还包括电源管理接口240以及补偿电路，在本实施例中，补偿电路包括电流源以及晶体管Q1，其中，电流源例如选自数模转换电路260。
电源管理接口240例如选自I2C(Inter-Integrated Circuit，集成电路总线)、SMBus(System Management Bus，系统管理总线)、PMBus(Power Management Bus，电源管理总线)或者SPI(Serial Peripheral Interface Bus，串行外设接口)中的任意一种。电源管理接口240产生调控信号，数模转换电路260根据该调控信号产生对应的调节电流IDAC。晶体管Q1的控制端与电源地耦接，第一端与数模转换电路260耦接，第二端与电阻R2的第一端耦接，以调整反馈信号VFB的值。在本实施例中，数模转换电路260例如选自电流型数模转换电路。晶体管Q1选自PNP型三极管，主要用于保护开关变换器200。
示例性的，误差放大器221以及数模转换电路260都由5V低压电路构成，通常情况下要求其绝对电压值不超过7V，若数模转换电路260的输出端直接耦接至误差放大器221的负输入端，因为二者的参考地不同，其实际电压差很容易会超过7V，导致其中之一损坏。例如当反馈控制电路220的参考地电压为-3V、数模转换电路260的参考地为0V时，假设数模转换电路260的输出端电压为5V，该点电位为5V，则误差放大器221的负输入端电位等于5-(-3)V即8V，误差放大器221的输入端电压过大，易导致误其损毁。
晶体管Q1的基极耦接至参考地(其值例如为0V)，因数模转换电路260的参考地也为0V，因而将晶体管Q1中与基极间耐压较低的发射极耦接至数模转换电路260的输出端，而晶体管Q1的集电极与基极之间的耐压较高，因而将其与误差放大器221的负输入端耦接。因此，数模转换电路260产生的调节电流IDAC能够几乎无损通过晶体管Q1到达电阻R2的第一端，同时避免因参考地电压不同导致的电路损毁。
具体地，对电阻R1的第二端应用KCL定律，流入该节点的电流等于流出该节点的电流，易得
Figure BDA0003879853740000081
由公式(1)可得，
Figure BDA0003879853740000082
开关变换器200高环路增益会令误差放大器221的正输入端与负输入端电压相同，即基准电压信号VREF等于反馈信号VFB，带入上式可得，输出电压
Figure BDA0003879853740000083
由上可得，仅需要改变数模转换电路260输出的调节电流，就可以改变开关变换器200的输出电压Vout，且输出电压Vout的变化量为-IDAC*R1。并且，由于采用向电阻R2的第一端注入电流来调节反馈信号VFB的方式，数模转换电路260、电源管理接口240的参考地无需与反馈控制电路220、开关变换器200的主功率电路的参考地不同，例如在本实施例中，反馈控制电路20、开关变换器200的主功率电路的参考地为信号地(其值例如为Vout)，数模转换电路260和电源管理接口240的参考地选自电源地(其值例如为0V)。
综上所述，本申请提供的开关变换器200及其控制电路，电源管理接口240控制数模转换电路260改变其输出的调节电流IDAC以改变反馈信号VFB的值，从而调整开关变换器200的输出电压Vout。由于本申请采用调节电流IDAC改变反馈信号VFB从而改变输出电压Vout的方法，电源管理接口240、数模转换电路260的参考地可以与反馈控制电路220以及开关变换器200的主功率电路的参考地不同，因而适用于输入电压Vin为正、输出电压Vout为负的开关变换器。同时，本申请提供的开关变换器200的控制电路结构简单，增加了数模转换电路和用于保护开关变换器的三极管，易于实现。
应当说明，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。
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及其等效物所界定的范围为准。

Claims (15)

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：
反馈控制电路，适于根据表征所述直流输出电压的反馈信号以及基准电压信号产生反馈控制信号；
PWM控制电路，适于根据与电感电流相关的电流采样信号以及所述反馈控制信号产生脉宽调制信号；
驱动电路，适于将所述脉宽调制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；
电源管理接口，适于产生调控信号；
补偿电路，与所述电源管理接口以及所述反馈控制电路耦接，适于根据所述调控信号产生调节电流以对所述反馈信号进行补偿，从而调整所述开关变换器的直流输出电压。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述补偿电路包括：
电流源，与所述电源管理接口耦接，根据所述调控信号产生相应的调节电流。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其中，所述电流源选自电流型数模转换电路。
4.根据权利要求3所述的控制电路，所述补偿电路还包括：
晶体管，所述晶体管的第一端与所述数模转换电路耦接以接收所述调节电流，第二端与所述反馈控制电路耦接，控制端耦接中电源地。
5.根据权利要求所述的控制电路，其中，所述电源管理接口的参考地为0V。
6.根据权利要求4所述的控制电路，其中，所述反馈控制电路包括：
误差放大器，适于将所述反馈信号与基准电压信号进行比较，并根据比较结果产生误差放大信号；
信号处理单元，适于对所述误差放大信号进行滤波和/或调幅处理，以产生所述反馈控制信号。
7.根据权利要求6所述的控制电路，所述反馈控制电路还包括：
依次串联耦接于所述输出电压和地之间的第一电阻以及第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点提供所述反馈信号；
所述晶体管的第二端耦接至所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其中，所述信号处理单元包括：
耦接于所述误差放大器输出端和地之间的第二电容；
串联耦接于所述误差放大器输出端和地之间的第三电阻以及第一电容；以及
调幅单元，与所述误差放大器的输出端耦接，配置为对所述误差放大信号进行调幅处理，以产生所述反馈控制信号。
9.根据权利要求7所述的控制电路，其中，当所述调节电流变化时，所述输出电压的变化量等于负的所述调节电流与所述第一电阻阻值之积。
10.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述PWM控制电路包括：
采样单元，适于根据所述开关变换器的电感电流产生所述电流采样信号；
PWM比较器，正输入端接收所述反馈控制信号，第一负输入端接收电流采样信号，根据所述电流采样信号和所述反馈控制信号的比较结果生成复位信号；
RS触发器，复位端与所述PWM比较器的输出端耦接以接收所述复位信号，置位端接收时钟信号，输出端根据所述复位信号以及所述时钟信号产生所述脉宽调制信号。
11.根据权利要求10所述的控制电路，所述PWM比较器还包括用于接收纹波注入信号的第二负输入端，以对所述电流采样信号进行纹波补偿。
12.根据权利要求4所述的控制电路，其中，所述晶体管选自PNP型双极型晶体管。
13.一种开关变换器，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1-12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。
14.根据权利要求13所述的开关变换器，其中，所述开关变换器的直流输入电压为正，直流输出电压为负。
15.根据权利要求13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。
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