CN115549461A - 一种dc-dc转换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种DC‑DC转换器及其控制方法，所述转换器包括逻辑模块、功率管、电感、输出电容、分压电阻和误差放大器，其特征在于：所述转换器还包括第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元；其中，所述第一控制单元，基于输出电压实现所述转换器在恒流启动模式和闭环启动模式之间的切换，同时基于所述第二控制单元的输出实现恒流启动模式的延时；所述第二控制单元和第三控制单元，基于电感电流和输出电压的大小对处于闭环启动模式下的所述转换器的功率管的开关状态进行控制。本发明方法实现了转换器的快速启动与输出电压的稳定，避免了转换器在两种工作模式之间来回切换，确保了电路的正常启动。

Description

一种DC-DC转换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体的，涉及一种DC-DC转换器及其控制方法。
背景技术
DC-DC(Direct Current-Direct Current，直流-直流)转换器作为一种能够转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器在集成电路中被广泛应用。在DC-DC转换器中，通常存在着恒流启动模式和闭环启动模式两种不同的工作模式。
具体来说，当DC-DC转换器刚刚开始启动时，由于电路输出电压Vout过小，为了确保DC-DC转换器的启动速度，转换器通常会采用特有的电路控制刚启动过程中的电路处于恒流导通状态，从而使得输出电压迅速提高。而当输出电压提高到一定幅度后，为了防止输出电压的继续升高，并控制输出的稳定，转换器就会自动切换至闭环启动模式中，随着反馈电压的大小来控制功率管的导通和关断状态，从而确保输出电压的相对稳定。
然而，对于这种电路来说，可能存在着转换器在恒流导通状态和闭环启动模式之间振荡切换而无法实际上完全启动的问题。针对上述问题，亟需一种新的DC-DC转化器及其控制方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种DC-DC转换器及其控制方法，该转换器通过延时单元延长了电路处于恒流启动模式的时间，并在闭环启动相关电路实际正常运行后直接跳转至闭环启动模式中，实现了转换器的快速启动与输出电压的稳定。
本发明采用如下的技术方案。
本发明第一方面，涉及一种DC-DC转换器，转换器包括逻辑模块、功率管、电感、输出电容、分压电阻和误差放大器，转换器还包括第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元；其中，第一控制单元，基于输出电压实现转换器在恒流启动模式和闭环启动模式之间的切换，同时基于第二控制单元的输出实现恒流启动模式的延时；第二控制单元和第三控制单元，基于电感电流和输出电压的大小对处于闭环启动模式下的转换器的功率管的开关状态进行控制。
优选的，第一控制单元包括第一比较器和延时模块；其中，第一比较器的正相输入端为输出电压Vout，负相输入端为输入电压Vin，输出端OUT1接入延时模块；延时模块接收第二控制单元的输出OUT2，并基于OUT2的控制实现延时，延时模块的输出OUT3输入至逻辑模块中，并控制逻辑模块在恒流启动模式和闭环启动模式之间切换。
优选的，当OUT3为低电平状态时，转换器工作于恒流启动模式，功率管Mp0长通，功率管Mn0长关；当OUT3为高电平状态时，转换器工作于闭环启动模式，功率管Mp0和Mn0基于第二控制单元和第三控制单元的输出实现导通或关断状态的切换。
优选的，转换器中，误差放大器EA的器件电压端与第一控制单元中第一比较器的输出端OUT1连接；并且，当OUT1为高电平时，误差放大器EA使得第二控制单元和第三控制单元实现闭环输出；当OUT1为低电平时，误差放大器EA的输出始终为高电平，第二控制单元OUT2的输出始终为高电平，第三控制单元的输出始终为低电平。
优选的，第二控制单元包括电流检测模块、电压控制模块和第二比较器；其中，电流检测模块对电感电流进行检测，并将检测结果输出至电压控制模块中；电压控制模块，接收检测结果并生成反比例电压V1；第二比较器的负相输入端接收反比例电压V1，正相输入端接收误差放大器的输出电压Vea，输出端生成OUT2并与逻辑模块连接。
优选的，当OUT2为高电平时，控制延时模块实现OUT1信号从低电平向高电平切换时的延时；当OUT2为低电平时，不影响OUT1信号的输出。
优选的，第三控制单元包括第三比较器；并且，第三比较器的负相输入端与误差放大器的输出Vea连接，正相输入端与电流检测模块输出的检测结果连接，输出端OUT4与逻辑模块连接。
优选的，当转换器处于延时模块的延时过程中时，转换器基于OUT3的控制屏蔽第二控制单元和第三控制单元，并实现输出电压Vout等于输入电压Vin。
本发明第二方面，涉及一种DC-DC转换器的控制方法，方法采用本发明第一方面中的一种DC-DC转换器实现。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种DC-DC转换器及其控制方法，能够通过延时单元延长电路处于恒流启动模式的时间，并在闭环启动相关电路实际正常运行后直接跳转至闭环启动模式中，实现了转换器的快速启动与输出电压的稳定，避免了转换器在两种工作模式之间来回切换，确保了电路的正常启动。
本发明的有益效果还包括：
1、本方法没有改变现有技术中通用的转换器控制电路，只是通过简单增加延时模块，而实现了工作状态的准确切换。另外，这一延时模块也巧妙的采用第二控制单元的控制，防止了多余的延时逻辑，并确保延时逻辑的准确。
2、本发明利用电压控制模块实现对于参考电压V1的控制，使得参考电压V1实际上受到电感电流的控制而发生变化，从而使得控制信号OUT2和OUT3能够同步变化，从而保证在任意负载下，都可以很光滑地从恒流启动模式切换到闭环模式，保证vout的单调上升。
附图说明
图1为本发明一实施例中一种DC-DC转换器的电路结构示意图；
图2为本发明一实施例中一种DC-DC转换器启动过程中各节点上的电压时序图；
图3为本发明另一实施例中一种DC-DC转换器的电路结构示意图；
图4为本发明另一实施例中一种DC-DC转换器启动过程中各节点上的电压时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
图1为本发明一实施例中一种DC-DC转换器的电路结构示意图。图2为本发明一实施例中一种DC-DC转换器启动过程中各节点上的电压时序图。如图1-2所示，本发明中提供了一种DC-DC转换器。具体来说，现有技术中的DC-DC转换器通常可以实现闭环启动控制，另外，为了提高初始启动速度，还可以包括恒流启动电路。
然而，这种电路中存在一定的问题。以本发明图1和图2中的电路来说明这种问题。在图1中，COMP1作为第一控制单元将控制信号OUT1输出至逻辑模块，从而控制电路分别处于恒流启动模式或闭环启动模式。如果OUT1能够控制电路进入闭环启动模式，此时，误差放大器EA也会在OUT1的控制下实现变化的输出Vea，同时随着电感电流的控制和参考电压V1的大小，控制信号OUT2、以及COMP3的输出电压大小会发生变化，从而实时的控制逻辑模块输出变化的PON和NON信号，以使得功率管Mp0和Mn0的导通或关断状态发生变化，使得输出电压能够相对保持稳定。
然而，如图2所示，这种电路可能出现以下的异常情况。当转换器刚刚启动，输出电压较低，此时，OUT1会始终处于低电平状态，此时OUT1控制逻辑模块，使得Mp0长通，Mn0长关，从而电感电流IL保持恒定，并恒流输出至转换器的输出端，使得转换器的输出电压能够一直保持增长。
当输出电压Vout增长至一定情况下，例如增长至与输入电压Vin完全相同时，第一比较器COMP1的输出电平OUT1将会发生反转，此时OUT1会控制逻辑模块不在处于恒流启动模式，而是转换为闭环启动模式。
在闭环启动模式中，控制信号OUT1会作为误差放大器EA的器件电压，对于误差放大器EA的输出进行影响。具体来说，当输出电压OUT1处于低电平状态时，误差放大器的输出信号Vea始终保持高电平状态，并且逻辑模块实际上受到OUT1的控制也屏蔽了OUT2和COMP3的输出信号。而当OUT1跳变为高电平状态后，OUT1的输出信号导致误差放大器EA中的MOS管充分导通，而使得误差放大器的输出信号有可能处于高电平和低电平状态。此时，随着参考信号Vref1的逐渐升高，当反馈电压约等于R1*Vin/(R1+R2)时，误差放大器的输出信号Vea会逐渐降低。
然而，如果Vea的降低速度较慢，此时Vea还不能降低到小于参考电压V1，此时OUT2信号的状态不会发生翻转，OUT2信号一直为高电平，会同时关断Mn0和Mp0，使得IL＝0A。
因此，在这段时间内，如果转换器后端接入了负载，并消耗了一定的负载电流，则输出电压Vout实际上缓慢降低，并低于Vin。这使得电路在OUT2信号没有发生反转时，OUT1信号就发生了反转，从而电路还没有真正进入到闭环启动模式下，就又返回到了恒流启动模式中，再次对输出电压Vout进行升高。如此循环，电路就会在两种不同的启动模式之间发生多次切换，而电路始终无法真正的完全启动。
针对这种问题，本发明中提供了一种新的DC-DC转换器。图3为本发明另一实施例中一种DC-DC转换器的电路结构示意图。图4为本发明另一实施例中一种DC-DC转换器启动过程中各节点上的电压时序图。如图3和图4中所示，本发明中一种DC-DC转换器，该转换器包括逻辑模块、功率管、电感、输出电容、分压电阻和误差放大器，转换器还包括第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元；其中，第一控制单元，基于输出电压实现转换器在恒流启动模式和闭环启动模式之间的切换，同时基于第二控制单元的输出实现恒流启动模式的延时；第二控制单元和第三控制单元，基于电感电流和输出电压的大小对处于闭环启动模式下的转换器的功率管的开关状态进行控制。
可以理解的是，本发明的电路中，为了实现两种启动模式的准确切换增加了延时模块，从而为切换到闭环启动的过程中，为闭环启动电路的实际启动过程预留了一定时间，当闭环启动电路实际上启动完成，并真正进入启动状态时，延时模块再输出控制信号使得转换器切换到闭环，使得闭环信号能够控制功率管的状态，从而实现启动模式的顺利转换。
优选的，第一控制单元包括第一比较器和延时模块；其中，第一比较器的正相输入端为输出电压Vout，负相输入端为输入电压Vin，输出端OUT1接入延时模块；延时模块接收第二控制单元的输出OUT2，并基于OUT2的控制实现延时，延时模块的输出OUT3输入至逻辑模块中，并控制逻辑模块在恒流启动模式和闭环启动模式之间切换。
可以理解的是，在本发明中，第一控制单元中增加了延时模块，并且该延时模块是基于第二控制单元OUT2的输出电压实现实际的延时的。换言之，当第二控制单元的状态发生变化时，也会同时触发延时模块发生延时，从而延迟其从恒流启动模式到闭环启动模式状态的切换时间，从而使得OUT2和OUT3在充分发生了状态改变后，再真正进入闭环启动模式。
优选的，当OUT3为低电平状态时，转换器工作于恒流启动模式，功率管Mp0长通，功率管Mn0长关；当OUT3为高电平状态时，转换器工作于闭环启动模式，功率管Mp0和Mn0基于第二控制单元和第三控制单元的输出实现导通或关断状态的切换。
可以理解的是，经过延时单元后，输出信号OUT1被转换为OUT3，而OUT3的高低状态不同，则可以用于控制转换器的启动模式的不同。在本发明中，OUT3为低电平时，转换器仍然处于恒流启动模式，此时尽管OUT1可能已经变化为高电平，但是由于延时模块的作用，OUT3还没有来得及发生变化，因此在这一时段内，COMP2和COMP3所在的电路无法实际上控制Mp0和Mn0的状态。
但是，当延时时间经过后，COMP2和COMP3的输出则可以实际影响电路的工作状态，此时如果COMP2和COMP3的信号状态恰好发生了改变，也就是延时时间刚好用来抵消了COMP2和COMP3电平变化前所需要的时间。
因此，电路就不会在两种不同的启动模式之间发生来回切换。
优选的，转换器中，误差放大器EA的器件电压端与第一控制单元中第一比较器的输出端OUT1连接；并且，当OUT1为高电平时，误差放大器EA使得第二控制单元和第三控制单元实现闭环输出；当OUT1为低电平时，误差放大器EA的输出始终为高电平，第二控制单元OUT2的输出始终为高电平，第三控制单元的输出始终为低电平。
可以理解的是，本发明中误差放大器的器件电压受到OUT1的控制，这种方式，可以使得误差放大器的信号发生变化的时间是在延时单元开启延时的时间一致。因此，延时时间长度也可以被更加准确的设定。
优选的，第二控制单元包括电流检测模块、电压控制模块和第二比较器；其中，电流检测模块对电感电流进行检测，并将检测结果输出至电压控制模块中；电压控制模块，接收检测结果并生成反比例电压V1；第二比较器的负相输入端接收反比例电压V1，正相输入端接收误差放大器的输出电压Vea，输出端生成OUT2并与逻辑模块连接。
可以理解的是，第二控制单元，能够将电流检测模块获得的检测结果进行反比例转换，并生成反比例电压V1。具体来说，电感电流越高，V1就越低。反之，如果电感电流越低，V1就越高。在这种情况下，如果参考电压V1受到电感电流的控制，那么OUT2的输出实际上就是根据输出电压Vout和电感电流IL的大小关系来确定的。
因此，这种比较实际上考虑到了在转换器所接入的后级负载所需要的功率大小不同的情况下，OUT2的电平转换时间也不同，因此对于OUT1实际上进行延时的时长也不同。这种方法有效的控制了OUT1的延时时长，并合理的控制了OUT3的输出电平转换时间。
优选的，当OUT2为高电平时，控制延时模块实现OUT1信号从低电平向高电平切换时的延时；当OUT2为低电平时，不影响OUT1信号的输出。
可以理解的是，当OUT2为高电平或低电平时，延时模块会呈现不同的作用，从而实现合理的延时。
优选的，第三控制单元包括第三比较器；并且，第三比较器的负相输入端与误差放大器的输出Vea连接，正相输入端与电流检测模块输出的检测结果连接，输出端OUT4与逻辑模块连接。
第三控制单元的输出信号OUT4控制逻辑单元的具体逻辑可以参考现有技术中的内容实现，本发明中不做赘述。
当转换器处于延时模块的延时过程的时间段中，转换器屏蔽第二控制单元和第三控制单元。如图4所示，此时Vout不会发生降低的情况，而是始终保持在输入电压Vin，待第二第三控制单元切换了工作状态后，才实现实际的切换控制，从而充分防止了两种启动状态的来回切换，使得电路准确的进入到闭环启动模式下。
本发明第二方面，涉及一种DC-DC转换器的控制方法，该方法采用本发明第一方面中的一种DC-DC转换器实现。
尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本申请的示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种DC-DC转换器及其控制方法，能够通过延时单元延长电路处于恒流启动模式的时间，并在闭环启动相关电路实际正常运行后直接跳转至闭环启动模式中，实现了转换器的快速启动与输出电压的稳定，避免了转换器在两种工作模式之间来回切换，确保了电路的正常启动。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种DC-DC转换器，所述转换器包括逻辑模块、功率管、电感、输出电容、分压电阻和误差放大器，其特征在于：
所述转换器还包括第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元；其中，
所述第一控制单元，基于输出电压实现所述转换器在恒流启动模式和闭环启动模式之间的切换，同时基于所述第二控制单元的输出实现恒流启动模式的延时；
所述第二控制单元和第三控制单元，基于电感电流和输出电压的大小对处于闭环启动模式下的所述转换器的功率管的开关状态进行控制。
2.根据权利要求1中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述第一控制单元包括第一比较器和延时模块；
其中，所述第一比较器的正相输入端为输出电压Vout，负相输入端为输入电压Vin，输出端OUT1接入所述延时模块；
所述延时模块接收所述第二控制单元的输出OUT2，并基于OUT2的控制实现延时，所述延时模块的输出OUT3输入至所述逻辑模块中，并控制所述逻辑模块在恒流启动模式和闭环启动模式之间切换。
3.根据权利要求2中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
当所述OUT3为低电平状态时，所述转换器工作于恒流启动模式，所述功率管Mp0长通，所述功率管Mn0长关；
当所述OUT3为高电平状态时，所述转换器工作于闭环启动模式，所述功率管Mp0和Mn0基于所述第二控制单元和第三控制单元的输出实现导通或关断状态的切换。
4.根据权利要求3中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述转换器中，所述误差放大器EA的器件电压端与所述第一控制单元中所述第一比较器的输出端OUT1连接；并且，
当OUT1为高电平时，所述误差放大器EA使得所述第二控制单元和第三控制单元实现闭环输出；
当OUT1为低电平时，所述误差放大器EA的输出始终为高电平，第二控制单元OUT2的输出始终为高电平，第三控制单元的输出始终为低电平。
5.根据权利要求4中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述第二控制单元包括电流检测模块、电压控制模块和第二比较器；其中，
所述电流检测模块对电感电流进行检测，并将检测结果输出至所述电压控制模块中；
所述电压控制模块，接收所述检测结果并生成反比例电压V1；
所述第二比较器的负相输入端接收所述反比例电压V1，正相输入端接收误差放大器的输出电压Vea，输出端生成OUT2并与所述逻辑模块连接。
6.根据权利要求5中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
当所述OUT2为高电平时，控制所述延时模块实现OUT1信号从低电平向高电平切换时的延时；
当所述OUT2为低电平时，不影响所述OUT1信号的输出。
7.根据权利要求6中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
所述第三控制单元包括第三比较器；并且，
所述第三比较器的负相输入端与所述误差放大器的输出Vea连接，正相输入端与所述电流检测模块输出的检测结果连接，输出端OUT4与所述逻辑模块连接。
8.根据权利要求7中所述的一种DC-DC转换器，其特征在于：
当所述转换器处于延时模块的延时过程中时，
所述转换器基于所述OUT3的控制屏蔽所述第二控制单元和第三控制单元，并实现输出电压Vout等于输入电压Vin。
9.一种DC-DC转换器的控制方法，其特征在于：
所述方法采用权利要求1-8任意一项中所述的一种DC-DC转换器实现。
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