CN115549469A - 开关变换器及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种开关变换器及其控制电路。该控制电路包括：振荡器，被配置为生成具有一定频率的时钟信号；开关控制器，被配置为根据时钟信号生成上管开关信号和下管开关信号；第一导通时间发生器，被配置为根据时钟信号产生最小导通时间的第一基准信号；第二导通时间发生器，被配置为根据时钟信号产生最大导通时间的第二基准信号；以及频率控制模块，被配置分别将第一基准信号和第二基准信号与上管开关信号进行比较，并在上管开关信号满足预设条件时降低时钟信号的频率，从而可在输入电压变化时线性调节开关变换器的开关频率，以达到拓宽输出电压范围的目的。

Description

开关变换器及其控制电路
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。
背景技术
在电子系统中已经广泛地使用开关变换器，用于产生内部电路模块或者负载所需的工作电压和电流。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，基于纹波的恒定导通时间控制方法具有良好的轻载效率、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示出传统的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、开关控制器110和振荡器120，主功率电路包括串联连接在输入端和接地端之间的高侧晶体管MD1和低侧晶体管MD2，电感Lx连接在高侧晶体管MD1和低侧晶体管MD2的中间节点和输出端之间，输出电容Co连接在输出端和接地端之间。开关变换器100的输入端接收输入电压Vin，输出端提供输出电压Vout。
开关控制器110用于向高侧晶体管MD1和低侧晶体管MD2提供开关信号。在图1的示例中，提供给高侧晶体管MD1的开关信号为上管开关信号Gate_HS，提供给低侧晶体管MD2的开关信号为下管开关信号Gate_LS。
在图1的示例中，开关控制器110实现所谓的电流模式控制(例如，峰值电流模式控制)，开关信号的开关频率是恒定的，而开关信号的导通时间在每个开关周期中被调节。导通时间与开关周期之间的比率通常被称为占空比。换言之，开关信号的占空比在每个开关周期中被更新，以便调节输出电压或输出电流，同时开关周期基本上恒定。开关频率由振荡器120生成的时钟信号CLK确定，振荡器120可以使用诸如张弛振荡器电路等任何已知的振荡器电路来实现。
在传统的开关变换器100中，输出电压Vout由占空比D和输入电压Vin确定，当输入电压Vin很大，输出电压Vout很小时，就需要占空比D很小。而由于开关频率是恒定的，所以传统的开关变换器100中存在一个最小占空比Dmin，当占空比D减小到最小占空比Dmin时就无法更小了，否则系统会发生震荡，相应的输出电压Vout降低到一定程度就无法更低了。同理，当输入电压Vin很小时，输出电压Vout很大时，就需要占空比D很大，而同样开关变换器100中也存在一个最大占空比Dmax，当占空比D增大到最大占空比Dmax时就无法再增大了，相应的输出电压Vout也无法再增大了。因此，对于相同的输入电压Vin，现有的开关变换器100的输出电压Vout其实被限制在一定的范围内，无法适用于需要宽范围的输出电压的应用环境。
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，可在输入电压变化时线性调节开关变换器的开关频率，以达到拓宽输出电压范围的目的。
根据本发明的一方面，提供了一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器采用高侧晶体管和低侧晶体管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据输入电压产生输出电压，其中，所述控制电路包括：振荡器，被配置为生成具有一定频率的时钟信号；开关控制器，被配置为接收所述时钟信号并生成上管开关信号和下管开关信号，以控制所述高侧晶体管和所述低侧晶体管的导通状态；第一导通时间发生器，被配置为根据所述时钟信号产生最小导通时间的第一基准信号；第二导通时间发生器，被配置为根据所述时钟信号产生最大导通时间的第二基准信号；以及频率控制模块，被配置分别将所述第一基准信号和所述第二基准信号与所述上管开关信号进行比较，并在所述上管开关信号满足预设条件时降低所述时钟信号的频率。
可选的，所述预设条件为所述上管开关信号的高电平时间小于所述第一基准信号的高电平时间，或者所述上管开关信号的高电平时间大于所述第二基准信号的高电平时间。
可选的，所述振荡器包括：连接于电源电压和地之间的第一电流源和第一电容，二者的中间节点用于输出一斜坡电压；第一开关管，并联于所述第一电容的两端之间，用于提供所述第一电容的第一端至地的放电路径；以及一比较器，用于将所述斜坡电压和一参考电压进行比较，以生成所述时钟信号，其中，所述频率控制模块通过减小所述第一电容的充电电流以降低所述时钟信号的频率。
可选的，所述频率控制模块包括：第一比较单元，被配置将所述上管开关信号与所述第一基准信号进行比较，生成第一比较信号；第二开关管，其第一端与所述第一电容的第一端连接，第二端接地，控制端与所述第一比较信号连接，用于在导通时提供所述第一电容对地的放电路径；第二比较单元，被配置为将所述上管开关信号与所述第二基准信号件比较，生成第二比较信号；以及第三开关管，其第一端与所述第一电容的第一端连接，第二端接地，控制端与所述第二比较信号连接，用于在导通时提供所述第一电容对地的放电路径。
可选的，所述第一比较单元包括：连接于所述电源电压和地之间的第二电流源、第四开关管、第五开关管以及第三电流源；第一电阻，其第一端与所述第四开关管和所述第五开关管的中间节点连接；第二电容，其第一端与所述第一电阻的第二端连接，第二端接地；以及第三电容，其第一端与所述第四开关管和所述第五开关管的中间节点连接，第二端接地，其中，所述第四开关管和所述第五开关管的中间节点用于输出所述第一比较信号。
可选的，所述第二比较单元包括：连接于所述电源电压和地之间的第四电流源、第六开关管、第七开关管以及第五电流源；第二电阻，其第一端与所述第六开关管和所述第七开关管的中间节点连接；第四电容，其第一端与所述第二电阻的第二端连接，第二端接地；以及第五电容，其第一端与所述第六开关管和所述第七开关管的中间节点连接，第二端接地，其中，所述第六开关管和所述第七开关管的中间节点用于输出所述第一比较信号。
可选的，所述第四开关管选自PMOS晶体管，所述第五开关管选自NMOS晶体管。
可选的，所述第六开关管选自PMOS晶体管，所述第五开关管选自NMOS晶体管。
根据本发明的另一方面，提供了一种开关变换器，包括：主功率电路，采用高侧晶体管和低侧晶体管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据输入电压产生输出电压；以及上述的控制电路，用于产生上管开关信号和下管开关信号以控制所述高侧晶体管和所述低侧晶体管的导通状态。
本发明的开关变换器还包括频率控制模块，该频率控制模块将分别表征高侧晶体管的最小导通时间和最大导通时间的第一基准信号和第二基准信号与上管开关信号进行比较，当上管开关信号满足预设条件时降低所述时钟信号的频率，从而可在输入电压变化时线性调节开关变换器的开关频率，以达到拓宽输出电压范围的目的，以使得本发明的开关变换器可适用于更多的应用环境下。
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示出根据传统的开关变换器的示意性电路图；
图2示出根据本发明的一种开关变换器的示意性电路图；
图3示出图2中的频率控制模块和振荡器的示意性电路图；
图4示出本发明的开关变换器在输入电压增大过程中的工作波形示意图；
图5示出本发明的开关变换器在输入电压减小过程中的工作波形示意图。
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。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图2示出根据本发明的一种开关变换器的示意性电路图。如图2所示，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高侧晶体管MD1和低侧晶体管MD2，其中，高侧晶体管MD1被称为主开关管，低侧晶体管MD2被称为同步开关管，电感Lx连接在高侧晶体管MD1和低侧晶体管MD2的中间节点和输出端之间，输出电容Co连接在输出端和接地端之间。开关变换器200的输入端接收输入电压Vin，输出端提供输出电压Vout。
在本实施例中，两个晶体管MD1和MD2可以通过NMOS晶体管实现。然而，也可以采用任何其他类型的晶体管。在一些实施例中，也可以使用二极管代替低侧晶体管MD2。
开关变换器200的控制电路包括开关控制器210、振荡器220、第一导通时间发生器230、第二导通时间发生器240以及频率控制模块250。开关控制器210用于向高侧晶体管MD1和低侧晶体管MD2提供开关信号。该开关信号是根据脉宽调制信号产生的驱动信号。在本实施例中，提供给高侧晶体管MD1的开关信号为上管开关信号Gate_HS，例如是脉宽调制信号的同相信号，提供给低侧晶体管MD2的开关信号为下管开关信号Gate_LS，例如是脉宽调制信号的反相信号。
在图2的示例中，开关控制器210实现所谓的电流模式控制(例如，峰值电流模式控制)，开关信号的开关频率是恒定的，而开关信号的导通时间在每个开关周期中被调节。导通时间与开关周期之间的比率通常被称为占空比。换言之，开关信号的占空比在每个开关周期中被更新，以便调节输出电压或输出电流，同时开关周期基本上恒定。开关频率由振荡器220生成的时钟信号CLK确定，振荡器120可以使用诸如张弛振荡器电路等任何已知的振荡器电路来实现。
第一导通时间发生器230被配置为根据时钟信号CLK产生表征上管开关信号Gate_HS的最小导通时间的第一基准信号Tmin。第二导通时间发生器240被配置为根据时钟信号CLK生成表征上管开关信号Gate_HS的最大导通时间的第二基准信号Tmax。频率控制模块250被配置为根据所述第一基准信号Tmin、所述第二基准信号Tmax以及所述上管开关信号Gate_HS调节所述时钟信号CLK的频率，从而可以线性调节开关变换器200的开关频率以满足宽范围的输出电压的要求。
可选的，频率控制模块250被配置为在所述上管开关信号Gate_HS的高电平时间小于第一基准信号Tmin的高电平时间，或者所述上管开关信号Gate_HS的高电平时间大于所述第二基准信号Tmax的情况下，通过线性减小所述时钟信号CLK的频率来降低所述开关变换器200的开关频率。
参考图3，本实施例的振荡器220包括电流源I1、电容C1、开关管M1和比较器OP1。电流源I1和电容C1依次连接于电源电压VCC和地之间，开关管M1并联连接于电容C1的两端之间，用于提供电容C1的第一端至地的放电路径。当开关管M1关断时，电流源I1对电容C1进行充电，当开关管M1导通时，电容C1对地放电，从而在电流源I1和电容C1的中间节点输出一斜坡电压。比较器OP1用于将所述斜坡电压与一参考电压Vref进行比较，以生成所述时钟信号CLK。其中，本实施例的频率控制模块250通过减小电容C1的充电电流来降低时钟信号CLK的频率。
可选的，频率控制模块250包括第一比较单元251、第二比较单元252、开关管M2以及开关管M3。第一比较单元251被配置为将上管开关信号Gate_HS与第一基准信号Tmin进行比较，以生成第一比较信号VLC。开关管M2的第一端与电容C1的第一端连接，第二端接地，控制端与第一比较信号VLC连接，从而可以在第一比较信号VLC的控制下提供电容C1对地的放电路径。第二比较单元252被配置为将上管开关信号Gate_HS与第二基准信号Tmax进行比较，以生成第二比较信号VHC。开关管M3的第一端与电容C1的第一端连接，第二端接地，控制端与第二比较信号VHC连接，从而可以在第二比较信号VHC的控制下提供电容C1对地的放电路径。
可选的，第一比较单元251包括电流源I2和I3、开关管M4和M5、电阻R11以及电容C2和C3。电流源I2、开关管M4、开关管M5以及电流源I3依次连接于电源电压VCC和地之间，电阻R11和电容C2依次连接于开关管M4和M5的中间节点和地之间，电容C3的第一端与开关管M4和M5的中间节点连接，另一端接地。电流源I2、开关管M4、开关管M5以及电流源I3构成一个充放电支路，根据上管开关信号Gate_HS和第一基准信号Tmin的比较结果对电容C2和电容C3进行充放电，从而在开关管M4和M5的中间节点输出所述第一比较信号VLC。
第二比较单元252包括电流源I4和I5、开关管M6和M7、电阻R12以及电容C4和C5。电流源I4、开关管M6、开关管M7以及电流源I5依次连接于电源电压VCC和地之间，电阻R12和电容C4依次连接于开关管M6和M7的中间节点和地之间，电容C5的第一端与开关管M6和M7的中间节点连接，另一端接地。电流源I4、开关管M6、开关管M7以及电流源I5构成一个充放电支路，根据上管开关信号Gate_HS和第二基准信号Tmax的比较结果对电容C4和电容C5进行充放电，从而在开关管M6和M7的中间节点输出所述第二比较信号VHC。
其中，开关管M4和M6实现为PMOS晶体管，开关管M5和M7实现为NMOS晶体管。然而，也可以采用其他类型的晶体管。
图4示出本发明的开关变换器在输入电压增大过程中的工作波形示意图。结合图3和图4，当上管开关信号Gate_HS的高电平时间大于第一基准信号Tmin的高电平时间时，开关频率无变化，系统可以稳定地工作；随着输入电压Vin的升高，上管开关信号Gate_HS的高电平时间逐渐变短，当上管开关信号Gate_HS的高电平时间小于第一基准信号Tmin的高电平时间时，例如图4中的A点所示，如果此时开关频率没有变化，输出电压Vout将无法保持稳定，会出现震荡。因此图3中的开关管M4导通，开关管M5关断，通过电流源I2对电容C2和C3进行充电，将第一比较信号VLC的电压抬高，当第一比较信号VLC的电压大于开关管M2的导通阈值时，开关管M2导通，降低振荡器220中的电容C1的充电电流，继而降低时钟信号CLK的频率，时钟信号CLK的频率降低之后，相对的开关周期T将会增大，根据占空比D＝Ton/T可知，占空比D可以继续降低，从而可保证输出电压Vout的稳定。此外，时钟信号CLK的频率降低之后，上管开关信号Gate_HS的高电平时间开始变长，直到上管开关信号Gate_HS的高电平时间与第一基准信号Tmin的高电平时间相等时，第一比较信号VLC的电压不再上升，例如图4中的B点所示，从而可以保证输出电压Vout和系统频率可以保持稳定。
图5示出本发明的开关变换器在输入电压减小过程中的工作波形示意图。结合图3和图5，当上管开关信号Gate_HS的高电平时间小于第二基准信号Tmax的高电平时间时，开关频率无变化，系统可以稳定地工作；随着输入电压Vin的降低，上管开关信号Gate_HS的高电平时间逐渐变长，当上管开关信号Gate_HS的高电平时间大于第二基准信号Tmax的高电平时间时，例如图5中的C点所示，同样的，如果此时系统的开关频率没有变化的话，将导致输出电压Vout无法稳定，出现震荡。因此图3中的开关管M6导通，开关管M7关断，通过电流源I4对电容C4和C5进行充电，将第二比较信号VHC的电压抬高，当第二比较信号VHC的电压大于开关管M3的导通阈值时，开关管M3导通，降低振荡器220中的电容C1的充电电流，继而降低时钟信号CLK的频率，保证了输出电压Vout的稳定，直到上管开关信号Gate_HS的高电平时间与第二基准信号Tmax的高电平时间相等时，第二比较信号VHC的电压不再上升，例如图5中的D点所示，从而可以保证输出电压Vout和系统频率可以保持稳定。
综上所述，本发明的开关变换器还包括频率控制模块，该频率控制模块将分别表征高侧晶体管的最小导通时间和最大导通时间的第一基准信号和第二基准信号与上管开关信号进行比较，当上管开关信号满足预设条件时降低所述时钟信号的频率，从而可在输入电压变化时线性调节开关变换器的开关频率，以达到拓宽输出电压范围的目的，以使得本发明的开关变换器可适用于更多的应用环境下。
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 (9)

1.一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器采用高侧晶体管和低侧晶体管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据输入电压产生输出电压，其中，所述控制电路包括：
振荡器，被配置为生成具有一定频率的时钟信号；
开关控制器，被配置为接收所述时钟信号并生成上管开关信号和下管开关信号，以控制所述高侧晶体管和所述低侧晶体管的导通状态；
第一导通时间发生器，被配置为根据所述时钟信号产生最小导通时间的第一基准信号；
第二导通时间发生器，被配置为根据所述时钟信号产生最大导通时间的第二基准信号；以及
频率控制模块，被配置分别将所述第一基准信号和所述第二基准信号与所述上管开关信号进行比较，并在所述上管开关信号满足预设条件时降低所述时钟信号的频率。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述预设条件为所述上管开关信号的高电平时间小于所述第一基准信号的高电平时间，或者所述上管开关信号的高电平时间大于所述第二基准信号的高电平时间。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其中，所述振荡器包括：
连接于电源电压和地之间的第一电流源和第一电容，二者的中间节点用于输出一斜坡电压；
第一开关管，并联于所述第一电容的两端之间，用于提供所述第一电容的第一端至地的放电路径；以及
一比较器，用于将所述斜坡电压和一参考电压进行比较，以生成所述时钟信号，
其中，所述频率控制模块通过减小所述第一电容的充电电流以降低所述时钟信号的频率。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其中，所述频率控制模块包括：
第一比较单元，被配置将所述上管开关信号与所述第一基准信号进行比较，生成第一比较信号；
第二开关管，其第一端与所述第一电容的第一端连接，第二端接地，控制端与所述第一比较信号连接，用于在导通时提供所述第一电容对地的放电路径；
第二比较单元，被配置为将所述上管开关信号与所述第二基准信号件比较，生成第二比较信号；以及
第三开关管，其第一端与所述第一电容的第一端连接，第二端接地，控制端与所述第二比较信号连接，用于在导通时提供所述第一电容对地的放电路径。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其中，所述第一比较单元包括：
连接于所述电源电压和地之间的第二电流源、第四开关管、第五开关管以及第三电流源；
第一电阻，其第一端与所述第四开关管和所述第五开关管的中间节点连接；
第二电容，其第一端与所述第一电阻的第二端连接，第二端接地；以及
第三电容，其第一端与所述第四开关管和所述第五开关管的中间节点连接，第二端接地，
其中，所述第四开关管和所述第五开关管的中间节点用于输出所述第一比较信号。
6.根据权利要求4所述的控制电路，其中，所述第二比较单元包括：
连接于所述电源电压和地之间的第四电流源、第六开关管、第七开关管以及第五电流源；
第二电阻，其第一端与所述第六开关管和所述第七开关管的中间节点连接；
第四电容，其第一端与所述第二电阻的第二端连接，第二端接地；以及
第五电容，其第一端与所述第六开关管和所述第七开关管的中间节点连接，第二端接地，
其中，所述第六开关管和所述第七开关管的中间节点用于输出所述第一比较信号。
7.根据权利要求5所述的控制电路，其中，所述第四开关管选自PMOS晶体管，所述第五开关管选自NMOS晶体管。
8.根据权利要求6所述的控制电路，其中，所述第六开关管选自PMOS晶体管，所述第五开关管选自NMOS晶体管。
9.一种开关变换器，包括：
主功率电路，采用高侧晶体管和低侧晶体管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据输入电压产生输出电压；以及
根据权利要求1-8任一项所述的控制电路，用于产生上管开关信号和下管开关信号以控制所述高侧晶体管和所述低侧晶体管的导通状态。
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CN117595617A (zh) * 2024-01-18 2024-02-23 成都利普芯微电子有限公司 一种瞬态响应控制电路和开关变换器

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