CN116094323A - 一种开关变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关变换器，包括电压偏移电路和电压钳位电路，电压偏移电路用于向电流检测电路添加一个与电感元件中的负电流成比例的偏移电压，从而使得电流检测电路可以检测功率电路中的负电流。同时电压钳位电路还可以在输出端的电压大于设定电压时，将误差信号的最小电压钳位在预设的参考电压下，保证后续的电路可以正常的工作。通过上述两方面的设置，本实施例的开关变换器在外部电源向输出端传输能量时可以正常的稳压，同时通过功率电路中的至少一个开关元件和电感元件将这部分能量传递到输入端进行存储，保证了这部分能量不会浪费，提高了开关变换器的效率。

Description

一种开关变换器

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，更具体地涉及一种开关变换器。

背景技术

现代便携式电子设备通常设置有诸如电池的电源，其用作装置内的各种电子部件的直流(DC)。然而，通常这些部件将具有不同的电压要求，因此这类装置通常采用一个或多个电压转换器，该电压转换器将与电源相关联的标称电压降低到适合于不同电子部件的电压。

现有的电压转换器通常采用线性调节器和开关变换器这两种。在线性调节器中，输出电压通过调节无源元件(例如可变电阻)进行调节，以控制电流从电压源到负载的连续流动。开关变换器通过将电流连通或断开来控制输出电压，通常采用一个或者多个开关以及电感和电容部件来存储和传递能量到负载端，调节器通过控制开关元件的导通和关断，来调节输送到负载端的电压大小，从而控制通过电感以不连续电流脉冲形式输送的电量。所述电感和电容将输送的电流脉冲转化成稳定的负载电流，以便调控负载电压。最终，根据表示输出电压和负载电流的反馈信号通过调节开关元件的导通和关断时间来实现调节输出电压。

以电流模式工作的开关变换器可以提供良好的线性和负载瞬态信号抑制，并且在故障状态(例如输出短路)期间具有很好的限流能力，因此得到了广泛的应用。很多电流模式的DC-DC变换器监控电感电流，并且将它与峰值电感电流作比较，以确定何时断开主开关元件，从而消除过量电流的输送。

现有的开关变换器只能实现单向的能量传递，即只能实现输入端到负载端的能量传递，当有外部能量向负载端提供能量时，输出电压会超过设定的电压，使得开关变换器中的运放的输出为0，导致开关变换器无法正常工作。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关变换器，可在外部能量向负载端提供能量时正常工作，实现负载端至输入端的反向储能。

根据本发明实施例，提供了一种开关变换器，包括：输入端，接收输入电压；连接到负载的输出端，提供输出电压；与所述输入端和输出端连接的功率电路，所述功率电路采用至少一个电感元件以及至少一个开关元件调节提供给所述负载的电流；电流检测电路，用于得到表征所述至少一个电感元件的电感电流的电流采样信号；电压偏移电路，用于向所述电流检测电路添加与所述至少一个电感元件中的负电流成比例的偏移电压；电压钳位电路，用于将表征所述输出电压的误差信号与预设参考电压比较，以得到一钳位电压；以及导通时间控制电路，用于将所述电流采样信号和斜坡补偿信号的叠加信号与所述钳位电压进行比较，以控制所述至少一个开关元件的第一时间周期，在所述第一时间周期内所述电感电流在所述至少一个电感元件中流动以将能量存储在所述至少一个电感元件中。

可选的，所述钳位电压不低于所述预设参考电压的电压值。

可选的，所述开关变换器还包括：定时器，用于向所述功率电路提供一时钟信号，以控制所述至少一个开关元件的第二时间周期，在所述第二时间周期内能量从所述至少一个电感元件被传递到所述输出端或输入端。

可选的，所述开关变换器还包括：误差放大器，其正相输入端用于接收一基准电压，反相输入端用于接收所述输出电压的反馈电压，用于将所述反馈电压与所述基准电压进行比较，以产生所述误差信号。

可选的，所述电流检测电路包括：采样电阻，用于采样所述功率电路中的电感电流；以及电流放大器，通过在所述采样电阻的两端产生感测电压，以获得所述电流采样信号。

可选的，所述电压偏移电路包括一偏置电压源，所述偏置电压源的一端与所述电流放大器的正相输入端连接，另一端与所述采样电阻的一端连接。

可选的，所述导通时间控制电路包括：PWM比较器，其正相输入端用于接收所述电流采样信号和斜坡补偿信号的叠加信号，反相输入端用于接收所述钳位电压，输出端用于输出控制所述至少一个开关元件的关断时刻的复位信号。

可选的，功率电路选自降压拓扑、升压拓扑或者升降压拓扑。

可选的，所述开关变换器是同步开关变换器或非同步开关变换器。

本发明实施例的开关变换器具有以下有益效果：电压偏移电路用于向电流检测电路添加一个与电感元件中的负电流成比例的偏移电压，从而使得电流检测电路可以检测功率电路中的负电流。同时电压钳位电路还可以在输出端的电压大于设定电压时，将误差信号的最小电压钳位在预设的参考电压下，保证后续的电路可以正常的工作。通过上述两方面的设置，本实施例的开关变换器在外部电源向输出端传输能量时可以正常的稳压，同时通过功率电路中的至少一个开关元件和电感元件将这部分能量传递到输入端进行存储，保证了这部分能量不会浪费，提高了开关变换器的效率。

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。

图1示出传统的开关变换器的示意性电路图；

图2示出本发明实施例的开关变换器的示意性框图；

图3示出本发明实施例的开关变换器的一种示意性电路图；

图4示出本发明实施例的开关变换器工作在反向储能下的电压波形示意图；

图5a和5b分别示出本发明实施例的开关变换器的两种仿真示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用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，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

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。

在本申请的上下文中，当晶体管处于“断开(off)状态”或“断开”时，晶体管阻挡电流和/或基本不传导电流。相反，当晶体管从处于“导通(on)状态”或“导通”时，晶体管能够显著地传导电流。举例来说，在一个实施例中，高压晶体管包括N沟道金属氧化物半导体(NMOS)场效应晶体管(FET)，其中高压被提供在晶体管的第一端子(即漏极)和第二端子(即源极)之间。在一些实施例中，当调节提供到负载的能量时，可以使用集成控制器电路来驱动功率开关。另外，出于本公开内容的目的，本申请中的“接地”或“接地电势”是指如下参考电压或电势，相对于参考电压或电势来定义或测量电子电路或集成电路(IC)的所有其他电压或电势。

图1示出传统的开关变换器，如图1所示，开关变换器100包括功率电路110、误差放大器OP1、电流放大器Comp1、PWM比较器Comp2、定时器140和采样电阻Rs。

功率电路110连接于输入端和输出端之间，采用至少一个电感元件以及至少一个开关元件调节提供给连接于输出端的负载的电流，从而根据输入电压Vin向负载提供稳定连续的输出电压Vout。

开关变换器100还包括分压电阻R1和R2，分压电阻R1和R2串联连接在输出端和地之间，二者的中间节点用于提供输出电压Vout的反馈电压VFB。误差放大器OP1具有连接至所述反馈电压VFB的反相输入端、接收基准电压VREF的正相输入端、以及用于输出反馈电压VFB与基准电压VREF之差(或误差)的误差信号Vea的输出端。

采样电阻Rs的一端与输入端连接，另一端与功率电路110中的开关元件连接。电流放大器Comp1具有连接在采样电阻Rs的两端的正相输入端和反相输入端，电流放大器Comp1通过在采样电阻Rs的两端产生感测电压，从而获得表征功率电路110中电感电流的电流采样信号Vsen。

开关变换器100被配置为利用峰值电流来控制功率电路110在连续传导模式(CCM)下的操作。特别地，每个开关周期均包括导通时间周期Ton和断开时间周期Toff，在导通时间周期Ton中，来自输入端的电流在电感元件和开关元件中流动，从而使得能量能够被存储在所述至少一个电感元件中。在峰值电流控制模式中，基于在采样电阻Rs感测的电压使用合适的反馈控制回路来控制导通时间周期Ton的持续时间。示例的，PWM比较器Comp2具有接收电流采样信号Vsen与斜坡补偿信号Vsaw的叠加信号Vsum的正相输入端，接收所述误差信号Vea的反相输入端，以及用于输出误差信号Vea与叠加信号Vsum的比较结果的复位信号RSET，以基于二者的比较结果来控制所述导通时间周期Ton的持续时间。

在断开时间周期Toff中，先前存储在电感元件中的能量被传递到负载端。特别地，断开时间周期Toff的持续时间可以是固定的。示例的，定时器140用于为电路提供开关定时的内部时钟，以控制其中的至少一个开关元件的断开时间周期Toff。

传统的开关变换器100只能提供单向的能量传递，即电流只能从输入端流向输出端，在整个开关周期中电感元件中的电流始终是大于零的。然而对于一些高容性负载，由于负载的电容特性，其在充电阶段实际上并没有消耗太多功率，其在充电阶段所汲取的大部分能量都被存储在负载的电容中，在放电阶段，这部分能量会被输送到开关变换器100的输出端，导致输出电压Vout上升，继而使得反馈电压VFB大于基准电压VREF，开关变换器100无法正常工作，导致这部分能量从负载的电容中排放到地或负电源端而造成能量的浪费。

图2示出本发明实施例的开关变换器的示意性框图。如图2所示，开关变换器200包括功率电路210、电流检测电路220、电压偏移电路230、定时器240、误差放大电路250、电压钳位电路260、导通时间控制电路270以及反馈电路280。

功率电路210包括一个或多个开关元件和滤波器元件(例如，电感和/或电容等)，所述一个或多个开关元件和滤波器元件被配置为响应于开关驱动信号来调节开关变换器输入端至输出端的电能传输，以将输入电压Vin转换成稳定连续的输出电压Vout。

在一些实施例中，按照功率电路210的拓扑分类，可以将开关变换器200划分为降压型(buck)变换器、升压型(boost)变换器、反激型(flyback)变换器和降压-升压型(buck-boost)变换器。

开关变换器200被配置为利用峰值电流来控制功率电路210在连续传导模式(CCM)下的操作。特别地，每个开关周期均包括导通时间周期Ton和断开时间周期Toff，在导通时间周期Ton中，来自输入端的电流在电感元件和开关元件中流动，从而使得能量能够被存储在所述至少一个电感元件中。在断开时间周期Toff中，先前存储在电感元件中的能量被传递到负载端或输入端。

电流检测电路220用于在所述导通时间周期Ton中，通过检测流经功率电路210中的至少一个电感元件的电流，以获得表征所述至少一个电感元件的电感电流的电流采样信号Vsen。上述采样可以通过采样电阻器、电流互感器或电流镜等方式实现，而且，电流检测电路220也可以通过采样流过各个开关元件的电流来估算流过电感元件的电流并获取电流采样信号Vsen。

电压偏移电路230与电流检测电路220连接，用于向电流检测电路220添加一个与所述至少一个电感元件中的负电流成比例的偏移电压Vos，以使得电流检测电路220可以检测所述至少一个电感元件中的负电流，并输出有效的电流采样信号Vsen。

定时器240用于为电路提供内部开关定时。示例的，本实施例的开关变换器200的断开时间周期Toff的持续时间可以是固定的，通过定时器240提供的时钟信号SET来控制断开时间周期Toff的持续时间。

反馈电路280连接在开关变换器200的输出端和地之间，用于提供输出电压Vout的反馈电压VFB。误差放大电路250用于将反馈电压VFB与基准电压VREF1进行比较，根据二者之间的差或误差得到误差信号Vea。

电压钳位电路260用于将所述误差信号Vea与预设的参考电压VREF2进行比较，根据二者之间的比较结果得到一钳位电压Vc。在一些实施例中，电压钳位电路260的主要作用为钳位误差信号Vea的最小电压，也就是说，当误差信号Vea的电压值大于参考电压VREF2的电压值时，钳位电压Vc等于误差信号Vea；当误差信号Vea的电压值小于参考电压VREF2的电压值时，钳位电压Vc等于参考电压VREF2，也即，得到的钳位电压Vc的电压值始终不会低于预设的参考电压VREF2的电压值。

导通时间控制电路270用于将电流采样信号Vsen和斜坡补偿信号Vsaw的叠加信号Vsum与所述钳位电压Vc进行比较，根据二者的比较结果得到复位信号RSET，以控制至少一个开关元件的导通时间周期Ton。

与传统的开关变换器相比，开关变换器200中的电压偏移电路230向电流检测电路220添加一个与电感元件中的负电流成比例的偏移电压，从而使得电流检测电路220可以检测功率电路210中的负电流，也即电流方向为从输出端到输入端的电流。此外，电压钳位电路260还可以在输出端的电压大于设定电压时，将误差信号的最小电压钳位在预设的参考电压下，保证后续的导通时间控制电路270可以正常的工作。通过上述两方面的设置，本实施例的开关变换器200在外部电源向输出端传输能量时可以正常的工作，继而通过功率电路210中的至少一个开关元件和电感元件将这部分能量传递到输入端进行存储，保证了这部分能量不会浪费，提高了开关变换器的效率。

图3示出根据本发明实施例的开关变换器的一种示意性电路图。在本实施例中，功率电路210通过降压拓扑架构实现，包括功率开关M1、整流开关M2和电感L，功率开关M1的第一端与输入电压Vin连接，第二端与整流开关M2的第一端连接，整流开关M2的第二端接地，功率开关M1和整流开关M2的公共端形成一开关节点，电感L的第一端与该开关节点连接，第二端与输出电压Vout连接。其中功率开关M1和整流开关M2可以是任何可控半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。

应当指出，尽管在本实施例中将MOSFET用于开关元件，在不偏离本发明原理的前提下，可以使用任何其他类型的合适开关元件。此外，本实施例虽然以同步降压变换器进行说明，但是，本发明不以此为限制，本发明同样适用于非同步降压变换器，本领域技术人员也可以采用整流二极管代替上述实施例中的整流开关M2。

在另外一些实施例中，功率电路210中还包括逻辑模块，逻辑模块能够实现系统的逻辑控制功能，对控制开关元件M1～M2的工作状态的各个模块的逻辑信号进行处理，产生开关驱动信号提供给开关元件M1～M2。逻辑模块中还可以包括脉宽调制器(PWM)电路或任何其他能够控制功率开关M1～M2的占空比的适当电路。

在一些实施例中，电流检测电路220包括采样电阻Rs和电流放大器Comp1。采样电阻Rs连接在输入电压Vin和功率开关M1的第一端之间。电流放大器Comp1具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端与采样电阻Rs的第一端连接，其反相输入端与采样电阻Rs的第二端连接。当功率开关M1导通时，电感电流流过采样电阻Rs，并且在其两端产生感测电压，该感测电压大约等于电感电流与采样电阻值的乘积，然后通过电流放大器Comp1放大该电压以得到电流采样信号Vsen。

在一些实施例中，电压偏移电路230可以包括偏置电压源，该偏置电压源的一端与电流放大器Comp1的正相输入端连接，另一端与采样电阻Rs的第一端连接，从而在电流放大器Comp1的正相输入端提供一个偏移电压Vos。

在一些实施例中，误差放大电路250包括误差放大器OP1，误差放大器OP1具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收基准电压VREF1，反相输入端接收输出电压Vout的反馈电压VFB。误差放大器OP1适于将所述反馈电压VFB与该基准电压VREF1进行比较，在输出端产生误差信号Vea。一般的，在误差放大器OP1的输出端与参考地之间设置有由电阻器和电容器组成的补偿网络(图3中未示出)。虽然图3中所示实施例采用误差放大器OP1实现误差放大电路250，但本领域技术人员可知，其他合适的模拟或者数字的电路也同样适用，只要能实现误差放大功能即可。

在一些实施例中，导通时间控制电路270可以包括PWM比较器Comp2。PWM比较器Comp2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端耦接至所述电压钳位电路260的输出端以接收所述钳位电压Vc，其反相输入端用于接收电流采样信号Vsen与斜坡补偿信号Vsaw的叠加信号Vsum。PWM比较器Comp2适于将所述钳位电压Vc与叠加信号Vsum进行比较，并在二者相交时产生复位信号RSET，复位信号RSET用来控制功率开关M1的关断时刻。

在一些实施例中，反馈电路280包括分压电阻R1和R2，分压电阻R1和R2串联连接在输出端和地之间，二者的中间节点用于提供输出电压Vout的反馈电压VFB。

图4示出本发明实施例的开关变换器工作在反向储能下的电压波形示意图，在图4中分别示出了电感电流IL、时钟信号SET、电流采样信号Vsen和斜坡补偿信号Vsaw的叠加信号Vsum以及复位信号RSET的电压波形。如图4所示，当输出端有外部能量灌入时，电流检测电路中被添加了电压偏移，因此电流检测电路输出0电压对应某个负的电流值，钳位电压Vc的电压值被钳位在参考电压VREF2。在每个开关周期的循环开始时，定时器240向逻辑电路提供窄脉冲的时钟信号SET，逻辑电路根据接收到的时钟信号SET使得功率开关M1导通而整流开关M2关断。这使得电感L两端的电压大约为Vin-Vout，通过电感L的电流(即，电感电流IL)线性增加，并且较大量的电流被输送给输入端。当电流采样信号Vsen与斜坡补偿信号Vsaw的叠加信号Vsum超过PWM比较器Comp2的反相输入端的电压(即，参考电压VREF2)时，PWM比较器Comp2提供复位信号RSET给逻辑电路，以使功率开关M1关断和整流开关M2导通，这使得电感221两端的电压改变为-Vout，导致电感电流IL减弱，直到下一个时钟信号SET再次使得功率开关M1导通而整流开关M2断开。

图5a和5b分别示出本发明实施例的开关变换器的两种仿真示意图。图5a中示出了输入电压Vin、输出电压Vout、电感电流IL以及电流源I1在仿真过程中的波形示意图，图5b中示出了开关节点Lx、输入电压Vin、输出电压Vout、电感电流IL以及电流源I1在仿真过程中的波形示意图，其中电流源I1用于仿真外部电源，用来向开关变换器的输出端提供电流。如图5a和5b所示，当输出电压Vout稳定时，本实施例的开关变换器中的电感电流变为负电流，也即电感电流的方向变为从输出端流向输入端。因此，本实施例的开关变换器在外部能源向输出端提供能量时能够正常稳压，并且还能将负载端的能量传递到输入端进行储能。

综上所述，本发明实施例的开关变换器包括电压偏移电路和电压钳位电路，电压偏移电路用于向电流检测电路添加一个与电感元件中的负电流成比例的偏移电压，从而使得电流检测电路可以检测功率电路中的负电流。同时电压钳位电路还可以在输出端的电压大于设定电压时，将误差信号的最小电压钳位在预设的参考电压下，保证后续的电路可以正常的工作。通过上述两方面的设置，本实施例的开关变换器在外部电源向输出端传输能量时可以正常的稳压，同时通过功率电路中的至少一个开关元件和电感元件将这部分能量传递到输入端进行存储，保证了这部分能量不会浪费，提高了开关变换器的效率。

应当说明的是，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所述，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所述的具体实施例。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。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种开关变换器，包括：

输入端，接收输入电压；

连接到负载的输出端，提供输出电压；

与所述输入端和输出端连接的功率电路，所述功率电路采用至少一个电感元件以及至少一个开关元件调节提供给所述负载的电流；

电流检测电路，用于得到表征所述至少一个电感元件的电感电流的电流采样信号；

电压偏移电路，用于向所述电流检测电路添加与所述至少一个电感元件中的负电流成比例的偏移电压；

电压钳位电路，用于将表征所述输出电压的误差信号与预设参考电压比较，以得到一钳位电压；以及

导通时间控制电路，用于将所述电流采样信号和斜坡补偿信号的叠加信号与所述钳位电压进行比较，以控制所述至少一个开关元件的第一时间周期，在所述第一时间周期内所述电感电流在所述至少一个电感元件中流动以将能量存储在所述至少一个电感元件中。

2.根据权利要求1所述的开关变换器，其中，所述钳位电压不低于所述预设参考电压的电压值。

3.根据权利要求1所述的开关变换器，还包括：

定时器，用于向所述功率电路提供一时钟信号，以控制所述至少一个开关元件的第二时间周期，在所述第二时间周期内能量从所述至少一个电感元件被传递到所述输出端或输入端。

4.根据权利要求1所述的开关变换器，还包括：

误差放大器，其正相输入端用于接收一基准电压，反相输入端用于接收所述输出电压的反馈电压，用于将所述反馈电压与所述基准电压进行比较，以产生所述误差信号。

5.根据权利要求1所述的开关变换器，其中，所述电流检测电路包括：

采样电阻，用于采样所述功率电路中的电感电流；以及

电流放大器，通过在所述采样电阻的两端产生感测电压，以获得所述电流采样信号。

6.根据权利要求5所述的开关变换器，其中，所述电压偏移电路包括一偏置电压源，所述偏置电压源的一端与所述电流放大器的正相输入端连接，另一端与所述采样电阻的一端连接。

7.根据权利要求1所述的开关变换器，其中，所述导通时间控制电路包括：

PWM比较器，其正相输入端用于接收所述电流采样信号和斜坡补偿信号的叠加信号，反相输入端用于接收所述钳位电压，输出端用于输出控制所述至少一个开关元件的关断时刻的复位信号。

8.根据权利要求1所述的开关变换器，其中，功率电路选自降压拓扑、升压拓扑或者升降压拓扑。

9.根据权利要求1所述的开关变换器，其中，所述开关变换器是同步开关变换器或非同步开关变换器。

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