CN116846218A - 开关电源变换器及其控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源变换器的控制电路，控制电路包括电流采样电路，用于检测流经电感器的电流，产生电流采样信号；误差放大器，用于将与输出电压相关的第一反馈电压与第一参考电压进行比较，以产生环路误差信号；PWM比较器，用于将环路误差信号与斜坡信号比较，以产生脉宽调制信号；逻辑和驱动电路，用于根据脉宽调制信号向至少一个功率开关提供驱动信号；模式切换电路，用于将第一反馈电压与第二参考电压以及与输入电压相关的第二反馈电压相比较，并根据比较结果向逻辑和驱动电路提供直通控制信号，直通控制信号用于控制开关电源变换器在正常模式与直通模式之间切换，以避免开关电源变换器在输入电压或者输出电压短暂波动时误触发直通模式。

Description

开关电源变换器及其控制电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种开关电源变换器及其控制电路。

背景技术

DC-DC电源是一种常见的电源转换电路，被广泛地应用于电子设备中，直通模式(pass-through)是DC-DC开关电源变换器的一种工作模式，在直通模式，由输入电压直接为负载供电，因为其有利于提高系统的电能转换效率，所以该模式在DC-DC开关电源变换器中十分常见。以升压变换器(BOOST)为例，其是一种开关直流升压DC-DC电路，相比于低压差线性稳压器(LDO)，它具有转换效率高的优点，它可以将输入电压转换成更高的输出电压。

图1示出了根据现有技术的开关电源变换器的结构示意图。如图1所示，该开关电源变换器为BOOST拓扑结构，包括控制电路100以及外部的功率电路，其中，功率电路包括一个或多个开关和储能元件(例如，电感器和电容器等)，所述一个或多个开关和储能元件被配置为响应于来自控制电路100的一个或多个开关驱动信号来调节功率电路的输入端至输出端的电能传输。

如图1所示，功率电路包括功率开关M1～M2、电感器L以及输出电容器COUT，被配置为通过交替导通的功率开关M1和M2将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。

电流采样电路101用于采样流经电感器L上的电流，以产生电流采样信号SNS。误差放大器102用来将输出电压VOUT的反馈电压VFB与参考电压Vref进行比较，以产生环路误差信号Vea。PWM比较器103用于将环路误差信号Vea与斜坡信号Vsum进行比较，并根据比较结果提供脉宽调制信号PWM来控制功率开关M1和M2的占空比。示例的，可以通过加法器电路∑将斜坡补偿信号VSLOPE和电流采样信号SNS、直流偏置VDC进行叠加以获得斜坡信号Vsum。比较器105用于对输入电压VIN和输出电压VOUT进行比较，并根据比较结果提供直通控制信号PASS_THROUGH来控制开关电源变换器在直通模式和升压模式之间切换。逻辑和驱动电路107用于根据脉宽调制信号PWM来控制功率开关M1和M2的导通和关断。

具体地，现有技术的比较器105在输入电压VIN高于输出电压VOUT时，输出第一状态的直通控制信号PASS_THROUGH，以控制开关电源变换器进入直通模式，使功率开关M2导通，功率开关M1关断，输入电压VIN被直接连接到输出，在输入电压VIN低于输出电压VOUT时，输出第二状态的直通控制信号PASS_THROUGH，以控制开关电源变换器进入升压模式，此时直通控制信号PASS_THROUGH处于无效状态。

图2示出了根据现有技术的开关电源变换器的时序图。如图2所示，当输入电压VIN受到扰动短暂升高时，其实开关电源变换器无需进入直通模式，但是采用上述控制电路的开关电源变换器的直通模式很容易被误触发，使开关电源变换器在升压模式和直通模式之间频繁切换，频繁的瞬态响应不利于输出电压VOUT稳定，使得输出电压VOUT波动较大。

当然，降压变换器和升降压变换器都存在上述问题，因此，有待提出一种新的开关电源变换器及其控制电路以解决上述问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种开关电源变换器及其控制电路，从而可以有效避免开关电源变换器在输入电压或者输出电压受到干扰短暂波动时误触发直通模式。

根据本发明的一方面，提供一种开关电源变换器的控制电路，所述开关电源变换器包括至少一个功率开关和电感器，所述控制电路通过控制所述至少一个功率开关的导通和关断来控制输入电压到输出电压的电能传输，所述控制电路包括：电流采样电路，用于检测流经所述电感器的电流，产生电流采样信号；误差放大器，用于将与所述输出电压相关的第一反馈电压与第一参考电压进行比较，以产生环路误差信号；PWM比较器，用于将所述环路误差信号与斜坡信号进行比较，以产生脉宽调制信号；

逻辑和驱动电路，用于根据所述脉宽调制信号向所述至少一个功率开关提供驱动信号；以及模式切换电路，用于将所述第一反馈电压与第二参考电压以及与所述输入电压相关的第二反馈电压相比较，并根据比较结果向所述逻辑和驱动电路提供一直通控制信号，所述直通控制信号用于控制所述开关电源变换器在正常模式与直通模式之间的切换。

可选地，所述第一反馈电压和所述第二反馈电压分别通过将所述输出电压和所述输入电压按照设定的第一比例系数分压得到。

可选地，所述逻辑和驱动电路配置为在所述直通控制信号为第一状态时，控制所述开关电源变换器进入所述直通模式，并在所述直通模式中屏蔽所述脉宽调制信号，使得所述输入电压直接为负载供电。

可选地，所述模式切换电路包括：第一比较器，用于将所述第二反馈电压与所述第一反馈电压进行比较，以产生第一比较信号；第二比较器，用于将所述第一反馈电压与所述第二参考电压进行比较，以产生第二比较信号；逻辑电路，用于将所述第一比较信号与所述第二比较信号进行与逻辑运算，以得到所述直通控制信号。

可选地，所述第二参考电压由基准电压源电路产生。

可选地，所述开关电源变换器为升压变换器，所述第二参考电压大于所述第一参考电压，且所述第二参考电压所述第一参考电压与一设定百分比之间的乘积。

可选地，所述模式切换电路配置为在所述第二反馈电压大于所述第一反馈电压，且所述第一反馈电压大于所述第二参考电压时，输出第一状态的所述直通控制信号以控制所述开关电源变换器进入直通模式。

可选地，所述开关电源变换器为降压变换器，所述第二参考电压小于所述第一参考电压，且所述第二参考电压等于所述第一参考电压与一设定百分比之间的乘积。

可选地，所述模式切换电路配置为在所述第二反馈电压小于所述第一反馈电压，且所述第一反馈电压小于所述第二参考电压时，输出第一状态的所述直通控制信号以控制所述开关电源变换器进入直通模式。

根据本发明的另一方面，提供一种开关电源变换器，包括接在输入电压与开关节点之间的电感器；接在所述开关节点与参考地之间的第一功率开关；接在所述开关节点与输出电压之间的第二功率开关或者整流二极管；以及上述所述的控制电路。

本发明提供的开关电源变换器及其控制电路，根据与输出电压相关的第一反馈电压和与输入电压相关的第二反馈电压的比较结果提供第一比较信号，以及根据所述第一反馈电压与第二参考电压的比较结果提供第二比较信号，并将第一比较信号和第二比较信号进行与逻辑运算，得到控制开关电源变换器在直通模式与正常模式之间切换的直通控制信号，从而可以有效避免开关电源变换器在输入电压或者输出电压受到干扰短暂波动时误触发直通模式。

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示出了根据现有技术的开关电源变换器的结构示意图；

图2示出了根据现有技术的开关电源变换器的时序图；

图3示出了根据本发明实施例的开关电源变换器的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的模式切换电路的结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例的开关电源变换器的时序图。

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。

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。

图3示出了根据本发明实施例的开关电源变换器的结构示意图。如图3所示，该开关电源变换器为BOOST拓扑结构，包括控制电路200以及外部的功率电路。其中，功率电路包括一个或多个开关和储能元件(例如，电感和电容等)，所述一个或多个开关和储能元件被配置为响应于来自控制电路200的一个或多个开关驱动信号来调节功率电路输入端至输出端的电能传输。在一些实施例中，将功率电路中的一个或多个开关与控制电路200集成在一起以形成集成电路芯片。

如图3所示，功率电路包括功率开关M1～M2、电感器L以及输出电容器COUT，被配置为通过交替导通的功率开关M1和M2将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。

应理解，本实施例的功率电路中的功率开关M1为主功率开关。功率开关M2可以用整流二极管来代替，以实现为一种异步整流的开关电源变换器的输出电路。

控制电路200用来控制功率开关M1和M2的导通和关断，以控制输入电压VIN到输出电压VOUT的电能传输。控制电路100包括电流采样电路210、误差放大器220、加法器电路∑、PWM比较器230、回路补偿电路240、模式切换电路250、反馈电路260以及逻辑和驱动电路270。

电流采样电路210用于采样流经电感器L上的电流，以产生电流采样信号SNS。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，电流采样电路210也可以通过采样流过各个开关元件(例如功率开关M2)的电流来估算流过电感器L的电流并获取电流采样信号SNS。

误差放大器220用来将输出电压VOUT的反馈电压VFB与参考电压Vref进行比较，以产生环路误差信号Vea。示例的，通过反馈电路260中的分压电阻R1和R2来获得输出电压VOUT的反馈电压VFB，分压电阻R1和R2串联连接在输出电压VOUT和参考地之间，在二者的公共节点产生代表输出电压VOUT的反馈电压VFB。

PWM比较器230用于将环路误差信号Vea与斜坡信号Vsum进行比较，并根据比较结果提供脉宽调制信号PWM来控制功率开关M1和M2的占空比。示例的，可以通过加法器电路Σ将斜坡补偿信号VSLOPE和电流采样信号SNS、直流偏置VDC进行叠加以获得斜坡信号Vsum。

模式切换电路250用于根据输出电压VOUT的反馈电压VFB与参考电压Vref_pass以及输入电压VIN的反馈电压β*VIN的比较结果提供直通控制信号PASS_THROUGH，来控制开关电源变换器在直通模式和升压模式(即正常模式)之间切换。示例的，参考电压Vref_pass由基准电源模块(未示出)产生，反馈电压β*VIN和反馈电压VFB分别通过将输出电压VOUT和输入电压VIN按照设定的第一比例系数分压得到，β即为第一比例系数。

逻辑和驱动电路270用于根据脉宽调制信号PWM向功率开关M1和M2提供驱动信号，以控制功率开关M1和M2的导通和关断。示例的，在直通控制信号PASS_THROUGH为第一状态时，控制开关电源变换器进入直通模式，并在直通模式时屏蔽脉宽调制信号PWM，使功率开关M1一直关断，功率开关M2一直导通，由输入电压VIN直接为负载供电，在直通控制信号PASS_THROUGH为第二状态时，控制开关电源变换器进入升压模式，逻辑和驱动电路107根据脉宽调制信号PWM提供驱动信号以控制功率开关M1和M2交替导通。

图4示出了根据本发明实施例的模式切换电路的结构示意图。如图4所示，模式切换电路250包括比较器251和比较器252以及逻辑电路253。

比较器251具有同相输入端、反相输入端和输出端，比较器251用于将反馈电压VFB与反馈电压β*VIN进行比较，并在输出端产生第一比较信号。

比较器252具有同相输入端、反相输入端和输出端，比较器252用于将反馈电压VFB与参考电压Vref_pass进行比较，并在输出端产生第二比较信号。

逻辑电路253用于将第一比较信号和第二比较信号进行与逻辑运算以得到直通控制信号PASS_THROUGH。逻辑电路253具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，第一输入端接收第一比较信号，第二输入端接收第二比较信号，输出端产生直通控制信号PASS_THROUGH。示例的，逻辑电路253通过一个与门实现。

如图4所示，比较器251的同相输入端接收输入电压VIN的反馈电压β*VIN，反相输入端接收输出电压VOUT的反馈电压VFB，比较器252的同相输入端接收输出电压VOUT的反馈电压VFB，反相输入端接收参考电压Vref_pass。示例的，参考电压Vref_pass由参考电压Vref_×一设定百分比得到，其中，设定百分比例如为101％、102％等。当反馈电压β*VIN大于反馈电压VFB(即输入电压VIN大于输出电压VOUT)且反馈电压VFB大于参考电压Vref_pass时，第一比较信号和第二比较信号均为高电平，则逻辑电路253输出第一状态(高电平)的直通控制信号PASS_THROUGH以控制开关电源变换器进入直通模式，反之，逻辑电路253输出第二状态(低电平)的直通控制信号PASS_THROUGH以控制开关电源变换器进入升压模式。

图5示出了根据本发明实施例的开关电源变换器的时序图。如图5所示，在输入电压VIN受到扰动而出现短暂的尖峰时刻，使得输入电压VIN大于输出电压VOUT时，由于反馈电压VFB不变，其依旧小于参考电压Vref_pass，所以此时，第一比较信号为高电平，第二比较信号为低电平，直通控制信号PASS_THROUGH依旧为低电平，并不会触发开关电源变换器的直通模式，开关电源变换器始终工作于升压模式，输出电压VOUT不会如图2一样因为进入直通模式而跟随输入电压VIN出现尖峰。

进一步地，控制电路200在输出电压VOUT受负载跳变等因素影响有短暂的升高，使得反馈电压VFB大于参考电压Vref_pass时，由于输入电压VIN并未高于输出电压VOUT，同样不会误触发开关电源变换器的直通模式。

应理解，本发明提供的控制电路同样适用于降压变换器，当开关电源变换器为降压变换器时，比较器251反相输入端接收输入电压VIN的反馈电压β*VIN，同相输入端接收输出电压VOUT的反馈电压VFB，比较器252的反相输入端接收输出电压VOUT的反馈电压VFB，同相输入端接收参考电压Vref_pass，参考电压Vref_pass由参考电压Vref×设定的一设定百分比得到，其中，该百分比例如为99％、98％等。具体地，当反馈电压β*VIN小于反馈电压VFB(即输入电压VIN小于输出电压VOUT)且反馈电压VFB小于参考电压Vref_pass时，第一比较信号和第二比较信号均为高电平，则逻辑电路253输出高电平的直通控制信号PASS_THROUGH以控制开关电源变换器进入直通模式，否则，逻辑电路253输出低电平的直通控制信号PASS_THROUGH以控制开关电源变换器进入降压模式(即正常模式)。其避免误触发直通模式的工作原理与开关电源变换器为升压变换器时相同，此处不再赘述。

应理解，本发明提供的开关电源变换器及其控制电路同样可以应用于升降压变换器，具体原理同上。

本发明实施例提供的开关电源变换器及其控制电路，根据与输出电压VOUT相关的反馈电压VFB与和与输入电压VIN相关的反馈电压β*VIN的比较结果提供第一比较信号，以及根据反馈电压VFB与参考电压Vref_pass的比较结果提供第二比较信号，并将第一比较信号和第二比较信号进行与逻辑运算，得到控制开关电源变换器在直通模式与正常模式之间切换的直通控制信号PASS_THROUGH，可以有效避免开关电源变换器在输入电压VIN或者输出电压VOUT短暂波动时误触发直通模式。

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 (10)

1.一种开关电源变换器的控制电路，所述开关电源变换器包括至少一个功率开关和电感器，所述控制电路通过控制所述至少一个功率开关的导通和关断来控制输入电压到输出电压的电能传输，所述控制电路包括：

电流采样电路，用于检测流经所述电感器的电流，产生电流采样信号；

误差放大器，用于将与所述输出电压相关的第一反馈电压与第一参考电压进行比较，以产生环路误差信号；

PWM比较器，用于将所述环路误差信号与斜坡信号进行比较，以产生脉宽调制信号；

逻辑和驱动电路，用于根据所述脉宽调制信号向所述至少一个功率开关提供驱动信号；以及

模式切换电路，用于将所述第一反馈电压与第二参考电压以及与所述输入电压相关的第二反馈电压相比较，并根据比较结果向所述逻辑和驱动电路提供一直通控制信号，所述直通控制信号用于控制所述开关电源变换器在正常模式与直通模式之间的切换。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其中，所述第一反馈电压和所述第二反馈电压分别通过将所述输出电压和所述输入电压按照设定的第一比例系数分压得到。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其中，所述逻辑和驱动电路配置为在所述直通控制信号为第一状态时，控制所述开关电源变换器进入所述直通模式，并在所述直通模式中屏蔽所述脉宽调制信号，使得所述输入电压直接为负载供电。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其中，所述模式切换电路包括：

第一比较器，用于将所述第二反馈电压与所述第一反馈电压进行比较，以产生第一比较信号；

第二比较器，用于将所述第一反馈电压与所述第二参考电压进行比较，以产生第二比较信号；

逻辑电路，用于将所述第一比较信号与所述第二比较信号进行与逻辑运算，以得到所述直通控制信号。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其中，所述第二参考电压由基准电压源电路产生。

6.根据权利要求5所述的控制电路，其中，所述开关电源变换器为升压变换器，所述第二参考电压大于所述第一参考电压，且所述第二参考电压等于所述第一参考电压与一设定百分比之间的乘积。

7.根据权利要求6所述的控制电路，其中，所述模式切换电路配置为在所述第二反馈电压大于所述第一反馈电压，且所述第一反馈电压大于所述第二参考电压时，输出第一状态的所述直通控制信号以控制所述开关电源变换器进入直通模式。

8.根据权利要求5所述的控制电路，其中，所述开关电源变换器为降压变换器，所述第二参考电压小于所述第一参考电压，且所述第二参考电压等于所述第一参考电压与一设定百分比之间的乘积。

9.根据权利要求6所述的控制电路，其中，所述模式切换电路配置为在所述第二反馈电压小于所述第一反馈电压，且所述第一反馈电压小于所述第二参考电压时，输出第一状态的所述直通控制信号以控制所述开关电源变换器进入直通模式。

10.一种开关电源变换器，包括：

接在输入电压与开关节点之间的电感器；

接在所述开关节点与参考地之间的第一功率开关；

接在所述开关节点与输出电压之间的第二功率开关或者整流二极管；以及

权利要求1-9任一项所述的控制电路。