CN219458895U - 一种开关变换器的控制电路和开关变换器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种开关变换器的控制电路和开关变换器，属于开关变换器领域，其包括：纹波产生电路、误差放大电路、逻辑电路；纹波产生电路的输入端与开关变换器的电感的输入端电连接，纹波产生电路的输出端用于输出纹波信号；误差放大电路的第一输入端接收第一参考电压，误差放大电路的第二输入端与开关变换器的电感的输出端电连接；逻辑电路与纹波产生电路的输出端、误差放大电路的输出端电连接，逻辑电路基于纹波信号和放大电路的输出信号产生开关控制信号。本申请的技术方案可以加快开关变换器的瞬态响应速度。

Description

一种开关变换器的控制电路和开关变换器

技术领域

本申请属于电子电路技术领域，具体涉及一种开关变换器的控制电路和开关变换器。

背景技术

开关变换器，又称交换式电源，是一种高频化的电能转换装置。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的拓扑结构转换为用户端所需求的电压或电流。

DC-DC buck，顾名思义，是一种直流转直流的降压型拓扑结构。常见的DC-DC buck电路拓扑结构如图1所示，包括直流输入VIN、开关管M1、整流二极管D1、电感L1以及储能电容C1。其中，开关管M1通过PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)进行控制，通过高频地切换开关管M1的通断，达到恒流/恒压输出的目的。

当开关管M1栅极电位为高时，开关管M1导通，此时整流二极管D1反向截止，电感L1上电流逐渐增大，直流输入VIN向电感L1和储能电容C1充电；当开关管M1栅极电位为低时，开关管M1断开，此时整流二极管D1导通，为电感L1续流，电感L1继续为电容C1充电，电感L1上电流逐渐减少。

加载时，输出电压VOUT会突然下降，在此情况下，采用现有控制方式，输出电压往往需要较长的时间才会恢复，系统瞬态响应慢。

上述问题成为亟需解决的问题。

实用新型内容

鉴于此，本申请的目的在于提供一种开关变换器的控制电路和开关变换器，以改善现有的开关变换器瞬态响应差的问题。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种开关变换器的控制电路，其包括：

纹波产生电路、误差放大电路和逻辑电路；

所述纹波产生电路的输入端与所述开关变换器的电感的输入端电连接，所述纹波产生电路的输出端用于输出纹波信号；

所述误差放大电路的第一输入端接收第一参考电压，所述误差放大电路的第二输入端与所述开关变换器的电感的输出端电连接；

所述逻辑电路与所述纹波产生电路的输出端、所述误差放大电路的输出端电连接，所述逻辑电路基于所述纹波信号和所述误差放大电路的输出信号产生开关控制信号。

本申请通过开关变换器的电感的输入端来检测纹波信号，以此控制开关变换器的开关管的导通，可以快速触发开关动作，进而加快动态响应速度。

进一步地，所述纹波产生电路包括第一电阻、第一电容；

所述第一电阻的第一端与所述开关变换器的电感的输入端电连接，所述第一电阻的第二端与所述第一电容的第一端电连接，且所述第一电阻与所述第一电容的连接点作为所述纹波产生电路的输出端；

所述第一电容的第二端接地。

也就是说，本申请中采用RC电路来获取与开关变换器的电感电流同相位的纹波电压。

进一步地，所述纹波产生电路还包括采样电路；

所述采样电路的输入端与所述开关变换器的电感的输入端电连接，所述采样电路的输出端与所述第一电阻的第一端电连接。

进一步地，所述开关变换器的控制电路还包括补偿电路；

所述补偿电路的第一端与所述误差放大电路的输出端电连接，所述补偿电路的第二端接地。

进一步地，所述补偿模块包括第二电阻、第二电容；

所述第二电阻的第一端、第二端分别与所述误差放大电路的输出端、所述第二电容的第一端电连接；

所述第二电容的第二端接地。

进一步地，所述开关变换器的控制电路还包括：第一开关管；

所述第一开关管的第一端接收输入电压，所述第一开关管的第二端与所述开关变换器的电感的输入端电连接。

进一步地，所述逻辑电路还包括比较电路；所述比较电路的第一输入端、第二输入端分别与所述纹波产生电路的输出端、所述误差放大电路的输出端电连接；

所述比较电路用于控制所述第一开关管是否导通。

进一步地，所述逻辑电路还包括RS触发器、恒定导通时间控制电路；

所述RS触发器的置位端、复位端分别与所述比较电路的输出端、所述恒定导通时间控制电路的输出端电连接，所述RS触发器的输出端与所述第一开关管的控制端电连接。

进一步地，所述第一开关管为NMOS。

另一方面，本申请提出一种开关变换器，该开关变换器包括电感、储能电容以及如前所述的开关变换器的控制电路。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本申请的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1示出了常见的DC-DC buck电路拓扑结构图；

图2示出了本申请一实施例的开关变换器的控制电路的框架图；

图3示出了本申请一实施例的开关变换器的控制电路的应用图；

图4示出了本申请一实施例的开关变换器的控制电路的电路图；

图5示出了本申请一实施例的开关变换器的控制电路的波形图；

图6示出了本申请另一实施例的开关变换器的控制电路的电路图；

图7示出了本申请一实施例的开关变换器的波形图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中诸如“第一”、“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。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图2，本申请提供的一种开关变换器的控制电路10，包括纹波产生电路1、误差放大电路2和逻辑电路3。

纹波产生电路1的输入端与开关变换器的电感L1(参见图1、图3)的输入端SW电连接(接收VSW电压)，纹波产生电路1的输出端用于输出纹波信号KVOUT；

误差放大电路2的第一输入端接收第一参考电压VREF，误差放大电路2的第二输入端与开关变换器的电感L1的输出端电连接(接收反映KVOUT的电压)；

逻辑电路3与纹波产生电路1的输出端、误差放大电路2的输出端电连接，逻辑电路3基于纹波信号KVOUT和误差放大电路2的输出信号VCOMP产生开关控制信号PWM。

图3提供了本申请一实施例的开关变换器的控制电路的应用图。

需要说明，本申请中，电感L1的输入端指代DC-DC buck电路中，电感L1靠近VIN的那一端,如图1、图3、图4、图6中的SW端，而电感L1的输出端，指代电感L1的另一端，也即靠近开关变换器输出的那一端，有些情况下，即开关变换器的输出端VOUT。

结合图2、图3所示，纹波产生电路1与电感L1的输入端SW电连接，可以基于电感L1输入端的电压VSW(当第一开关管M1导通时，该输入端电压大小为VIN，当第一开关管M1断开时，该输入端电压大小为0)产生纹波信号KVOUT，KVOUT与开关变换器的流经电感L1的电流IL同相位。该纹波信号KVOUT可看做是一直流电压叠加一纹波而成，且该纹波与电感电流IL同相。

误差放大电路2，将其两个输入端接收的信号进行比较并将差值放大后输出，输出信号为VCOMP。显然，其一个输入端输入了第一参考电压VREF，其另一个输入端为该开关变换器的输出电压VOUT的采样电压FB。具体的电压采样电路可选择为如图3所示的分压电阻的形式。当然，电压采样电路并不限于上述结构。

逻辑电路3产生PWM信号用于控制开关变换器100的开关管M1的通断，从而改变电感L1输入端的电压，具体地，控制电感L1输入端的电压交替地为VIN或0。对于恒定导通时间的开关变换器而言，逻辑电路3维持电感L1输入端的电压为VIN一固定的时间Ton后，断开开关管M1，电感L1输入端的电压为0，当纹波信号KVOUT和误差放大电路的输出信号VCOMP达到一定预设条件，再次导通开关管M1，电感L1输入端的电压再次回到VIN。

图4示出了本申请一实施例的开关变换器的控制电路的电路图。

如图4，误差放大电路2为一放大器AMP。一实施方式中，该放大器AMP的同相输入端接收第一参考电压VREF，反相输入端接收输出电压VOUT的采样信号FB。误差放大电路2输出信号VCOMP＝K(VREF-FB)。其中，K为该放大器AMP的放大系数。

当然地，放大器AMP的两个输入端之间的信号可以互换，只需要在放大器后取反或者采用其它形式的逻辑电路来配合，这里不再进行详细展开。

本申请的一实施方式中，请参见图4，所述纹波产生电路1包括第一电阻R1、第一电容C1；

第一电阻R1的第一端与所述开关变换器的电感L1的输入端(SW)电连接，第一电阻R1的第二端与第一电容C1的第一端电连接，且第一电阻R1与第一电容C1的连接点作为纹波产生电路1的输出端，输出纹波信号KVOUT；

第一电容C1的第二端接地。

本实施方式中，由R1和C1构成的RC电路可以将电感L1的输入端的方波信号(高电平为VIN，低电平为0)转换为纹波与电感L1电流IL同相位的纹波信号KVOUT。

本申请的一实施方式中，所述纹波产生电路1还包括采样电路4；

采样电路4的输入端与开关变换器的电感L1的输入端SW电连接，采样电路4的输出端与第一电阻R1的第一端电连接。

具体的，可以通过如图4所示的电阻R3和R4进行分压采样获得方波电压VDIV。电阻R3一端与电感L1的输入端电连接，电阻R3的另一端与电阻R4电连接，电阻R4的另一端接地。此时，VDIV为K1*VIN或0，K1＝R4/(R3+R4)。

图5示出了本申请一实施例的开关变换器的控制电路的波形图。

电阻分压VDIV经过RC低通滤波后得到纹波信号KVOUT，该纹波信号KVOUT为一DC电压叠加一纹波电压dV1。其DC电压为电压分压的平均电压，即K1*VIN*Ton/(Ton+Toff)＝K1*VOUT。Ton、Toff分别是开关管M1的导通时间、断开时间。纹波电压dV1在电压幅度变化较小的情况下，可以看做随时间线性变化的电压，其电压幅度与Ton时间成正比。而电感电流IL的纹波电流dIL也是与Ton时间成正比，所以dV1也与dIL成正比，设比例系数为K2,所以有dV1＝K2*dIL。

本申请的一实施方式中，开关变换器的控制电路还包括补偿电路5；

补偿电路5的第一端与误差放大电路2的输出端(如，放大器AMP的输出端)电连接，补偿电路5的第二端接地。补偿电路5用于对误差放大电路2进行补偿，以保证环路稳定。

本申请的一实施方式中，补偿电路5包括第二电阻R2、第二电容C2；第二电阻R2的第一端、第二端分别与误差放大电路2的输出端、第二电容C2的第一端电连接；第二电容C2的第二端接地。

本申请的一实施方式中，如图4所示，开关变换器的控制电路10还包括：第一开关管M1；

第一开关管M1的第一端接收输入电压VIN，第一开关管M1的第二端与开关变换器的电感L1的输入端电连接。

本实施方式中，第一开关管M1通过开关控制信号PWM控制，通过高频地通断控制，以控制电感L1输入端的电位。如前所述，以第一开关管M1为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor)为例，当PWM信号为高时，即第一开关管M1的控制端(栅端)为高电平，此时第一开关管M1导通，电感L1输入端的电位为VIN；当PWM信号为低时，第一开关管M1断开，电感L1输入端的电位为0。

本申请的一实施方式中，逻辑电路3包括比较电路31；比较电路31的第一输入端、第二输入端分别与纹波产生电路1的输出端、误差放大电路2的输出端电连接；比较电路31用于控制所述第一开关管M1是否导通。

本实施方式中，比较电路31比较纹波产生电路1的输出信号KVOUT和误差放大电路2的输出信号VCOMP，在KVOUT小于VCOMP时，比较电路31输出比较信号SET(例如，SET由低电平翻转为高电平)，用于控制前述第一开关管M1导通。

需要说明，图4中，比较电路31的同相端接收VCOMP，反相端接收KVOUT。但实际应用中，可以相反，只需要在比较电路后合理设计逻辑电路即可，或者，合理选择第一开关管M1类型即可。

本申请的一实施方式中，逻辑电路3还包括RS触发器32、恒定导通时间控制电路33；

RS触发器32的置位端S、复位端R分别与比较电路31的输出端、恒定导通时间控制电路33的输出端电连接，RS触发器32的输出端与第一开关管M1的控制端电连接。RS触发器32用于输出PWM信号，控制开关管M1通断。

比较电路31的输出端与RS触发器32的置位端S电连接，本实施方式中，只要满足KVOUT小于VCOMP，则置位端S的电位为高电平，则RS触发器32输出为高电平(不管复位端R电平如何)，则第一开关管M1导通。本实施方式中，控制第一开关管M1导通只需要判断一个条件，即只要KVOUT小于VCOMP，则第一开关管M1导通。

恒定导通时间控制电路33，用于保证第一开关管M1的导通时间是固定的。即，第一开关管M1导通后(或PWM为高后)恒定导通时间控制电路33开始计时，当计时满预先设定的导通时间Ton后，则恒定导通时间控制电路33输出控制信号(例如高电平，即COT＝1，RS触发器复位；当然，实际还需满足KVOUT不小于VCOMP)用于断开第一开关管M1。

需要说明，前述导通第一开关管M1的条件优先级更高。也就是说，只要KVOUT小于VCOMP则会控制第一开关管M1导通，即使恒定导通时间控制电路33已经计时满预先设定的导通时间Ton。而控制第一开关管M1断开的条件，实际上不只是导通达到固定时间Ton，还必须满足KVOUT不小于VCOMP，具体到图4、图6，即比较电路31的输出信号为低。

换句话，对于RS触发器32,其实现了只要S端电位为高，则RS触发器32输出为高；而S端电位为低，且R端电位为高，RS触发器32输出为低；当S端电位为低，且R端电位为低，则RS触发器32输出保持上一状态。

本申请的一实施方式中，本申请的开关变换器的控制电路还包括第二开关管M2。第二开关管M2的第一端与电感L1的输入端SW电连接(或者说与第一开关管M1的第二端电连接)，第二端接地。第二开关管M2的控制端由PWM的反向信号控制。也就是说，第二开关管M2的通断状态与第一开关管M1的通断状态相反。当然，实际中，可以采用如图1所示的二极管替代第二开关管M2。

本申请中，第一开关管M1、第二开关管M2可选择为NMOS管或PMOS管。优选地，由于NMOS导通电阻较小，为提高效率，本申请的第一开关管M1、第二开关管M2均为NMOS。此时，第一开关管M1的漏端连接VIN，源端连接第二开关管M2的漏端，第二开关管M2的源端接地。

下面以图4为例，对本申请的开关变换器的控制电路10工作方式进行详细描述。

PWM用于控制第一开关管M1的通断，PWM的取反后的信号用于控制第二开关管M2的通断。第一开关管M1和第二开关管M2的通断状态是相反的。

以第一开关管M1、第二开关管M2均为NMOS为例，当PWM为高时，第一开关管M1导通，第二开关管M2断开，此时VSW(即电感L1输入端电位)为高电平；当PWM为低时，第一开关管M1断开，第二开关管M2导通，此时VSW为低电平。因此，VSW为高电平大小为VIN、低电平为0的方波电压。

经采样电路4分压后，VDIV为方波电压，其高电平为K1*VIN、低电平为0。其中，K1＝R4/(R3+R4)。VDIV经RC低通滤波后得到纹波信号KVOUT。该纹波信号KVOUT＝K1*VIN*Ton/(Ton+Toff)+dV1。其中，直流部分为K1*VIN*Ton/(Ton+Toff)＝K1*VOUT，Ton表示第一开关管M1导通的时间，Toff表示第一开关管M1断开的时间；dV1部分是交流纹波电压，dV1在电压幅度变化比较小的情况下，可以看做随时间线性变化的电压，其电压幅值与Ton成正比。而电感电流IL的纹波电流dIL也是与Ton成正比的，因此，dV1与dIL成正比，即，dV1＝k2*dIL。

稳定状态下，当PWM为高时，第一开关管M1导通，第二开关管M2断开，电感L1上电流IL线性增加，KVOUT同步线性增加，同时，恒定导通时间控制电路33开始计时，当计时满Ton后，输出信号COT翻转(例如，由低电平转为高电平)，RS触发器32复位端R为高电平、置位端S为低电平，RS触发器32输出为低电平，控制第一开关管M1断开，第二开关管M2导通；此时，电感L1上电流IL线性下降，KVOUT同步线性下降，当KVOUT下降到低于VCOMP后，RS触发器32置位端S为高电平，此时RS触发器32不管复位端R电位如何，其输出均为高电平，控制第一开关管M1导通，第二开关管M2断开。

也就是说，本申请的开关变换器的第一开关管M1的导通时长Ton是固定的，并是通过恒定导通时间控制电路33来控制的。而第一开关管M1下次导通的时刻，是根据KVOUT、VCOMP的关系来确定的。

当加载时，如图7所示，ILOAD上升，VOUT对应下降，此时输出电压VOUT存在波动，不是恒定的输出。当VCOMP增加到超过KVOUT后，SET为高电平，PWM为高，第一开关管M1导通，KVOUT、IL同步上升，当KVOUT上升到超过VCOMP后，SET为低电平，且恒定导通时间控制电路33计时满Ton，此时PWM为低，第一开关管M1断开。此时IL、KVOUT同步下降。当KVOUT下降到VCOMP时，SET为高电平，PWM为高，第一开关管M1导通，KVOUT上升，SET翻转为低电平，当计时满后，恒定导通时间控制电路33输出翻转为高电平，RS锁存器复位端为高，则RS锁存器输出为低电平。

本实施方式中，只要SET端电压为1(高电平)，则RS锁存器输出为高，直到SET端电压为0(低电平)，且恒定导通时间控制电路33输出为1时，RS锁存器输出才为低。

当然，需要说明，本申请的逻辑电路3并不限于图4、图6所示，还可以是其它形式。本领域技术人员也可以根据需要来设计逻辑电路3，使得满足KVOUT小于VCOMP时，即保持第一开关管M1导通，直至，KVOUT不小于VCOMP且计时满足预定时间后，才断开第一开关管M1。

本申请的实施方式，由于VCOMP与KVOUT比较接近，在一个纹波电压dV1附近，控制dV1在一个小的纹波范围内，例如100mV以内，那么VCOMP只需要变化dV1的电压就可以产生开关动作，所以整个瞬态响应就会很快。

第二方面，本申请提供了一种开关变换器，其包括电感L1、储能电容C以及如第一方面所述的开关变换器的控制电路。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变换或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种开关变换器的控制电路，其特征在于，包括：

纹波产生电路(1)、误差放大电路(2)和逻辑电路(3)；

所述纹波产生电路(1)的输入端与所述开关变换器的电感的输入端电连接，所述纹波产生电路(1)的输出端用于输出纹波信号；

所述误差放大电路(2)的第一输入端接收第一参考电压，所述误差放大电路(2)的第二输入端与所述开关变换器的电感的输出端电连接；

所述逻辑电路(3)与所述纹波产生电路(1)的输出端、所述误差放大电路(2)的输出端电连接，所述逻辑电路(3)基于所述纹波信号和所述误差放大电路(2)的输出信号产生开关控制信号。

2.根据权利要求1所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述纹波产生电路(1)包括第一电阻、第一电容；

所述第一电阻的第一端与所述开关变换器的电感的输入端电连接，所述第一电阻的第二端与所述第一电容的第一端电连接，且所述第一电阻与所述第一电容的连接点作为所述纹波产生电路(1)的输出端；

所述第一电容的第二端接地。

3.根据权利要求2所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述纹波产生电路(1)还包括采样电路(4)；

所述采样电路(4)的输入端与所述开关变换器的电感的输入端电连接，所述采样电路(4)的输出端与所述第一电阻的第一端电连接。

4.根据权利要求2所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述开关变换器的控制电路还包括补偿电路(5)；

所述补偿电路(5)的第一端与所述误差放大电路(2)的输出端电连接，所述补偿电路(5)的第二端接地。

5.根据权利要求4所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述补偿电路(5)包括第二电阻、第二电容；

所述第二电阻的第一端、第二端分别与所述误差放大电路(2)的输出端、所述第二电容的第一端电连接；

所述第二电容的第二端接地。

6.根据权利要求1-5任一项所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述开关变换器的控制电路还包括：第一开关管；

所述第一开关管的第一端接收输入电压，所述第一开关管的第二端与所述开关变换器的电感的输入端电连接。

7.根据权利要求6所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述逻辑电路(3)包括比较电路(31)；所述比较电路(31)的第一输入端、第二输入端分别与所述纹波产生电路(1)的输出端、所述误差放大电路(2)的输出端电连接；

所述比较电路(31)用于控制所述第一开关管是否导通。

8.根据权利要求7所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述逻辑电路(3)还包括RS触发器(32)、恒定导通时间控制电路(33)；

所述RS触发器(32)的置位端、复位端分别与所述比较电路(31)的输出端、所述恒定导通时间控制电路(33)的输出端电连接，所述RS触发器(32)的输出端与所述第一开关管的控制端电连接。

9.根据权利要求8所述的开关变换器的控制电路，其特征在于，所述第一开关管为NMOS。

10.一种开关变换器，其特征在于，所述开关变换器包括电感、储能电容以及如权利要求1-9任一项所述的开关变换器的控制电路。