TWI467906B - 恒定導通時間變換電路的控制電路和控制方法 - Google Patents

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Description

恒定導通時間變換電路的控制電路和控制方法
本發明涉及電路領域。更具體地，本發明涉及恒定導通時間變換電路的控制電路和控制方法
恒定導通時間(COT)的變換電路由於其優越的動態回應性能和簡單的內部結構，得到了很好的應用。
傳統的恒定導通時間的變換電路需要滿足一定條件才能穩定工作，例如，要使該變換電路穩定工作，要求回饋紋波電壓必須足夠大，並且與電感電流同相。這一要求導致不能採用體積小價格低廉的陶瓷電容器作為輸出電容器，而需要採用價格相對昂貴的高分子有機半導體固體電容器作為輸出電容器。
因此，本發明的一個目的就是提供一種恒定導通時間的變換電路的控制方案，以解決傳統的恒定導通時間變換電路的穩定性問題，並且使得其動態回應性能得到進一步的改進。
根據本發明的第一方面，提出了一種恒定導通時間的變換電路的控制電路，包括：誤差放大器，用於放大所述變換電路的輸出信號或 所述變換電路的輸出信號的回饋信號與一個參考信號之間的誤差，並輸出一個誤差信號；斜坡信號產生器，用於產生一個斜坡信號；比較器，用於比較所述誤差信號與所述斜坡信號，並輸出一個比較信號；以及恒定導通時間信號產生器，用於根據所述比較信號，產生一個恒定導通時間信號，以控制所述變換電路的開關管的導通和關斷。
根據本發明的第二方面，提出了一種恒定導通時間的變換電路的控制方法，包括步驟：放大所述變換電路的輸出信號或所述變換電路的輸出信號的回饋信號與一個參考信號之間的誤差，以得到一個誤差信號；產生一個斜坡信號；比較所述誤差信號與所述斜坡信號，以得到一個比較信號；以及根據所述比較信號，產生恒定導通時間信號，以控制所述變換電路的開關管的導通與關斷。
根據本發明，由於使用了誤差放大器，因此解決傳統的恒定導通時間變換電路的穩定性問題，並且在斜坡信號的下降速度與誤差信號的幅度成正比的情況下，其動態回應性能得到進一步的改進。
50、60‧‧‧直流變換電路
600‧‧‧方法
ADD‧‧‧加法器
C‧‧‧電容器
CO‧‧‧理想輸出電容器
Comp‧‧‧誤差信號
EA‧‧‧誤差放大器
ESR‧‧‧阻抗
I‧‧‧電流源
L‧‧‧輸出電感器
M1、M2‧‧‧開關管
O‧‧‧輸入端
R、R1、R2、REA‧‧‧電阻
Ramp‧‧‧斜坡信號產生器
Rfeedforward‧‧‧前饋電阻
S610、S620、S630、S640‧‧‧步驟
SW‧‧‧開關
Ton‧‧‧恒定導通時間信號產生器
U1‧‧‧恒定時間計時器
U2‧‧‧比較器
U3‧‧‧最小關斷時間電路
U4‧‧‧及閘
U5‧‧‧RS觸發器
U6‧‧‧驅動器
V‧‧‧直流電壓源
VFB‧‧‧回饋信號
VIN‧‧‧輸入
VOUT、Q‧‧‧輸出
Vramp‧‧‧斜坡信號
VREF‧‧‧參考信號
VW‧‧‧直流偏置電壓
通過以下結合附圖的說明，並且隨著對本發明的更全面瞭解，本發明的其他目的和效果將變得更加清楚和易於理解，其中：第1圖示出了一個傳統的具有控制電路的恒定導通時間的直流變換電路50；第2圖示出了根據本發明的一個實施方式的具有控制電路的恒定導通時間的直流變換電路60；第3圖示意性地示出了斜坡信號產生器RAMP的電路圖； 第4圖相應地示出了斜坡信號Vramp的波形；第5圖示意性地示出了斜坡信號Vramp的下降速度的改變與恒定導通時間信號產生器Ton產生恒定導通時間的速度之間的關係；第6圖示出了根據本發明的一個實施方式的恒定導通時間的變換電路的控制方法的流程圖。
在所有的上述附圖中，相同的標號表示具有相同、相似或相應的特徵或功能。
以下將結合附圖詳細描述本發明的具體實施方式。
第1圖示出了一個傳統的具有控制電路的恒定導通時間的直流變換電路50。
如第1圖所示，一個恒定時間計時器U1通過一個前饋電阻Rfeedforward接收電路50的輸入VIN，並且還接收電路50的輸出VOUT。串接在電路50的輸出VOUT和地之間的電阻R1和電阻R2組成一個反饋回路，用於從電路50的輸出VOUT得到一個回饋信號VFB(電阻R1和電阻R2之間的電壓)，該回饋信號VFB被輸送至比較器U2的反相輸入端(也可以直接將電路50的輸出VOUT輸送至比較器U2的反相輸入端，這樣就不需要反饋回路了)。比較器U2的同相輸入端接收參考信號VREF，並且比較器U2的輸出端連接至及閘U4的一個輸入端。及閘U4的輸出端連接至RS觸發器U5的置位端S。RS觸發器U5的復位端R接收恒定時間計時器電路U1的輸出信號，而其輸出Q一方面輸送至驅動器U6的輸入端，另一方面回饋回恒定時間計時器U1和最小關斷時間電路U3。最小關斷時間電路U3接收RS觸發器U5的輸出Q，並且其輸出連接到及閘U4的另一個 輸入端。驅動器U6的兩個輸出信號分別用以驅動變換電路50的上開關管M1和下開關管M2(本說明書及其附圖中，部分地方為簡便表述，將兩者分別簡稱為上管M1和下管M2，它們可以是三極管、MOS管等裝置，串聯在變換電路50的輸入VIN與地之間)，也就是說，驅動器U6的兩個輸出信號分別連接到上管M1和下管M2的控制端。在上管M1和下管M2中間與地之間串聯連接輸出電感器L、阻抗ESR、理想輸出電容器CO，其中ESR為理想輸出電容器CO的實際等效串聯阻抗。在輸出電感器L和阻抗ESR之間得到變換電路50的輸出VOUT。
變換電路50工作時，當變換電路50的回饋信號VFB低於參考信號VREF時，比較器U2輸出為高，若此時最小關斷時間電路U3輸出也為高，則及閘U4將輸送一個高電平信號至RS觸發器U5的S端，從而置位RS觸發器U5，使其輸出Q為高。此高的輸出Q通過驅動器U6將變換電路50的上開關管M1導通、下開關管M2關斷，從而使變換電路50的輸出VOUT升高。當輸出VOUT升高至使得回饋信號VFB高於參考信號VREF時，比較器U2輸出為低，進而RS觸發器U5的置位端S為低，其輸出Q保持原來的狀態。另外，高的輸出Q使恒定時間計時器U1開始計時。當恒定時間計時器U1計時達到預設值，例如達到N VIN/VOUT時，其輸出端O輸出一個高電平，進而對RS觸發器U5進行復位，從而使得RS觸發器U5的輸出Q變低；此低的輸出Q通過驅動器U6將變換電路50的上開關管M1關斷、下開關管M2導通，使得變換電路50的輸出VOUT降低。同時此低的輸出Q被輸送至最小關斷時間電路U3，使U3輸出一個具有最小關斷時間持續時間的低電平信號至及閘U4，從而在這段最小關斷時間內無效及閘U4的另一個輸入，即此時不管比較器U2的輸出為高或者為低，及閘U4 的輸出均為低。當變換電路50的輸出VOUT的回饋信號VFB降低至低於VREF時，比較器U2輸出為高，並且經過了最小關斷時間後，U3輸出高電平信號至及閘U4，因此及閘U4輸出為高，進而置位RS觸發器U5，變換電路50開始一個新週期。
綜上所述，可知恒定時間計時器、最小關斷時間電路、及閘、RS觸發器共同地組成了恒定導通時間信號產生器，而反饋回路、比較器、恒定導通時間信號產生器共同地組成了該變換電路的控制電路。
本領域的技術人員可以意識到，這裏最小關斷時間電路U3的作用為避免由於雜訊干擾等其他原因，變換電路50在經過了一個恒定導通時間以後又立刻進入下一個恒定導通時間。
當然，本領域的技術人員可以理解，可以不需要最小關斷時間電路U3。在沒有最小關斷時間電路U3的情況下，也不需要及閘U4。此時，比較器U2的輸出直接連接到RS觸發器U5的S端。
第2圖示出了一個根據本發明的一個實施方式的具有控制電路的恒定導通時間的直流變換電路60。
該變換電路60的控制電路與第1圖所示的變換電路50的控制電路不同。
更具體地，該變換電路60的控制電路包括了第1圖所示的變換電路50的控制電路所不包括的誤差放大器EA和斜坡信號產生器RAMP。其中，誤差放大器EA的反相輸入端接收回饋信號VFB，同相輸入端接收參考信號VREF，其輸出誤差信號到比較器U2的同相輸入端，而比較器U2的反相輸入 端接收斜坡信號產生器RAMP產生的斜坡信號，也就是說，此時，比較器U2比較的是誤差信號和斜坡信號。另外，如本領域的技術人員所知道的，誤差放大器EA有一個電阻REA，連接在它的反相輸入端與它的輸出端之間。
在斜坡信號低於誤差信號時，比較器U2輸出的比較信號發生轉變，從低電平變成高電平，因此如前所述的那樣，促使恒定導通時間信號產生器Ton產生一個恒定導通時間，其中在恒定導通時間期間，上開關管M1導通，下開關管M2關斷，在恒定導通時間結束後，上開關管M1關斷，下開關管M2導通。
在斜坡信號高於誤差信號時，比較器U2輸出的比較信號也發生轉變，不過是從高電平變成低電平，因此如前所述的那樣，恒定導通時間信號產生器Ton不發生動作。其中，斜坡信號產生器RAMP產生的斜坡信號的下降速度與誤差放大器EA輸出的誤差信號的幅度成正比，以及其中當斜坡信號下降到低於誤差信號時，斜坡信號被拉伸為具有誤差信號與一個直流偏置電壓之和的幅度。
更具體地，第3圖示意性地示出了斜坡信號產生器RAMP的電路圖，第4圖相應地示出了斜坡信號Vramp的波形。
如第3圖所示，斜坡信號產生器RAMP包括：直流電壓源V、加法器ADD、開關SW、電容器C、電流源I，其中加法器ADD的輸入端連接到誤差放大器EA的輸出端與提供直流偏置電壓VW的直流電壓源V的正極端，輸出端連接到開關SW的第一端；開關SW的第二端連接到電流源I的流入端；直流電壓源V的負極端和電流源I的流出端接地；電容器C的兩端分別連接在開關S的第二端與地之間；開關S的控制端連接到一個開關控制信號 產生器，該開關控制信號產生器可以類似於上面描述的恒定導通時間信號產生器Ton，在比較器U2輸出的比較信號發生轉變，從低電平變成高電平情況下，輸出一個使開關S閉合的信號，不過該使開關S閉合的信號的持續時間很短，例如30納秒，並且開關S的第二端，也就是電容器C的非接地端，為斜坡信號產生器RAMP的輸出端，在此處輸出斜坡信號Vramp，其中電流源I的輸出電流正比於誤差信號。
當斜坡信號Vramp下降到低於誤差信號時，開關S在控制端輸入的信號的控制下閉合，從而斜坡信號Vramp被立刻拉伸為具有加法器ADD輸出的信號的幅度，即斜坡信號Vramp被拉伸到具有誤差信號與直流電壓源V的電壓值VW之和的幅度。也就是說，在開關S閉合期間，電容器C兩端的電壓被立刻拉伸為誤差信號與直流電壓源V的電壓值VW之和。
在控制端輸入的信號的控制下，在保持閉合一段時間之後，例如30ns之後，開關S斷開，此時電流源I開始給電容器C放電，放電斜率，也就是放電速度為i/c，其中i為電流源I的輸出電流，而c為電容器C的電容值。隨著放電的進行，電容器C兩端的電壓，即斜坡信號Vramp也逐漸下降，其下降速度，也就是下降斜率的絕對值，與放電斜率i/c成比率。
由於電流源I的輸出電流正比於誤差信號的幅度，從而斜坡信號Vramp的下降速度也是與誤差信號的幅度成正比。
如第4圖所示，斜坡信號Vramp其幅度從誤差信號Comp和直流偏置電壓VW之和開始逐漸地下降，一旦其幅度下降到低於誤差信號Comp，其幅度被拉伸到誤差信號Comp和直流偏置電壓VW之和，並且其幅度又開始逐漸地下降，其中所述斜坡信號的下降速度與所述誤差信號的幅 度成正比。
如前所述，斜坡信號Vramp的下降速度與誤差信號的幅度成正比，誤差信號幅度越大，斜坡信號Vramp下降越快，越早地達到比誤差信號Comp小的情形，從而更快地使恒定導通時間信號產生器Ton產生一個恒定導通時間，更快地使上開關管M1導通，下開關管M2關斷，從而更快地使回饋信號VFB增大，並接近於參考信號VREF。
第5圖示意性地示出了斜坡信號Vramp的下降速度的改變與恒定導通時間信號產生器Ton產生恒定導通時間的速度之間的關係。其中，第5圖中上面那個圖示出了斜坡信號Vramp的下降速度的改變，下面那個圖示出了恒定導通時間信號產生器Ton產生恒定導通時間的速度。可以明顯地看出，斜坡信號Vramp下降的越快，恒定導通時間信號產生器Ton產生恒定導通時間的速度也越快。
這也說明了根據本發明的恒定導通時間的變換電路的動態響應性能非常良好。當有負載接上變換電路時，變換電路的輸出VOUT會下降很多，從而導致回饋信號VFB也會下降很多，從而導致大的誤差信號幅度，而大的誤差信號幅度會使恒定導通時間信號產生器Ton加快產生恒定導通時間，也就是說，加快上開關管導通的頻率，輸出更多的能量，使得變換電路輸出VOUT儘快地穩定。
另外，由於在本發明中，採用了誤差放大器，因此解決了傳統的恒定導通時間變換電路的穩定性問題。
第6圖示出了根據本發明的一個實施方式的恒定導通時間的變換電路的控制方法的流程圖。
如第6圖所示，該方法600包括步驟S610，放大變換電路的輸出信號或變換電路的輸出信號的回饋信號與一個參考信號之間的誤差，以得到一個誤差信號；步驟S620，產生一個斜坡信號；步驟S630，比較誤差信號與斜坡信號，以得到一個比較信號；以及步驟S640，根據比較信號，產生恒定導通時間信號，以控制變換電路的開關管的導通與關斷。
其中，斜坡信號其幅度從誤差信號和直流偏置電壓之和開始逐漸地下降，一旦其幅度下降到低於誤差信號，其幅度被拉伸到誤差信號和直流偏置電壓之和，並且其幅度又開始逐漸地下降，其中所述斜坡信號的下降速度與所述誤差信號的幅度成正比。
其中，開關管可以包括上開關管和下開關管，在斜坡信號低於誤差信號時，比較信號發生轉變，使得恒定導通時間信號產生一個恒定導通時間，其中在恒定導通時間期間，上開關管導通，下開關管關斷；在恒定導通時間結束後，上開關管關斷，下開關管導通。
應當注意，為了使本發明更容易理解，上面的描述省略了對於本領域的技術人員來說是公知的、並且對於本發明的實現可能是必需的更具體的一些技術細節。
本領域的技術人員還應當理解，本發明不限於上面所描述的步驟，本發明也包括對上面所描述的步驟進行的組合、順序變換等。本發明的最終範圍由所附的申請專利範圍限定。
因此，選擇並描述實施方式是為了更好地解釋本發明的原理及其實際應用，並使本領域普通技術人員明白，在不脫離本發明實質的前提下，所有修改和變更均落入由申請專利範圍所限定的本發明的保護範圍 之內。
60‧‧‧直流變換電路
Comp‧‧‧誤差信號
CO‧‧‧理想輸出電容器
EA‧‧‧誤差放大器
L‧‧‧輸出電感器
M1、M2‧‧‧開關管
R1、R2、REA‧‧‧電阻
Ramp‧‧‧斜坡信號產生器
Ton‧‧‧恒定導通時間信號產生器
U2‧‧‧比較器
U6‧‧‧驅動器
VFB‧‧‧回饋信號
VIN‧‧‧輸入
VOUT‧‧‧輸出
Vramp‧‧‧斜坡信號
VREF‧‧‧參考信號

Claims (9)

  1. 一種恒定導通時間的變換電路的控制電路，包括：誤差放大器，用於放大所述變換電路的輸出信號或所述變換電路的輸出信號的回饋信號與一個參考信號之間的誤差，並輸出一個誤差信號；斜坡信號產生器，用於產生一個斜坡信號；比較器，用於比較所述誤差信號與所述斜坡信號，並輸出一個比較信號；以及恒定導通時間信號產生器，用於根據所述比較信號，產生一個恒定導通時間信號，以控制所述變換電路的開關管的導通和關斷；其中所述斜坡信號具有特徵：其幅度從誤差信號和直流偏置電壓之和開始逐漸地下降，一旦其幅度下降到低於誤差信號，其幅度被拉伸到誤差信號和直流偏置電壓之和，並且其幅度又開始逐漸地下降，其中所述斜坡信號的下降速度與所述誤差信號的幅度成正比。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中所述斜坡信號產生器包括：電壓源、加法器、開關、電容器、電流源，其中所述加法器的輸入端連接到所述誤差放大器的輸出端與提供直流偏置電壓的所述電壓源的正極端，輸出端連接到所述開關的第一端；所述開關的第二端連接到所 述電流源的流入端；所述電壓源的負極端和所述電流源的流出端接地；所述電容器的兩端分別連接在所述開關的第二端與地之間；所述開關的控制端連接到開關控制信號產生器，在所述斜坡信號低於所述誤差信號時，所述開關控制信號產生器產生一個使所述開關閉合一段時間的信號，並且所述開關的第二端為所述斜坡信號產生器的輸出端，其中所述電流源的輸出電流正比於所述誤差信號的幅度，從而所述斜坡信號的下降速度與所述誤差信號的幅度成正比。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中所述恒定導通時間信號產生器包括：恒定時間計時器，用於提供一個恒定時間計時信號；邏輯電路，用於根據所述恒定時間計時信號、所述比較信號，來產生所述恒定導通時間信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的控制電路，其中所述恒定時間計時器至少包括三個輸入端，其第一輸入端接收所述變換電路的輸入信號，其第二輸入端接收所述變換電路的輸出信號，其第三輸入端接收所述恒定導通時間信號；以及所述邏輯電路為RS觸發器，其S端接收所述比較信號， R端接收所述恒定時間計時信號，而其Q輸出端輸出所述恒定導通時間信號。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的控制電路，其中所述恒定導通時間信號產生器還包括：最小關斷時間電路，用於接收所述恒定導通時間信號，並且向所述邏輯電路提供一個最小關斷時間信號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的控制電路，其中所述恒定導通時間信號產生器還包括：一個及閘，其一個輸入端接收所述最小關斷時間信號，另一個輸入端接收所述比較信號，其輸出提供給所述邏輯電路。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中所述開關管包括上開關管和下開關管，在所述斜坡信號低於所述誤差信號時，所述比較器輸出的比較信號發生轉變，使得所述恒定導通時間信號產生器產生一個恒定導通時間，其中在所述恒定導通時間期間，所述上開關管導通，所述下開關管關斷；在所述恒定導通時間結束後，所述上開關管關斷，所述下開關管導通。
  8. 一種恒定導通時間的變換電路的控制方法，包括步驟：放大所述變換電路的輸出信號或所述變換電路的輸出信 號的回饋信號與一個參考信號之間的誤差，以得到一個誤差信號；產生一個斜坡信號；比較所述誤差信號與所述斜坡信號，以得到一個比較信號；以及根據所述比較信號，產生恒定導通時間信號，以控制所述變換電路的開關管的導通與關斷；其中所述斜坡信號具有特徵：其幅度從誤差信號和直流偏置電壓之和開始逐漸地下降，一旦其幅度下降到低於誤差信號，其幅度被拉伸到誤差信號和直流偏置電壓之和，並且其幅度又開始逐漸地下降，其中所述斜坡信號的下降速度與所述誤差信號的幅度成正比。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，所述開關管包括上開關管和下開關管，在所述斜坡信號低於所述誤差信號時，所述比較信號發生轉變，使得所述恒定導通時間信號產生一個恒定導通時間，其中在所述恒定導通時間期間，所述上開關管導通，所述下開關管關斷；在所述恒定導通時間結束後，所述上開關管關斷，所述下開關管導通。
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