TWI472899B - 開關電源電路及其控制方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種電子電路，更具體地說，本發明涉及一種開關電源電路及其控制方法。
在典型的數位用戶線路應用、非對稱數位用戶環路以及固態硬碟驅動等應用中。為了在系統掉電時給系統供電，常將多個儲能電容並聯耦接在一起。但這將增加系統成本。
以高壓形式存儲電能，並在掉電時釋放該電能，能夠減少儲能電容的數量。現有技術採用電荷泵和LDO（低壓差）電路的結合來管理能量，其中電荷泵將系統的輸入訊號轉換為高壓訊號，而LDO則負責在系統掉電時釋放該高壓訊號，以維持系統的工作。但是，電荷泵包括多個開關，將使系統變得複雜。尤其是需要將輸入訊號轉化為電壓值很高的高壓訊號時，電荷泵所需的開關就更多了。同時，在釋放高壓訊號時，LDO電路的功耗較大，加重了系統的負擔，嚴重影響了系統的效率。
以高壓形式存儲電能，並在掉電時釋放該電能，能夠減少儲能電容的數量。現有技術採用電荷泵和LDO（低壓差）電路的結合來管理能量，其中電荷泵將系統的輸入訊號轉換為高壓訊號，而LDO則負責在系統掉電時釋放該高壓訊號，以維持系統的工作。但是，電荷泵包括多個開關，將使系統變得複雜。尤其是需要將輸入訊號轉化為電壓值很高的高壓訊號時，電荷泵所需的開關就更多了。同時，在釋放高壓訊號時，LDO電路的功耗較大，加重了系統的負擔，嚴重影響了系統的效率。
因此本發明的目的在於解決現有技術的上述技術問題，提出一種
根據上述目的，本發明提出了一種開關電源電路，包括：輸入埠，接收輸入訊號；儲能埠，提供儲能電壓；電感，具有第一端和第一端，其中所述第一端耦接至輸入埠接收輸入訊號；功率級電路，耦接在所述電感的第二端和儲能埠之間；儲能電容，耦接在儲能埠和參考地之間；升壓控制器，接收表徵輸入訊號的前饋訊號，在輸入訊號大於升壓閾值時，所述升壓控制器輸出升壓控制訊號來控制功率級電路工作在升壓模式；以及降壓控制器，接收表徵輸入訊號的前饋訊號，在輸入訊號小於降壓閾值，同時儲能電壓大於輸入訊號時，所述降壓控制器輸出降壓控制訊號來控制功率級電路工作在降壓模式；其中，所述降壓閾值小於所述升壓閾值。
在一個實施例中，所述功率級電路包括上拉功率管和下拉功率管，所述上拉功率管和所述下拉功率管串聯耦接在儲能埠和參考地之間，兩者的共同連接節點耦接至電感的第二端。
在一個實施例中，所述升壓控制器包括：第一比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第一閾值訊號，基於前饋訊號和第一閾值訊號，所述第一比較器在輸出端輸出升壓指示訊號；以及升壓控制邏輯電路，耦接至第一比較器的輸出端接收升壓指示訊號，基於升壓指示訊號，所述升壓控制邏輯電路輸出升壓控制訊號；其中所述第一閾值訊號與升壓閾值相關。
在一個實施例中，所述降壓控制器包括：第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號，所述第二比較器在輸出端輸出降壓指示訊號；以及降壓控制邏輯電路，耦接至第二比較器的輸出端接收降壓指示訊號，基於所述降壓指示訊號，所述降壓控制邏輯電路輸出降壓控制訊號；其中所述第二閾值訊號與降壓閾值相關。
在一個實施例中，所述降壓控制器包括：第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號，基於所述前饋訊號和所述第二閾值訊號，所述第二比較器在輸出端輸出降壓指示訊號；遲滯比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，第二輸入端接收參考訊號，基於所述前饋訊號、參考訊號和遲滯比較器的遲滯寬度，所述遲滯比較器在輸出端輸出開關控制訊號；以及邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器的輸出端接收降壓指示訊號，所述第二輸入端耦接至遲滯比較器的輸出端接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號和開關控制訊號，所述邏輯電路在輸出端輸出降壓控制訊號。
在一個實施例中，所述降壓控制器包括：第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號，所述第二比較器在輸出端輸出降壓指示訊號；恆定導通時長電路，接收表徵輸入訊號的前饋訊號，基於所述前饋訊號，所述恆定導通時長電路輸出開關控制訊號；以及邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器的輸出端接收降壓指示訊號，所述第二輸入端耦接至恆定導通時長電路接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號和開關控制訊號，所述邏輯電路在輸出端輸出降壓控制訊號。
根據本發明的實施例，還提出了一種開關電源電路的控制方法，包括：將輸入訊號與欠壓鎖定參考訊號相比較，當輸入訊號大於欠壓鎖定參考訊號時，開關電源電路開始正常工作；將輸入訊號與升壓閾值相比較，當輸入訊號的值大於升壓閾值時，開關電源電路進入升壓模式，生成電壓值高於輸入訊號的儲能電壓；將輸入訊號分別與降壓閾值和儲能電壓相比較，當輸入訊號小於降壓閾值，並且小於儲能電壓時，開關電源電路進入降壓模式，釋放儲能電壓；重新比較輸入訊號和欠壓鎖定參考訊號，當輸入訊號小於欠壓鎖定參考訊號時，開關電源電路停止工作過程，否則跳轉到將輸入訊號分別與降壓閾值和儲能電壓相比較的步驟；其中所述降壓閾值小於所述升壓閾值。
在一個實施例中，所述開關電源電路的控制方法還包括在降壓模式中採用遲滯控制。
在一個實施例中，所述開關電源電路的控制方法還包括在降壓模式中採用恆定導通時長控制。
在一個實施例中，所述開關電源電路的控制方法還包括在輸入訊號大於降壓閾值並且小於升壓閾值時，使開關電源電路保持原有的工作模式。
根據本發明各方面的上述開關電源電路及其控制方法降低了電路功耗，提高了系統效率。
根據上述目的，本發明提出了一種開關電源電路，包括：輸入埠，接收輸入訊號；儲能埠，提供儲能電壓；電感，具有第一端和第一端，其中所述第一端耦接至輸入埠接收輸入訊號；功率級電路，耦接在所述電感的第二端和儲能埠之間；儲能電容，耦接在儲能埠和參考地之間；升壓控制器，接收表徵輸入訊號的前饋訊號，在輸入訊號大於升壓閾值時，所述升壓控制器輸出升壓控制訊號來控制功率級電路工作在升壓模式；以及降壓控制器，接收表徵輸入訊號的前饋訊號，在輸入訊號小於降壓閾值，同時儲能電壓大於輸入訊號時，所述降壓控制器輸出降壓控制訊號來控制功率級電路工作在降壓模式；其中，所述降壓閾值小於所述升壓閾值。
在一個實施例中，所述功率級電路包括上拉功率管和下拉功率管，所述上拉功率管和所述下拉功率管串聯耦接在儲能埠和參考地之間，兩者的共同連接節點耦接至電感的第二端。
在一個實施例中，所述升壓控制器包括：第一比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第一閾值訊號，基於前饋訊號和第一閾值訊號，所述第一比較器在輸出端輸出升壓指示訊號；以及升壓控制邏輯電路，耦接至第一比較器的輸出端接收升壓指示訊號，基於升壓指示訊號，所述升壓控制邏輯電路輸出升壓控制訊號；其中所述第一閾值訊號與升壓閾值相關。
在一個實施例中，所述降壓控制器包括：第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號，所述第二比較器在輸出端輸出降壓指示訊號；以及降壓控制邏輯電路，耦接至第二比較器的輸出端接收降壓指示訊號，基於所述降壓指示訊號，所述降壓控制邏輯電路輸出降壓控制訊號；其中所述第二閾值訊號與降壓閾值相關。
在一個實施例中，所述降壓控制器包括：第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號，基於所述前饋訊號和所述第二閾值訊號，所述第二比較器在輸出端輸出降壓指示訊號；遲滯比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，第二輸入端接收參考訊號，基於所述前饋訊號、參考訊號和遲滯比較器的遲滯寬度，所述遲滯比較器在輸出端輸出開關控制訊號；以及邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器的輸出端接收降壓指示訊號，所述第二輸入端耦接至遲滯比較器的輸出端接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號和開關控制訊號，所述邏輯電路在輸出端輸出降壓控制訊號。
在一個實施例中，所述降壓控制器包括：第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號，所述第二比較器在輸出端輸出降壓指示訊號；恆定導通時長電路，接收表徵輸入訊號的前饋訊號，基於所述前饋訊號，所述恆定導通時長電路輸出開關控制訊號；以及邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器的輸出端接收降壓指示訊號，所述第二輸入端耦接至恆定導通時長電路接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號和開關控制訊號，所述邏輯電路在輸出端輸出降壓控制訊號。
根據本發明的實施例，還提出了一種開關電源電路的控制方法，包括：將輸入訊號與欠壓鎖定參考訊號相比較，當輸入訊號大於欠壓鎖定參考訊號時，開關電源電路開始正常工作；將輸入訊號與升壓閾值相比較，當輸入訊號的值大於升壓閾值時，開關電源電路進入升壓模式，生成電壓值高於輸入訊號的儲能電壓；將輸入訊號分別與降壓閾值和儲能電壓相比較，當輸入訊號小於降壓閾值，並且小於儲能電壓時，開關電源電路進入降壓模式，釋放儲能電壓；重新比較輸入訊號和欠壓鎖定參考訊號，當輸入訊號小於欠壓鎖定參考訊號時，開關電源電路停止工作過程，否則跳轉到將輸入訊號分別與降壓閾值和儲能電壓相比較的步驟；其中所述降壓閾值小於所述升壓閾值。
在一個實施例中，所述開關電源電路的控制方法還包括在降壓模式中採用遲滯控制。
在一個實施例中，所述開關電源電路的控制方法還包括在降壓模式中採用恆定導通時長控制。
在一個實施例中，所述開關電源電路的控制方法還包括在輸入訊號大於降壓閾值並且小於升壓閾值時，使開關電源電路保持原有的工作模式。
根據本發明各方面的上述開關電源電路及其控制方法降低了電路功耗，提高了系統效率。
51、61．．．比較器
52．．．升壓控制邏輯電路
62．．．降壓控制邏輯電路
63．．．遲滯比較器
64．．．邏輯電路
65．．．恆定導通時長電路
100、200、300、400．．．開關電源電路
101、201、301、401．．．上拉功率管
102、202、302、402．．．下拉功率管
103、203、303、403．．．電感
104、204、304、404．．．儲能電容
105、205、305、405．．．升壓控制器
106、206、306．．．降壓控制器
107、207、307．．．輸入電容
110、210、310．．．功率級電路
208．．．前饋電路
406．．．降壓控制
VIN
．．．輸入訊號
VR
．．．參考訊號
Vref1、Vref2．．．閾值訊號
VS
．．．儲能電壓
PWM_buck．．．降壓指示訊號
PWM_boost．．．升壓指示訊號
第1圖為根據本發明一實施例的開關電源電路100的電路示意圖；
第2圖為根據本發明一實施例的開關電源電路200的電路示意圖；
第3圖為根據本發明一實施例的開關電源電路300的電路示意圖；
第4圖為根據本發明一實施例的開關電源電路400的電路示意圖；
第5圖示出了根據本發明一實施例的開關電源電路的控制方法的流程圖500。
第2圖為根據本發明一實施例的開關電源電路200的電路示意圖；
第3圖為根據本發明一實施例的開關電源電路300的電路示意圖；
第4圖為根據本發明一實施例的開關電源電路400的電路示意圖；
第5圖示出了根據本發明一實施例的開關電源電路的控制方法的流程圖500。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裏描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。
在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。應當理解，當稱元件“耦接到”或“連接到”另一元件時，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裏使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。
第1圖為根據本發明一實施例的開關電源電路100的電路示意圖。如第1圖所示，開關電源電路100包括：輸入埠，接收輸入訊號VIN ；儲能埠，提供儲能電壓VS ；電感103，具有第一端和第一端，其中所述第一端耦接至輸入埠接收輸入訊號VIN ；功率級電路110，耦接在所述電感103的第二端和儲能埠之間；儲能電容104，耦接在儲能埠和參考地之間，用以儲能；升壓控制器105，接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，在輸入訊號VIN 大於升壓閾值時，所述升壓控制器105輸出升壓控制訊號來控制功率級電路110工作在升壓模式；以及降壓控制器106，接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，在輸入訊號 VIN 小於降壓閾值，同時儲能電壓VS 大於輸入訊號VIN 時，所述降壓控制器106輸出降壓控制訊號來控制功率級電路110工作在降壓模式；其中，所述降壓閾值小於所述升壓閾值。
在一個實施例中，所述開關電源電路100還包括欠壓鎖定電路（圖中未示出）。所述欠壓鎖定電路將輸入訊號VIN 與欠壓鎖定參考訊號相比較：當輸入訊號VIN 大於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路100開始正常工作；當輸入訊號VIN 小於或等於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路100停止工作。
在一個實施例中，所述開關電源電路100還包括輸入電容107。所述輸入電容107耦接在輸入埠和參考地之間，用來平滑輸入訊號VIN 的波形。
在一個實施例中，所述功率級電路110包括上拉功率管101和下拉功率管102。所述上拉功率管101和所述下拉功率管102串聯耦接在儲能埠和參考地之間，兩者的的共同連接節點耦接至電感103的第二端。
在一個實施例中，所述上拉功率管101和所述下拉功率管102均包括金屬氧化物半導體場效應管。本領域普通技術人員應該知道，上拉功率管101和下拉功率管102也可能包括例如絕緣柵門極電晶體、三極管之類的其他半導體裝置。
當輸入訊號VIN 大於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路100正常工作。在輸入訊號VIN 大於升壓閾值時，降壓控制器106被遮罩，升壓控制器105提供升壓控制訊號給功率級電路110，使功率級電路110工作在升壓模式。在該模式下，儲能埠的儲能電壓VS 被抬高；在輸入訊號VIN 小於降壓閾值，同時儲能電壓VS 的值大於輸入訊號VIN 的值時，升壓控制器105被遮罩，降壓控制器106提供降壓控制訊號給功率級電路110，使功率級電路110工作在降壓模式。在該模式下，儲存在儲能電容104中的能量釋放至功率級電路110和電感103；在輸入訊號VIN 小於升壓閾值但大於降壓閾值時，所述功率級電路110維持原先的工作模式。
第2圖為根據本發明一實施例的開關電源電路200的電路示意圖。在第2圖中，採用與第1圖類似的附圖標記表示相同的元件，其中附圖標記是三位元數位，第一位是“2”，第二位和第三位與第1圖中的相應元件的相應數字相同。為敍述簡明，對兩個實施例中相同的元件將不再詳述。
所述開關電源電路200包括升壓控制器205和降壓控制器206。如第2圖所示，所述升壓控制器205包括：第一比較器51，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，所述第二輸入端接收第一閾值訊號Vref1，基於前饋訊號和第一閾值訊號Vref1，所述第一比較器51在輸出端輸出升壓指示訊號PWM_boost；以及升壓控制邏輯電路52，耦接至第一比較器51的輸出端接收升壓指示訊號PWM_boost，基於升壓指示訊號PWM_boost，所述升壓控制邏輯電路52輸出升壓控制訊號。所述降壓控制器206包括：第二比較器61，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號Vref2，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號Vref2，所述第二比較器61在輸出端輸出降壓指示訊號PWM_buck；以及降壓控制邏輯電路62，耦接至第二比較器61的輸出端接收降壓指示訊號PWM_buck，基於所述降壓指示訊號PWM_buck，所述降壓控制邏輯電路62輸出降壓控制訊號。
在一個實施例中，所述第一閾值訊號Vref1大於所述第二閾值訊號Vref2。其中，第一閾值訊號Vref1與升壓閾值相關，第二閾值訊號Vref2與降壓閾值相關。
在一個實施例中，所述開關電源電路200還包括前饋電路208。所述前饋電路208耦接至輸入埠接收輸入訊號VIN ，並且基於輸入訊號VIN 生成前饋訊號。在一個實施例中，前饋電路208包括第一電阻和第二電阻。所述第一電阻和第二電阻串聯耦接在輸入埠和參考地之間，兩者的共同連接節點提供前饋訊號。
第3圖為根據本發明一實施例的開關電源電路300的電路示意圖。在第3圖中，採用與第1圖類似的附圖標記表示相同的元件，其中附圖標記是三位元數位，第一位是“3”，第二位和第三位與第1圖中的相應元件的相應數字相同。為敍述簡明，對兩個實施例中相同的元件將不再詳述。
所述開關電源電路300包括降壓控制器306。如第3圖所示，所述降壓控制器306包括：第二比較器61，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號Vref2，基於所述前饋訊號和所述第二閾值訊號Vref2，所述第二比較器61在輸出端輸出降壓指示訊號PWM_buck；遲滯比較器63，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，第二輸入端接收參考訊號VR ，基於所述前饋訊號、參考訊號VR 和遲滯比較器63遲滯寬度（inherent hysteresis），所述遲滯比較器63在輸出端輸出開關控制訊號；以及邏輯電路64，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器61的輸出端接收降壓指示訊號PWM_buck，所述第二輸入端耦接至遲滯比較器63的輸出端接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號PWM_buck和開關控制訊號，所述邏輯電路64在輸出端輸出降壓控制訊號。
在一個實施例中，所述邏輯電路64包括及閘。
當輸入訊號VIN 大於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路300正常工作。在前饋訊號大於所述第一閾值訊號Vref1時，也就是在輸入訊號VIN 的值大於升壓閾值時，降壓控制器306被遮罩，升壓控制器305正常工作，所述功率級電路310工作在升壓模式；在前饋訊號的值小於第二閾值訊號Vref2，也就是輸入訊號VIN 小於降壓閾值，並且儲能電壓VS 大於輸入訊號VIN 時，升壓控制器305被遮罩，降壓控制器306正常工作，所述功率級電路310工作在降壓模式。具體而言，當功率級電路310工作在降壓模式時，一方面，所述第二比較器61提供邏輯高電平的降壓指示訊號PWM_buck給及閘；另一方面，前饋訊號與遲滯比較器63的上下限相比較，其中遲滯比較器63的上下限由參考訊號VR 和遲滯比較器63遲滯寬度決定。當前饋訊號低於遲滯比較器63的下限時，開關控制訊號為邏輯高電平，從而邏輯電路64產生的降壓指示訊號PWM_buck為高電平。此時，上拉功率管301導通，下拉功率管302關斷，使得上拉功率管301的導通時間被延長，而下拉功率管302的導通時間被縮短，導致輸入訊號VIN 的值上升。當輸入訊號VIN 的值上升至使前饋訊號達到遲滯比較器63的上限時，遲滯比較器63輸出的開關控制訊號跳轉為低電平，使得邏輯電路64產生的降壓指示訊號PWM_buck也為低電平。相應地，上拉功率管301關斷，下拉功率管302導通，使得上拉功率管301的導通時間被縮短，下拉功率管的導通時間被延長，導致輸入訊號VIN 的值下降。當輸入訊號VIN 的值降低至使前饋訊號達到遲滯比較器63的下限時，降壓控制器306重新導通上拉功率管301，並且關斷下拉功率管302，上述工作過程重複。當開關電源電路工作在降壓模式下時，通過上述電壓調節方式，遲滯比較器63使得輸入訊號VIN 的值能夠跟隨參考訊號VR 的值。
第4圖為根據本發明一實施例的開關電源電路400的電路示意圖。在第4圖中，採用與第1圖類似的附圖標記表示相同的元件，其中附圖標記是三位元數位，第一位是“4”，第二位和第三位與第1圖中的相應元件的相應數字相同。為敍述簡明，對兩個實施例中相同的元件將不再詳述。
所述開關電源電路400包括降壓控制器406。如第4圖所示，所述降壓控制器406包括：第二比較器61，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號Vref2，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號Vref2，所述第二比較器61在輸出端輸出降壓指示訊號PWM_buck；恆定導通時長電路65，接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，基於所述前饋訊號，所述恆定導通時長電路65輸出開關控制訊號；以及邏輯電路64，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器61的輸出端接收降壓指示訊號PWM_buck，所述第二輸入端耦接至恆定導通時長電路65接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號PWM_buck和開關控制訊號，所述邏輯電路64在輸出端輸出降壓控制訊號。
在一個實施例中，所述邏輯電路64包括及閘。
當輸入訊號VIN 大於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路400正常工作。當開關電源電路400工作在降壓模式時，恆定導通時長電路65輸出的開關控制訊號在每一開關週期內都具有恆定的導通時長和可變的關斷時長，因此，通過調節開關控制訊號的關斷時長可將輸入訊號VIN 的值固定在預設值上。
以上列出了根據本發明實施例的部分開關電源電路。與傳統電路相比，上述開關電源電路只需用到一個功率級電路（即只需要串聯連接的兩個功率管），通過升降壓工作模式的轉換，即可實現電能的存儲和釋放。並且，上述開關電源電路可通過調節功率級電路得到具有任意值的儲能電壓，無需像電荷泵一樣變更開關數量。此外，所述功率級電路工作在開關模式，降低了電路的功耗，從而提高了系統的效率。
第5圖示出了根據本發明一實施例的開關電源電路的控制方法的流程圖500。所述控制方法包括：步驟501，將輸入訊號與欠壓鎖定參考訊號相比較，當輸入訊號大於欠壓鎖定參考訊號時，跳轉到步驟502，否則，重複步驟501；步驟502，開關電源電路開始正常工作；步驟503，監測輸入訊號；步驟504，將輸入訊號與升壓閾值相比較，當輸入訊號的值大於升壓閾值時，跳轉到步驟505，否則，跳轉到步驟506；步驟505，開關電源電路進入升壓模式，生成電壓值高於輸入訊號的儲能電壓；步驟506，將輸入訊號分別與降壓閾值和儲能電壓相比較，當輸入訊號小於降壓閾值，並且小於儲能電壓時，跳轉到步驟507，否則，回到步驟503；步驟507，開關電源電路進入降壓模式，釋放儲能電壓；步驟508，重新比較輸入訊號和欠壓鎖定參考訊號，當輸入訊號小於欠壓鎖定參考訊號時，跳轉到步驟509，否則，跳回步驟506；以及步驟509，結束工作過程；其中所述降壓閾值小於所述升壓閾值。
在一個實施例中，所述控制方法還包括在降壓模式中採用遲滯控制。
在一個實施例中，所述控制方法還包括在降壓模式中採用恆定導通時長控制。
在一個實施例中，所述控制方法還包括在輸入訊號大於降壓閾值並且小於升壓閾值時，使開關電源電路保持原有的工作模式。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。
在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。應當理解，當稱元件“耦接到”或“連接到”另一元件時，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裏使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。
第1圖為根據本發明一實施例的開關電源電路100的電路示意圖。如第1圖所示，開關電源電路100包括：輸入埠，接收輸入訊號VIN ；儲能埠，提供儲能電壓VS ；電感103，具有第一端和第一端，其中所述第一端耦接至輸入埠接收輸入訊號VIN ；功率級電路110，耦接在所述電感103的第二端和儲能埠之間；儲能電容104，耦接在儲能埠和參考地之間，用以儲能；升壓控制器105，接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，在輸入訊號VIN 大於升壓閾值時，所述升壓控制器105輸出升壓控制訊號來控制功率級電路110工作在升壓模式；以及降壓控制器106，接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，在輸入訊號 VIN 小於降壓閾值，同時儲能電壓VS 大於輸入訊號VIN 時，所述降壓控制器106輸出降壓控制訊號來控制功率級電路110工作在降壓模式；其中，所述降壓閾值小於所述升壓閾值。
在一個實施例中，所述開關電源電路100還包括欠壓鎖定電路（圖中未示出）。所述欠壓鎖定電路將輸入訊號VIN 與欠壓鎖定參考訊號相比較：當輸入訊號VIN 大於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路100開始正常工作；當輸入訊號VIN 小於或等於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路100停止工作。
在一個實施例中，所述開關電源電路100還包括輸入電容107。所述輸入電容107耦接在輸入埠和參考地之間，用來平滑輸入訊號VIN 的波形。
在一個實施例中，所述功率級電路110包括上拉功率管101和下拉功率管102。所述上拉功率管101和所述下拉功率管102串聯耦接在儲能埠和參考地之間，兩者的的共同連接節點耦接至電感103的第二端。
在一個實施例中，所述上拉功率管101和所述下拉功率管102均包括金屬氧化物半導體場效應管。本領域普通技術人員應該知道，上拉功率管101和下拉功率管102也可能包括例如絕緣柵門極電晶體、三極管之類的其他半導體裝置。
當輸入訊號VIN 大於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路100正常工作。在輸入訊號VIN 大於升壓閾值時，降壓控制器106被遮罩，升壓控制器105提供升壓控制訊號給功率級電路110，使功率級電路110工作在升壓模式。在該模式下，儲能埠的儲能電壓VS 被抬高；在輸入訊號VIN 小於降壓閾值，同時儲能電壓VS 的值大於輸入訊號VIN 的值時，升壓控制器105被遮罩，降壓控制器106提供降壓控制訊號給功率級電路110，使功率級電路110工作在降壓模式。在該模式下，儲存在儲能電容104中的能量釋放至功率級電路110和電感103；在輸入訊號VIN 小於升壓閾值但大於降壓閾值時，所述功率級電路110維持原先的工作模式。
第2圖為根據本發明一實施例的開關電源電路200的電路示意圖。在第2圖中，採用與第1圖類似的附圖標記表示相同的元件，其中附圖標記是三位元數位，第一位是“2”，第二位和第三位與第1圖中的相應元件的相應數字相同。為敍述簡明，對兩個實施例中相同的元件將不再詳述。
所述開關電源電路200包括升壓控制器205和降壓控制器206。如第2圖所示，所述升壓控制器205包括：第一比較器51，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，所述第二輸入端接收第一閾值訊號Vref1，基於前饋訊號和第一閾值訊號Vref1，所述第一比較器51在輸出端輸出升壓指示訊號PWM_boost；以及升壓控制邏輯電路52，耦接至第一比較器51的輸出端接收升壓指示訊號PWM_boost，基於升壓指示訊號PWM_boost，所述升壓控制邏輯電路52輸出升壓控制訊號。所述降壓控制器206包括：第二比較器61，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號Vref2，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號Vref2，所述第二比較器61在輸出端輸出降壓指示訊號PWM_buck；以及降壓控制邏輯電路62，耦接至第二比較器61的輸出端接收降壓指示訊號PWM_buck，基於所述降壓指示訊號PWM_buck，所述降壓控制邏輯電路62輸出降壓控制訊號。
在一個實施例中，所述第一閾值訊號Vref1大於所述第二閾值訊號Vref2。其中，第一閾值訊號Vref1與升壓閾值相關，第二閾值訊號Vref2與降壓閾值相關。
在一個實施例中，所述開關電源電路200還包括前饋電路208。所述前饋電路208耦接至輸入埠接收輸入訊號VIN ，並且基於輸入訊號VIN 生成前饋訊號。在一個實施例中，前饋電路208包括第一電阻和第二電阻。所述第一電阻和第二電阻串聯耦接在輸入埠和參考地之間，兩者的共同連接節點提供前饋訊號。
第3圖為根據本發明一實施例的開關電源電路300的電路示意圖。在第3圖中，採用與第1圖類似的附圖標記表示相同的元件，其中附圖標記是三位元數位，第一位是“3”，第二位和第三位與第1圖中的相應元件的相應數字相同。為敍述簡明，對兩個實施例中相同的元件將不再詳述。
所述開關電源電路300包括降壓控制器306。如第3圖所示，所述降壓控制器306包括：第二比較器61，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號Vref2，基於所述前饋訊號和所述第二閾值訊號Vref2，所述第二比較器61在輸出端輸出降壓指示訊號PWM_buck；遲滯比較器63，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，第二輸入端接收參考訊號VR ，基於所述前饋訊號、參考訊號VR 和遲滯比較器63遲滯寬度（inherent hysteresis），所述遲滯比較器63在輸出端輸出開關控制訊號；以及邏輯電路64，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器61的輸出端接收降壓指示訊號PWM_buck，所述第二輸入端耦接至遲滯比較器63的輸出端接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號PWM_buck和開關控制訊號，所述邏輯電路64在輸出端輸出降壓控制訊號。
在一個實施例中，所述邏輯電路64包括及閘。
當輸入訊號VIN 大於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路300正常工作。在前饋訊號大於所述第一閾值訊號Vref1時，也就是在輸入訊號VIN 的值大於升壓閾值時，降壓控制器306被遮罩，升壓控制器305正常工作，所述功率級電路310工作在升壓模式；在前饋訊號的值小於第二閾值訊號Vref2，也就是輸入訊號VIN 小於降壓閾值，並且儲能電壓VS 大於輸入訊號VIN 時，升壓控制器305被遮罩，降壓控制器306正常工作，所述功率級電路310工作在降壓模式。具體而言，當功率級電路310工作在降壓模式時，一方面，所述第二比較器61提供邏輯高電平的降壓指示訊號PWM_buck給及閘；另一方面，前饋訊號與遲滯比較器63的上下限相比較，其中遲滯比較器63的上下限由參考訊號VR 和遲滯比較器63遲滯寬度決定。當前饋訊號低於遲滯比較器63的下限時，開關控制訊號為邏輯高電平，從而邏輯電路64產生的降壓指示訊號PWM_buck為高電平。此時，上拉功率管301導通，下拉功率管302關斷，使得上拉功率管301的導通時間被延長，而下拉功率管302的導通時間被縮短，導致輸入訊號VIN 的值上升。當輸入訊號VIN 的值上升至使前饋訊號達到遲滯比較器63的上限時，遲滯比較器63輸出的開關控制訊號跳轉為低電平，使得邏輯電路64產生的降壓指示訊號PWM_buck也為低電平。相應地，上拉功率管301關斷，下拉功率管302導通，使得上拉功率管301的導通時間被縮短，下拉功率管的導通時間被延長，導致輸入訊號VIN 的值下降。當輸入訊號VIN 的值降低至使前饋訊號達到遲滯比較器63的下限時，降壓控制器306重新導通上拉功率管301，並且關斷下拉功率管302，上述工作過程重複。當開關電源電路工作在降壓模式下時，通過上述電壓調節方式，遲滯比較器63使得輸入訊號VIN 的值能夠跟隨參考訊號VR 的值。
第4圖為根據本發明一實施例的開關電源電路400的電路示意圖。在第4圖中，採用與第1圖類似的附圖標記表示相同的元件，其中附圖標記是三位元數位，第一位是“4”，第二位和第三位與第1圖中的相應元件的相應數字相同。為敍述簡明，對兩個實施例中相同的元件將不再詳述。
所述開關電源電路400包括降壓控制器406。如第4圖所示，所述降壓控制器406包括：第二比較器61，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號Vref2，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號Vref2，所述第二比較器61在輸出端輸出降壓指示訊號PWM_buck；恆定導通時長電路65，接收表徵輸入訊號VIN 的前饋訊號，基於所述前饋訊號，所述恆定導通時長電路65輸出開關控制訊號；以及邏輯電路64，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器61的輸出端接收降壓指示訊號PWM_buck，所述第二輸入端耦接至恆定導通時長電路65接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號PWM_buck和開關控制訊號，所述邏輯電路64在輸出端輸出降壓控制訊號。
在一個實施例中，所述邏輯電路64包括及閘。
當輸入訊號VIN 大於欠壓鎖定參考訊號時，所述開關電源電路400正常工作。當開關電源電路400工作在降壓模式時，恆定導通時長電路65輸出的開關控制訊號在每一開關週期內都具有恆定的導通時長和可變的關斷時長，因此，通過調節開關控制訊號的關斷時長可將輸入訊號VIN 的值固定在預設值上。
以上列出了根據本發明實施例的部分開關電源電路。與傳統電路相比，上述開關電源電路只需用到一個功率級電路（即只需要串聯連接的兩個功率管），通過升降壓工作模式的轉換，即可實現電能的存儲和釋放。並且，上述開關電源電路可通過調節功率級電路得到具有任意值的儲能電壓，無需像電荷泵一樣變更開關數量。此外，所述功率級電路工作在開關模式，降低了電路的功耗，從而提高了系統的效率。
第5圖示出了根據本發明一實施例的開關電源電路的控制方法的流程圖500。所述控制方法包括：步驟501，將輸入訊號與欠壓鎖定參考訊號相比較，當輸入訊號大於欠壓鎖定參考訊號時，跳轉到步驟502，否則，重複步驟501；步驟502，開關電源電路開始正常工作；步驟503，監測輸入訊號；步驟504，將輸入訊號與升壓閾值相比較，當輸入訊號的值大於升壓閾值時，跳轉到步驟505，否則，跳轉到步驟506；步驟505，開關電源電路進入升壓模式，生成電壓值高於輸入訊號的儲能電壓；步驟506，將輸入訊號分別與降壓閾值和儲能電壓相比較，當輸入訊號小於降壓閾值，並且小於儲能電壓時，跳轉到步驟507，否則，回到步驟503；步驟507，開關電源電路進入降壓模式，釋放儲能電壓；步驟508，重新比較輸入訊號和欠壓鎖定參考訊號，當輸入訊號小於欠壓鎖定參考訊號時，跳轉到步驟509，否則，跳回步驟506；以及步驟509，結束工作過程；其中所述降壓閾值小於所述升壓閾值。
在一個實施例中，所述控制方法還包括在降壓模式中採用遲滯控制。
在一個實施例中，所述控制方法還包括在降壓模式中採用恆定導通時長控制。
在一個實施例中，所述控制方法還包括在輸入訊號大於降壓閾值並且小於升壓閾值時，使開關電源電路保持原有的工作模式。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。
100．．．開關電源電路
101．．．上拉功率管
102．．．下拉功率管
103．．．電感
104．．．儲能電容
105．．．升壓控制器
106．．．降壓控制器
107．．．輸入電容
110．．．功率級電路
VIN
．．．輸入訊號
VS
．．．儲能電壓
Claims (10)
- 一種開關電源電路，包括：
輸入埠，接收輸入訊號；
儲能埠，提供儲能電壓；
電感，具有第一端和第一端，其中所述第一端耦接至輸入埠接收輸入訊號；
功率級電路，耦接在所述電感的第二端和儲能埠之間；
儲能電容，耦接在儲能埠和參考地之間；
升壓控制器，接收表徵輸入訊號的前饋訊號，在輸入訊號大於升壓閾值時，所述升壓控制器輸出升壓控制訊號來控制功率級電路工作在升壓模式；以及
降壓控制器，接收表徵輸入訊號的前饋訊號，在輸入訊號小於降壓閾值，同時儲能電壓大於輸入訊號時，所述降壓控制器輸出降壓控制訊號來控制功率級電路工作在降壓模式；
其中，所述降壓閾值小於所述升壓閾值。 - 如申請專利範圍第1項所述的開關電源電路，其中所述功率級電路包括上拉功率管和下拉功率管，所述上拉功率管和所述下拉功率管串聯耦接在儲能埠和參考地之間，兩者的共同連接節點耦接至電感的第二端。
- 如申請專利範圍第1項所述的開關電源電路，其中所述升壓控制器包括：
第一比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第一閾值訊號，基於前饋訊號和第一閾值訊號，所述第一比較器在輸出端輸出升壓指示訊號；以及
升壓控制邏輯電路，耦接至第一比較器的輸出端接收升壓指示訊號，基於升壓指示訊號，所述升壓控制邏輯電路輸出升壓控制訊號；
其中所述第一閾值訊號與升壓閾值相關。 - 如申請專利範圍第1項所述的開關電源電路，其中所述降壓控制器包括：
第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號，所述第二比較器在輸出端輸出降壓指示訊號；以及
降壓控制邏輯電路，耦接至第二比較器的輸出端接收降壓指示訊號，基於所述降壓指示訊號，所述降壓控制邏輯電路輸出降壓控制訊號；
其中所述第二閾值訊號與降壓閾值相關。 - 如申請專利範圍第1項所述的開關電源電路，其中所述降壓控制器包括：
第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號，基於所述前饋訊號和所述第二閾值訊號，所述第二比較器在輸出端輸出降壓指示訊號；
遲滯比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，第二輸入端接收參考訊號，基於所述前饋訊號、參考訊號和遲滯比較器的遲滯寬度，所述遲滯比較器在輸出端輸出開關控制訊號；以及
邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器的輸出端接收降壓指示訊號，所述第二輸入端耦接至遲滯比較器的輸出端接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號和開關控制訊號，所述邏輯電路在輸出端輸出降壓控制訊號。 - 如申請專利範圍第1項所述的開關電源電路，其中所述降壓控制器包括：
第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端接收表徵輸入訊號的前饋訊號，所述第二輸入端接收第二閾值訊號，基於所述前饋訊號和第二閾值訊號，所述第二比較器在輸出端輸出降壓指示訊號；
恆定導通時長電路，接收表徵輸入訊號的前饋訊號，基於所述前饋訊號，所述恆定導通時長電路輸出開關控制訊號；以及
邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中，所述第一輸入端耦接至第二比較器的輸出端接收降壓指示訊號，所述第二輸入端耦接至恆定導通時長電路接收開關控制訊號，基於所述降壓指示訊號和開關控制訊號，所述邏輯電路在輸出端輸出降壓控制訊號。 - 一種開關電源電路的控制方法，包括：
將輸入訊號與欠壓鎖定參考訊號相比較，當輸入訊號大於欠壓鎖定參考訊號時，開關電源電路開始正常工作；
將輸入訊號與升壓閾值相比較，當輸入訊號的值大於升壓閾值時，開關電源電路進入升壓模式，生成電壓值高於輸入訊號的儲能電壓；
將輸入訊號分別與降壓閾值和儲能電壓相比較，當輸入訊號小於降壓閾值，並且小於儲能電壓時，開關電源電路進入降壓模式，釋放儲能電壓；
重新比較輸入訊號和欠壓鎖定參考訊號，當輸入訊號小於欠壓鎖定參考訊號時，開關電源電路停止工作過程，否則跳轉到將輸入訊號分別與降壓閾值和儲能電壓相比較的步驟；
其中所述降壓閾值小於所述升壓閾值。 - 如申請專利範圍第7項所述的控制方法，還包括在降壓模式中採用遲滯控制。
- 如申請專利範圍第7項所述的控制方法，還包括在降壓模式中採用恆定導通時長控制。
- 如申請專利範圍第7項所述的控制方法，還包括在輸入訊號大於降壓閾值並且小於升壓閾值時，使開關電源電路保持原有的工作模式。
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