TWI756824B - 開關變換器及其控制電路和控制方法 - Google Patents

開關變換器及其控制電路和控制方法 Download PDF

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Abstract

公開了開關變換器及其控制電路和控制方法。該控制電路利用第一到第三跨導放大器形成第一到第三環路來實現對開關變換器的輸出電壓、輸出電流、以及輸入電流的控制。

Description

開關變換器及其控制電路和控制方法
本發明總體涉及電路領域，更具體地涉及開關變換器及其控制電路和控制方法。
在現代充電系統中，常常需要對開關變換器的輸入電流、輸出電流、以及輸出電壓進行獨立控制，以滿足可靠性和功能多樣性的需求。例如，對於需要對輸出電流和輸出電壓進行控制的開關變換器，當充電系統的輸出電流未達到設定值時，控制輸出電壓為恒定的設定值，而在輸出超載或者過流的情況下，則需要對輸出電流進行限制。
圖1A示出了一種傳統的開關變換器的控制電路中所使用的用於單獨對輸出電流和輸出電壓進行控制的環路佈置100A。例如，通過第一跨導放大器GM1形成的第一環路用於對輸出電壓進行控制(其輸入訊號VREF1表示預設的參考電壓，VFB1表示與輸出電壓有關的回饋電壓)，而通過第二跨導放大器GM2形成的第二環路用於對輸出電流進行控制(其輸入訊號VREF2表示預設的參考電壓，VFB2表示與輸出電流有關的回饋電壓)，反之亦然。圖1B示出了另一種傳統的開關變換器的控制電路中所使用的用於單獨對輸出電流、輸入電流和輸出電壓進行控制的環路佈置100B。例如，通過第一跨導放大器GM1形成的第一環路用於對輸出電壓進行控制(其輸入訊號VREF1表示預設的參考電壓，VFB1表示與輸出電壓有關的回饋電壓)，而通過第二跨導放大器GM2形成的第二環路用於對輸出電流進行控制(其輸入訊號VREF2表示預設的參考電壓，VFB2表示與輸出電流有關的回饋電壓)，通過第三跨導放大器GM3形成的第三環路用於對輸入電流進行控制(其輸入訊號VREF3表示預設的參考電壓， VFB3表示與輸入電流有關的回饋電壓)。為說明的簡單起見，省略了本領域普通技術人員公知的開關變換器電路的其他部分。如圖1A和圖1B所示，在傳統的開關變換器的控制電路中，針對每個環路需要設置單獨的補償網路(例如，由電阻器RCOMP1和電容器CCOMP1組成的第一補償網路、由電阻器RCOMP2和電容器CCOMP2組成的第二補償網路、或由電阻器RCOMP3和電容器CCOMP3組成的第三補償網路)和調變器件(例如，第一脈衝寬度調變器PWM1、第二脈衝寬度調變器PWM2、或第三脈衝寬度調變器PWM3)，這增大了充電系統的尺寸和成本，不利於系統集成。而且，每個環路單獨進行控制，導致系統的可靠性較差，例如，在圖1A的示例中，當充電系統的負載在恒流點附近時，控制環路會在恒壓環和恒流環之間來回切換，導致輸出電壓紋波變大，甚至可能出現輸出電壓振盪，這嚴重影響系統的可靠性。
鑒於以上所述的一個或多個問題，本發明提供了新穎的開關變換器及其控制電路和控制方法。
根據本發明實施例的一方面，提供了一種開關變換器的控制電路。該控制電路包括：第一跨導放大器，用於形成第一環路以對開關變換器的輸出電壓進行控制；第二跨導放大器，用於形成第二環路以對開關變換器的輸出電流進行控制；以及第三跨導放大器，用於形成第三環路以對開關變換器的輸入電流進行控制；第一跨導放大器接收第一回饋電壓和第一參考電壓，並且基於第一回饋電壓和第一參考電壓生成第一電流，其中第一回饋電壓是通過對輸出電壓進行分壓而得到的；第二跨導放大器接收第二回饋電壓和預設的第二參考電壓，並且基於第二回饋電壓和第二參考電壓生成第二電流，其中第二回饋電壓是通過對輸出電流進行採樣而得到的；第三跨導放大器接收第三回饋電壓和預設的第三參考電壓，並且基於第三回饋電壓和第三參考電壓生成第三電流，第三回饋電壓是通過對輸入電流進行採樣而得到的；其中，第一參考電壓是基於預設的基準電壓 以及第二電流或第三電流而得到的；並且第一電流被開關變換器用來生成開關控制訊號以實現對輸出電壓、輸出電流或輸入電流的控制。
根據本發明實施例的另一方面，提供了一種開關變換器。該開關變換器包括：上述控制電路；訊號輸入端，用於接收輸入電壓和輸入電流；訊號輸出端，用於提供輸出電壓和輸出電流；開關控制器，開關控制器的第一端連接到訊號輸入端並且開關控制器的第二端連接到訊號輸出端；電感器，電感器的第一端經由開關控制器連接到訊號輸入端並且電感器的第二端經由開關控制器連接到訊號輸出端；第一分壓電阻器和第二分壓電阻器，第一分壓電阻器的一端連接到訊號輸出端且另一端連接到第二分壓電阻器的一端，並且第二分壓電阻器的另一端連接到接地腳，第一回饋電壓是通過第一分壓電阻器和第二分壓電阻器對輸出電壓進行分壓而得到的；第一採樣單元，用於對電感器的電流進行採樣並轉換成相應的第二電壓；第二採樣單元，用於對輸出電流進行採樣並轉換成第二回饋電壓；第三採樣單元，用於對輸入電流進行採樣並轉換成第三回饋電壓；調變器，用於基於第一電流轉換而來的電壓和第二電壓生成開關控制訊號，並且將開關控制訊號提供給開關控制器，以使得開關控制器基於開關控制訊號對輸入電壓進行斬波控制，以實現對輸出電壓、輸出電流或輸入電流的控制。
根據本發明實施例的另一方面，提供了一種開關變換器的控制方法。該方法包括：通過對開關變換器的輸出電壓進行分壓得到第一回饋電壓；通過對開關變換器的輸出電流進行採樣得到第二回饋電壓；通過對開關變換器的輸入電流進行採樣得到第三回饋電壓；將第二回饋電壓與預設的第二參考電壓進行比較；將第三回饋電壓與預設的第三參考電壓進行比較；當第二回體電壓小於第二參考電壓並且第三回饋電壓小於預設的第三參考電壓時，基於第一回饋電壓和預設的基準電壓生成控制電壓；當第二回體電壓大於第二參考電壓並且第三回饋電壓小於預設的第三參考電壓時，基於第二回饋電壓和第二參考電壓生成第二電流，利用第二電流下拉基準電壓來得到第一參考電壓，基於第一回饋電壓和第一參考電壓生 成控制電壓；或者當第二回請電壓小於第二參考電壓並且第三回饋電壓大於預設的第三參考電壓時，基於第三回饋電壓和第三參考電壓生成第三電流，利用第三電流下拉基準電壓得到第一參考電壓，基於第一回饋電壓和第一參考電壓生成控制電壓；以及基於控制電壓實現對輸出電壓、輸出電流或輸入電流的控制。
100A,100B:環路佈置
200:開關變換器的控制電路
201:訊號輸入端
202:訊號輸出端
203:輸入電壓(VIN)
204:輸入電流(IIN)
205:輸出電壓(VOUT)
206:輸出電流(IOUT)
207:第一電流(I1)
208:開關控制器
209:電感器(L1)
210:第一分壓電阻器(RFB1)
211:第二分壓電阻器(RFB2)
212:接地腳(GND)
213:第一採樣單元
214:第二採樣單元
215:第三採樣單元
216:相應的電壓(VSUM)
217:第二回饋電壓(VFB2)
218:第三回饋電壓(VFB3)
219:調變器
220:第一電壓(VCOMP)
221:開關控制信號訊號(MOD)
222:第一跨導放大器(GM1)
223:第一參考電壓(VREF1)
224:第一回饋電壓(VFB1)
226:補償網路
227:電阻器(RCOMP)
228:電容器(CCOMP)
229:第二跨導放大器(GM2)
230:第二參考電壓(VREF2)
231:第二電流(I2)
232:第三跨導放大器(GM3)
233:第三參考電壓(VREF3)
234:第三電流(I3)
235:緩衝器(BUF)
236:緩衝電阻器(RBUF)
237:輸入端接收基準電壓(VREF0)
238:第一電容器(CIN)
239:第二電容器(COUT)
240:第一採樣電阻器(RSENSE1)
241:第一電流採樣器(A1)
242:第一電流採樣器(A1)
243:第二電流採樣器(A2)
300:開關變換器
400:降壓變換器
401,501:邏輯單元
402,502:第一開關(S1)
403,503:第二開關(S2)
404,513:運算放大器(OP)
500:升降壓變換器
504:第三開關(S3)
505:第四開關(S4)
506:升壓式(Boost)調變器(PWM_BOOST)
507:降壓式(Buck)調變器(PWM_BUCK)
508:斜坡(RAMP)生成器
509:VSUM_Boost
510:VSUM_Buck
511:Boost開關控制訊號
512:Buck開關控制訊號
600:跨導放大器
601~610:第一到第十場效應(MOS)電晶體
611:電阻器(R)
CCOMP1,CCOMP2,CCOMP3:電容器
PWM1:第一脈衝寬度調變器
PWM2:第二脈衝寬度調變器
PWM3:第三脈衝寬度調變器
RCOMP1,RCOMP2,RCOMP3:電阻器
從下面結合圖式對本發明的具體實施方式的描述中可以更好地理解本發明。為了圖示的簡單和清晰，圖式中圖示的元素不一定是按比例繪製的。例如，為了清晰，一些元素的尺寸相對於其他元素可被誇大。另外，在認為適當時，圖式標記在圖式之間被重複以指示出對應的或相似的元素。在圖式中：
圖1A示出了一種傳統的開關變換器中所使用的用於單獨對輸出電流和輸出電壓進行控制的環路佈置。
圖1B示出了另一種傳統的開關變換器中所使用的用於單獨對輸出電流、輸入電流和輸出電壓進行控制的環路佈置。
圖2示出了根據本發明的實施例的開關變換器的控制電路的示意圖。
圖3示出了根據本發明的實施例的採用了圖2所示的控制電路的開關變換器的示意圖。
圖4示出了根據本發明的實施例的採用了圖2所示的控制電路的降壓變換器的示意圖。
圖5示出了根據本發明的實施例的採用了圖2所示的控制電路的升降壓變換器的示意圖。
圖6示出了本發明的實施例中所使用的跨導放大器的內部結構的示例。
下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施 例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和演算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和演算法的任何修改、替換和改進。在圖式和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。
圖2示出了根據本發明的實施例的開關變換器的控制電路200的示意圖。開關變換器的控制電路200可以適用於，例如，降壓變換器、升壓變換器、以及升降壓變換器等，在此不對開關變換器的具體形式和結構進行限制。
與圖1A和圖1B所示的傳統的開關變換器中所使用的控制環路的佈置不同，如圖2所示，開關變換器的控制電路200可以包括第一跨導放大器(GM1)222。第一跨導放大器222的正輸入端接收第一參考電壓(VREF1)223，其負輸入端接收第一回饋電壓(VFB1)224。第一跨導放大器222基於VREF1 223和VFB1 224生成第一電流(I1)207。根據本實施例，通過第一跨導放大器222形成的第一環路用於對開關變換器的輸出電壓進行控制，從而VFB1 224與開關變換器的輸出電壓有關，具體地，可以是經由對開關變換器的輸出電壓進行分壓而得到的。
開關變換器的控制電路200還包括第二跨導放大器(GM2)229。第二跨導放大器229的正輸入端接收預設的第二參考電壓(VREF2)230，其負輸入端接收第二回饋電壓(VFB2)217。第二跨導放大器229基於VREF2 230和VFB2 217生成第二電流(I2)231。根據本實施例，通過第二跨導放大器229形成的第二環路用於對開關變換器的輸出電流進行控制，從而VFB2 217與開關變換器的輸出電流有關，具體地，可以是通過對開關變換器的輸出電流進行採樣而得到的。
開關變換器的控制電路200還包括第三跨導放大器(GM3)232。第三跨導放大器232的正輸入端接收預設的第三參考電壓(VREF3)233，其負輸入端接收第三回請電壓(VFB3)218。根據本實施例，通過第三跨導放大器232形成的第三環路用於對開關變換器的輸出電流進行控制，從而VFB3 218與開關變換器的輸入電流有關，具體地，可以是通過對開關變換器的輸入電流進行採樣而得到的。第三跨導放大器232基於VREF3 233和VFB3 218生成第三電流(I3)234。
第二跨導放大器229和第三跨導放大器232的輸出端分別連接到第一跨導放大器222的正輸入端，從而可單獨對VREF1 223產生影響。
開關變換器的控制電路200還包括補償網路226，用於對由第一電流207轉換而來的電壓(例如，可稱為控制電壓，未在圖中示出)進行補償以生成第一電壓(VCOMP)220。僅作為示例，補償網路226可以包括電阻器(RCOMP)227和電容器(CCOMP)228，RCOMP 227的一端連接到第一跨導放大器222的輸出端，且其另一端連接到CCOMP 228的一端，並且CCOMP 228的另一端連接到接地腳212。VCOMP 220被提供給開關變換器的調變器，從而調變器能夠基於VCOMP 220生成開關控制訊號來對開關變換器的輸入電壓進行斬波控制，以實現對開關變換器的輸出電壓、輸出電流、或輸入電流的控制。
開關變換器的控制電路200還包括緩衝器(buffer，BUF)235和緩衝電阻器(RBUF)236。緩衝電阻器236的一端連接到BUF 235的輸出端，且其另一端分別連接到第二跨導放大器229的輸出端、第三跨導放大器232的輸出端、以及第一跨導放大器的222的正輸入端。BUF 235的輸入端接收基準電壓(VREF0)237並對VREF0 237進行隔離。VREF0 237定義了VREF1 223的常態值。
基於以上佈置，VREF1 223取決於VREF0 237、緩衝電阻器236的阻值(RBUF)、由第二跨導放大器229生成的第二電流231、或由第 三跨導放大器232生成的第三電流234。
具體地，每一時刻，第二環路和第三環路中至多只有一者起作用。當第二環路和第三環路都不起作用時，例如，VFB2 217小於VREF2 230並且VFB3 218小於VREF2 233，VREF1 223等於VREF0 237。就第二環路而言，當VFB2 217大於VREF2 230時，由第二跨導放大器229生成的第二電流231對VREF1 223進行下拉，使得VREF1=VREF0-I2*RBUF，其中I2表示第二電流。就第三環路而言，當VFB3 218大於VREF2 233時，由第三跨導放大器232生成的第三電流234對VREF1 223進行下拉，使得VREF1=VREF0-I3*RBUF，其中I3表示第三電流。
與傳統技術相比，在本發明提供的開關變換器的控制電路200中，第一、第二和第三環路共用一個補償網路，大大減小了整個控制電路的尺寸、節約了成本，而且有利於系統的集成。此外，由於只有一個VCOMP，所以不存在傳統技術中多個VCOMP競爭環路控制權的問題，使得採用了開關變換器的控制電路200的充電系統具有較高的可靠性。
圖3示出了根據本發明的實施例的採用了圖2所示的控制電路200的開關變換器300的示意圖。開關變換器300可以是例如，降壓變換器、升壓變換器、以及升降壓變換器等。
如圖3所示，開關變換器300可以包括訊號輸入端201和訊號輸出端202。訊號輸入端201接收輸入電壓(VIN)203和輸入電流(IIN)204。訊號輸出端202提供輸出電壓(VOUT)205和輸出電流(IOUT)206。開關變換器300包括開關控制器208，其第一端連接到訊號輸入端201且第二端連接到訊號輸出端202。開關變換器300包括電感器(L1)209，其第一端經由開關控制器208連接到訊號輸入端201且第二端經由開關控制器208連接到訊號輸出端202。開關變換器300還包括第一分壓電阻器(RFB1)210和第二分壓電阻器(RFB2)211，其中，第一分壓電阻器210的一端連接到訊號輸出端202且另一端連接到第二分壓電阻器211的一端，並且第二分壓電阻器211的另一端連接到接地腳(Ground,GND) 212。
開關變換器300還可以包括第一採樣單元213、第二採樣單元214、以及第三採樣單元215。第一採樣單元213用於對電感器(L1)209所產生的電流進行採樣並轉換成相應的電壓(VSUM)216。第二採樣單元214用於對IOUT 206進行採樣並轉換成第二回饋電壓(VFB2)217。第三採樣單元215用於對IIN 204進行採樣並轉換成第三回饋電壓(VFB3)218。
開關變換器300還可以包括調變器219。調變器219例如可以是脈衝寬度調變器(Pulse Width Modulation，PWM)。調變器219的正輸入端接收由第一採樣單元213生成的VSUM 216，調變器219的負輸入端接收VCOMP 220。調變器219基於VSUM 216和VCOMF 220生成開關控制訊號(MOD)221，並且將MOD 221提供給開關控制器208。開關控制器208根據MOD 221對VIN 203進行斬波控制，以實現對VOUT 205、IOUT 206、或IIN 204的控制。
開關變換器300還包括圖2所示的控制電路200。具體地，第一跨導放大器222的正輸入端接收第一參考電壓(VREF1)223，其負輸入端接收第一回饋電壓(VFB1)224。第一跨導放大器222基於VREF1 223和VFB1 224生成第一電流(I1)207。根據本實施例，VFB1 224是基於第一分壓電阻器210和第二分壓電阻器211對VOUT 205進行分壓而得到的，例如，
Figure 109131728-A0101-12-0008-1
，其中，RFB1表示第一分壓電阻器210的阻值、RFB2表示第二分壓電阻器211的阻值。第二跨導放大器229的正輸入端接收預設的第二參考電壓(VREF2)230，其負輸入端連接到第二採樣單元214以接收第二回饋電壓(VFB2)217。第二跨導放大器229基於VREF2 230和VFB2 217生成第二電流(I2)231。第三跨導放大器232的正輸入端接收預設的第三參考電壓(VREF2)233，其負輸入端連接到第三採樣單元215 以接收第三回饋電壓(VFB3)218。第三跨導放大器232基於VREF3 233和VFB3 218生成第三電流(I3)234。補償網路226對由第一電流207轉換而來的電壓(例如，可稱為控制電壓，未在圖中示出)進行補償以生成VCOMP 220。僅作為示例，補償網路226可以包括電阻器(RCOMP)227和電容器(CCOMP)228，RCOMP 227的一端連接到第一跨導放大器222的輸出端，且其另一端連接到CCOMP 228的一端，並且CCOMF 228的另一端連接到接地腳212。如上所述，預設的基準電壓(VREF0)237定義了VREF1 223的常態值。緩衝電阻器236的一端連接到BUF 235的輸出端，且其另一端分別連接到第二跨導放大器229的輸出端、第三跨導放大器232的輸出端、以及第一跨導放大器的222的正輸入端。BUF 235的輸入端接收VREF0 237並對其進行隔離。
基於以上佈置，VREF1 223取決於VREF0 237、緩衝電阻器236的阻值(RBUF)、由第二跨導放大器229生成的第二電流231、或由第三跨導放大器232生成的第三電流234。
具體地，每一時刻，第二環路和第三環路中至多只有一者起作用。當第二環路和第三環路都不起作用時，例如，VFB2 217小於VREF2 230並且VFB3 218小於VREF2 233，VREF1 223等於VREF0 237。就第二環路而言，當VFB2 217大於VREF2 230時，由第二跨導放大器229生成的第二電流231對VREF1 223進行下拉，使得VREF1=VREF0-I2*RBUF，其中I2表示第二電流。就第三環路而言，當VFB3 218大於VREF2 233時，由第三跨導放大器232生成的第三電流234對VREF1 223進行下拉，使得VREF1=VREF0-I3*RBUF，其中I3表示第三電流。
如圖3所示，開關變換器300還可以包括第一電容器(CIN)238和第二電容器(COUT)239。第一電容器238的一端連接到開關變換器300的訊號輸入端201，且其另一端連接到接地腳212。第二電容器239的一端連接到開關變換器300的訊號輸出端202，且其另一端連 接到接地腳212。第一電容器238和第二電容器239分別用於對IIN 204、輸IOUT 206進行濾波，以保證穩定的直流輸入和輸出。
僅為說明目的，在圖3的左下角示出了第三採樣單元215的內部結構的一個示例。在該示例中，第三採樣單元215可以包括第一採樣電阻器(RSENSE1)240和第一電流採樣器(A1)241。第一採樣電阻器240的第一端連接到訊號輸入端201，並且第一採樣電阻器240的第二端連接到開關控制器208的第一端，第一採樣電阻器240的第一端還連接到第一電流採樣器241的負輸入端，第一採樣電阻器240的第二端還連接到第一電流採樣器241的正輸入端，第一電流採樣器241的輸出端連接到第三跨導放大器232的正輸入端。根據以上佈置，VOUT 205與IIN 204的關係如等式(1)所示：
Figure 109131728-A0101-12-0010-2
其中，RFB1表示第一分壓電阻器210的阻值、RFB2表示第二分壓電阻器211的阻值、VREF0表示預設的基準電壓、RBUF表示緩衝電阻器236的阻值、gm3表示第三跨導放大器232的跨導值、RSENSE1表示第一採樣電阻器240的阻值、ACS1表示第一電流採樣器241的增益、以及VREF3表示預設的第三參考電壓。
僅為說明目的，在圖3的右下角示出了第二採樣單元214的內部結構的一個示例。在該示例中，第二採樣單元214可以包括第二採樣電阻器(RSENSE2)242和第二電流採樣器(A2)243。第二採樣電阻器242的第一端連接到開關控制器208的第二端，並且第二採樣電阻器242的第二端連接到信號輸出端202，第二採樣電阻器242的第一端還連接到第二電流採樣器243的負輸入端，第二採樣電阻器242的第二端還連接到第二電流採樣器243的正輸入端，第二電流採樣器243的輸出端連接到第二跨導放大器229的正輸入端。根據這種佈置，VOUT 205與IOUT 206的關係如等式(2)所示：
Figure 109131728-A0101-12-0010-3
其中，RFB1表示第一分壓電阻器210的阻值、RFB2表示第二分壓電阻器211的阻值、VREF0表示預設的基準電壓、RBUF表示緩衝電阻器236的阻值、gm2表示第二跨導放大器229的跨導值、RSENSE2表示第二採樣電阻器242的阻值，ACS2表示所述第二電流採樣器243的增益、以及VREF2表示預設的第二參考電壓。
與傳統技術相比，在本發明提供的開關變換器300中，第一、第二和第三環路共用一個補償網路和調變器，大大減小了開關變換器的整體尺寸、節約了成本，而且有利於充電系統的整體集成。此外，由於只有一個VCOMP，所以不存在傳統技術中多個VCOMP競爭環路控制權的問題，所以充電系統具有較高的可靠性。
下面分別結合圖4和圖5描述將圖2所示的控制電路200應用於降壓變換器和升降壓變換器的情形。應當理解，圖4和圖5的示例情形僅僅是控制電路200的應用場景的示例，不意在限制本發明的範圍。
在圖4所示的將控制電路200應用於降壓變換器400的情形中，電路的佈置與圖3的開關變換器300基本相同，在此不再贅述，並在下面的描述中針對相同元件使用相同的圖式標記。在圖4中具體地示出了開關控制器208包括邏輯單元401和第一開關(S1)402以及第二開關(S2)403。第一開關402的一端連接到第一採樣電阻器240的第二端且其另一端連接到L1 209的第一端。第二開關403的一端連接到L1 209的第一端且其另一端連接到接地腳212。邏輯單元401根據由調變器219基於VSUM 216和VCOMP 220生成的開關控制訊號221來控制第一開關402和第二開關403的斷開或閉合，從而實現對VIN 203的斬波控制。
另外，在該實施例中，採用運算放大器(Operational Amplifier，OP)404來實現對VREF0 237的隔離。具體地，OP 404的正輸入端接收VREF0 237，且其負輸入端連接到其輸出端，其輸出端還連接到緩衝電阻器236的一端，緩衝電阻器236的另一端分別連接到第二跨導放大器229的輸出端、第三跨導放大器232的輸出端、以及第一跨導放大器的 222的正輸入端。
在圖5所示的將控制電路200應用於升降壓變換器500的情形中，電路的佈置與圖3的開關變換器300基本相同，在此不再贅述，並在下面的描述中針對相同元件使用相同的圖式標記。具體地，為實現升降壓變換，開關控制器208包括邏輯單元501和第一開關(S1)502、第二開關(S2)503、第三開關(S3)504、以及第四開關(S4)505；調變器219包括升壓式(Boost)調變器(PWM_BOOST)506和降壓式(Buck)調變器(PWM_BUCK)507；第一採樣單元213包括斜坡(RAMP)生成器508。第一開關502的一端連接到第一採樣電阻器240的第二端且其另一端連接到L1 209的第一端。第二開關503的一端連接到L1 209的第一端且其另一端連接到接地腳212。第三開關504的一端連接到L1 209的第二端且其另一端連接到接地腳212。第四開關505的一端連接到第二採樣電阻器242的第一端且其另一端連接到L1 209的第二端。RAMP生成器508將由第一採樣單元213生成VSUM 216轉換成VSUM_Boost 509或VSUM_Buck 510。Boost調變器506基於VSUM_Boost 509和VCOMP 220生成Boost開關控制訊號511。Buck調變器507基於VSUM_Buck 510和VCOMP 220生成Buck開關控制訊號512。邏輯單元501根據Boost開關控制訊號511或Buck開關控制訊號512來控制第一開關502、第二開關503、第三開關504和第四開關505的斷開或閉合，從而實現對VOUT 205、IOUT 206、或IIN 204的控制。
在該實施例中，採用運算放大器(OP)513來實現對VREF0 237的隔離。具體地，OP 513的正輸入端接收VREF0 237，且其負輸入端連接到其輸出端，其輸出端還連接到緩衝電阻器236的一端，緩衝電阻器236的另一端分別連接到第二跨導放大器229的輸出端、第三跨導放大器232的輸出端、以及第一跨導放大器的222的正輸入端。
根據等式(1)的輸出電壓與輸出電流的關係以及根據等式(2)的輸出電壓與輸入電流的關係同樣適用於圖4的降壓變換器400 和圖5的升降壓變換器500。
圖6示出了本發明的實施例中所使用的跨導放大器600的內部結構的示例。跨導放大器600例如可以是上面提到的第二和第三跨導放大器229和232中的任一者。
跨導放大器600可以包括第一到第十場效應(Metal Oxide Semiconductor，MOS)電晶體(M1到M10)601，602，......，610，以及一個電阻器611，其具體連接關係如圖6所示，在此不作一一詳細描述。M1 601和M2 602以及電阻器(R)611組成電流鏡。M1 601的閘極接收參考電壓VREF(例如，VREF2 230或VREF3 233)，M2 602的閘極接收回饋電壓VFB(例如，VFB2 217或VFB3 218)。在M10 610的汲極產生灌電流ISINK。
在此實施例中，跨導放大器600的跨導值(gm)的計算如等式(3)所示：
Figure 109131728-A0101-12-0013-5
其中，R為電阻器611的阻值，
Figure 109131728-A0101-12-0013-6
Figure 109131728-A0101-12-0013-4
(其中W表示MOS電晶體的寬度，L表示MOS電晶體的長度，n=3,4,5,6,7,8,9,10)表示第n MOS電晶體的寬長比。
綜合上述實施例，本發明提供的開關變換器及其控制電路減小了開關變換器的整體尺寸、節約了成本，有利於充電系統的整體集成，而且使得充電系統具有更高的可靠性。
本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的演算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附申請專利範圍而非上述描述定義，並且，落入申請專利範圍的含義和等同物的範圍內的全部改變 從而都被包括在本發明的範圍之中。
200:開關變換器的控制電路
207:第一電流(I1)
212:接地腳(GND)
217:第二回饋電壓(VFB2)
218:第三回饋電壓(VFB3)
220:第一電壓(VCOMP)
222:第一跨導放大器(GM1)
223:第一參考電壓(VREF1)
224:第一回饋電壓(VFB1)
226:補償網路
227:電阻器(RCOMP)
228:電容器(CCOMP)
229:第二跨導放大器(GM2)
230:第二參考電壓(VREF2)
231:第二電流(I2)
232:第三跨導放大器(GM3)
233:第三參考電壓(VREF3)
234:第三電流(I3)
235:緩衝器(BUF)
236:緩衝電阻器(RBUF)
237:輸入端接收基準電壓(VREF0)

Claims (9)

  1. 一種開關變換器的控制電路，包括：第一跨導放大器，用於形成第一環路以對所述開關變換器的輸出電壓進行控制；第二跨導放大器，用於形成第二環路以對所述開關變換器的輸出電流進行控制；以及第三跨導放大器，用於形成第三環路以對所述開關變換器的輸入電流進行控制；所述第一跨導放大器接收第一回饋電壓和第一參考電壓，並且基於所述第一回饋電壓和第一參考電壓生成第一電流，其中所述第一回饋電壓是通過對所述輸出電壓進行分壓而得到的；所述第二跨導放大器接收第二回饋電壓和預設的第二參考電壓，並且基於所述第二回饋電壓和所述第二參考電壓生成第二電流，其中所述第二回饋電壓是通過對所述輸出電流進行採樣而得到的；所述第三跨導放大器接收第三回饋電壓和預設的第三參考電壓，並且基於所述第三回饋電壓和所述第三參考電壓生成第三電流，所述第三回饋電壓是通過對所述輸入電流進行採樣而得到的；其中，所述第一參考電壓是基於預設的基準電壓以及所述第二電流或所述第三電流而得到的；並且所述第一電流被所述開關變換器用來生成開關控制訊號以實現對所述輸出電壓、所述輸出電流或所述輸入電流的控制； 當所述第二回饋電壓小於所述第二參考電壓，並且所述第三回饋電壓小於所述第三參考電壓時，所述第一參考電壓等於所述基準電壓。
  2. 如請求項1所述的控制電路，還包括補償網路，用於對由所述第一電流轉換而來的電壓進行補償以生成第一電壓，所述第一電壓能夠由所述開關變換器用來生成所述開關控制訊號。
  3. 如請求項1所述的控制電路，還包括：緩衝器，用於對所述基準電壓進行隔離；以及緩衝電阻器，所述緩衝電阻器的一端連接到所述緩衝器，且另一端分別連接到所述第二跨導放大器的輸出端、所述第三跨導放大器的輸出端、以及所述第一跨導放大器的所述第一參考電壓的輸入端；其中，當所述第二回饋電壓大於所述第二參考電壓，並且所述第三回饋電壓小於所述第三參考電壓時，所述第一參考電壓等於所述基準電壓減去所述緩衝電阻器的阻值與所述第二電流的乘積；或者當所述第二回饋電壓小於所述第二參考電壓，並且所述第三回饋電壓大於所述第三參考電壓時，所述第一參考電壓等於所述基準電壓減去所述緩衝電阻器的阻值與所述第三電流的乘積。
  4. 一種開關變換器，包括：如請求項1-3中任一項所述的控制電路；訊號輸入端，用於接收所述輸入電壓和所述輸入電流；訊號輸出端，用於提供所述輸出電壓和所述輸出電流；開關控制器，所述開關控制器的第一端連接到所述訊號輸入端並且所述開關控制器的第二端連接到所述訊號輸出端； 電感器，所述電感器的第一端經由所述開關控制器連接到所述訊號輸入端並且所述電感器的第二端經由所述開關控制器連接到所述訊號輸出端；第一分壓電阻器和第二分壓電阻器，所述第一分壓電阻器的一端連接到所述訊號輸出端且另一端連接到所述第二分壓電阻器的一端，並且所述第二分壓電阻器的另一端連接到接地腳，所述第一回饋電壓是通過所述第一分壓電阻器和所述第二分壓電阻器對所述輸出電壓進行分壓而得到的；第一採樣單元，用於對所述電感器的電流進行採樣並轉換成相應的第二電壓；第二採樣單元，用於對所述輸出電流進行採樣並轉換成所述第二回饋電壓；第三採樣單元，用於對所述輸入電流進行採樣並轉換成所述第三回饋電壓；調變器，用於基於由所述第一電流轉換而來的電壓和所述第二電壓生成所述開關控制訊號，並且將所述開關控制訊號提供給所述開關控制器，以使得所述開關控制器基於所述開關控制訊號對所述輸入電壓進行斬波控制，以實現對所述輸出電壓、所述輸出電流或所述輸入電流的控制。
  5. 如請求項4所述的開關變換器，其中，所述第三採樣單元包括第一採樣電阻器和第一電流採樣器：所述第一採樣電阻器的第一端連接到所述訊號輸入端，並且所述第一採樣電阻器的第二端連接到所述開關控制器的第一端，所述第一採樣電阻器的第一端還連接到所述第一電流採樣器的負輸入端，所述第一採樣電阻器的第二端還連接到所述第一電流採樣器的正輸入端，所述第一電流採樣器的輸出端連接到所述第三跨導放大器的正輸入端； 其中，所述輸出電壓與所述輸入電流的關係如下式所示：
    Figure 109131728-A0305-02-0022-1
     其中，RFB1表示所述第一分壓電阻器的阻值、RFB2表示所述第二分壓電阻器的阻值、VREF0表示所述基準電壓、RBUF表示所述緩衝電阻器的阻值、gm3表示所述第三跨導放大器的跨導值、RSENSE1表示所述第一採樣電阻器的阻值、Acs1表示所述第一電流採樣器的增益、以及VREF3表示所述第三參考電壓。
  6. 如請求項4所述的開關變換器，其中，所述第二採樣單元包括第二採樣電阻器和第二電流採樣器：所述第二採樣電阻器的第一端連接到所述開關控制器的第二端，並且所述第二採樣電阻器的第二端連接到所述訊號輸出端，所述第二採樣電阻器的第一端還連接到所述第二電流採樣器的負輸入端，所述第二採樣電阻器的第二端還連接到所述第二電流採樣器的正輸入端，所述第二電流採樣器的輸出端連接到所述第二跨導放大器的正輸入端；其中，所述輸出電壓與所述輸出電流的關係如下式所示：
    Figure 109131728-A0305-02-0022-2
     其中，RFB1表示所述第一分壓電阻器的阻值、RFB2表示所述第二分壓電阻器的阻值、VREF0表示所述基準電壓、RBUF表示所述緩衝電阻器的阻值、gm2表示所述第二跨導放大器的跨導值、RSENSE2表示所述第二採樣電阻器的阻值，Acs2表示所述第二電流採樣器的增益、以及VREF2表示所述第二參考電壓。
  7. 如請求項4-6中任一項所述的開關變換器，其中，所述開關變換器包括以下任一者：降壓變換器、升壓變換器、以及升降壓變換器。
  8. 一種開關變換器的控制方法，包括： 通過對所述開關變換器的輸出電壓進行分壓得到第一回饋電壓；通過對所述開關變換器的輸出電流進行採樣得到第二回饋電壓；通過對所述開關變換器的輸入電流進行採樣得到第三回饋電壓；將所述第二回讀電壓與預設的第二參考電壓進行比較；將所述第三回饋電壓與預設的第三參考電壓進行比較；當所述第二回饋電壓小於所述第二參考電壓並且所述第三回饋電壓小於預設的第三參考電壓時，基於所述第一回饋電壓和預設的基準電壓生成控制電壓；當所述第二回饋電壓大於所述第二參考電壓並且所述第三回饋電壓小於預設的第三參考電壓時，基於所述第二回饋電壓和所述第二參考電壓生成第二電流，利用所述第二電流下拉所述基準電壓來得到第一參考電壓，基於所述第一回饋電壓和所述第一參考電壓生成所述控制電壓；或者當所述第二回饋電壓小於所述第二參考電壓並且所述第三回饋電壓大於預設的第三參考電壓時，基於所述第三回饋電壓和所述第三參考電壓生成第三電流，利用所述第三電流下拉所述基準電壓得到所述第一參考電壓，基於所述第一回饋電壓和所述第一參考電壓生成所述控制電壓；以及基於所述控制電壓實現對所述輸出電壓、所述輸出電流或所述輸入電流的控制。
  9. 如請求項8所述的控制方法，還包括：對所述控制電壓進行補償，並基於經補償的所述控制電壓對所述輸出電壓、所述輸出電流或所述輸入電流的控制。
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