CN102364855A - 开关变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了开关变换器及其控制电路和控制方法。通过缓冲电路将反馈电路与斜坡补偿电路分隔，避免了斜坡补偿电路的输出电流对反馈信号和输出信号造成影响，使开关变换器的输出信号保持稳定。

Description

开关变换器及其控制电路和控制方法
技术领域
本发明的实施例涉及电子电路，尤其涉及一种开关变换器及其控制电路和控制方法。
背景技术
恒定导通时间控制由于其优越的负载瞬态响应、简单的内部结构和平滑的工作模式切换，在电源领域得到了很好的应用。
图1为现有的恒定导通时间控制开关变换器的框图，包括导通时间控制电路101、比较电路102、逻辑电路103、开关电路104和反馈电路106。开关电路104包括至少一个开关管，通过该至少一个开关管的导通与关断将输入信号IN转换为输出信号OUT。导通时间控制电路101产生导通时间控制信号COT，以控制开关电路104中至少一个开关管的导通时间。反馈电路106电耦接至开关电路104的输出端，产生代表开关电路输出信号的反馈信号FB。比较电路102电耦接至反馈电路106的输出端，将反馈信号FB与参考信号VREF进行比较。逻辑电路103电耦接至导通时间控制电路101和比较电路102的输出端，根据导通时间控制信号COT和比较电路102的比较结果产生控制信号CTRL，以控制开关电路104中开关管的导通与关断。
当开关电路104中输出电容器的等效串联阻抗值较小时，输出信号OUT可能会产生次谐波振荡，造成开关变换器工作不稳定。为了防止该次谐波振荡的产生，开关变换器通常还包括斜坡补偿电路105。该斜坡补偿电路105产生斜坡补偿信号VSLOPE并将其提供至反馈电路106的输出端。比较电路102电耦接至反馈电路106和斜坡补偿电路105的输出端，将反馈信号FB和斜坡补偿信号VSLOPE的和值与参考信号VREF进行比较。
由于斜坡补偿电路105的输出端与反馈电路106的输出端电连接在一起，斜坡补偿电路105的输出电流会流入/流出反馈电路106，对反馈信号FB以及输出信号OUT造成影响，从而影响开关变换器的输出稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种输出稳定的开关变换器及其控制电路和控制方法。
根据本发明实施例的一种用于开关变换器的控制电路，该开关变换器包括开关电路，该开关电路包括至少一个开关管，该控制电路包括：导通时间控制电路，产生导通时间控制信号；斜坡补偿电路，产生斜坡补偿信号；缓冲电路，接收代表开关电路输出信号的反馈信号，产生缓冲信号；比较电路，电耦接至缓冲电路和斜坡补偿电路的输出端，将缓冲信号与斜坡补偿信号的和值同参考信号进行比较；以及逻辑电路，电耦接至导通时间控制电路和比较电路，根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果来控制所述至少一个开关管的导通与关断。
根据本发明实施例的一种开关变换器，包括：开关电路，包括至少一个开关管，通过该至少一个开关管的导通与关断将输入信号转换为输出信号；反馈电路，电耦接至开关电路的输出端，产生代表开关电路输出信号的反馈信号；以及如前所述的控制电路，电耦接至开关电路和反馈电路。
根据本发明实施例的一种用于开关变换器的控制方法，该开关变换器包括开关电路，该开关电路包括至少一个开关管，该控制方法包括：产生导通时间控制信号；通过缓冲电路对代表开关电路输出信号的反馈信号进行处理，产生缓冲信号；产生斜坡补偿信号；将缓冲信号和斜坡补偿信号的和值与参考信号进行比较；以及根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果来控制所述至少一个开关管的导通与关断。
根据本发明的实施例，通过缓冲电路将反馈电路与斜坡补偿电路分隔，避免了斜坡补偿电路的输出电流对反馈信号和输出信号造成影响，使开关变换器的输出信号保持稳定。
附图说明
图1为现有的恒定导通时间控制开关变换器的框图；
图2为根据本发明一实施例的开关变换器的框图；
图3为根据本发明一实施例的开关变换器的电路图；
图4为根据本发明一实施例的开关变换器的电路图；
图5为根据本发明一实施例的图4所示开关变换器的波形图；
图6为根据本发明一实施例的图4所示单位增益缓冲器的电路图；
图7为根据本发明另一实施例的图3所示斜坡补偿电路的电路图；
图8为根据本发明一实施例的图7所示斜坡补偿电路的波形图；
图9为根据本发明一实施例的用于开关变换器的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图2为根据本发明一实施例的开关变换器的框图，包括控制电路、开关电路204和反馈电路206。开关电路204包括至少一个开关管，通过该至少一个开关管的导通与关断将输入信号IN转换为输出信号OUT。输入信号IN和输出信号OUT可为电压、电流或功率信号。开关电路204可采用任何直流/直流和交流/直流变换拓扑结构，例如同步或非同步的升压、降压变换器，以及正激、反激变换器等等。反馈电路206电耦接至开关电路204的输出端，产生代表开关电路输出信号的反馈信号FB。反馈电路206可包括采样电阻器或电阻分压器等。
控制电路包括导通时间控制电路201、比较电路202、逻辑电路203、斜坡补偿电路205和缓冲电路207。导通时间控制电路201产生导通时间控制信号COT，以控制开关电路204中至少一个开关管的导通时间。缓冲电路207电耦接至反馈电路206，接收反馈信号FB，并产生缓冲信号BUFO。缓冲电路207的输入阻抗很大，所以不会影响反馈电路206的精度，同时其输出电压的波动不会对其输入电压造成影响。斜坡补偿电路205产生斜坡补偿信号VSLOPE，并将其提供至缓冲电路207的输出端。比较电路202电耦接至缓冲电路207和斜坡补偿电路205的输出端，将缓冲信号BUFO与斜坡补偿信号VSLOPE的和值与参考信号VREF进行比较。逻辑电路203电耦接至导通时间控制电路201和比较电路202的输出端，根据导通时间控制信号COT和比较电路202的比较结果产生控制信号CTRL，以控制开关电路204中开关管的导通与关断。
由于缓冲电路207电耦接在反馈电路206和斜坡补偿电路205之间，防止反馈信号FB受到斜坡补偿电路205输出电流的影响，从而保证了开关转换器的输出稳定性。
图3为根据本发明一实施例的开关变换器的电路图。开关电路304采用了同步降压变换拓扑，包括开关管M1、M2、电感器L和输出电容器COUT。开关电路304通过开关管M1和M2的导通与关断，将输入电压VIN转换为输出电压VOUT。开关管M1的一端接收输入电压VIN，另一端电耦接至开关管M2的一端。开关管M2的另一端接地。电感器L的一端电耦接至开关管M1和M2的连接端，输出电容器COUT电耦接在电感器L的另一端和地之间。输出电容器COUT两端的电压即为输出电压VOUT。
斜坡补偿电路305产生斜坡补偿信号VSLOPE，斜坡补偿信号VSLOPE充当了输出电容器COUT的等效串联阻抗的作用，是一个与电感电流IL的纹波同相且与之成比例的电压信号。在一个实施例中，斜坡补偿电路305包括电阻器R1和电容器C1。电阻器R1的一端电耦接至开关管M1和M2的连接端，另一端电耦接至电容器C1的一端，并提供斜坡补偿信号VSLOPE。电容器C1的另一端电耦接至电感器L和输出电容器COUT。
反馈电路306电耦接至开关电路304的输出端，接收输出电压VOUT，并产生反馈信号FB。在一个实施例中，反馈电路306包括由电阻器R2和R3组成的电阻分压器。缓冲电路307包括缓冲器BUF。缓冲器BUF的输入端电耦接至反馈电路306以接收反馈信号FB，输出端提供缓冲信号BUFO。缓冲器BUF可以为单位增益缓冲器，也可以为非单位增益的缓冲器。
比较电路302包括比较器COM1。比较器COM1的同相输入端接收参考信号VREF，反相输入端电耦接至斜坡补偿电路305和缓冲电路307的输出端，以接收缓冲信号BUFO与斜坡补偿信号VSLOPE的和值。
导通时间控制电路301产生导通时间控制信号COT，以控制开关管M1或M2的导通时间。逻辑电路303电耦接至导通时间控制电路201和比较电路202的输出端，根据导通时间控制信号COT和比较电路302的比较结果产生控制信号CTRL。图3所示开关变换器还包括驱动电路308。驱动电路308电耦接至逻辑电路303和开关管M1、M2的门极，接收控制信号CTRL，并产生驱动信号以驱动开关管M1和M2的导通与关断。
在一个实施例中，当缓冲信号BUFO与斜坡补偿信号VSLOPE的和值小于参考信号VREF时，逻辑电路303将开关管M1导通并将开关管M2关断。当开关管M1导通的时长达到导通时间控制电路301所设置的时长，逻辑电路303将开关管M1关断并将开关管M2导通。
图4为根据本发明一实施例的开关变换器的电路图，其中开关电路404、斜坡补偿电路405和反馈电路406与图3所示实施例中对应电路基本相同。缓冲电路407包括由运算放大器OP1构成的单位增益缓冲器BUF。运算放大器OP1的同相输入端作为缓冲器BUF的输入端，电耦接至反馈电路406以接收反馈信号FB，反相输入端与输出端电耦接在一起，作为缓冲器BUF的输出端。
在一个实施例中，缓冲电路407的输出阻抗等于反馈电路406的输出阻抗，从而使得叠加至缓冲信号BUFO上的斜坡补偿信号VSLOPE如同直接叠加至反馈信号FB上一样。在一个实施例中，缓冲电路407还包括与缓冲器BUF串联的电阻器R0。电阻器R0的一端电连接至运算放大器OP1的输出端，另一端电连接至比较器COM1的反相输入端以提供缓冲信号BUFO。该电阻器R0的电阻值等于反馈电路306的输出阻抗，例如R2*R3/R2+R3。
导通时间控制电路401包括开关管MP1、MP2、MN1～MN3、运算放大器OP3、电阻器R4、比较器COM2和非门NOT1。电阻器R4的一端接收输入电压VIN，另一端电连接至运算放大器OP3的同相输入端和开关管MN1的漏极。运算放大器OP3的反向输入端接收偏置电压VBIAS，输出端电连接至开关管MN1和MN2的栅极。开关管MN1和MN2的源极接地。开关管MP1和MP2的源极接收输入电压VIN，栅极电连接在一起并电连接至开关管MP1和MN2的漏极。开关管MP2的漏极电连接至开关管MN3的漏极和电容器C2的一端。开关管MN3的源极和电容器C2的另一端接地。非门NOT1的输入端电耦接至逻辑电路403以接收控制信号CTRL，输出端电连接至开关管MN3的栅极。比较器COM2的同相输入端电连接至开关管MN3的漏极和电容器C2，反向输入端接收阈值电压VTH，输出端提供导通时间控制信号COT。
开关管MN1和MN2构成电流镜，开关管MP1和MP2也构成电流镜。假设开关管MN1和MN2宽长比的比值为1∶n，开关管MP1和MP2宽长比的比值为1∶m，其中n和m为大于零的常数。则流过开关管MN1的电流值为(VIN-VBIAS)/R4，流过开关管MP2的电流值为n*m*(VIN-VBIAS)/R4。在一个实施例中，阈值电压VTH等于输出电压VOUT。
逻辑电路403包括RS触发器FF。触发器FF的复位端电耦接至导通时间控制电路401的输出端，置位端电耦接至比较器COM1的输出端，同相输出端提供控制信号CTRL。驱动电路308包括驱动器DRV，接收控制信号CTRL，并产生驱动信号以驱动开关管M1和M2的导通与关断。
在某些应用场合，输出电容器COUT的等效串联阻抗可能会在输出电压VOUT和参考信号VREF之间引入一定的直流误差。为了解决这个问题，在一个实施例中，图4所示开关变换器还包括误差补偿环节。该误差补偿环节包括运算放大器OP2和加法器SUM。运算放大器OP2的同相输入端接收参考信号VREF，反相输入端电耦接至反馈电路406以接收反馈信号FB。加法器SUM的一个输入端接收参考信号VREF，另一个输入端电耦接至运算放大器OP2的输出端，输出端电耦接至比较电路402以提供参考信号VREFX。
图5为根据本发明一实施例的图4所示开关变换器的波形图。当开关管M1导通而开关管M2关断时，流过电感L的电流IL逐渐增大，缓冲信号BUFO和斜坡补偿信号VSLOPE的和值也逐渐增大。此时开关管MN3被关断，流过开关管MP2的电流对电容器C2进行充电。当电容器C2两端的电压增大至大于(或大于等于)阈值VTH时，比较器COM2的输出信号，即导通时间控制信号COT由低电平变为高电平。触发器FF被复位，开关管M1被关断，开关管M2被导通，开关管MN3也被导通，电容器C2两端的电压被迅速放电至零。流过电感L的电流IL逐渐减小，缓冲信号BUFO和斜坡补偿信号VSLOPE的和值也逐渐减小。当缓冲信号BUFO和斜坡补偿信号VSLOPE的和值减小至小于(或小于等于)参考信号VREFX时，触发器FF被置位，开关管M1被导通，开关管M2和MN3被关断。以上过程不断重复，以实现对输出电压VOUT的调节。
在一个实施例中，控制电路还包括电流源I1，电连接在斜坡补偿电路405的输出端和地之间。该电流源I1用作平衡斜坡补偿电路405的直流输出电流，以减小比较器COM1反相输入端的电压，即缓冲信号BUFO和斜坡补偿信号VSLOPE的和值，在开关周期中的波动。在一个实施例中，电流源I1的电流值为(VOUT-FB)/R1。
在一个实施例中，控制电路还包括电容器C3，电耦接在开关电路404的输出端和反馈电路406的输出端之间，以提供从输出电压VOUT到反馈信号FB的前馈功能。
在一个实施例中，为了避免噪声干扰等原因对比较电路402造成影响，导致开关管M1刚被关断，立刻又被导通，控制电路还包括最小关断时间电路409。该最小关断时间电路408在最小关断时长内将比较电路402的输出信号屏蔽。在一个实施例中，逻辑电路403还包括与门AND1。该与门AND1的两个输入端分别电连接至比较电路402和最小关断时间电路408的输出端，输出端电连接至触发器FF的置位端。
在一个实施例中，逻辑电路403还包括非门NOT2以及与门AND2。非门NOT2的输入端电连接至与门AND1的输出端。与门AND2的两个输入端分别电连接至导通时间控制电路401和非门NOT2的输出端，输出端电连接至触发器FF的复位端。当缓冲信号BUFO和斜坡补偿信号VSLOPE的和值小于(或小于等于)参考信号VREF时，导通时间控制信号COT被屏蔽，开关管M1持续导通而开关管M2持续关断。这使得开关变换器能在负载电流正跳变时提供很好的负载响应。
图6为根据本发明一实施例的图4所示单位增益缓冲器BUF的电路图，包括开关管MP3～MP6、MN4、MN5，以及电流源I2，其连接如图所示。开关管MP5的栅极构成缓冲器BUF的输入端，接收反馈信号FB。开关管MP6的栅极和漏极电连接在一起，构成缓冲器BUF的输出端，输出缓冲信号BUFO。
图7为根据本发明另一实施例的图3所示斜坡补偿电路305的电路图，包括单稳态触发电路710、开关管S1、S2、电流源I3、I4以及电容器C4。开关管S1的一端电耦接至电流源I3，另一端电耦接至开关管S2、电容器C4和电流源I4的一端。开关管S2、电容器C4和电流源I4的另一端接地。开关管S1的门极和单稳态触发电路709的输入端电耦接至逻辑电路303以接收控制信号CTRL，单稳态触发电路709的输出端电耦接至开关管S2的门极。电流源I3的电流值正比于输入电压VIN，电流源I4的电流值正比于输出电压VOUT。电容器C4两端的电压即为斜坡补偿信号VSLOPE。
图8为根据本发明一实施例的图7所示斜坡补偿电路的波形图。当控制信号CTRL由低电平变为高电平时，单稳态触发电路710产生一脉冲信号。该脉冲信号将开关管S2导通一预设时间，使电容器C4两端的电压下降至零，然后将开关管S2关断。当控制信号CTRL为高电平时，开关管S1导通。在开关管S2关断的情况下，电流源I3对电容器C4充电。流过电容器C4的电流IC4的电流值为I3-I4，斜坡补偿信号VSLOPE逐渐增大。当控制信号为低电平时，开关管S1关断，电流源I3停止对电容器C4充电。流过电容器C4电流IC4的电流值为-I4，斜坡补偿信号VSLOPE逐渐减小。以上过程不断重复。
图9为根据本发明一实施例的用于开关变换器的控制方法的流程图，该开关变换器包括开关电路，该开关电路包括至少一个开关管。该控制方法包括步骤921～925。
在步骤921，产生导通时间控制信号。
在步骤922，通过缓冲电路接收代表开关电路输出信号的反馈信号，产生缓冲信号。
在步骤923，产生斜坡补偿信号。
在步骤924，将缓冲信号和斜坡补偿信号的和值与参考信号进行比较。
在步骤925，根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果来控制开关电路中至少一个开关管的导通与关断。
在一个实施例中，该缓冲电路包括缓冲器，该缓冲器可以为单位增益缓冲器，也可为非单位增益缓冲器。在一个实施例中，该缓冲器包括运算放大器，该运算放大器的同相输入端作为缓冲器的输入端，该运算放大器的反相输入端与输出端电耦接在一起，作为缓冲器的输出端。在一个实施例中，缓冲电路还包括与缓冲器串联的电阻器。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种用于开关变换器的控制电路，该开关变换器包括开关电路，该开关电路包括至少一个开关管，该控制电路包括：
导通时间控制电路，产生导通时间控制信号；
斜坡补偿电路，产生斜坡补偿信号；
缓冲电路，接收代表开关电路输出信号的反馈信号，产生缓冲信号；
比较电路，电耦接至缓冲电路和斜坡补偿电路的输出端，将缓冲信号与斜坡补偿信号的和值同参考信号进行比较；以及
逻辑电路，电耦接至导通时间控制电路和比较电路，根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果来控制所述至少一个开关管的导通与关断。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中所述缓冲电路包括缓冲器。
3.如权利要求2所述的控制电路，其中所述缓冲电路还包括与缓冲器串联的电阻器。
4.如权利要求2所述的控制电路，其中所述缓冲器包括运算放大器，该运算放大器的同相输入端作为缓冲器的输入端，该运算放大器的反相输入端与输出端电耦接在一起，作为缓冲器的输出端。
5.如权利要求1所述的控制电路，还包括第一电流源，电耦接在所述斜坡补偿电路的输出端和地之间。
6.如权利要求1所述的控制电路，还包括误差补偿环节，电耦接至缓冲电路的输入端，为比较电路提供参考信号。
7.一种开关变换器，包括：
开关电路，包括至少一个开关管，通过该至少一个开关管的导通与关断将输入信号转换为输出信号；
反馈电路，电耦接至开关电路的输出端，产生代表开关电路输出信号的反馈信号；以及
如权利要求1至6中任一项所述的控制电路，电耦接至开关电路和反馈电路。
8.如权利要求7所述的开关变换器，其中所述开关电路包括：
第一开关管，具有第一端、第二端和第三端，其中第一端接收输入信号，第三端电耦接至所述逻辑电路；
第二开关管，具有第一端、第二端和第三端，其中第一端电耦接至第一开关管的第二端，第二端接地，第三端电耦接至所述逻辑电路；
电感器，具有第一端和第二端，其中第一端电耦接至第一开关管的第二端和第二开关管的第一端；以及
输出电容器，电耦接在电感器的第二端和地之间：
所述斜坡补偿电路包括：
第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端电耦接至第一开关管的第二端和第二开关管的第一端；以及
第一电容器，具有第一端和第二端，其中第一端电耦接至第一电阻器的第二端和所述比较电路，第二端电耦接至电感器的第二端。
9.如权利要求7所述的开关变换器，还包括第二电容器，电耦接在开关电路的输出端和缓冲电路的输入端之间。
10.一种用于开关变换器的控制方法，该开关变换器包括开关电路，该开关电路包括至少一个开关管，该控制方法包括：
产生导通时间控制信号；
通过缓冲电路接收代表开关电路输出信号的反馈信号，产生缓冲信号；
产生斜坡补偿信号；
将缓冲信号和斜坡补偿信号的和值与参考信号进行比较；以及
根据导通时间控制信号和比较电路的比较结果来控制所述至少一个开关管的导通与关断。
11.如权利要求10所述的控制方法，其中所述缓冲电路包括缓冲器。
12.如权利要求11所述的控制方法，其中所述缓冲电路还包括与缓冲器串联的电阻器。
13.如权利要求11所述的控制方法，其中所述缓冲器包括运算放大器，该运算放大器的同相输入端作为缓冲器的输入端，该运算放大器的反相输入端与输出端电耦接在一起，作为缓冲器的输出端。
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