CN105429455B - 直流变换器及其控制电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种直流变换器及其控制电路和方法。所述直流变换器，包括：功率开关电路，接收输入电压，提供输出电压；暂态反应单元，接收表征流过功率开关电路的电流的采样信号，产生暂态电流信号；比较电路，接收参考电压、表征输出电压的反馈电压、斜坡补偿信号和瞬态电流信号，产生置位信号；逻辑控制电路，接收置位信号，产生开关控制信号，用以控制功率开关电路的运行。所述直流变换器消除了***暂态过程中输出电压的过冲。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种直流变换器及其控制电路和方法。
背景技术
大多数电子产品如笔记本电脑、台式电脑、PDA等，需要直流(DC)电源向各个功能模块提供经过调节的功率。采用恒定导通时间控制(constant on time，COT)的直流变换器具有瞬态响应速度快、结构简单等优点，在上述领域得到了广泛的应用。COT直流变换器通常需要斜坡补偿，以稳定输出电压。
在现有技术中，斜坡补偿信号具有固定的斜率。在变换器的主功率开关导通时，斜坡补偿信号被复位为零，随后以固定斜率上升；当输出电压降至斜坡补偿信号和参考电压之和时，斜坡信号被重新复位为零。如此周而复始地变化。
然而，当负载跳变时，输出电压将急剧下降，并在短时间内下降至参考电压之下。图1示出了采用现有斜坡补偿技术的直流变换器在负载突然跳变为重载时的时序波形图(电感电流IL、开关控制信号PWM、输出电压VO、斜坡信号VSL、参考电压VREF、输出电流IO)。如图1所示，此时斜坡信号VSL短时间内被多次复位为零，开关控制信号PWM产生一系列脉冲。该一系列脉冲使电感电流IL急剧上升，从而当输出电压VO开始稳住该负载跳变时，电感上存储的能量将大于实际所需。该多余的能量在输出电流IO平衡后将给输出电容充电，使得输出电压VO被泵高，产生过冲现象。在某些最坏的情况下，甚至产生输出电压回振(ring back)。
发明内容
因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种改进的直流变换器及其控制电路和方法。
根据本发明的实施例，提出了一种直流变换器，包括：输入端口，接收输入电压；输出端口，提供输出电压；功率开关电路，耦接在输入端口和输出端口之间；暂态反应单元，接收表征流过功率开关电路的电流的采样信号，产生暂态电流信号；比较电路，接收参考电压、表征输出电压的反馈电压、斜坡补偿信号和瞬态电流信号，产生置位信号；逻辑控制电路，接收置位信号，产生开关控制信号，用以控制功率开关电路的运行。
根据本发明的实施例，还提出了一种用于直流变换器的控制电路，所述直流变换器包括功率开关电路，接收输入电压、提供输出电压，所述控制电路包括：电阻，具有第一端和第二端，其第一端接收表征流过功率开关电路的电流的采样信号；电容，耦接在电阻的第二端和参考地之间，所述电容两端电压为稳态电流信号；比较电路，接收参考电压、表征输出电压的反馈电压、斜坡补偿信号、采样信号和稳态电流信号，产生置位信号；逻辑控制电路，接收置位信号，产生开关控制信号，用以控制功率开关电路的运行。
根据本发明的实施例，还提出了一种直流变换方法，用于直流变换器，所述直流变换器包括功率开关电路，接收输入电压、产生输出电压，所述方法包括：提供表征输出电压的反馈电压、表征流过功率开关电路的电流的采样信号；当所述直流变换器处于稳态时，比较斜坡信号和参考电压两者之和与反馈电压的大小，并基于比较结果产生置位信号；当所述直流变换器处于暂态时，产生表征采样信号暂态信息的暂态电流信号，比较斜坡信号和参考电压两者之和与反馈电压和暂态电流信号两者之和的大小，并基于比较结果产生置位信号；响应置位信号产生开关控制信号，用以控制功率开关电路的运行。
根据本发明各方面的上述直流变换器及其控制电路和方法，消除了***暂态过程中输出电压的过冲，保证了***的稳定性。
附图说明
图1示出了采用现有斜坡补偿技术的直流变换器在负载突然跳变为重载时的时序波形图；
图2示出了根据本发明实施例的直流变换器100的电路结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例的图2所示直流变换器100中暂态反应单元104的电路结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例的图2所示直流变换器100中暂态反应单元104的电路结构示意图；
图5示出了根据本发明实施例的图2所示直流变换器100中比较电路105的电路结构示意图；
图6示出了根据本发明实施例的直流变换器200的电路结构示意图；
图7示出了根据本发明实施例的图6所示直流变换器200中比较电路105的电路结构示意图；
图8示出了根据本发明实施例的直流变换器中功率开关电路103的电路结构示意图；
图9示意性示出了根据本发明实施例的用于直流变换器的方法流程图300。
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，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦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“直接耦接到”或“直接连接到”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示出了根据本发明实施例的直流变换器100的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述直流变换器100包括：输入端口101，接收输入电压Vin；输出端口102，提供输出电压VO；功率开关电路103，耦接在输入端口101和输出端口102之间；控制电路，提供开关控制信号PWM，用以控制功率开关电路103的运行，所述控制电路包括：暂态反应单元104，接收表征流过功率开关电路103的电流的采样信号ICS，产生暂态电流信号Vtra；比较电路105，接收参考电压VREF、表征输出电压VO的反馈电压VFB、斜坡补偿信号VSL和瞬态电流信号Vtra，产生置位信号S；逻辑控制电路106，接收置位信号S，产生所述开关控制信号PWM，用以控制功率开关电路103的运行；其中当输出电压VO与瞬态电流信号Vtra之和小于参考电压VREF与斜坡信号VSL之和时，即
VO+Vtra＜VRFF+VSL (1)
所述置位信号S触发所述开关控制信号PWM。
在一个实施例中，所述采样信号ICS可以是电流信号；也可以是电压信号(如电流流经一采样电阻，从而在该采样电阻两端产生相应的电压降)，此时采样信号可以表示为VCS。为了表述统一，这里统一将采样信号表示为ICS。
在一个实施例中，所述暂态反应单元104接收采样信号ICS，输出反映采样信号ICS暂态信息的暂态电流信号Vtra。
在负载变化(如负载跳变为重载)时，输出电压VO减小，则开关控制信号PWM的脉冲频率变大，流过功率开关电路103的电流增大，即采样信号ICS变大，暂态电流信号Vtra也变大。因此，根据等式(1)，此时输出电压VO的变化变缓，置位信号S延迟触发开关控制信号PWM，使得开关控制信号PWM相比于现有技术，其脉冲数有所减少。因此，负载跳变过程中存储在电感上的能量减少，过冲现象被消除，***稳定性得到了保障。
图3示出了根据本发明实施例的图2所示直流变换器100中暂态反应单元104的电路结构示意图。在图3所示实施例中，所述暂态反应单元104包括：电阻41，具有第一端子和第二端子，其第一端子接收采样信号ICS；电容42，耦接在电阻41的第二端子和参考地之间；运算放大器43，跨接在电阻41的两端，接收电阻41两端的电压，输出暂态电流信号Vtra。
在***运行时，如果出现负载跳变(如跳变为重载)，则采样信号ICS增大，电阻41两端的电压也增大，即暂态电流信号Vtra变大。根据等式(1)，相比于现有技术此时输出电压VO的变化变缓，置位信号S延迟触发开关控制信号PWM，使得开关控制信号PWM，其脉冲数有所减少。因此，负载跳变过程中存储在电感上的能量减少，过冲现象被消除。而在稳态时，由于电容42的存在，电阻41两端电压的平均值为零。因此，暂态反应单元104提供的暂态电流信号Vtra反映了采样信号ICS的暂态信息，也就是说，暂态电流信号Vtra反映了流过功率开关电路103的电流的暂态信息(交流信息)。
图4示出了根据本发明实施例的图2所示直流变换器100中暂态反应单元104的电路结构示意图。图4所示实施例与图3所示实施例相似，与图3所示实施例不同的是，在图4所示实施例中，所述暂态反应单元104还包括：电流-电压转器44，所述电阻41经由电流-电压转换器44接收采样信号ICS。当采样信号ICS为电流信号时，所述电流-电压转换器44将该电流形式转化为电压形式，输送至电阻41的第一端。
图5示出了根据本发明实施例的图2所示直流变换器100中比较电路105的电路结构示意图。在图5所示实施例中，所述比较电路105包括：比较器51，具有第一输入端、第二输入端和输出端；第一加法器52，接收暂态电流信号Vtra和反馈电压VFB，对暂态电流信号Vtra和反馈电压VFB执行相加运算后将结果输送至比较器51的第一输入端；第二加法器53，接收参考电压VREF和斜坡信号VSL，对参考电压VREF和斜坡信号VSL执行相加运算后将结果输送至比较器51的第二输入端；其中，所述比较器51比较其第一输入端和第二输入端的大小，产生置位信号S。
图6示出了根据本发明实施例的直流变换器200的电路结构示意图。在图6所示实施例中，所述直流变换器200包括：输入端口101，接收输入电压Vin；输出端口102，提供输出电压VO；功率开关电路103，耦接在输入端口101和输出端口102之间；控制电路，提供开关控制信号PWM，用以控制功率开关电路103的运行，所述控制电路包括：电阻41，具有第一端和第二端，其第一端接收表征流过功率开关电路103的电流的采样信号ICS；电容42，耦接在电阻41的第二端和参考地之间，所述电容42两端电压为稳态电流信号Vste；比较电路105，接收参考电压VREF、表征输出电压VO的反馈电压VFB、斜坡补偿信号VSL、采样信号ICS和稳态电流信号Vste，产生置位信号S；逻辑控制电路106，接收置位信号S，产生所述开关控制信号PWM，用以控制功率开关电路103的运行。
在一个实施例中，当采样信号ICS为电流形式时，直流变换器200还包括如图4所示的电流-电压转换器，所述电阻41经由电流-电压转换器接收采样信号ICS。
图7示出了根据本发明实施例的图6所示直流变换器200中比较电路105的电路结构示意图。在图7所示实施例中，所述比较电路105包括：比较器51，具有第一输入端、第二输入端和输出端；第一加法器52，接收采样信号ICS和反馈电压VFB，对采样信号ICS和反馈电压VFB执行相加运算后将结果输送至比较器51的第一输入端；第二加法器53，接收参考电压VREF、斜坡信号VSL和稳态电流信号Vste，对三者执行相加运算后将结果输送至比较器51的第二输入端；其中，所述比较器51比较其第一输入端和第二输入端的大小，产生所述置位信号S。
在直流变换器200运行时，稳态情况下，采样信号ICS一方面经由第一加法器51输送至比较器53的第一输入端，另一方面经由电阻41、电容42和第二加法器42输送至比较器53的第二输入端。因此，在稳态情况下，采样信号ICS被比较器53抵消。而在暂态下，如负载突然跳变为重载时，采样信号ICS增大，而由于电容42的存在，电阻41第二端的电势(即稳态电流信号Vste)不能突变，因此采样信号ICS的暂态信息被传送至比较器53的第一输入端。因此，相比于现有技术此时输出电压VO的变化变缓，置位信号S延迟触发开关控制信号PWM，使得开关控制信号PWM，其脉冲数有所减少。负载跳变过程中存储在电感上的能量减少，过冲现象被消除。
图8示出了根据本发明实施例的直流变换器中功率开关电路103的电路结构示意图。在图8所示实施例中，所述功率开关电路103包括典型的buck电路，即包括：上拉功率开关31、下拉功率开关32、电感33和输出电容34，其结构为本领域技术人员所熟知，为叙述简明，不再详述。
图9示意性示出了根据本发明实施例的用于直流变换器的方法流程图300，所述直流变换器包括功率开关电路，接收输入电压、产生输出电压。
步骤301，提供表征输出电压的反馈电压、表征流过功率开关电路的电流的采样信号；
步骤302，判断所述直流变换器是否处于稳态：如果直流变换器处于稳态，进入步骤303；如果直流变换器处于暂态，则进入步骤305
步骤303，比较斜坡信号VSL和参考电压VREF两者之和(VSL+VRFF)与反馈电压VFB的大小，并基于比较结果产生置位信号；
步骤304，产生表征采样信号暂态信息的暂态电流信号Vtra；
步骤305，比较斜坡信号VSL和参考电压VRFF两者之和(VSL+VRFF)与反馈电压VFB和暂态电流信号Vtra两者之和(VFB+Vtra)的大小，并基于比较结果产生置位信号；
步骤306，响应置位信号产生开关控制信号，用以控制功率开关电路的运行。
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 (8)
1.一种直流变换器，包括：
输入端口，接收输入电压；
输出端口，提供输出电压；
功率开关电路，耦接在输入端口和输出端口之间；
暂态反应单元，接收表征流过功率开关电路的电流的采样信号，产生暂态电流信号，所述暂态反应单元包括：电阻和电容，串联耦接在采样信号和参考地之间，运算放大器，跨接在电阻的两端，接收电阻两端的电压，输出所述暂态电流信号；
比较电路，接收参考电压、表征输出电压的反馈电压、斜坡信号和暂态电流信号，所述比较电路比较：①暂态电流信号和反馈电压之和，与②参考电压和斜坡信号之和，产生置位信号；
逻辑控制电路，接收置位信号，产生开关控制信号，用以控制功率开关电路的运行。
2.如权利要求1所述的直流变换器，其中：
所述电阻具有第一端子和第二端子，其第一端子接收采样信号；
所述电容耦接在电阻的第二端子和参考地之间。
3.如权利要求2所述的直流变换器，其中所述暂态反应单元还包括：
电流-电压转换器，所述电阻经由电流-电压转换器接收采样信号。
4.如权利要求1所述的直流变换器，其中所述比较电路包括：
比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端；
第一加法器，接收暂态电流信号和反馈电压，对暂态电流信号和反馈电压执行相加运算后将结果输送至比较器的第一输入端；
第二加法器，接收参考电压和斜坡信号，对参考电压和斜坡信号执行相加运算后将结果输送至比较器的第二输入端；其中，所述比较器比较其第一输入端和第二输入端的大小，产生置位信号。
5.一种用于直流变换器的控制电路，所述直流变换器包括功率开关电路，接收输入电压、提供输出电压，所述控制电路包括：
电阻，具有第一端和第二端，其第一端接收表征流过功率开关电路的电流的采样信号；
电容，耦接在电阻的第二端和参考地之间，所述电容两端电压为稳态电流信号；
比较电路，接收参考电压、表征输出电压的反馈电压、斜坡信号、采样信号和稳态电流信号，所述比较电路比较：①采样信号和反馈电压两者之和，与②参考电压、稳态电流信号和斜坡信号三者之和，产生置位信号；
逻辑控制电路，接收置位信号，产生开关控制信号，用以控制功率开关电路的运行。
6.如权利要求5所述的控制电路，其中所述比较电路包括：
比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端；
第一加法器，接收采样信号和反馈电压，对采样信号和反馈电压执行相加运算后将结果输送至比较器的第一输入端；
第二加法器，接收参考电压、斜坡信号和稳态电流信号，对三者执行相加运算后将结果输送至比较器的第二输入端；其中，所述比较器比较其第一输入端和第二输入端的大小，产生所述置位信号。
7.如权利要求5所述的控制电路，还包括：
电流-电压转换器，所述电阻经由电流-电压转换器接收采样信号。
8.一种直流变换方法，用于直流变换器，所述直流变换器包括功率开关电路，接收输入电压、产生输出电压，所述方法包括：
提供表征输出电压的反馈电压、表征流过功率开关电路的电流的采样信号；
当所述直流变换器处于稳态时，比较斜坡信号和参考电压两者之和与反馈电压的大小，并基于比较结果产生置位信号；当所述直流变换器处于暂态时，产生表征采样信号暂态信息的暂态电流信号，比较斜坡信号和参考电压两者之和与反馈电压和暂态电流信号两者之和的大小，并基于比较结果产生置位信号；
响应置位信号产生开关控制信号，用以控制功率开关电路的运行。
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