CN108448880A - 一种导通时间控制装置及降压式变换器 - Google Patents

一种导通时间控制装置及降压式变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子技术领域，公开了一种导通时间控制装置及降压式变换器。导通时间控制装置包括：充放电模块、比较模块以及充放电控制模块；充放电模块根据***输入电压以及***输出电压进行充放电，并将充放电后的电压输出至比较模块；比较模块根据充放电模块输出的电压与第一门限电压以及第二门限电压之间的关系向充放电控制模块输入信号；充放电控制模块根据输入的信号以控制充放电模块启动充电过程，或者，以控制所述充放电模块关闭充电过程。使得导通时间的控制能自适应的随输入电压和输出电压变化而变化，使得能够得到在输入电压变化时，所需输出电压不变化的目的。

Description

一种导通时间控制装置及降压式变换器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种导通时间控制装置及降压式变换器。
背景技术
Buck变换器，也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的非隔离直流变换器。
发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术的BUCK电路中采用恒定导通时间架构，即主要采用固定的恒定导通时间模块控制一个开关周期的开启时间。图1所示为BUCK电路10的主要工作原理示意图，描述如下：
电阻分压检测模块102将VOUT等比例降压为VFB；迟滞比较器104将VFB与基准电压模块(REF)101输出的基准电压VREF比较，当VFB低于VREF电压时，迟滞比较器104输出为高电平信号，该高电平信号控制RS控制模块106输出高电平信号，RS控制模块输出的高电平信号经过功率驱动模块107后，使得输出控制模块105中的上边管导通，下边管断开，从而开启一个开关周期，通过上边管的导通，***电源电压VIN传输电流给电感L储能，同时为输出电容COUT充电，为输出负载ROUT提供负载电流。该阶段中，恒定导通时间(Constant on Time，COT)模块103在迟滞比较器104输出的高电平信号的触发下开始计时，计时达到预置的恒定导通时间后，COT模块103输出高电平信号，该高电平信号控制RS控制模块106，使得输出控制模块105的上边管断开，下边管导通。通过电感L和输出电容COUT放电，满足负载ROUT上的负载电流要求。
一个完整的开关周期包括以上两个阶段：上边管导通和上边管断开。由于受控于COT模块103控制，上边管导通时间为COT模块103的计时时长，即固定不变，在不同的VIN的条件下，VOUT的上峰值不固定，但是VOUT的下降峰值由VFB和VREF的比较结果决定，因此是固定值。VOUT的上升峰值不固定，但是下降峰值固定，会造成VOUT平均值随VIN的变化有偏差。
可见，现有的BUCK电路适用于输入电压和输出电压较为固定且对输出电压精度要求不高的应用中，在较为固定的输入电压和输出电压情况下固定一个导通时间，即使输入电压有小的偏差，引起输出电压的偏差也可以接受。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导通时间控制装置及降压式变换器，能够使得导通时间的控制精度不受输入电压和输出电压变化的影响，使得BUCK电路的开关周期控制能够受控于输入电压和输出电压变化自适应的进行调节，进而达到所需输出电压不受输入电压变化而变化的目的。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种导通时间控制装置，包括：充放电模块、比较模块以及充放电控制模块；所述充放电模块根据***输入电压充电，以及根据***输出电压放电，并将充放电后的电压输出至所述比较模块；所述比较模块若确定所述充放电模块输出的电压低于第一门限电压，则通过第一输出端输出第一控制信号至所述充放电控制模块的第一输入端，若确定所述充放电模块输出的电压高于第二门限电压，则通过第二输出端输出第二控制信号至所述充放电控制模块的第二输入端，其中所述第一门限电压低于所述第二门限电压；所述充放电控制模块根据所述第一控制信号在第一输出端输出第一充电信号至所述充放电模块，以控制所述充放电模块启动充电过程，或者，根据所述第二控制信号在第一输出端输出第二充电信号至所述充放电模块，以控制所述充放电模块关闭充电过程。
本发明的实施方式还提供了一种降压式变换器，包括上述实施例所提供的导通时间控制装置。
相对于现有技术而言，本实施例所提供的导通时间控制装置中，充放电模块根据***输入电压以及***输出电压进行充放电，并将充放电后的电压输出至比较模块；比较模块根据充放电模块输出的电压与第一门限电压以及第二门限电压之间的关系向充放电控制模块输入信号；充放电控制模块根据输入的信号以控制充放电模块启动充电过程，或者，以控制所述充放电模块关闭充电过程。导通时间控制装置能够根据预设的第一门限电压以及第二门限电压控制导通时间，使得导通时间自适应的根据***输入电压以及***输出电压变化而变化，使得能够达到在***输入电压变化的情况下，所需输出电压不变化的目的。
另外，所述充放电模块包括充电子模块、放电子模块以及电容；充电子模块根据***输入电压确定电容的充电电流，采用充电电流对电容充电；放电子模块根据***输出电压确定电容的放电电流，采用放电电流对电容放电。该实施方式中，通过采用***输入电压对电容充电，以及采用***输出电压对电容放电，从而使得能够根据电容充放电过程反映***输入电压以及***输出电压的变化。
另外，还包括电压钳位模块；所述充放电控制模块确定通过第三输入端输入的信号为低电平，且确定通过第一输入端输入的所述第一控制信号为高电平，则在第二输出端输出钳位控制信号，以启动所述电压钳位模块，由所述电压钳位模块钳位所述充放电模块输出的电压。该实施方式可以有效防止充放电控制模块在第三输入端输出的信号为低电平、第一输入端输入的信号为高电平的情况下，充放电模块继续放电，使得充放电模块输出的电压不低于第一门限电压，达到防止导通时间的周期变化异常的目的。
另外，所述充放电控制模块确定通过第三输入端输入的信号为高电平，且确定通过第一输入端输入的所述第一控制信号为低电平，则在第三输出端输出放电控制信号，以控制所述充放电模块增大放电电流。该实施方式能够在充放电控制模块的第三输入端输入的信号先于第一输入端输入的信号变高的情况下，加快放电过程以迅速将输出电压拉低，使得第一输入端输入的信号变为高电平，以避免充放电模块输出的电压的下降时间过长所导致的导通时间的周期异常。
另外，所述充放电控制模块的第一输出端连接所述充电子模块的控制端。该实施方式能够使得充放电控制模块的第一输出端控制充电子模块的开启或关闭。
另外，所述充放电控制模块的第三输出端连接所述放电子模块的控制端。该实施方式能够使得充放电控制模块的第三输出端控制放电子模块的控制端，以调节放电子模块的放电过程所需的时长。
附图说明
图1是现有的BUCK电路工作原理示意图；
图2是本发明实施例中导通时间控制装置的结构示意图；
图3是本发明实施例中另一导通时间控制装置的结构示意图；
图4是本发明实施例中另一导通时间控制装置的结构示意图；
图5是本发明实施例中另一导通时间控制装置的结构示意图；
图6是本发明实施例中另一导通时间控制装置的结构示意图；
图7是本发明实施例中降压式变换器的结构示意图；
图8是本发明实施例中另一降压式变换器的结构示意图；
图9是本发明实施例中BUCK电路的工作原理示意图；
图10是本发明实施例中另一导通时间控制装置的结构示意图；
图11是本发明实施例中电容C1的输出电压波形示意图；、
图12是本发明实施例中钳位机制中各信号波形示意图；
图13是本发明实施例中快速放电机制中各信号波形示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种导通时间控制装置，该导通时间控制装置的具体结构如图2所示。该导通时间控制装置20主要包括充放电模块201、比较模块202以及充放电控制模块203。
其中，充放电模块201的输出端连接比较模块202的输入端2021，比较模块202的第一输出端2022连接充放电控制模块203的第一输入端，比较模块202的第二输出端2023连接充放电控制模块203的第二输入端，充放电控制模块203的第一输出端连接充放电模块201的控制端。
具体地，充放电模块201根据***输入电压充电，以及根据***输出电压放电，并将充放电后的电压输出至比较模块202。比较模块202若确定充放电模块201输出的电压低于第一门限电压，则通过第一输出端2022输出第一控制信号至充放电控制模块203的第一输入端2031，若确定充放电模块201输出的电压高于第二门限电压，则通过第二输出端2023输出第二控制信号至充放电控制模块203的第二输入端2032，其中第一门限电压低于第二门限电压。充放电控制模块203根据第一控制信号在第一输出端2033输出第一充电信号至充放电模块201，以控制充放电模块201启动充电过程，或者，根据第二控制信号在第一输出端2033输出第二充电信号至充放电模块201，以控制充放电模块201关闭充电过程。
相对于现有技术而言，本实施例所提供的导通时间控制装置中，充放电模块根据***输入电压以及***输出电压进行充放电，并将充放电后的电压输出至比较模块；比较模块根据充放电模块输出的电压与第一门限电压以及第二门限电压之间的关系向充放电控制模块输入信号；充放电控制模块根据输入的信号以控制充放电模块启动充电过程，或者，以控制所述充放电模块关闭充电过程。导通时间控制装置能够根据预设的第一门限电压以及第二门限电压控制导通时间，使得导通时间受***输入电压以及***输出电压变化的影响而变化，使得能够在***输入电压变化的情况下得到所需的不变的输出电压。
本发明的第二实施方式涉及一种导通时间控制装置，该导通时间控制装置的具体结构如图3所示。该实施方式所提供的导通时间控制装置的结构与第一实施方式所提供的导通时间控制装置的结构大体相同，不同之处在于该实施方式中提供了充放电模块201的一个具体实现方式，具体如下：
充放电模块201包括充电子模块301、放电子模块302以及电容303。
其中，充电子模块301输出端以及放电子模块302的输出端分别连接至电容303的同一端，电容303的另一端接地。
具体地，充电子模块301根据***输入电压确定电容303的充电电流，采用该充电电流对电容303充电；放电子模块302根据***输出电压确定电容303的放电电流，采用该放电电流对电容303放电。该实施方式中，通过采用***输入电压相关函数控制的电流对电容充电，以及采用***输出电压相关函数控制的电流对电容放电，从而使得能够根据电容充放电过程反映***输入电压以及***输出电压的变化。
具体地，充放电控制模块203的第一输出端2033连接充电子模块301的控制端，使得充放电控制模块203的第一输出端2033控制充电子模块301的开启或关闭。
一个可能的实施方式中，如图4所示，导通时间控制装置20中还包括电压钳位模块401。其中，充放电控制模块203确定通过第三输入端2034输入的信号为低电平，且确定通过第一输入端2031输入的第一控制信号为高电平，则在第二输出端2035输出钳位控制信号，以启动电压钳位模块401，由电压钳位模块401钳位充放电模块201输出的电压。该实施方式可以有效防止充放电控制模块在第三输入端输出的信号为低电平、第一输入端输入的信号为高电平的情况下，充放电模块继续放电，使得充放电模块输出的电压不低于第一门限电压，达到防止导通时间的周期变化异常的目的。
一个可能的实施方式中，如图5所示，导通时间控制装置20中，充放电控制模块203的第三输出端2036与充放电模块201的一个输入端连接，充放电控制模块203确定通过第三输入端2034输入的信号为高电平，且确定通过第一输入端输入的第一控制信号为低电平，则在第三输出端2036输出放电控制信号，以控制充放电模块201增大放电电流。该实施方式能够在充放电控制模块的第三输入端输入的信号先于第一输入端输入的信号变高的情况下，加快放电过程以迅速将输出电压拉低，使得第一输入端输入的信号变为高电平，以避免充放电模块输出的电压的下降时间过长所导致的导通时间的周期异常。具体地，充放电控制模块203的第三输出端2036连接放电子模块301的控制端，能够使得充放电控制模块的第三输出端控制放电子模块的控制端，以调节放电子模块的放电过程所需的时长。
一个可能的实施方式中，充放电控制模块203还包括第四输出端，该第四输出端所输出的信号与充放电控制模块203的第三输出端2036输出的信号反相，即若第三输出端输出高电平信号，则第四输出端输出低电平，若第三输出端输出低电平信号，则第四输出端输出高电平信号。
一个具体实施方式中，导通时间控制装置20的结构如图6所示，在充放电控制模块203的第一输入端与充放电控制模块203的第一输出端之间串接一个电子开关601，该电子开关在充放电控制模块203的第一输出端输出高电平信号时将充放电控制模块203第一输入端输入的信号强制拉为低电平。根据实际设计的需要，该电子开关601可以是N沟道MOS管。需要说明的是，此处仅为举例，实施中可以采用N沟道MOS与逻辑器件的组合作为电子开关601，或者，采用三极管作为电子开关601，或者，采用三极管与逻辑器件的组合作为电子开关601。
本发明第三实施例涉及一种降压式变换器，如图7所示，该降压式变换器70中包含导通时间控制装置20。该导通时间控制装置20检测降压式变换器70中***输入电压以及***输出电压的变化，根据该变化以及预设的第一门限电压和预设的第二门限电压，确定导通时间，根据该导通时间输出方波。需要说明的是，本实施方式仅关注于降压式变换器中的导通时间的控制部分，并不关心其余部分的具体设计，本实施方式所提供的导通时间的控制部分替换现有的BUCK电路中的导通时间控制部分即可，本实施例的保护范围并不限于某一个具体的BUCK电路，可以扩展应用于任意一个BUCK电路中。
本发明第四实施例涉及一种降压式变换器，如图8所示，该降压式变换器70中包括导通时间控制装置20、分压检测模块801以及迟滞比较器802。具体地，分压检测模块801对输入的***输出电压进行降压处理，将降压处理后得到的电压输出至迟滞比较器802；迟滞比较器802将降压处理后得到的电压与基准电压进行比较，将比较结果输出至充放电控制模块203的第三输入端2034。
一个具体实施中，降压式变换器70中还包括逻辑模块803以及输出控制模块804。具体地，逻辑模块803对充放电控制模块203的第一输出端输出信号进行逻辑变换后，输入输出控制模块804的控制端。
其中，输出控制模块中包括上边管8041和下边管8042。输出控制模块804根据控制端输入的信号控制上边管8041导通或控制上边管8041断开。
其中，基准电压由基准电压生成模块(简称REF)805生成。
需要说明的是图8所示仅为一个具体的BUCK电路的实现，以上各实施例所提供的导通时间控制装置也可以应用于其他BUCK电路的设计中，此处仅为一个举例。
以下通过一个具体实施例对导通时间控制的原理进行举例说明。
该具体实施例中BUCK电路的工作原理如图9所示，导通时间控制装置的结构如图10所示。
该具体实施例中，对电容C1进行充电的电流Isource是***输入电源的函数，而对电容C1进行放电的电流Isink是***输出电压的函数。Isource和Isink的表达式如式(1)和(2)所示。其中VOUT是***输出电压，VIN是***电源电压，即***输入电压。R是设计控制电流的电阻。
该设计中放电电流始终打开，因此放电电流即等于Isink，而充电电流等于Isource和Isink的差值。图11所示为电容C1的输出电压Vramp的波形，通过分析可以计算出Vramp的上升时间Δt1和下降时间Δt2，如式(3)和(4)所示。通过计算得到电路的占空比D由式(5)表示。可以看到,占空比是通过***输出电压和***输入电压的比值确定，是自适应的恒定导通时间设计。
其中，Ref_H表示第二门限电压，即预设的上限电压值，Ref_L表示第一门限电压，即预设的下限电压值。c1表示电容C1的电容量。
在***输入电压和***输出电压都会在较大范围内变化的应用中，导通时间控制模块中，随着VIN和VOUT的电压不断变化，Isource和Isink电流不断变化，从而调节Vramp的上升斜率和下降斜率。上升斜率和下降斜率的变化，使得Vramp达到上限电压值Ref_H和下限电压值Ref_L的时间不同。当Vramp电压达到下限值电压值Ref_L时，比较模块(即高低阈值控制模块)I3在第一输出端输出的lpulse信号会产生一个窄脉冲，对RS逻辑控制模块I4(即充放电控制模块)进行置位，此时如pulse信号为高，则该模块的输出端pwm，输出高电平信号，使能充电子模块I1，并对电容C1进行充电，此时即开启一个新的循环周期。随着Vramp电压不断上升并达到上限电压值Ref_H时，比较模块I3在第二输出端输出的hpulse信号输出一个窄脉冲对RS逻辑控制模块I4进行清零操作，此时该模块输出端pwm，输出低电平信号，关闭充电子模块I1，使得放电子模块I2输出的电流Isink对电容C1进行放电。随着Vramp电压的下降，一旦达到下限电压值Ref_L,即开启一个新的循环周期。同时RS逻辑控制模块的输出信号pwm和Isideen信号也作为整个自适应恒定导通时间调制器的输出信号，为后级功率输出器件提供逻辑控制，使得图9中输出控制模块中的上边管导通下边管截止，或者上边管截止下边管导通。
另外导通时间控制装置包括两种保护机制，防止出现周期异常的问题，第一种情况是，当lpulse变高时，如果此时pulse为低，为防止Isink进一步对电容C1放电，则输出lsideenb信号，打开电压钳位模块I5，对Vramp电压进行钳位，使得Vramp电压不会低于Ref_L，造成Vramp电压向下溢出，使得下一个开关循环开启时的电压起点异常。此设计保证Vramp在Ref_L和Ref_H两个高低限定值之间变化，在设定的VIN和VOUT的情况下，满足自适应恒定导通时间设计，如图12所示。第二种保护机制是如果pulse信号先于lpulse信号变高，此时***需要快速进入下一个循环周期，此时RS逻辑控制模块I4会输出一个pulse_dis高电平，此信号控制Isink变大，迅速将Vramp电压拉低，使得lpulse变高，避免Vramp下降时间过长，使得避免Δt2时间溢出，能够尽快进入下一个开关循环，如图13所示。
其中，RS逻辑控制模块I4的lsideen所输出的信号与lsideenb所输出的信号反相。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种导通时间控制装置，其特征在于，包括：充放电模块、比较模块以及充放电控制模块；
所述充放电模块根据***输入电压充电，以及根据***输出电压放电，并将充放电后的电压输出至所述比较模块；
所述比较模块若确定所述充放电模块输出的电压低于第一门限电压，则通过第一输出端输出第一控制信号至所述充放电控制模块的第一输入端，若确定所述充放电模块输出的电压高于第二门限电压，则通过第二输出端输出第二控制信号至所述充放电控制模块的第二输入端，其中所述第一门限电压低于所述第二门限电压；
所述充放电控制模块根据所述第一控制信号在第一输出端输出第一充电信号至所述充放电模块，以控制所述充放电模块启动充电过程，或者，根据所述第二控制信号在第一输出端输出第二充电信号至所述充放电模块，以控制所述充放电模块关闭充电过程。
2.根据权利要求1所述的导通时间控制装置，其特征在于，所述充放电模块包括充电子模块、放电子模块以及电容；
所述充电子模块根据所述***输入电压确定所述电容的充电电流，采用所述充电电流对所述电容充电；
所述放电子模块根据所述***输出电压确定所述电容的放电电流，采用所述放电电流对所述电容放电。
3.根据权利要求2所述的导通时间控制装置，其特征在于，还包括电压钳位模块；
所述充放电控制模块确定通过第三输入端输入的信号为低电平，且确定通过第一输入端输入的所述第一控制信号为高电平，则在第二输出端输出钳位控制信号，以启动所述电压钳位模块，由所述电压钳位模块钳位所述充放电模块输出的电压。
4.根据权利要求2所述的导通时间控制装置，其特征在于，所述充放电控制模块确定通过第三输入端输入的信号为高电平，且确定通过第一输入端输入的所述第一控制信号为低电平，则在第三输出端输出放电控制信号，以控制所述充放电模块增大放电电流。
5.根据权利要求2所述的导通时间控制装置，其特征在于，所述充放电控制模块的第一输出端连接所述充电子模块的控制端。
6.根据权利要求4所述的导通时间控制装置，其特征在于，所述充放电控制模块的第三输出端连接所述放电子模块的控制端。
7.一种降压式变换器，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的导通时间控制装置。
8.根据权利要求7所述的降压式变换器，其特征在于，所述降压式变换器包括分压检测模块以及迟滞比较器；
所述分压检测模块对输入的***输出电压进行降压处理，将降压处理后得到的电压输出至所述迟滞比较器；
所述迟滞比较器将所述降压处理后得到的电压与基准电压进行比较，将比较结果输出至所述充放电控制模块的第三输入端。
9.根据权利要求7或8所述的降压式变换器，其特征在于，所述降压式变换器包括逻辑模块以及输出控制模块；
所述逻辑模块对所述充放电控制模块的第一输出端输出信号进行逻辑变换后，输入所述输出控制模块的控制端，所述输出控制模块根据控制端输入的信号控制上边管导通或控制上边管断开。
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