CN109004812A - 开关变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种开关变换器及其控制电路与控制方法。通过在输出电压的反馈信号上叠加与输入电压和开关变换器的一个功率管的开关状态相关的纹波信号实现输出电压的闭环控制，从而在输入电压变化时提高开关变换器的动态响应速度，同时使得开关频率保持恒定。

Description

开关变换器及其控制电路和控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种开关变换器及其控制电路和控制方法。
背景技术
目前，对于开关变换器的控制有多种方式，常见的有脉宽调制控制和脉冲频率调制控制。其中恒定时间导通控制方式是脉冲频率调制控制的一种，由于其具有在负载变化时能快速响应的优点，从而广泛应用于开关变换器中。
在现有技术中，为了在输出电容ESR较小时也能通过纹波进行控制，通常在输出电压反馈信号上叠加纹波信号从而进行输出电压的闭环控制，而该纹波信号是通过采用固定的电流源，并根据开关变换器主功率管的开关状态产生三角波信号和参考信号，并根据三角波信号以及参考信号的差值获得。在输入电压发生突变时，纹波信号无法迅速跟随其变化，使得叠加的纹波信号进一步加重了输出电压过冲或跌落的情况。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种开关变换器及其控制电路和控制方法，根据输入电压和所述开关变换器的一个功率管的开关状态来产生纹波信号，并叠加在输出电压的反馈信号上，使得在输入电压发生变化时，快速维持输出电压稳定，同时使得开关频率保持恒定。
根据本发明的第一方面，提供了一种开关变换器的控制电路，包括纹波产生电路，被配置为根据所述开关变换器的输入电压和所述开关变换器中的一个功率管的开关状态来产生纹波信号，其中所述纹波信号叠加在所述开关变换器的输出电压的反馈信号上以进行所述输出电压的闭环控制，从而提高所述开关变换器的动态响应速度。
优选地，所述纹波产生电路包括：参考信号产生电路，被配置为根据所述输入电压和所述功率管的开关状态产生三角波信号和参考信号；以及纹波叠加电路，被配置为根据所述三角波信号和所述参考信号产生所述纹波信号。
优选地，所述参考信号产生电路包括第一受控电流源，被配置为受控于所述开关变换器的输入电压，以产生与所述输入电压成第一比例的第一受控电流；第一开关，其控制端接收第一脉冲信号，所述第一脉冲信号由所述功率管的开关状态决定；第一滤波电路，被配置为根据所述第一开关的开关状态和所述第一受控电流产生所述三角波信号；以及第二滤波电路，被配置为根据所述三角波信号产生所述参考信号。
优选地，所述第一开关串联连接在所述第一受控电流源和所述第一滤波电路之间。
优选地，所述第一滤波电路包括第一电阻和第一电容，并联连接在所述第一开关和参考地之间。
优选地，所述第二滤波电路包括第二电阻和第二电容，所述第二电阻的第一端与所述第一电容相连，所述第二电阻的第二端与所述第二电容串联连接至参考地。
优选地，所述纹波叠加电路包括第二受控电流源，被配置为受控于所述三角波信号和所述参考信号的差值；以及第三电阻，与所述第二受控电流源并联，以产生所述纹波信号，其中所述第三电阻的第一端与所述反馈信号相连，其第二端产生所述纹波信号与所述反馈信号叠加后的第一信号。
优选地，所述控制电路还包括第一比较器，所述第一比较器的第一端接收所述第一信号，所述第一比较器的第二端接收基准信号，以产生置位信号控制所述功率管的开通。
优选地，所述控制电路还包括斜坡产生电路，用于产生与所述输入电压相关的斜坡信号。
优选地，所述斜坡产生电路包括第三受控电流源，受控于所述输入电压，以产生所述输入电压成第二比例的第二受控电流；第三电容，与所述第二受控电流源并联连接至参考地；以及第二开关，与所述第三电容并联，所述第二开关的控制端接收第二脉冲信号，其中所述第二脉冲信号由所述功率管的开关状态决定。
优选地，所述控制电路使得所述开关变换器的开关频率在所述输入电压变化时能够保持恒定。
优选地，所述控制电路还包括第二比较器，用于根据所述参考信号产生电路和所述斜坡产生电路的输出信号以产生复位信号，控制所述功率管的关断。
根据本发明的第二方面，提供了一种开关变换器，所述开关变换器包括具有至少一个功率管的功率级电路，以及如上所述的任一项控制电路。
根据本发明的第三方面，提供了一种开关变换器的控制方法，包括根据所述开关变换器的输入电压和所述开关变换器中的一个功率管的开关状态产生三角波信号和参考信号；根据所述三角波信号和所述参考信号产生纹波信号；以及将所述纹波信号与输出电压的反馈信号叠加产生第一信号以控制所述开关变换器，从而在输入电压变化时提高动态响应。
优选地，根据所述三角波信号和所述参考信号产生纹波信号包括：通过所述三角波信号和所述参考信号的差值控制电流源以产生纹波电流，再将所述纹波电流转换为纹波信号。
优选地，所述控制方法还包括根据所述输入电压和所述功率管的开关状态产生斜坡信号；将所述斜坡信号与所述参考信号比较产生复位信号以控制所述功率管的关断；以及将所述第一信号与基准信号比较产生置位信号以控制所述功率管的开通。
优选地，所述控制方法使得所述开关变换器的开关频率在所述输入电压变化时保持恒定。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明实施例的开关变换器的电路框图；
图2为本发明实施例的开关变换器具体的控制电路图；
图3为本发明实施例的开关变换器在输入电压不变时导通时间控制的波形图；
图4为现有技术的开关变换器在输入电压突增时纹波控制的波形图；
图5a为本发明实施例的开关变换器在输入电压突增时导通时间控制的波形图；以及
图5b为本发明实施例的开关变换器在输入电压突增时纹波控制的波形图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
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。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明实施例的开关变换器的电路框图，开关变换器包括功率级电路和控制电路，其中功率级电路为降压拓扑，图中仅示出主功率管HS和同步功率管LS，未示出功率级电路的电感和电容。从图1中可以看到控制电路包括纹波产生电路1、斜坡产生电路2、第一比较器3、第二比较器4和开关信号产生电路5。其中纹波产生电路1包括参考信号产生电路11和纹波叠加电路12。参考信号产生电路11被配置为用来根据开关变换器的输入电压Vin和表征主功率管HS的开关状态的脉冲信号PWM来产生三角波信号Vtri和参考信号Vavg，并将参考信号Vavg输入到第二比较器4的第一输入端(例如，反相输入端)，第二比较器4的同相输入端用以接收斜坡产生电路2根据输入电压Vin和脉冲信号PWM’所产生的斜坡信号Vcap，其中脉冲信号PWM’为表征同步功率管LS的信号，与主功率管HS开关状态相反。第二比较器4的输出端输出复位信号Reset。纹波叠加电路12根据三角波信号Vtri和参考信号Vavg来产生纹波信号Ripple，并将纹波信号Ripple叠加到反馈信号VFB上形成第一信号FB_Ripple。同时第一比较器3的反相输入端用以接收第一信号FB_Ripple，同相输入端用以接收基准信号Ref_Correction，其中基准信号Ref_Correction为采用现有技术进行补偿后的信号，在图中并未示出补偿电路。第一比较器3的输出端输出置位信号Set。开关信号产生电路5包括RS触发器和驱动电路，RS触发器分别接受复位信号Reset和置位信号Set，以产生互补的脉冲信号PWM和PWM’，并输入到驱动电路，以产生驱动信号Vgs1和Vgs2以分别控制主功率管HS和同步功率管LS的开关，从而实现输出电压的闭环控制。
图2示出了本发明实施例的开关变换器的具体电路图。从图2中可以看出，参考信号产生电路11包括第一受控电流源CCS1、第一开关S1、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2和第二电容C2。第一受控电流源CCS1被配置为受输入电压Vin控制以产生与输入电压Vin成第一比例k1的电流Iref，即Iref＝k1*Vin。第一开关S1与第一受控电流源CCS1串联，且第一开关S1受脉冲信号PWM控制进行开关动作，其中脉冲信号PWM与主功率管的驱动信号相同。第一电阻R1和第一电容C1并联连接在第一开关S1和参考地之间，构成第一级RC滤波电路，其中在第一开关S1导通时，电流Iref给第一电容C1充电，在第一开关S1关断时，第一电容C1通过第一电阻R1放电。第一级RC滤波电路的时间常数较短，从而在第一电容C1上形成三角波信号Vtri。第二电阻R2和第二电容C2串联连接在第一电容C1和参考地之间，构成第二级RC滤波电路。第二级RC滤波电路的时间常数较大，将三角波信号Vtri滤波形成参考信号Vavg。由此可以得到参考信号Vavg＝Iref*D*R1，其中D为主功率管HS的占空比。
参照图2，纹波叠加电路12包括第二受控电流源CCS2和第三电阻R3。第二受控电流源CCS2被配置为受三角波信号Vtri和参考信号Vavg的差值控制并输出纹波电流Iripple，其中Iripple＝a*(Vtri-Vavg)，从而通过第三电阻以将纹波电流Iripple转化成纹波信号Ripple，以使得能够与反馈信号VFB叠加。其中第三电阻的第一端与反馈信号VFB相连，第二端产生第一信号FB_Ripple，也即FB_Ripple＝VFB+Ripple。
如图2所示，斜坡信号产生电路2包括第三受控电流源CCS3、第二开关S2和第三电容C3。其中第三受控电流源CCS3被配置为受输入电压Vin控制，以产生与输入电压Vin成第二比例k2的电流Iramp，即Iramp＝k2*Vin。第三受控电流源CCS3、第二开关S2和第三电容C3并联连接到参考地，其中第二开关S2受脉冲信号PWM’控制进行开关动作，其中脉冲信号PWM’与主功率管的驱动信号逻辑相反。在第二开关S2关断时，电流Iramp给第三电容C3充电，在第二开关S2导通时，第三电容瞬间放电至零，从而产生斜坡信号Vcap。还应该理解，斜坡产生电路还可以存在其他电路形式，从而产生与主功率管开关状态相关的斜坡信号。
斜坡信号Vcap的峰值等于Iramp*Ton/C3，其中Ton为主功率管HS的导通时间且满足Ton＝D*T，T为开关周期。由斜坡信号Vcap的峰值等于基准信号Vavg，可以得到下式：
Vavg＝Iref*D*R1＝Iramp*D*T/C3 (1)
其中Iref＝k1*Vin，Iramp＝k2*Vin，因此可以得到开关周期T满足：
T＝R1*C3*k1/k2 (2)
由式(2)可以看出开关周期T与输入电压Vin和占空比D无关，也即该方法使得在输入电压Vin和占空比D变化时，开关频率保持恒定。
图3给出了本发明实施例的开关变换器在输入电压不变时的工作波形图。从图中可以看出，参考信号Vavg为三角波信号Vtri的平均值，当斜坡信号Vcap等于参考信号Vavg时，第二比较器4的输出端产生一个复位信号Reset，从而关断主功率管HS，此后同步功率管LS开通。也就是驱动信号Vgs1用以驱动主功率管HS，驱动信号Vgs2，也即驱动信号Vgs1的反相信号，用以驱动同步功率管LS。
图4给出了现有技术的开关变换器在输入电压突增时纹波控制的波形图。现有技术中由于电流Iref和电流Iramp通过固定的电流源产生，在输入电压Vin瞬间增大时，电流Iref和电流Iramp不变，因此导通时间Ton瞬间也不变，而输入电压Vin增大，导致输出电压出现过冲，而反馈信号的闭环响应较慢，反馈信号VFB增大，纹波信号Ripple的谷值需要比原来的值减小才能让主功率管HS开通，因此主功率管的关断时间Toff增加，使得开关周期T增大，占空比减小，从而使得三角波信号Vtri逐渐减小，由于第二级RC滤波电路的时间常数较大，因此参考信号Vavg在输入电压跳变的瞬间无法跟随三角波信号Vtri而及时变化，从而滞后于三角波信号Vtri。从图中可以看出参考信号Vavg高于三角波信号Vtri的平均值。最终使得两者相减得到的纹波信号Ripple为负，纹波信号Ripple叠加到反馈信号VFB上后与基准信号Ref_correction比较，使得反馈信号VFB更高以抵消纹波信号的负值，从而加重了输出电压的过冲。同理，当输入电压Vin突减时，纹波信号Ripple会加重输出电压的跌落。
图5a给出了本发明实施例的开关变换器在输入电压突增时的工作波形图。从图中可以看出，输入电压Vin瞬间增大时，由于给第三电容C3充电的电流Iramp跟随输入电压Vin增大，斜坡信号Vcap上升速率迅速增大，从而到达参考信号Vavg的时间变快，使得驱动信号Vgs1有效时间减小，即导通时间Ton迅速减少。相应地，电感电流IL上升斜率变大，但上升时间变少，由于开关周期T不变，电感电流IL下降时间增加，占空比D减小，最终使得输出电压Vout基本保持不变，不会出现过冲。
图5b进一步给出了本发明实施例的开关变换器在输入电压突增时纹波控制的波形图。从图中可以看出，在输入电压Vin瞬间增大时，电流Iref随输入电压Vin的增大而增大，因此三角波信号Vtri上升的斜率变大，但如上所述，同时导通时间Ton减小，占空比D减小，从而三角波信号Vtri的平均值基本不变，由于第二级RC滤波的存在，参考信号Vavg不会发生变化，从而纹波信号Ripple可以及时反映电感电流iL的纹波。纹波信号Ripple叠加到反馈信号上形成信号FB_Ripple，并与基准信号Ref_correction比较，从而输出置位信号Set，使得主功率管开通，输出电压Vout维持平稳，不会出现大的过冲。另一方面，参考信号Vavg＝k1*Vin*R1*D＝k1*Vout*R1，由于参考信号Vavg不变，因此输出电压Vout也基本没有变化。同理，在输入电压Vin突然减小时，输出电压Vout也基本没有跌落。
综上所述，本发明实施例根据输入电压和开关变换器的主功率管的开关状态来产生纹波信号，并叠加在输出电压的反馈信号上以进行所述输出电压的闭环控制，实现了在保证开关频率不变的同时，开关变换器对输入电压变化能够作出快速响应，提高了***的动态性能。
本发明仅以降压拓扑为例进行说明，本领域技术人员应该理解，该控制电路还可以应用于其他具有至少一个功率管的功率级电路的开关变换器。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种用于开关变换器的控制电路，包括：
纹波产生电路，被配置为根据所述开关变换器的输入电压和所述开关变换器中的一个功率管的开关状态来产生纹波信号，其中所述纹波信号叠加在所述开关变换器的输出电压的反馈信号上以进行所述输出电压的闭环控制，从而提高所述开关变换器的动态响应速度。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述纹波产生电路包括：
参考信号产生电路，被配置为根据所述输入电压和所述功率管的开关状态产生三角波信号和参考信号；以及
纹波叠加电路，被配置为根据所述三角波信号和所述参考信号产生所述纹波信号。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述参考信号产生电路包括：
第一受控电流源，被配置为受控于所述开关变换器的输入电压，以产生与所述输入电压成第一比例的第一受控电流；
第一开关，其控制端接收第一脉冲信号，所述第一脉冲信号由所述功率管的开关状态决定；
第一滤波电路，被配置为根据所述第一开关的开关状态和所述第一受控电流产生所述三角波信号；以及
第二滤波电路，被配置为根据所述三角波信号产生所述参考信号。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述第一开关串联连接在所述第一受控电流源和所述第一滤波电路之间。
5.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述第一滤波电路包括第一电阻和第一电容，并联连接在所述第一开关和参考地之间。
6.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述第二滤波电路包括第二电阻和第二电容，所述第二电阻的第一端与所述第一电容相连，所述第二电阻的第二端与所述第二电容串联连接至参考地。
7.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述纹波叠加电路包括：
第二受控电流源，被配置为受控于所述三角波信号和所述参考信号的差值；以及
第三电阻，与所述第二受控电流源并联，以产生所述纹波信号，其中所述第三电阻的第一端与所述反馈信号相连，其第二端产生所述纹波信号与所述反馈信号叠加后的第一信号。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括第一比较器，所述第一比较器的第一端接收所述第一信号，所述第一比较器的第二端接收基准信号，以产生置位信号控制所述功率管的开通。
9.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
斜坡产生电路，用于产生与所述输入电压相关的斜坡信号。
10.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述斜坡产生电路包括：
第三受控电流源，受控于所述输入电压，以产生所述输入电压成第二比例的第二受控电流；
第三电容，与所述第二受控电流源并联连接至参考地；以及
第二开关，与所述第三电容并联，所述第二开关的控制端接收第二脉冲信号，其中所述第二脉冲信号由所述功率管的开关状态决定。
11.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路使得所述开关变换器的开关频率在所述输入电压变化时能够保持恒定。
12.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
第二比较器，用于根据所述参考信号产生电路和所述斜坡产生电路的输出信号以产生复位信号，控制所述功率管的关断。
13.一种开关变换器，所述开关变换器包括具有至少一个功率管的功率级电路，以及
如权利要求1-12中任一项所述的控制电路。
14.一种开关变换器的控制方法，包括：
根据所述开关变换器的输入电压和所述开关变换器中的一个功率管的开关状态产生三角波信号和参考信号；
根据所述三角波信号和所述参考信号产生纹波信号；以及
将所述纹波信号与输出电压的反馈信号叠加产生第一信号以控制所述开关变换器，从而在输入电压变化时提高动态响应。
15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，根据所述三角波信号和所述参考信号产生纹波信号包括：通过所述三角波信号和所述参考信号的差值控制电流源以产生纹波电流，再将所述纹波电流转换为纹波信号。
16.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
根据所述输入电压和所述功率管的开关状态产生斜坡信号；
将所述斜坡信号与所述参考信号比较产生复位信号以控制所述功率管的关断；以及
将所述第一信号与基准信号比较产生置位信号以控制所述功率管的开通。
17.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法使得所述开关变换器的开关频率在所述输入电压变化时保持恒定。
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