CN112383220A - 控制电路以及应用其的开关变换器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种控制电路以及应用其的开关变换器。本发明实施例的技术方案能够响应输出功率变化时动态调节所述开关周期的截止时间，以改变开关周期的长度，从而在转换比较大或者较小时，自动降低开关的工作频率，以便拓宽转换比的范围，使得开关变换器能够实现宽输入电压宽输出电压自适应应用。

Description

控制电路以及应用其的开关变换器

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体涉及开关变换器以及其控制电路。

背景技术

开关变换器是能够将输入电压通过不同形式的架构转换为另一固 定的输出信号或可调的输出信号的功率转换电路，因此被广泛应用于移 动设备等电子产品。恒定关断时间(CFT)控制技术是一种脉冲频率调制 (PFM)控制技术，通过控制开关变换器的功率晶体管在每个开关周期内 关断固定时间以实现对输出电压的调节。

现有技术中，用于安防监控的IR LED驱动器通常有较宽的输入电 压范围及较宽的输出电压范围，因此一种开关变换器的宽转换比的自适 应控制方案具有非常强的应用需求。常用的技术方案为，置位信号由定 频时钟信号按固定频率给出以控制功率晶体管的导通时刻，复位信号由 最大导通时间t_{ON_MAX}与根据电感电流采样信号和电流参考值生成的电流 比较信号构成。置位信号的最小脉宽还由最小导通时间t_{ON_MIN}限制，因 此对于一个定频控制的驱动器，其最小、最大转换比由最小导通时间 t_{ON_MIN}及最大导通时间t_{ON_MAX}限制。如下为一个BUCK变换器的转换比 计算公式

通常最小导通时间t_{ON_MAX}小于固定频率的周期Ts,因此现有的技术方 案最小、最大转换比随着固定f_S的变高而受到限制。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种开关变换器及其控制电路，以 使得开关变换器能够实现宽输入电压宽输出电压自适应应用。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于开关变换器的控制电 路，其特征在于，所述控制电路用以根据表征所述开关变换器的输出功 率的补偿信号调节开关控制信号，以控制所述开关变换器的功率晶体管 的开关状态从而满足电路转换比的要求，其中，所述功率晶体管的开关 周期的长度与所述补偿信号成分段线性的关系。

优选地，在所述功率晶体管工作于最小导通时间时，根据所述补偿 信号调节所述功率晶体管的开关周期的长度，以扩大最小转换比的范围。

优选地，在所述功率晶体管工作于最大导通时间时，根据最小关断 时间调节所述功率晶体管的开关周期的长度，以扩大最大转换比的范围。

优选地，所述控制电路响应于所述补偿信号由一个范围区间切换至 另一个范围区间时，调节所述开关周期的长度。

优选地，所述控制电路被配置为调节所述功率晶体管的截止时间以 调节其开关周期的长度。

优选地，所述控制电路被配置为，在所述补偿信号处于第一范围区 间时，所述功率晶体管的开关周期的长度保持不变。

优选地，所述控制电路被配置为，在所述补偿信号处于第二范围区 间时，所述功率晶体管的开关周期的长度与所述补偿信号的变化趋势相 反。

优选地，所述控制电路被配置为根据所述补偿信号产生计时信号， 并通过比较所述计时信号和计时参考信号以调节所述功率晶体管的截止 时间。

优选地,所述控制电路根据所述开关变换器的电感电流与电流参考 值的电流比较信号、最小导通时间控制信号以及最大导通时间控制信号 调节所述功率晶体管的导通时间。

优选地，所述控制电路包括:

第一控制电路，被配置为根据所述开关变换器的补偿信号和占空比 产生第一控制信号以调节所述开关周期的长度,使得在所述开关变换器 的输出功率变化时控制所述开关变换器的功率晶体管的开关状态能够满 足电路转换比的要求。

优选地，所述第一控制电路包括：

计时电路，根据所述补偿信号产生计时电流，所述计时电流对计时 电容充电，以产生计时信号，其中所述计时电流的大小与所述补偿信号 成分段线性的关系；

且在所述补偿信号处于第一范围区间时，所述计时电流的大小保持 不变，在所述补偿信号处于第二范围区间时，所述计时电流的大小与所 述补偿信号成正比例关系。

优选地，所述补偿信号处于第一范围区间时的所述计时电流，大于 所述补偿信号处于第二范围区间时的所述计时电流。

优选地,所述第一控制电路包括：

计时参考信号产生电路，用以接收所述开关控制信号，以产生与所 述开关变换器的占空比变化趋势相反的计时参考信号。

优选地,所述计时参考信号产生电路还包括：

箝位电路，连接在所述计时参考信号产生电路的输出端，用以在所 述计时参考信号小于箝位电压时，所述计时参考信号被箝位在所述箝位 电压以增大所述开关周期的长度。

优选地,所述第一控制电路还包括：

第一比较器，其第一输入端接收所述计时信号，第二输入端接收所 述计时参考信号，当所述计时信号达到所述计时参考信号时，产生所述 第一控制信号。

优选地,所述控制电路还包括第二控制电路，其包括：

逻辑电路，用以在所述最大导通时间控制信号为有效状态，或者， 所述最小导通时间控制信号以及所述电流比较信号均为有效状态时生成 有效的第二控制信号；根据所述第一控制信号以及所述第二控制信号生 成所述开关控制信号。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种开关变换器，包括；

功率级电路，其包括耦合到电感器元件的功率晶体管，其中所述电 感器元件耦合输入端；以及，

上述的控制电路，用于控制所述功率晶体管以在输出端产生输出信 号以驱动负载。

本发明实施例开关变换器能够响应输出功率变化时动态调节所述 开关周期的截止时间，以改变开关周期的长度，从而在转换比较大或者 较小时，自动降低开关的工作频率，以便拓宽转换比的范围，使得开关 变换器能够实现宽输入电压宽输出电压自适应应用。

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是本发明实施例的开关变换器的电路图；

图2是本发明实施例的第二控制电路的电路图；

图3是本发明实施例的第一控制电路的电路图；

图4是本发明的计时电流的与补偿信号的关系图。

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图。如图1所示，本发明 实施例的开关变换器1包括功率级电路。所述功率级电路为BUCK拓扑， 具体包括功率晶体管Q1,其第一端接收输入电压Vin；电感L,其第一端 与所述功率晶体管Q1的第二端连接，第二端与所述开关变换器的输出 端连接；二极管D1,其阴极与所述功率晶体管Q1的第二端连接，阳极 耦接至所述开关变换器的参考地。输出电容Cout与所述功率变换器的输 出端并联连接以在其两端产生输出电压Vout，并且与负载并联连接以提 供能量存储。在本实施例中所述负载为多个串联连接的发光二极管 (LEDs)。在调光应用中，可以通过改变流过发光二极管的电流Iout的 大小以改变亮度，因此在实际应用中开关变换器的输出功率会随着电流 Iout的变化而变化。控制电路10根据表征开关变换器1的输出功率Pout 的补偿信号Vcomp采用闭环控制模式调节开关控制信号PWM，以控制 所述功率晶体管Q1的开关状态，并调节开关变换器的输出电流Iout， 以给所述负载提供能量。在本实施例中，功率晶体管Q1的开关周期的长度与补偿信号Vcomp成分段线性的关系，控制电路10能够响应输出 功率Pout的变化动态调节所述开关周期的长度，从而通过控制开关变换 器1的功率晶体管Q1的开关状态满足电路转换比的要求以维持输出电 流Iout满足负载的驱动需求。

进一步地，控制电路10响应于所述输补偿信号Vcomp由一个范围 区间切换至另一个范围区间时，调节所述开关周期的长度。具体地，在 补偿信号Vcomp处于第一范围区间时，功率晶体管Q1的开关周期的长 度保持不变；在补偿信号Vcomp处于第二范围区间时，功率晶体管Q1 的开关周期的长度与补偿信号Vcomp的变化趋势相反。且控制电路10 还响应于开关变换器1进入最小关断时间控制时，调节所述开关周期的 长度。优选地，控制电路10被配置为调节功率晶体管Q1的截止时间以 调节其开关周期的长度。参考图1，在一种实施例中，控制电路10包括 第一控制电路101。第一控制电路101根据表征开关变换器1的输出功 率Pout的补偿信号Vcomp和开关变换器的占空比调节开关变换器的开 关周期，以在开关变换器的输出功率Pout变化时动态调节所述开关周期 的长度，从而通过控制开关变换器1的功率晶体管Q1的开关状态满足 电路转换比的要求以维持输出电流Iout满足负载的驱动需求。在本实施 例中，第一控制电路101接收开关控制信号PWM以获取开关变换器的占空比。在一种实现方式中，开关周期包括导通时间和截止时间。第一 控制电路101根据补偿信号Vcomp产生计时信号，并通过比较计时信号 和计时参考信号调节功率晶体管Q1的截止时间的长度以改变开关周期 的长度，其中计时参考信号与开关变换器的占空比相关，计时信号为一 斜坡信号，其上升斜率与补偿信号Vcomp成分段线性的关系。当计时信 号达到计时参考信号时，第一控制电路101产生第一控制信号Vset，以 控制功率晶体管Q1导通，开关变换器通过输入电压Vin给负载提供能 量。例如，当输出功率Pout变化使得补偿信号Vcomp变化时，计时信 号上升速度随之改变，计时信号能够上升到计时参考信号的时间也会变 化，从而功率晶体管Q1的截止时间的长度缩短或拉长，整个开关周期 的长度也缩短或拉长。

在本发明中，还设置一反馈电路100，用以生成表征开关变换器的 输出功率Pout的补偿信号Vcomp。优选地，反馈电路100通过获取表征 输出电流Iout的反馈信号Vfb和表征输出电流Iout的基准值Vref之间 的误差放大信号产生所述补偿信号Vcomp，并将补偿信号Vcomp作为 电流参考值。控制电路10还包括第二控制电路102。第二控制电路102 根据所述开关变换器的电感电流采样信号Vsen以及所述电流参考值调 节功率晶体管Q1的导通时间。

如图2所示，为本发明实施例的一个第二控制电路的电路图，第二 控制电路102根据开关变换器的电感电流采样信号Vsen与电流参考值 也即补偿信号Vcomp生成的电流比较信号VCMP、最小导通时间控制信 号MIN_TON以及最大导通时间控制信号MAX_TON调节功率晶体管 Q1的导通时间。第二控制电路102包括比较器CMP以及由与门201和 或门202构成的逻辑电路。具体地，比较器CMP的同相输入端接收电 感电流采样信号Vsen，反相输入端接收补偿信号Vcomp，其输出端输出 电流比较信号VCMP以控制功率晶体管Q1的导通时间。所述逻辑电路， 用以在最大导通时间控制信号MAX_TON为有效状态，或者，最小导通 时间控制信号MIN_TON以及电流比较信号VCMP均为有效状态时生成 有效的第二控制信号Vres以调节功率晶体管Q1的导通时间。并根据第 一控制信号Vset以及第二控制信号Vres生成开关控制信号PWM。基 于此，设置逻辑电路中的与门201接收最小导通时间控制信号MIN_TON以及电流比较信号VCMP，输出一中间信号Vand，或门202接收中间信 号Vand以及最大导通时间控制信号MAX_TON从而输出第二控制信号 Vres。在图2所示的实施例中，第二控制电路102可以采用不同的控制 模式控制功率晶体管Q1的导通时间，以调节功率晶体管Q1的导通时间 的长度。例如，采用峰值电流控制模式、或者采用恒定导通时间控制模 式等。

继续参考图1，在发明本实施例中，控制电路10还包括驱动电路 103。驱动电路103根据第一控制信号Vset和第二控制信号Vres产生开 关控制信号PWM以控制功率晶体管Q1导通和关断。在一种实现方式 中，驱动电路103包括RS触发器。RS触发器的置位端接收第一控制信 号Vset，复位端接收第二控制信号Vres，以在输出端产生开关控制信号 PWM。应理解，为了增强驱动能力，在RS触发器的输出端和功率晶体 管Q1的控制端之间增加驱动器或其他形式电路，以更好地控制功率级 电路。

在另一种实施例中，第一控制电路101可以包括计时电路和计时参 考信号产生电路。计时电路根据补偿信号Vcomp产生计时电流，计时电 流通过对计时电容充电产生计时信号。其中所述计时电流与补偿信号 Vcomp成分段线性关系。计时参考信号产生电路根据开关控制信号 PWM产生计时参考信号。在输出功率Pout变化时，由于计时参考信号 变化缓慢，开关周期的截止响应于输出功率变化而动态调节，从而能够 保证控制开关变换器1的功率晶体管Q1的开关状态满足电路转换比的 要求以维持输出电流Iout满足负载的驱动需求。

图3是本发明实施例的第一控制电路的电路图。第一控制电路101 包括计时电路30和计时参考信号产生电路31。计时电路30包括并联连 接的受控电流源S1和计时电容C1。受控电流源S1的第一控制端接收补 偿信号Vcomp，第二控制端连接至开关变换器的参考地，受控于补偿信 号Vcomp产生计时电流I1。计时电流I1通过对计时电容C1充电产生计 时信号VB。计时电路还包括一计时开关K1，计时开关K1并联连接在 受控电流源S1和计时电容C1的两端，以在功率晶体管Q1关断期间控 制计时电流I1对计时电容C1开始充电，并在功率晶体管Q1导通时将 所述计时信号VB复位至零。

图4是本发明的计时电流的与补偿信号的关系图。具体地，计时电 路30，在补偿信号Vcomp处于第一范围区间时，即补偿信号Vcomp大 于V2小于Vmax时，计时电流I1的大小保持不变，此阶段内功率晶体 管Q1的开关周期的长度保持不变；在补偿信号Vcomp处于第二范围区 间时，即补偿信号Vcomp大于V1小于V2时，计时电流I1的大小与补 偿信号Vcomp成正比例关系，此阶段内功率晶体管Q1的开关周期的长 度与补偿信号Vcomp的变化趋势相反。且补偿信号Vcomp处于第一范 围区间时的计时电流I1，大于补偿信号Vcomp处于第二范围区间时的计 时电流I1。

继续参考图3，计时参考信号产生电路31包括电流源S2，开关K2， 以及电阻R1。电流源S2和开关K2并联连接，电阻R1与电流源S2和 开关K2并联连接。开关K2受控于开关控制信号PWM。在功率晶体管 Q1的导通时间内，开关K2导通，电阻R1的两端电压为零，在功率晶体管Q1的关断时间内，电流源S2产生电流I2以对电阻R1充电，在电 阻R1的两端产生电压，因此电阻R1的两端电压近似为一个方波。计 时参考信号产生电路还包括滤波电路，用于对电阻R1两端的电压进行 滤波以产生计时参考信号VA，因此计时参考信号VA与开关变换器的占 空比成比例。在本实施例中，滤波电路包括串联连接的电阻R2和电容 C2,计时参考信号VA在电阻R2和电容C2的公共端产生。

另外，计时参考信号产生电路31还包括箝位电路，连接在计时参 考信号产生电路31的输出端，用以在计时参考信号VA小于箝位电压V_{OFF_MIN}时，计时参考信号VA被箝位在箝位电压V_{OFF_MIN}以增大所述开 关周期的长度。第一控制电路101还包括比较电路CMP1，比较电路 CMP1的第一输入端(例如反相输入端)接收计时参考信号VA，第二输 入端(例如同相输入端)接收计时信号VB，通过比较计时参考信号VA 和计时信号VB以产生第一控制信号Vset。在本实施例中，计时参考信 号VA可以表达如下：

VA＝I2×R1×(1-D)

其中，D为开关变换器的占空比。

计时信号VB可以表示如下：

其中Ts为开关变换器的开关周期。当计时信号VB达到计时参考信 号VA时，第一控制电路101产生有效的第一控制信号Vset，功率晶体 管Q1再次导通。因此开关变换器的开关周期可以表达如下：

由此可知，当电流源S1输出的计时电流I1为恒定值时，开关变换 器的开关周期Ts为定值，将使得***工作在准定频模式下。在正常转换 比下，补偿信号Vcomp将处于第一范围区间，即补偿信号Vcomp大于 V2小于Vmax时，计时电流I1的大小保持不变，此阶段内功率晶体管 Q1的开关周期的长度保持不变。

在转换比较小时，也即占空比很小时，现有的方案会由于预设的最 小导通时间t_{ON_MIN}能量仍然偏大，导通时间ton过大导致输出电流Iout 过高。此时环路要降电感电流降下来，但是由于最小导通时间t_{ON_MIN}的 限制已经降不下来了；而本发明实施例中，在此时由于输出电流Iout过 高导致补偿信号Vcomp会一直减小，这使得电流源S1输出的计时电流I1随之减小，开关周期的截止时间增大，从而通过增大开关周期的长度 使得开关周期的频率下降。此阶段内I1＝k*Vcomp，k小于1，受控电流 源S1受补偿电压Vcomp控制。此时进入降频工作模式，最小的转换比 计算如下：

此时的最小转换比只受最小导通时间t_{ON_MIN}与系数k影响，从而可 以适应更小的转换比场合。

在转换比较大时，计时参考信号VA过小时，此时计时参考信号VA 的值被箝位电压V_{OFF_MIN}箝位，在这种情况下，开关变换器的开关周期

公式将不成立。第一控制电路101输出的置位信号根据箝 位电压V_{OFF_MIN}控制的最小关断时间t_{OFF_MIN}产生。此时计时电流I1为恒 定值，

此时进入降频工作模式，最大的转换比计算如下：

此时的最大转换比不受固定频率f_S限制，只受最大导通时间 t_{ON_MAX}与最小导通时间t_{OFF_MIN}的影响，可以超过原来的开关周期Ts。 从而可以适应更大的转换比场合。

综上所述，本发明实施例中开关变换器在功率晶体管工作于最小导 通时间时，根据补偿信号调节功率晶体管的开关周期的长度，以扩大最 小转换比的范围，且在功率晶体管工作于最大导通时间时，根据最小关 断时间调节功率晶体管的开关周期的长度，以扩大最大转换比的范围。 通过响应输出功率变化时动态调节所述开关周期的截止时间，以改变开 关周期的长度，从而在转换比较大或者较小时，自动降低开关的工作频 率，以便拓宽转换比的范围，使得开关变换器能够实现宽输入电压宽输 出电压自适应应用。

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，其特征在于，所述控制电路用以根据表征所述开关变换器的输出功率的补偿信号调节开关控制信号，以控制所述开关变换器的功率晶体管的开关状态从而满足电路转换比的要求，其中，所述功率晶体管的开关周期的长度与所述补偿信号成分段线性的关系。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，在所述功率晶体管工作于最小导通时间时，根据所述补偿信号调节所述功率晶体管的开关周期的长度，以扩大最小转换比的范围。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，在所述功率晶体管工作于最大导通时间时，根据最小关断时间调节所述功率晶体管的开关周期的长度，以扩大最大转换比的范围。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路响应于所述补偿信号由一个范围区间切换至另一个范围区间时，调节所述开关周期的长度。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路被配置为调节所述功率晶体管的截止时间以调节其开关周期的长度。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路被配置为，在所述补偿信号处于第一范围区间时，所述功率晶体管的开关周期的长度保持不变。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路被配置为，在所述补偿信号处于第二范围区间时，所述功率晶体管的开关周期的长度与所述补偿信号的变化趋势相反。

8.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路被配置为根据所述补偿信号产生计时信号，并通过比较所述计时信号和计时参考信号以调节所述功率晶体管的截止时间。

9.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于,所述控制电路根据所述开关变换器的电感电流与电流参考值的电流比较信号、最小导通时间控制信号以及最大导通时间控制信号调节所述功率晶体管的导通时间。

10.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于,所述控制电路包括:

第一控制电路，被配置为根据所述开关变换器的补偿信号和占空比产生第一控制信号以调节所述开关周期的长度,使得在所述开关变换器的输出功率变化时控制所述开关变换器的功率晶体管的开关状态能够满足电路转换比的要求。

11.根据权利要求10所述的控制电路，其特征在于，所述第一控制电路包括：

计时电路，根据所述补偿信号产生计时电流，所述计时电流对计时电容充电，以产生计时信号，其中所述计时电流的大小与所述补偿信号成分段线性的关系；

且在所述补偿信号处于第一范围区间时，所述计时电流的大小保持不变，在所述补偿信号处于第二范围区间时，所述计时电流的大小与所述补偿信号成正比例关系。

12.根据权利要求11所述的控制电路，其特征在于，所述补偿信号处于第一范围区间时的所述计时电流，大于所述补偿信号处于第二范围区间时的所述计时电流。

13.根据权利要求11所述的控制电路，其特征在于,所述第一控制电路包括：

计时参考信号产生电路，用以接收所述开关控制信号，以产生与所述开关变换器的占空比变化趋势相反的计时参考信号。

14.根据权利要求13所述的控制电路，其特征在于,所述计时参考信号产生电路还包括：

箝位电路，连接在所述计时参考信号产生电路的输出端，用以在所述计时参考信号小于箝位电压时，所述计时参考信号被箝位在所述箝位电压以增大所述开关周期的长度。

15.根据权利要求14所述的控制电路，其特征在于,所述第一控制电路还包括：

第一比较器，其第一输入端接收所述计时信号，第二输入端接收所述计时参考信号，当所述计时信号达到所述计时参考信号时，产生所述第一控制信号。

16.根据权利要求10所述的控制电路，其特征在于,所述控制电路还包括第二控制电路，其包括：

逻辑电路，用以在所述最大导通时间控制信号为有效状态，或者，所述最小导通时间控制信号以及所述电流比较信号均为有效状态时生成有效的第二控制信号；根据所述第一控制信号以及所述第二控制信号生成所述开关控制信号。

17.一种开关变换器，包括；

功率级电路，其包括耦合到电感器元件的功率晶体管，其中所述电感器元件耦合输入端；以及，

如权利要求1-16任一项所述的控制电路，用于控制所述功率晶体管以在输出端产生输出信号以驱动负载。

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