CN112787505A - 一种dc-dc变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种DC‑DC变换器及其控制电路和控制方法，控制电路包括电流检测电路、误差放大器、模式切换电路以及驱动电路，电流检测电路通过检测流经功率晶体管的电流以获得检测信号，误差放大器用于根据DC‑DC变换器的输出电压与一基准电压得到一误差放大信号，模式切换电路用于将检测信号与一预设电压进行比较，根据比较结果生成不同的参考信号，驱动电路根据该不同的参考信号和误差放大信号生成不同的驱动信号，以控制功率晶体管工作于开关模式或者线性模式，当DC‑DC变换器工作在小负载状态时，功率晶体管工作于线性模式，可降低输出电压的纹波以及电路的静态电流和开关造成的EMI干扰。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种DC-DC变换器及其控制电路和控制方法。
背景技术
在便携式电脑、移动电话、个人数字助理以及其他便携或非便携电子设备中都可能用到一个或多个DC-DC变换器。DC-DC变换器为将输入电压转换为固定输出电压的电压转换器。现有的DC-DC变换器可用于多种负载场景，不同的负载之间相对高低不同，小负载和大负载之间根据具体应用、***和/或用户要求而不同。
DC-DC变换器根据工作模式可分为线性模式稳压器和开关模式稳压器这两种，不同的DC-DC变换器适用于不同的负载中。例如线性模式稳压器在小负载时具有噪声低、静态电流小等优点；而开关模式稳压器在大负载时可提供精准的输出电压，且具有较高的效率。
对于负载变化的应用场景，传统的方法是在小负载时使用线性模式稳压器，例如LDO，在大负载时使用开关模式稳压器，根据条件不同在两种变换器之间进行切换。这种方法需要使用两个DC-DC变换器，所需要的元件较多，且变换器之间切换也需要额外的引脚，成本较高且复杂。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种同时具有线性模式和开关模式的DC-DC变换器及其控制电路和控制方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种DC-DC变换器的控制电路，所述DC-DC变换器包括彼此连接的功率晶体管和电感，所述控制电路用于提供驱动信号以控制所述功率晶体管的状态，其中，所述控制电路包括：电流检测电路，用于检测流经所述功率晶体管的负载电流以获得检测信号；误差放大器，用于根据所述DC-DC变换器的输出电压与基准电压得到误差放大信号；模式切换电路，用于将所述检测信号与预设电压进行比较，根据比较结果生成不同的参考信号；以及驱动电路，用于根据所述不同的参考信号和所述误差放大信号控制所述功率晶体管工作于开关模式或者线性模式，其中，所述不同的参考信号至少包括基准参考电压或者三角波信号。
优选地，当所述检测信号大于所述预设电压时，所述驱动电路根据所述三角波信号与所述误差放大信号生成第一驱动信号，所述功率晶体管响应于所述第一驱动信号工作于开关模式，当所述检测信号小于所述预设电压时，所述驱动电路根据所述基准参考电压与所述误差放大信号生成第二驱动信号，所述功率晶体管响应于所述第二驱动信号工作于线性模式。
优选地，当所述检测信号大于所述预设电压时，所述驱动电路作为比较器工作，以及当所述检测信号小于所述预设电压时，所述驱动电路作为误差放大器工作。
优选地，所述模式切换电路包括：比较器，用于将所述检测信号与所述预设电压进行比较；第一开关管，第一端用于接收所述三角波信号，控制端与所述比较器的输出端连接，用于在导通时将所述三角波信号提供给所述驱动电路；以及第二开关管，第一端用于接收所述基准参考电压，控制端与所述比较器的输出端连接，用于在导通时将所述基准参考电压提供给所述驱动电路，其中，当所述检测信号大于所述预设电压时，所述比较器导通所述第一开关管，并关断所述第二开关管，当所述检测信号小于所述预设电压时，所述比较器导通所述第二开关管，并关断所述第一开关管。
优选地，所述比较器通过迟滞比较器实现。
优选地，所述第一开关管选自N型的金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二开关管选自P型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，所述控制电路还包括：振荡器，用于生成振荡信号；以及斜坡发生器，用于根据所述振荡信号生成所述三角波信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种DC-DC变换器的控制方法，所述DC-DC变换器包括彼此连接的功率晶体管和电感，其中，所述控制方法包括：检测流经功率晶体管的电流以获得检测信号；根据DC-DC变换器的输出电压与基准电压得到误差放大信号；将所述检测信号与预设电压进行比较，根据比较结果生成不同的参考信号；以及根据所述不同的参考信号和所述误差放大信号控制功率晶体管工作于开关模式或者线性模式，其中，所述不同的参考信号至少包括基准参考电压或者三角波信号。
优选地，所述根据所述不同的参考信号和所述误差放大信号控制所述功率晶体管工作于开关模式或者线性模式包括：当所述检测信号大于所述预设电压时，根据所述三角波信号与所述误差放大信号生成第一驱动信号，所述功率晶体管响应于所述第一驱动信号工作于开关模式，当所述检测信号小于所述预设电压时，根据所述基准参考电压与所述误差放大信号生成第二驱动信号，所述功率晶体管响应于所述第二驱动信号工作于线性模式。
根据本发明的第三方面，提供了一种DC-DC变换器，包括彼此连接的功率晶体管和电感；以及上述的控制电路，所述控制电路通过控制所述功率晶体管的状态以控制输出电压。
本发明实施例的DC-DC变换器及其控制电路和控制方法具有以下有益效果。
控制电路包括电流检测电路、误差放大器、模式切换电路以及驱动电路，电流检测电路通过检测流经功率晶体管的电流以获得检测信号，误差放大器用于根据DC-DC变换器的输出电压与一基准电压得到一误差放大信号，模式切换电路用于将检测信号与一预设电压进行比较，根据比较结果生成不同的参考信号，驱动电路根据该不同的参考信号和误差放大信号生成不同的驱动信号，以控制功率晶体管工作于开关模式或者线性模式。传统方法需要使用两个DC-DC变换器和控制电路才可以实现线性模式和开关模式的切换，而本发明仅使用一个控制电路即可实现，极大地降低了电路成本。
此外，本发明的控制电路根据负载状态来切换线性模式和开关模式，例如，当DC-DC变换器工作在小负载状态时，控制功率晶体管工作于线性模式，DC-DC变换器的输出电压的纹波电压和电路的EMI干扰都可以保持在一个较低的水平，同时可以降低控制电路消耗的静态电流。当DC-DC变换器工作于大负载状态时，控制功率晶体管工作于开关模式，提高DC-DC变换器的效率。
最后，本发明实施例的模式切换电路通过检测信号与预设电压的比较向驱动电路提供不同的参考信号，以实现线性模式与开关模式之间的切换，与现有的同时包括LDO电路和PWM电路的DC-DC变换器相比，所需要的元件更少，同时不需要增额外的引脚，电路成本更低。
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他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据本发明第一实施例的电子设备的结构示意图；
图2示出根据本发明第二实施例的DC-DC变换器的电路示意图；
图3示出图2中的模式切换电路的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”可包括单个或多个组合的硬件电路、可编程电路、状态机电路和/或能存储由可编程电路执行的指令的元件。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，它可以直接耦合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“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出根据本发明第一实施例的电子设备的结构示意图。如图1所示，电子设备100包括电源101、DC-DC变换器102、以及负载103。该电子设备100可以是笔记本电脑、移动电话、个人数据助理等多种设备。电源101可以是锂离子电池等多种电源，用于向DC-DC变换器102提供一输入电压Vin。DC-DC变换器102将输入电压Vin转换为固定的输出电压Vout并提供给负载103。为了方便说明，在图1中仅示出一个DC-DC变换器和负载，但是可以理解的是，实际上电子设备100可以有多个DC-DC变换器和多个负载。
图2示出根据本发明第二实施例的DC-DC变换器的电路示意图。如图2所示，DC-DC变换器102包括主电路和控制电路201。主电路包括电感L1、功率晶体管M1、续流二极管D1(或者采用同步整流晶体管)、采样电阻Rs、输出滤波电容Co和。控制电路201通过控制主电路中的功率晶体管M1的状态或者同时控制其他晶体管的状态来控制DC-DC变换器的输出电压Vout。功率晶体管M1可以是各种晶体管，例如NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、以及N型MOSFET和P型MOSFET等。控制电路201例如封装成芯片IC。在一些实施例中，主电路中的功率晶体管M1也封装在芯片IC中。
在主电路中，采样电阻Rs、功率晶体管M1、电感L1依次串联在输入电压Vin与输出电压Vout之间。在该实施例中，功率晶体管M1为N型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。续流二极管D1的阴极连接于电感L1和功率晶体管M1的漏极之间，续流二极管D1的阳极接地。
控制电路201包括电流检测电路211、误差放大器212、驱动电路213、以及模式切换电路214。
电流检测电路211例如通过运算放大器实现，运算放大器的反相输入端连接至功率晶体管M1和采样电阻Rs的中间节点，同相输入端连接至采样电阻Rs的另一端，从而获得与流经功率晶体管M1的负载电流相对应的经运算放大器211放大后的检测信号Vs。在本实施例中，检测信号Vs＝Is*Rs*n，其中，Is为流经功率晶体管M1的负载电流，Rs为采样电阻的阻值，n为运算放大器211的放大倍数。
误差放大器212用于将输出电压Vout与一基准电压Vref进行比较，并获得二者之间的误差放大信号Vc。在一种实施例中，误差放大器212可通过一误差放大器实现，误差放大器的反相输入端用于接收一表征输出电压Vout的反馈信号。反馈信号的电压的大小可以等于输出电压Vout，也可以小于输出电压Vout。在一种实施例中，可以通过串联电阻构成的分压网络作为反馈电阻网络来得到所述反馈信号。误差放大器的正相输入端用于接收一基准电压Vref。该基准电压Vref可以有多种来源，例如通过带隙基准电路实现。
驱动电路213用于将所述误差放大信号Vc与一参考进行比较，以生成一驱动信号，该驱动信号用于控制功率晶体管M1的状态。
模式切换电路214用于将检测信号Vs与一预设电压进行比较，根据比较结果向驱动电路213提供不同的参考。
在本实施例中，模式切换电路214用于根据检测信号Vs与所述预设电压的比较结果判断DC-DC变换器的负载状态，并根据判断结果控制功率晶体管M1的工作状态。
当DC-DC变换器工作在大负载状态时，检测信号Vs大于所述预设电压时，模式切换电路214向驱动电路213提供一三角波信号RAMP，此时驱动电路213作为比较器工作，将误差放大信号Vc与该三角波信号RAMP进行比较，根据二者的交叉点生成具有一定占空比的第一驱动信号，功率晶体管M1响应于第一驱动信号的占空比循环导通和关断来调整输出电压Vout。
举例说明，如果负载端的输出电压Vout大于基准电压Vref，误差放大器212的两个输入端之间存在电压差，该电压差导致误差放大器212输出的误差放大信号Vc增大，第一驱动信号的占空比降低。相反的，如果负载端的输出电压Vout小于基准电压Vref，该电压差导致误差放大器212输出的误差放大信号Vc减小，第一驱动信号的占空比提高。
当功率晶体管M1响应于第一驱动信号作为开关工作时，DC-DC变换器工作在开关模式中，其开关频率由三角波信号决定，效率高于90％。
当DC-DC变换器工作在小负载状态时，检测信号Vs小于所述预设电压，模式切换电路214向驱动电路213提供一基准参考电压REF，此时驱动电路213将作为误差放大器工作，根据误差放大信号Vc与该基准参考电压REF之间的电压差生成第二驱动信号，功率晶体管M1响应于第二驱动信号工作于线性区域，作为可变电阻通过调节导通电流的大小来调整输出电压Vout的大小，尽可能使误差放大信号Vc接近此时的基准参考电压REF。
举例说明，如果负载RL的输出电压Vout超过所需的电压值时，此时误差放大器212的两个输入端会有电压差，该电压差使得误差放大信号Vc增大，误差放大信号Vc的增大使得驱动电路213输出一个驱动信号给功率晶体管M1，功率晶体管M1降低电流以降低输出电压Vout。相反的，如果负载RL的输出电压Vout低于所需的电压值时，此时误差放大器212的两个输入端会有电压差，该电压差使得误差放大信号Vc减小，误差放大信号Vc的减小使得驱动电路213输出一个驱动信号给功率晶体管M1，功率晶体管M1增大电流以增大输出电压Vout。
当功率晶体管M1响应于第二驱动信号工作于线性区域时，由于没有高频的开关动作，DC-DC变换器的输出电压的纹波电压和电路的EMI干扰都可以保持在一个较低的水平，同时可以降低控制电路消耗的静态电流。
图3示出图2中模式切换电路的结构示意图。如图3所示，模式切换电路包括比较器401以及开关管M2和开关管M3，开关管M2通过N型MOSFET实现，开关管M3通过P型MOSFET实现。比较器401将检测信号Is与所述预设电压Vth进行比较。当检测信号Is大于预设电压Vth时，比较器401输出信号为高电平，开关管M2导通，开关管M3关断，开关管M2将所述三角波信号RAMP作为参考提供给后级的驱动电路213；当检测信号Is小于预设电压Vth时，比较器401翻转输出低电平，开关管M3导通，开关管M2关断，开关管M3将基准参考电压REF作为参考提供给后级的驱动电路213。
为了实现DC-DC变换器102的平滑变换，即DC-DC变换器102可以平滑地从线性模式切换到开关模式以及从开关模式切换到线性模式，模式切换电路214在检测信号Is达到预设电压Vth时处于滞后工作模式，比如比较器401可采用迟滞比较器。
“滞后”这一概念也可以用来描述比较器的工作，即比较器401可选自迟滞比较器。理想比较器在两个输入端的电压相等的情况下输出会在高低电平之间振荡。“迟滞比较器”可以避免比较器在这种情况下的输出振荡，“迟滞比较器”在两个输入端的电压相等的情况下时输出低电平，而在两个输入端的电压相差ΔV的情况下输出高电平。
进一步的，控制电路201还包括振荡器215和斜坡发生器216，振荡器215用于生成振荡信号，斜坡发生器216用于根据所述振荡信号生成三角波信号RAMP。
综上所述，本发明实施例的DC-DC变换器及其控制电路和控制方法，控制电路包括电流检测电路、误差放大器、模式切换电路以及驱动电路，电流检测电路通过检测流经功率晶体管的电流以获得检测信号，误差放大器用于根据DC-DC变换器的输出电压与一基准电压得到一误差放大信号，模式切换电路用于将检测信号与一预设电压进行比较，根据比较结果生成不同的参考信号，驱动电路根据该不同的参考信号和误差放大信号生成不同的驱动信号，以控制功率晶体管工作于开关模式或者线性模式。传统方法需要使用两个DC-DC变换器和控制电路才可以实现线性模式和开关模式的切换，而本发明仅使用一个控制电路即可实现，极大地降低了电路成本。
此外，本发明的控制电路根据负载状态来切换线性模式和开关模式，例如，当DC-DC变换器工作在小负载状态时，控制功率晶体管工作于线性模式，DC-DC变换器的输出电压的纹波电压和电路的EMI干扰都可以保持在一个较低的水平，同时可以降低控制电路消耗的静态电流。当DC-DC变换器工作于大负载状态时，控制功率晶体管工作于开关模式，提高DC-DC变换器的效率。
最后，本发明实施例的模式切换电路通过检测信号与预设电压的比较向驱动电路提供不同的参考信号，以实现线性模式与开关模式之间的切换，与现有的同时包括LDO电路和PWM电路的DC-DC变换器相比，所需要的元件更少，同时不需要增额外的引脚，电路成本更低。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种DC-DC变换器的控制电路，所述DC-DC变换器包括彼此连接的功率晶体管和电感，所述控制电路用于提供驱动信号以控制所述功率晶体管的状态，其中，所述控制电路包括：
电流检测电路，用于检测流经所述功率晶体管的负载电流以获得检测信号；
误差放大器，用于根据所述DC-DC变换器的输出电压与基准电压得到误差放大信号；
模式切换电路，用于将所述检测信号与预设电压进行比较，根据比较结果生成不同的参考信号；以及
驱动电路，用于根据所述不同的参考信号和所述误差放大信号控制所述功率晶体管工作于开关模式或者线性模式，
其中，所述不同的参考信号至少包括基准参考电压或者三角波信号。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，当所述检测信号大于所述预设电压时，所述驱动电路根据所述三角波信号与所述误差放大信号生成第一驱动信号，所述功率晶体管响应于所述第一驱动信号工作于开关模式，
当所述检测信号小于所述预设电压时，所述驱动电路根据所述基准参考电压与所述误差放大信号生成第二驱动信号，所述功率晶体管响应于所述第二驱动信号工作于线性模式。
3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，当所述检测信号大于所述预设电压时，所述驱动电路作为比较器工作，以及
当所述检测信号小于所述预设电压时，所述驱动电路作为误差放大器工作。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述模式切换电路包括：
比较器，用于将所述检测信号与所述预设电压进行比较；
第一开关管，第一端用于接收所述三角波信号，控制端与所述比较器的输出端连接，用于在导通时将所述三角波信号提供给所述驱动电路；以及
第二开关管，第一端用于接收所述基准参考电压，控制端与所述比较器的输出端连接，用于在导通时将所述基准参考电压提供给所述驱动电路，
其中，当所述检测信号大于所述预设电压时，所述比较器导通所述第一开关管，并关断所述第二开关管，
当所述检测信号小于所述预设电压时，所述比较器导通所述第二开关管，并关断所述第一开关管。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述比较器通过迟滞比较器实现。
6.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第一开关管选自N型的金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二开关管选自P型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括：
振荡器，用于生成振荡信号；以及
斜坡发生器，用于根据所述振荡信号生成所述三角波信号。
8.一种DC-DC变换器的控制方法，所述DC-DC变换器包括彼此连接的功率晶体管和电感，其中，所述控制方法包括：
检测流经功率晶体管的电流以获得检测信号；
根据DC-DC变换器的输出电压与基准电压得到误差放大信号；
将所述检测信号与预设电压进行比较，根据比较结果生成不同的参考信号；以及
根据所述不同的参考信号和所述误差放大信号控制功率晶体管工作于开关模式或者线性模式，
其中，所述不同的参考信号至少包括基准参考电压或者三角波信号。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述不同的参考信号和所述误差放大信号控制所述功率晶体管工作于开关模式或者线性模式包括：
当所述检测信号大于所述预设电压时，根据所述三角波信号与所述误差放大信号生成第一驱动信号，所述功率晶体管响应于所述第一驱动信号工作于开关模式，
当所述检测信号小于所述预设电压时，根据所述基准参考电压与所述误差放大信号生成第二驱动信号，所述功率晶体管响应于所述第二驱动信号工作于线性模式。
10.一种DC-DC变换器，其特征在于，包括：
彼此连接的功率晶体管和电感；以及
权利要求1-7任一项所述的控制电路，所述控制电路通过控制所述功率晶体管的状态以控制输出电压。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210511 |