CN114142713B - 开关电源开关管的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关电源开关管的控制装置及控制方法，所述开关电源开关管的控制装置包括：至少两个开关管电流采样和比较电路，用于生成开关电源中开关管的电流与参考阈值的比较结果；控制电路，与所述开关管电流采样和比较电路连接，用于根据多个所述比较结果，将开关电源中开关管的电流划分至不同的数值范围内，并结合确定的数值范围向开关管组合方式不同的驱动电路发出驱动信号；驱动电路，与所述控制电路连接，用于通过所述驱动信号驱动不同宽度的开关管。开关管本发明采用了电流镜电路进行电流密度采样，同时对采样结果进行判断，进而控制开关管的宽度，以提高开关电源的转换效率。

Description

开关电源开关管的控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于开关电源设计的技术领域，涉及一种开关电源开关管的控制方法，特别是涉及一种开关电源开关管的控制装置及控制方法。

背景技术

开关电源电路为片上***及数字信号处理电路等提供低压电源，其较高的电源转换效率具有无可替代的优势。其工作主要分为两个阶段，一是电源充电阶段，为负载提供电流同时为电感提供能量，二是电感续流阶段，电感利用前一阶段蓄留的能量，在电源断开的情况下，继续为负载提供电流。

在以上两个阶段，电流导通由上下两个开关管提供低阻通路，开关管开关由内部驱动器控制其栅极端。为了使开关电源电路能够在大电流负载时能有足够高的效率，上下开关管的宽度会比较大，因此其内部驱动器的宽度也会比较大，造成了非常大的动态功耗。在较小电流负载时，较大的动态功耗导致开关电源电路的总转换效率非常低，严重影响开关电源电路的性能。

因此，如何提供一种开关电源开关管的控制装置及控制方法，以解决现有技术无法以较小的电路规模和功耗，实现动态调节开关电源开关管宽度，进一步有效提高开关电源电路在中低电流负载情况下的电源转换效率等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种开关电源开关管的控制装置及控制方法，用于解决现有技术无法以较小的电路规模和功耗，实现动态调节开关电源开关管宽度，进一步有效提高开关电源电路在中低电流负载情况下的电源转换效率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种开关电源开关管的控制装置，所述开关电源开关管的控制装置包括：至少两个开关管电流采样和比较电路，用于生成开关电源中开关管的电流与参考阈值的比较结果；控制电路，与所述开关管电流采样和比较电路连接，用于根据多个所述比较结果，将开关电源中开关管的电流划分至不同的数值范围内，并结合确定的数值范围向开关管组合方式不同的驱动电路发出驱动信号；驱动电路，与所述控制电路连接，用于通过所述驱动信号驱动不同宽度的开关管。

于本发明的一实施例中，所述开关电源开关管的控制装置包括第一开关管电流采样和比较电路和第二开关管电流采样和比较电路；所述第一开关管电流采样和比较电路的第一比较输出端与所述控制电路连接，用于将第一比较结果传送至所述控制电路；所述第二开关管电流采样和比较电路的第二比较输出端与所述控制电路连接，用于将第二比较结果传送至所述控制电路。

于本发明的一实施例中，所述控制电路根据所述第一比较结果和所述第二比较结果将所述开关电源中开关管的电流划分至相应的数值范围内。

于本发明的一实施例中，所述第一开关管电流采样和比较电路设有第一参考阈值，所述第二开关管电流采样和比较电路设有第二参考阈值；其中，所述第一参考阈值小于所述第二参考阈值；所述控制电路将小于或等于所述第一参考阈值设为第一数值范围，将大于所述第一参考阈值且小于所述第二参考阈值设为第二数值范围，将大于或等于所述第二参考阈值设为第三数值范围。

于本发明的一实施例中，所述驱动电路包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元；所述第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元并联连接，用于组合出不同倍数的开关管进行导通。

于本发明的一实施例中，在所述开关电源中开关管的电流处于所述第一数值范围内时，所述控制电路控制所述第一驱动单元中的开关管工作；在所述开关电源中开关管的电流处于所述第二数值范围内时，所述控制电路控制所述第一驱动单元和所述第二驱动单元中的开关管工作；在所述开关电源中开关管的电流处于所述第三数值范围内时，所述控制电路控制所述第一驱动单元、所述第二驱动单元和所述第三驱动单元中的开关管工作。

于本发明的一实施例中，所述第一驱动单元包括第一上管缓冲器、第一开关上管、第一下管缓冲器和第一开关下管；所述第一上管缓冲器用于接收所述控制电路发出的第一开关上管的通断控制信号，增大驱动力以驱动所述第一驱动上管；所述第一下管缓冲器用于接收所述控制电路发出的第一开关下管的通断控制信号，增大驱动力以驱动所述第一驱动下管。

于本发明的一实施例中，所述驱动电路与电源变换电路连接，用于切换所述电源变换电路中储能电感的工作状态；所述电源变换电路包括升压电路和/或降压电路。

本发明另一方面提供一种开关电源开关管的控制方法，所述开关电源开关管的控制方法包括：生成开关电源中开关管的电流与参考阈值的比较结果；根据多个所述比较结果，将开关电源中开关管的电流划分至不同的数值范围内，并结合确定的数值范围向开关管组合方式不同的驱动电路发出驱动信号；通过所述驱动信号驱动不同宽度的开关管。

于本发明的一实施例中，所述开关电源开关管的控制方法还包括：按照预设周期持续采集所述开关电源中开关管的电流，并生成开关电源中开关管的电流与参考阈值的比较结果，以根据所述比较结果对需要导通的开关管个数进行动态调整。

如上所述，本发明所述的开关电源开关管的控制装置及控制方法，具有以下有益效果：

本发明通过检测开关管的电流，并根据驱动电流落入的数值范围对不同数目的开关管进行控制，可以在较少的电路规模和功耗下实现动态调节开关管及其内部驱动器的目的，从而提高了开关电源电路的电源转换效率。进一步地，在不同温度、不同电源电压、不同工艺角、不同芯片的情况下都能具备更好的性能和一致性。

附图说明

图1显示为本发明的开关电源开关管的控制装置于一实施例中的电路结构图。

图2显示为本发明的开关电源开关管的控制装置于一实施例中的驱动电路图。

图3显示为本发明的开关电源开关管的控制装置于一实施例中的放大器电路图。

图4显示为本发明的开关电源开关管的控制装置于一实施例中的应用电路图。

图5显示为本发明的开关电源开关管的控制方法于一实施例中的原理流程图。

元件标号说明

11 开关管电流采样和比较电路

12 控制电路

13 驱动电路

S51～S53 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明所述的开关电源开关管的控制方法采用了电流镜电路进行电流密度采样，同时对采样结果进行判断，进而控制开关管的宽度，以提高开关电源的转换效率。在电路工作状态，此控制电路保持后台持续工作，无论负载及电源如何变化，都一直持续调节，具有广泛适应性。

以下将结合图1至图5详细阐述本实施例的一种开关电源开关管的控制装置及控制方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的开关电源开关管的控制装置及控制方法。

请参阅图1，显示为本发明的开关电源开关管的控制装置于一实施例中的电路结构图。如图1所示，所述开关电源开关管的控制装置包括：至少两个开关管电流采样和比较电路11、控制电路12和驱动电路13。

所述开关管电流采样和比较电路11用于生成开关电源中开关管的电流与参考阈值的比较结果。

于一实施例中，以所述开关电源开关管的控制装置中包括两个开关管电流采样和比较电路为例。需要说明的是，在不同的实施例中，基于检测原理和控制原理不变的条件下，将两个以上的开关管电流采样和比较电路以及不同个数的开关管应用于开关电源开关管的控制装置中均在本发明保护的范围内。

在本实施例中，所述开关电源开关管的控制装置包括第一开关管电流采样和比较电路和第二开关管电流采样和比较电路。

请参阅图2，显示为本发明的开关电源开关管的控制装置于一实施例中的驱动电路图。如图2所示，所述第一开关管电流采样和比较电路的第一比较输出端(Comp1的输出端)与所述控制电路连接，用于将第一比较结果传送至所述控制电路。

所述第二开关管电流采样和比较电路的第二比较输出端(Comp2的输出端)与所述控制电路连接，用于将第二比较结果传送至所述控制电路。晶体管Q1与晶体管Q3还有第一驱动单元中的开关上管构成电流镜电路，以采样第一驱动单元中开关上管的电流值并使不同的开关管电流采样和比较电路采集到的电流相等。

如图2所示，第一开关管电流采样和比较电路包括晶体管Q1、晶体管Q2、放大器AMP1、采样电阻R_H、采样开关S1、采样保持电容C1、比较器Comp1。放大器AMP1的正向输入端为Sample点的电压，放大器AMP1与晶体管Q2形成反馈，，以保证Q1的漏端电压与Sample点电压相等，从而使得Q1电流准确地镜像第一驱动单元中的开关管电流。然后将镜像电流输入采样电阻R_H，通过采样开关S1、采样保持电容C1、比较器Comp1对采样电阻R_H上端的电压进行采样，并通过比较器Comp1与设定的第一参考阈值Vref_H进行比较，将第一比较结果输入控制电路。

如图2所示，第二开关管电流采样和比较电路包括晶体管Q3、晶体管Q4、放大器AMP2、采样电阻R_L、采样开关S2、采样保持电容C2、比较器Comp2。放大器AMP2的正向输入端为Sample点的电压，放大器AMP2与晶体管Q4形成反馈，，以保证Q3的漏端电压与Sample点电压相等，从而使得Q3电流准确地镜像第一驱动单元中的开关管电流。然后将镜像电流输入采样电阻R_L，通过采样开关S2、采样保持电容C2、比较器Comp2对采样电阻R_L上端的电压进行采样，并通过比较器Comp2与设定的第二参考阈值Vref_L进行比较，将第二比较结果输入控制电路。

请参阅图3，显示为本发明的开关电源开关管的控制装置于一实施例中的放大器电路图。如图3所示，呈现了放大器AMP1、放大器AMP2的内部电路结构。该电路结构为共栅极放大器。其中，inn为放大器AMP1、放大器AMP2的负向输入端，inp为放大器AMP1、放大器AMP2的正向输入端，vbias为放大器AMP1、放大器AMP2的共栅极，提供一个偏置电压。Vout为放大器AMP1和AMP2的输出。

所述控制电路12与所述开关管电流采样和比较电路11连接，用于根据多个所述比较结果，将开关电源中开关管的电流划分至不同的数值范围内，并结合确定的数值范围向开关管组合方式不同的驱动电路发出驱动信号。

在本实施例中，所述控制电路根据所述第一比较结果和所述第二比较结果将所述开关电源中开关管的电流划分至相应的数值范围内。

在本实施例中，所述第一开关管电流采样和比较电路设有第一参考阈值，所述第二开关管电流采样和比较电路设有第二参考阈值；其中，所述第一参考阈值小于所述第二参考阈值。

所述控制电路将小于或等于所述第一参考阈值设为第一数值范围，将大于所述第一参考阈值且小于所述第二参考阈值设为第二数值范围，将大于或等于所述第二参考阈值设为第三数值范围。

需要说明的是，具体划分为几个数值范围与开关管电流采样和比较电路的个数有关，例如，2个参考阈值可以划分出3个数值范围，5个参考阈值可以划分出6个数值范围。根据数值范围的数目不同，开关管组数也相应不同，基于所述开关电源开关管的控制装置原理不变的情况下，进行部分电路的数目调整仅在本发明保护的范围内。

所述驱动电路13与所述控制电路连12接，用于通过所述驱动信号驱动不同宽度的开关管。

在本实施例中，所述驱动电路包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元。

所述第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元并联连接，用于组合出不同倍数的开关管进行导通。

在本实施例中，在所述开关电源中开关管的电流处于所述第一数值范围内时，所述控制电路控制所述第一驱动单元中的开关管导通。

在所述开关电源中开关管的电流处于所述第二数值范围内时，所述控制电路控制所述第一驱动单元和所述第二驱动单元中的开关管导通。

在所述开关电源中开关管的电流处于所述第三数值范围内时，所述控制电路控制所述第一驱动单元、所述第二驱动单元和所述第三驱动单元中的开关管导通。

在本实施例中，所述第一驱动单元包括第一上管缓冲器、第一开关上管、第一下管缓冲器和第一开关下管。

所述第一上管缓冲器用于接收所述控制电路发出的第一驱动上管的通断控制信号，增大驱动力以驱动所述第一驱动上管。

所述第一下管缓冲器用于接收所述控制电路发出的第一驱动下管的通断控制信号，增大驱动力以驱动所述第一驱动下管。

需要说明的是，所述第二驱动单元、第三驱动单元、扩展的三个以上数目的驱动单元与第一驱动单元的电路结构同理，由此不再赘述。

请继续参阅图2，所述第一驱动单元包括缓冲器U1和与之连接的A组上管、缓冲器U4和与之连接的A组下管。所述第二驱动单元包括缓冲器U2和与之连接的B组上管、缓冲器U5和与之连接的B组下管。所述第三驱动单元包括缓冲器U3和与之连接的C组上管、缓冲器U6和与之连接的C组下管。

由此可知，所述开关电源开关管的控制装置对开关管电流密度进行采样，根据其电流密度值，数字控制逻辑进行开关管宽度调节，使开关管的电流密度始终在一个合适的范围。电流密度偏低时，关闭部分开关管，以降低功耗，提高开关电源转换效率。当电流密度偏高时，打开更多开关管，以降低导通阻抗，提高开关电源转换效率。另一方面，开关管数目的动态调整也相应的降低了与之相连的缓冲器的功耗。

在本实施例中，所述驱动电路与电源变换电路连接，用于切换所述电源变换电路中储能电感的工作状态；所述电源变换电路包括升压电路和/或降压电路。

请参阅图4，显示为本发明的开关电源开关管的控制装置于一实施例中的应用电路图。如图4所示，该电路为BUCK降压电路，将开关电源开关管的控制装置应用于BUCK降压电路中，图2中的Sample与图4中的SW等效为一个点进行连接，电感L为储能电感，电容C为充电电容，R为负载，图4中的Control logic为图2中控制电路输出的数字逻辑信号，即开关管的通断控制信号。由此，SW左侧的两个缓冲器和上下管则为第一驱动单元、第二驱动单元和/或第三驱动单元。需要说明的是，图4仅为应用电路的示意，具体的可根据电路中开关管个数对该电路作适应性调整。

本发明所述的开关电源开关管的控制装置的工作过程如下：

(1)通过电流镜的方式从输出PMOS开关管(第一驱动单元的开关上管)采样电流，R_H和R_L电阻值不同，产生不同的电压值，Vref_H大于Vref_L。当电流值偏低时(即R_L上的电压小于或等于Vref_L)，Comp1和Comp2输出都是低，当电流值偏高时(即R_H上的电压大于或等于Vref_H)，Comp1和Comp2输出都是高，在电流密度适中时(即R_L上的电压大于Vref_L，同时R_H上的电压小于Vref_H)，Comp1输出为低，Comp2输出为高。

(2)比较器结果输出给控制电路，控制电路输出数字逻辑信号，即使能信号给开关管的内部驱动器，开关管及内部驱动器的宽度以二进制方式逐个变大。当检测到电流偏低时，控制逻辑的二进制输出信号减半，使导通的开关管减半，例如只导通A组，降低驱动器的功耗，从而提高开关电源的功耗；当检测到电流偏高时，数字逻辑信号的二进制输出信号变为原来两倍，使导通的开关管加倍，例如，导通A组、B组和C组，降低开关管的导通阻抗，从而提高电源到负载的电源转换效率。

具体地，以两个开关管电流采样和比较电路和两个参考阈值为例，此时对应三个驱动单元，可以相应产生三个二进制输出信号。当R_L上采集的电压小于或等于Vref_L时，Comp1和Comp2输出都是低，此时控制电路内部可产生二进制输出信号001，该信号发送至控制电路内部负责发出通断指令的单元，以选定A组进行驱动；当R_L上采集的电压大于Vref_L且R_H上采集的电压小于Vref_H时，Comp1输出为低，Comp2输出为高，此时控制电路内部可产生二进制输出信号010，该信号发送至控制电路内部负责发出通断指令的单元，以选定A组和B组进行驱动；当R_H上采集的电压大于或等于Vref_H时，Comp1和Comp2输出都是高，此时控制电路内部可产生二进制输出信号100，该信号发送至控制电路内部负责发出通断指令的单元，以选定A组、B组和C组进行驱动。

(3)开关电源内部时钟控制电路每周期检测一次电流，在电路工作时，无论负载如何变化，始终保持动态控制，使开关电源电路的转换效率始终处于较高水平，同时也提高了芯片之间的一致性。

请参阅图5，显示为本发明的开关电源开关管的控制方法于一实施例中的原理流程图。如图5所示，所述开关电源开关管的控制方法具体包括以下几个步骤：

S51，生成开关电源中开关管的电流与参考阈值的比较结果。

S52，根据多个所述比较结果，将开关电源中开关管的电流划分至不同的数值范围内，并结合确定的数值范围向开关管组合方式不同的驱动电路发出驱动信号。

S53，通过所述驱动信号驱动不同宽度的开关管。

于一实施例中，所述开关电源开关管的控制方法还包括：

按照预设周期持续采集所述开关电源中开关管的电流，并生成开关电源中开关管的电流与参考阈值的比较结果，以根据所述比较结果对需要导通的开关管个数进行动态调整。

本发明所述的开关电源开关管的控制方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明所述开关电源开关管的控制装置及控制方法通过检测开关管的电流，并根据驱动电流落入的数值范围对不同数目的开关管进行控制，可以在较少的电路规模和功耗下实现动态调节开关管及其内部驱动器的目的，从而提高了开关电源电路的电源转换效率。进一步地，在不同温度、不同电源电压、不同工艺角、不同芯片的情况下都能具备更好的性能和一致性。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种开关电源开关管的控制装置，其特征在于，所述开关电源开关管的控制装置包括：

至少两个开关管电流采样和比较电路，用于生成开关电源中开关管的电流与不同参考阈值的比较结果；

控制电路，与所述开关管电流采样和比较电流采样和比较电路连接，用于根据多个所述比较结果，将开关电源中开关管的电流划分至不同的数值范围内，并结合确定的数值范围向开关管组合方式不同的驱动电路发出驱动信号；

驱动电路，与所述控制电路连接，用于通过所述驱动信号驱动不同宽度的开关管。

2.根据权利要求1所述的开关电源开关管的控制装置，其特征在于：所述开关电源开关管的控制装置包括第一开关管电流采样和比较电路和第二开关管电流采样和比较电路；

所述第一开关管电流采样和比较电路的第一比较输出端与所述控制电路连接，用于将第一比较结果传送至所述控制电路；

所述第二开关管电流采样和比较电路的第二比较输出端与所述控制电路连接，用于将第二比较结果传送至所述控制电路。

3.根据权利要求2所述的开关电源开关管的控制装置，其特征在于：

所述控制电路根据所述第一比较结果和所述第二比较结果将所述开关电源中开关管的电流划分至相应的数值范围内。

4.根据权利要求3所述的开关电源开关管的控制装置，其特征在于：所述第一开关管电流采样和比较电路设有第一参考阈值，所述第二开关管电流采样和比较电路设有第二参考阈值；其中，所述第一参考阈值小于所述第二参考阈值；

所述控制电路将小于或等于所述第一参考阈值设为第一数值范围，将大于所述第一参考阈值且小于所述第二参考阈值设为第二数值范围，将大于或等于所述第二参考阈值设为第三数值范围。

5.根据权利要求4所述的开关电源开关管的控制装置，其特征在于：

所述驱动电路包括第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元；

所述第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元并联连接，用于组合出不同倍数的开关管进行导通。

6.根据权利要求5所述的开关电源开关管的控制装置，其特征在于：

在所述开关电源中开关管的电流处于所述第一数值范围内时，所述控制电路控制所述第一驱动单元中的开关管工作；

在所述开关电源中开关管的电流处于所述第二数值范围内时，所述控制电路控制所述第一驱动单元和所述第二驱动单元中的开关管工作；

在所述开关电源中开关管的电流处于所述第三数值范围内时，所述控制电路控制所述第一驱动单元、所述第二驱动单元和所述第三驱动单元中的开关管工作。

7.根据权利要求5所述的开关电源开关管的控制装置，其特征在于：

所述第一驱动单元包括第一上管缓冲器、第一开关上管、第一下管缓冲器和第一开关下管；

所述第一上管缓冲器用于接收所述控制电路发出的第一开关上管的通断控制信号，增大驱动力以驱动所述第一开关上管；

所述第一下管缓冲器用于接收所述控制电路发出的第一开关下管的通断控制信号，增大驱动力以驱动所述第一开关下管。

8.根据权利要求1所述的开关电源开关管的控制装置，其特征在于：

所述驱动电路与电源变换电路连接，用于切换所述电源变换电路中储能电感的工作状态；所述电源变换电路包括升压电路和/或降压电路。

9.一种开关电源开关管的控制方法，其特征在于，所述开关电源开关管的控制方法包括：

生成开关电源中开关管的电流与不同参考阈值的比较结果；

根据多个所述比较结果，将开关电源中开关管的电流划分至不同的数值范围内，并结合确定的数值范围向开关管组合方式不同的驱动电路发出驱动信号；

通过所述驱动信号驱动不同宽度的开关管。

10.根据权利要求9所述的开关电源开关管的控制方法，其特征在于，所述开关电源开关管的控制方法还包括：

按照预设周期持续采集所述开关电源中开关管的电流，并生成开关电源中开关管的电流与参考阈值的比较结果，以根据所述比较结果对需要导通的开关管个数进行动态调整。