CN114389452A - 开关变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种开关变换器及其控制电路和控制方法。控制电路采用第一导通时间控制电路获得第一导通时间，采用PWM比较器将直流输出电压的误差信号相关的叠加信号与直流输出电压相关的反馈信号相比较，以产生中间信号，并根据中间信号和第一导通时间自适应调整开关变换器的开关管的导通时间，从而可以保证开关变换器在负载端出现电压跌落事件时增大开关管的导通时间，提高开关变换器的瞬态性能。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，更具体地，涉及一种开关变换器及其控制电路和控制方法。
背景技术
在电子***中已经广泛地使用开关变换器，用于产生内部电路模块或者负载所需的工作电压和电流。开关变换器采用功率开关管控制输入端向输出端的电能传输，因而可以在输出端提供恒定的输出电压和/或输出电流。在开关变换器中，基于纹波的恒定导通时间控制方法具有良好的轻载效率、快速的瞬态响应和易于实现的优点，因而近年来得到广泛的应用。
图1示出根据现有技术的一种开关变换器的示意性电路图。开关变换器100包括主电路和控制电路，主电路包括串联连接在输入端和接地端之间的开关管MD1和MD2，电感Lx连接在开关管MD1和MD2的中间节点和输出端之间，输出电容Co连接在输出端和接地端之间。开关变换器100的输入端接收直流输入电压Vin，输出端提供直流输出电压Vout。开关变换器100的控制电路用于向开关管MD1和MD2提供开关控制信号。
在开关变换器100的控制电路中，导通时间控制电路110设定开关周期Tsw的固定导通时间Ton，从而产生复位信号。最小关断时间控制电路120设定与预定输出电压和预定负载相对应的最小关断时间Toff_min(或最大开关频率)。误差放大器EA根据直流输出电压Vout的反馈信号FB和参考电压Vref得到误差信号Vc，PWM比较器131将误差信号Vc与反馈信号FB进行比较以获得中间信号。与非门132的两个输入端分别接收比较器输出的中间信号和最小关断时间Toff_min，输出端提供置位信号。RS触发器140根据复位信号和置位信号产生脉宽调制信号PWM。驱动电路150将脉宽调制信号PWM转换成开关控制信号以控制开关管MD1和MD2的导通状态。
当反馈信号FB小于等于误差信号Vc时，导通时间控制电路110设定固定导通时间，使得开关控制信号的导通时间为固定值。当反馈信号FB大于误差信号Vc时，开关控制信号的关断信号有效，从而根据直流输出电压Vout进行动态调整关断时间，该关断时间大于最小关断时间Toff_min。
然而，在一些应用中需要在开关变换器100的输出端使用低ESR(EquivalentSeries Resistance，等效串联电阻)电容(例如陶瓷电容)作为输出电容。由于这种类型的输出滤波器即使在存在大量噪声的情形下也会产生很小的输出纹波，并且电容纹波相比于电感纹波存在相位延迟，因此会在***中发生次谐波振荡，所以可能会导致控制***不稳定的问题。而在开关变换器100的输出端使用ESR较大的电容(例如电解电容)作为输出电容不仅会增大电路面积和成本，而且会导致输出电压的纹波增大而出现大的波动，影响后级电路的正常工作。
此外，现有技术的开关变换器100的瞬态响应较慢，当负载端出现大电压跌落事件时，会造成输出端电压的变化，限制了这种控制模型在需要快速瞬态响应的领域的应用。并且由于开关控制信号的导通时间的限制，开关变换器100无法在输入电压Vin和输出电压Vout接近时提供稳定的供电，降低了开关变换器的整体效率。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种开关变换器及其控制电路和控制方法，可以在负载端出现电压跌落事件时增大开关管的导通时间，提高开关变换器的瞬态性能。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压，其中，所述控制电路包括：第一导通时间控制电路，用于产生第一导通时间；PWM比较器，用于将所述直流输出电压的误差信号相关的叠加信号与所述直流输出电压相关的反馈信号相比较，以产生中间信号；逻辑电路，用于分别根据所述中间信号和所述第一导通时间产生置位信号和复位信号，并根据所述置位信号和所述复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得导通时间，采用所述置位信号获得与所述直流输出电压相关的关断时间；以及驱动电路，将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，以控制所述至少一个开关管的导通状态，其中，所述逻辑电路基于所述中间信号和所述第一导通时间自适应地调整所述导通时间。
可选的，所述逻辑电路包括：第一与非门，第一输入端和第二输入端分别接收所述中间信号和最小关断时间，输出端提供所述置位信号，所述最小关断时间为固定时间段；以及RS触发器，分别根据所述置位信号和所述复位信号产生所述脉宽调制信号。
可选的，所述控制电路还包括：第二导通时间控制电路，用于产生第二导通时间，其中，所述逻辑电路基于所述中间信号、所述第一导通时间以及所述第二导通时间调整所述导通时间。
可选的，所述逻辑电路根据所述中间信号的高电平时间、所述第一导通时间以及所述第二导通时间中的最大值确定所述导通时间。
可选的，所述逻辑电路还包括：第二与非门，第一输入端和第二输入端分别接收所述第一导通时间和所述第二导通时间，输出端提供所述复位信号。
可选的，所述控制电路还包括：最小关断时间控制电路，用于产生所述最小关断时间，所述关断时间大于所述最小关断时间。
可选的，所述控制电路还包括：误差信号生成电路，用于将所述反馈信号与参考电压进行比较以获得所述误差信号。
可选的，所述误差信号生成电路包括：误差放大器，反相输入端和同相输入端分别接收所述反馈信号和所述参考电压，输出端用于提供所述误差信号；以及第一电容，第一端与所述误差放大器的输出端连接，第二端接地。
可选的，所述误差信号生成电路还包括：依次连接于所述误差放大器的输出端和地之间的补偿电阻和补偿电容。
可选的，所述控制电路还包括：补偿电路，用于在所述开关变换器的电感电流下降阶段产生斜坡信号，所述PWM比较器将所述误差信号和所述斜坡信号的叠加信号与所述反馈信号进行比较，从而产生所述中间信号。
可选的，所述补偿电路包括：斜坡信号产生模块，根据所述脉宽调制信号和所述直流输出电压产生所述斜坡信号；以及电压增益模块，用于对所述斜坡信号进行增益放大。
可选的，所述斜坡信号产生模块包括：依次连接于所述直流输出电压和地之间的第一开关、第一电阻和第二开关；以及第二电容，第一端与所述第一电阻和第二开关的中间节点连接，第二端接地，其中，在所述第一开关和所述第二开关分别受控于所述脉宽调制信号的反相信号和所述脉宽调制信号，以在所述脉宽调制信号的下降沿开始的第一时间段采用所述直流输出电压对所述第二电容充电，在所述脉宽调制信号的上升沿开始的第二时间段对所述第二电容进行放电，以获得所述斜坡信号。
可选的，所述第一导通时间等于所述直流输出电压和所述直流输入电压的比值与所述开关变换器的开关周期的乘积。
可选的，所述第二导通时间等于一常数与所述直流输入电压和所述直流输入电压的电压差的比值。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种开关变换器，包括：主电路，采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压；以及上述的控制电路，用于产生开关控制信号以控制所述至少一个开关管的导通状态。
可选的，所述主电路采用选自以下任一种的拓扑结构：降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种开关变换器的控制方法，所述开关变换器采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压，其中，所述控制方法包括：产生第一导通时间；将所述直流输出电压的误差信号相关的叠加信号与所述直流输出电压相关的反馈信号相比较，以产生中间信号；分别根据所述中间信号和所述第一导通时间产生置位信号和复位信号，并根据所述置位信号和所述复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得导通时间，采用所述置位信号获得与所述直流输出电压相关的关断时间；以及将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，以控制所述至少一个开关管的导通状态，其中，所述控制方法还包括：基于所述中间信号和所述第一导通时间自适应地调整所述导通时间。
可选的，所述基于所述中间信号和所述第一导通时间自适应地调整所述导通时间包括：当所述中间信号的高电平时间小于/等于所述第一导通时间时，根据所述第一导通时间控制所述导通时间，以及当所述中间信号的高电平时间大于所述第一导通时间时，根据所述中间信号控制所述导通时间。
可选的，所述控制方法还包括：产生第二导通时间，根据所述中间信号的高电平时间、所述第一导通时间以及所述第二导通时间中的最大值确定所述导通时间。
可选的，所述控制方法还包括：在所述开关变换器的电感电流下降阶段根据所述直流输出电压产生斜坡信号，以及将所述误差信号和所述斜坡信号进行叠加以得到所述叠加信号。
可选的，所述在所述开关变换器的电感电流下降阶段根据所述直流输出电压产生斜坡信号包括：在所述脉宽调制信号的下降沿开始的第一时间段采用所述直流输出电压对电容充电；以及在所述脉宽调制信号的上升沿开始的第二时间段对所述电容进行放电，从而获得所述斜坡信号。
可选的，所述第一导通时间等于所述直流输出电压和所述直流输入电压的比值与所述开关变换器的开关周期的乘积。
可选的，所述第二导通时间等于一常数与所述直流输入电压和所述直流输入电压的电压差的比值。
可选的，所述根据所述中间信号产生置位信号包括：分别将所述中间信号和最小关断时间提供至与非门的输入端，从而生成所述置位信号，所述最小关断时间为固定时间段，且所述关断时间大于所述最小关断时间。
本发明实施例的开关变换器及其控制电路和控制方法中，控制电路采用第一导通时间控制电路获得第一导通时间，采用PWM比较器将直流输出电压的误差信号相关的叠加信号与直流输出电压相关的反馈信号相比较，以产生中间信号，并根据中间信号和第一导通时间自适应调整开关变换器的开关管的导通时间，从而可以保证开关变换器在负载端出现电压跌落事件时增大开关管的导通时间，提高开关变换器的瞬态性能。
在进一步的实施例中，控制电路采用第二导通时间控制电路获得第二导通时间，并根据中间信号的高电平时间、第一导通时间和第二导通时间中的最大值调整开关变换器的开关管的导通时间，从而可以在直流输入电压和直流输出电压接近的时候将开关管的导通时间延长，以使得开关变换器可以线性过渡到100％占空比，提高开关变换器的轻载效率和稳定性。
在进一步的实施例中，控制电路采用补偿电路在开关变换器的电感电流下降阶段产生斜坡信号，并根据斜坡信号对误差信号进行补偿，从而使得开关变换器可以使用低ESR的陶瓷电容作为输出电容，有利于维持开关变换器的***稳定和抑制输出纹波，从而可以兼顾开关变换器的稳定性和瞬态性能。进一步的，补偿电路根据直流输出电压自适应调整斜坡信号的幅值，从而可以自适应开关变换器的不同模式，因为可以减少针对不同类型的开关变换器重新设计控制电路的设计成本和制造成本。
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示出根据现有技术的一种开关变换器的示意性电路图；
图2示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性电路图；
图3示出根据本发明实施例的开关变换器中误差信号生成电路的示意性电路图；
图4示出根据本发明实施例的开关变换器中补偿电路的示意性电路图；
图5示出根据本发明实施例的开关变换器在连续电流模式CCM下工作的示意性波形图；
图6示出根据本发明实施例的开关变换器的控制方法的流程图。
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。此外，可能未示出某些公知的部分。
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。
在本申请中，开关管是工作开关模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。开关管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制开关管的导通和关断。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图2示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性电路图。如图2所示，开关变换器200的主电路包括串联连接在输入端和接地端之间的开关管MD1和MD2，电感Lx连接在开关管MD1和MD2的中间节点和输出端之间，输出电容Co连接在输出端和接地端之间。开关变换器200的输入端接收直流输入电压Vin，输出端提供直流输出电压Vout。电阻R1和R2组成的分压网络用于得到直流输出电压Vout的反馈信号FB。
开关变换器200的控制电路用于向开关管MD1和MD2提供开关控制信号。该开关控制信号是根据脉宽调制信号产生的驱动信号。例如，开关管MD1的开关控制信号是脉宽调制信号的同相信号，开关管MD2的开关控制信号是脉宽调制信号的反相信号。
开关变换器200的控制电路包括第一导通时间控制电路210、第二导通时间控制电路220、误差信号生成电路230、PWM比较器240、补偿电路250、最小关断时间控制电路260、逻辑电路270和驱动电路280。
第一导通时间控制电路210用于设定开关周期Tsw的第一导通时间Ton1，第二导通时间控制电路220用于设定开关周期Tsw的第二导通时间Ton2。第一导通时间Ton1和第二导通时间Ton2用于产生复位信号以控制脉宽调制信号PWM的导通时间。
误差信号发生电路230将直流输出电压Vout的反馈信号FB与参考电压Vref进行比较而产生误差信号Vc。
补偿电路240根据直流输出电压Vout和脉宽调制信号PWM在开关变换器200的电感电流下降阶段产生斜坡信号Vramp，并根据所述斜坡信号Vramp对误差信号Vc进行补偿，从而使得开关变换器可以使用低ESR的陶瓷电容作为输出电容，减小电路面积，降低输出电压的纹波。
进一步的，本发明实施例的开关变换器200中的补偿电路240产生的斜坡信号Vramp的斜率不是固定的，其斜率与直流输出电压Vout相关，从而补偿电路240具有自适应斜坡调制的功能。
PWM比较器250进一步将误差信号Vc和斜坡信号Vramp的叠加信号与反馈信号FB进行比较以获得中间信号V1，中间信号V1用于产生置位信号以控制脉宽调制信号PWM的关断时间。
最小关断时间控制电路260用于设定与预定输出电压和预定负载相对应的最小关断时间Toff_min(或最大开关频率)。
逻辑电路270用于分别根据中间信号V1、第一导通时间Ton1和第二导通时间Ton2产生置位信号和复位信号，并根据所述置位信号和复位信号产生脉宽调制信号PWM。
进一步的，逻辑电路270包括与非门271、与非门272以及RS触发器273。与非门271的两个输入端分别接收PWM比较器250的中间信号V1和最小关断时间Toff_min，输出端提供置位信号。与非门272的两个输入端分别接收第一导通时间Ton1和第二导通时间Ton2，输出端提供复位信号。RS触发器273根据置位信号和复位信号产生脉宽调制信号PWM。
驱动电路280将脉宽调制信号PWM转换成开关控制信号以控制开关管MD1和MD2的导通状态。
与图1示出的现有技术的开关变换器不同之处在于，根据本发明实施例的开关变换器200的导通时间不再是固定的，逻辑电路270根据中间信号V1、第一导通时间Ton1和/或第二导通时间Ton2自适应地调整所述导通时间。也即，逻辑电路270根据中间信号V1的高电平时间、第一导通时间Ton1和第二导通时间Ton2中的最大值来确定。
示例的，本实施例的中间信号V1不仅仅控制开关周期Tsw的关断时间，当中间信号V1的高电平时间大于第一导通时间Ton1时，逻辑电路270还根据中间信号V1的高电平时间来控制开关周期Tsw的导通时间，这样可以保证开关变换器的工作时间在一些情况下能够大于第一导通时间Ton1，从而可以满足瞬态响应的要求。
进一步的，设置第一导通时间Ton1为：
Ton1＝Vout/Vin*Tsw
其中，Vout表示直流输出电压的电压值，Vin表示直流输入电压的电压值，Tsw表示开关变换器的开关周期，可以保证开关变换器的工作频率的一致性。
进一步的，设置第二导通时间Ton2为：
Ton2＝A/(Vin-Vout)
其中，A表示预先设置的常数，Vout表示直流输出电压的电压值，Vin表示直流输入电压的电压值，从而可以在直流输入电压Vin和直流输出电压Vout接近的时候，将开关变换器的导通时间延长，以使得开关变换器可以线性过渡到100％占空比。
根据本发明实施例的开关变换器200，当误差信号Vc和斜坡信号Vramp的叠加信号小于反馈信号FB时，开关控制信号的关断信号有效，从而产生根据直流输出电压Vout进行动态调整的关断时间，该关断时间大于最小关断时间。当所述叠加信号增大至反馈信号FB时，PWM比较器250输出中间信号V1为高电平，开关控制信号翻转，开关变换器中的开关管MD1导通，开关管MD2关断。开关变换器200根据第一导通时间Ton1、第二导通时间Ton2或者中间信号V1中的最大值动态设定开关控制信号的导通时间。例如，当负载端出现大的电压跌落事件时，此时中间信号V1的高电平时间大于第一导通时间Ton1和第二导通时间Ton2，开关变换器200根据中间信号V1设定开关控制信号的导通时间。又例如，当开关变换器200工作于轻载状态下时，直流输出电压Vout和直流输入电压Vin无限接近，此时第二导通时间Ton2大于第一导通时间Ton1和中间信号V1的高电平时间，开关变换器200则根据第二导通时间Ton2设定开关控制信号的导通时间。经过动态调节产生的直流输出电压Vout的纹波减小。
图3示出根据本发明实施例的开关变换器中的误差信号生成电路的示意性电路图。如图3所示，误差信号生成电路230包括误差放大器231、电容Cc以及补偿电阻Rea和补偿电容Cea。误差放大器231的反相输入端和同相输入端分别接收所述反馈信号FB和参考电压Vref，输出端用于提供所述误差信号Vc。电容Cc的第一端与误差放大器231的输出端连接，第二端接地。补偿电阻Rea和补偿电容Cea依次串联连接于误差放大器231的输出端和地之间。
图4示出根据本发明实施例的开关变换器中的补偿电路的示意性电路图。如图4所示，补偿电路240包括斜坡信号产生模块241和电压增益放大模块242。斜坡信号产生模块241用于根据所述脉宽调制信号PWM和直流输出电压Vout产生所述斜坡信号Vramp。电压增益模块242用于对所述斜坡信号Vramp进行增益放大。
进一步的，斜坡信号产生模块241包括开关K1、开关K2、电阻Rr以及电容Cr。开关K1、电阻Rr以及开关K2依次串联连接于直流输出电压Vout和地之间，电容Cr的第一端与电阻Rr和开关K2的中间节点连接，第二端接地。其中，开关K1和开关K2分别受控于脉宽调制信号PWM的反相信号和所述脉宽调制信号PWM。
在开关变换器200的每个开关周期Tsw中，开关K1和开关K2均导通和断开一段时间。例如，在所述脉宽调制信号PWM的下降沿开始的第一时间段，开关K1导通，开关K2关断，直流输出电压Vout对电容Cr进行充电，电容Cr两端的电压随时间而逐渐增大，以产生所述斜坡信号Vramp。在所述脉宽调制信号PWM的上升沿开始的第二时间段，开关K1关断，开关K2导通，电容Cr经由开关K2形成的放电路径进行放电。因而，斜坡信号产生模块241可以产生与开关变换器200相同开关周期的斜坡信号。
当开关K1处于导通时，通过直流输出电压Vout向电容Cr提供充电电流，在***运行稳定后，在开关管MD2断开时刻斜坡信号Vramp可以表示为：
Vramp＝Ap*Vout/(Rr*Cr)
其中，Ap表示电压增益放大模块242的增益系数，其为常数，Rr表示电阻Rr的电阻值，Cr表示电容Cr的电容值，可以自适应不同的直流输出电压Vout。
图5示出根据本发明实施例的开关变换器在连续电流模式CCM下工作的示意性波形图。在图中，曲线IL、Vramp、V2、V1、PWM和Vout分别表示开关变换器的电感电流、斜坡信号、斜坡信号与误差信号的叠加信号、中间信号、与开关管MD1相关的脉宽调制信号和直流输出电压。
在该实施例中，开关变换器200工作于连续电流模式CCM，在开关变换器200的开关周期中，电感电流IL在开关管MD2的导通期间始终未过零。
在每个开关周期Tsw中，斜坡信号Vramp在脉宽调制信号PWM的下降沿开始的第一时间段产生并随时间逐渐增大，在脉宽调制信号PWM的上升沿开始的第二时间段减小至零。
中间信号V1在斜坡信号Vramp与误差信号Vc的叠加信号V2增大至反馈信号FB时产生，并在所述叠加信号V2大于反馈信号FB期间维持在高电平。
在开关变换器200的控制电路中，逻辑电路270将中间信号V1的高电平时间、第一导通时间Ton1和第二导通时间Ton2进行比较，并根据三者中的最大值确定脉宽调制信号PWM的导通时间。该控制电路可以改善开关变换器的瞬态响应问题，以及采用补偿电路引入附加的斜坡信号Vramp。该斜坡信号Vramp可以根据直流输出电压Vout进行自适应调节，从而可以在开关变换器中使用低ESR的陶瓷电容作为输出电容，维持***稳定和抑制输出纹波。
图6示出根据本发明实施例的开关变换器的控制方法的流程图。该开关变换器例如是图2所示的开关变换器，该开关变换器工作在连续电流模式CCM下。
在步骤S01中，产生第一导通时间。
在步骤S02中，将直流输出电压的误差信号相关的叠加信号与直流输出电压相关的反馈信号相比较，产生中间信号。
在步骤S03中，分别根据中间信号和第一导通时间产生置位信号和复位信号，并根据置位信号和复位信号产生脉宽调制信号。例如，根据第一导通时间产生固定周期的复位信号，根据中间信号产生置位信号，以获得与直流输出电压相关的关断时间。
在步骤S04中，将脉宽调制信号转换成开关控制信号，所述开关控制信号用于控制开关变换器中至少一个开关管的导通状态。
在上述步骤S03中还包括基于中间信号和第一导通时间自适应地调整开关控制信号的导通时间。例如，当所述中间信号的高电平时间小于/等于所述第一导通时间时，根据所述第一导通时间控制所述开关控制信号的导通时间，以及当所述中间信号的高电平时间大于所述第一导通时间时，所述中间信号不仅仅用于控制开关控制信号的关断时间，而且用于控制开关控制信号的导通时间。
进一步的，上述控制方法还包括产生第二导通时间，在上述步骤S03中根据中间信号的高电平时间、第一导通时间以及第二导通时间中的最大值确定所述开关控制信号的导通时间。
进一步的，上述控制方法还包括在开关变换器的电感电流下降阶段根据所述直流输出电压产生斜坡信号，以及将所述误差信号和所述斜坡信号进行叠加以得到所述叠加信号。例如，在脉宽调制信号的下降沿开始的第一时间段采用所述直流输出电压对电容充电，在脉宽调制信号的上升沿开始的第二时间段对电容进行放电，从而获得所述斜坡信号。
进一步的，设置第一导通时间为：
Ton1＝Vout/Vin*Tsw
其中，Vout表示直流输出电压的电压值，Vin表示直流输入电压的电压值，Tsw表示开关变换器的开关周期，可以保证开关变换器的工作频率的一致性。
进一步的，设置第二导通时间为：
Ton2＝A/(Vin-Vout)
其中，A表示预先设置的常数，Vout表示直流输出电压的电压值，Vin表示直流输入电压的电压值，从而可以在直流输入电压Vin和直流输出电压Vout接近的时候，将开关变换器的导通时间延长，以使得开关变换器可以线性过渡到100％占空比。
进一步的，上述步骤S03还包括分别将所述中间信号和最小关断时间提供至与非门的输入端，从而生成所述置位信号，所述最小关断时间为固定时间段，且所述关断时间大于所述最小关断时间。
综上所述，本发明实施例的开关变换器及其控制电路和控制方法中，控制电路采用第一导通时间控制电路获得第一导通时间，采用PWM比较器将直流输出电压的误差信号相关的叠加信号与直流输出电压相关的反馈信号相比较，以产生中间信号，并根据中间信号和第一导通时间自适应调整开关变换器的开关管的导通时间，从而可以保证开关变换器在负载端出现电压跌落事件时增大开关管的导通时间，提高开关变换器的瞬态性能。
在进一步的实施例中，控制电路采用第二导通时间控制电路获得第二导通时间，并根据中间信号的高电平时间、第一导通时间和第二导通时间中的最大值调整开关变换器的开关管的导通时间，从而可以在直流输入电压和直流输出电压接近的时候将开关管的导通时间延长，以使得开关变换器可以线性过渡到100％占空比，提高开关变换器的轻载效率和稳定性。
在进一步的实施例中，控制电路采用补偿电路在开关变换器的电感电流下降阶段产生斜坡信号，并根据斜坡信号对误差信号进行补偿，从而使得开关变换器可以使用低ESR的陶瓷电容作为输出电容，有利于维持开关变换器的***稳定和抑制输出纹波，从而可以兼顾开关变换器的稳定性和瞬态性能。进一步的，补偿电路根据直流输出电压自适应调整斜坡信号的幅值，从而可以自适应开关变换器的不同模式，因为可以减少针对不同类型的开关变换器重新设计控制电路的设计成本和制造成本。
在上述实施例中，尽管结合图2描述了降压型拓扑结构的开关变换器，然而，可以理解，本发明实施例的控制电路也可以用于其他拓扑结构的开关变换器中，包括但不限于降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型等拓扑结构。
在以上的描述中，对公知的结构要素和步骤并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来实现相应的结构要素和步骤。另外，为了形成相同的结构要素，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述各实施例，但是这不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
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 (24)
1.一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压，其中，所述控制电路包括：
第一导通时间控制电路，用于产生第一导通时间；
PWM比较器，用于将所述直流输出电压的误差信号相关的叠加信号与所述直流输出电压相关的反馈信号相比较，以产生中间信号；
逻辑电路，用于分别根据所述中间信号和所述第一导通时间产生置位信号和复位信号，并根据所述置位信号和所述复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得导通时间，采用所述置位信号获得与所述直流输出电压相关的关断时间；以及
驱动电路，将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，以控制所述至少一个开关管的导通状态，
其中，所述逻辑电路基于所述中间信号和所述第一导通时间自适应地调整所述导通时间。
2.根据权利要求1所述的控制电路，所述逻辑电路包括：
第一与非门，第一输入端和第二输入端分别接收所述中间信号和最小关断时间，输出端提供所述置位信号，所述最小关断时间为固定时间段；以及
RS触发器，分别根据所述置位信号和所述复位信号产生所述脉宽调制信号。
3.根据权利要求2所述的控制电路，还包括：
第二导通时间控制电路，用于产生第二导通时间，
其中，所述逻辑电路基于所述中间信号、所述第一导通时间以及所述第二导通时间调整所述导通时间。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述逻辑电路根据所述中间信号的高电平时间、所述第一导通时间以及所述第二导通时间中的最大值确定所述导通时间。
5.根据权利要求4所述的控制电路，所述逻辑电路还包括：
第二与非门，第一输入端和第二输入端分别接收所述第一导通时间和所述第二导通时间，输出端提供所述复位信号。
6.根据权利要求2所述的控制电路，还包括：
最小关断时间控制电路，用于产生所述最小关断时间，所述关断时间大于所述最小关断时间。
7.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：
误差信号生成电路，用于将所述反馈信号与参考电压进行比较以获得所述误差信号。
8.根据权利要求7所述的控制电路，所述误差信号生成电路包括：
误差放大器，反相输入端和同相输入端分别接收所述反馈信号和所述参考电压，输出端用于提供所述误差信号；以及
第一电容，第一端与所述误差放大器的输出端连接，第二端接地。
9.根据权利要求8所述的控制电路，所述误差信号生成电路还包括：
依次连接于所述误差放大器的输出端和地之间的补偿电阻和补偿电容。
10.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：
补偿电路，用于在所述开关变换器的电感电流下降阶段产生斜坡信号，所述PWM比较器将所述误差信号和所述斜坡信号的叠加信号与所述反馈信号进行比较，从而产生所述中间信号。
11.根据权利要求10所述的控制电路，所述补偿电路包括：
斜坡信号产生模块，根据所述脉宽调制信号和所述直流输出电压产生所述斜坡信号；以及
电压增益模块，用于对所述斜坡信号进行增益放大。
12.根据权利要求11所述的控制电路，所述斜坡信号产生模块包括：
依次连接于所述直流输出电压和地之间的第一开关、第一电阻和第二开关；以及
第二电容，第一端与所述第一电阻和第二开关的中间节点连接，第二端接地，
其中，在所述第一开关和所述第二开关分别受控于所述脉宽调制信号的反相信号和所述脉宽调制信号，以在所述脉宽调制信号的下降沿开始的第一时间段采用所述直流输出电压对所述第二电容充电，在所述脉宽调制信号的上升沿开始的第二时间段对所述第二电容进行放电，以获得所述斜坡信号。
13.根据权利要求1所述的控制电路，所述第一导通时间等于所述直流输出电压和所述直流输入电压的比值与所述开关变换器的开关周期的乘积。
14.根据权利要求3所述的控制电路，所述第二导通时间等于一常数与所述直流输入电压和所述直流输入电压的电压差的比值。
15.一种开关变换器，包括：
主电路，采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压；以及
根据权利要求1-14任一项所述的控制电路，用于产生开关控制信号以控制所述至少一个开关管的导通状态。
16.根据权利要求15所述的开关变换器，所述主电路采用选自以下任一种的拓扑结构：降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型。
17.一种开关变换器的控制方法，所述开关变换器采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据直流输入电压产生直流输出电压，其中，所述控制方法包括：
产生第一导通时间；
将所述直流输出电压的误差信号相关的叠加信号与所述直流输出电压相关的反馈信号相比较，以产生中间信号；
分别根据所述中间信号和所述第一导通时间产生置位信号和复位信号，并根据所述置位信号和所述复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得导通时间，采用所述置位信号获得与所述直流输出电压相关的关断时间；以及
将所述脉宽调制信号转换成开关控制信号，以控制所述至少一个开关管的导通状态，
其中，所述控制方法还包括：基于所述中间信号和所述第一导通时间自适应地调整所述导通时间。
18.根据权利要求17所述的控制方法，所述基于所述中间信号和所述第一导通时间自适应地调整所述导通时间包括：
当所述中间信号的高电平时间小于/等于所述第一导通时间时，根据所述第一导通时间控制所述导通时间，以及当所述中间信号的高电平时间大于所述第一导通时间时，根据所述中间信号控制所述导通时间。
19.根据权利要求18所述的控制方法，还包括：
产生第二导通时间，根据所述中间信号的高电平时间、所述第一导通时间以及所述第二导通时间中的最大值确定所述导通时间。
20.根据权利要求17所述的控制方法，还包括：
在所述开关变换器的电感电流下降阶段根据所述直流输出电压产生斜坡信号，以及将所述误差信号和所述斜坡信号进行叠加以得到所述叠加信号。
21.根据权利要求20所述的控制方法，所述在所述开关变换器的电感电流下降阶段根据所述直流输出电压产生斜坡信号包括：
在所述脉宽调制信号的下降沿开始的第一时间段采用所述直流输出电压对电容充电；以及
在所述脉宽调制信号的上升沿开始的第二时间段对所述电容进行放电，从而获得所述斜坡信号。
22.根据权利要求17所述的控制方法，所述第一导通时间等于所述直流输出电压和所述直流输入电压的比值与所述开关变换器的开关周期的乘积。
23.根据权利要求19所述的控制方法，所述第二导通时间等于一常数与所述直流输入电压和所述直流输入电压的电压差的比值。
24.根据权利要求17所述的控制方法，所述根据所述中间信号产生置位信号包括：
分别将所述中间信号和最小关断时间提供至与非门的输入端，从而生成所述置位信号，所述最小关断时间为固定时间段，且所述关断时间大于所述最小关断时间。
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