CN114884317A - 开关变换器、及其控制器和控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种开关变换器及其控制器和控制方法。控制器包括比较电路、谷值电流限定电路、峰值电流限定电路、导通时长控制电路以及开关控制电路。比较电路根据代表了输出电压的反馈信号和输出电压参考值相比较，产生电压比较信号。谷值电流限定电路将代表了流过所述开关电路的电流的采样信号和第一电流阈值相比较，产生谷值电流比较信号。峰值电流限定电路根据谷值电流比较信号和开关控制信号产生运算信号，并根据运算信号和第二电流阈值相比较，产生峰值电流比较信号。开关控制电路根据电压比较信号、谷值电流比较信号、峰值电流比较信号、以及导通时长控制信号产生开关控制信号，以控制所述开关电路的导通及关断。

Description

开关变换器、及其控制器和控制方法

技术领域

本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种开关变换器、及其控制器和控制方法。

背景技术

开关变换器因效率高，电流带载能力大等优点而广泛应用于将输入电压转换成输出电压以给负载供电的场合。开关变换器包括至少一个功率开关，通过控制该功率开关的打开和关断得到输出电压。开关变换器包括降压变换器、升压变换器以及反激式变换器等。

在开关变换器中，通常需要对其输出级的电流进行检测。如短路状态发生时，如果流过功率开关或者其它元件的电流大于其所能承受的最大电流限值，功率开关或者其它元件就会损坏。因此，需要对开关变换器中的电流进行检测。

发明内容

因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种开关变换器、及其控制器和控制方法。

根据本发明的实施例，提出了一种开关变换器的控制器，所述开关变换器包括开关电路，所述开关电路在开关控制信号的控制下导通及关断，并将输入电压转换为输出电压，所述控制器包括比较电路，根据代表了输出电压的反馈信号和输出电压参考值相比较，产生电压比较信号；谷值电流限定电路，将代表了流过所述开关电路的电流的采样信号和第一电流阈值相比较，产生谷值电流比较信号；峰值电流限定电路，根据谷值电流比较信号和开关控制信号产生运算信号，并根据运算信号和第二电流阈值相比较，产生峰值电流比较信号；导通时长控制电路，根据开关控制信号产生导通时长控制信号；以及开关控制电路，根据电压比较信号、谷值电流比较信号、峰值电流比较信号、以及导通时长控制信号产生开关控制信号，以控制所述开关电路的导通及关断。

根据本发明的实施例，还提出了一种开关变换器，包括如上所述的控制器。

根据本发明的实施例，还提出了一种开关变换器的控制方法，所述开关变换器包括开关电路，所述开关电路在开关控制信号的控制下，将输入电压转换为输出电压，所述控制方法包括：根据输出电压和输出电压参考值相比较，产生电压比较信号；将流过所述开关电路的电流和第一电流阈值相比较，产生谷值电流比较信号；根据谷值电流比较信号、开关控制信号、以及第二电流阈值产生峰值电流比较信号；以及根据电压比较信号和谷值电流比较信号控制所述开关电路的导通时刻，以及根据峰值电流比较信号和一导通时长控制信号控制所述开关电路的关断时刻。

根据本发明实施例可以较简单的得到开关变换器的输出电流纹波的峰值，从而实现对峰值电流的限制。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：

图1为根据本发明实施例的开关变换器100的电路示意图；

图2A～2B为根据本发明实施例的峰值电流限定电路14的电路示意图；

图3A～3B为根据本发明另一实施例的峰值电流限定电路14的电路示意图；

图4为根据本发明实施例的导通时长控制电路15的电路示意图；

图5为根据本发明实施例的开关控制电路16的示意图；

图6为根据本发明实施例的开关变换器100的波形图；

图7为根据本发明实施例的开关变换器的控制方法流程图700。

在附图中，相同或对应的标号被用以表示相同或对应的元件。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。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。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1为根据本发明实施例的开关变换器100的电路示意图。开关变换器100包括开关电路10和控制器20。开关电路10在开关控制信号PWM的控制下导通及关断，并将输入电压Vin转换为输出电压Vo。在一个实施例中，开关电路10可以是降压变换器的一部分，例如如图1所示，包括上侧开关管S1和下侧开关管S2。本领域技术人员应当理解，本发明也可应用于其它开关变换器的拓扑结构。如图1所示，上侧开关管S1的第一端接收输入电压Vin，下侧开关管S2的第一端耦接至上侧开关管S1的第二端，下侧开关管S2的第二端耦接至参考地，上侧开关管S1和下侧开关管S2在开关控制信号PWM的控制下互补的导通及关断。在一个实施例中，上侧开关管S1和下侧开关管S2为晶体管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在一个实施例中，开关变换器100进一步包括电感Lo、以及电容Co。电感Lo的第一端耦接至上侧开关管S1的第二端和下侧开关管S1的第一端，电感Lo的第二端和电容Co的第一端耦接在一起，提供输出电压Vo，电容Co的第二端耦接至参考地。

控制器20包括比较电路11、谷值电流限定电路12、峰值电流限定电路14、导通时长控制电路15、以及开关控制电路16。比较电路11接收代表了输出电压Vo的反馈信号Vfb、以及输出电压参考值Vref，并将反馈信号Vfb和输出电压参考值Vref相比较，以产生电压比较信号Cmp1。在一个实施例中，比较电路11包括同相输入端、反相输入端、以及输出端。比较电路11的同相输入端接收输出电压参考值Vref，比较电路11的反相输入端接收反馈信号Vfb，比较电路11的输出端提供电压比较信号Cmp1。谷值电流限定电路12接收代表了流过开关电路10的电流的采样信号Ics、以及第一电流阈值ILim，并将采样信号Ics和第一电流阈值ILim相比较，产生谷值电流比较信号OCL。采样信号Ics例如可以代表了流过开关管S1、开关管S2、或电感Lo的电流。在一个实施例中，谷值电流限定电路12包括比较电路，具有同相输入端、反相输入端和输出端，其同相输入端接收采样信号Ics、其反相输入端接收第一电流阈值ILim、其输出端提供谷值电流比较信号OCL。在一个实施例中，当采样信号Ics大于第一电流阈值ILim时，谷值电流比较信号OCL变为高电平。在一个实施例中，如果开关变换器100没有能力直接检测上侧开关管S1的电流，采样信号Ics虽然可以反映真实的电感上的下降电流，但只能模拟电感上的上升电流。在这种情况下，谷值电流限定电路12用于限制电感电流的纹波的谷值。但由于采样信号Ics不能准确的反映电感上的上升电流，因此谷值电流限定电路12不能对电感电流的纹波的峰值进行限制。

在一个实施例中，峰值电流限定电路14用于进一步根据谷值电流比较信号OCL和开关控制信号PWM限制电感电流的纹波的峰值。例如，峰值电流限定电路14根据谷值电流比较信号OCL和开关控制信号PWM产生运算信号An1，并根据运算信号An1和第二电流阈值Prog相比较，产生峰值电流比较信号OCH。当运算信号An1大于第二电流阈值Prog时，认为电感电流的纹波的峰值达到了限制值，开关控制信号PWM控制上侧开关管S1关断。在一个实施例中，峰值电流限定电路14对开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL的逻辑运算结果进行积分得到运算信号An1，例如可以对开关控制信号PWM和谷值比较信号的逻辑与的结果在连续域或在离散域积分。在一个实施例中，峰值电流限定电路14进一步根据开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL对积分复位。

导通时长控制电路15接收开关控制信号PWM，并根据开关控制信号PWM，产生导通时长控制信号COT。在一个实施例中，导通时长控制电路15进一步根据输入电压Vin产生导通时长控制信号COT，以控制开关电路10的导通时长随着输入电压Vin的变化而变化。在一个实施例中，导通时长控制电路15进一步根据输入电压Vin和输出电压Vo产生导通时长控制信号COT，以控制开关电路10的导通时长随着输入电压Vin和输出电压Vo的变化而变化。

开关控制电路16根据电压比较信号Cmp1、谷值电流比较信号OCL、峰值电流比较信号OCH、以及导通时长控制信号COT产生开关控制信号PWM。在一个实施例中，开关控制电路16根据电压比较信号Cmp1和谷值电流比较信号OCL控制开关电路10的导通时刻，以及根据峰值电流比较信号OCH和导通时长控制信号COT控制开关电路10的关断时刻。在一个实施例中，当反馈信号Vfb小于输出电压参考值Vref、且采样信号Ics小于第一电流阈值ILim时，开关控制信号PWM控制开关电路10导通，例如开关控制信号PWM变为高电平。在一个实施例中，当开关电路10的导通时长(例如上侧开关管S1的导通时长)达到由导通时长控制信号COT所预设的时长TON时，或当运算信号An1有效时长大于第二电流阈值Prog时，开关控制信号PWM控制开关电路10关断。

图2A为根据本发明实施例的峰值电流限定电路14在连续域积分的示意图。在图2A所示的实施例中，峰值电流限定电路14包括积分模块141、以及比较模块142。积分模块141接收开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL，并对开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL的逻辑与的结果进行积分运算，得到运算信号An1。运算信号An1例如可以由以下公式(1)表示：

其中，k为系数。本领域技术人员可知，在不偏离本发明实质精神的情况下，开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL的逻辑运算不限于与运算。

在一个实施例中，积分模块141进一步根据开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL的与运算复位。例如当开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL的与运算结果为低电平时，复位积分模块141。比较模块142接收运算信号An1和第二电流阈值Prog，并根据运算信号An1和第二电流阈值Prog相比较，得到峰值电流比较信号OCH。

图2B为根据本发明实施例的峰值电流限定电路14在连续域积分的电路图。在图2B所示的实施例中，积分模块141包括电流源CS1、电容C1、以及开关S3。开关S3在开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL的控制下导通及关断。比较模块142包括比较器CMP。比较器CMP的同相输入端接收电容C1两端的电压VC1，比较器CMP的反相输入端接收第二电流阈值Prog，比较器CMP的输出端根据电压VC1和第二电流阈值Prog的比较结果产生峰值电流比较信号OCH。

在一个实施例中，当开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL的逻辑与(PWM&OCL)为高电平时，开关S3关断，电流源CS1给电容C1充电，电容C1两端的电压VC1增大。直至电压VC1增大至第二电流阈值Prog时，峰值电流比较信号OCH变为高电平，上侧开关管S1关断。在一个实施例中，当开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL的逻辑与(PWM&OCL)为低电平时，开关S3导通，电容C1快速放电至0V。

图3A为根据本发明实施例的峰值电流限定电路14在离散域积分的示意图。在图3A所示的实施例中，积分模块141在离散域实现，运算信号An1例如可以由以下公式(2)表示：

图3B为根据本发明实施例的峰值电流限定电路14在离散域积分的电路图。在图3B所示的实施例中，积分模块141包括与门31、乘法模块32、加法模块33、n位的D触发器34。与门31根据开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL输出与信号A1。乘法模块32将信号A1和系数k相乘，得到乘积信号M1。乘法模块32例如可以通过查找表、累加器等实现。加法模块33根据乘积信号M1和运算信号An1累加，得到n位的累加信号A2。n位的累加信号A2分别送入相应的D触发器34。n位的D触发器34根据n位的累加信号A2产生运算信号An1。在一个实施例中，运算信号An1为n位的数字信号。在一个实施例中，n位的D触发器34根据开关控制信号PWM和谷值电流比较信号OCL的与(PWM&OCL)进行复位。例如当PWM&OCL的反相信号为高电平时，n位的D触发器34复位，运算信号An1复位至等于零。比较模块142接收n位的运算信号An1，并将运算信号An1和第二电流阈值Prog相比较产生峰值电流比较信号。在一个实施例中，第二电流阈值Prog为数字信号。

图4为根据本发明实施例的导通时长控制电路15的电路示意图。在图4所示的实施例中，导通时长控制电路15接收输入电压Vin、输出电压Vo、以及开关控制信号PWM，并输出导通时长控制信号COT。本领域技术人员可以理解，导通时长控制电路15不限于图4所示的具体结构。在如图4所示的实施例中，导通时长控制电路15包括电流源IS1、电容器C1、开关管S3以及比较电路241。电流源IS1的一端接收输入电压Vin，电流源IS1的另一端耦接至电容器C1的一端输出充电电流信号，电容器C1的另一端耦接至参考地。电流源IS1在输入电压Vin的控制下输出充电电流信号，对电容器C1充电。在一个实施例中，电流源IS1输出的充电电流信号的大小和输入电压Vin有关，随着输入电压Vin的增大或减小而增大或减小。开关管S3的第一端耦接至电容器C1和电流源IS1的公共端，开关管S3的第二端耦接至电容器C1的另一端，开关管S3的控制端通过非门N1接收开关控制信号PWM。在一个实施例中，当开关控制信号PWM有效，例如为高电平时，开关管S3关断，电容器C1通过电流源IS1充电，电容器C1两端的电压逐渐增大；当开关控制信号PWM无效，例如为低电平时，开关管S3导通，电容器C1通过开关管S3放电，电容器C1两端的电压减小。在一个实施例中，电容器C1和电流源IS1的公共端的电压Vs代表了电容器C1两端的电压大小。比较电路241的同相输入端接收电容器C1两端的电压Vs，比较电路241的反相输入端接收输出电压Vo，并根据电容器C1两端的电压Vs和输出电压Vo的比较结果输出导通时长控制信号COT。

图5为根据本发明实施例的开关控制电路16的示意图。本领域技术人员可以理解，开关控制电路16不限于图5所示的具体结构。在图5所示的实施例中，开关控制电路16包括逻辑电路161、逻辑电路162、以及逻辑电路163。逻辑电路161接收电压比较信号Cmp1、谷值电流比较信号OCL，并根据电压比较信号Cmp1和谷值电流比较信号OCL产生置位信号SET。逻辑电路162接收峰值电流比较信号OCH、导通时长控制信号COT，并根据峰值电流比较信号OCH和导通时长控制信号COT产生复位信号RESET。逻辑电路163接收置位信号SET、复位信号RESET，并根据置位信号SET和复位信号RESET产生开关控制信号PWM。在一个实施例中，逻辑电路161包括非门N2和与门AND1。非门N2接收谷值电路比较信号OCL。与门AND1包括第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至非门N2的输出端以接收谷值比较信号OCL的反相信号，其第二输入端接收电压比较信号Cmp1，其输出端提供置位信号SET。在一个实施例中，逻辑电路162包括或门电路OR1。或门电路OR1包括第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收导通时长控制信号COT其第二输入端接收峰值电流比较信号OCH，其输出端提供复位信号RESET。在一个实施例中，逻辑电路163包括RS触发器，包括置位输入端S、复位输入端R、以及输出端Q，其置位输入端S接收置位信号SET，其复位输入端R接收复位信号RESET，其输出端提供开关控制信号PWM。

图6为根据本发明实施例的开关变换器100的波形图。图6所示的波形图从上至下依次示出了采样信号Ics、谷值电流比较信号OCL、反馈信号Vfb、开关控制信号PWM、运算信号An1、以及峰值电流比较信号OCH。

在时刻t1，反馈信号Vfb减小至小于输出电压参考值Vref，同时采样信号Ics小于第一电流阈值ILim，开关控制信号PWM从第一状态翻转为第二状态，例如从低电平变为高电平，以控制开关电路10导通，例如控制开关管S1导通、开关管S2关断。在时刻t2，采样信号Ics大于第一电流阈值ILim，谷值电流比较信号OCL翻转，此时开关控制信号PWM仍在第二状态，如保持在高电平，运算信号An1变为高电平。直至t3时刻，开关电路10的导通时长达到预设的时长TON，开关控制信号PWM翻转为第一状态，如变为低电平，以控制开关电路10关断，例如控制开关管S1关断、开关管S2导通，运算信号An1变为低电平。运算信号An1处于高电平的时长小于第二电流阈值Prog，峰值电流比较信号OCH维持原状态不翻转，峰值电流限定电路14不对电感电流起限制作用。在t4时刻，反馈信号Vfb减小至小于输出电压参考值Vref，同时采样信号Ics小于第一电流阈值ILim，开关控制信号PWM从第一状态翻转为第二状态，开关电路10导通，下一个开关周期开始。在t5时刻，采样信号Ics大于第一电流阈值ILim，谷值电流比较信号OCL翻转，运算信号An1变为高电平。直至t6时刻，运算信号An1处于高电平的时长达到第二电流阈值Prog，峰值电流比较信号OCH翻转，例如变为高电平，开关控制信号PWM变为低电平，开关电路10关断。

图7为根据本发明实施例的开关变换器的控制方法流程图700。所述开关变换器包括开关电路，所述开关电路在开关控制信号的控制下，将输入电压转换为输出电压。所述控制方法包括步骤S11～S14。

在步骤S11，根据输出电压和输出电压参考值相比较，产生电压比较信号。

在步骤S12，将流过开关电路的电流和第一电流阈值相比较，产生谷值电流比较信号。

在步骤S13，根据谷值电流比较信号、开关控制信号、以及第二电流阈值产生峰值电流比较信号。

在步骤S14，根据电压比较信号和谷值电流比较信号控制开关电路的导通时刻，以及根据峰值电流比较信号和一导通时长控制信号控制开关电路的关断时刻。

在一个实施例中，所述控制方法进一步包括对开关控制信号和谷值电流比较信号在一定时长内进行积分得到运算信号，并根据所述运算信号和第二电流阈值相比较得到峰值电流比较信号。在一个实施例中，当所述运算信号大于第二电流阈值时，所述开关控制信号控制所述开关电路关断。

要注意的是，在上述的流程图中各步骤的执行顺序不限于图5所示，两个连续的功能框可以同时被执行，或以相反的顺序执行。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种开关变换器的控制器，所述开关变换器包括开关电路，所述开关电路在开关控制信号的控制下导通及关断，并将输入电压转换为输出电压，所述控制器包括：

比较电路，根据代表了输出电压的反馈信号和输出电压参考值相比较，产生电压比较信号；

谷值电流限定电路，将代表了流过所述开关电路的电流的采样信号和第一电流阈值相比较，产生谷值电流比较信号；

峰值电流限定电路，根据谷值电流比较信号和开关控制信号产生运算信号，并根据运算信号和第二电流阈值相比较，产生峰值电流比较信号；

导通时长控制电路，根据开关控制信号产生导通时长控制信号；以及

开关控制电路，根据电压比较信号、谷值电流比较信号、峰值电流比较信号、以及导通时长控制信号产生开关控制信号，以控制所述开关电路的导通及关断。

2.如权利要求1所述的控制器，其中所述峰值电流限定电路对开关控制信号和谷值电流比较信号在一定时长内进行积分得到运算信号，并根据所述运算信号和第二电流阈值相比较得到峰值电流比较信号。

3.如权利要求1所述的控制器，其中所述峰值电流限定电路进一步包括：

逻辑电路，接收开关控制信号和谷值电流比较信号，所述逻辑电路根据开关控制信号和谷值电流比较信号产生运算信号；以及

计时电路，接收运算信号和第二电流阈值，所述计时电路在运算信号的控制下开始计时，当计时时长达到第二电流阈值时，峰值电流比较信号由第一状态变为第二状态。

4.如权利要求1所述的控制器，其中所述开关控制电路根据电压比较信号和谷值电流比较信号控制所述开关电路的导通时刻，以及根据峰值电流比较信号和导通时长控制信号控制所述开关电路的关断时刻。

5.如权利要求4所述的控制器，其中当输出电压小于输出电压参考值、且流过所述开关电路的电流小于第一电流阈值时，所述开关控制信号控制所述开关电路导通。

6.如权利要求4所述的控制器，其中所述峰值电流限定电路对开关控制信号和谷值电流比较信号在一定时长内进行积分得到积分值，当积分值大于第二电流阈值时，所述开关控制信号控制所述开关电路关断。

7.一种开关变换器，包括如权利要求1至6中任一项所述的控制器。

8.一种开关变换器的控制方法，所述开关变换器包括开关电路，所述开关电路在开关控制信号的控制下，将输入电压转换为输出电压，所述控制方法包括：

根据输出电压和输出电压参考值相比较，产生电压比较信号；

将流过所述开关电路的电流和第一电流阈值相比较，产生谷值电流比较信号；

根据谷值电流比较信号、开关控制信号、以及第二电流阈值产生峰值电流比较信号；以及

根据电压比较信号和谷值电流比较信号控制所述开关电路的导通时刻，以及根据峰值电流比较信号和一导通时长控制信号控制所述开关电路的关断时刻。

9.如权利要求8所述的控制方法，进一步包括：对开关控制信号和谷值电流比较信号在一定时长内进行积分得到积分值，并根据所述积分值和第二电流阈值相比较得到峰值电流比较信号。

10.如权利要求8所述的控制方法，进一步包括：对开关控制信号和谷值电流比较信号在一定时长内进行积分得到积分值，当积分值大于第二电流阈值时，所述开关控制信号控制所述开关电路关断。

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