CN116317551A - 斜坡补偿电路及相关控制电路和方法 - Google Patents

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CN116317551A CN202310026665.9A CN202310026665A CN116317551A CN 116317551 A CN116317551 A CN 116317551A CN 202310026665 A CN202310026665 A CN 202310026665A CN 116317551 A CN116317551 A CN 116317551A
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Abstract

本公开提供了一种斜坡补偿电路及控制电路和方法。该斜坡补偿电路具有第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路和差值放大电路。第一滤波电路对开关变换器上管和下管的公共节点上的电压进行滤波产生第一滤波信号。第二滤波电路对第一滤波信号进行滤波以产生第二滤波信号。第三滤波电路对第二滤波信号进行滤波以产生第三滤波信号。差值放大电路将第一滤波信号和第二滤波信号做差，并将差值放大k倍以产生斜坡信号，其中，k的值由第三滤波信号的值决定。该谐波补偿电路产生的斜坡信号可跟随输出电压的变化而变化，使得斜坡信号与反馈电压的纹波信号的比值恒定，能保证***在不同输出电压下都能实现最优的动态响应。

Description

斜坡补偿电路及相关控制电路和方法
技术领域
本发明涉及电子电路，更具体地，涉及开关变换器中斜坡补偿电路以及相关控制电路和方法。
背景技术
随着消费类电子产品市场的迅速发展，开关变换器也得到了广泛的应用，同时对输出电压范围和负载瞬变特性的要求越来越高，需要在不同输出电压下都能实现快速的动态负载变化响应，从而维持输出电压的稳定。
例如，在COT控制电路中，通过将外部的电压反馈信号和参考电压直接输入比较器做比较来控制功率开关的导通和关断，这样，在负载跳变时能够迅速改变功率开关占空比，从而实现快速的负载瞬变响应。但是由于外部电压反馈信号具有一定的延迟性，在负反馈***中对环路稳定造成很大的影响。为了保证环路的稳定，COT控制电路中还需要在内部加入一个虚拟的电流纹波来对外部电压反馈信号进行补偿，以避免***产生振荡。但是电压反馈信号的纹波会随着输出电压的变化而变化，而补偿电流纹波由内部补偿电路决定，很难改变。这样就造成在不同输出电压下，电路的瞬态响应会有极大的变化，没法同时实现最优的动态响应功能。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提出了一种用于开关变换器的斜坡补偿电路以及相关控制电路和方法。该公开提出的补偿电路可解决上述提及的问题。该斜坡补偿电路产生的斜坡信号可根据输出电压的变化而变化，即使在不同的输出电压下，也能保证斜坡信号与反馈电压的纹波信号的比值恒定，以实现最优的动态响应功能。
根据本发明的一方面提出了一种用于开关变换器的斜坡补偿电路，所述开关变换器具有上管和下管，所述斜坡补偿电路包括：第一滤波电路，具有输入端和输出端，第一滤波电路的输入端耦接至上管和下管的公共节点，第一滤波电路对所述公共节点的电压进行滤波以在第一滤波电路的输出端产生第一滤波信号；第二滤波电路，具有输入端和输出端，第二滤波电路的输入端接收第一滤波信号，第二滤波电路对第一滤波信号进行滤波以在第二滤波电路的输出端产生第二滤波信号；第三滤波电路，具有输入端和输出端，第三滤波电路的输入端接收第二滤波信号，第三滤波电路对第二滤波信号进行滤波以在三滤波电路的输出端产生第三滤波信号；以及差值放大电路，接收第一滤波信号、第二滤波信号和第三滤波信号，将第一滤波信号和第二滤波信号做差，并将第一滤波信号和第二滤波信号的差值放大k倍以产生斜坡信号，其中，k的值由第三滤波信号的值决定。
根据本发明的另一方面提出了一种用于开关变换器的控制电路，其中，开关变换器包括上管和下管，通过控制上管和下管的导通与关断将输入电压转换为输出电压，控制电路包括：如上所述的斜坡补偿电路，用于产生斜坡信号；比较电路，第一输入端、第二输入端和输出端，比较电路的第一输入端接收电压反馈信号和斜坡信号的和，比较电路的第二输入端接收参考电压信号，比较电路将电压反馈信号和斜坡信号的和与参考电压信号比较生成比较信号，其中，电压反馈信号代表所述输出电压；以及逻辑电路，接收比较信号，并根据比较信号产生控制信号以控制开关变换器的上管和下管
根据本发明的又一方面提供一种用于开关变换器的斜坡信号产生方法，所述开关变换器具有上管和下管，所述斜坡信号产生方法包括：将上管和下管公共节点上的电压进行滤波产生第一滤波信号；将第一滤波信号进行滤波产生第二滤波信号；将第二滤波信号进行滤波产生第三滤波信号；以及将第一滤波信号和第二滤波信号的差值放大k倍以产生斜坡信号，其中，k值由第三滤波信号的值决定。
附图说明
图1所示为根据本发明一个实施例的具有斜坡补偿电路的开关变换器的电路示意图；
图2为根据本发明一个实施例的斜坡补偿电路的电路原理图；
图3为根据本发明又一个实施例的斜坡补偿电路的电路原理图；
图4为根据本发明一个实施例的误差放大器1041的电路原理图；
图5为根据本发明实施例的一种用于开关变换器的斜坡信号产生方法的流程示意图。
如附图所示，在所有不同的视图中，相同的附图标记指代相同的部分。在此提供的附图都是为了说明实施例、原理、概念等的目的，并非按比例绘制。
具体实施方式
接下来将结合附图对本发明的具体实施例进行非限制性描述。在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或特点被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都是指同一实施例。动词“包括”和“具有”在本文中用作开放限制，其既不排除也不要求还存在未叙述特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。在整个文件中使用“一”或“一个”
(即，单数形式)限定的元件，并不排除多个这个元件的可能。更进一步地，所描述的特征、结构或特点可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。除非另外指明，否则术语“连接”被用于指定电路元件之间的直接电连接，而术语“耦合”被用于指定可以是直接的或可以经由一个或多个其他元件的电路元件之间的电连接。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。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。当提及节点或端子的电压时，除非另外指示，否则认为该电压是该节点与参考电位(通常是地)之间的电压。此外，当提及节点或端子的电位时，除非另外指示，否则认为该电位指的是参考电位。给定节点或给定端子的电压和电位将进一步用相同的附图标记指定。将在第一逻辑状态(例如逻辑低状态)与第二逻辑状态(例如逻辑高状态)之间交替的信号称为“逻辑信号”。同一电子电路的不同逻辑信号的高和低状态可能不同。特别地，逻辑信号的高和低状态可以对应于在高或低状态下可能不是完全恒定的电压或电流。
图1所示为根据本发明一个实施例的具有斜坡补偿电路的开关变换器的电路示意图。在图1所示实施例中，开关变换器包括开关电路10、电容Cout、输电电压反馈电路20和控制电路。斜坡补偿电路被包含于控制电路中，用于保证整个开关变换器的稳定，同时可实现开关变换器最优的动态响应功能。
开关电路10的输入端接收输入电压信号Vin；开关电路10的输出端耦接开关变换器的输出端。电容Cout耦接在开关变换器的输出端和参考地之间,提供输出电压信号Vout。在一个实施例中，开关电路10包括至少一个可控开关管。开关电路10接收控制信号，控制信号通过控制开关电路10里的可控开关进行导通和关断切换，进而将输入电压信号Vin转换为输出电压信号Vout。
在图1所示实施例中，开关电路10被示意为BUCK拓扑结构的开关电路，下面均将以BUCK拓扑为例进行电路原理说明。本领域一般技术人员可以理解，在其他实施例中，开关电路10可以被示意为其他类型的合适的隔离或非隔离的拓扑结构，例如，BOOST拓扑、BUCK-BOOST拓扑、Z型拓扑、CUK拓扑、FLYBACK拓扑等等。
如图1所示，BUCK拓扑中的上管HS和下管LS串联耦接在的开关电路10的输入端和参考地之间，上管HS和下管LS的公共节点标记为开关节点SW。电感L耦接在开关节点SW和开关电路10的输出端之间。控制信号包括控制信号CTL和控制信号CTL的反相信号
Figure BDA0004044890850000052
其中，控制信号CTL用于控制上管HS的导通和关断切换，反相信号/>
Figure BDA0004044890850000053
用于控制下管LS的导通和关断切换。本领域一般技术人员可以理解：控制信号CTL的反相信号/>
Figure BDA0004044890850000051
是指与控制信号CTL逻辑互补的信号。
在图1所示实施例中，上管HS和下管LS被示意为N型金属氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。本领域一般技术人员可以理解，在其他实施例中，上管HS和下管LS还可以包括其他合适的半导体开关器件类型，如结型场效应晶体管、绝缘栅型双极性晶体管以及双扩散金属氧化物半导体等等。此外，在一个实施例中，下管LS也可以被替换为单向导通的二极管类。
在图1所示实施例中，输出电压反馈电路20耦接在开关变换器的输出端，用于采样输出电压信号Vout，并产生电压反馈信号Vfb，其中电压反馈信号Vfb代表输出电压信号Vout。在一个实施例中，输出电压反馈电路20包括由电阻器R1和R2构成的分压器。在其他实施例中输出电压反馈电路20也可以直接对输出电压信号Vout进行采样。
在图1所示实施例中，控制电路包括斜坡补偿电路、比较电路和逻辑电路。
斜坡补偿电路耦接开关节点SW，并根据开关节点SW处的方波电压信号Vsw产生斜坡信号ramp。具体地，斜坡补偿电路包括第一滤波电路101、第二滤波电路102、第三滤波电路103和差值放大电路104。
第一滤波电路101具有输入端和输出端，第一滤波电路101的输入端耦接至开关节点SW，第一滤波电路101对关节点SW处的方波电压信号Vsw进行滤波以在第一滤波电路101的输出端产生第一滤波信号sig1。
第二滤波电路102具有输入端和输出端，第二滤波电路102的输入端接收第一滤波信号，第二滤波电路102对第一滤波信号sig1进行滤波以在第二滤波电路102的输出端产生第二滤波信号sig2。
第三滤波电路103具有输入端和输出端，第三滤波电路103的输入端接收第二滤波信号sig2，第三滤波电路103对第二滤波信号进行滤波以在三滤波电路103的输出端产生第三滤波信号Vout_sense。
差值放大电路104，接收第一滤波信号sig1、第二滤波信号sig2和第三滤波信号Vout_sense，将第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2做差，并将第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2的差值放大k倍以产生斜坡信号ramp，其中，k的值由第三滤波信号Vout_sense的值决定。在一个实施例中，k的值与第三滤波信号Vout_sense的值成反比。
在一个实施例中，斜坡补偿电路还包括一个分压电路，节点SW的方波电压Vsw经过分压后再送至第一滤波电路101进行滤波。此时，第一滤波电路101对关节点SW处的方波电压信号Vsw进行滤波包括对方波电压信号Vsw的分压信号进行滤波。
斜坡信号ramp将被送至比较电路。在图1所示实施例中，比较电路接收电压反馈信号Vfb和斜坡信号ramp，并将电压反馈信号Vfb和斜坡信号ramp的和与电压参考信号Vref比较，并生成比较信号CA。在一个实施例中，比较信号CA包括一个高低逻辑电平信号，用于控制开关电路10中可控开关的导通时刻。例如，在一个实施例中，当比较信号CA从逻辑低变为逻辑高时，开关电路10中上管HS导通，下管LS关断。在其他实施例中，比较电路也可以将斜坡信号ramp叠加到电压参考信号Vref，再与电压反馈信号Vfb比较产生比较信号CA。
比较信号CA将被送至逻辑电路，根据控制电路选择的控制方式，逻辑电路将基于比较信号CA产生控制信号CTL和控制信号CTL的反相信号
Figure BDA0004044890850000074
例如，在COT控制方式中，逻辑电路还将接收一个恒定导通时间控制信号，并根据比较信号CA和恒定导通时间控制信号产生控制信号CTL和控制信号CTL的反相信号/>
Figure BDA0004044890850000071
又如，在峰值电流控制中，逻辑电路还将接收一个根据电流采样信号产生的逻辑信号，并根据该逻辑信号和比较信号CA产生控制信号CTL和控制信号CTL的反相信号/>
Figure BDA0004044890850000072
在又一些实施例中，逻辑电路还可以接收时钟信号，并根据时钟信号和比较信号CA产生控制信号CTL和控制信号CTL的反相信号/>
Figure BDA0004044890850000073
本申请实施例对控制方式不做限定。
图2为根据本发明一个实施例的斜坡补偿电路的电路原理图。在图2所示实施例中，第一滤波电路101、第二滤波电路102和第三滤波电路103均被示意为由RC滤波电路组成。具体地，第一滤波电路101包括电阻RVIC1和电容CVIC1。电阻RVIC1和电容CVIC1串联耦接在开关节点SW和参考地之间，电阻RVIC1和电容CVIC1的公共端作为第一滤波电路101的输出端，其中，电阻RVIC1和电容CVIC1的公共端的电压即为第一滤波信号sig1。第二滤波电路102包括电阻RVIC2和电容CVIC2。电阻RVIC2和电容CVIC2串联耦接在开关节点SW和参考地之间，电阻RVIC2和电容CVIC2的公共端作为第二滤波电路102的输出端，其中，电阻RVIC2和电容CVIC2的公共端的电压即为第二滤波信号sig2。第三滤波电路103包括电阻RVIC3和电容CVIC3。电阻RVIC3和电容CVIC3串联耦接在开关节点SW和参考地之间，电阻RVIC3和电容CVIC3的公共端作为第三滤波电路103的输出端，其中，电阻RVIC3和电容CVIC3的公共端的电压即为第三滤波信号Vout_sense。
在图2所示实施例中，差值放大电路104被示意为包括减法运算单元和幅值放大单元。减法运算单元接收第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2，并将第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2做差产生第一斜坡信号ramp1。幅值放大单元将根据第三滤波信号Vout_sense的值对第一斜坡信号ramp1放大k倍。在一个实施例中，k的值与第三滤波信号Vout_sense的值成反比。
在图2所示的实施例中，在一定工作频率f下，斜坡信号ramp可被示意为如下公式(1)：
Figure BDA0004044890850000081
其中，k为幅值放大单元的放大倍数。反馈电压Vfb的纹波信号ΔVfb可由以下公式(2)表示：
Figure BDA0004044890850000082
其中，Vref等于
Figure BDA0004044890850000091
Vout_steady为输出电压Vout期望的稳态输出电压值。因此，斜坡信号ramp与反馈电压Vfb的纹波信号ΔVfb的比值系数FA可被示意为：
Figure BDA0004044890850000092
由公式(3)可知，在输出电压Vout随负载的变化过程中，设计放大倍数k与输出电压Vout成反比，同时选择合适的放大倍数k值即可保证比值系数FA保持不变。也即是说补偿斜坡信号ramp1的幅值将跟随输出电压Vout变化而变化，在不同输出电压Vout下均能得到一个恒定的比值系数FA，这样能保证***在不同输出电压Vout下都能实现最优的动态响应。
图3为根据本发明又一个实施例的斜坡补偿电路的电路原理图。在图3所示实施例中，第一滤波电路101、第二滤波电路102和第三滤波电路103与图2所示实施例相同，而差值放大电路104被示意为一个误差放大器1041。误差放大器1041具有第一输入端、第二输入端、控制端和输出端。误差放大器1041的第一输入端接收第一滤波信号sig1；误差放大器1041的第二输入端接收第二滤波信号sig2；误差放大器1041的控制端接收第三滤波信号Vout_sense；误差放大器1041根据第三滤波信号Vout_sense的值将第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2的差值放大k倍并在输出端产生斜坡信号ramp。
图4为根据本发明一个实施例的误差放大器1041的电路原理图。如图所示，误差放大器1041包括第一差分放大电路、第二差分放大电路和电流镜。
第一差分放大电路接收第三滤波信号Vout_sense，并将第三滤波信号Vout_sense与内部基准电压Vbase比较，并输出代表第三滤波信号Vout_sense与内部基准电压Vbase差值的第一电流调节信号ireg1。电流镜接收第一电流调节信号ireg1，并对第一电流调节信号ireg1镜像以输出第二电流调节信号ireg2。在一个实施例中，第一电流调节信号ireg1和第二电流调节信号ireg2具有比例关系。第二差分放大电路接收第二电流调节信号ireg2、第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2，并在第二电流调节信号ireg2的控制下将第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2比较，并输出代表第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2差值的斜坡信号ramp。第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2的差值与斜坡信号ramp的值的比例由第二电流调节信号ireg2控制。
图5为根据本发明实施例的一种用于开关变换器的斜坡信号产生方法的流程示意图。该斜坡信号产生方法可用于前述的开关变换器以及其他在本发明申请保护范围内的开关变换器中。该斜坡信号产生方法包括步骤S01-S04。
步骤S01，将开关节点SW的电压Vsw进行滤波产生第一滤波信号sig1。
步骤S02，将第一滤波信号sig1进行滤波产生第二滤波信号sig2。
步骤S03，将第二滤波信号sig2进行滤波产生第三滤波信号Vout_sense。
步骤S04，将第一滤波信号sig1和第二滤波信号sig2的差值放大k倍以产生斜坡信号ramp。其中，k值由第三滤波信号Vout_sense的值决定。
虽然前面已经参照几个典型实施例对本发明进行了描述，但相关领域的普通技术人员应当理解，所公开的本发明的实施例中所采用的术语是说明性和示例性的，而非限制性的，仅用于描述特定实施例，并非是对本发明的限制。此外，本领域的普通技术人员在没有背离本发明的原理和概念的前提下，未通过创造性的努力而对本发明公开的实施例在形式和细节上进行的多种修改，这些修改均落在本申请的权利要求或其等效范围所限定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于开关变换器的斜坡补偿电路，所述开关变换器具有上管和下管，其特征在于，所述斜坡补偿电路包括：
第一滤波电路，具有输入端和输出端，第一滤波电路的输入端耦接至上管和下管的公共节点，第一滤波电路对所述公共节点上的电压进行滤波以在第一滤波电路的输出端产生第一滤波信号；
第二滤波电路，具有输入端和输出端，第二滤波电路的输入端接收第一滤波信号，第二滤波电路对第一滤波信号进行滤波以在第二滤波电路的输出端产生第二滤波信号；
第三滤波电路，具有输入端和输出端，第三滤波电路的输入端接收第二滤波信号，第三滤波电路对第二滤波信号进行滤波以在三滤波电路的输出端产生第三滤波信号；以及
差值放大电路，用于接收第一滤波信号、第二滤波信号和第三滤波信号，差值放大电路将第一滤波信号和第二滤波信号做差，并将第一滤波信号和第二滤波信号的差值放大k倍以产生斜坡信号，其中，k的值由第三滤波信号的值决定。
2.如权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于，k的取值与第三滤波信号的值成反比。
3.如权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述第一滤波电路包括：
第一电阻，具有第一端和第二端，第一电阻的第一端耦接至公共节点以接收公共节点上的电压；以及
第一电容，具有第一端和第二端，第一电容的第一端耦接至第一电阻的第二端，第一电容的第二端耦接至参考地，其中，第一电容的第一端上的电压为第一滤波信号。
4.如权利要求3所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述第二滤波电路包括：
第二电阻，具有第一端和第二端，第二电阻的第一端耦接第一电阻的第二端；以及
第二电容，具有第一端和第二端，第二电容的第一端耦接至第二电阻的第二端，第二电容的第二端耦接至参考地，其中，第二电容的第一端上的电压为第二滤波信号。
5.如权利要求4所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述第三滤波电路包括：
第三电阻，具有第一端和第二端，第三电阻的第一端耦接第二电阻的第二端；以及
第三电容，具有第一端和第二端，第三电容的第一端耦接至第三电阻的第二端，第三电容的第二端耦接至参考地，其中，第三电容的第一端上的电压为第三滤波信号。
6.如权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述差值放大电路包括：
减法运算单元，用于接收第一滤波信号和第二滤波信号，并将第一滤波信号和第二滤波信号做差运算产生第一斜坡信号；以及
幅值放大单元，接收第一斜坡信号和第三滤波信号，第三滤波信号控制幅值放大单元将第一斜坡信号放大k倍以产生斜坡信号。
7.如权利要求1所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述差值放大电路包括：
误差放大器，具有第一输入端、第二输入端、控制端和输出端，误差放大器的第一输入端接收第一滤波信号，误差放大器的第二输入端接收第二滤波信号，误差放大器的控制端接收第三滤波信号，误差放大器将第一滤波信号和第二滤波信号比较，并将第一滤波信号和第二滤波信号的差值放大，并在输出端产生斜坡信号。
8.如权利要求7所述的斜坡补偿电路，其特征在于，所述误差放大器包括：
第一差分放大电路，接收第三滤波信号和基准电压信号，并将第三滤波信号和基准电压信号比较产生第一电流调节信号，其中，电流调节信号代表第三滤波信号和基准电压信号之间的差值；
电流镜，将第一电流调节信号镜像为第二电流调节信号；以及
第二差分放大电路，接收第一滤波信号、第二滤波信号和第二电流调节信号，并根据第一滤波信号、第二滤波信号和第二电流调节信号产生斜坡信号。
9.一种用于开关变换器的控制电路，所述开关变换器包括上管和下管，所述控制电路通过控制上管和下管的导通与关断将输入电压转换为输出电压，其特征在于，所述控制电路包括：
如权利要求1～8所述之一的斜坡补偿电路，用于产生斜坡信号；
比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，比较电路的第一输入端接收电压反馈信号和斜坡信号的和，比较电路的第二输入端接收参考电压信号，比较电路将电压反馈信号和斜坡信号的和与参考电压信号比较生成比较信号，其中，电压反馈信号代表所述输出电压；以及
逻辑电路，接收比较信号，并根据比较信号产生控制信号以控制上管和下管的导通与关断。
10.一种用于开关变换器的斜坡信号产生方法，所述开关变换器具有上管和下管，其特征在于，所述斜坡信号产生方法包括：
将上管和下管公共节点上的电压进行滤波产生第一滤波信号；
将第一滤波信号进行滤波产生第二滤波信号；
将第二滤波信号进行滤波产生第三滤波信号；以及
将第一滤波信号和第二滤波信号的差值放大k倍以产生斜坡信号，其中，k值由第三滤波信号的值决定。
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