CN206878708U - 升降压变换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种升降压变换装置，包括：主电路，具有第一端口和第二端口，用于根据脉冲控制信号将经由第一端口和第二端口之一接收到的输入电压转换为输出电压经由第一端口和第二端口中的另一个输出；控制电路，用于提供脉冲控制信号，控制电路根据所述输出电压的反馈信号产生调节信号，在升压模式下，根据所述调节信号产生所述脉冲控制信号，在降压模式下，根据所述调节信号的反相信号产生所述脉冲控制信号。本实用新型实施例的升降压变换装置在保证性能与功能的基础上利用统一的电路实现了对升降压变换装置中主电路的升压与降压模式的控制，能够让设计人员方便地对电路进行升压和降压功能之间的转换，从而降低操作难度、电路面积以及成本。

Description

升降压变换装置

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，更具体地，涉及升降压变换装置。

背景技术

目前，在开关电源电路中，主电路主要通过两种架构实现：Buck架构和Boost架构，每种架构包含分别起到开关作用和续流作用的两个晶体管。其中，Buck架构用于实现对输入电压的降压，Boost架构用于实现对输入电压的降压，这两种结构通常由不同种类的芯片实现。

为了节省资源，如图1和图2所示，一种现有技术利用统一的主电路100实现两种架构。

如图1所示，当主电路100工作在降压模式时，主电路的第二端口IO_2接收由具有输入电容Cin的输入电源提供的输入电压Vin、第一端口IO_1提供输出电压Vout，使得主电路100形成Buck架构。当脉冲控制信号pwm为低电平时，P型的晶体管Q1导通，N型的晶体管Q2关断，此时能量从用于提供输入电压的输入电源经晶体管Q1传输到电感L；当脉冲控制信号pwm为高电平时，能量由电感L传输到第一端口IO_1的负载电容Cout，从而输出稳定的低于输入电压Vin的输出电压Vout。

如图2所示，当主电路100工作在升压模式时，主电路的第一端口IO_1接收由具有输入电容Cin的输入电源提供的输入电压Vin、第二端口IO_2提供输出电压Vout，使得主电路100形成Boost架构。当脉冲控制信号pwm为高电平时，N型的晶体管Q2导通，P型的晶体管Q1关断，此时能量从用于提供输入电压的输入电源传输到电感L；当脉冲控制信号pwm为低电平时，能量由电感L传输到第二端口IO_2的负载电容Cout，从而输出稳定的高于输入电压Vin的输出电压Vout。

上述现有技术实现了具有升压模式和降压模式的统一的主电路，然而主电路还需要在与之匹配的控制电路的控制下才能正确提供输出电压。如上所述，由于在不同模式下用于控制主电路的脉冲控制信号不同，因此目前需要两种不同的控制电路分别对两种模式下的主电路进行控制，不仅为设计人员带来的设计上和操作上的难度，也浪费了资源与成本。

因此，期待一种利用统一的电路架构实现的升降压变换装置。

实用新型内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种升降压变换装置，其能够通过统一的电路结构实现对主电路的升压模式和降压模式的控制。

本实用新型提供了一种升降压变换装置，包括：主电路，具有第一端口和第二端口，用于根据脉冲控制信号将经由第一端口和第二端口之一接收到的输入电压转换为输出电压经由第一端口和第二端口中的另一个输出；以及控制电路，与所述主电路连接，用于提供所述脉冲控制信号，其中，所述控制电路根据所述输出电压的反馈信号产生调节信号，在升压模式下，根据所述调节信号产生所述脉冲控制信号，在降压模式下，根据所述调节信号的反相信号产生所述脉冲控制信号。

优选地，所述控制电路包括：电压采样模块，可切换地连接到第一端口和第二端口之一以提供第一采样电压或第二采样电压；脉冲生成模块，根据所述电压采样模块提供的所述第一采样电压或所述第二采样电压和所述反馈信号产生所述脉冲控制信号。

优选地，所述电压采样模块包括：第一电压采样电路和第二电压采样电路，第一电压采样电路连接到所述第一端口以提供所述第一采样电压，第二电压采样电路连接到所述第二端口以提供所述第二采样电压；第一开关单元，用于在降压模式下将脉冲生成模块连接到所述第一电压采样电路，在升压模式下将脉冲生成模块连接到所述第二电压采样电路。

优选地，所述第一电压采样电路包括串联在地和所述第一端口之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻之间的节点连接到所述第一开关单元，所述第二电压采样电路包括串联在地和所述第二端口之间的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和第四电阻之间的节点连接到所述第一开关单元。

优选地，所述脉冲生成模块包括：检测电路，其与所述主电路相连，用于从所述主电路获得所述反馈信号；误差放大器，其第一输入端连接到所述电压采样模块的所述第一开关单元，第二输入端接收参考电压，输出端提供误差信号；补偿电路，其与所述检测电路相连，用于对所述反馈信号进行斜坡补偿以得到补偿信号；比较器，其与所述误差放大器和所述补偿电路相连，用于根据所述误差信号和所述补偿信号提供所述调节信号；逻辑电路，用于在时钟信号的控制下根据所述比较器输出的所述调节信号产生所述脉冲控制信号以及第二开关单元，用于在升压模式下将所述调节信号直接输入至所述逻辑电路，在降压模式下将根据所述调节信号的反相信号输入至所述逻辑电路。

优选地，所述检测电路包括电流检测电路，所述脉冲生成模块还包括转换电路，用于将所述误差信号转换成电流的形式提供给比较器。

优选地，所述转换电路包括电容和第五电阻，所述第五电阻的第一端接收所述误差信号、第二端输出所述第三电流，所述电容的第一端接地、第二端与所述第五电阻的第二端相连。

优选地，所述第二开关单元包括开关和反相器，所述开关具有输入端、第一输出端以及第二输出端，在升压模式下，所述开关的输入端与所述开关的第一输出端导通以将所述调节信号提供给所述逻辑电路，在降压模式下，所述开关的输入端与所述开关的第二输出端导通以将所述调节信号经由所述反相器得到的反相信号提供给所述逻辑电路。

优选地，所述第一开关单元与所述第二开关单元受控于切换信号。

优选地，所述误差放大器的第一输入端为反相输入端，所述误差放大器的第二输入端为正相输入端。

优选地，所述比较器的正相输入端接收所述误差信号，所述比较器的反相输入端接收所述补偿信号，所述比较器的输出端提供所述调节信号。

优选地，所述主电路包括第一开关管、第二开关管以及电感，所述电感的一端与所述第一端口相连，所述电感的另一端与所述第一开关管的源极和漏极之一以及所述第二开关管的源极和漏极之一相连，所述第一开关管的源极和漏极中的另一个与所述第二端口相连，所述第二开关管的源极和漏极中的另一个接地，所述第一开关管的栅极与所述第二开关管的栅极接收所述脉冲控制信号。

根据本实用新型实施例的升降压变换装置在保证性能与功能的基础上，利用统一的电路结构实现了对升降压变换装置中主电路的升压模式与降压模式的控制，能够让电路设计人员更方便地对电路进行升压功能和降压功能之间的转换，从而降低了操作难度和电路的实现面积，也降低了成本。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出现有技术的主电路在降压模式下的电路示意图。

图2示出现有技术的主电路在升压模式下的电路示意图。

图3示出本实用新型实施例的升降压变换装置的结构示意图。

图4示出本实用新型实施例的升降压变换装置中各开关在降压模式下的状态示意图。

图5示出本实用新型实施例的升降压变换装置在降压模式下工作的时序示意图。

图6示出本实用新型实施例的升降压变换装置中各开关在升压模式下的状态示意图。

图7示出本实用新型实施例的升降压变换装置在降压模式下工作的时序示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用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，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

图3示出本实用新型实施例的升降压变换装置的结构示意图。

如图3所示，本实用新型实施例的升降压变换装置1000包括主电路1100和控制电路1200。

主电路1100包括两个开关管Q1和Q2以及电感L，其中，开关管Q1为P型金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，开关管Q2为N型MOSFET。主电路1100具有第一端口IO_1和第二端口IO_2。开关管Q1的漏极、开关管Q2的漏极与电感L的一端相连，电感L的另一端连接至第一端口IO_1，开关管Q1的源极连接至第二端口IO_2，开关管Q2的源极接地。开关管Q1和Q2的栅极同时受控于脉冲控制信号pwm。其中，开关管Q1的源极与漏极可互换，开关管Q2的源极与漏极可互换。

控制电路1200包括电压采样模块、第一开关单元1230以及脉冲生成模块1240。电压采样模块包括第一电压采样电路1210和第二电压采样电路1220。

第一开关单元包括开关S1和开关S2，开关S1与开关S2的第一非控制端连接至脉冲生成模块1240。开关S1与开关S2的控制端可以分别受控于切换信号mod和切换信号的反相信号mod_b。例如在切换信号mod有效时，切换信号的反相信号mod_b无效，此时开关S1导通而开关S2关断；在切换信号mod无效时，切换信号的反相信号mod_b有效，此时开关S1关断而开关S2导通。第一开关单元1230的实现不限于此。

第一电压采样电路1210包括串联在第一端口IO_1与地之间的电阻R11和R12，电阻R11和R12的公共端连接至开关S1的第二非控制端。

第二电压采样电路1220与第一电压采样电路1210的结构相同。第二电压采样电路1220包括串联在第二端口IO_2与地之间的电阻R21和R22，电阻R21和R22的公共端连接至开关S2的第二非控制端。

脉冲生成模块1240包括检测电路1241、误差放大器1242、比较器1243、补偿电路1244、第二开关单元1245以及逻辑电路1246。检测电路1241可以为电压检测电路或电流检测电路。

当检测电路1241为电流检测电路时：脉冲生成模块1240还包括转换电路1247。此时，检测电路1241用于检测流经开关管Q1的电流I_hs作为反馈信号。误差放大器1242的反相输入端连接于开关S1的第二非控制端和开关S2的第二非控制端，正相输入端接收参考电压Vref，输出端输出误差信号Vc。转换电路1247包含电阻Rint和电容Cint，电阻Rint的一端接收误差信号Vc，电阻Rint的另一端、电容Cint的一端以及比较器1243的正相输入端相连，电容Cint的另一端接地。补偿电路1244对电流I_hs进行斜坡补偿得到三角波型的电流I_tr作为补偿信号。比较器1243的反相输入端接收电流I_tr。

第二开关单元1245包括开关S3和反相器inv，开关S3可以受控于切换信号mod。当切换信号mod无效时，开关S3将比较器1243的输出端与逻辑电路1246的控制端直接相连，当切换信号mod无效时，开关S3将比较器1243的输出端与反相器inv相连，反相器inv的输出端与逻辑电路1246的控制端相连。同理，开关S3也可以受控于切换信号的反相信号mod_b，在此不再赘述。第二开关单元1245的实现不限于此。

逻辑电路1246的时钟端接收时钟信号clk，逻辑电路1246输出脉冲控制信号pwm和脉冲控制信号的反相信号pwm_b。逻辑电路1246的结构可以为触发器结构，逻辑电路的控制端为触发器结构的置位端，逻辑电路的时钟端为触发器结构的复位端。

升降压变换装置1000具有两种工作模式：升压模式和降压模式。下面首先对降压模式下的升降压变换装置1000的工作过程进行描述。

图4示出本实用新型实施例的升降压变换装置中各开关在降压模式下的状态。

为进入降压模式，在本实施例的升降压变换装置1000中，控制电路1200中的开关S1导通而开关S2关断，脉冲生成模块1240中的开关S3将比较器1243的输出端与反相器inv相连。开关S1与S3例如均受控于切换信号mod，而开关S2受控于切换信号的反相信号mod_b。

在降压模式下，升降压变换装置1000的第二端口IO_2作为输入端接收输入电压Vin，使得第二端口IO_2处接入了输入电容Cin；升降压变换装置的第一端口IO_1作为输出端提供降压后的输出电压Vout，使得第一端口IO_1处接入了负载电阻Cout。此时，升降压变换装置1000形成Buck架构的主电路，输出电压Vout的值小于输入电压Vin的值。

在降压模式下，具有Buck架构的升降压变换装置1000采用峰值电流检测模式(Peak Current Sense)实现电流反馈。由于开关S1导通，第一电压采样电路1210对来自第一端口IO_1的输出电压Vout进行分压得到采样电压Vp，采样电压Vp与参考电压Vref之间的差值经误差放大器1242放大后得到的误差电压Vc在转换电路1247的电阻Rint和电容Cint的作用下产生峰值参考电流Ipk。

图5示出本实用新型实施例的升降压变换装置在降压模式下工作的时序示意图。

如图5和图4所示，当每个开关周期T(时钟信号clk的周期)开始时，时钟信号clk控制逻辑电路1246输出低电平的脉冲控制信号pwm。因此作为P型MOSFET的开关管Q1导通，作为N型MOSFET的开关管Q2关断。此时，流经开关管Q1的电流I_hs由初始值开始近似线性增大，因此补偿电路1244对电流I_hs进行斜坡补偿而得到的作为补偿信号的电流I_tr开始近似线性地增大(即具有上升的电流波形)。当电流I_tr增大到峰值参考电流Ipk时，比较器1243所输出的调节信号经被开关S3导通的反相器inv翻转为高电平，使得逻辑电路1246输出高电平以关断开关管Q1、导通开关管Q2，从而流经开关管Q1的电流I_hs置零，电感L通过开关管Q2对作为输出端的第一端口IO_1续流。直到下一个周期的时钟信号clk到来，则开始一个新的开关周期T、重复上述过程。

图6示出本实用新型实施例的升降压变换装置中各开关在升压模式下的状态示意图。

为进入升压模式，在本实施例的升降压变换装置1000中，控制电路1200中的开关S1关断而开关S2导通，脉冲生成模块1240中的开关S3将比较器1243的输出端直接连接于逻辑电路1246的控制端。

在升压模式下，升降压变换装置1000的第一端口IO_1作为输入端接收输入电压Vin，使得第一端口IO_1处接入了输入电容Cin；升降压变换装置的第二端口IO_2作为输出端提供升压后的输出电压Vout，使得第二端口IO_2处接入了负载电阻Cout。此时，升降压变换装置1000形成Boost架构的主电路，输出电压Vout的值大于输入电压Vin的值。

在升压模式下，具有Boost架构的升降压变换装置1000采用谷值电流检测模式(Valley Current Sense)实现电流反馈。由于开关S2导通，第二电压采样电路1220对来自第二端口IO_2的输出电压Vout进行分压得到采样电压Vp，采样电压Vp与参考电压Vref之间的差值经误差放大器1242放大后得到的误差电压Vc在转换电路1247中电阻Rint和电容Cint的作用下产生谷值参考电流Ivy。

图7示出本实用新型实施例的升降压变换装置在降压模式下工作的时序示意图。

如图7和图6所示，当每个开关周期T(时钟信号clk的周期)开始时，时钟信号clk控制逻辑电路1246输出低电平的脉冲控制信号pwm。因此作为P型MOSFET的开关管Q1导通，作为N型MOSFET的开关管Q2关断。此时，电感L开始通过开关管Q1对第二端口IO_2续流，流经开关管Q1的电流I_hs由初始值开始近似线性地减小，因此补偿电路1244对电流I_hs进行斜坡补偿而得到的作为补偿信号的电流I_tr开始近似线性地减小(即具有下降的电流波形)。当电流信号I_tr减小到谷值参考电流Ivy时，比较器1243所输出的信号翻转为高电平，使得逻辑电路1246输出高电平以关断开关管Q1、导通开关管Q2，从而流经开关管Q1的电流I_hs置零，电感L通过开关管Q2积蓄能量。直到下一个周期的时钟信号clk到来，则开始一个新的开关周期T、重复上述过程。

需要说明的是，本实用新型实施例的电路拓扑结构不限于上文描述的具体结构，对于与本实用新型的实施原理相同的结构同样在本实用新型的保护范围内。例如，作为上述实施例的一种替代的实施例，在升压模式下，具有Boost架构的升降压变换装置采用峰值电流检测模式实现电流反馈，而在降压模式下，具有Buck架构的升降压变换装置采用谷值电流检测模式实现电流反馈，具体过程与上述实施例相似，在此不再赘述。

根据本实用新型实施例的升降压变换装置在保证性能与功能的基础上，利用统一的电路结构实现了对升降压变换装置中主电路的升压模式与降压模式的控制，能够让电路设计人员更方便地对电路进行升压功能和降压功能之间的转换，从而降低了操作难度和电路的实现面积，也降低了成本。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。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实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (12)

1.一种升降压变换装置，包括：

主电路，具有第一端口和第二端口，用于根据脉冲控制信号将经由第一端口和第二端口之一接收到的输入电压转换为输出电压经由第一端口和第二端口中的另一个输出；以及

控制电路，与所述主电路连接，用于提供所述脉冲控制信号，

其中，所述控制电路根据所述输出电压的反馈信号产生调节信号，

在升压模式下，根据所述调节信号产生所述脉冲控制信号，

在降压模式下，根据所述调节信号的反相信号产生所述脉冲控制信号。

2.根据权利要求1所述的升降压变换装置，其中，所述控制电路包括：

电压采样模块，可切换地连接到第一端口和第二端口之一以提供第一采样电压或第二采样电压；

脉冲生成模块，根据所述电压采样模块提供的所述第一采样电压或所述第二采样电压和所述反馈信号产生所述脉冲控制信号。

3.根据权利要求2所述的升降压变换装置，其中，所述电压采样模块包括：

第一电压采样电路和第二电压采样电路，第一电压采样电路连接到所述第一端口以提供所述第一采样电压，第二电压采样电路连接到所述第二端口以提供所述第二采样电压；

第一开关单元，用于在降压模式下将脉冲生成模块连接到所述第一电压采样电路，在升压模式下将脉冲生成模块连接到所述第二电压采样电路。

4.根据权利要求3所述的升降压变换装置，其中，所述第一电压采样电路包括串联在地和所述第一端口之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻之间的节点连接到所述第一开关单元，

所述第二电压采样电路包括串联在地和所述第二端口之间的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和第四电阻之间的节点连接到所述第一开关单元。

5.根据权利要求3所述的升降压变换装置，其中，所述脉冲生成模块包括：

检测电路，其与所述主电路相连，用于从所述主电路获得所述反馈信号；

误差放大器，其第一输入端连接到所述电压采样模块的所述第一开关单元，第二输入端接收参考电压，输出端提供误差信号；

补偿电路，其与所述检测电路相连，用于对所述反馈信号进行斜坡补偿以得到补偿信号；

比较器，其与所述误差放大器和所述补偿电路相连，用于根据所述误差信号和所述补偿信号提供所述调节信号；

逻辑电路，用于在时钟信号的控制下根据所述比较器输出的所述调节信号产生所述脉冲控制信号；以及

第二开关单元，用于在升压模式下将所述调节信号直接输入至所述逻辑电路，在降压模式下将根据所述调节信号的反相信号输入至所述逻辑电路。

6.根据权利要求5所述的升降压变换装置，其中，所述检测电路包括电流检测电路，所述脉冲生成模块还包括转换电路，用于将所述误差信号转换成电流的形式提供给比较器。

7.根据权利要求6所述的升降压变换装置，其中，所述转换电路包括电容和第五电阻，所述第五电阻的第一端接收所述误差信号、第二端输出第三电流，所述电容的第一端接地、第二端与所述第五电阻的第二端相连。

8.根据权利要求5所述的升降压变换装置，其中，所述第二开关单元包括开关和反相器，所述开关具有输入端、第一输出端以及第二输出端，

在升压模式下，所述开关的输入端与所述开关的第一输出端导通以将所述调节信号提供给所述逻辑电路，

在降压模式下，所述开关的输入端与所述开关的第二输出端导通以将所述调节信号经由所述反相器得到的反相信号提供给所述逻辑电路。

9.根据权利要求5所述的升降压变换装置，其中，所述第一开关单元与所述第二开关单元受控于切换信号。

10.根据权利要求5所述的升降压变换装置，其中，所述误差放大器的第一输入端为反相输入端，所述误差放大器的第二输入端为正相输入端。

11.根据权利要求6所述的升降压变换装置，其中，所述比较器的正相输入端接收所述误差信号，所述比较器的反相输入端接收所述补偿信号，所述比较器的输出端提供所述调节信号。

12.根据权利要求1至11任一项所述的升降压变换装置，其中，所述主电路包括第一开关管、第二开关管以及电感，所述电感的一端与所述第一端口相连，所述电感的另一端与所述第一开关管的源极和漏极之一以及所述第二开关管的源极和漏极之一相连，所述第一开关管的源极和漏极中的另一个与所述第二端口相连，所述第二开关管的源极和漏极中的另一个接地，所述第一开关管的栅极与所述第二开关管的栅极接收所述脉冲控制信号。