TWI796869B - 準恆定導通時間控制電路及其開關變換器和方法 - Google Patents

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Abstract

揭示了準恆定導通時間控制的開關變換器及其控制電路和控制方法。該開關變換器包括可控開關和準恆定導通時間控制電路。準恆定導通時間控制電路透過控制可控開關的導通與關斷將輸入電壓轉換為輸出電壓。當開關變換器進入輕載狀態後，準恆定導通時間控制電路控制可控開關的導通時間小於其在正常狀態下的導通時長。該準恆定導通時間控制電路和方法有利於減小開關變換器在穩態期間的電壓紋波。

Description

準恆定導通時間控制電路及其開關變換器和方法
本發明的實施例係有關電子電路，尤其有關準恆定導通時間控制的開關變換器及其控制電路和控制方法。
恆定導通時間控制(Constant On Time, COT)因其控制環路簡單、動態回應速度快而廣泛的運用在開關變換器中。傳統的COT控制方法是一種變頻控制方法，透過設定固定的開關導通時間、改變系統的開關頻率進而調節開關的導通占空比，進而調節開關變換器的輸出電壓。在另一些COT控制方法中，在負載突變後的動態回應過程中，也可以調節開關的導通時間以適應系統的變化，但是在系統進入穩態後，負載變化前後的開關導通時間依然是不變的。在目前一些COT應用場合，為了改善負載突變時的瞬態回應性能，以及減小產品尺寸，通常在應用中採用小尺寸電感防止電壓過衝等等。然而，由於前述的COT控制放電路中，開關的導通時間是不變的，小電感將導致系統進入輕載的穩態後，輸出電壓的紋波太高。
因此，我們期望提出一種瞬態回應性能良好且輕載電壓紋波較低的準COT控制電路及方法。
本發明要解決的技術問題是提供一種準恆定導通時間控制開關變換器及其控制電路和控制方法。
本發明一方面提供了一種用於開關變換器的準恆定導通時間控制電路，該開關變換器包括可控開關，透過控制可控開關的導通和關斷將輸入電壓轉換為輸出電壓，其中，所述準恆定導通時間控制電路包括：輕載調節電流產生電路，接收輕載狀態指示信號，當輕載指示信號指示開關變換器操作在輕載狀態時，所述輕載調節電流產生電路產生輕載調節電流信號；導通時長控制電路，接收輕載調節電流信號，並基於輕載調節電流信號產生導通時長控制信號，其中，所述導通時長控制信號用於控制所述可控開關在輕載狀態下的導通時長小於其在正常狀態下的導通時長；比較電路，接收代表輸出電壓的反饋電壓信號，並將反饋電壓信號和參考電壓信號比較，產生比較信號；以及邏輯電路，接收比較信號和導通時長控制信號，並將比較信號和導通時長控制信號做邏輯運算，輸出可控開關控制信號，所述可控開關控制信號用於控制可控開關的導通和關斷切換。
本發明另一方面提供了一種準恆定導通時間控制的開關變換器，包括：開關電路，所述開關電路包括可控開關，透過控制可控開關的導通和關斷將輸入電壓轉換為輸出電壓；反饋電路，耦接至開關電路，提供代表開關電路輸出電壓的反饋信號；以及如上所述的控制電路。
本發明又一方面提供了一種用於開關變換器的準恆定導通時間控制方法，該開關變換器包括可控開關，透過控制可控開關的導通和關斷將輸入電壓轉換為輸出電壓，其中，所述控制方法包括：判斷開關變換器是否操作在輕載狀態；當開關變換器操作在輕載狀態時，產生輕載調節電流信號；以及當開關變換器操作在輕載狀態時，根據輕載調節電流信號產生導通時長控制信號，其中，所述導通時長控制信號用於控制可控開關的在輕載狀態時的導通時長小於開關變換器在正常狀態時的導通時長。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裡描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。
圖1為根據本發明一實施例的準恆定導通時間控制的開關變換器100的原理方塊圖。如圖1所示，開關變換器100包括開關電路10和控制電路。開關電路10包括至少一個可控開關，透過控制電路控制該可控開關的導通和關斷，開關電路10和輸出濾波電容器COUT將一輸入電壓信號VIN轉換為一輸出電壓信號VOUT。在圖1所示實施例中，開關電路10被示意為降壓BUCK拓撲結構。如圖1所示，降壓BUCK拓撲結構包括高側開關HS、低側開關LS和電感器LOUT，其中，高側開關HS和低側開關LS均被示意為可控開關。在其他實施例中，低側開關LS也可用單向二極體代替。本領域的一般技術人員可以理解，開關電路10還可以包括其他適合的直流/直流或交流/直流變換拓撲結構，例如同步或非同步的升壓、降壓變換器，以及正激、反激變換器等等。開關電路10中的可控開關可以為任何可控半導體開關裝置，例如金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)等。
控制電路包括比較電路11、輕載調節電流產生電路12、導通時長控制電路13、邏輯電路14和模式判斷電路15。在一個實施例中，比較電路11、輕載調節電流產生電路12、導通時長控制電路13、邏輯電路14和模式判斷電路15可以被整合在同一個積體電路(例如，控制IC)中，該積體電路可為數位積體電路、類比積體電路或數模結合的積體電路。
在一個實施例中，比較電路11接收一個代表輸出電壓VOUT的反饋電壓信號VFB，並將反饋信號VFB和一個參考電壓信號VREF比較，產生一個比較信號TOFF。比較信號TOFF包括一個高低邏輯電平信號。在一個實施例中，當比較信號TOFF從邏輯低變為邏輯高時，開關變換器100中的第一可控開關(如BUCK變換器中的高側開關HS)導通，第二可控開關(如BUCK變換器中的低側開關)關斷。在一個實施例中，比較電路11包括一個電壓比較器101，具有同相輸入端和反相輸入端，其同相輸入端接收反饋電壓信號VFB，反相輸入端接收參考電壓信號VREF。當反饋電壓信號VFB降低到參考電壓信號VREF時，電壓比較器101輸出的比較信號TOFF變高，第一可控開關導通，第二可控開關關斷。
輕載調節電流產生電路12用於在開關變換器100操作在輕載狀態時產生一個輕載調節電流信號Ishr。在一個實施例中，輕載調節電流產生電路12接收輕載指示信號SLP，並透過輕載指示信號SLP判斷開關變換器100操作在輕載狀態還是正常狀態。在一個實施例中，“正常狀態”是指開關變換器100未進入輕載狀態或跳出輕載狀態的正常帶載的操作狀態。在一個實施例中，當輕載指示信號SLP指示開關變換器100操作在正常狀態時，輕載調節電流產生電路12失能；在另一個實施例中，當輕載指示信號SLP指示開關變換器100操作在正常狀態時，輕載調節電流信號Ishr為零。在一個實施例中，當輕載指示信號SLP指示開關變換器100操作在輕載狀態時，輕載調節電流產生電路12產生一個恆定的輕載調節電流信號Ishr；在另一個實施例中，當輕載指示信號SLP指示開關變換器100操作在輕載狀態時，輕載調節電流產生電路12根據負載的變化而產生不同的輕載調節電流信號Ishr。在一個實施例中，負載越輕，輕載調節電流信號Ishr越大。
在圖1所示實施例中，模式判斷電路15用於判斷開關變換器100是否操作在輕載狀態，並輸出用於指示開關變換器100是否操作在輕載狀態的狀態指示信號SLP。在一個實施例中，狀態指示信號SLP為一個高低邏輯信號，狀態指示信號SLP的邏輯有效狀態(例如，邏輯高)表示開關變換器100操作在輕載狀態；狀態指示信號SLP的邏輯無效(例如，邏輯低)狀態表示開關變換器100操作在正常狀態。在實際應用中，可透過多種方法判斷開關變換器100是否操作在輕載狀態，因此，模式判斷電路15的實施例很多。
在一個實施例中，模式判斷電路15可基於高側開關HS的關斷時間來判斷開關變換器100是否進入輕載狀態。例如，當高側開關HS被關斷，模式判斷電路15開始計時，當計時時間達到第一預設時間閾值tTH1，狀態指示信號SLP邏輯有效。
在另一個實施例中，模式判斷電路15也可基於低側開關LS的關斷時間來判斷開關變換器100是否進入輕載狀態。例如，當低側開關LS被關斷，模式判斷電路15開始計時，當計時時間達到第二預設時間閾值tTH2，狀態指示信號SLP邏輯有效。
在又一個實施例中，模式判斷電路15也可基於高側開關HS和低側開關LS同時關斷的時間來判斷開關變換器100是否進入輕載狀態。例如，當高側開關HS和低側開關LS同時被關斷時，模式判斷電路15開始計時，當計時時間達到第三預設時間閾值tTH3，狀態指示信號SLP邏輯有效。
導通時長控制電路13接收輸入電壓信號VIN、輸出電壓信號VOUT和輕載調節電流信號Ishr，並根據輸入電壓信號VIN、輸出電壓信號VOUT和輕載調節電流信號Ishr產生導通時長控制信號TON。導通時長控制信號TON用於控制開關電路10中可控開關的導通時長。在一個實施例中，導通時長控制信號TON用於控制可控開關在輕載狀態下的導通時長小於其在正常狀態下的導通時長。在一個實施例中，導通時長控制信號TON用於控制高側開關HS的導通時長。在其他實施例中，導通時長控制電路13也可不接收輸入電壓信號VIN和輸出電壓信號VOUT，僅接收輕載調節電流信號Ishr，並根據輕載調節電流信號Ishr和導通時長控制電路13內部的固定電壓信號產生導通時長控制信號TON。在這種情況下，產生的導通時長控制信號TON不隨輸入電壓信號VIN和輸出電壓信號VOUT變化而變化。
在一個實施例中，當開關變換器100操作在正常狀態時，導通時長控制信號TON用於控制可控開關的導通時長在穩態時不隨負載的改變而改變。需要說明的是：這裡所說的“可控開關的導通時長在穩態時不隨負載的改變而改變”是指在正常狀態下，當負載改變後，開關變換器100從一個穩態進入另一個穩態時，可控開關的導通時長在兩個穩態期間的值是相等的，而從一個穩態進入另一個穩態的中間的瞬態階段，可控開關的導通時長可以變化也可以不變。例如，在一個實施例中，當開關變換器100操作在瞬態階段時，可控開關的導通時長不隨負載的變化而變化，而是透過調整開關頻率來適應負載的變化；在另一個實施例中，當開關變換器100操作在瞬態階段時，可控開關的導通時長也可以隨負載的變化而變化。
本領域的一般技術人員可以理解，開關變換器100的“穩態”是指：在多個開關週期中，負載不再變化，電流波形和電壓波形分別在每個開關週期都是重複的狀態。例如，假設週期為T，第n個週期的電流i(nT)和第n+1個週期的電流i((n+1)T)相等；第n個週期的電壓v(nT)和第n+1個週期的電壓v((n+1)T)相等，此時，電壓波形和電流波形變成了週期性波形。反之，當負載出現變化，或系統出現擾動，從變化或擾動出現的瞬間到下一次穩態之間的過程稱之為“瞬態”。
在一個實施例中，當狀態指示信號SLP指示開關變換器100操作在輕載狀態時，導通時長控制信號TON控制可控開關在穩態時的導通時長小於其在正常狀態下穩態時的導通時長。在一個實施例中，在輕載狀態下，導通時長控制信號TON控制可控開關在每個穩態的導通時長不隨每個穩態對應的負載的變化而變化。同樣地，這裡所說的“可控開關在每個穩態時的導通時長不隨每個穩態對應的負載的變化而變化”是指在輕載狀態下，當負載改變後，開關變換器100從一個穩態進入另一個穩態時，可控開關的導通時長在兩個穩態期間的值是相等的。在另一個實施例中，在輕載狀態下，導通時長控制信號TON控制可控開關在每個穩態的導通時長隨每個穩態對應的負載的變化而變化。例如，在輕載狀態下，負載越輕，可控開關的導通時長越短。
邏輯電路14接收比較信號TOFF和導通時長控制信號TON，並對比較信號TOFF和導通時長控制信號TON做邏輯運算，產生控制信號PWM控制開關變換器100中可控開關的導通和關斷。在圖1所示實施例中，邏輯電路14示意為一個RS觸發器104，RS觸發器104的設定端S接收比較信號TOFF，RS觸發器104的重定端R接收導通時長控制信號TON，RS觸發器104在輸出端Q輸出控制信號PWM。
在一個實施例中，開關變換器還包括驅動電路(未示出)，其輸入端耦接至邏輯電路14的輸出端，其輸出端耦接至可控開關的控制端以控制可控開關的導通與關斷。
在一些實施例中，為了消除次諧波振盪，開關變換器100還包括產生斜坡補償信號的斜坡補償電路(未示出)。該斜坡補償信號可以被疊加至反饋信號VFB，亦或從參考信號VREF中被減去。
圖2所示為根據本發明一個實施例的信號波形200的示意圖。在圖2所示實施例中，信號波形圖200示意出了開關變換器100中相關參數的波形，波形從上至下分別為電感電流信號ILC的波形、導通時長控制信號TONC的波形、電感電流信號ILD的波形、導通時長控制信號TOND的波形、電感電流信號ILD的波形、導通時長控制信號TONS1的波形、電感電流信號ILS2的波形和導通時長控制信號TONS2的波形。其中，電感電流信號ILC的波形和導通時長控制信號TONC的波形為開關變換器操作在正常狀態的連續模式下穩態時的波形示意圖；導通時長控制信號TOND的波形和電感電流信號ILS1的波形為開關變換器操作在正常狀態的斷續模式下穩態時的波形示意圖；電感電流信號ILS1的波形、導通時長控制信號TONS1的波形、電感電流信號ILS2的波形和導通時長控制信號TONS2的波形為開關變換器操作在輕載狀態下穩態時的波形示意圖。接下來，將結合圖2所示波形，對開關變換器100的操作原理進一步進行描述。
開關變換器100操作在正常狀態時，當反饋電壓信號VFB小於參考電壓信號VREF時，比較信號TOFF變為邏輯高，控制信號PWM控制開關電路10中的高側開關HS導通，控制低側開關LS關斷。此時，電感電流信號(連續模式下的電感電流信號ILC或斷續模式下的電感電流信號ILD)線性上升。導通時長控制信號(連續模式下的導通時長控制信號TONC或斷續模式下的導通時長控制信號TOND)控制高側開關HS導通固定時長後關斷，同時低側開關LS導通，電感電流信號(連續模式下的電感電流信號ILC或斷續模式下的電感電流信號ILD)線性下降。在連續模式下，電感電流信號ILC降低到最低值後，高側開關HS再次導通，電感電流信號ILC線性上升，開始新一個週期。在斷續模式下，電感電流信號ILC降低到零後，高側開關HS繼續保持關斷，直到一個週期結束為止。從圖2所示的導通時長控制信號TONC和導通時長控制信號TOND的波形可以看出，在正常操作狀態下，不論連續模式還是斷續模式，當開關變換器100進入穩態以後，導通時長控制信號TONC和導通時長控制信號TOND的脈衝寬度是不變的(亦即，高側開關HS的導通時長不變)。開關變換器100透過改變開關頻率來適應負載的變化，例如，當負載減輕，開關變換器100從連續模式轉換為斷續模式，開關週期也由TC增加到了TD。
根據本發明的一個實施例，當負載持續減輕，開關變換器100將進入輕載狀態。在一個實施例中，當高側開關HS和低側開關LS均關斷的時間tHZ超過一個時間閾值，例如第三預設時間閾值tTH3，則代表開關變換器100進入輕載狀態。當開關變換器100操作在輕載狀態時，導通時長控制電路13將根據輕載調節電流信號Ishr的大小來減小導通時長控制信號(TONS1或TONS2)的有效時長。在圖2所示實施例中，減小導通時長控制信號(TONS1或TONS2)的有效時長即減小導通時長控制信號(TONS1或TONS2)的脈衝寬度，從而減小可控開關(例如，圖1中的高側開關HS)的導通時長。在輕載狀態下，減小可控開關的導通時長有利於減小開關變換器100在輕載狀態時的輸出電壓紋波。
如圖2所示實施例，當開關變換器100進入輕載狀態，導通時長控制信號TONS1的脈衝寬度W1和導通時長控制信號TONS2的脈衝寬度W2均小於正常狀態下的導通時長控制信號TONC和TOND的脈衝寬度，也就是說，可控開關在輕載狀態下的導通時長小於其在正常狀態下的導通時長。此外，在輕載狀態時，導通時長控制信號TONS1的脈衝寬度W1和導通時長控制信號TONS2的脈衝寬度W2相等，也就是說：在輕載狀態下，可控開關(例如，高側開關HS)在穩態時的導通時長不隨負載的改變而改變。
圖3所示為根據本發明另一個實施例的信號波形300的示意圖。在圖3所示實施例中，信號波形圖300示意出了開關變換器100中相關參數的波形，波形從上至下分別為電感電流信號ILC的波形、導通時長控制信號TONC的波形、電感電流信號ILD的波形、導通時長控制信號TOND的波形、電感電流信號ILS3的波形、導通時長控制信號TONS3的波形、電感電流信號ILS4的波形和導通時長控制信號TONS4的波形。其中，電感電流信號ILC的波形和導通時長控制信號TONC的波形為開關變換器操作在正常狀態的連續模式下穩態時的波形示意圖；導通時長控制信號TOND的波形和電感電流信號ILD的波形為開關變換器操作在正常狀態的斷續模式下穩態時的波形示意圖；電感電流信號ILS3的波形、導通時長控制信號TONS3的波形、電感電流信號ILS4的波形和導通時長控制信號TONS4的波形為開關變換器操作在輕載狀態下穩態時的波形示意圖。
和圖2所示波形200的示意圖相比，圖3所示波形300主要示出了不同的導通時長控制信號TONS3和導通時長控制信號TONS4的波形。從圖3所示實施例可以看出，當開關變換器100進入輕載狀態，導通時長控制信號TONS3的脈衝寬度W3和導通時長控制信號TONS4的脈衝寬度W4均小於正常狀態下的導通時長控制信號TONC和TOND的脈衝寬度。此外，從導通時長控制信號TONS3和導通時長控制信號TONS4的波形可以看出：電感電流信號ILS4的平均值小於電感電流信號ILS3的平均值(代表電感電流信號ILS4的負載更輕)，此時導通時長控制信號TONS4的脈衝寬度W4相比於導通時長控制信號TONS3的脈衝寬度W3更窄。也就是說，在輕載狀態時，導通時長控制信號的脈衝寬度隨負載的變化而變化，負載越輕，導通時長控制信號的脈衝寬度越窄，可控開關導通的時間越短。
圖4所示為根據本發明一個實施例的圖1中所示的導通時長控制電路13的原理圖。如圖4所示，導通時長控制電路13包括受控電流產生電路31，受控電壓產生電路32、重定開關33、電壓比較器34、充放電電容器35和節點36。受控電流產生電路31和充放電電容器35串聯連接在第一電壓信號V1和參考地之間，且受控電流產生電路31和充放電電容器35的共同節點被示意為節點36。受控電流產生電路31用於產生受控電流信號ICH。輕載調節電流產生電路12的輸出端耦接節點36，提供輕載調節電流信號Ishr。重定開關33具有第一端、第二端和控制端，其第一端電連接節點36，其第二端電連接參考地，其控制端接收控制信號PWM。在一個實施例中，控制信號PWM包括高側開關控制信號，當高側開關控制信號控制高側開關HS導通時，高側開關控制信號控制重定開關33關斷，受控電流信號ICH對充放電電容器35充電。受控電壓產生電路32接收第二電壓信號V2，並產生受控電壓信號VD。電壓比較器34，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收受控電壓信號VD，其第二輸入端耦接至節點36接收充放電電容器35兩端的電壓，電壓比較器34比較受控電壓信號VD和充放電電容器35兩端的電壓，並產生導通時長控制信號TON。
在一個實施例中，第一電壓信號V1和第二電壓信號V2可以為一個固定值。此時，受控電流信號ICH包括一個恆定值，且受控電壓信號VD包括一個恆定值。當開關變換器100操作在正常狀態時，由於輕載調節電流信號Ishr為零，導通時長控制信號TON不論在瞬態還是穩態階段的邏輯有效狀態(例如，邏輯高)的時長均不變，開關變換器100透過改變開關的頻率以應對負載的變化。在一個實施例中，邏輯有效狀態是指導通時長控制信號TON的脈衝寬度。當開關變換器100操作在輕載狀態時，由於輕載調節電流信號Ishr的值不為零，導通時長控制信號TON的有效狀態(例如，邏輯高)的時長變小，可控開關的導通時間減小。
在另一個實施例中，第一電壓信號V1和第二電壓信號V2為一個可變值，例如，第一電壓信號V1和第二電壓信號V2均為與輸入電壓信號VIN和輸出電壓信號VOUT相關的可變信號。當開關變換器100操作在正常狀態的瞬態時，由於輸入電壓信號VIN和/或輸出電壓信號VOUT會變化，受控電流信號ICH和/或受控電壓信號VD會變化，因此導通時長控制信號TON的邏輯有效狀態(例如，邏輯高)的時長也會改變；當開關變換器100操作在正常狀態的穩態時，由於輸入電壓信號VIN和輸出電壓信號VOUT在穩態時不變，受控電流信號ICH和受控電壓信號VD也不變，所以導通時長控制信號TON的有效狀態(例如，邏輯高)的時長不變。當開關變換器100操作在輕載狀態時，由於輕載調節電流信號Ishr的值不為零，導通時長控制信號TON的有效狀態(例如，邏輯高)的時長均變小，可控開關的導通時間減小。
在一個實施例中，當第一電壓信號V1和第二電壓信號V2為一個可變值時，其值與開關變換器100中開關電路10的拓撲結構選擇相關。當開關電路10採用降壓(BUCK)拓撲時，導通時長信號TON的占空比與輸出電壓信號VOUT成正比、且與輸入電壓信號VIN成反比。因此，在一個實施例中，第一電壓信號V1包括輸入電壓信號VIN，受控電流信號ICH與輸入電壓信號VIN成正比；第二電壓信號V2包括輸出電壓信號VOUT，受控電壓信號VD與輸出電壓信號VOUT成正比。
當開關電路10採用升壓(BOOST)拓撲時，導通時長信號TON的占空比與輸出電壓信號VOUT和輸入電壓信號VIN之差(VOUT-VIN)成正比、且與輸出電壓信號VOUT成反比。因此，在該實施例中，第一電壓信號V1包括輸出電壓信號VOUT，受控電流信號ICH與輸出電壓信號VOUT成正比；第二電壓信號V2包括輸入電壓信號VIN和輸出電壓信號VOUT，受控電壓信號VD與輸出電壓信號VOUT和輸入電壓信號VIN之差(VOUT-VIN)成正比。
圖5所示為根據本發明圖1所示輕載調節電流產生電路12的一個實施例500的電路原理圖。如圖5所示，輕載調節電流產生電路500包括電流源51、電容器52、取樣保持電路53和電流轉換電路54。電流源51具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至供電電壓VD，第二端輸出充電電流信號ICH2，其控制端接收輕載指示信號SLP。電容器52具有第一端和第二端，其第一端耦接至電流源51的第二端，其第二端耦接至參考地。當開關變換器100進入輕載狀態時，輕載指示信號SLP控制電流源51輸出充電電流信號ICH2給電容器52充電。取樣保持電路53具有輸入端和輸出端，其輸入端耦接電流源51和電容器52的共同端。當電流源51給電容器52充電一個預設固定時間段後，取樣保持電路53將電容器52上的電壓取樣並保持，並在其輸出端輸出輕載調節電壓信號Vshr。電流轉換電路54具有輸入端和輸出端，其輸入端接收輕載調節電壓信號Vshr，電流轉換電路54將輕載調節電壓信號Vshr轉換為輕載調節電流信號Ishr並在其輸出端輸出。
在圖5所示實施例中，電壓保持電路53包括延時脈衝產生器531、取樣開關532和取樣電容器533。延時脈衝產生器531接收輕載指示信號SLP，同時將輕載指示信號SLP延時預設固定時間段後的上升邊緣時刻產生取樣控制信號SLP_delay_pulse。在一個實施例中，取樣控制信號SLP_delay_pulse為一個脈衝信號。本領域的一般技術人員可以理解，脈衝信號指在信號週期內短暫起伏的電壓或電流信號，脈衝信號的脈衝寬度由脈衝信號產生器的參數決定。在一個實施例中，輕載指示信號SLP延時的預設固定時間段可以提前設定，例如5ns。取樣開關532具有第一端、第二端和控制端，其第一端作為取樣保持電路53的輸入端，其第二端作為取樣保持電路53的輸出端輸出輕載調節電壓信號Vshr，其控制端接收取樣控制信號SLP_delay_pulse。取樣電容器533耦接在取樣開關532的第二端和參考地之間。當輕載指示信號SLP延時預設固定時間段後，在其上升邊緣時刻，取樣控制信號SLP_delay_pulse控制取樣開關532導通，取樣電容器533被充電，取樣電容器533上的電壓信號即為輕載調節電壓信號Vshr。
在圖5所示實施例中，電流轉換電路54包括運算放大器541、電阻器542、電晶體543、運算放大器541和上拉電流鏡544。運算放大器541具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收輕載調節電壓信號Vshr，其第二輸入端經由電阻器542耦接至參考地；電晶體543具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接運算放大器541的第二輸入端，其控制端耦接運算放大器541的輸出端；上拉電流鏡544具有電流入端和電流出端，其電流入端耦接至電晶體543的第二端，其電流鏡輸出端提供輕載調節電流信號Ishr。
在圖5所示實施例中，輕載調節電流產生電路500進一步還包括下降邊緣脈衝產生器55、取樣重定開關56和輕載重定開關57。下降邊緣脈衝產生器55接收取樣控制信號SLP_delay_pulse，並在取樣控制信號SLP_delay_pulse的下降邊緣時刻產生取樣重定控制信號RST。在一個實施例中，取樣重定控制信號RST為一個脈衝信號。取樣重定開關56具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接電容器52的第一端，其第二端耦接電容器52的第二端，其控制端接收取樣重定控制信號RST。輕載重定開關57具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接取樣保持電路53的輸出端，其第二端耦接參考地，其控制端接收狀態指示信號SLP。在一個實施例中，當狀態指示信號SLP指示開關變換器100操作在輕載狀態時，輕載重定開關57斷開；當狀態指示信號SLP指示開關變換器100操作在正常狀態時，輕載重定開關57導通，輕載調節電壓信號Vshr被鉗位到參考地電位。在其他實施例中，輕載重定開關57也可以耦接在電流轉換電路54的輸出端和輕載調節電流產生電路12的輸出端之間。當狀態指示信號SLP指示開關變換器100操作在輕載狀態時，輕載重定開關57將電流轉換電路54的輸出端和輕載調節電流產生電路12的輸出端連接；當狀態指示信號SLP指示開關變換器100操作在正常狀態時，輕載重定開關57將電流轉換電路54的輸出端和輕載調節電流產生電路12的輸出端斷開。當開關變換器100操作在輕載狀態時，取樣重定開關56斷開，輕載指示信號SLP控制電流源51輸出充電電流信號ICH2給電容器52充電，當電容器52被充電一個預設固定時間段後，取樣開關532導通，取樣電容器533被充電。當取樣開關532關斷後，取樣重定開關56導通，電容器52被放電重定。當電容器52被放電復位結束後，取樣重定開關56再次被關斷，充電電流信號ICH2重新給電容器52充電，開始下一個週期，依次重複。在圖5所示實施例中，在輕載狀態下，即使負載不同，電容器52被充電的時間相同，因此取樣並保持的輕載調節電壓信號Vshr的值不變，所以輕載調節電流信號Ishr的值不變。
圖6所示為根據本發明圖1所示輕載調節電流產生電路12的一個實施例600的電路原理圖。在圖6所示實施例中，輕載調節電流產生電路12包括電流源51、電容器52、取樣保持電路63和電流轉換電路54。電流源51、電容器52、取樣保持電路63和電流轉換電路54的連接關係和圖5所述實施例中電流源51、電容器52、取樣保持電路53和電流轉換電路54的連接關係相同。不同之處在於取樣保持電路63為一個新的實施例。
在圖6所示實施例中，電壓保持電路63包括上升邊緣脈衝產生器631、取樣開關632和取樣電容器633。上升邊緣脈衝產生器631接收可控開關控制信號PWM，並在可控開關控制信號PWM的上升邊緣時刻產生取樣控制信號PWM_pulse。在一個實施例中，可控開關控制信號PWM包括高側開關HS的控制信號；在另一個實施例中，可控開關控制信號PWM包括低側開關LS的控制信號。在一個實施例中，取樣控制信號PWM_pulse為一個脈衝信號。取樣開關632具有第一端、第二端和控制端，其第一端作為取樣保持電路63的輸入端，其第二端作為取樣保持電路63的輸出端輸出輕載調節電壓信號Vshr，其控制端接收取樣控制信號PWM_pulse。取樣電容器633具有第一端和第二端，其第一端耦接取樣開關632的第二端，其第二端耦接參考地。在可控開關控制信號PWM的上升邊緣時刻，取樣控制信號PWM_pulse控制取樣開關632導通，取樣電容器633被充電，取樣電容器633上的電壓信號即為輕載調節電壓信號Vshr。當開關變換器100操作在輕載狀態時，取樣重定開關56斷開，輕載指示信號SLP控制電流源51輸出充電電流信號ICH2給電容器52充電，當可控開關控制信號PWM的上升邊緣來臨時，取樣開關632導通，取樣電容器633被充電。當取樣開關632關斷後，取樣重定開關56導通，電容器52被放電重定。當電容器52被放電重定結束後，取樣重定開關56再次被關斷，充電電流信號ICH2重新給電容器52充電，開始下一個週期，依次重複。在圖6所示實施例中，在輕載狀態下，由於負載不同，可控開關控制信號PWM的上升邊緣來臨時刻也不同，因此取樣並保持的輕載調節電壓信號Vshr的值也不同，所以輕載調節電流信號Ishr的值不變。
同樣地，在圖6所示實施例中，輕載調節電流產生電路12進一步還包括下降邊緣脈衝產生器55、取樣重定開關56和輕載重定開關57。與圖5所示實施例不同之處在於：下降邊緣脈衝產生器55接收取樣控制信號PWM_pulse，並在取樣控制信號PWM_pulse的下降邊緣時刻產生取樣重定控制信號RST。
圖7所示為根據本發明一個實施例導通時長控制電路13的電路結構示意圖。具體地，在圖7所示實施例中，示意了當開關電路10採用BUCK拓撲時，受控電流產生電路31和受控電壓產生電路32的具體電路結構。
如圖7所示，受控電流產生電路31包括運算放大器311、電阻值為R1的電阻器312、電阻值為R2的電阻器313、電阻值為R3的電阻器314、電晶體315和上拉電流鏡316。運算放大器311，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端經由電阻值為R1的電阻器312接收輸入電壓信號VIN、經由電阻值為R2的電阻器313耦接至參考地；電晶體315，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接運算放大器311的第二輸入端並經由電阻值為R3的電阻器314耦接至參考地，其控制端耦接運算放大器311的輸出端；上拉電流鏡316，具有電流入端和電流出端，其電流入端耦接至電晶體315的第二端，其電流鏡輸出端提供受控電流信號ICH。透過計算，可知ICH=VIN×R2/((R1+R2)×R3)。
在圖7所示實施例中，受控電壓產生電路32包括電晶體321和誤差放大器322。電晶體321具有第一端、第二端和控制端，其第一端接收輸出電壓信號VOUT，其第二端提供受控電壓信號VD。誤差放大器322具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收參考電壓信號VREF，其第二輸入端耦接至電晶體321的第二端接收受控電壓信號VD，輸出端耦接至電晶體321的控制端。誤差放大器322用於放大參考電壓信號VREF和受控電壓信號VD的差值，並在輸出端提供一個誤差信號EO用於控制電晶體321操作在一個線性調節的區域。
圖8所示為根據本發明一實施例的準恆定導通時間控制的開關變換器的控制方法800的流程示意圖。圖8所示的準恆定導通時間控制方法可用於前述圖1至7所示的準恆定導通時間控制的開關變換器以及其他在本發明申請保護範圍內的準恆定導通時間控制的開關變換器中，準恆定導通時間控制方法包括步驟801至804。
步驟801，判斷開關變換器是否操作在輕載狀態；當判斷開關變換器操作在輕載狀態，轉至步驟802；否則轉至步驟804。
步驟802，在開關變換器操作在輕載狀態時，產生輕載調節電流信號。
步驟803，當開關變換器操作在輕載狀態時，根據輕載調節電流信號產生導通時長控制信號，其中，所述導通時長控制信號用於控制可控開關的在輕載狀態時的導通時長小於開關變換器操作在正常狀態下的導通時長。在一個實施例中，當開關變換器操作在輕載狀態時，可控開關在每個穩態的導通時長不變；在另一個實施例中，當開關變換器操作在輕載狀態時，可控開關在每個穩態的導通時長隨每個穩態對應的負載的變化而變化。
步驟804，在開關變換器操作在正常狀態時，控制可控開關的導通時長在穩態時不隨負載的變化而變化。在一個實施例中，開關變換器的控制電路根據輸入電壓信號VIN和輸出電壓信號VOUT產生導通時長控制信號；在另一個實施例中，開關變換器的控制電路根據固定電壓信號產生導通時長控制信號。
在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一個實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和、或子組合將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的圖式都是為了說明的目的，並且圖式不一定是按比例繪製的。應當理解，當稱“元件”“連接到”或“耦接”到另一元件時，它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反地，當稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的圖式標記指示相同的元件。這裡使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離本發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和變型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。
10:開關電路 11:比較電路 12:輕載調節電流產生電路 13:導通時長控制電路 14:邏輯電路 15:模式判斷電路 31:受控電流產生電路 32:受控電壓產生電路 33:重定開關 34:電壓比較器 35:充放電電容器 36:節點 51:電流源 52:電容器 53:取樣保持電路 54:電流轉換電路 55:下降邊緣脈衝產生器 56:取樣重定開關 57:輕載重定開關 63:取樣保持電路 100:開關變換器 200:信號波形圖 300:信號波形圖 311:運算放大器 312:電阻值為R1的電阻器 313:電阻值為R2的電阻器 314:電阻值為R3的電阻器 315:電晶體 316:上拉電流鏡 321:電晶體 322:誤差放大器 500:輕載調節電流產生電路 531:延時脈衝產生器 532:取樣開關 533:取樣電容器 541:運算放大器 542:電阻器 543:電晶體 544:上拉電流鏡 631:上升邊緣脈衝產生器 632:取樣開關 633:取樣電容器
透過參考圖式閱讀下文的詳細描述，本發明實施方式的上述以及其他目的、特徵和優點將變得易於理解。在圖式中，以示例性而非限制性的方式示出了本發明的若干可行實施方式，其中：
[圖1]為根據本發明一實施例的準恆定導通時間控制的開關變換器100的原理方塊圖；
[圖2]所示為根據本發明一個實施例的信號波形200的示意圖；
[圖3]所示為根據本發明另一個實施例的信號波形300的示意圖；
[圖4]所示為根據本發明一個實施例的圖1中所示的導通時長控制電路13的原理圖；
[圖5]所示為根據本發明圖1所示輕載調節電流產生電路12的一個實施例500的電路原理圖；
[圖6]所示為根據本發明圖1所示輕載調節電流產生電路12的一個實施例600的電路原理圖；
[圖7]所示為根據本發明一個實施例導通時長控制電路13的電路結構示意圖；
[圖8]所示為根據本發明一實施例的準恆定導通時間控制的開關變換器的控制方法800的流程圖。
在圖式中，相同或對應的標號被用以表示相同或對應的元件。
10:開關電路
11:比較電路
12:輕載調節電流產生電路
13:導通時長控制電路
14:邏輯電路
15:模式判斷電路
100:開關變換器
101:電壓比較器
104:RS觸發器

Claims (11)

  1. 一種用於開關變換器的準恆定導通時間控制電路，該開關變換器包括可控開關，透過控制該可控開關的導通和關斷將輸入電壓轉換為輸出電壓，其中，該準恆定導通時間控制電路包括：輕載調節電流產生電路，接收輕載狀態指示信號，當該輕載指示信號指示該開關變換器操作在輕載狀態時，該輕載調節電流產生電路產生輕載調節電流信號；導通時長控制電路，接收該輕載調節電流信號，並基於該輕載調節電流信號產生導通時長控制信號，其中，該導通時長控制信號用於控制該可控開關在輕載狀態下的導通時長小於其在正常狀態下的導通時長；比較電路，接收代表輸出電壓的反饋電壓信號，並將該反饋電壓信號和參考電壓信號比較，產生比較信號；以及邏輯電路，接收該比較信號和該導通時長控制信號，並將該比較信號和該導通時長控制信號做邏輯運算，輸出可控開關控制信號，該可控開關控制信號用於控制該可控開關的導通和關斷切換，其中，該輕載調節電流產生電路包括：電流源，具有第一端、第二端和控制端，其中，該電流源的第一端耦接至供電電壓，該電流源的控制端接收該輕載指示信號；第一電容器，具有第一端和第二端，其中，該第一電 容器的第一端耦接至該電流源的第二端，該第一電容器的第二端耦接至參考地；取樣保持電路，具有輸入端和輸出端，該取樣保持電路的輸入端耦接該電流源和該第一電容器的共同端，該取樣保持電路將該第一電容器上的電壓取樣並保持，並在該取樣保持電路的輸出端輸出輕載調節電壓信號；以及電流轉換電路，接收該輕載調節電壓信號，並將該輕載調節電壓信號轉換為該輕載調節電流信號。
  2. 如請求項1所述的控制電路，其中，該輕載調節電流信號為一個固定值。
  3. 如請求項1所述的控制電路，其中，該輕載調節電流信號根據負載的變化而變化。
  4. 如請求項1所述的控制電路，其中，當該電流源給該第一電容器充電一個預設固定時間段後，該取樣保持電路將該第一電容器上的電壓取樣並保持，並在該取樣保持電路的輸出端輸出該輕載調節電壓信號。
  5. 如請求項1所述的控制電路，其中，在該可控開關的導通時刻，該取樣保持電路將該第一電容器上的電壓取樣並保持，並在該取樣保持電路的輸出端輸出該輕載調節電壓信號。
  6. 如請求項1所述的控制電路，其中，該取樣保持電路包括：延時脈衝產生器，接收該輕載指示信號，並在該輕載指示信號延時一個預設固定時間段後的上升邊緣時刻產生 第一取樣控制信號；取樣開關，具有第一端、第二端和控制端，該取樣開關的第一端作為該取樣保持電路的輸入端，該取樣開關的第二端作為該取樣保持電路的輸出端，該取樣開關的控制端接收該第一取樣控制信號；以及取樣電容器，耦接在該取樣開關的第二端和參考地之間。
  7. 如請求項6所述的控制電路，其中，該輕載調節電流產生電路進一步包括：下降邊緣脈衝產生器，接收該第一取樣控制信號，並在該第一取樣控制信號的下降邊緣時刻產生取樣重定控制信號；取樣重定開關，具有第一端、第二端和控制端，該取樣重定開關的第一端耦接該第一電容器的第一端，該取樣重定開關的第二端耦接該第一電容器的第二端，該取樣重定開關的控制端接收該取樣重定控制信號；以及輕載重定開關，具有第一端、第二端和控制端，該輕載重定開關的第一端耦接該取樣保持電路的第二端，該輕載重定開關的第二端耦接參考地，該輕載重定開關的控制端接收該輕載狀態指示信號。
  8. 如請求項1所述的控制電路，其中，該電壓保持電路包括：上升邊緣脈衝產生器，接收該可控開關控制信號，並在該可控開關控制信號的上升邊緣時刻產生第二取樣控制 信號；取樣開關，具有第一端、第二端和控制端，該取樣開關的第一端作為該取樣保持電路的輸入端，該取樣開關的第二端作為該取樣保持電路的輸出端，該取樣開關的控制端接收該第二取樣控制信號；以及取樣電容器，耦接在該取樣開關的第二端和參考地之間。
  9. 如請求項8所述的控制電路，其中，該輕載調節電流產生電路進一步包括：下降邊緣脈衝產生器，接收該第二取樣控制信號，並在該第二取樣控制信號的下降邊緣時刻產生取樣重定控制信號；取樣重定開關，具有第一端、第二端和控制端，該取樣重定開關的第一端耦接該第一電容器的第一端，該取樣重定開關的第二端耦接該第一電容器的第二端，該取樣重定開關的控制端接收該取樣重定控制信號；以及輕載重定開關，具有第一端、第二端和控制端，該輕載重定開關的第一端耦接該取樣保持電路的第二端，該輕載重定開關的第二端耦接參考地，該輕載重定開關的控制端接收輕載狀態指示信號。
  10. 如請求項1所述的控制電路，其中，該導通時長控制電路包括：受控電流產生電路，接收第一電壓信號，並根據該第一電壓信號產生受控電流信號； 第二電容器，具有第一端和第二端，該第二電容器的第一端耦接至該受控電流產生電路和該輕載調節電流產生電路分別接收該受控電流信號和該輕載調節電流信號，該第二電容器的第二端電連接參考地；第一重定開關，具有第一端、第二端和控制端，該第一重定開關的第一端耦接該第二電容器的第一端，該第一重定開關的第二端電連接至參考地，該第一重定開關的控制端接收該可控開關控制信號；受控電壓產生電路，接收第二電壓信號，並根據該第二電壓信號產生受控電壓信號；以及電壓比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，該電壓比較器的第一輸入端接收該受控電壓信號，電壓比較器的第二輸入端耦接至第二電容器的第一端，該電壓比較器比較該受控電壓信號和該第二電容器兩端的電壓，並在該電壓比較器的輸出端產生導通時長控制信號。
  11. 一種準恆定導通時間控制的開關變換器，包括：開關電路，該開關電路包括可控開關，透過控制該可控開關的導通和關斷將輸入電壓轉換為輸出電壓；反饋電路，耦接至該開關電路，提供代表開關電路輸出電壓的反饋信號；以及如請求項1至10中任一項所述的控制電路。
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