CN114389451A - 开关变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种开关变换器及其控制电路和控制方法。控制电路通过采用纹波产生电路引入附加的纹波补偿。该纹波信号可以根据直流输入电压和直流输出电压进行自适应调节，并且与开关变换器中的电感电流同步且同相，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，维持系统稳定和抑制输出纹波。

Description

开关变换器及其控制电路和控制方法

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

在电子系统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。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，电阻R3是输出电容Co的等效串联电阻(Equivalent Series Resistance，ESR)。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。误差放大器120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以用于产生置位信号。逻辑电路130根据复位信号和置位信号产生脉宽调制信号PWM。驱动电路140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。

图2示出根据现有技术的开关变换器的工作波形图，用以说明恒定导通时间的开关变换器的工作原理。参照图1和图2，在时间t1，反馈信号FB降低到参考电压Vref，因此误差信号Vc由低电平翻转为高电平，逻辑电路130根据误差信号Vc翻转脉宽调制信号PWM使得开关管MD1导通固定时间Ton，在开关管MD1导通期间反馈信号FB上升。在固定时间Ton结束之后，开关管MD1断开，开关管MD2导通，反馈信号FB下降，当反馈信号FB再次降低到参考电压Vref时，开关管MD1再次导通固定时间Ton，通过开关管MD1和MD2周期地导通和断开，从而使得直流输出电压Vout稳定在设定值。

然而，在一些应用中，如果在开关变换器100的输出端使用低ESR电容(例如陶瓷电容)作为输出电容，因为其等效串联电阻R3很小，所以直流输出电压Vout和反馈信号FB的纹波也很小，甚至被视为直流信号，因此会在系统中发生次谐波震荡，可能会导致控制系统不稳定的问题。但是在开关变换器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导致电路面积和成本增加，而且会导致输出电压的纹波增大，影响后级电路的正常工作。

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，解决了在开关变换器中使用低ESR的陶瓷电容作为输出电容时会在系统中出现次谐波震荡的问题。

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：纹波产生电路，用于根据所述直流输入电压和所述直流输出电压产生与所述开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号；误差比较器，用于将所述直流输出电压的反馈信号和所述纹波信号的叠加信号与参考电压进行比较，以获得误差信号用于产生置位信号；逻辑电路，用于分别根据所述置位信号和复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得固定导通时间，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。

可选的，所述控制电路还包括：导通时间控制电路，用于产生所述复位信号。

可选的，所述纹波产生电路包括：第一跨导放大器，用于将所述直流输入电压转换成第一电流；第一开关和第一电容，串联连接在所述第一跨导放大器的输出端和地之间；第二跨导放大器，串联连接在所述第一开关和第一电容之间的第一节点和地之间，用于将所述直流输出电压转换成第二电流；压流转换器，与所述第一节点连接，用于产生与第一节点电压相对应的转换电流；以及第一电阻，用于根据所述转换电流产生所述纹波信号，其中，在所述第一开关的导通期间基于所述第一电流和所述第二电流的电流差对所述第一电容进行充电，在所述第一开关的断开期间基于所述第二电流对所述第一电容放电。

可选的，所述第一开关的导通状态受控于所述脉宽调制信号，以在所述脉宽调制信号的上升沿开始的第一时间段导通所述第一开关，在所述脉宽调制信号的下降沿开始的第二时间段断开所述第一开关。

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：根据所述直流输入电压和所述直流输出电压产生与所述开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号；将所述直流输出电压的反馈信号和所述纹波信号的叠加信号与参考电压进行比较，以获得误差信号用于产生置位信号；分别根据所述置位信号和复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得固定导通时间，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。

可选的，所述根据所述直流输入电压和所述直流输出电压产生与所述开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号包括：将所述直流输入电压转换成第一电流；将所述直流输出电压转换成第二电流；在所述脉宽调制信号的开关周期的第一时间段，基于所述第一电流和所述第二电流的电流差对所述电容进行充电；在所述脉宽调制信号的开关周期的第二时间段，基于所述第二电流对所述电容放电；产生与所述电容的第一节点电压相对应的转换电流；以及根据所述转换电流产生所述纹波信号。

可选的，所述第一时间段是从所述脉宽调制信号的上升沿开始的预定时间段，以及所述第二时间段是从所述脉宽调制信号的下降沿开始的预定时间段。

本发明实施例的开关变换器及其控制电路和控制方法中，控制电路通过采用纹波产生电路引入附加的纹波补偿。该纹波信号可以根据直流输入电压和直流输出电压进行自适应调节，并且与开关变换器中的电感电流同步且同相，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，维持系统稳定和抑制输出纹波。

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示出根据现有技术的开关变换器工作的示意性波形图；

图3示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性电路图；

图4示出根据本发明实施例的开关变换器中纹波产生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的纹波产生电路在连续电流模式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3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3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，电阻R3是输出电容Co的等效串联电阻(Equivalent Series Resistance，ESR)。

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的控制电路包括导通时间控制电路210、纹波产生电路220、误差比较器230、逻辑电路240和驱动电路250。

导通时间控制电路210用于设定开关周期Tsw的导通时间Ton，导通时间Ton用于产生复位信号以控制脉宽调制信号PWM的导通时间。

纹波产生电路220用于根据直流输入电压Vin和直流输出电压Vout产生与开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号Vripple。

误差比较器230将直流输出电压Vout的反馈信号FB和纹波信号Vripple的叠加信号与参考电压Vref进行比较而产生误差信号Vc，用于产生置位信号以控制脉宽调制信号PWM的关断时间。在其他实施例中，也可以将纹波信号Vripple叠加到参考电压Vref上，以使得误差比较器230将反馈信号FB与纹波信号Vripple和参考电压Vref的叠加信号进行比较而产生误差信号。通过将纹波信号Vripple叠加到反馈信号FB上从而产生具有大纹波的叠加信号，进而解决因等效串联电阻R3太小造成回路不稳定的问题，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。

逻辑电路240例如通过RS触发器实现，用于分别根据所述置位信号和复位信号产生脉宽调制信号PWM。驱动电路250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。

在该实施例的开关变换器200中，导通时间控制电路210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。在反馈信号FB和纹波信号Vripple的叠加信号大于等于参考电压Vref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，经过动态调节产生的直流输出电压Vout的纹波减小，从而提高系统回路的稳定性。

图4示出根据本发明实施例的开关变换器中的纹波产生电路的示意性电路图。如图4所示，纹波产生电路220包括跨导放大器221和222、开关K1、电容Cr、压流转换器223和电阻R4。

其中，跨导放大器221用于将直流输入电压Vin转换成第一电流I1，第一电流I1可以表示为：

I1＝Vin*gm1

其中，gm1表示跨导放大器221自身的跨导。

跨导放大器222用于将直流输出电压Vout转换成第二电流I2，第二电流I2可以表示为：

I2＝Vout*gm2

其中，gm2表示跨导放大器222自身的跨导，一般情况下跨导放大器221和222的跨导相等，也即gm1＝gm2＝gm。

开关K1和电容Cr串联连接在跨导放大器221的输出端和地之间，跨导放大器222连接在开关K1和电容Cr之间的节点A和地之间。开关K1的导通状态受控于脉宽调制信号PWM，所以在脉宽调制信号PWM为高电平(也即开关管MD1导通，开关管MD2断开)期间，开关K1导通，采用第一电流I1对电容Cr进行充电，而第二电流I2始终从节点A流向地，此时节点A的电压变化量为：

ΔVA_ON＝(I1-I2)*Ton＝(Vin-Vout)*gm*Ton

其中，Ton表示开关控制信号的导通时间。

在脉宽调制信号PWM为低电平(也即开关管MD1断开，开关管MD2导通)期间，开关K1断开，采用第二电流I2对电容Cr进行放电，此时节点A的电压变化量为：

ΔVA_OFF＝I2*Toff＝Vout*gm*Toff

其中，Toff表示开关控制信号的关断时间。

又因为在稳态工作的开关变换器中的电感两端的正伏秒和负伏秒相等(即伏秒平衡)，所以稳态工作的开关变换器的电感电流IL与直流输入电压Vin、直流输出电压Vout、导通时间Ton和关断时间Toff的关系为：

ΔIL_ON＝(Vin-Vout)*Ton/L

ΔIL_OFF＝Vout*Toff/L

由上式可知，本实施例的纹波产生电路在开关控制信号的导通时间和关断时间中节点A的电压变化量与开关变换器的电感电流的变化量存在很强的相关性，所以节点A的电压近似三角波且与电感电流同步且同相。

压流转换器223与节点A连接，用于产生与节点A的电压VA相对应的转换电流Ir，电阻R4连接在误差比较器230的反相输入端与电阻R1和R2的反馈节点之间，从而可以将转换电流Ir产生的纹波信号Vripple叠加到反馈信号FB上。

图5示出根据本发明实施例的开关变换器的纹波产生电路在连续电流模式CCM下工作的示意性波形图。在图中，曲线PWM、IL、VA和Ir分别表示与开关管MD1相关的脉宽调制信号、电感电流、节点A的电压变化和转换电流。

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。

在脉宽调制信号PWM的上升沿开始的第一时间段T1，开关管MD1导通，开关管MD2断开，电感电流IL逐渐增大，同时纹波产生电路220中的开关K1导通，第一电流I1向电容Cr充电，流经电容Cr的电流Ic＝I1-I2，节点A的电压VA逐渐增大，转换电流Ir逐渐增大；在脉宽调制信号PWM的下降沿开始的第二时间段T2，开关管MD1断开，开关管MD2导通，电感电流IL逐渐减小，同时纹波产生电路220中的开关K1断开，电容Cr经第二电流I2进行放电，节点A的电压VA逐渐减小，转换电流Ir逐渐增大，所以本发明实施例的纹波产生电路220中的转换电流Ir与电感电流IL同步变化，也即纹波信号Vripple与电感电流IL同步变化。此外，结合上述的公式可知，在开关变换器的稳态工作下，节点A的电压VA和转换电流Ir的变化斜率与电感电流IL的变化斜率相同。所以，本发明实施例的纹波产生电路220可以产生与开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号。

本发明实施例的控制电路通过采用纹波产生电路引入附加的纹波补偿。该纹波信号Vripple可以根据直流输入电压Vin和直流输出电压Vout进行自适应调节，并且与开关变换器中的电感电流同步且同相，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，维持系统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，根据直流输入电压和直流输出电压产生与电感电流同步且同相的纹波信号。

在步骤S02中，将所述直流输出电压的反馈信号和所述纹波信号的叠加信号与参考电压进行比较以获得误差信号。在其他实施例中，也可以将纹波信号叠加到参考电压上，以将反馈信号与纹波信号和参考电压的叠加信号进行比较而产生误差信号。

在步骤S03中，根据所述误差信号产生置位信号，并根据置位信号和复位信号产生脉宽调制信号。其中，通过导通时间控制电路产生固定周期的复位信号，以获得固定的导通时间，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S01中包括将所述直流输入电压转换成第一电流，将所述直流输出电压转换成第二电流，在所述脉宽调制信号的开关周期的第一时间段，基于所述第一电流和第二电流的电流差对所述电容进行充电，在所述脉宽调制信号的开关周期的第二时间段，基于所述第二电流对所述电容放电，产生与所述电容的第一节点电压相对应的转换电流，以及根据所述转换电流产生所述纹波信号。其中，所述第一时间段是从所述脉宽调制信号的上升沿开始的预定时间段，所述第二时间段是从所述脉宽调制信号的下降沿开始的预定时间段。

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，控制电路通过采用纹波产生电路引入附加的纹波补偿。该纹波信号可以根据直流输入电压和直流输出电压进行自适应调节，并且与开关变换器中的电感电流同步且同相，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，维持系统稳定和抑制输出纹波。

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 (9)

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：

纹波产生电路，用于根据所述直流输入电压和所述直流输出电压产生与所述开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号；

误差比较器，用于将所述直流输出电压的反馈信号和所述纹波信号的叠加信号与参考电压进行比较，以获得误差信号用于产生置位信号；

逻辑电路，用于分别根据所述置位信号和复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得固定导通时间，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。

2.根据权利要求1所述的控制电路，还包括：

导通时间控制电路，用于产生所述复位信号。

3.根据权利要求1所述的控制电路，所述纹波产生电路包括：

第一跨导放大器，用于将所述直流输入电压转换成第一电流；

第一开关和第一电容，串联连接在所述第一跨导放大器的输出端和地之间；

第二跨导放大器，串联连接在所述第一开关和第一电容之间的第一节点和地之间，用于将所述直流输出电压转换成第二电流；

压流转换器，与所述第一节点连接，用于产生与第一节点电压相对应的转换电流；以及

第一电阻，用于根据所述转换电流产生所述纹波信号，

其中，在所述第一开关的导通期间基于所述第一电流和所述第二电流的电流差对所述第一电容进行充电，在所述第一开关的断开期间基于所述第二电流对所述第一电容放电。

4.根据权利要求3所述的控制电路，所述第一开关的导通状态受控于所述脉宽调制信号，以在所述脉宽调制信号的上升沿开始的第一时间段导通所述第一开关，在所述脉宽调制信号的下降沿开始的第二时间段断开所述第一开关。

5.一种开关变换器，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1-4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。

6.根据权利要求5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。

7.一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：

根据所述直流输入电压和所述直流输出电压产生与所述开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号；

将所述直流输出电压的反馈信号和所述纹波信号的叠加信号与参考电压进行比较，以获得误差信号用于产生置位信号；

分别根据所述置位信号和复位信号产生脉宽调制信号，采用所述复位信号获得固定导通时间，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。

8.根据权利要求7所述的控制方法，所述根据所述直流输入电压和所述直流输出电压产生与所述开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号包括：

将所述直流输入电压转换成第一电流；

将所述直流输出电压转换成第二电流；

在所述脉宽调制信号的开关周期的第一时间段，基于所述第一电流和所述第二电流的电流差对所述电容进行充电；

在所述脉宽调制信号的开关周期的第二时间段，基于所述第二电流对所述电容放电；

产生与所述电容的第一节点电压相对应的转换电流；以及

根据所述转换电流产生所述纹波信号。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其中，

所述第一时间段是从所述脉宽调制信号的上升沿开始的预定时间段，以及

所述第二时间段是从所述脉宽调制信号的下降沿开始的预定时间段。

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