一種用于開關轉換器的控制電路的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于開關轉換器的控制電路，包括：導通信號產生電路、關斷信號產生電路、邏輯電路、電流感測電路和關斷閾值產生電路。該控制電路產生等于或者大于設定頻率的開關信號以驅動開關轉換器的功率開關。
【專利說明】—種用于開關轉換器的控制電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明的實施例涉及電子電路，更具體但是并非排它地涉及一種用于開關型DC-DC轉換器的控制電路。
【背景技術】
[0002]DC-DC轉換器是一種接受DC輸入電壓并向負載提供DC輸出電壓的電子器件。DC-DC轉換器一般被配置成基于在一些未調節(jié)的DC源電壓向負載提供已調節(jié)的DC輸出電壓或者電流(“負載電壓”或者“負載電流”)。例如在許多汽車應用中(其中電池提供具有近似12伏特未調節(jié)的電壓的DC功率源)，DC-DC轉換器可以用來接收未調節(jié)的12伏特DC作為源電壓并提供已調節(jié)的DC輸出電壓或者電流以驅動車輛中的各種電子電路(儀器、附件、引擎控制、照明設備、無線電/立體聲等)。DC輸出電壓可以比來自電池的源電壓更低、更高或者相同。又例如在一些照明應用中，DC-DC轉換器可以用來接收未調節(jié)的12伏特DC作為源電壓并提供已調節(jié)的DC輸出電流以驅動LED。
[0003]常見的用于DC-DC轉換器的控制技術有平均電流控制技術、峰值電流控制技術和固定導通時間(COT)控制技術等。平均電流控制技術和峰值電流控制技術可以使得開關轉換器獲得精準的輸出電壓或者輸出電流，但是其環(huán)路補償復雜，且瞬態(tài)響應較差。使用COT控制技術的開關轉換器可以不需要環(huán)路補償網絡，從而使得電路設計更加簡單，但是其頻率容易隨輸入輸出電壓或者負載電流發(fā)生變化。為此，如何獲得更加優(yōu)化的控制電路和控制方法是本領域技術人員面臨的難題。
【發(fā)明內容】
[0004]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種用于開關轉換器的控制電路，所述開關轉換器具有至少一個功率開關，所述控制電路包括:導通信號產生電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，基于參考信號和反饋信號的比較結果在輸出端提供導通信號，其中所述反饋信號反映所述開關轉換器的負載電流或者輸出電壓；關斷信號產生電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，基于關斷閾值和電流感測信號的比較結果在輸出端提供關斷信號；邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，基于所述導通信號和所述關斷信號在輸出端提供開關信號；電流感測電路，具有輸入端和輸出端，基于所述功率開關的電流產生所述電流感測信號；關斷閾值產生電路，具有輸入端和輸出端，基于開關信號的頻率和設定頻率調整所述關斷閾值，使所述開關信號的頻率實質上等于或者大于所述設定頻率。
[0005]本發(fā)明提供的用于開關轉換器的控制電路具有結構簡單，瞬態(tài)響應快等優(yōu)點，還可以用于設置開關轉換器的最小工作頻率以防止工作頻率進入音頻范圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0007]圖1示出一款根據本發(fā)明一個實施的開關轉換器10的電路示意圖；
[0008]圖2示出一款根據本發(fā)明的一個實施例的鎖相電路200的電路示意圖；
[0009]圖3示出開關轉換器10運行過程中的波形圖；
[0010]圖4示出一款根據本發(fā)明一個實施的開關轉換器40的電路圖；
[0011]圖5示出一款根據本發(fā)明一個實施的關斷閾值產生電路405的電路圖；
[0012]圖6示出開關轉換器40運行過程中的波形圖；
[0013]圖7示出采用鉗位電路CLAMP后開關轉換器40在輕負載和重負載下的波形圖；以及
[0014]圖8不出一款根據本發(fā)明一個實施的開關轉換器80的電路圖。
【具體實施方式】
[0015]在下文所述的特定實施例代表本發(fā)明的示例性實施例，并且本質上僅為示例說明而非限制。在說明書中，提及“一個實施例”或者“實施例”意味著結合該實施例所描述的特定特征、結構或者特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。術語“在一個實施例中”在說明書中各個位置出現并不全部涉及相同的實施例，也不是相互排除其他實施例或者可變實施例。本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0016]下面將參考附圖詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。貫穿所有附圖相同的附圖標記表示相同的部件或特征。
[0017]圖1示出一款根據本發(fā)明一個實施的開關轉換器10的電路示意圖。開關轉換器10包括控制電路100和開關電路110。
[0018]開關電路110包括至少一個功率開關M1，功率開關Ml具有控制端、第一端和第二端。在控制信號CTRL的作用下，開關電路110將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓V0UT。開關電路110可以具有多種拓撲結構，例如Buck型降壓結構、Boost型升壓結構以及正激或反激等拓撲結構。
[0019]控制電路100包括導通信號產生電路101、關斷信號產生電路102、邏輯電路103、電流感測電路104和關斷閾值產生電路105。
[0020]導通信號產生電路101,具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,基于參考信號VREF和輸出電壓VOUT的比較結果在輸出端提供導通信號ONSET。在另外一個實施例中，導通信號產生電路101還可以基于參考信號VREF和表征負載電流1UT的電壓信號的比較結果在輸出端提供導通信號ONSET。
[0021]關斷信號產生電路102,具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,基于關斷閾值OFFTH和電流感測信號RFLTI的比較結果在輸出端提供關斷信號OFFSET。
[0022]邏輯電路103，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，基于導通信號ONSET和關斷信號OFFSET在輸出端提供開關信號CTRL。
[0023]電流感測電路104，具有輸入端和輸出端，其輸入端耦接至功率開關Ml的一端，基于功率開關Ml導通時的電流Ml產生電流感測信號RFLTI。在一個實施例中，電流感測電路104檢測開關管Ml的電流IMl，將電流Ml放大或者縮小，然后選擇性地將放大后的電流信號轉換為電壓信號以作為電流感測信號RFLTI。在另外一個實施例中，關斷閾值產生電路104還可以基于開關管Ml的電壓(第一端電壓、第二端電壓或者兩端電壓之差)模擬、虛擬或者擬合功率開關Ml的電流Ml的變化，以產生與電流Ml成正比的電壓信號或者電流信號作為電流感測信號RFLTI。
[0024]關斷閾值產生電路105，具有輸入端和輸出端，基于開關信號CTRL的頻率和設定頻率FQREF調整關斷閾值0FFTH，使開關信號CTRL的頻率實質上等于設定頻率FQREF。圖2示出根據本發(fā)明實施例的關斷閾值產生電路200的電路示意圖，關斷閾值產生電路200包括一個鎖相環(huán)PLL,該PLL具有第一輸入端以接收控制信號CTRL,第一輸入端以接收參考時鐘信號CLK，基于控制信號CTRL和參考時鐘信號CLK頻率之差，在輸出端提供關斷閾值OFFTH。
[0025]圖3示出根據本發(fā)明實施例的開關轉換器20運行過程中的波形圖。在某一時刻，當輸出電壓VOUT低于參考電壓VREF時，導通信號產生電路101的輸出的導通信號ONSET由低電平轉換為高電平，邏輯電路103輸出的開關信號CTRL由低電平轉換為高電平以開啟功率開關Ml。功率開關Ml開啟后，功率開關的電流IMl持續(xù)增大，電流感測信號RFLTI亦隨之增大，當電流感測信號RFLTI增大到關斷閾值信號OFFSET時，功率開關Ml關閉。關斷閾值產生電路105比較開關信號CTRL的頻率與(時鐘信號CLK的)設定頻率FQREF之差，通過調整關斷閾值OFFTH使開關信號CTRL的頻率實質上等于設定頻率FQREF。圖3中，功率開關Ml截止階段，電流感測信號RFLTI可以緩慢降低，如圖3中虛線表示，也可以迅速降低。
[0026]圖4示出一款根據本發(fā)明一個實施的開關轉換器40的電路圖。開關轉換器40包括控制電路400和開關電路410。開關電路410采用了同步降壓變換拓撲，包括主開關管Ml、次開關管M2、電感器L和輸出電容器C。開關電路410通過開關管Ml和M2的導通與關斷，將輸入電壓VIN轉換為輸出電壓V0UT。主開關管Ml的一端接收輸入電壓VIN，另一端電耦接至次開關管M2的一端。次開關管M2的另一端接地。電感器L的一端電耦接至開關管Ml和M2的連接端，輸出電容器COUT電耦接在電感器L的另一端和地之間。輸出電容器COUT兩端的電壓即為輸出電壓VOUT。
[0027]控制電路400包括導通信號產生電路401、關斷信號產生電路402、邏輯電路403、電流感測電路404和關斷閾值產生電路405。
[0028]導通信號產生電路401包括比較器C0M1,比較器COMl具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，基于參考信號VREF和反饋信號VFB的比較結果在輸出端提供導通信號ONSET。在圖2所示的實施例中，電阻RFl和RF2組成采樣電路以采樣輸出電壓VOUT并提供反饋信號VFB。在其他實施例中，反饋信號VFB還可以反映開關轉換器40的負載電流10UT。
[0029]關斷信號產生電路402包括比較器COM2，比較器COM2具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，基于關斷閾值OFFTH和電流感測信號RFLTI的比較結果在輸出端提供關斷信號 OFFSET。
[0030]邏輯電路403包括RS觸發(fā)器RS1，具有第一輸入端S以接收導通信號ONSET、第二輸入端R以接收關斷信號OFFSET和輸出端Q，基于導通信號ONSET和關斷信號OFFSET在輸出端Q提供開關信號CTRL。
[0031]電流感測電路404，具有輸入端和輸出端，其輸入端耦接至主開關管Ml的一端，基于主開關Ml的電流Ml產生電流感測信號RFLTI。在一個實施例中，電流感測電路404檢測主開關管Ml的電流頂1，將電流頂1放大或者縮小，然后選擇性地將放大后的電流信號轉換為電壓信號以作為電流感測信號RFLTI。當主開關管Ml導通時，電感L上的電流Ml等于電感電流IL。為此，可以通過檢測電感電流IL獲取主開關Ml的電流頂1，并且這種等同方式不超過本發(fā)明的保護范圍。
[0032]關斷閾值產生電路405，具有輸入端和輸出端，基于開關信號CTRL的頻率和設定頻率FQREF調整關斷閾值0FFTH，使開關信號CTRL的頻率實質上等于設定頻率FQREF。
[0033]圖5示出根據本發(fā)明實施例的關斷閾值產生電路405的電路圖，關斷閾值產生電路405包括第一至第四電流源Il?14、第一電容Cl、第一開關S1、第二開關S2、第二電容C2、第三開關S3、第四開關S4、比較器COM3和邏輯電路501。第一電容Cl，具有第一端和第二端，其第二端耦接至地電勢GND。第一開關SI，具有第一端、第二端和控制端，其第一端通過第一電流源Il耦接至第一電壓VI，其第二端耦接至第一電容Cl的第一端。第二開關S2，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接第一電容Cl的第一端，其第二端耦接至地電勢GND。第二電容C2，具有第一端和第二端，其第二端耦接至地電勢GND。第三開關S3，具有第一端、第二端和控制端，其第一端通過第二電流源12耦接至第二電壓V2，其第二端耦接第二電容C2的第一端，其中第二電壓V2可以等于第一電壓VI。第四開關S4，具有第一端、第二端和控制端，其第一端稱接第一電容Cl的第一端,其第二端通過第三電流源13耦接至地電勢GND。比較器COM3，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端耦接至第一電容Cl的第一端，其第二端接收第二參考信號VREF2 ;邏輯電路501，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，其第一輸入端I禹接至比較器COM3的輸出端，其第二輸入端耦接接收開關信號CTRL，其輸出端提供多個控制信號以控制第一至第四開關SI?S4的導通和關斷。
[0034]在一個實施例中，第二邏輯電路U2包括RS觸發(fā)器，具有第一輸入端S以接收開關信號CTRL、第二輸入端R以接收比較器COM3的輸出信號、以及輸出端Q。邏輯電路501還可以選擇性地包括脈沖觸發(fā)單元502，具有輸入端與輸出端，輸入端接收開關信號CTRL，基于開關信號的上升沿或者下降沿在輸出端提供脈沖信號PULSE，其輸出端耦接至邏輯電路501的第一輸入端S。
[0035]圖6示出根據本發(fā)明實施例的開關轉換器40運行過程中的波形圖。在某一時刻，當反饋電壓FB低于參考電壓VREF時，導通信號產生電路401的輸出的導通信號ONSET由低電平轉換為高電平，邏輯電路403輸出的開關信號CTRL由低電平轉換為高電平以開啟主開關管Ml。
[0036]如圖6所示的Tl階段，主開關管Ml開啟后，主開關管上的電流Ml持續(xù)增大，電流感測信號RFLTI依隨之增大，當RFLTI增大到OFFSET時，開關信號CTRL由高電平轉換為低電平以關閉主開關管Ml。同時，開關信號CTRL的下降沿將置位第二邏輯電路501，使得第二邏輯電路501的第一輸出端Q輸出高電平以閉合(導通)開關SI和S3,第二輸出端QN輸出低電平以打開(不導通)開關S2和S4。
[0037]如圖6所示的T2階段，開關SI和S3導通后，電容Cl兩端電壓VCl和電容C2兩端電壓VC2將緩慢上升。當VCl升高到第二參考電壓VREF2時，比較器COM3的輸出電壓會發(fā)生狀態(tài)翻轉，由低電平翻轉為高電平以復位邏輯電路501。復位后，邏輯電路501的第一輸出端Q輸出高電平以打開(不導通)開關SI和S3,第二輸出端QN輸出低電平以閉合(導通)開關S2和S4。
[0038]如圖6所示的T3階段，開關S2和S4導通后，電容Cl的電壓VCl將快速將為零，而電容C2將通過S4和第四電流源14緩慢放電，即VC2逐漸降低。
[0039]在T2或者T3階段，由于主開關管Ml關閉，輸出電壓VOUT會逐漸降低，當反饋電壓FB低于參考電壓VREF時，導通信號產生電路401的輸出的導通信號ONSET由低電平轉換為高電平，邏輯電路403輸出的開關信號CTRL由低電平轉換為高電平以開啟主開關管Ml。主開關管Ml開啟后，功率開關上的電流Ml持續(xù)增大，電流感測信號RFLTI依隨之增大。即在T3階段末，電流感測信號RFLTI依隨之增大，而被配置為關斷閾值OFFSET的電壓VC2不斷降低，當RFLTI增大到OFFSET時，開關信號CTRL由高電平轉換為低電平以關閉主開關管Ml。
[0040]上述過程不斷重復從而使得輸出電壓VOUT被穩(wěn)定在設定輸出電壓。
[0041]一些實施例中，關斷閾值產生電路405還可以包括鉗位電路CLAMP，鉗位電路可以將VC2的最大電壓限制在一鉗位電壓值VCLAP。圖7示出根據本發(fā)明一個實施的開關轉換器40在輕負載和重負載下的波形圖。如圖701所示，在輕負載情況下，電壓VC2的最大值低于鉗位電壓VCLAP，當負載電流1UT增大時，電流感測信號RFLTI和VC2均增大，逐漸接近鉗位電壓VCLAP。在VC2的最大電壓被限制在鉗位電壓VCLAP后，在固定的電感、輸入電壓VIN和輸出電壓VOUT條件下，主開關管Ml (或者說電感)平均電流IAVl也將固定，使得開關轉換器40可能無法提供足夠的負載電流。為提供足夠的負載電流，開關轉換器40會將開關信號CTRL的頻率調高。如圖702所示，頻率增大后，主開關管Ml電流變化周期減小，使得主開關管Ml平均電流增大，從而可以提供足夠的負載電流。當負載再次減小時，系統(tǒng)將會降低頻率，最低降低至關斷閾值產生電路405設定的頻率，從而避免開關頻率進入音頻范圍。同理，鉗位電路CLAMP還可以用于圖2所示的鎖相環(huán)PLL的輸出端，以將圖1所示的開關轉換器10的最小開關頻率設定于參考時鐘頻率FQREF。采用鉗位電路CLAMP后，輕負載時關斷電流變化時，關斷閾值產生電路405基于開關信號CTRL的頻率和設定頻率FQREF調整關斷閾值0FFTH，使開關信號CTRL的頻率實質上等于設定頻率FQREF。重負載下，關斷閾值OFFTH被鉗位，系統(tǒng)將提高開關信號CTRL的頻率以提供足夠的負載電流。
[0042]圖8示出一款根據本發(fā)明一個實施的開關轉換器80的電路圖。開關轉換器80包括控制電路800和開關電路410。與圖4所示的控制電路400相比，控制電路800進一步包括第一放大器810。第一放大器801,包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其第一輸入端配置為所述導通電路控制電路的第一輸入端以接收參考信號VREF，其第二輸入端配置為所述導通電路控制電路的第二輸入端以接收反饋信號VFB，其輸出端提供誤差放大信號VEA。第一比較器COMl的第一輸入端稱接至第一放大器801的輸出端,其第二輸入端接收反饋信號VFB，其輸出端配置為所述導通電路的輸出端。第一放大器710可以很好地提高開關轉換器80的負載調整率和輸出電壓(或者電流的)精度。
[0043]盡管本發(fā)明已經結合其具體示例性實施方式進行了描述，很顯然的是，多種備選、修改和變形對于本領域技術人員是顯而易見的。由此，在此闡明的本發(fā)明的示例性實施方式是示意性的而并非限制性?？梢栽诓幻撾x本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出修改。
[0044]在本公開內容中所使用的量詞“一個”、“一種”等不排除復數。文中的“第一”、“第二”等僅表示在實施例的描述中出現的先后順序，以便于區(qū)分類似部件?！暗谝弧?、“第二”在權利要求書中的出現僅為了便于對權利要求的快速理解而不是為了對其進行限制。權利要求書中的任何附圖標記都不應解釋為對范圍的限制。
【權利要求】
1.一種用于開關轉換器的控制電路，所述開關轉換器具有至少一個功率開關，所述控制電路包括: 導通信號產生電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，基于參考信號和反饋信號的比較結果在輸出端提供導通信號，其中所述反饋信號反映所述開關轉換器的負載電流或者輸出電壓； 關斷信號產生電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，基于關斷閾值信號和電流感測信號的比較結果在輸出端提供關斷信號； 邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，基于所述導通信號和所述關斷信號在輸出端提供開關信號； 電流感測電路，具有輸入端和輸出端，基于所述功率開關的電流產生所述電流感測信號; 關斷閾值產生電路，具有輸入端和輸出端，基于所述開關信號的頻率和設定頻率調整所述關斷閾值，使所述開關信號的頻率實質上等于或者大于所述設定頻率。
2.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，所述開關信號用于控制所述功率開關的導通和關斷，所述功率開關是BUCK電路的主開關管。
3.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，所述功率開關具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收輸入電壓，控制端接收所述開關信號，所述開關轉換器還包括: 次開關管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至所述功率開關的第二端，第二端接地，控制端耦接至所述邏輯電路；以及 電感器，具有第一端和第二端，其中第一端電耦接至所述功率開關的第二端和次開關管的第一端，其第二端提供所述輸出電壓。
4.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，所述導通信號產生電路包括第一比較器，所述第一比較器包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端，分別配置為所述導通信號產生電路的第一輸入端、第二輸入端和輸出端。
5.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，所述導通信號產生電路包括: 第一放大器，包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端和第二輸入端分別配置為所述導通電路的第一輸入端和第二輸入端；以及 第一比較器，包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端稱接至所述第一放大器的輸出端，其第二輸入端耦接至所述第一放大器的第二輸入端，其輸出端配置為所述導通信號產生電路的輸出端。
6.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，在所述關斷閾值產生電路包括鎖相環(huán)，所述鎖相環(huán)接收參考頻率信號和所述開關信號，基于所述參考時鐘信號和所述開關信號的周期之差或頻率之差產生所述關斷閾值信號。
7.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，在所述關斷閾值產生電路包括: 第一電容，具有第一端和第二端，其第二端耦接至地； 第一開關，具有第一端、第二端和控制端，其第一端通過第一電流源耦接至第一電壓，其第二端耦接所述第一電容的第一端； 第二開關，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接所述第一電容的第一端，其第二端耦接至所述地電勢； 第二電容，具有第一端和第二端，其第二端耦接至地； 第三開關，具有第一端、第二端和控制端，其第一端通過第二電流源耦接至第二電壓，其第二端耦接至所述第二電容的第一端； 第四開關，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接所述第一電容的第一端，其第二端通過第三電流源耦接至所述地電勢； 第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端稱接至所述第一電容的第一端，其第二輸入端接收第二參考信號；以及 第二邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，其第一輸入端耦接至所述第二比較器的輸出端，其第二輸入端接收所述開關信號，其輸出端提供多個控制信號以控制所述第一至第四開關的導通和關斷。
8.根據權利要求7所述的控制電路，其特征在于，所述第二邏輯電路還包括脈沖產生電路，提供與所述開關信號頻率相同的尖脈沖信號。
9.根據權利要求7所述的控制電路，其特征在于，所述控制信號包括第一控制信號和第二控制信號，其中所述第一控制信號用以控制所述第一開關和所述第三開關的導通關斷，所述第二控制信號用以控制所述第二開關和所述第四開關的導通關斷。
10.根據權利要求6或7所述的控制電路，其特征在于，所述關斷閾值產生電路還包括鉗位電路，用以設定所述關斷閾值的最大值。
11.根據權利要求10所述的控制電路，其特征在于，所述關斷閾值信號小于鉗位電壓時，所述開關信號的頻率等于所述設定頻率；所述關斷閾值信號被所述鉗位電路鉗位后，所述開關信號的頻率大于所述設定頻率。
12.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，所述電流感測電路包括電流檢測電路，所述電流檢測電路檢測所述功率開關上流過的電流，基于所述功率開關上電流產生所述關斷閾值信號。
13.根據權利要求1所述的控制電路，其特征在于，所述電流感測電路包括電流模擬電路，所述電流模擬電路檢測所述功率開關一端的電壓或者所述功率開關第一端和第二端電壓之差，模擬所述功率開關上流過的電流以產生所述關斷閾值信號。
【文檔編號】H02M3/155GK104201883SQ201410312922
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權日:2014年7月2日
【發(fā)明者】許力 申請人:成都芯源系統(tǒng)有限公司