一種開關轉換器及其控制方法
2023-09-10 06:23:50 1
專利名稱：一種開關轉換器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種電子電路，更具體地說，本發明涉及一種開關轉換器及其控制方法。
背景技術：
開關轉換器通常用於給電子設備提供電源。一般而言，開關轉換器中會有電感或者變壓器作為儲能元件。例如，降壓型開關轉換器採用電感為儲能元件。所述電感與功率開關耦接。當功率開關導通時，所述電感儲存能量；當功率開關關斷時，電感中儲存的能量轉移至負載。峰值電流控制的開關轉換器在正常工作時檢測流過儲能元件的電流，將該檢測電流引入到控制環路中，因此具有比較簡單的動態環路系統。峰值電流控制的開關轉換器的最大缺陷是所述檢測電流容易受到幹擾。在開關轉換器的佔空比超過50%的時候，該幹擾將使系統產生次諧波振蕩，引起系統的不穩定。為解決系統的穩定性問題，峰值電流控制的開關轉換器通常在電流控制環路中弓I入斜坡補償。圖1為現有的峰值電流控制的開關轉換器中的信號波形示意圖。Vs表徵了電感電流檢測信號，Ipeak表徵了峰值電流信號，Vsp表徵了經過斜坡補償後的峰值電流信號。如圖1所示，在每一開關周期中，當功率開關導通時，電感電流檢測信號Vs上升；當電感電流檢測信號Vs上升至經過斜坡補償後的峰值電流信號Vsp時，功率開關關斷，使電感電流檢測信號Vs減小。從圖1中可看出，電感電流檢測信號Vs在上升到經過斜坡補償後的峰值電流信號Vsp時即開始減小，無法上升至真正的峰值電流信號Ipeak，從而導致誤差的存在，影響系統環路控制的精確性。
發明內容
本發明的目的在於解決現有技術的上述技術問題，提出一種關斷時長控制的開關轉換器及其控制方法以實現精確的峰值電流控制。根據本發明的實施例，提出了一種開關轉換器，包括:功率級電路，包括功率開關，所述功率級電路將輸入電壓轉換成輸出電壓；電流檢測電路，耦接至功率級電路，所述輸出端提供表徵流過功率開關的電流的電流檢測信號；誤差放大器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端接收表徵輸出電壓的反饋信號，所述第二輸入端接收第一參考信號，基於所述反饋信號和第一參考信號，所述誤差放大器在輸出端輸出補償信號；脈衝寬度調製(PWM)比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端耦接至電流檢測電路接收電流檢測信號，所述第二輸入端耦接至誤差放大器接收補償信號，基於所述電流檢測信號和補償信號，所述PWM比較器在輸出端輸出PWM信號；關斷時長控制器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸入端，其中所述第一輸入端接收輸入電壓，所述第二輸入端接收輸出電壓，基於輸入電壓和輸出電壓，所述關斷時長控制器在輸出端輸出關斷時長控制信號；以及邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中所述第一輸入端耦接至PWM控制器的輸出端接收PWM信號，所述第二輸入端耦接至關斷時長控制器的輸出端接收關斷時長控制信號，基於P麗信號和關斷時長控制信號，所述邏輯電路在輸出端輸出開關控制信號來控制功率開關的通斷。根據本發明的實施例，還提供了一種開關轉換器的控制方法，包括:基於流過功率開關的電流生成電流檢測信號；基於第一參考信號和表徵開關轉換器的輸出電壓的反饋信號，生成補償信號；檢測電流檢測信號是否上升至補償信號，如果是，則關斷功率開關，如果否，繼續檢測；基於開關轉換器的輸入電壓和輸出電壓生成關斷時長閾值；檢測功率開關的關斷時長是否達到關斷時長閾值，如果是，導通功率開關，如果否，繼續檢測。根據本發明各方面的上述開關轉換器及其控制方法，提高了系統效率，使電流控制以及過流保護更加精確，同時也使系統更加穩定。
為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本發明的實施例進行描述:圖1為現有的峰值電流控制的開關轉換器中的信號波形示意圖；圖2為根據本發明一實施例的開關轉換器200的電路框圖；圖3為根據本發明一實施例的開關轉換器300的電路結構示意圖；圖4為根據本發明一實施例的開關轉換器400的電路結構示意圖；圖5為根據本發明一實施例的用於產生第一參考信號Vrefl的參考信號發生器的電路結構7]^意圖；圖6為根據本發明一實施例的第一參考信號Vrefl的波形示意圖；圖7為根據本發明一實施例的參考信號發生器70的電路結構示意圖；圖8示出了根據本發明一實施例的開關轉換器的控制方法流程圖。附圖沒有對實施例的所有電路或結構進行顯示。貫穿所有附圖相同的附圖標記表示相同或相似的部件或特徵。
具體實施例方式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。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，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。應當理解，當稱元件「耦接到」或「連接 到」另一元件時，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件「直接耦接到」或「直接連接到」另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖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項目的任何和所有組合。圖2為根據本發明一實施例的開關轉換器200的電路框圖。如圖2所示，開關轉換器200包括:功率級電路201，包括功率開關MO，所述功率級電路201將輸入電壓VIN轉換成輸出電壓VOUT ;電流檢測電路202，耦接至功率級電路201，在輸出端提供表徵流過功率開關MO的電流的電流檢測信號Vs ;PWM(脈衝寬度調節)控制器203，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中所述第一輸入端接收表徵輸出電壓VOUT的反饋信號VFB,所述第二輸入端接收電流檢測信號Vs，基於反饋信號VFB和電流檢測信號Vs，所述PWM控制器203在輸出端輸出PWM信號Vp ;關斷時長控制器204,具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中所述第一輸入端接收輸入電壓VIN,所述第二輸入端接收輸出電壓V0UT,基於輸入電壓VIN和輸出電壓V0UT，所述關斷時長控制器204在輸出端輸出關斷時長控制信號AOFF ;邏輯電路205，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中所述第一輸入端耦接至PWM控制器203的輸出端接收PWM信號Vp，所述第二輸入端耦接至關斷時長控制器204的輸出端接收關斷時長控制信號A0FF，基於PWM信號和關斷時長控制信號A0FF，所述邏輯電路在輸出端輸出開關控制信號SW來控制功率開關MO的通斷。在另一個實施例中，如圖2所示所述開關轉換器200還可以包括過流保護電路206,具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其中所述第一輸入端接收電流檢測信號Vs,所述第二輸入端接收峰值電流信號Ipeak,基於電流檢測信號Vs和峰值電流信號Ipeak,所述過流保護電路206在輸出端輸出過流保護信號Vocp。在該實施例中，邏輯電路205還可以具有第三輸入端，所述第三輸入端耦接至過流保護電路206的輸出端接收過流保護信號Vocp,基於PWM信號Vp、關斷時長控制信號AOFF和過流保護信號Vocp，所述邏輯電路205在輸出端輸出開關控制信號SW來控制功率開關MO。本領域普通技術人員應該知道，所述功率級電路201可能具有各種拓撲結構，例如降壓型開關拓撲、升壓型開關拓撲、反激式開關拓撲等等。功率級電路201中的功率開關可包括任何可控半導體器件，例如金屬氧化物半導體場效應管、絕緣柵門極電晶體、三極體
坐坐寸寸ο任何可用於檢測流過功率開關MO的電路，例如電流檢測電阻，電流鏡，電流互感器等等，都可以用作電流檢測電路202。在一個實施例中，關斷時長控制信號AOFF控制功率開關MO的關斷時長，設定了功率開關MO的最小關斷時長。在開關轉換器中，將開關頻率固定具有簡化開關轉換器的濾波電路設計等諸多優點。為了使開關轉換器200的開關頻率固定，功率開關的關斷時長、輸入電壓和輸出電壓之間具有特定的關係。當功率級電路201具有降壓型拓撲時，如果要得到固定的開關頻率，其輸出電壓為:
權利要求
1.一種開關轉換器，包括: 功率級電路，包括功率開關，所述功率級電路將輸入電壓轉換成輸出電壓； 電流檢測電路，耦接至功率級電路，輸出端提供表徵流過功率開關的電流的電流檢測信號; 誤差放大器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端接收表徵輸出電壓的反饋信號，所述第二輸入端接收第一參考信號，基於所述反饋信號和第一參考信號，所述誤差放大器在輸出端輸出補償信號； 脈衝寬度調製(PWM)比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端耦接至電流檢測電路接收電流檢測信號，所述第二輸入端耦接至誤差放大器接收補償信號，基於所述電流檢測信號和補償信號，所述PWM比較器在輸出端輸出PWM信號； 關斷時長控制器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸入端，其中所述第一輸入端接收輸入電壓，所述第二輸入端接收輸出電壓，基於輸入電壓和輸出電壓，所述關斷時長控制器在輸出端輸出關斷時長控制信號；以及 邏輯電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中所述第一輸入端耦接至PWM控制器的輸出端接收PWM信號，所述第二輸入端耦接至關斷時長控制器的輸出端接收關斷時長控制信號，基於PWM信號和關斷時長控制信號，所述邏輯電路在輸出端輸出開關控制信號來控制功率開關的通斷。
2.如權利要求1所述的開關轉換器，其中，所述功率級電路具有降壓型拓撲，所述關斷時長控制器控制功率開關的關斷時長與開關轉換器的輸入電壓成反比，並且與開關轉換器的輸入電壓和輸出電壓之差成正比。
3.如權利要求2所述的開關轉換器，其中，所述關斷時長控制器包括: 第一電流源，提供與輸入電壓成正比的充電電流； 第一電容，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第一電流源接收充電電流，所述第~■端接地； 第一開關，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至第一電流源，所述第二端接地，所述控制端耦接至邏輯電路的輸出端接收開關控制信號；以及 關斷時長控制比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中所述第一輸入端耦接至第一電容的第一端，所述第二輸入端接收第二參考信號，所述第二參考信號與輸入電壓和輸出電壓之差成正比，基於第一電容上的電壓和第二參考信號，所述關斷時長控制比較器在輸出端輸出關斷時長控制信號。
4.如權利要求2所述的開關轉換器，其中，所述第一參考信號的值在開關轉換器啟動階段逐漸上升，在開關轉換器的輸出電壓上升至輸入電壓時，第一參考信號的斜率為O。
5.如權利要求1所述的開關轉換器，還包括參考信號發生器，所述參考信號發生器產生第一參考信號，包括: 指數信號發生器，具有輸出端，所述輸出端輸出具有指數函數波形的指數信號； 線性信號發生器，具有輸出端，所述輸出端輸出具有線性斜率的線性信號；以及選擇電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端耦接至指數信號發生器的輸出端接收指數信號，所述第二輸入端耦接至線性信號發生器的輸出端接收線性信號，所述選擇電路在輸出端輸出指數信號和線性信號的較小值作為第一參考信號。
6.如權利要求1 5任一項所述的開關轉換器，還包括: 過流保護電路，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中所述第一輸入端耦接至電流檢測電路接收電流檢測信號，所述第二輸入端接收峰值電流信號，基於所述電流檢測信號和峰值電流信號，所述過流保護電路在輸出端輸出過流保護信號； 其中，所述邏輯電路還具有第三輸入端，所述第三輸入端耦接至過流保護電路的輸出端接收過流保護信號，基於所述PWM信號、過流保護信號和關斷時長控制信號，所述邏輯電路在輸出端輸出開關控制信號來控制功率開關的通斷。
7.一種開關轉換器的控制方法，所述開關轉換器包括功率級電路，所述功率級電路包括功率開關，所述控制方法包括: 基於流過功率開關的電流生成電流檢測信號； 基於第一參考信號和表徵開關轉換器的輸出電壓的反饋信號，生成補償信號； 檢測電流檢測信號是否上升至補償信號，如果是，則關斷功率開關，如果否，繼續檢測； 基於開關轉換器的輸入電壓和輸出電壓生成關斷時長閾值； 檢測功率開關的關斷時長是否達到關斷時長閾值，如果是，導通功率開關，如果否，繼續檢測。
8.如權利要求7所述的開關轉換器的控制方法，其中，所述功率級電路具有降壓型拓撲，所述關斷時長閾值與開關轉換器的輸入電壓成反比，與輸入電壓和輸出電壓之差成正比。
9.如權利要求8所述的開關轉換器的控制方法，其中，所述第一參考信號的值在開關轉換器啟動階段逐漸上升，在開關轉換器的輸出電壓上升至輸入電壓時，第一參考信號的斜率為O。
10.如權利要求8所述的開關轉換器的控制方法，還包括: 產生具有指數函數波形的指數信號； 產生具有線性斜率的線性信號；以及 選擇指數信號和線性信號中的較小值作為第一參考信號； 其中，在開關轉換器的啟動階段，在預設時刻前，所述線性信號小於所述指數信號，在預設時刻後，所述線性信號大於所述指數信號。
全文摘要
公開了一種開關轉換器及其控制方法。所述開關轉換器包括功率級電路，包括功率開關，所述功率級電路將輸入電壓轉換成輸出電壓；電流檢測電路，提供表徵流過功率開關的電流的電流檢測信號；脈衝寬度調製(PWM)比較器，基於所述電流檢測信號和補償信號，輸出PWM信號；關斷時長控制器，基於輸入電壓和輸出電壓，在輸出端輸出關斷時長控制信號；以及邏輯電路，基於PWM信號和關斷時長控制信號，輸出開關控制信號來控制功率開關的通斷。所述開關轉換器及其控制方法提高了系統效率，使電流控制以及過流保護更加精確，同時也使系統更加穩定。
文檔編號H02M3/157GK103151925SQ20131007598
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年3月11日
發明者丁川, 張天柱 申請人:成都芯源系統有限公司