一種直流變換器及用於直流變換器的控制電路和方法

2023-05-03 05:29:51 3

專利名稱：一種直流變換器及用於直流變換器的控制電路和方法
技術領域：
本發明涉及直流至直流(直流)變換器，更具體地說，本發明涉及峰值電流模式控 制的直流變換器。
背景技術：
峰值電流模式控制被廣泛地應用於直流變換器。峰值電流模式控制通常採用斜率 補償技術，使得直流變換器運行中佔空比超過50%時仍能實現系統穩定運行。斜率補償技 術將一斜率補償信號和一電感電流採樣信號相疊加以設定電感電流限值。現有技術峰值電 流模式控制直流變換器如圖1所示。圖1為現有技術峰值電流模式控制直流變換器100。如圖1所示，直流變換器100 包括由上管M1和下管M2組成的輸出級101 ；由電感L和輸出電容Cq組成的LC濾波器；反 饋電路102，反饋變換器100輸出電壓VQUT，並提供反饋信號Vfb ；控制電路103，提供控制信 號用以控制上管M1和下管M2的導通和斷開。其中控制電路103包括電流採樣模塊1001， 用以採樣流過上管M1的電流，並得到電流採樣信號V。s。本領域的技術人員應該認識到該電 流等於上管M1導通期間流過電感L的電流。控制電路103還包括斜率補償模塊1002，用以 提供斜率補償信號Vs。，該斜率補償信號Vs。和電流採樣信號V。s相疊加從而得到電感電流限 值信號RAMP ；誤差放大器1004，用以接收反饋信號Vfb和參考信號Vkef，並將兩者差值放大， 得到誤差放大器EAO ；鉗位電路1003，該鉗位電路1003將誤差放大信號EAO進行鉗位，從而 限制電感電流峰值；比較邏輯電路，用以接收誤差放大信號ΕΑ0、電感電流限值信號RAMP和 時鐘信號CLK，並提供控制信號。其中比較邏輯電路包括比較器1005，用以接收誤差放大信 號EAO和電感電流限值信號RAMP，根據誤差放大信號EAO和電感電流限值信號RAMP，提供 比較信號；RS觸發器1006，用以接收比較信號和振蕩器2007輸出的時鐘信號CLK，提供控 制信號用以控制上管M1和下管M2的導通和斷開。在每個時鐘周期開始時，若電感電流限值信號RAMP小於誤差放大信號EAO，RS觸 發器1006被時鐘信號CLK觸發，輸出高電平信號Q，使得上管M1被導通，下管M2被斷開。此 時，電感電流l·開始上升。電感電流限值信號RAMP隨電感電流L的上升而增大。當電感 電流限值信號RAMP增大至高於誤差放大信號EAO時，比較器1005輸出高電平信號，此高電 平信號將RS觸發器1006復位，使得RS觸發器1006的輸出信號Q變低，從而上管M1被斷 開，下管禮被導通。相應地，電感電流L開始下降。直至一個新的時鐘周期到來，RS觸發 器1006被時鐘信號CLK重新置位。運行過程中的時鐘信號CLK、誤差放大信號ΕΑ0、電感電 流I電感電流限值信號RAMP、斜率補償信號Vs。和RS觸發器輸出信號Q如圖2所示。經過如上所述的調節，斜率補償信號Vsc和電流採樣信號Vcs的代數和，即電感電 流限值信號RAMP的峰值電平Veamp被調節至等於誤差放大信號EAO的電平，即V胃+Vtcsp = V_。其中Vvs。P表示斜率補償信號Vs。的幅值，Vtcsp表示電流採樣信號V。s的幅值(對應於電 感電流峰值)，Veaq表示誤差放大信號EAO的電壓值。因此，當誤差放大信號EAO的電壓被 鉗位至一給定鉗位值時，電感電流峰值將受斜率補償信號Vs。幅值的影響。而斜率補償信號
4Vsc的幅值由直流變換器運行時的開關佔空比決定。對於高的開關佔空比，斜率補償信號Vsc 的幅值將遠遠大於電感電流峰值。此時，電感電流峰值變化將變得非常小，直流變換器的輸 出最大電流受到大大限制。

發明內容
本發明的目的在於解決現有峰值電流模式直流變換器因斜率補償信號受開關佔 空比影響，導致電感電流峰值變化、輸出最大電流受限制的問題，提供一種改進的直流變換 器。該直流變換器檢測斜率補償信號的幅值，將其疊加至鉗位值，從而根據斜率補償信號的 幅值更新誤差放大信號EAO的最大值。根據上述目的，本發明提出了一種用於直流變換器的峰值電流模式控制方法，包 括採樣所述直流變換器的電流，得到電流採樣信號；將所述電流採樣信號與斜率補償信號 疊加，得到電感電流限值信號；檢測所述斜率補償信號的幅值，得到峰值檢測信號；將所述 峰值檢測信號和電感電流設定峰值疊加，得到鉗位信號；反饋所述直流變換器的輸出電壓， 得到反饋信號；比較所述反饋信號和參考信號，得到誤差放大信號；將所述誤差放大信號 鉗位至所述鉗位信號的電平值；比較所述電感電流限值信號和所述誤差放大信號，得到比 較信號；根據所述比較信號和時鐘信號控制所述直流變換器的輸出級。其中當所述電感電 流限值信號大於所述誤差放大信號時，通過比較信號變高調來調節電感電流，使得實際的 電感電流峰值被調節至所需的電感電流峰值，從而控制直流變換器的輸出級。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制方法，其中所 述直流變換器的電流為直流變換器的電感電流。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制方法，其中在 電壓域下檢測所述斜率補償信號的幅值。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制方法，其中在 電流域下檢測所述斜率補償信號的幅值。為了實現上述目的，本發明還提供一種用於直流變換器的峰值電流模式控制電 路，包括電流採樣模塊，根據所述直流變換器的電感電流，提供電流採樣信號；斜率補償模 塊，根據時鐘信號和控制信號，提供斜率補償信號；峰值檢測器，檢測所述斜率補償信號的 幅值，提供峰值檢測信號；誤差放大器，根據反饋信號和參考信號，提供誤差放大信號；鉗 位器，根據峰值檢測信號和電感電流設定峰值，鉗位所述誤差放大信號；比較邏輯模塊，根 據所述時鐘信號、所述誤差放大信號、所述斜率補償信號和所述電流採樣信號，提供所述控 制信號，用以控制直流變換器的輸出級。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所 述比較邏輯模塊包括比較器，根據所述誤差放大信號、所述斜率補償信號和所述電流採樣 信號，提供比較信號；RS觸發器，根據所述時鐘信號和所述比較信號，提供所述控制信號， 用以控制所述直流變換器的輸出級。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，進一步 包括驅動器，用以根據所述控制信號，提供驅動信號至所述直流變換器的輸出級。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所 述峰值檢測器包括第一電晶體、第二電晶體、第一電流源、第二電流源和峰值檢測電容；其
5中所述第一電晶體和所述第二電晶體構成電流鏡，所述第一電晶體的源極作為所述電流鏡 的輸入端，接收所述斜率補償信號；所述第二電晶體的源極作為所述電流鏡的輸出端，耦接 至所述第二電流源的電流流入端；所述第一電流源的電流流出端耦接至第一電晶體的漏 極；所述峰值檢測電容耦接在所述電流鏡的輸出端和參考地之間；所述第一電流源的電流 流入端和所述第二電晶體的漏極耦接至參考電源。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所 述斜率補償模塊為三角波產生器，包括並聯耦接在所述三角波產生器輸出端和參考地之間 的補償電容、第一開關和第二開關；其中所述第一開關受所述控制信號控制導通與斷開； 所述第二開關受所述時鐘信號控制導通與斷開。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所 述斜率補償模塊進一步包括跟隨器，其第一輸入端耦接至所述三角波產生器的輸出端；第 一電流源，耦接至所述跟隨器的第二輸入端；補償電阻，耦接在所述跟隨器的第一輸出端和 參考地之間第一電流鏡，其輸入端耦接至所述跟隨器的第二輸出端；其輸出端提供所述斜 率補償信號。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所 述斜率補償模塊包括第五電晶體、第二電流源、峰值檢測電容、緩衝器、第六電晶體、峰值檢 測電阻和第二電流鏡；其中第五電晶體的門極耦接至所述跟隨器和所述第一電流源的耦接 點，其漏極耦接至參考電源；第二電流源和峰值檢測電容並聯耦接在第五電晶體的源極和 參考地之間；緩衝器的輸入端耦接至峰值檢測電容和第五電晶體的耦接點，其輸出端耦接 至第六電晶體的門極；第六電晶體的漏極耦接至第二電流鏡的輸入端；峰值檢測電阻耦接 在第六電晶體的源極和參考地之間；第二電流鏡的輸出端提供所述峰值檢測信號。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中緩 衝器包括一系列電晶體。根據本發明的實施例，所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，進一步 包括振蕩器，提供所述時鐘信號。本發明還提供一種直流變換器，包括輸出級，耦接在所述直流變換器的輸入端和 輸出端之間；如上所述之一的峰值電流模式控制電路，提供控制信號至所述輸出級；反饋 電路，耦接至所述輸出級，用以提供反饋信號至所述峰值電流模式控制電路。 本發明中，根據電感電流限值信號RAMP和鉗位信號VaAMP來調節電感電流，使得實 際的電感電流峰值被調節至所需的電感電流峰值，從而可以限制直流變換器的輸出電流。 從而解決了現有峰值電流模式直流變換器因斜率補償信號受開關佔空比影響，導致電感電 流峰值變化、輸出最大電流受限制的問題。


圖1為現有技術峰值電流模式控制直流變換器100。圖2為圖1所示直流變換器100的時鐘信號CLK、誤差放大信號ΕΑ0、電感電流Ip 電感電流限值信號RAMP、斜率補償信號Vs。和RS觸發器輸出信號Q的波形。圖3為根據本發明一個實施例的直流變換器200。圖4示出根據本發明一個實施例的電壓域下的峰值檢測器2008和斜率補償模塊
62002的電路示意圖。圖5示出圖3所示直流變換器20的時鐘信號CLK、控制信號Q、斜率補償信號Vsc 和峰值檢測信號Vsmi的波形。圖6示出根據本發明一個實施例的電流域下的峰值檢測器2008和斜率補償模塊 2002的電路示意圖。圖7示出根據本發明一個實施例的用於直流變換器的峰值電流模式控制方法 300。
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。參考圖3，為根據本發明一個實施例的直流變換器200。如圖3所示，直流變換器 200包括輸出級201，耦接於直流變換器200的輸入端和地之間；電感L和輸出電容C。組成 的LC濾波器，耦接至輸出級201 ；反饋電路202，用以根據直流變換器200的輸出電壓VQUT， 提供反饋信號Vfb ；以及控制電路203，耦接至反饋電路202和輸出級201，以接收反饋信號 Vfb、參考信號Vkef和電感電流信號Iy提供控制信號給輸出級201。在一個實施例中，輸出級 由上管M1和下管M2組成。其中上管M1為ρ溝道場效應電晶體，下管M2為η溝道場效應晶 體管，上管M1的源極耦接至直流變換器200的輸入端，漏極耦接至下管M2的漏極，下管M2的 源極接地，下管M2的漏極為輸出級201的輸出端。上管M1和下管M2的門極耦接至控制電 路203的輸出端，接收控制信號，進而被控制導通和斷開。本領域的技術人員應該認識到， 輸出級201不限於這樣的連接方式，並且其結構可以是其他拓撲結構。控制電路203包括電流採樣模塊2001，耦接至輸出級，提供電流採樣信號Vcs ；斜 率補償模塊模塊2002，耦接至RS觸發器2006的輸出端和振蕩器2007的輸出端，根據控 制信號和時鐘信號提供斜率補償信號Vse ；誤差放大器2004，接收反饋信號Vfb和參考信號 Veef,根據反饋信號Vfb和參考信號Vkef提供誤差放大信號EAO ；峰值檢測器2008，接收斜率 補償信號Vs。，以檢測斜率補償信號Vs。的幅值，提供峰值檢測信號Vsmi ；電感電流峰值設定 器2009，提供電感電流設定峰值；鉗位電路2003，接收峰值檢測信號Vsot和電感電流設定 峰值，以根據峰值檢測信號Vsmi和電感電流設定峰值的代數和，即根據鉗位信號VaAMP，將誤 差放大信號EAO鉗位至Vclamp的電平值。控制電路203進一步包括比較邏輯模塊，根據時鐘 信號CLK、誤差放大信號ΕΑ0、斜率補償信號Vs。和電流採樣信號V。s，提供控制信號，用以控 制直流變換器200輸出級上管M1和下管M2的導通和斷開。在一個實施例中，該比較邏輯模 塊包括比較器2005，其一輸入端接收電流採樣信號V。s和斜率補償信號Vs。，其另一輸入端接 收誤差放大信號ΕΑ0，以根據電流採樣信號V。s和斜率補償信號\c的代數和，即電感電流限 值信號RAMP，和誤差放大信號ΕΑ0，提供比較信號；RS觸發器2006，其置位端S接收時鐘信 號CLK，復位端R接收比較信號，以根據比較信號和時鐘信號CLK提供控制信號Q。控制電 路203還包括振蕩器2006，用以提供時鐘信號CLK至斜率補償模塊2002和RS觸發器2006。 在一個實施例中，控制電路203還包括驅動器(圖中未示出)，耦接至比較邏輯電路的輸出 端，根據控制信號提供驅動信號，用以驅動直流變換器200的輸出級。直流變換器200運行時，每個時鐘周期開始時，振蕩器2007輸出的時鐘信號CLK將RS觸發器2006置位，控制信號Q變高，此時，輸出級的上管M1被導通，下管M2被斷開，輸 入信號Vin、上管M1、電感L、輸出電容Cq形成電流迴路，電感電流込上升。此時間段內的電 感電流l·即為流過上管M1的電流。因此此時間段內電流採樣信號Vcs表徵了電感電流込 的信息。電流採樣信號Vcs和斜率補償信號Vsc被輸送至比較器2005。斜率補償模塊2002根據時鐘信號CLK和控制信號Q輸出斜率補償信號\c。由於 變換器200的控制電路203包括峰值檢測器2008，斜率補償信號Vs。的峰值被檢測，並被轉 化為相應的峰值檢測信號VS。PK。此峰值檢測信號Vsot和所需的電感電流峰值相疊加，得到 鉗位信號VaAMP。當開關佔空比變高，即控制信號Q的高電平持續時間變長，導致斜率補償信 號\c的幅值增大時，峰值檢測信號Vsot增大，相應地，鉗位信號VaAMP增大。若誤差放大信 號EAO小於鉗位信號Vclamp的電位值，則比較器2005對電感電流限值信號RAMP和誤差放大 信號EAO進行比較。在電感電流L上升階段，即上管M1被導通，下管M2被斷開。當電感電 流^上升到使得限值信號RAMP大於誤差放大信號EAO時，比較器2005輸出的比較信號變 高，從而復位RS觸發器輸出的控制信號Q。相應地，上管M1被斷開，下管M2被導通，電感電 流^開始下降。若誤差放大信號EAO達到鉗位信號VaAMP的電位值，則其被鉗位在鉗位信號 Vclamp的電位。此時，比較器2005對限值信號RAMP和鉗位信號VaAMP進行比較。在電感電流 Il上升階段，當電感電流込上升到使得電感電流限值信號RAMP大於鉗位信號VaAMP時，比較 器2005輸出的比較信號變高，從而復位RS觸發器輸出的控制信號Q。相應地，上管M1被斷 開，下管M2被導通，電感電流L開始下降。而此時由於峰值檢測器2008的作用，因開關佔 空比變化引起的斜率補償信號Vs。幅值的增大同時也使誤差放大信號EAO的鉗位值增大，即 斜率補償信號Vsc幅值的變化同時反映在鉗位信號Vclamp,兩者的變化經由比較器2005的比 較調節被抵消。因此，實際的電感電流峰值被調節至所需的電感電流峰值，直流變換器200 的輸出電流被限制的問題得到解決。比較器2005根據電感電流限值信號RAMP和鉗位信號VaAMP來調節電感電流，使得 實際的電感電流峰值被調節至所需的電感電流峰值，從而可以限制直流變換器200的輸出 電流。圖4示出根據本發明一個實施例的電壓域下的峰值檢測器2008和斜率補償模塊 2002的電路示意圖。如圖4所示，峰值電流檢測器包括電壓跟隨器和峰值檢測電容CPK。在一個實施例中，電壓跟隨器包括第一電晶體S1、第二電晶體S2、第一電流源I1和 第二電流源IPD。其中第一電晶體S1和第二電晶體S2構成電流鏡，即第一電晶體S1和第二 電晶體S2的門極耦接在一起，第一電晶體S1的門極同時耦接至其漏極。第一電流源I1的 電流流出端耦接至第一電晶體S1的漏極，第一電晶體S1的源極作為峰值電流檢測器2008 的輸入端，接收斜率補償信號Vs。；第一電流源I1的電流流入端和第二電晶體S2的漏極耦接 至參考電源，第二電晶體S2的源極耦接至第二電流源Ipd的電流流入端；峰值檢測電容Cpk 和第二電流源Ipd並聯耦接。第二電晶體S2的源極作為峰值檢測器2008的輸出端，提供峰 值檢測信號VS。PK。第二電流源Ipk用於給峰值檢測電容Cpk提供微弱放電。並且第二電流源
Ipk輸出電流值Iipk和峰值檢測電容Cpk的電容值Cere選取應該滿足
權利要求
一種用於直流變換器的峰值電流模式控制方法，包括採樣所述直流變換器的電流，得到電流採樣信號；將所述電流採樣信號與斜率補償信號疊加，得到電感電流限值信號；檢測所述斜率補償信號的幅值，得到峰值檢測信號；將所述峰值檢測信號和電感電流設定峰值疊加，得到鉗位信號；反饋所述直流變換器的輸出電壓，得到反饋信號；比較所述反饋信號和參考信號，得到誤差放大信號；將所述誤差放大信號鉗位至所述鉗位信號的電平值；比較所述電感電流限值信號和所述誤差放大信號，得到比較信號；根據所述比較信號和時鐘信號控制所述直流變換器的輸出級。
2.根據權利要求1所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制方法，其中所述直流變 換器的電流為直流變換器的電感電流。
3.根據權利要求1所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制方法，其中在電壓域下 檢測所述斜率補償信號的幅值。
4.根據權利要求1所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制方法，其中在電流域下 檢測所述斜率補償信號的幅值。
5.一種用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，包括電流採樣模塊，根據所述直流變換器的電感電流，提供電流採樣信號； 斜率補償模塊，根據時鐘信號和控制信號，提供斜率補償信號； 峰值檢測器，檢測所述斜率補償信號的幅值，提供峰值檢測信號； 誤差放大器，根據反饋信號和參考信號，提供誤差放大信號； 鉗位器，根據峰值檢測信號和電感電流設定峰值，鉗位所述誤差放大信號； 比較邏輯模塊，根據所述時鐘信號、所述誤差放大信號、所述斜率補償信號和所述電流 採樣信號，提供所述控制信號，用以控制直流變換器的輸出級。
6.根據權利要求5所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所述比較邏 輯模塊包括比較器，根據所述誤差放大信號、所述斜率補償信號和所述電流採樣信號，提供比較信號；RS觸發器，根據所述時鐘信號和所述比較信號，提供所述控制信號，用以控制所述直流 變換器的輸出級。
7.根據權利要求6所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，進一步包括驅動 器，用以根據所述控制信號，提供驅動信號至所述直流變換器的輸出級。
8.根據權利要求5所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所述峰值檢 測器包括第一電晶體、第二電晶體、第一電流源、第二電流源和峰值檢測電容；其中所述第一電晶體和所述第二電晶體構成電流鏡，所述第一電晶體的源極作為所述電流 鏡的輸入端，接收所述斜率補償信號；所述第二電晶體的源極作為所述電流鏡的輸出端，耦 接至所述第二電流源的電流流入端；所述第一電流源的電流流出端耦接至第一電晶體的漏極； 所述峰值檢測電容耦接在所述電流鏡的輸出端和參考地之間；所述第一電流源的電流流入端和所述第二電晶體的漏極耦接至參考電源。
9.根據權利要求5所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所述斜率補 償模塊為三角波產生器，包括並聯耦接在所述三角波產生器輸出端和參考地之間的補償電 容、第一開關和第二開關；其中所述第一開關受所述控制信號控制導通與斷開； 所述第二開關受所述時鐘信號控制導通與斷開。
10.根據權利要求9所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所述斜率 補償模塊進一步包括跟隨器，其第一輸入端耦接至所述三角波產生器的輸出端； 第一電流源，耦接至所述跟隨器的第二輸入端； 補償電阻，耦接在所述跟隨器的第一輸出端和參考地之間第一電流鏡，其輸入端耦接至所述跟隨器的第二輸出端；其輸出端提供所述斜率補償信號。
11.根據權利要求10所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中所述斜率 補償模塊包括第五電晶體、第二電流源、峰值檢測電容、緩衝器、第六電晶體、峰值檢測電阻 和第二電流鏡；其中第五電晶體的門極耦接至所述跟隨器和所述第一電流源的耦接點，其漏極耦接至參考 電源；第二電流源和峰值檢測電容並聯耦接在第五電晶體的源極和參考地之間； 緩衝器的輸入端耦接至峰值檢測電容和第五電晶體的耦接點，其輸出端耦接至第六晶 體管的門極；第六電晶體的漏極耦接至第二電流鏡的輸入端； 峰值檢測電阻耦接在第六電晶體的源極和參考地之間； 第二電流鏡的輸出端提供所述峰值檢測信號。
12.根據權利要求11所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，其中緩衝器包 括一系列電晶體。
13.根據權利要求5所述的用於直流變換器的峰值電流模式控制電路，進一步包括振 蕩器，提供所述時鐘信號。
14.一種直流變換器，包括輸出級，耦接在所述直流變換器的輸入端和輸出端之間；如權利要求5 13之一的峰值電流模式控制電路，提供控制信號至所述輸出級；反饋電路，耦接至所述輸出級，用以提供反饋信號至所述峰值電流模式控制電路。
全文摘要
本發明公開了一種用於直流變換器的控制電路，包括電流採樣模塊，根據所述直流變換器的電感電流，提供電流採樣信號；斜率補償模塊，根據時鐘信號和控制信號，提供斜率補償信號；峰值檢測器，檢測所述斜率補償信號的幅值，提供峰值檢測信號；誤差放大器，根據反饋信號和參考信號，提供誤差放大信號；鉗位器，根據峰值檢測信號和電感電流設定峰值，鉗位所述誤差放大信號；比較邏輯模塊，根據所述時鐘信號、所述誤差放大信號、所述斜率補償信號和所述電流採樣信號，提供所述控制信號，用以控制直流變換器的輸出級。本發明還包括與電路對應的方法。本發明中，根據電感電流限值信號RAMP和鉗位信號VCLAMP來調節電感電流，使得實際的電感電流峰值被調節至所需的電感電流峰值，從而可以限制直流變換器的輸出電流。
文檔編號H02M3/158GK101964587SQ20101013797
公開日2011年2月2日 申請日期2010年4月2日 優先權日2009年4月6日
發明者周堅, 席小玉 申請人:成都芯源系統有限公司