CN102315773B - 一种开关变换器的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关变换器的装置和方法，开关变换器包括输入端子，接收输入电压；输出端子，耦接到负载电路，为所述负载电路提供输出电压；反馈电路，与输出电压耦接，提供反馈信号给驱动电路；驱动电路，与反馈电路耦接，输出驱动信号；开关电路，基于驱动电路输出的驱动信号切换开关管导通或关断。该开关变换器具有输出电压纹波小、瞬态响应速度快、开关频率稳定等优点。
Description
技术领域
本发明一般地涉及电源，更具体地说，涉及开关变换器。
背景技术
大多数电子产品如笔记本电脑、台式电脑、PDA等，需要直流（DC）电源向各个功能模块提供经过调节的功率。DC-DC同步降压式变换器具有效率高、体积小等优点，得到了广泛的应用。低电压纹波和快速的瞬态响应是DC-DC同步降压式变换器最基本的要求。
滞环控制电路具有瞬态响应速度快、结构简单等优点，可以作为DC-DC同步降压式变换器的控制电路，如图1所示，输入电压通过晶体管101和102的调制，耦合到电感器103和电容器104组成的输出滤波器，滤波之后的电压输出到负载电阻105，输出电压Vout通过电阻106和107构成的电压采样电路将电压采样信号FB反馈到滞环比较器108的输入端，与上限阈值电压VH和下限阈值电压VL相比较，滞环比较器108的输出信号耦接到驱动电路109，驱动电路109产生相应的驱动信号，控制晶体管101和102的导通和关断，晶体管101和102的门极驱动信号是互补的。图1的示例示出，晶体管101和102为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），在其他示例中，可以使用诸如双极结晶体管（BJT）或绝缘双极型晶体管（IGBT）之类的其他适当电子设备来实现。图2示出了图1中电压采样信号FB、晶体管101和102的门极驱动信号波形。反馈信号FB达到上限阈值VH时，晶体管101关断，晶体管102导通，当反馈信号FB达到下限阈值VL时，晶体管102关断，晶体管101导通。但滞环控制电路过分依赖输出电压谐波，通过将电压谐波与上下两个阈值电压相比较来产生上下两个晶体管的控制信号，变换器的输出电压谐波无法控制在理想范围内，变换器的开关频率也会因外围元器件和工作条件的改变而发生变化。
图3示出了采用恒定导通时间（COT）控制电路的DC-DC同步降压式变换器电路。输出电压Vout通过电压采样电路将电压采样信号FB反馈到比较器308的输入端，与参考电压信号VREF相比较，比较器308的输出信号耦接到驱动电路109，同时导通计时电路310也耦接到驱动电路109，通过将电压采样信号FB与参考电压信号VREF相比较来产生晶体管101的导通信号，晶体管101的导通时间是固定的，由导通计时电路310控制。这种方法减小了输出电压的谐波，但是晶体管101的关断时间是可变的，变换器的开关频率也会相应变化。由于采用恒定导通时间控制，省略了上限阈值电压，如果在晶体管101导通时刻产生负载跳变的情况，电路无法做出迅速的瞬态响应，必须等到导通时间结束才能关断晶体管101，这会导致输出电压有较大幅度的变化。图4示出了图3中电压采样信号FB和晶体管101门极驱动信号的波形。当反馈信号FB达到参考电压信号VREF时，晶体管101导通，导通时间Ton由导通计时电路310控制。采用恒定导通时间（COT）控制电路的DC-DC同步降压式变换器电路，输出电压谐波得到了改善，但开关频率仍然会因外围元器件和工作条件的改变而发生变化，并且恶劣情况下的瞬态响应速度会受到限制。
发明内容
本发明的目的提供一种开关变换器的装置，使其输出电压纹波控制在小的范围内，具有快速的瞬态响应速度，开关管的开关频率稳定。
本发明的目的提供一种开关变换器的方法，将该开关变换器的输出电压纹波控制在小的范围内，使其具有快速的瞬态响应速度，保证开关管的开关频率稳定。
为实现上述发明目的，开关变换器电路包括：输入端子，接收输入电压；输出端子，耦接到负载电路，为所述负载电路提供输出电压；反馈电路，与输出电压耦接，提供反馈信号给驱动电路；驱动电路，与反馈电路耦接，输出驱动信号；开关电路，基于驱动电路输出的驱动信号切换开关管导通或关断。
在一个实施例中，所述反馈电路包括电压采样电路，对所述输出电压进行采样，产生电压采样信号。
在一个实施例中，所述反馈电路还包括导通计时电路，所述导通计时电路输出导通计时信号。
在一个实施例中，所述反馈电路还包括自适应模块，所述自适应模块接收所述驱动信号和导通计时信号，输出上限阈值电压和下限阈值电压。
在一个实施例中，所述反馈电路还包括比较器电路，所述比较器电路将所述电压采样信号与所述上限阈值电压和所述下限阈值电压相比较，产生所述反馈信号。
在一个实施例中，所述导通计时电路耦合到所述输入电压，包括一个由至少一个镜像电流源和一个第一电容器耦接而成的充电电路，和一个比较电路；所述第一电容器的一端耦接到所述比较电路，与一个参考电压相比较，产生所述导通计时信号。
在一个实施例中，所述自适应模块包括一个由至少一个第一晶体管和一个第一电流源耦接而成的放电电路，和一个由至少一个第二晶体管和一个第二电流源耦接而成的充电电路。
在一个实施例中，所述第一晶体管的门极耦接到所述驱动电路输出的驱动信号，所述第二晶体管的门极耦接到所述导通计时信号。
在一个实施例中，所述自适应模块还包括一个与放电电路、充电电路耦接的第二电容器，所述第一晶体管导通时，第一电流源给所述第二电容器放电；所述第二晶体管导通时，所述第二电流源给所述第二电容器充电。
在一个实施例中，所述自适应模块还包括参考电压源，输出所述下限阈值电压；所述参考电压源与一个滞环电压源耦接后，与所述第二电容器耦接；所述参考电压源、滞环电压源和第二电容器三者的电压相加后，输出所述上限阈值电压。
在一个实施例中，所述自适应模块还包括参考电压源，输出所述上限阈值电压；所述参考电压源与负的一个滞环电压源耦接后，与所述第二电容器耦接；所述参考电压源电压减去滞环电压源电压、第二电容器电压后，输出所述下限阈值电压。
在一个实施例中，所述开关电路包括第一开关管和第二开关管，其中第一开关管的源极与第二开关管的漏极耦接作为输出端，再经滤波电路与输出端子耦接。
在一个实施例中，所述驱动信号为两路互补的脉冲信号，分别耦接到第一开关管、第二开关管的门极。
本发明采用上述结构的装置和/或方法，通过电压采样电路采集开关变换器输出电压信号，通过反馈电路提供给驱动电路，以控制开关管的导通与关断，可以对输出电压进行调节；自适应控制电路提供上下限阈值电压，使开关变换器具有快速的瞬态响应速度，即使是最恶劣的情况也能快速响应；另外，自适应控制电路能够根据开关变换器的实际工作情况，调节上限阈值电压和/或下限阈值电压，使开关管的开关频率稳定。
附图说明
图1是通过滞环控制电路控制DC-DC同步降压式变换器的示意图。
图2是图1中晶体管门极驱动信号和电压采样信号波形。
图3是通过恒定导通时间控制电路控制DC-DC同步降压式变换器的示意图。
图4是图3中晶体管门极驱动信号和电压采样信号波形。
图5是本发明通过自适应控制电路控制DC-DC同步降压式变换器的一个实施例的示意图。
图6是图5中导通计时电路一个实施例的示意图。
图7是图5中自适应控制电路一个实施例的示意图。
图8是图7中上限电压阈值和下限电压阈值的示意图。
图9是图5中电路仿真结果的示意图。
图10是图5中自适应控制电路另一个实施例的示意图。
具体实施方式
公开了一种用于开关变换器的方法和装置。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。
图5为根据本发明的一个实施例，输入电压耦合到输入电容器和开关电路，开关电路由晶体管101和102组成，晶体管101和102的公共点耦接到由电感器103和电容器104构成的滤波器，滤波器的输出耦合到负载电路。自适应滞环控制电路511的一个输入端耦接到晶体管101的门极，接收其驱动控制信号HS，自适应滞环控制电路511的另一个输入端耦接到导通计时电路510，接收其导通计时信号。自适应滞环控制电路511的输出信号分别耦接到滞环比较器508的两个输入端，为其提供上限阈值电压VH和下限阈值电压VL。电阻106和107构成的电压采样电路，对输出电压Vout进行采样，将电压采样信号FB反馈到滞环比较器508的另一个输入端。滞环比较器508将电压采样信号FB与上下限阈值电压相比较，将比较结果耦接到驱动电路109，驱动电路109根据比较结果输出互补的驱动信号，控制晶体管101和102的导通和关断。
图6为本发明中导通计时电路510的一个实施例。导通计时电路510耦接到输入电压Vin，镜像电流源601以电流I给电容器602充电，电容器602上的电压耦接到比较器603的输入端，通过设定镜像电流源601与电容器602就可以确定导通计时信号。参考电压信号VREF耦接到比较器603的另一个输入端，与电容器602上电压相比较，比较器603根据比较结果输出导通计时信号，导通计时信号耦接到自适应滞环控制电路511的一个输入端。
图7为本发明中自适应控制电路511的一个实施例。晶体管701的门极耦接到晶体管101的门极驱动信号HS，晶体管702的门极耦接到导通计时信号。当HS信号为高电平时，晶体管701导通，电流源704通过晶体管701以电流I1给电容器703放电；当导通计时信号为高电平时，晶体管702导通，电流源705通过晶体管702以电流I2给电容器703充电。参考电压信号VL为下限阈值电压，与一个滞环电压相加，例如图7中所示的15mV，但具体应用中可以根据实际情况调整，将求和后的电压与电容器703上电压VC相加，得到的电压为上限阈值电压VH，VH=VL+15mV+VC(可以通过加法器电路来实现)。图8为图7中上限阈值电压和下限阈值电压关系的示意图，下限阈值电压VL是固定的，滞环电压提供稳定工作时上限阈值电压VH与下限阈值电压VL之间的差值，而这个差值又与电容器703上电压VC相叠加，这样上限阈值电压VH会根据实际工作状况进行调整，实现自适应控制。例如I1=I2的情况，晶体管701的导通时间为Ton-HS，晶体管702的导通时间为Ton-COT，如果Ton-HS=Ton-COT，电容器703上电压VC=0，VH=VL+15mV；如果Ton-HS<Ton-COT，电容器703上电压VC>0，VH> VL+15mV，晶体管101的导通时间Ton-HS会变大，以达到更高的上限阈值VH；如果Ton-HS>Ton-COT，电容器703上电压VC<0，VH<VL+15mV，晶体管101的导通时间Ton-HS会变小，因为上限阈值电压VH变小了。自适应控制电路会根据开关变换器实际工作情况对上限阈值电压进行调节，保证开关频率在很小的范围内变化。并且自适应控制电路输出上限阈值电压和下限阈值电压，能够保证开关变换器在最恶劣情况下的瞬态响应速度。
图9为根据本发明进行仿真得到的波形图。下限阈值电压VL为固定值800mV，输入电压Vin在5V到16V之间变化，上限阈值VH也相应的在810mV到815mV之间变化，上限阈值会根据实际工作情况进行自适应调节。
图10为根据本发明自适应控制电路511的另一个实施例。参考电压信号VH为上限阈值电压，VH是一个固定的电压，与一个滞环电压相减，例如图10中所示的15mV，但具体应用中可以根据实际情况调整，将求差后的电压与电容器703上电压VC相减，得到的电压为下限阈值电压VL，VL=VH-15mV-VC（可以通过减法器电路来实现）。
以上对本发明的示出示例的描述，包括摘要中所描述的，并不希望是穷尽的或者是对所公开的精确形式的限制。尽管出于说明性目的在此描述了本发明的特定实施例和示例，但是在不偏离本发明的更宽的精神和范围的情况下，各种等同修改是可以的。实际上，应当理解，特定电压、电流、频率、功率范围值、时间等被提供用于说明目的，并且其他值也可以用在根据本发明教导的其他实施例和示例中。
根据以上详细描述，可以对本发明的示例进行这些修改。以下权利要求中所使用的术语不应该被理解为将本发明限制于说明书和权力要求中所公开的特定实施例。而是，范围完全由以下权利要求确定，权利要求要根据已制定的权利要求解释原则来理解。因此，本说明书和示图被视作说明性的而非限制性的。
Claims (24)
1. 一种开关变换器电路，包括：
输入端子，接收输入电压；
输出端子，耦接到负载电路，为所述负载电路提供输出电压；
反馈电路，与输出电压耦接，提供反馈信号给驱动电路；
驱动电路，与反馈电路耦接，输出驱动信号；
开关电路，基于驱动电路输出的驱动信号切换开关管导通或关断；
其中所述反馈电路还包括：
导通计时电路，所述导通计时电路输出导通计时信号；
自适应模块，所述自适应模块接收所述驱动信号和导通计时信号，输出上限阈值电压和下限阈值电压，其中所述自适应模块根据所述驱动信号和导通计时信号调整所述上限阈值电压或所述下限阈值电压。
2. 如权利要求1所述开关变换器电路，其特征在于，所述反馈电路包括电压采样电路，对所述输出电压进行采样，产生电压采样信号。
3. 如权利要求1所述开关变换器电路，其特征在于，所述反馈电路还包括比较器电路，所述比较器电路将所述电压采样信号与所述上限阈值电压和所述下限阈值电压相比较，产生所述反馈信号。
4. 如权利要求1所述开关变换器电路，其特征在于，所述导通计时电路耦合到所述输入电压，包括一个由至少一个镜像电流源和一个第一电容器耦接而成的充电电路，和一个比较电路；所述第一电容器的一端耦接到所述比较电路，与一个参考电压相比较，产生所述导通计时信号。
5. 如权利要求4所述开关变换器电路，其特征在于，所述自适应模块包括一个由至少一个第一晶体管和一个第一电流源耦接而成的放电电路，和一个由至少一个第二晶体管和一个第二电流源耦接而成的充电电路。
6. 如权利要求5所述开关变换器电路，其特征在于，所述第一晶体管的门极耦接到所述驱动电路输出的驱动信号，所述第二晶体管的门极耦接到所述导通计时信号。
7. 如权利要求6所述开关变换器电路，其特征在于，所述自适应模块还包括一个与放电电路、充电电路耦接的第二电容器，所述第一晶体管导通时，第一电流源给所述第二电容器放电；所述第二晶体管导通时，所述第二电流源给所述第二电容器充电。
8. 如权利要求7所述开关变换器电路，其特征在于，所述自适应模块还包括参考电压源，输出所述下限阈值电压；所述参考电压源与一个滞环电压源耦接后，与所述第二电容器耦接；所述参考电压源、滞环电压源和第二电容器三者的电压相加后，输出所述上限阈值电压。
9. 如权利要求7所述开关变换器电路，其特征在于，所述自适应模块还包括参考电压源，输出所述上限阈值电压；所述参考电压源与一个负的滞环电压源耦接后，与所述第二电容器耦接；所述参考电压源电压减去滞环电压源电压、第二电容器电压后，输出所述下限阈值电压。
10. 如权利要求1所述开关变换器电路，其特征在于，所述开关电路包括第一开关管和第二开关管，其中第一开关管的源极与第二开关管的漏极耦接作为输出端，再经滤波电路与输出端子耦接。
11. 如权利要求10所述开关变换器电路，其特征在于，所述驱动信号为两路互补的脉冲信号，分别耦接到第一开关管、第二开关管的门极。
12. 一种电压变换的方法，其特征在于，包括
利用驱动信号控制开关管导通或关断，控制输出电压；
基于导通计时信号和控制开关管的驱动信号，自适应输出上限阈值电压或下限阈值电压；
基于输出电压的采样信号与上限阈值电压、下限阈值电压的比较，输出比较信号；
基于比较信号输出驱动信号；以及
根据所述驱动信号和导通计时信号调整所述上限阈值电压或所述下限阈值电压。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述输出电压的采样信号通过耦接在输出电压的电压采样电路实现。
14. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述导通计时信号通过下述导通计时电路实现：
包括一个由至少一个镜像电流源和一个第一电容器耦接而成的充电电路，和一个比较电路；所述第一电容器的一端耦接到所述比较电路，与一个参考电压相比较，产生所述导通计时信号。
15. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述自适应输出上限阈值电压通过下述电路实现：
第二电容器与放电电路、充电电路耦接，放电电路由驱动信号控制通断，充电电路由导通计时信号控制通断，第二电容器的电压端叠加参考电压源、滞环电压源后输出上限阈值电压，其中参考电压源的电压作为下限阈值电压。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述放电电路由第一电流源和第一晶体管耦接而成，第一晶体管的门极接收驱动信号。
17. 如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述充电电路由第二电流源和第二晶体管耦接而成，第二晶体管的门极接收导通计时信号。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，当驱动信号为高电平时，第一晶体管导通，第一电流源通过第一晶体管给第二电容器放电。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，当导通计时信号为高电平时，第二晶体管导通，第二电流源通过第二晶体管给第二电容器充电。
20. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述自适应输出下限阈值电压通过下述电路实现：
第二电容器与放电电路、充电电路耦接，放电电路由驱动信号控制通断，充电电路由导通计时信号控制通断，参考电压源减去第二电容器的电压、滞环电压源的电压后输出下限阈值电压，其中参考电压源的电压作为上限阈值电压。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述放电电路由第一电流源和第一晶体管耦接而成，第一晶体管的门极接收驱动信号。
22. 如权利要求20或21所述的方法，其特征在于，所述充电电路由第二电流源和第二晶体管耦接而成，第二晶体管的门极接收导通计时信号。
23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，当驱动信号为高电平时，第一晶体管导通，第一电流源通过第一晶体管给第二电容器放电。
24. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，当导通计时信号为高电平时，第二晶体管导通，第二电流源通过第二晶体管给第二电容器充电。
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