CN113872421B

CN113872421B - 一种电压转换电路的控制电路及其控制方法

Info

Publication number: CN113872421B
Application number: CN202111256553.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡文
Original assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Current assignee: Chengdu Monolithic Power Systems Co Ltd
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2024-08-27
Anticipated expiration: 2041-10-27
Also published as: CN113872421A; US11223276B1

Abstract

本发明提出了一种用于电压转换电路的控制电路和控制方法。所述控制电路包括关断控制电路，接收电压转换电路的输入电压、输出电压、表征流过电压转换电路的上拉功率开关的电流的电流表征信号和与上拉功率开关的导通相对应的导通设置信号，基于输入电压、输出电压、电流表征信号和导通设置信号，所述关断控制电路输出关断控制信号控制上拉功率开关的导通时长的结束；所述上拉功率开关的导通时长由输入电压、输出电压和电流表征信号所调节。本发明提供的电压转换电路的控制电路，上拉功率开关的导通时长相对恒定，但在一定范围内可调，相比于传统的恒定导通时长控制，具有较好的重载效率、较快的瞬态及较好的稳定性。

Description

一种电压转换电路的控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路，更具体地说，本发明涉及电压转换电路中的自适应导通时长控制电路和控制方法。

背景技术

目前，有多种控制方法可用于控制电压转换电路，例如电压模式控制、电流模式控制，迟滞模式控制及恒定导通时长模式控制。对于采用电压模式控制和电流模式控制的电压转换电路来说，其控制环路中均包括放大器，并且需要做环路补偿以在较宽的输入电压范围内实现稳定的工作，这会导致瞬态响应变慢。而恒定导通时长模式控制利用输出电压纹波作为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)斜坡信号，与参考电压进行比较以调节输出电压，其控制环路中没有放大器。因此，恒定导通时长模式控制不需要环路补偿，具有快速的瞬态响应，这使得恒定导通时长模式控制成为电压转换电路的较好的选择。

传统的恒定导通时长模式控制功率级的导通时长保持恒定，而使其关断时长随着负载等因素的变化而变化。因此传统的恒定导通时长控制模式的电压转换电路的开关频率是变化的。为了使恒定导通时长控制模式的电压转换电路的开关频率恒定，部分应用根据电压转换电路的输入电压和输出电压来微调电压转换电路的功率级的导通时长。但是，相对恒定的开关频率在重载条件下的效率较低。并且，相对恒定的导通时长导致电感电流的上升和下降速率受到限制，进而限制了电压转换电路的瞬态响应。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应的导通时长控制电路和控制方法，其导通时长在一定范围内可调，并且与流过电压转换电路的功率开关的电流相关，相比于传统的恒定导通时长控制，其具有较好的重载效率、较快的瞬态响应及较好的稳定性。

根据本发明一实施例的电压转换电路的控制电路，包括：关断控制电路，具有第一输入端接收电压转换电路的输入电压、第二输入端接收电压转换电路的输出电压，第三输入端接收表征流过电压转换电路的上拉功率开关的电流的电流表征信号，第四输入端接收与上拉功率开关的导通相对应的导通设置信号，基于输入电压、输出电压、电流表征信号和导通设置信号，所述关断控制电路在输出端输出关断控制信号控制上拉功率开关的导通时长的结束；所述上拉功率开关的导通时长由输入电压、输出电压和电流表征信号所调节。

根据本发明一实施例的电压转换电路，包括上述控制电路，还包括上拉功率开关。

根据本发明一实施例的电压转换电路，包括上述控制电路，还包括下拉功率开关。

根据本发明一实施例的电压转换电路，包括上述控制电路，还包括电感。

根据本发明一实施例的电压转换电路的控制方法，包括：提供导通控制信号在反馈信号减小至导通基准信号时导通电压转换电路的上拉功率开关，所述反馈信号表征电压转换电路的输出电压；以及提供关断控制信号在导通时长结束时关断上拉功率开关，其中，所述导通时长由电压转换电路的输入电压、输出电压和表征流过上拉功率开关的电流的电流表征信号所调节。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：

图1示出了现有的恒定导通时长控制的电压转换电路10；

图2示出了根据本发明一实施例的电压转换电路20的电路结构示意图；

图3示出了根据本发明一实施例的在电压转换电路20的负载由轻变重的瞬态过程中的电流表征信号I_HS、关断基准信号VREF_OFF、电容电压VC1、反馈信号VFB、导通基准信号VREF_ON、上拉开关控制信号GH和导通设置信号RST的波形；

图4示出了根据本发明一实施例的电压转换电路20在负载由重变轻的瞬态过程中的电流表征信号I_HS、关断基准信号VREF_OFF、电容电压VC1、反馈信号VFB、导通基准信号VREF_ON、上拉开关控制信号GH和导通设置信号RST的波形；

图5示出了根据本发明一实施例的电压转换电路50的结构示意图；

图6示出了根据本发明一实施例的电压转换电路60的结构示意图；

图7示出了根据本发明一实施例的电压转换电路70的结构示意图；

图8示出了根据本发明一实施例的电压转换电路的控制方法80的步骤流程图。

具体实施方式

在接下来的说明中，一些具体的细节，例如实施例中的具体电路结构和这些电路元件的具体参数，都用于对本发明的实施例提供更好的理解。本技术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况下，本发明的实施例也可以被实现。此外，本文所称“耦接”的含义为直接连接，或通过其他电路元件，间接连接。

下面描述的实施例将以具体的实施电路和应用背景为例对本发明各实施例的控制电路和控制方法进行阐述，以使本领域技术人员能够更好地理解本发明。然而本领域的技术人员应当理解，这些说明只是示例性的，并不用于限定本发明的范围。

图1示出了现有的恒定导通时长控制的电压转换电路10。如图1所示，电压转换电路10包括：连接成BUCK(降压斩波)拓扑的上拉功率开关HS、下拉功率开关LS、电感L1和输出电容COUT。在图1中，所述上拉功率开关HS和下拉功率开关LS串联耦接在输入电压VIN和参考地GND之间，并且轮流通断以将输入电压VIN转换成输出电压VOUT，以提供给用电阻RL表征的负载。电压转换电路10进一步包括：关断控制电路101，接收输入电压VIN、输出电压VOUT和导通设置信号RST，输出关断控制信号SETOFF控制上拉功率开关HS的恒定导通时长Ton的结束，其中所述导通设置信号RST控制上拉功率开关HS的导通；导通控制电路102，接收表征输出电压VOUT的反馈信号VFB以及导通参考信号VREF_ON，提供导通控制信号SETON控制上拉功率开关HS的恒定导通时长的开始；以及逻辑电路103，接收关断控制信号SETOFF和导通控制信号SETON，并且输出上拉开关控制信号GH和下拉开关控制信号GL分别控制上拉功率开关HS和下拉功率开关LS，其中上拉开关控制信号GH和下拉开关控制信号GL的相位相反，并且上拉功率开关HS和下拉功率开关LS交替通断。

在图1中，导通控制电路102包括比较器105，基于反馈信号VFB和导通基准信号VREF_ON的比较结果输出导通控制信号SETON。所述反馈信号VFB和输出电压VOUT之间具有如下关系：VFB＝K2×VOUT，其中K2为VFB和VOUT之间的比例系数。关断控制电路101包括如图1所示连接结构的第一电流源I1、电容C1、开关S1和比较器104。当反馈信号VFB下降至导通基准信号VREF_ON时，导通控制信号SETON通过逻辑电路103开通上拉功率开关HS，相应地，下拉功率开关LS被关断。导通设置信号RST具有和上拉功率开关HS的工作相对应的波形。当上拉功率开关HS导通时，导通设置信号RST关断开关S1。接着，输入电压VIN控制的第一电流源I1对电容C1充电。当上拉功率开关HS关断时，导通设置信号RST导通开关S1，使得电容C1被放电。在电容C1充电的过程中，电容电压VC1上升，当电容电压VC1上升至关断基准信号VREF_OFF时，关断控制信号SETOFF翻转，通过逻辑电路103关断上拉功率开关HS。

在图1中，第一电流源I1被输入电压VIN所控制，也就是说，电容C1的充电电流与输入电压VIN相关。所述关断基准信号VREF_OFF与输出电压VOUT具有如下关系：VREF_OFF＝K1×VOUT，其中K1为VREF_OFF和VOUT之间的比例系数。在图1实施例中，上拉功率开关HS的导通时长Ton为：Ton＝K1×C1×VOUT/(K3×VIN)，其中K3为VIN和I1之间的比例系数，即I1＝K3×VIN。

在现有的恒定导通时长控制的电压转换电路10中，上拉功率开关HS的恒定导通时长Ton根据输入电压VIN和输出电压VOUT微调，使得电压转换电路10的开关频率相对恒定。

然而，当输入电压VIN和输出电压VOUT恒定时，无论负载怎样变化，恒定导通时长Ton都是恒定的。在这种情况下，负载瞬态响应较慢。同时，当导通时长Ton恒定时，上拉功率开关HS的关断时长Toff在重载情况下将会缩短，也就是说电压转换电路10的开关频率在重载时会升高。这样一来，重载下的电压转换电路10的开关损耗将大大增加。

图2示出了根据本发明一实施例的电压转换电路20的电路结构示意图。如图2所示，电压转换电路20包括：关断控制电路201，具有第一输入端接收输入电压VIN，第二输入端接收输出电压VOUT，第三输入端接收表征流过上拉功率开关HS的电流的电流表征信号I_HS，第四输入端接收与上拉功率开关HS的导通相关的导通设置信号RST，以及输出端提供关断控制信号SETOFF以控制上拉功率开关HS的导通时长Ton的结束；其中上拉功率开关HS的导通时长Ton被输入电压VIN、输出电压VOUT和电流表征信号I_HS所调节。

在图2实施例中，关断控制电路201包括：第一电流源I1，提供受输入电压VIN控制的第一电流；开关S1，与第一电流源I1串联耦接，其中开关S1的通断由导通设置信号RST控制；第二电流源I2，与第一电流源I1并联耦接，提供受电压转换电路20的输入电流I_IN控制的第二电流；电容C1，与开关S1并联耦接，其中所述电容C1的充电电流为第一电流和第二电流的差值电流；比较器104，具有第一输入端接收电容电压VC1，第二输入端接收关断基准信号VREF_OFF，所述关断基准信号VREF_OFF的值与输出电压VOUT成正比，以及输出端基于电容电压VC1和关断基准信号VREF_OFF的比较结果提供关断控制信号SETOFF。在一个实施例中，所述导通设置信号RST与上拉开关控制信号GH具有相同相位。应当理解，任何在上拉功率开关HS导通的时刻开通开关S1，并在上拉功率开关HS关断的时刻关断开关S1的信号均可以用作导通设置信号RST。

图3示出了根据本发明一实施例的在电压转换电路20的负载由轻变重的瞬态过程中的电流表征信号I_HS、关断基准信号VREF_OFF、电容电压VC1、反馈信号VFB、导通基准信号VREF_ON、上拉开关控制信号GH和导通设置信号RST的波形。在图2实施例中，电流表征信号I_HS，即上拉功率开关电流，与输入电流I_IN相同。在图3中，负载电流在时刻t1开始上升时，在控制环路的控制下，关断时长Toff(即t2-t1)减小。因为关断时长Toff减小，电感L1未完全放电，导致流过电感L1的电流I_L1在下一个开关周期具有更高的电流起始点，即在时刻t2，当上拉功率开关HS再次开通时，电流表征信号I_HS的起始点变高了。也就是说，在负载突然增大时，电流表征信号I_HS也变大了。第二电流源I2提供的第二电流受电流表征信号I_HS控制，并且随着电流表征信号I_HS的增大而增大。在图2实施例中，电容C1的充电电流是第一电流和第二电流之差，即为I1-I2。当第二电流增大时，差值电流I1-I2减小，使得电容C1的充电过程更长，也就是说，导通时长Ton增加了，使得提供给负载的能量也相应增加了。通过上述方式，电压转换电路20可以更快地响应负载的增加。

图4示出了根据本发明一实施例的电压转换电路20在负载由重变轻的瞬态过程中的电流表征信号I_HS、关断基准信号VREF_OFF、电容电压VC1、反馈信号VFB、导通基准信号VREF_ON、上拉开关控制信号GH和导通设置信号RST的波形。在图4中，负载电流在时刻t3开始下降，在控制环路的控制下，关断时长Toff(即t4-t3)增加。因为关断时长Toff增加，流过电感L1的电流I_L1在下一个开关周期的电流起始点更低，即在时刻t4，当上拉功率开关HS开通时，电流表征信号I_HS的起始点变低了。也就是说，在负载突然减小时，电流表征信号I_HS也变小了。第二电流源I2提供的第二电流受电流表征信号I_HS控制，并且随着电流表征信号I_HS的减小而减小。在图2实施例中，电容C1的充电电流是第一电流和第二电流之差，即为I1-I2。当第二电流减小时，差值电流I1-I2增大，使得电容C1的充电过程缩短，也就是说，导通时长Ton减少了，使得提供给负载的能量也相应减少了。通过上述方式，电压转换电路20可以更快地响应负载的减少。

在图2实施例中，导通时长Ton在每一个开关周期中被流过上拉功率开关HS的电流I_HS所调节。当负载电流突增时，电压转换电路20的控制环路在之后的每个开关周期减少上拉功率开关HS的关断时长Toff，使得上拉功率开关HS的电流I_HS增大。随着电流I_HS的增大，导通时长Ton被增加，从而使得电感电流I_L1的上升速度增加，系统可以更快地应对负载突增，进入稳定状态。另一方面，当负载电流突降时，电压转换电路20的控制环路在之后的每个开关周期增加上拉功率开关HS的关断时长Toff，使得上拉功率开关HS的电流I_HS减小，进而导通时长Ton被缩短，提供给负载的能量减少。因此系统可以更快地应对负载突降，进入稳定状态。

与现有技术相比，本发明电压转换电路在负载由轻到重的突变时以及重载时，将导通时长Ton增加。由此，重载下的电压转换电路20的开关频率相对减小。相比于现有技术，本发明的电压转换电路在重载条件下的开关损耗减少。同时，导通时长Ton的调整使得负载瞬态响应加速，降低了对电压转换电路的高增益控制环路的需要，提高了系统的稳定性。

在图2实施例中，输入电流I_IN与上拉功率开关电流I_HS相同。因此，通过检测输入电流I_IN可以得到上拉功率开关电流I_HS的信息。

上拉功率开关电流I_HS与第二电流源I2提供的第二电流之间的关系由具体应用的需要而定。在一个实施例中，第一电流源I1提供的第一电流为100uA，而第二电流源I2提供的第二电流在重载时为50uA，轻载时为20uA。

本说明书采用BUCK拓扑的电压转换电路为例来阐述本发明原理。所述BUCK拓扑如图2所示，包括耦接在输入电压VIN和参考地GND之间的上拉功率开关HS和下拉功率开关LS，以及耦接在上拉功率开关HS和下拉功率开关LS的连接点和输出电压VOUT之间的电感L1。应当理解，本发明也可应用于采用其他拓扑结构的电压转换电路，例如BOOST、BUCK-BOOST或FLYBACK。

图5示出了根据本发明一实施例的电压转换电路50的结构示意图。所述电压转换电路50和图2所示的电压转换电路20具有相似的结构，不同之处在于，电压转换电路50通过检测流过电感L1的电流来得到上拉功率开关电流I_HS的信息。本领域普通技术人员应当知道，当上拉功率开关HS导通时，流过上拉功率开关HS的电流I_HS与流过电感L1的电流相同。如图5所示，电压转换电路50的导通时长Ton在上拉功率开关HS导通期间决定。因此，电感电流I_L1可以代替上拉功率开关电流I_HS参与控制。

图6示出了根据本发明一实施例的电压转换电路60的结构示意图。所述电压转换电路60与图2中的电压转换电路20具有相似的结构，不同之处在于，电压转换电路60包括：第一电流源I1，提供受输入电压VIN控制的第一电流；开关S1，与第一电流源I1串联，其中所述开关S1的通断由导通设置信号RST控制；电容C1，与开关S1并联，其中所述电容C1的充电电流为第一电流；以及比较器104，具有第一输入端接收电容电压VC1，第二输入端接收关断基准信号VREF_OFF，所述关断基准信号VREF_OFF的值由输出电压VOUT和电压转换电路60的输入电流I_IN决定，所述比较器104基于电容电压VC1和关断基准信号VREF_OFF的比较结果在输出端输出关断控制信号SETOFF。

关断控制电路601进一步包括加权电路607，接收输入电流I_IN和输出电压表征信号VB，并基于输入电流I_IN和输出电压表征信号VB提供关断基准信号VREF_OFF。所述输出电压表征信号VB与输出电压VOUT具有如下关系：VB＝K1×VOUT，其中K1是VB和VOUT之间的比例系数。加权电路607还可以包括用于将输入电流I_IN转换成电压信号的电流-电压转换电路(未在图中示出)。随后，该电压信号被叠加至转出电压表征信号VB以产生关断基准信号VREF_OFF。在部分实施例中，加权电路607还可以包括用于将输出电压表征信号VB转换成电流信号的电压-电流转换电路(未在图中示出)。随后，该电流信号被叠加至输入电流I_IN，最终叠加后的电流信号被转换成关断时长基准信号VREF_OFF。在本发明中，任何可用于提供包含了输入电流I_IN和输出电压表征信号VB的信息的关断时长基准信号VREF_OFF的电路均可以用作加权电路607。

以下结合图3、4和6来阐述电压转换电路60的工作原理。在图6实施例中，输入电流I_IN被加权至关断时长基准信号VREF_OFF。在图3中，当负载电流在时刻t1开始上升时，在控制环路的控制下，关断时长Toff减小，电流表征信号I_HS，也就是输入电流I_IN增大，这导致关断基准信号VREF_OFF增大。从而，电容C1的充电时间变长，即意味着导通时长Ton变长，并且提供给负载的能量增加。在图4中，负载电流在时刻t3开始下降，在控制环路的控制下，关断时长Toff增加，电流表征信号I_HS，也就是输入电流I_IN减小，这导致关断基准信号VREF_OFF减小。从而，电容C1的充电时间变短，即意味着导通时长Ton变短，并且提供给负载的能量减少。

电压转换电路60的其他电路模块的工作原理同电压转换电路20相似，为简洁起见，此处不再展开叙述。

图7示出了根据本发明一实施例的电压转换电路70的结构示意图。所述电压转换电路70和图6所示的电压转换电路60相似，不同之处在于，电压转换电路70通过检测流过电感L1的电流来得到上拉功率开关电流I_HS的信息。如前文所述，本发明中，电感电流I_L1和输入电流I_IN均可以用于表征上拉功率开关电流I_HS。

图8示出了根据本发明一实施例的电压转换电路的控制方法80的步骤流程图，所述电压转换电路具有至少一个上拉功率开关。如图8所示，所述控制方法80包括：步骤801，提供导通控制信号在反馈信号减小至导通基准信号时导通上拉功率开关，所述反馈信号表征电压转换电路的输出电压；步骤802，提供关断控制信号在导通时长结束时关断上拉功率开关，其中，所述导通时长由电压转换电路的输入电压、输出电压和表征上拉功率开关的电流的电流表征信号所调节。

在一个实施例中，所述电流表征信号包括电压转换电路的输入电流。

在一个实施例中，所述电流表征信号包括流过电压转换电路的电感的电流。

在一个实施例中，所述导通时长由电容从第一基准电压充电到第二基准电压的充电时长决定，而电容的充电电流则由电压转换电路的输入电压和电流表征信号控制，并且电容的充电过程始于上拉功率开关导通之时。决定电容充电结束的第二基准电压的值则与电压转换电路的输出电压有关。在一个实施例中，电容的充电电流为第一电流源提供的电流和第二电流源提供的电流的差值电流，所述第一电流源提供的电流的值与输入电压成正比，所述第二电流源提供的电流的值与电流表征信号成正比。

在一个实施例中，所述导通时长由电容从第一基准电压充电到第二基准电压的充电时长决定，而电容的充电电流则由电压转换电路的输入电压控制。而决定电容充电结束的第二基准电压的值为第一电压和第二电压之和，其中所述第一电压的值与电压转换电路的输出电压成正比，所述第二电压的值与电流表征信号成正比。

在一个实施例中，所述第一基准电压包括参考地电压。

根据以上教导，本发明的许多更改和变型方式显然也是可行的。因此，应当理解的是，在权利要求所限定的范围内，本发明可以不用按照上述特定的描述来实施。同样应当理解的是，上述公开只涉及到本发明一些优选实施例，在不脱离本发明权利要求所限定的精神和范围的前提下，可以对本发明作出更改。当只有一个优选实施例被公开，本领域普通技术人员不难想到改型并将其付诸于实施，而不脱离于本发明权利要求所限定的精神与范围。

Claims

1.一种电压转换电路的控制电路，所述控制电路包括：

关断控制电路，具有第一输入端接收电压转换电路的输入电压、第二输入端接收电压转换电路的输出电压，第三输入端接收表征流过电压转换电路的上拉功率开关的电流的电流表征信号，第四输入端接收与上拉功率开关的导通相对应的导通设置信号，基于输入电压、输出电压、电流表征信号和导通设置信号，所述关断控制电路在输出端输出关断控制信号控制上拉功率开关的导通时长的结束；

所述上拉功率开关的导通时长由输入电压、输出电压和电流表征信号所调节；

所述关断控制电路包括比较器，所述比较器的输出端输出所述关断控制信号。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中所述关断控制电路包括：

第一电流源，提供受输入电压控制的第一电流；

开关，与第一电流源串联耦接，所述开关由导通控制信号控制通断；

第二电流源，与第一电流源并联耦接，提供受输入电流控制的第二电流；

电容，与开关并联耦接，所述电容的充电电流的值与所述第一电流和第二电流相关；以及

所述比较器，具有第一输入端接收电容上的电容电压，第二输入端接收与输出电压的值成正比的关断基准信号，基于电容电压与关断基准信号的比较结果，所述比较器在输出端输出关断控制信号。

3.如权利要求1所述的控制电路，其中所述关断控制电路包括：

第一电流源，提供受输入电压控制的第一电流；

第二电流源，与第一电流源并联耦接，提供受流过电压转换电路的电感的电感电流控制的第二电流；

4.如权利要求1所述的控制电路，其中所述关断控制电路包括：

第一电流源，提供受输入电压控制的第一电流；

电容，与开关并联耦接，所述电容的充电电流为所述第一电流；以及

所述比较器，具有第一输入端接收电容上的电容电压，第二输入端接收与电压转换电路的输入电流和输出电压相关的关断基准信号，基于电容电压与关断基准信号的比较结果，所述比较器在输出端输出关断控制信号。

5.如权利要求1所述的控制电路，其中所述关断控制电路包括：

第一电流源，提供受输入电压控制的第一电流；

所述比较器，具有第一输入端接收电容上的电容电压，第二输入端接收与流过电压转换电路的电感的电流和电压转换电路的输出电压相关的关断基准信号，基于电容电压与关断基准信号的比较结果，所述比较器在输出端输出关断控制信号。

6.如权利要求1所述的控制电路，还包括：

导通控制电路，具有第一输入端接收表征输出电压的反馈信号，第二输入端接收导通基准信号，基于反馈信号和导通基准信号，所述导通控制电路的输出端输出导通控制信号，所述导通控制信号控制所述上拉功率开关的导通时长的开始；以及

逻辑电路，具有第一输入端接收关断控制信号，第二输入端接收导通控制信号，输出端输出上拉开关控制信号控制所述上拉功率开关，其中，所述上拉功率开关的导通响应于导通控制信号，所述上拉功率开关的关断响应于关断控制信号。

7.一种电压转换电路，包括如权利要求1-6任一项所述的控制电路，还包括上拉功率开关。

8.一种电压转换电路，包括如权利要求1-6任一项所述的控制电路，还包括：

下拉功率开关，与所述上拉功率开关耦接，所述上拉功率开关和下拉功率开关交替通断。

9.如权利要求8所述的电压转换电路，还包括：

电感，具有第一端耦接至上拉功率开关和下拉功率开关的耦接点，第二端耦接至输出电压。

10.如权利要求8所述的电压转换电路，还包括：

电感，具有第一端耦接至上拉功率开关和下拉功率开关的耦接点，第二端接收输入电压。