专利名称：升降压式电源转换器的控制电路及方法
技术领域：
本发明涉及一种升降压式电源转换器，具体地说，是一种升降压式电源转换器的 控制电路及方法。
背景技术：
降压式电源转换器是操作如图1所示的降压式功率级10，而将输入电压Vin降压 成为输出电压Vo供应负载Rload。升压式电源转换器是操作如图2所示的升压式功率级 12，而将输入电压Vin升压成为输出电压Vo供应负载Rload。由于电池无法一直提供稳定 的电压，因此，以电池作为输入电源Vin的系统，例如可携式装置，无法使用降压式电源转 换器或升压式电源转换器提供稳定的电压。由于电池的电压会随着电能的消耗而下降，因此，以电池作为输入电源的系统需 要能够在降压式及升压式之间切换的电源转换器。升降压式电源转换器是操作如图3所示 的升降压式功率级14，而将输入电压Vin降压或升压成为输出电压Vo供应负载Rload。然 而，这种升降压式电源转换器的输出电压Vo是负电压，不适合某些应用，因此有了如图4所 示的升降压式功率级16，其能够将输入电压Vin降压或升压成为正电压的输出电压Vo。目 前已有许多操作升降压式功率级16的控制电路及方法提出，例如美国专利号6，166，527及 7，518，346，然而他们仍无法满足使用者的需求。因此已知的升降压式电源转换器的控制电路及方法存在着上述种种不便和问题。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种升降压式电源转换器的控制电路及方法。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是—种升降压式电源转换器的控制电路，用以产生控制信号操作升降压式功率级而 将输入电压转换为输出电压，其特征在于所述控制电路包括回授电路，检测所述输出电压而产生回授信号，所述回授信号为所述输出电压的 函数；误差放大器，连接所述回授电路，放大所述回授信号与参考电压之间的差值而产 生误差信号；波形产生器，提供第一锯齿波信号及第二锯齿波信号；频率控制器，连接所述误差放大器，根据所述误差信号产生振荡信号；频率产生器，连接所述频率控制器及所述波形产生器，根据所述振荡信号产生频 率信号给所述波形产生器，以控制所述第一及第二锯齿波信号的频率；脉宽调变比较器，连接所述误差放大器及所述波形产生器，根据所述误差信号及 所述第一及第二锯齿波信号产生第一脉宽调变信号及第二脉宽调变信号；以及间极驱动器，连接所述脉宽调变比较器及所述升降压式功率级，根据所述第一及 第二脉宽调变信号产生所述控制信号。
本发明的升降压式电源转换器的控制电路还可以采用以下的技术措施来进一步 实现。前述的控制电路，其中所述第一及第二锯齿波信号具有非线性的波形。前述的控制电路，其中所述波形产生器根据与所述输入电压及所述输出电压相关 的信号改变所述第一及第二锯齿波信号的峰值及谷值。前述的控制电路，其中所述波形产生器包括第一可变电压源，供应第一可变电压；第二可变电压源，供应第二可变电压；电容，连接在所述第一及第二可变电压源之间；电阻及第一开关串联在所述第一可变电压源及所述电容之间，所述第一开关因应 第一信号开启而使所述第一可变电压源对所述电容充电；第二开关，与所述电容并联，因应第二信号开启而使所述电容放电；第三可变电压源，提供第三可变电压；比较器，连接所述电容及所述第三可变电压源，比较所述第一锯齿波信号及所述 第三可变电压而产生比较信号；正反器，连接所述比较器及所述频率产生器，根据所述频率信号及所述比较信号 产生所述第一及第二信号；以及平移电路，连接所述第一、第二及第三可变电压源，根据所述输入及输出电压调整 所述第一、第二及第三可变电压，因而控制所述第一锯齿波信号的峰值及谷值。前述的控制电路，其中更包括第二电阻与所述第二开关串联，以控制所述电容的 放电速率。前述的控制电路，其中所述波形产生器包括第一可变电压源，供应第一可变电压；第二可变电压源，供应第二可变电压；电容，连接在所述第一及第二可变电压源之间；电阻及第一开关串联在所述第一可变电压源及所述电容之间，所述第一开关因应 第一信号开启而使所述第一可变电压源对所述电容充电；第二开关，与所述电容并联，因应第二信号开启而使所述电容放电；第三可变电压源，提供第三可变电压；比较器，连接所述电容及所述第三可变电压源，比较所述第二锯齿波信号及所述 第三可变电压而产生比较信号；正反器，连接所述比较器及所述频率产生器，根据所述频率信号及所述比较信号 产生所述第一及第二信号；以及平移电路，连接所述第一、第二及第三可变电压源，根据所述输入及输出电压调整 所述第一、第二及第三可变电压，因而控制所述第二锯齿波信号的峰值及谷值。前述的控制电路，其中更包括第二电阻与所述第二开关串联，以控制所述电容的 放电速率。前述的控制电路，其中所述频率控制器包括压控振荡器连接所述误差放大器及所 述频率产生器，根据所述误差信号产生所述振荡信号提供给所述频率产生器，所述振荡信号的频率随所述误差信号上升或下降而增加或减少。前述的控制电路，其中所述频率控制器包括压控振荡器连接所述频率产生器，用以提供所述振荡信号给所述频率产生器；第一开关，连接在所述误差放大器及压控振荡器之间；第一电压源，提供第一电压；比较器，连接所述误差放大器及所述第一电压源，比较所述误差信号及所述第一 电压而产生比较信号，在所述误差信号小于所述第一电压时打开所述第一开关，而使所述 压控振荡器根据所述误差信号产生所述振荡信号；第二电压源，提供第二电压；第二开关，连接在所述第二电压源及所述压控振荡器之间；以及反相器，连接在所述比较器及所述第二开关之间，产生所述比较信号的反相信号， 在所述误差信号大于所述第一电压时打开所述第二开关，而使所述压控振荡器根据所述第 二电压产生所述振荡信号。前述的控制电路，其中所述振荡信号在所述误差信号小于所述第一电压时具有随 所述误差信号变动的频率。前述的控制电路，其中所述振荡信号在所述误差信号大于所述第一电压时具有固 定的频率。一种升降压式电源转换器的控制方法，用以产生控制信号操作升降压式功率级而 将输入电压转换为输出电压，其特征在于所述控制方法包括下列步骤(A)检测所述输出电压而产生回授信号，所述回授信号为所述输出电压的函数；(B)放大所述回授信号与参考电压之间的差值而产生误差信号；(C)根据所述误差信号产生振荡信号；(D)根据所述振荡信号产生第一锯齿波信号及第二锯齿波信号；(E)根据所述误差信号及所述第一及第二锯齿波信号产生第一脉宽调变信号及第 二脉宽调变信号；以及(F)根据所述第一及第二脉宽调变信号产生所述控制信号。本发明的升降压式电源转换器的控制方法还可以采用以下的技术措施来进一步 实现。前述的控制方法，其中所述步骤C包括使所述振荡信号的频率随所述误差信号上 升或下降而增加或减少。前述的控制方法，其中所述步骤C包括在所述误差信号小于第一电压时使所述振荡信号的频率随所述误差信号上升或 下降而增加或减少；以及在所述误差信号大于所述第一电压时使所述振荡信号具有固定的频率。前述的控制方法，其中所述步骤D包括使所述第一及第二锯齿波信号具有非线性 的波形。前述的控制方法，其中所述步骤D包括因应所述频率信号而触发第一信号；因应所述第一信号对电容充电；
从所述电容取出所述第一锯齿波信号；比较所述第一锯齿波信号及可变电压而触发第二信号；因应所述第二信号而使所述电容放电；以及根据所述输入及输出电压控制所述第一锯齿波信号的峰值及谷值。前述的控制方法，其中更包括控制所述电容的放电速率。前述的控制方法，其中所述步骤D包括因应所述频率信号而触发第一信号；因应所述第一信号对电容充电；从所述电容取出所述第二锯齿波信号；比较所述第二锯齿波信号及可变电压而触发第二信号；因应所述第二信号而使所述电容放电；以及根据所述输入及输出电压控制所述第二锯齿波信号的峰值及谷值。前述的控制方法，其中更包括控制所述电容的放电速率。前述的控制方法，其中更包括根据与所述输入电压及所述输出电压相关的信号改 变所述第一及第二锯齿波信号的峰值及谷值。采用上述技术方案后，本发明的升降压式电源转换器的控制电路及方法具有以下 优点1.提高升降压式电源转换器的稳定性。2.减少所述升降压式功率级的切换损失，提高所述升降压式电源转换器的效能。
图1为传统的降压式电源转换器示意图；图2为传统的升压式电源转换器示意图；图3为传统的升降压式电源转换器示意图；图4为另一种传统的升降压式电源转换器示意图；图5为本发明的实施例的示意图；图6为图5中波形产生器的第一实施例的示意图；图7为图6中频率CLK为定频时，频率CLK及锯齿波信号Vrampl的波形图；图8为图6中频率CLK为变频时，频率CLK及锯齿波信号Vrampl的波形图；图9为非线性锯齿波信号Vrampl波形的实施例的示意图；图10为非线性锯齿波信号Vrampl波形的实施例的示意图；图11为非线性锯齿波信号Vrampl波形的实施例的示意图；图12为图5中波形产生器的第二实施例的示意图；图13为图5中频率控制器的第一实施例的示意图；以及图14为图5中频率控制器的第二实施例的示意图。图中，10、降压式功率级12、升压式功率级14、升降压式功率级16、升降压式功 率级18、升降压式电源转换器20、控制电路22、回授电路24、误差放大器26、波形产生 器28、脉宽调变比较器30、闸极驱动器32、频率控制器34、频率产生器36、比较器38、 SR正反器40、平移电路42、压控振荡器44、比较器46、反相器。
具体实施例方式以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。现请参阅图5，图5为本发明的实施例的示意图。如图所示，所述升降压式电源转 换器18包括控制电路20提供信号Si、S2、S3及S4分别驱动升降压式功率级16的功率开 关Q1、Q2、Q3及Q4，以将输入电压Vin降压或升压成为输出电压Vo。在控制电路20中，回 授电路22检测输出电压Vo而产生与输出电压Vo相关的回授信号VFB、误差放大器24放 大回授信号VFB及参考电压Vrefl之间的差值而产生误差信号Vc、波形产生器26提供锯 齿波信号Vrampl及Vramp2、脉宽调变比较器28根据误差信号Vc及锯齿波信号Vrampl及 Vramp2产生脉宽调变信号PTOll及PWM2、闸极驱动器30根据脉宽调变信号PWMl及PWM2产 生信号Si、S2、S3及S4、频率控制器32根据误差信号Vc产生振荡信号Sf、以及频率产生 器34根据振荡信号Sf产生频率CLK给波形产生器26以决定锯齿波信号Vrampl及Vramp2 的频率。振荡信号Sf的频率由误差信号Vc决定，频率CLK的频率随振荡信号Sf的频率改 变，因此锯齿波信号Vrampl及Vramp2的频率由误差信号Vc决定。波形产生器26由电压源、电阻及电容组成，利用输入电压Vin及输出电压Vo或是 其它与输入电压Vin及输出电压Vo相关的信号来控制锯齿波信号Vramp的峰值及谷值。图 6为波形产生器26的第一实施例，电阻Rl与开关Q5串联在可变电压源Vref2及电容C之 间，开关Q6与电容C并联，信号S5及S6分别控制开关Q5及Q6以使电容C充放电而产生 锯齿波信号Vramp 1，可变电压源Vref3连接在电容C及地端GND之间，比较器36比较锯齿 波信号Vramp及电压Vref4而产生信号Sc，SR正反器38根据频率CLK及信号Sc产生信号 S5及S6，平移电路40根据输入电压Vin及输出电压Vo调整电压Vref2、Vref3及Vref4， 因而调整锯齿波信号Vramp的峰值及谷值。SR正反器38也可以用D型正反器或其它逻辑 电路取代。当输入电压Vin接近输出电压Vo时，平移电路40调高电压Vref2及Vref4或 是调低电压Vref3以调高锯齿波信号Vrampl的峰值或调低锯齿波信号Vrampl的谷值，进 而使锯齿波信号Vrampl能与误差信号Vc决定具有适当工作时间(duty)的脉宽调变信号 PWMl，提高升降压式电源转换器18的稳定性。此外，平移电路40也可以同时调高或调低锯 齿波信号Vrampl的峰值及谷值以平移锯齿波信号Vramp 1，提高升降压式电源转换器18的 稳定性。在频率CLK为定频时，锯齿波信号Vrampl如图7所示，在时间tl时，频率CLK触 发SR正反器38的输出S5，因而打开(turn on)开关Q5而使电压源Vref2对电容C充电， 故锯齿波信号Vrampl开始上升；当锯齿波信号Vrampl大于电压Vref4时，如时间t2所示， 比较器36的输出Sc重置SR正反器38，因此关闭(turn off)开关Q5，并打开开关Q6而使 电容C放电至电压Vref3的准位。在此实施例中，由于频率CLK为定频，因此锯齿波信号 Vrampl亦为定频。在频率CLK为变频时，锯齿波信号Vrampl如图8所示，在时间t3时，频率CLK触 发SR正反器38，因而开关Q5打开而使电压源Vref2对电容C充电；在锯齿波信号Vrampl 大于电压Vref4时，比较器36重置SR正反器38而关闭开关Q5，并打开开关Q6使电容C放 电至电压Vref3的准位。在此实施例中，由于频率CLK为变频，因此锯齿波信号Vrampl亦 为变频。
如图7及图8所示的，波形产生器26提供非线性锯齿波信号Vrampl，与线性锯齿 波信号相比，其可以使升降压式电源转换器18在重载时有较佳的电压调整以及较佳的瞬 时响应。除了图7及图8所示的波形，波形产生器26亦可使用不同的电路及方法提供其它 波形的非线性锯齿波信号Vrampl，例如图9、图10及图11所示。图12为波形产生器26的 第二实施例，用以提供图10的锯齿波信号Vrampl，其在图6的波形产生器26中增加电阻 R2串联开关Q6。由于电阻R2的关系，当电容C放电时，锯齿波信号Vrampl将慢慢地降至 电压Vref3的准位，如图10的波形所示。产生锯齿波信号Vramp2的电路与产生锯齿波信号Vrampl的电路相同，故不再赘 述。如同锯齿波信号Vrampl —样，锯齿波信号Vramp2的频率可为定频或变频，其波形也可 以是非线性。图13为频率控制器32的第一实施例，包括压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator ；VC0)42根据误差信号Vc产生振荡信号Sf，振荡信号Sf的频率随误差信号Vc 的上升或下降而增加或减少。在重载时，误差信号Vc较大，因此VCO 110将提供频率较高 的振荡信号Sf，相反的，在轻载时，误差信号Vc较小，因此VCO 110将提供频率较低的振荡 信号Sf。由于在轻载时锯齿波信号Vrampl及Vramp2的频率较低，故脉宽调变信号PWMl及 PWM2的频率也跟着降低，因此减少升降压式功率级16的切换损失，提高升降压式电源转换 器18的效能。图14为频率控制器32的第二实施例，除了 VCO 42以外，还包括开关SWl连接 在VCO 42及误差放大器24之间、比较器44比较误差信号Vc及电压Vref5产生比较信号 Scomp切换开关SWl、开关SW2连接在VCO 42及定电压源Vref6之间、以及反相器46将比 较信号Scomp反相以切换开关SW2。在重载时，误差信号Vc高于电压Vref5，因此开关SWl 关闭而开关SW2打开，此时VCO 42将根据定电压Vref6产生定频的振荡信号Sf。变为轻载 时，误差信号Vc下降，在误差信号Vc小于电压Vref5时，比较器44打开开关SWl并关闭开 关SW2，因此VCO 42将根据误差信号Vc产生变频的振荡信号Sf。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人 员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同 的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
权利要求
1.一种升降压式电源转换器的控制电路，用以产生控制信号操作升降压式功率级而将 输入电压转换为输出电压，其特征在于所述控制电路包括回授电路，检测所述输出电压而产生回授信号，所述回授信号为所述输出电压的函数；误差放大器，连接所述回授电路，放大所述回授信号与参考电压之间的差值而产生误差信号；波形产生器，提供第一锯齿波信号及第二锯齿波信号； 频率控制器，连接所述误差放大器，根据所述误差信号产生振荡信号； 频率产生器，连接所述频率控制器及所述波形产生器，根据所述振荡信号产生频率信 号给所述波形产生器，以控制所述第一及第二锯齿波信号的频率；脉宽调变比较器，连接所述误差放大器及所述波形产生器，根据所述误差信号及所述 第一及第二锯齿波信号产生第一脉宽调变信号及第二脉宽调变信号；以及闸极驱动器，连接所述脉宽调变比较器及所述升降压式功率级，根据所述第一及第二 脉宽调变信号产生所述控制信号。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一及第二锯齿波信号具有非线 性的波形。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述波形产生器根据与所述输入电压 及所述输出电压相关的信号改变所述第一及第二锯齿波信号的峰值及谷值。
4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述波形产生器包括 第一可变电压源，供应第一可变电压；第二可变电压源，供应第二可变电压； 电容，连接在所述第一及第二可变电压源之间；电阻及第一开关串联在所述第一可变电压源及所述电容之间，所述第一开关因应第一 信号开启而使所述第一可变电压源对所述电容充电；第二开关，与所述电容并联，因应第二信号开启而使所述电容放电； 第三可变电压源，提供第三可变电压；比较器，连接所述电容及所述第三可变电压源，比较所述第一锯齿波信号及所述第三 可变电压而产生比较信号；正反器，连接所述比较器及所述频率产生器，根据所述频率信号及所述比较信号产生 所述第一及第二信号；以及平移电路，连接所述第一、第二及第三可变电压源，根据所述输入及输出电压调整所述 第一、第二及第三可变电压，因而控制所述第一锯齿波信号的峰值及谷值。
5.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于，更包括第二电阻与所述第二开关串联， 以控制所述电容的放电速率。
6.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述波形产生器包括 第一可变电压源，供应第一可变电压；第二可变电压源，供应第二可变电压； 电容，连接在所述第一及第二可变电压源之间；电阻及第一开关串联在所述第一可变电压源及所述电容之间，所述第一开关因应第一信号开启而使所述第一可变电压源对所述电容充电；第二开关，与所述电容并联，因应第二信号开启而使所述电容放电； 第三可变电压源，提供第三可变电压；比较器，连接所述电容及所述第三可变电压源，比较所述第二锯齿波信号及所述第三 可变电压而产生比较信号；正反器，连接所述比较器及所述频率产生器，根据所述频率信号及所述比较信号产生 所述第一及第二信号；以及平移电路，连接所述第一、第二及第三可变电压源，根据所述输入及输出电压调整所述 第一、第二及第三可变电压，因而控制所述第二锯齿波信号的峰值及谷值。
7.如权利要求6所述的控制电路，其特征在于，更包括第二电阻与所述第二开关串联， 以控制所述电容的放电速率。
8.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述频率控制器包括压控振荡器连接 所述误差放大器及所述频率产生器，根据所述误差信号产生所述振荡信号提供给所述频率 产生器，所述振荡信号的频率随所述误差信号上升或下降而增加或减少。
9.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述频率控制器包括 压控振荡器连接所述频率产生器，用以提供所述振荡信号给所述频率产生器； 第一开关，连接在所述误差放大器及压控振荡器之间；第一电压源，提供第一电压；比较器，连接所述误差放大器及所述第一电压源，比较所述误差信号及所述第一电压 而产生比较信号，在所述误差信号小于所述第一电压时打开所述第一开关，而使所述压控 振荡器根据所述误差信号产生所述振荡信号； 第二电压源，提供第二电压；第二开关，连接在所述第二电压源及所述压控振荡器之间；以及 反相器，连接在所述比较器及所述第二开关之间，产生所述比较信号的反相信号，在所 述误差信号大于所述第一电压时打开所述第二开关，而使所述压控振荡器根据所述第二电 压产生所述振荡信号。
10.如权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述振荡信号在所述误差信号小于所 述第一电压时具有随所述误差信号变动的频率。
11.如权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述振荡信号在所述误差信号大于所 述第一电压时具有固定的频率。
12.—种升降压式电源转换器的控制方法，用以产生控制信号操作升降压式功率级而 将输入电压转换为输出电压，其特征在于所述控制方法包括下列步骤(A)检测所述输出电压而产生回授信号，所述回授信号为所述输出电压的函数；(B)放大所述回授信号与参考电压之间的差值而产生误差信号；(C)根据所述误差信号产生振荡信号；(D)根据所述振荡信号产生第一锯齿波信号及第二锯齿波信号；(E)根据所述误差信号及所述第一及第二锯齿波信号产生第一脉宽调变信号及第二脉 宽调变信号；以及(F)根据所述第一及第二脉宽调变信号产生所述控制信号。
13.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步骤C包括使所述振荡信号的频 率随所述误差信号上升或下降而增加或减少。
14.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步骤C包括在所述误差信号小于第一电压时使所述振荡信号的频率随所述误差信号上升或下降 而增加或减少；以及在所述误差信号大于所述第一电压时使所述振荡信号具有固定的频率。
15.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步骤D包括使所述第一及第二锯 齿波信号具有非线性的波形。
16.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步骤D包括 因应所述频率信号而触发第一信号；因应所述第一信号对电容充电；从所述电容取出所述第一锯齿波信号；比较所述第一锯齿波信号及可变电压而触发第二信号；因应所述第二信号而使所述电容放电；以及根据所述输入及输出电压控制所述第一锯齿波信号的峰值及谷值。
17.如权利要求16所述的控制方法，其特征在于，更包括控制所述电容的放电速率。
18.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步骤D包括 因应所述频率信号而触发第一信号；因应所述第一信号对电容充电；从所述电容取出所述第二锯齿波信号；比较所述第二锯齿波信号及可变电压而触发第二信号；因应所述第二信号而使所述电容放电；以及根据所述输入及输出电压控制所述第二锯齿波信号的峰值及谷值。
19.如权利要求18所述的控制方法，其特征在于，更包括控制所述电容的放电速率。
20.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，更包括根据与所述输入电压及所述 输出电压相关的信号改变所述第一及第二锯齿波信号的峰值及谷值。
全文摘要
一种升降压式电源转换器的控制电路，用以产生控制信号操作升降压式功率级而将输入电压转换为输出电压，其特征在于所述控制电路包括回授电路，误差放大器，波形产生器，频率控制器，频率产生器，脉宽调变比较器和闸极驱动器。本发明的升降压式电源转换器的控制电路及方法具有提高升降压式电源转换器的稳定性和减少所述升降压式功率级的切换损失，提高所述升降压式电源转换器的效能的优点。
文档编号H02M3/158GK101997411SQ200910170689
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者刘国基, 陈文玮 申请人:立锜科技股份有限公司