专利名称：固定时间的升降压切换式电源电路及其控制电路与方法
技术领域：
本发明涉及一种固定导通时间(constant ON-time)或固定关闭时间(constant OFF-time)的升降压切换式电源电路，特别是指一种仅需要产生一组固定时间的电流控制 式(current mode)或电压控制式(voltagemode)升降压切换式电源电路。本发明也有关 于控制升降压切换式电源电路的控制电路与方法。
背景技术：
请参阅图1，美国专利US 6166527中公开一种控制升降压切换式电源电路的方 法。升降压切换式电源电路包含电感L、四个功率开关A，B, C，D，以及控制电路20。控制 电路20控制四个功率开关A，B, C，D的切换，以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，其 中输入电压Vin可能高于或低于输出电压Vout，因此电源电路可能需要进行降压或升压转 换。控制电路20中，误差放大器22将反馈讯号FB (表示输出电压Vout的信息)与参考电 压Vref比较，产生误差放大讯号Vea。PWM (脉宽调变)比较器对，25分别将该误差放大讯 号Vea与电压波形VX和VY比较，而逻辑电路四根据PWM比较器对，25的比较结果，产生 开关控制讯号VA, VB, VC, VD,分别控制功率开关A，B，C，D。误差放大讯号Vea、电压波形VX和VY、开关控制讯号VA，VB, VC, VD的关系如图2 所示，当误差放大讯号Vea落在电压Vl与V2之间时，电源电路进行纯降压转换，当误差放 大讯号Vea落在电压V2与V3之间时，电源电路进行升降压转换，当误差放大讯号Vea落在 电压V3与V4之间时，电源电路进行纯升压转换。在纯降压转换模式时功率开关C保持断 路而功率开关D保持导通，在纯升压转换模式时功率开关A保持导通而功率开关B保持断 路。在升降压转换模式时，如图所示，根据误差放大讯号Vea与电压波形VX的相对关系而 产生开关控制讯号VA，VB，并根据误差放大讯号Vea与电压波形VY的相对关系而产生开关 控制讯号VC，VD，换言之电源电路进行升压(开关C，D动作)与降压(开关A，B动作)的 混合操作。上述现有技术的特征为在所有时间内，功率开关A，B, C，D均响应于反馈讯号FB 而操作。此种安排方式的缺点如图所示，当误差放大讯号Vea仅与电压波形VX相交于极小 部分时，仍然会产生开关控制讯号VA，VB而使开关A，B动作，但此一动作将产生切换损失 (switchingloss)而使能量耗损增加；同样的情况也会发生在误差放大讯号Vea仅与电压 波形VY微幅相交的时候。图3显示另一现有技术美国专利US 7176667的架构，该案中利用误差放大器22 产生两组误差放大讯号Veal与Vea2，择一输入PWM比较器M与电压波形OSC比较。此外， 电路中另设置一个固定脉宽产生电路沈，逻辑电路四根据PWM比较器M的输出与固定脉 宽产生电路沈的输出，产生开关控制讯号VA，VB, VC, VD，分别控制功率开关A，B, C，D。请参阅图4，美国专利US 7176667中分为四个转换模式，除了纯降压转换模式Ml 和纯升压转换模式M4外，在两者之间另设有中介降压转换模式M2和中介升压转换模式M3， 在中介降压转换模式M2中开关控制讯号VA，VB跟随PWM比较器M的输出而开关控制讯号VC, VD为固定脉宽，在中介降压转换模式M3中开关控制讯号VC，VD跟随PWM比较器M的 输出而开关控制讯号VA，VB为固定脉宽。上述现有技术的缺点是，四个转换模式的控制机制较为复杂，需要另设置固定脉 宽产生电路沈和其它电路元件，且两个中介转换模式(M2和M3)表示电路操作在此区间的 机会增加，而中介转换模式中四个功率开关都动作，增加切换损失与能量耗损。此外，美国专利US 7518346也揭示另一作法，此专利的基本架构近似于图1的现 有技术，不同处在于其所产生的电压波形VX，VY，请参阅图5，此专利US 7518346中的电压 波形VX，VY非同向变化。此外，该案中也提出不同的升压斜坡(Boost Ramp)波形VYl与 VY2。另外，美国专利US 7466112也揭示另一作法，请参阅图6，此专利中在功率开关B， C的下端设置感测电阻Rsense，从其两端取得感测讯号输入PWM比较器对，25，以控制使功 率开关A，D的导通时间尽可能地长。以上各现有技术中，均需要复杂的控制电路与机制，来控制四个功率开关，其电路 或控制机制实嫌过于复杂。
发明内容
本发明目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种升降压切换式电源电 路，其电路与控制机制均远较各现有技术更为精简。本发明的另一目的在于，提出一种控制升降压切换式电源电路的电路。本发明的另一目的在于，提出一种控制升降压切换式电源电路的方法。为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种固定时间升降压切换式电 源电路，包含一电感，具有第一端与第二端；第一功率开关，其一端与该电感的第一端耦 接，其另一端与一输入电压耦接；第二功率开关，其一端与该电感的第一端耦接，其另一端 接地，该第一与第二功率开关反相切换；第三功率开关，其一端与该电感的第二端耦接， 其另一端接地；第四功率开关，其一端与该电感的第二端耦接，其另一端与一输出电压耦 接，该第三与第四功率开关反相切换；以及一控制电路，其产生一组固定时间(constant time)，控制以上四个功率开关的操作，使得该第一功率开关与该第三功率开关的切换周期 及导通时间相同，且该第二与第四功率开关的切换周期及导通时间相同。上述升降压切换式电源电路中，第二或第四功率开关可改换为二极管。上述固定时间升降压切换式电源电路可为电流控制式或电压控制式，且所述固定 时间可为固定导通时间或固定关闭时间的控制方式。就另一个观点言，本发明也提供了一种控制电路，用以控制一固定时间的升降压 切换式电源电路，该升降压切换式电源电路包括一电感、分别耦接于该电感两端的第一与 第二功率开关、及分别耦接于该电感两端的第一与第二功率元件，该第一功率开关耦接于 电感第一端与一输入电压之间，该第二功率开关耦接于电感第二端与地之间，该第一功率 元件耦接于电感第一端与地之间，该第二功率元件耦接于电感第二端与一输出电压之间， 该控制电路包含一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生 一误差放大讯号；单独一个PWM比较器，将一与电感电流有关的讯号和该误差放大讯号相 比较；一固定时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及一驱动电路，其根据固定时间产生器的输出，产生开关控制讯号控制该第一与第二功率开关，使该第一与第 二功率开关的切换周期及导通时间相同。就另一个观点言，本发明也提供了一种控制电路，用以控制一固定时间的升降压 切换式电源电路，该升降压切换式电源电路包括一电感、分别耦接于该电感两端的第一与 第二功率开关、及分别耦接于该电感两端的第一与第二功率元件，该第一功率开关耦接于 电感第一端与一输入电压之间，该第二功率开关耦接于电感第二端与地之间，该第一功率 元件耦接于电感第一端与地之间，该第二功率元件耦接于电感第二端与一输出电压之间， 该控制电路包含一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生 一误差放大讯号；单独一个PWM比较器，将一锯齿波讯号和该误差放大讯号相比较；一固定 时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及一驱动电路，其根据固定时间 产生器的输出，产生开关控制讯号控制该第一与第二功率开关，使该第一与第二功率开关 的切换周期及导通时间相同。就再另一个观点言，本发明提供了一种控制固定时间升降压切换式电源电路的方 法，该升降压切换式电源电路包括一电感、分别耦接于该电感两端的第一与第二功率开关、 及分别耦接于该电感两端的第一与第二功率元件，该第一功率开关耦接于电感第一端与一 输入电压之间，该第二功率开关耦接于电感第二端与地之间，该第一功率元件耦接于电感 第一端与地之间，该第二功率元件耦接于电感第二端与一输出电压之间，该控制方法包含 产生单一固定时间；及根据该单一固定时间，产生开关控制讯号控制该第一与第二功率开 关，使该第一与第二功率开关的切换周期及导通时间相同。下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其 所达成的功效。
图1标出一种现有技术的升降压切换式电源电路；图2为对应于图1电路的波形；图3标出另一种现有技术的升降压切换式电源电路；图4为对应于图3电路的状态转换表(state machine)；图5显示另一种现有技术中的波形；图6显示又另一种现有技术的升降压切换式电源电路；图7显示本发明的升降压切换式电源电路的第一实施例；图8A-8B显示说明本发明第一实施例的操作情形；图9显示本发明的第二实施例；图10为对应于图9电路的波形；图11与12分别显示电压控制式升降压切换式电源电路的两个实施例；图13-18显示本发明的另外数个实施例。图中符号说明20控制电路22误差放大器24，25PWM 比较器
26固定脉宽产生电路
29逻辑电路
30控制电路
32误差放大器
34PWM比较器
37固定导通时间产生电路
38移相电路
39驱动电路
A, B, C, D功率开关
FB反馈讯号
L电感
OSC震荡波形
Rsense感测电阻
VA, VB, VC, VD开关控制讯号
VX, VY, VYl, VY2电压波形
Vea, Veal, Vea2误差放大讯号
Vin输入电压
Vout输出电压
Vref参考电压
具体实施例方式请参考图7，以电流控制式、固定导通时间的架构为例，说明本发明的第一个实施 例。本实施例的升降压切换式电源电路包含电感L、四个功率开关A，B, C，D，以及控制电路 30。控制电路30控制四个功率开关A，B, C，D的切换，以将输入电压Vin转换为输出电压 Vout。控制电路30中，误差放大器32将反馈讯号FB (表示输出电压Vout的信息)与参考 电压Vref比较，产生误差放大讯号，输入PWM比较器34。此外，电路取得与电感电流有关的 讯号，输入PWM比较器；34中，与误差放大讯号比较。PWM比较器；34的输出传送给导通时间 产生电路37，以产生开关的导通时间。驱动电路39根据所产生的导通时间，产生开关驱动 讯号VA, VB, VC, VD,控制各功率开关A，B，C，D。本发明的特点在于，电路中仅需要一个PWM比较器34，因为仅需要产生一组导通 时间。请参阅图8A-8B，在本实施例中，开关驱动讯号VA与VC的周期及导通时间完全相同， 且开关驱动讯号VB与VD的周期及导通时间完全相同。当开关驱动讯号VA与VC令功率开 关A，C导通时，升降压切换式电源电路对电感L储能(实线)；当开关驱动讯号VB与VD令 功率开关B，D导通时，电感L释能(虚线)。由于开关驱动讯号VA与VC的导通时间完全 相同，且开关驱动讯号VB与VD分别为开关驱动讯号VA与VC的反相，因此电路中仅需要产 生一组导通时间，在电路硬件上或控制机制上均远较各现有技术简单。图9-10标出本发明的另一个实施例。本实施例中开关驱动讯号VA与VC的周期及 导通时间完全相同，但两者间具有相位差；开关驱动讯号VB与VD的周期及导通时间亦完全 相同，但两者间亦具有相位差。此相位差可以是图7电路中因电路元件不完全匹配所致，或如图9电路经由移相(phase shift)电路38所控制产生。虽然开关驱动讯号VA与VC(或 开关驱动讯号VB与VD)间具有相位差，但不影响电路的功能，仍然可以达成升降压的电源 调节作用。图7与图9所显示为电流控制式的切换式电源电路架构，但本发明也同样可应用 于电压控制式(voltage mode)的切换式电源电路架构。图11与图12分别显示开关驱动 讯号VA与VC(或开关驱动讯号VB与VD)间无相位差与有相位差的实施例，其中PWM比较 器34的输入端之一接收误差放大讯号，另一端接收电路内部所产生的锯齿波讯号。锯齿波 讯号的产生方式与波形有各种作法，为本领域技术人员所熟知，因非本发明的重点，故不予 赘述。本发明不限于应用在具有四个功率开关的同步(synchronous)升降压切换式电 源电路中。请参阅图13-18的实施例图13所示实施例为电流控制式，但其中开关B由二 极管取代。图14所示实施例为电压控制式，其中开关B亦由二极管取代。图15所示实施 例为电流控制式，但其中开关D由二极管取代。图16所示实施例为电压控制式，其中开关 D亦由二极管取代。图17所示实施例为电流控制式，但其中开关B，D皆由二极管取代。图 18所示实施例为电压控制式，其中开关B，D亦皆由二极管取代。以上电路均可应用本发明， 仅使用一个PWM比较器；34，产生一组导通时间。以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易 于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技 术人员可以思及各种等效变化。例如，各功率开关A，B，C，D可为PMOS或NMOS，而PWM比较 器34的正负输入端可作相应的变换；又如，虽然本发明各实施例所描述为“固定导通时间” 的架构，但同样概念显然可应用于“固定关闭时间(constant OFF-time) ”的架构。因此，本 发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。
权利要求
1.一种固定时间的升降压切换式电源电路，其特征在于，包含一电感，具有第一端与第二端；第一功率开关，其一端与该电感的第一端耦接，其另一端与一输入电压耦接； 第二功率开关，其一端与该电感的第一端耦接，其另一端接地，该第一与第二功率开关 反相切换；第三功率开关，其一端与该电感的第二端耦接，其另一端接地； 第四功率开关，其一端与该电感的第二端耦接，其另一端与一输出电压耦接，该第三与 第四功率开关反相切换；以及一控制电路，其产生一组固定时间，控制以上四个功率开关的操作，使得该第一功率开 关与该第三功率开关的切换周期及导通时间相同，且该第二与第四功率开关的切换周期及 导通时间相同。
2.如权利要求1所述的固定时间的升降压切换式电源电路，其中，该第一功率开关与 该第三功率开关的切换周期具有相位差，且该第二与第四功率开关的切换周期具有相位差。
3.如权利要求1所述的固定时间的升降压切换式电源电路，其中，该控制电路包括 一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大 讯号；单独一个PWM比较器，将与电感电流有关的讯号和该误差放大讯号相比较； 一固定时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及 一驱动电路，其根据固定时间产生器的输出，产生开关控制讯号，控制该第一、第二、第 三、与第四功率开关。
4.如权利要求1所述的固定时间的升降压切换式电源电路，其中，该控制电路包括 一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大讯号；单独一个PWM比较器，将一锯齿波讯号和该误差放大讯号相比较； 一固定时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及 一驱动电路，其根据固定时间产生器的输出，产生开关控制讯号，控制该第一、第二、第 三、与第四功率开关。
5.一种固定时间的升降压切换式电源电路，其特征在于，包含 一电感，具有第一端与第二端；第一功率开关，其一端与该电感的第一端耦接，其另一端与一输入电压耦接； 第二功率开关，其一端与该电感的第一端耦接，其另一端接地，该第一与第二功率开关 反相切换；第三功率开关，其一端与该电感的第二端耦接，其另一端接地； 二极管，其一端与该电感的第二端耦接，其另一端与一输出电压耦接；以及 一控制电路，其产生一组固定时间控制第一、第二、与第三功率开关的操作，使得该第 一功率开关与该第三功率开关的切换周期及导通时间相同。
6.如权利要求5所述的固定时间的升降压切换式电源电路，其中，该第一功率开关与 该第三功率开关的切换周期具有相位差。
7.一种固定时间的升降压切换式电源电路，其特征在于，包含一电感，具有第一端与第二端；第一功率开关，其一端与该电感的第一端耦接，其另一端与一输入电压耦接； 二极管，其一端与该电感的第一端耦接，其另一端接地； 第二功率开关，其一端与该电感的第二端耦接，其另一端与一输出电压耦接； 第三功率开关，其一端与该电感的第二端耦接，其另一端接地，该第二与第三功率开关 反相切换；以及一控制电路，其产生一组固定时间控制第一、第二、与第三功率开关的操作，使得该第 一功率开关与该第三功率开关的切换周期及导通时间相同。
8.如权利要求7所述的固定时间的升降压切换式电源电路，其中，该第一功率开关与 该第三功率开关的切换周期具有相位差。
9.如权利要求5或7所述的升降压切换式电源电路，其中，该控制电路包括一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大 讯号；单独一个PWM比较器，将与电感电流有关的讯号和该误差放大讯号相比较； 一固定时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及 一驱动电路，其根据固定时间产生器的输出，产生开关控制讯号，控制该第一、第二、与第三功率开关。
10.如权利要求5或7所述的升降压切换式电源电路，其中，该控制电路包括一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大 讯号；单独一个PWM比较器，将一锯齿波讯号和该误差放大讯号相比较；一固定时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及一驱动电路，其根据固定时间产生器的输出，产生开关控制讯号，控制该第一、第二、与第三功率开关。
11.一种固定时间的升降压切换式电源电路，其特征在于，包含一电感，具有第一端与第二端；第一功率开关，其一端与该电感的第一端耦接，其另一端与一输入电压耦接； 第一二极管，其一端与该电感的第一端耦接，其另一端接地； 第二功率开关，其一端与该电感的第二端耦接，其另一端接地； 第二二极管，其一端与该电感的第二端耦接，其另一端与一输出电压耦接；以及 一控制电路，其产生一组固定时间控制第一与第二功率开关的操作，使得该第一功率 开关与该第二功率开关的切换周期及导通时间相同。
12.如权利要求11所述的固定时间的升降压切换式电源电路，其中，该第一功率开关 与该第二功率开关的切换周期具有相位差。
13.如权利要求11所述的固定时间的升降压切换式电源电路，其中，该控制电路包括 一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大讯号；单独一个PWM比较器，将与电感电流有关的讯号和该误差放大讯号相比较；一固定时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及 一驱动电路，其根据固定时间产生器的输出，产生开关控制讯号，控制该第一与第二功 率开关。
14.如权利要求11所述的固定时间的升降压切换式电源电路，其中，该控制电路包括 一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大讯号；单独一个PWM比较器，将一锯齿波讯号和该误差放大讯号相比较； 一固定时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及 一驱动电路，其根据固定时间产生器的输出，产生开关控制讯号，控制该第一与第二功 率开关。
15.一种控制电路，用以控制一固定时间的升降压切换式电源电路，该升降压切换式电 源电路包括一电感、分别耦接于该电感两端的第一与第二功率开关、及分别耦接于该电感 两端的第一与第二功率元件，该第一功率开关耦接于电感第一端与一输入电压之间，该第 二功率开关耦接于电感第二端与地之间，该第一功率元件耦接于电感第一端与地之间，该 第二功率元件耦接于电感第二端与一输出电压之间，其特征在于，该控制电路包含一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大 讯号；单独一个PWM比较器，将一与电感电流有关的讯号和该误差放大讯号相比较； 一固定时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及 一驱动电路，其根据固定时间产生器的输出，产生开关控制讯号控制该第一与第二功 率开关，使该第一与第二功率开关的切换周期及导通时间相同。
16.一种控制电路，用以控制一固定时间的升降压切换式电源电路，该升降压切换式电 源电路包括一电感、分别耦接于该电感两端的第一与第二功率开关、及分别耦接于该电感 两端的第一与第二功率元件，该第一功率开关耦接于电感第一端与一输入电压之间，该第 二功率开关耦接于电感第二端与地之间，该第一功率元件耦接于电感第一端与地之间，该 第二功率元件耦接于电感第二端与一输出电压之间，其特征在于，该控制电路包含一误差放大器，将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大 讯号；单独一个PWM比较器，将一锯齿波讯号和该误差放大讯号相比较； 一固定时间产生器，其根据该PWM比较器的输出，产生固定时间；及 一驱动电路，其根据固定时间产生器的输出，产生开关控制讯号控制该第一与第二功 率开关，使该第一与第二功率开关的切换周期及导通时间相同。
17.如权利要求15或16所述的控制电路，其中，该第一与第二功率开关的切换周期具 有相位差。
18.—种控制固定时间升降压切换式电源电路的方法，该升降压切换式电源电路包括 一电感、分别耦接于该电感两端的第一与第二功率开关、及分别耦接于该电感两端的第一 与第二功率元件，该第一功率开关耦接于电感第一端与一输入电压之间，该第二功率开关 耦接于电感第二端与地之间，该第一功率元件耦接于电感第一端与地之间，该第二功率元 件稱接于电感第二端与一输出电压之间，其特征在于，该控制方法包含产生单一固定时间；及根据该单一固定时间，产生开关控制讯号控制该第一与第二功率开关，使该第一与第 二功率开关的切换周期及导通时间相同。
19.如权利要求18所述的控制固定时间升降压切换式电源电路的方法，其中，该产生 单一固定时间的步骤包含将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大讯号；及 将一与电感电流有关的讯号和该误差放大讯号相比较，并根据比较结果，产生该单一 固定时间。
20.如权利要求18所述的控制固定时间升降压切换式电源电路的方法，其中，该产生 单一固定时间的步骤包含将与输出电压有关的反馈讯号与一参考电压相比较，产生一误差放大讯号；及 将一锯齿波讯号和该误差放大讯号相比较，并根据比较结果，产生单一固定时间。
21.如权利要求18所述的控制电路，其中，该第一与第二功率开关的切换周期具有相 位差。
全文摘要
本发明提出一种固定时间的升降压切换式电源电路、及其控制电路与方法。该固定时间升降压切换式电源电路包括一电感、分别耦接于该电感两端的第一与第二功率开关、及分别耦接于该电感两端的第一与第二功率元件，该第一功率开关耦接于电感第一端与一输入电压之间，该第二功率开关耦接于电感第二端与地之间，该第一功率元件耦接于电感第一端与地之间，该第二功率元件耦接于电感第二端与一输出电压之间。本发明所提出的控制方法包含产生单一固定时间；及根据该单一固定时间，产生开关控制讯号控制该第一与第二功率开关，使该第一与第二功率开关的切换周期及导通时间相同。
文档编号H02M3/158GK102097940SQ20091026046
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者刘国基, 陈文玮 申请人:立锜科技股份有限公司