专利名称：一种开关转换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种开关转换器及其控制方法。
背景技术：
开关转换器通常用于给电子设备提供电源。一般而言，开关转换器中会有电感或者变压器作为储能元件。例如，降压型开关转换器采用电感为储能元件。所述电感与功率开关耦接。当功率开关导通时，所述电感储存能量；当功率开关关断时，电感中储存的能量转移至负载。峰值电流控制的开关转换器在正常工作时检测流过储能元件的电流，将该检测电流引入到控制环路中，因此具有比较简单的动态环路系统。峰值电流控制的开关转换器的最大缺陷是所述检测电流容易受到干扰。在开关转换器的占空比超过50%的时候，该干扰将使系统产生次谐波振荡，引起系统的不稳定。为解决系统的稳定性问题，峰值电流控制的开关转换器通常在电流控制环路中弓I入斜坡补偿。图1为现有的峰值电流控制的开关转换器中的信号波形示意图。Vs表征了电感电流检测信号，Ipeak表征了峰值电流信号，Vsp表征了经过斜坡补偿后的峰值电流信号。如图1所示，在每一开关周期中，当功率开关导通时，电感电流检测信号Vs上升；当电感电流检测信号Vs上升至经过斜坡补偿后的峰值电流信号Vsp时，功率开关关断，使电感电流检测信号Vs减小。从图1中可看出，电感电流检测信号Vs在上升到经过斜坡补偿后的峰值电流信号Vsp时即开始减小，无法上升至真正的峰值电流信号Ipeak，从而导致误差的存在，影响系统环路控制的精确性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种关断时长控制的开关转换器及其控制方法以实现精确的峰值电流控制。根据本发明的实施例，提出了一种开关转换器，包括:功率级电路，包括功率开关，所述功率级电路将输入电压转换成输出电压；电流检测电路，耦接至功率级电路，所述输出端提供表征流过功率开关的电流的电流检测信号；误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收表征输出电压的反馈信号，所述第二输入端接收第一参考信号，基于所述反馈信号和第一参考信号，所述误差放大器在输出端输出补偿信号；脉冲宽度调制(PWM)比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电路接收电流检测信号，所述第二输入端耦接至误差放大器接收补偿信号，基于所述电流检测信号和补偿信号，所述PWM比较器在输出端输出PWM信号；关断时长控制器，具有第一输入端、第二输入端和输入端，其中所述第一输入端接收输入电压，所述第二输入端接收输出电压，基于输入电压和输出电压，所述关断时长控制器在输出端输出关断时长控制信号；以及逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至PWM控制器的输出端接收PWM信号，所述第二输入端耦接至关断时长控制器的输出端接收关断时长控制信号，基于P丽信号和关断时长控制信号，所述逻辑电路在输出端输出开关控制信号来控制功率开关的通断。根据本发明的实施例，还提供了一种开关转换器的控制方法，包括:基于流过功率开关的电流生成电流检测信号；基于第一参考信号和表征开关转换器的输出电压的反馈信号，生成补偿信号；检测电流检测信号是否上升至补偿信号，如果是，则关断功率开关，如果否，继续检测；基于开关转换器的输入电压和输出电压生成关断时长阈值；检测功率开关的关断时长是否达到关断时长阈值，如果是，导通功率开关，如果否，继续检测。根据本发明各方面的上述开关转换器及其控制方法，提高了系统效率，使电流控制以及过流保护更加精确，同时也使系统更加稳定。
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述:图1为现有的峰值电流控制的开关转换器中的信号波形示意图；图2为根据本发明一实施例的开关转换器200的电路框图；图3为根据本发明一实施例的开关转换器300的电路结构示意图；图4为根据本发明一实施例的开关转换器400的电路结构示意图；图5为根据本发明一实施例的用于产生第一参考信号Vrefl的参考信号发生器的电路结构7]^意图；图6为根据本发明一实施例的第一参考信号Vrefl的波形示意图；图7为根据本发明一实施例的参考信号发生器70的电路结构示意图；图8示出了根据本发明一实施例的开关转换器的控制方法流程图。附图没有对实施例的所有电路或结构进行显示。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。
具体实施例方式下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。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，未具体描述公知的电路、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，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接 到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。图2为根据本发明一实施例的开关转换器200的电路框图。如图2所示，开关转换器200包括:功率级电路201，包括功率开关MO，所述功率级电路201将输入电压VIN转换成输出电压VOUT ;电流检测电路202，耦接至功率级电路201，在输出端提供表征流过功率开关MO的电流的电流检测信号Vs ;PWM(脉冲宽度调节)控制器203，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接收表征输出电压VOUT的反馈信号VFB,所述第二输入端接收电流检测信号Vs，基于反馈信号VFB和电流检测信号Vs，所述PWM控制器203在输出端输出PWM信号Vp ;关断时长控制器204,具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端接收输入电压VIN,所述第二输入端接收输出电压V0UT,基于输入电压VIN和输出电压V0UT，所述关断时长控制器204在输出端输出关断时长控制信号AOFF ;逻辑电路205，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至PWM控制器203的输出端接收PWM信号Vp，所述第二输入端耦接至关断时长控制器204的输出端接收关断时长控制信号A0FF，基于PWM信号和关断时长控制信号A0FF，所述逻辑电路在输出端输出开关控制信号SW来控制功率开关MO的通断。在另一个实施例中，如图2所示所述开关转换器200还可以包括过流保护电路206,具有第一输入端、第二输入端和输出端,其中所述第一输入端接收电流检测信号Vs,所述第二输入端接收峰值电流信号Ipeak,基于电流检测信号Vs和峰值电流信号Ipeak,所述过流保护电路206在输出端输出过流保护信号Vocp。在该实施例中，逻辑电路205还可以具有第三输入端，所述第三输入端耦接至过流保护电路206的输出端接收过流保护信号Vocp,基于PWM信号Vp、关断时长控制信号AOFF和过流保护信号Vocp，所述逻辑电路205在输出端输出开关控制信号SW来控制功率开关MO。本领域普通技术人员应该知道，所述功率级电路201可能具有各种拓扑结构，例如降压型开关拓扑、升压型开关拓扑、反激式开关拓扑等等。功率级电路201中的功率开关可包括任何可控半导体器件，例如金属氧化物半导体场效应管、绝缘栅门极晶体管、三极管
坐坐寸寸ο任何可用于检测流过功率开关MO的电路，例如电流检测电阻，电流镜，电流互感器等等，都可以用作电流检测电路202。在一个实施例中，关断时长控制信号AOFF控制功率开关MO的关断时长，设定了功率开关MO的最小关断时长。在开关转换器中，将开关频率固定具有简化开关转换器的滤波电路设计等诸多优点。为了使开关转换器200的开关频率固定，功率开关的关断时长、输入电压和输出电压之间具有特定的关系。当功率级电路201具有降压型拓扑时，如果要得到固定的开关频率，其输出电压为:
权利要求
1.一种开关转换器，包括: 功率级电路，包括功率开关，所述功率级电路将输入电压转换成输出电压； 电流检测电路，耦接至功率级电路，输出端提供表征流过功率开关的电流的电流检测信号; 误差放大器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端接收表征输出电压的反馈信号，所述第二输入端接收第一参考信号，基于所述反馈信号和第一参考信号，所述误差放大器在输出端输出补偿信号； 脉冲宽度调制(PWM)比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至电流检测电路接收电流检测信号，所述第二输入端耦接至误差放大器接收补偿信号，基于所述电流检测信号和补偿信号，所述PWM比较器在输出端输出PWM信号； 关断时长控制器，具有第一输入端、第二输入端和输入端，其中所述第一输入端接收输入电压，所述第二输入端接收输出电压，基于输入电压和输出电压，所述关断时长控制器在输出端输出关断时长控制信号；以及 逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至PWM控制器的输出端接收PWM信号，所述第二输入端耦接至关断时长控制器的输出端接收关断时长控制信号，基于PWM信号和关断时长控制信号，所述逻辑电路在输出端输出开关控制信号来控制功率开关的通断。
2.如权利要求1所述的开关转换器，其中，所述功率级电路具有降压型拓扑，所述关断时长控制器控制功率开关的关断时长与开关转换器的输入电压成反比，并且与开关转换器的输入电压和输出电压之差成正比。
3.如权利要求2所述的开关转换器，其中，所述关断时长控制器包括: 第一电流源，提供与输入电压成正比的充电电流； 第一电容，具有第一端和第二端，所述第一端耦接至第一电流源接收充电电流，所述第~■端接地； 第一开关，具有第一端、第二端和控制端，所述第一端耦接至第一电流源，所述第二端接地，所述控制端耦接至逻辑电路的输出端接收开关控制信号；以及 关断时长控制比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至第一电容的第一端，所述第二输入端接收第二参考信号，所述第二参考信号与输入电压和输出电压之差成正比，基于第一电容上的电压和第二参考信号，所述关断时长控制比较器在输出端输出关断时长控制信号。
4.如权利要求2所述的开关转换器，其中，所述第一参考信号的值在开关转换器启动阶段逐渐上升，在开关转换器的输出电压上升至输入电压时，第一参考信号的斜率为O。
5.如权利要求1所述的开关转换器，还包括参考信号发生器，所述参考信号发生器产生第一参考信号，包括: 指数信号发生器，具有输出端，所述输出端输出具有指数函数波形的指数信号； 线性信号发生器，具有输出端，所述输出端输出具有线性斜率的线性信号；以及选择电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端耦接至指数信号发生器的输出端接收指数信号，所述第二输入端耦接至线性信号发生器的输出端接收线性信号，所述选择电路在输出端输出指数信号和线性信号的较小值作为第一参考信号。
6.如权利要求1 5任一项所述的开关转换器，还包括: 过流保护电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端耦接至电流检测电路接收电流检测信号，所述第二输入端接收峰值电流信号，基于所述电流检测信号和峰值电流信号，所述过流保护电路在输出端输出过流保护信号； 其中，所述逻辑电路还具有第三输入端，所述第三输入端耦接至过流保护电路的输出端接收过流保护信号，基于所述PWM信号、过流保护信号和关断时长控制信号，所述逻辑电路在输出端输出开关控制信号来控制功率开关的通断。
7.一种开关转换器的控制方法，所述开关转换器包括功率级电路，所述功率级电路包括功率开关，所述控制方法包括: 基于流过功率开关的电流生成电流检测信号； 基于第一参考信号和表征开关转换器的输出电压的反馈信号，生成补偿信号； 检测电流检测信号是否上升至补偿信号，如果是，则关断功率开关，如果否，继续检测； 基于开关转换器的输入电压和输出电压生成关断时长阈值； 检测功率开关的关断时长是否达到关断时长阈值，如果是，导通功率开关，如果否，继续检测。
8.如权利要求7所述的开关转换器的控制方法，其中，所述功率级电路具有降压型拓扑，所述关断时长阈值与开关转换器的输入电压成反比，与输入电压和输出电压之差成正比。
9.如权利要求8所述的开关转换器的控制方法，其中，所述第一参考信号的值在开关转换器启动阶段逐渐上升，在开关转换器的输出电压上升至输入电压时，第一参考信号的斜率为O。
10.如权利要求8所述的开关转换器的控制方法，还包括: 产生具有指数函数波形的指数信号； 产生具有线性斜率的线性信号；以及 选择指数信号和线性信号中的较小值作为第一参考信号； 其中，在开关转换器的启动阶段，在预设时刻前，所述线性信号小于所述指数信号，在预设时刻后，所述线性信号大于所述指数信号。
全文摘要
公开了一种开关转换器及其控制方法。所述开关转换器包括功率级电路，包括功率开关，所述功率级电路将输入电压转换成输出电压；电流检测电路，提供表征流过功率开关的电流的电流检测信号；脉冲宽度调制(PWM)比较器，基于所述电流检测信号和补偿信号，输出PWM信号；关断时长控制器，基于输入电压和输出电压，在输出端输出关断时长控制信号；以及逻辑电路，基于PWM信号和关断时长控制信号，输出开关控制信号来控制功率开关的通断。所述开关转换器及其控制方法提高了系统效率，使电流控制以及过流保护更加精确，同时也使系统更加稳定。
文档编号H02M3/157GK103151925SQ20131007598
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者丁川, 张天柱 申请人:成都芯源系统有限公司