开关变换器及其控制电路的制作方法

本公开涉及电子电路，更具体地，本公开涉及开关变换器及其控制电路。

背景技术：

恒定导通时间控制的开关变换器中包括输出电容器，该输出电容器可等效为等效电阻与理想电容的串联结构。当输出电容器的等效串联电阻阻抗值较小时，恒定导通时间控制开关变换器极易产生振荡，需要斜坡补偿电路来稳定系统。然而，斜坡补偿将引入直流误差，使得开关变换器的输出电压不能达到预设值，需要引入误差放大器来消除该直流误差。然而，误差放大器的直流工作范围通常很宽，使得电路功耗较大。需要提出一种电路以降低误差放大器的直流工作范围。

技术实现要素：

依据本发明实施例的一个方面，提出了一种用于开关变换器的控制电路。开关变换器包括降压变换器或升压变换器。开关变换器包括开关。开关变换器具有开关节点和输出节点。开关变换器接收输入电压并通过开关的导通与关断将输入电压转换为开关节点处的方波电压以及输出节点处的输出电压。控制电路包括斜坡产生电路、校准电路、比较电路、导通时间产生电路和逻辑电路。斜坡产生电路具有输入端和输出端。斜坡产生电路的输入端耦接至开关节点。斜坡产生电路对方波电压进行滤波以在斜坡产生电路的输出端产生斜坡信号。校准电路耦接至斜坡产生电路以接收斜坡信号，并将斜坡信号进行滤波以产生校准信号。比较电路耦接至斜坡产生电路和校准电路以分别接收斜坡信号和校准信号。比较电路还接收参考信号和表征输出电压的反馈信号。比较电路根据斜坡信号、校准信号、参考信号和反馈信号生成比较信号以控制开关的导通时刻。导通时间产生电路产生导通时间信号以控制开关的导通时长。逻辑电路耦接至比较电路和导通时间产生电路以分别接收比较信号和导通时间信号。逻辑电路根据比较信号和导通时间信号产生控制信号以控制开关的导通与关断。

依据本发明实施例的又一个方面，提出了一种开关变换器。开关变换器包括升压变换器或降压变换器。开关变换器具有开关节点和输出节点。开关变换器包括开关他控制电路。通过开关的导通与关断，开关变换器将输入电压转换为开关节点处的方波电压以及输出节点处的输出电压。控制电路包括斜坡产生电路、校准电路、比较电路、导通时间产生电路和逻辑电路。斜坡产生电路具有输入端和输出端。斜坡产生电路的输入端耦接至开关节点。斜坡产生电路对方波电压进行滤波以在斜坡产生电路的输出端产生斜坡信号。校准电路耦接至斜坡产生电路以接收斜坡信号，并将斜坡信号进行滤波以产生校准信号。比较电路耦接至斜坡产生电路和校准电路以分别接收斜坡信号和校准信号。比较电路还接收参考信号和表征输出电压的反馈信号。比较电路根据斜坡信号、校准信号、参考信号和反馈信号生成比较信号以控制开关的导通时刻。导通时间产生电路产生导通时间信号以控制开关的导通时长。逻辑电路耦接至比较电路和导通时间产生电路以分别接收比较信号和导通时间信号。逻辑电路根据比较信号和导通时间信号产生控制信号以控制开关的导通与关断。

利用本发明实施例提出的开关变换器能够利用校准信号消除斜坡信号引入的直流误差。而且，由于校准信号是根据斜坡信号滤波得到的，使得电路形式简单。

附图说明

图1示出依据本公开一实施例的开关变换器100。

图2示出依据本公开一实施例的用于图1中开关变换器100的比较电路200。

图3示例性地示出依据本公开一实施例的导通时间产生电路300。

图4示出采用图2所示比较电路200的开关变换器100的部分工作波形图。

图5示出依据本发明另一实施例的开关变换器500。

具体实施方式

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。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连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“直接连接到”或“直接耦接到”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。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

图1示出依据本公开一实施例的开关变换器100。如图1所示，开关变换器采用降压变换器结构，其包括开关电路101和控制电路102。

开关电路包括开关，开关电路具有开关节点和输出节点，开关电路将接收的输入电压转换为开关节点处的方波电压以及输出节点处的输出电压。更加具体地，在图1中，开关电路101示例性地包括上开关管M1、下开关管M2、输出电感器L和输出电容器C。上开关管M1的一端接收输入电压VIN，另一端电耦接至下开关管M2的一端，下开关管M2的另一端接地。上开关管M1和下开关管M2的公共端形成开关电路101亦即开关变换器100的开关节点SW。开关变换器通过上开关管M1和下开关管M2的导通与关断将输入电压VIN转换为开关节点SW处的方波电压VSW。输出电感器L的一端电耦接至开关节点SW，输出电容器COUT电耦接在输出电感器L的另一端和参考地之间。输出电感器L和输出电容器COUT的公共端形成开关电路101亦即开关变换器100的输出节点。开关变换器通过上开关管M1和下开关管M2的导通与关断将输入电压VIN转换为输出节点处的输出电压VOUT。

本领域技术人员应当理解，在图1所示实施例中，开关电路101采用同步变换拓扑结构。然而，在另一实施例中，开关电路101可以采用非同步变换拓扑结构，其中，非同步变换拓扑结构中的下开关管可以是二极管等。另外，开关电路101中的开关管可以为任何半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。

控制电路102示例性地包括斜坡产生电路121、校准电路122、比较电路123、导通时间产生电路124以及逻辑电路125。斜坡产生电路121具有输入端121A和输出端121B，其中，输入端121A耦接至开关节点SW以接收方波电压VSW。斜坡产生电路121将方波电压VSW进行滤波以在输出端121B产生斜坡信号VRAMP。斜坡信号VRAMP可使开关变换器100稳定，防止产生振荡。在图1所示实施例中，斜坡产生电路121示例性地包括斜坡电阻RRAMP和斜坡电容CRAMP。斜坡电阻RRAMP具有第一端和第二端，其中，斜坡电阻RRAMP的第一端耦接至开关节点SW以接收方波电压。斜坡电容CRAMP具有第一端和第二端，其中，斜坡电容CRAMP的第一端耦接至斜坡电阻RRAMP的第二端且提供斜坡信号VRAMP，斜坡电容CRAMP的第二端耦接至参考地。

校准电路122耦接至斜坡产生电路121以接收斜坡信号VRAMP，并对斜坡信号VRAMP进行滤波以产生校准信号VRR。校准信号VRR可用于消除斜坡信号VRAMP在开关变换器100中引入的直流误差，从而使输出电压VOUT调节到期望值。在图1所示实施例中，校准电路122示例性地包括校准电阻RCAL和校准电容CRAL。校准电阻RCAL具有第一端和第二端，其中，校准电阻RCAL的第一端耦接至斜坡产生电路121的输出端121B以接收斜坡信号VRAMP。校准电容CRAL具有第一端和第二端，其中，校准电容CRAL的第一端耦接至校准电阻RCAL的第二端且提供校准信号VRR，校准电容CRAL的第二端耦接至参考地。

比较电路123耦接至斜坡产生电路121和校准电路122以分别接收斜坡信号VRAMP和校准信号VRR，比较电路123还接收参考信号VREF和代表输出电压VOUT的反馈信号VFB，并根据斜坡信号VRAMP、校准信号VRR、反馈信号VFB和参考信号VREF产生比较信号CMP。比较信号CMP可用于控制开关电路101中开关管的导通时刻，例如，上开关管M1的导通时刻。

在一个实施例中，控制电路102还包括误差放大器EA。误差放大器EA具有第一输入端、第二输入端和输出端。误差放大器EA的第一输入端接收反馈信号，误差放大器EA的第二输入端接收参考信号VREF，误差放大器EA放大参考信号VREF与反馈信号VFB之间的差值以在输出端得到误差放大信号VEAO。比较电路123进一步耦接至误差放大器EA以接收误差放大信号VEAO，并根据斜坡信号VRAMP、校准信号VRR、反馈信号VFB、误差放大信号VEAO和参考信号VREF产生比较信号CMP。

在又一实施例中，比较电路123还接收一直流误差信号VOFFSET以消除补偿信号VRAMP引入的直流误差。比较电路123进一步接收直流误差信号VOFFSET，并根据斜坡信号VRAMP、校准信号VRR、反馈信号VFB、误差放大信号VEAO、直流误差信号VOFFSET和参考信号VREF产生比较信号CMP。

在一个实施例中，反馈信号VFB可通过对输出电压VOUT进行分压的分压电路产生。例如，分压电路包括第一反馈电阻和第二反馈电阻。第一反馈电阻和第二反馈电阻均具有第一端和第二端，第一反馈电阻的第一端耦接至开关电路101以接收输出电压VOUT，第二反馈电阻的第一端耦接至第一反馈电阻的第二端且提供反馈信号VFB，第二反馈电阻的第二端耦接至参考地。

图2示出依据本公开一实施例的用于图1中开关变换器100的比较电路200。如图2所示，比较电路200示例性地具有第一输入端P1(例如，反相输入端)、第二输入端P2(例如，同相输入端)和输出端P3。其中，第一输入端P1接收反馈信号VFB和斜坡信号VRAMP的和值，第二输入端P2接收参考信号VREF和校准信号VRR的和值，比较电路200将第一输入端P1处的信号与第二输入端P2处的信号进行比较，即将反馈信号VFB和斜坡信号VRAMP的和值与参考信号VREF和校准信号VRR的和值进行比较以产生比较信号CMP。在图2所示实施例中，比较电路200的第二输入端P2还可以进一步接收误差放大信号VEAO，而相应地，其第一输入端P1可以进一步接收直流误差信号VOFFSET，比较电路200将反馈信号VFB、直流误差信号VOFFSET和斜坡信号VRAMP的和值与参考信号VREF、误差放大信号VEAO和校准信号VRR的和值进行比较以产生比较信号CMP。

继续参照图1，在图1所示的实施例中，控制电路102还可以进一步包括分压电路126。分压电路126具有输入端126A和输出端126B。分压电路126的输入端126A耦接至开关节点SW以接收方波电压VSW，分压电路126的输出端126B耦接至斜坡产生电路121的输入端121A。分压电路126对方波电压VSW进行分压以在分压电路126的输出端126B产生分压信号VDIV。分压信号VDIV被提供至斜坡产生电路121的输入端121A以便斜坡产生电路121根据分压信号VDIV产生斜坡信号VRAMP。更加具体地，如图1所示，分压电压126包括第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2均具有第一端和第二端。第一分压电阻R1的第一端耦接至开关节点SW以接收方波电压VSW，第二分压电阻R2的第一端耦接至第一分压电阻R1的第二端且提供分压信号VDIV，第二分压电阻R2的第二端耦接至参考地。

导通时间产生电路124产生导通时间信号COT以控制开关电路101中开关管，例如，上开关管M1的导通时长。在一个实施例中，导通时间产生电路124接收校准电压VRR，并根据校准电压VRR以产生导通时间信号COT。

图3示例性地示出依据本公开一实施例的导通时间产生电路300。导通时间产生电路300包括电流源CS、导通时间电容C_TON、导通时间开关S_TON以及导通时间比较器CMP。电流源CS具有第一端和第二端，其第一端接收电源电压VSS。导通时间电容C_TON具有第一端和第二端，其第一端耦接至电流源CS的第二端，其第二端连接至参考地。导通时间开关S_TON具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至电流源CS的第二端，其第二端连接至参考地，且其控制端接收控制信号，例如，接下来将进行描述的上侧控制信号HS。导通时间比较器CMP具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至导通时间电容器C_TON的第一端以接收导通时间电容器C_TON上的电压，其第二端接收校准信号VRR。导通时间比较器CMP1将导通时间电容器C_TON上的电压与校准信号VRR进行比较，并在其输出端产生导通时间控制信号COT。由于导通时间产生电路300将校准信号VRR利用作参考信号，因而使得整个电路得到简化，节约了成本。

继续参考图1，如图1所示，逻辑电路125耦接至比较电路123和导通时间产生电路124以分别接收比较信号CMP和导通时间信号COT，并根据比较信号CMP和导通时间信号COT产生控制信号以控制开关电路101中开关管，例如，上开关管M1和下开关管M2的导通与关断。更加具体地，在图1所示实施例中，逻辑电路125包括RS触发器，其包括置位端S、复位端R、第一输出端Q和第二输出端Q’，其中，置位端S耦接至比较电路123以接收比较信号CMP，复位端R耦接至导通时间产生电路124以接收导通时间信号COT。当比较信号CMP将RS触发器置位时，RS触发器在第一输出端Q输出上侧控制信号HS以导通上开关管M1且在第二输出端Q’输出下侧控制信号LS以关断下开关管M2。当导通时间信号COT将RS触发器复位时，RS触发器在第一输出端Q输出上侧控制信号HS以关断上开关管M1且在第二输出端Q’输出下侧控制信号LS以导通下开关管M2。

图4示出采用图2所示比较电路200的开关变换器100的部分工作波形图和采用现有技术的波形图。如图4所示，从上至下地，图4依次示出斜坡补偿信号VRAMP与反馈信号VFB之和(VRAMP+VFB)、参考信号VREF与校准信号VRR之和(VREF+VRR)、斜坡补偿信号VRAMP与反馈信号VFB和校准信号VRR之和(VRAMP+VFB+VRR)、斜坡信号VRAMP和校准信号VRR。由图4可见，校准信号VRR为斜坡信号VRAMP的平均值。在未加上校准信号VRR时，误差放大器EA需要工作在较大的直流范围内以适应轻载工作模式，这会使得电路功耗较大。当加入校准信号VRR时，误差放大器EA工作的直流范围被显著减小，功耗相应变小。而且，在本发明中，由于校准信号VRR是直接将斜坡信号VRAMP进行滤波形成的，电路简单。

图5示出依据本发明另一实施例的开关变换器500。开关变换器500和图1所示的开关变换器100具有类似结构，此处，为清楚简便之目的，只对开关变换器500中与开关变换器100所不同的结构进行描述，而省略相同结构的描述。和开关变换器100相比，开关变换器500采用升压拓扑结构的开关电路501。具体地，开关电路501包括上开关管M1、下开关管M2、输出电感器L和输出电容器COUT。输出电感器L具有第一端和第二端，其中，输出电感器L的第一端接收输入电压VIN。下开关管M2具有第一端、第二端和控制端，其中，下开关管M2的第一端耦接至输出电感器L的第二端，下开关管M2的第二端耦接至参考地，下开关管M2的控制端耦接至控制电路以接收下侧控制信号LS。上开关管M1具有第一端、第二端和控制端，其中，上开关管M1的第一端耦接至输出电感器L的第二端，上开关管M1的控制端耦接至控制电路以接收和侧控制信号HS。输出电容器COUT具有第一端和第二端，其中，输出电容器COUT的第一端耦接至上开关管M1的第二端且提供输出电压VOUT，输出电容器COUT的第二端耦接至参考地。

开关变换器500通过上开关管M1和下开关管M2的导通与关断将输入电压VIN转换为开关节点SW处的方波电压VSW。开关变换器500通过上开关管M1和下开关管M2的导通与关断将输入电压VIN转换为输出节点处的输出电压VOUT。

本领域技术人员应当理解，在图5所示实施例中，开关电路501采用同步变换拓扑结构。然而，在另一实施例中，开关电路501可以采用非同步变换拓扑结构，其中，非同步变换拓扑结构中的下开关管可以是二极管等。另外，开关电路501中的开关管可以为任何半导体开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。