开关电路的控制电路及控制方法、开关电源电路与流程

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种开关电路的控制电路及控制方法、开关电源电路。

背景技术：

现有的开关电路通过控制开关管的导通、关断，来控制输出电压。常用的开关电路包括BUCK(降压)电路(如图1a所示)和BOOST(升压)电路(如图1b所示)。在定频控制模式中，驱动控制电路产生一个定频的时钟信号，在该时钟信号的上升沿，主MOS导通；主MOS导通时间到达一定时间，或者电感电流达到一定值后，主MOS关断。当出现下一个时钟信号的上升沿时，主MOS再次导通，如此循环。时钟信号和主MOS导通信号TON的波形如图2所示。这种控制方式可以实现定频，但是电路的瞬态响应慢，在输出负载发生跳变时，输出电压会出现较长时间的过冲和跌落。

以BUCK电路中负载跳变为例说明如下：如图1a所示的BUCK电路包括主开关管M00、第二开关管D00、电容C00、电容C01、电感L00以及负载。其中，第一开关管M00为MOS管，第二开关管D00为续流二极管，Vin为BUCK电路的输入电压，Vout为BUCK电路的输出电压，通过驱动控制电路对主开关管M00进行控制。在负载电流由小变大跳变时，输出电压Vout降低，FB为输出电压的分压，FB也降低，因此运放的输出VC(补偿电压)的电压升高。VC电压升高后，主开关管M00的导通时间会增加，但是主开关管M00需要等到时钟信号的上升沿才会导通，而此时由于负载电流的增加，输出电压已经掉落到较低的值，并且主开关管M00导通时间也有最大导通时间的限制(因为有时钟信号在，最大导通时间比时钟周期短)，因此不仅电感电流上会出现电流过冲，而且输出电压的掉落较大，并且在电压恢复过程中容易产生过冲，电路瞬态响应较慢。负载电流、时钟信号、主开关管M00导通信号TON、电感电流、反馈电压FB和补偿电压VC的变化关系如图3a所示。相反地，在负载电流由大变小跳变时，输出电压Vout升高，FB为输出电压的分压，FB也升高，因此运放的输出VC的电压降低。VC电压降低后，主开关管M00的导通时间会减少，由于主开关管M00在时钟信号的上升沿导通，并且有最小导通时间，在最小导通时间中，输出电压会升高，因此输出电压的过冲较大，电路瞬态响应较慢。负载电流、时钟信号、主开关管M00导通信号TON、电感电流、反馈电压FB和补偿电压VC的变化关系如图3b所示。

由此可见，现有的开关电路在实现时钟信号的定频控制过程中，电路的瞬态响应速度慢，而且在输出负载发生跳变时，输出电压会出现较长时间的过冲和跌落。

技术实现要素：

为克服传统的开关电路在实现时钟信号的定频控制过程中，电路的瞬态响应速度慢，而且在输出负载发生跳变时，输出电压会出现较长时间的过冲和跌落的技术问题，本发明提供一种开关电路的控制方法及控制电路、开关电源电路。

本发明提供的开关电路的控制方法，包括以下步骤：

检测电路中的输出电压或输出电流，当输出电压低于预设的参考电压时或当输出电流低于预设的参考电流时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电压高于预设的参考电压时或输出电流高于预设的参考电流时，降低电感电流的上限值和下限值；

对电路中的电感电流进行采样，得到采样电流，当所述采样电流上升到电感电流的上限值时，控制电路中的主开关管关断，当所述采样电流到达电感电流的下限值时，控制所述主开关管导通。

作为一种可实施方式，所述检测电路中的输出电压或输出电流，当输出电压低于预设的参考电压时或当输出电流低于预设的参考电流时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电压高于预设的参考电压时或输出电流高于预设的参考电流时，降低电感电流的上限值和下限值，包括以下步骤：

在恒压输出的开关电路中，检测输出电压，当输出电压低于预设的参考电压时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电压高于预设的参考电压时，降低电感电流的上限值和下限值；

在恒流输出的开关电路中，检测输出电流，当输出电流低于预设的参考电流时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电流高于预设的参考电流时，降低电感电流的上限值和下限值。

作为一种可实施方式，所述在恒压输出的开关电路中，检测输出电压，当输出电压低于预设的参考电压时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电压高于预设的参考电压时，降低电感电流的上限值和下限值，包括以下步骤：

实时获取输出电压的采样电压；

将所述采样电压与所述预设的参考电压进行比较，并根据比较结果得到补偿电压；

对所述补偿电压进行转换，得到指令电流；

根据预设的补偿电流值以及所述指令电流，调整电感电流的上限值和下限值。

作为一种可实施方式，本发明的开关电路的控制方法，还包括以下步骤：

在对电路中的电感电流进行采样，得到采样电流后，判断所述采样电流是否小于零，若是，则关断电路中的同步整流管。

基于同一发明构思，本发明还提供一种开关电路的控制电路，该电路包括指令电流获取电路、调整器、电感电流控制电路以及驱动电路；

所述指令电流获取电路检测电路中的输出电压或输出电流，并将所述输出电压或输出电流转换为指令电流输出至所述调整器；

所述调整器根据所述指令电流和预设的补偿电流值，调整电感电流的上限值和下限值；

所述电感电流控制电路连接所述调整器、所述驱动电路以及电路中的电感电流的采样端；所述电感电流控制电路对电路中的电感电流进行采样，得到采样电流，并根据所述采样电流和电感电流的上限值和下限值，生成开关信号，并通过所述驱动电路对电路中的主开关管进行控制，当所述采样电流上升到电感电流的上限值时，控制所述主开关管关断，当所述采样电流到达电感电流的下限值时，控制所述主开关管导通。

作为一种可实施方式，所述指令电流获取电路包括负载电压采样单元、电压比较单元以及电压转电流单元；

所述负载电压采样单元与所述电压比较单元以及电压转电流单元依次连接；

所述负载电压采样单元对电路中的负载两端的电压进行采样，得到采样电压并输出至所述电压比较单元；所述电压比较单元比较所述采样电压与预设的参考电压的大小，并将比较得到的电压信号输出至所述电压转电流单元进行转换，得到指令电流并输出至所述调整器。

作为一种可实施方式，所述负载电压采样单元为电阻分压式采样电路。

作为一种可实施方式，所述电压比较单元为运算放大器；

所述运算放大器的正向输入端连接预设的参考电压，负向输入端连接所述负载电压采样单元的输出端，所述运算放大器的输出端连接所述电压转电流单元的输入端。

作为一种可实施方式，所述调整器为加法器或减法器；

所述加法器或减法器的第一输入端连接所述电压转电流单元的输出端，第二输入端连接预设的补偿电流值，所述加法器或减法器的输出端连接所述电感电流控制电路。

作为一种可实施方式，当所述调整器为加法器时，所述指令电流为电感电流下限值；当所述调整器为减法器时，所述指令电流为电感电流上限值。

作为一种可实施方式，所述电感电流控制电路包括过零比较电路；

所述过零比较电路用于判断所述采样电流是否小于零，并在判断所述采样电流小于零时，输出控制信号以关断电路中的同步整流管。

基于同一发明构思，本发明还提供一种开关电源电路，该开关电源电路包括电感、主开关管，以及上述任一项所述的开关电路的控制电路。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

本发明提供的开关电路的控制方法及控制电路，通过检测电路中的输出电压或输出电流，当输出电压低于预设的参考电压时或当输出电流低于预设的参考电流时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电压高于预设的参考电压时或输出电流高于预设的参考电流时，降低电感电流的上限值和下限值；对电路中的电感电流进行采样，得到采样电流，当所述采样电流上升到电感电流的上限值时，控制电路中的主开关管关断，当所述采样电流到达电感电流的下限值时，控制所述主开关管导通。本发明提供的开关电源电路，包括电感、主开关管以及该开关电路的控制电路。

利用本发明提供的开关电路的控制方法及控制电路，以及包括该控制电路的开关电源电路，在输出电压或输出电流由小变大跳变时，电感电流比稳态时能够提早碰到电感电流的下限值，主开关管的关断时间会变短，导通时间变大，且该控制方法没有最大导通时间的限制，电感电流可以更快速地增大，因此在负载电流增加时，电感电流响应很快且没有过冲，输出电压的掉落非常少，并且在电压恢复过程中没有过冲，电路瞬态响应非常快。相反地，在输出电压或输出电流由大变小跳变时，电感电流碰不到电感电流下限值，主开关管会一直关断，直到碰到电感电流的下限值。该控制方法没有最小导通时间的限制，主开关管的关断时间没有限制，电感电流可以更快速地减小，因此在负载电流减小时，电感电流响应很快且没有过冲，输出电压的过冲非常少，电路瞬态响应非常快。

附图说明

图1a为背景技术中的BUCK(降压)电路结构示意图；

图1b为背景技术中的BOOST(升压)电路结构示意图；

图2为背景技术中现有的开关电路在定频模式下的时钟信号和主开关管的导通信号TON的波形示意图；

图3a为背景技术中现有的开关电路中的负载电流由小到大跳变时，负载电流、时钟信号、主开关管的导通信号TON、电感电流、反馈电压FB和补偿电压VC的变化关系示意图；

图3b为背景技术中现有的开关电路中的负载电流由大到小跳变时，负载电流、时钟信号、主开关管的导通信号TON、电感电流、反馈电压FB和补偿电压VC的变化关系示意图；

图4为本发明一实施例提供的开关电路的控制方法的流程示意图；

图5为图4所示的开关电路的控制方法中的电感电流和主开关管的导通信号TON之间的变化关系示意图；

图6为本发明一实施例提供的开关电路的控制电路的结构示意图；

图7为本发明另一实施例提供的开关电路的控制电路的结构示意图；

图8为图6所示开关电路的控制电路中的负载电流、主MOS导通信号TON、电感电流、反馈电压FB和补偿电压VC之间的波形示意图；

图9为图7所示开关电路的控制电路中的负载电流、主MOS导通信号TON、电感电流、反馈电压FB和补偿电压VC之间的波形示意图；

图10为图6和图7所示的开关电路的控制电路工作在DCM模式时，电路中的电感电流和补偿电压VC之间的变化关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

本发明实施例提供了一种开关电路的控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

S100、检测电路中的输出电压或输出电流，当输出电压低于预设的参考电压时或当输出电流低于预设的参考电流时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电压高于预设的参考电压时或输出电流高于预设的参考电流时，降低电感电流的上限值和下限值；

S200、对电路中的电感电流进行采样，得到采样电流，当采样电流上升到电感电流的上限值时，控制电路中的主开关管关断，当采样电流到达电感电流的下限值时，控制主开关管导通。

如图5所示，在开关电路中，电感电流设有上限和下限，当电感电流上升到电流上限时，则主开关管关断；当电感电流等于(相当于到达)电流下限时，则主开关管导通。本发明基于以上控制原理，通过调节电感电流的上、下限来控制输出电流，从而控制输出电压。该控制方式瞬态响应快，在输出负载发生跳变时，输出电压的过冲和跌落恢复都较快。

具体地，在输出电压或输出电流由小变大跳变时，利用本发明提供的开关电路的控制方法，能够使电感电流比稳态时提早碰到电感电流的下限值，从而使得主开关管的关断时间变短，导通时间变大，且该控制方法没有最大导通时间的限制，电感电流可以更快速地增大，因此在负载电流增加时，电感电流响应很快且没有过冲，输出电压的掉落非常少，并且在电压恢复过程中没有过冲，电路瞬态响应非常快。相反地，在输出电压或输出电流由大变小跳变时，电感电流碰不到电感电流下限值，主开关管会一直关断，直到碰到电感电流的下限值。该控制方法没有最小导通时间的限制，主开关管的关断时间没有限制，电感电流可以更快速地减小，因此在负载电流减小时，电感电流响应很快且没有过冲，输出电压的过冲非常少，电路瞬态响应非常快。

进一步地，在恒压输出的开关电路中，本发明通过检测输出电压，当输出电压低于预设的参考电压时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电压高于预设的参考电压时，降低电感电流的上限值和下限值。

在恒流输出的开关电路中，本发明通过检测输出电流，当输出电流低于预设的参考电流时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电流高于预设的参考电流时，降低电感电流的上限值和下限值。

在恒压输出的开关电路中，步骤S200可以通过以下具体步骤实现：

S210、实时获取输出电压的采样电压；

S220、将采样电压与预设的参考电压进行比较，并根据比较结果得到补偿电压；

S230、对补偿电压进行转换，得到指令电流；

S240、根据预设的补偿电流值以及指令电流，调整电感电流的上限值和下限值。

上述指令电流一般为电压信号，由补偿电压乘以一定的比例，再加上或减去一定值得到，其获取可以通过比例电路连接加法器或减法器等电路实现。

此外，针对开关电路中的辅开关管为同步整流管而非续流二极管的这种情况，本发明提供的开关电路的控制方法，还包括以下步骤：在对电路中的电感电流进行采样，得到采样电流后，判断采样电流是否小于零，若是，则关断电路中的同步整流管。

当开关电路处于DCM(断续导通模式)时，电感电流的下限值小于0时，如果为续流二极管，则电感电流降低到0，不会出现负电流，电感电流一直保持在0，补偿电压上升，电感电流的上、下限都增大，当电感电流的下限增大到大于0的时候，也就是采样电流等于电感电流的下限值，主开关管导通；如果为同步整流管，则电感电流降低到0，将同步整流管关断(如果同步整流管不关断，则会有负电流)，电感电流一直保持在0，补偿电压上升，电感电流的上、下限值都增大，当电感电流的下限增大到大于0的时候，也就是采样电流等于电感电流的下限值，主开关管导通。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种开关电路的控制电路，包括指令电流获取电路、调整器、电感电流控制电路以及驱动电路。

其中，指令电流获取电路检测电路中的输出电压或输出电流，并将输出电压或输出电流转换为指令电流输出至调整器；调整器根据指令电流和预设的补偿电流值，调整电感电流的上限值和下限值；电感电流控制电路连接调整器、驱动电路以及电路中的电感电流的采样端；电感电流控制电路对电路中的电感电流进行采样，得到采样电流，并根据采样电流和电感电流的上限值和下限值，生成开关信号，并通过驱动电路对电路中的主开关管进行控制，当采样电流上升到电感电流的上限值时，控制主开关管关断，当采样电流达到电感电流的下限值时，控制主开关管导通。

上述调整器可以为加法器，也可以为减法器。当调整器为加法器时，指令电流为电感电流下限值；当调整器为减法器时，指令电流为电感电流上限值。具体实现方式如下：

参见图6，本发明一实施例提供的开关电路的控制电路，包括指令电流获取电路、加法器U02、电感电流控制电路U06以及驱动电路U07。

指令电流获取电路检测电路中的输出电压或输出电流，并将输出电压或输出电流转换为指令电流输出至加法器U02。指令电流获取电路包括负载电压采样单元(包括图中所示的电阻R02和R01)、运放(运算放大器)U00以及电压转电流电路U01。

加法器U02用于当输出电流(即负载电流)由小变大跳变时，增大电感电流的上限值和下限值；当输出电流由大变小跳变时，降低电感电流的上限值和下限值。电感电流控制电路U06连接加法器U02、驱动电路U07以及电路中电感电流的采样端。

如图6所示，电感电流控制电路U06对电感L00的电流进行采样，所以电路中电感电流的采样端可以设置在电感L00的输入端，也可以设置在主开关管M00端，或者二极管D00端。

开关电路输出电压Vout经过分压电阻R01、R02分压，得到FB电压输入到运放U00的负输入端，运放U00的正输入端连接一预设的参考电压Vref1。运放U00的输出端VC经过电压转电流电路U01，得到指令电流，该指令电流控制电感电流的下限。一般在驱动控制电路中，采样到的电感电流为电压信号，因此电压转电流电路U01的输出，即指令电流也为电压信号。且该电感电流下限值可以为小于0的值。控制电感电流下限的指令电流输入到加法器U02的一输入端，预设的补偿电流Δi连接到加法器U02的另一输入端。其中，预设的补偿电流Δi可以为一固定值，也可以为一可变值。加法器U02将电感电流下限值和预设的补偿电流Δi相加，得到电感电流上限值。电感电流上限和电感电流下限都连接到电感电流控制电路U06的输入，电感电流控制电路U06输出开关信号，开关信号经过驱动电路U07驱动主开关管M00。

需要补充说明的是，当开关电路中的续流二极管D00为同步整流MOS管时，该同步整流MOS管的控制信号也由驱动电路U07驱动。运放U00通过调节其输出端VC的值，从而调节输出电压，使得FB电压等于预设的参考电压Vref1，从而控制输出电压。

具体而言，当输出电压偏低，则FB电压小于预设的参考电压Vref1，VC变大，电感电流下限变大，电感电流的下限值加上预设的补偿电流Δi得到电感电流的上限值，电感电流控制电路U06根据电感电流上、下限的控制值，得到开关信号，通过驱动电路U07驱动主开关管M00的开关，电感电流增大，输出电压增大。相反，当输出电压偏高，则FB电压大于预设的参考电压Vref1，VC变小，电感电流下限值变小，电感电流的下限值加上预设的补偿电流Δi得到电感电流的上限值，电感电流控制电路U06根据电感电流上、下限的控制值，得到开关信号，通过驱动电路U07驱动主开关管M00的开关，电感电流减小，输出电压减小。

当预设的补偿电流Δi为一固定值时，则开关频率不定频；如果需要定频，则可以通过控制预设的补偿电流Δi来控制开关频率。

另一种通过减法器实现的方式如图7所示，电压转电流电路U01产生电感电流的上限值，并输入到减法器U12的一个输入端，预设的补偿电流Δi也输入到减法器U12的另一个输入端。电感电流的上限值减去预设的补偿电流Δi，得到电感电流的下限值。电感电流得上限值和电感电流的下限值都输入到电感电流控制电路U06。

下面以BUCK电路中，负载跳变为例进行说明。

在负载电流由小变大跳变时，输出电压Vout降低，FB为输出电压的分压，FB也降低，因此运放输出的VC电压升高。VC电压升高后，电感电流的上、下限值同时变大，电感电流比稳态时提早碰到电感电流下限，主开关管M00的关断时间立即变短，导通时间立即变大，且该控制方式没有最大导通时间的限制，电感电流可以更快速地增大，因此在负载电流的增加时，电感电流响应很快且没有过冲，输出电压的掉落非常少，并且在电压恢复过程中没有过冲，电路瞬态响应非常快。负载电流、主开关管导通信号TON、电感电流、反馈电压FB和补偿电压VC如图8所示。

在负载电流由大变小跳变时，输出电压Vout升高，FB为输出电压的分压，FB也升高，因此运放VC的电压降低。VC电压降低后，电感电流的上、下限值同时变小，电感电流碰不到电感电流下限，主开关管M00会一直关断，直到碰到电感电流下限。该控制方式没有最小导通时间的限制，主开关管的关断时间没有限制，电感电流可以更快速地减小，因此在负载电流的减小时，电感电流响应很快且没有过冲，输出电压的过冲非常少，电路瞬态响应非常快。负载电流、主MOS导通信号TON、电感电流、反馈电压FB和补偿电压VC如图9所示。

此外，针对开关电路中的辅开关管(续流二极管D00)为同步整流管的这种情况，本发明提供的开关电路的控制电路，其中电感电流控制电路U06包括过零比较电路，过零比较电路用于判断采样电流是否小于零，并在判断采样电流小于零时，输出控制信号以关断电路中的同步整流管。

参见图10，当开关电路处于DCM(断续导通模式)时，电感电流的下限值小于0时，如果为续流二极管，则电感电流降低到0，不会出现负电流，电感电流一直保持在0，补偿电压VC上升，电感电流的下限值增大，增大到大于0的时候，也就是采样电流等于电感电流的下限值，主开关管M00导通；如果为同步整流管，则电感电流降低到0，将同步整流管关断(如果同步整流管不关断，则会有负电流)，电感电流一直保持在0，补偿电压VC上升，电感电流的下限值增大，增大到大于0的时候，也就是采样电流等于电感电流的下限值，主开关管M00导通。

基于同一发明构思，本发明还提供一种开关电源电路，该开关电源电路包括电感、主开关管，以及上述的开关电路的控制电路。

本发明通过调节电感电流的上、下限来控制输出电流，从而控制输出电压。本发明的开关电源电路瞬态响应快，在输出负载发生跳变时，输出电压的过冲和跌落恢复都较快。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。