降压转换器中开关节点处电压尖峰的抑制方法及其电路与流程

1.本发明涉及开关电源领域，具体涉及一种降压转换器中开关节点处电压尖峰的抑制方法及其电路。


背景技术：

2.降压转换器(buck转换器)包括两个串联的开关，两个开关的公共端定义为开关节点sw。一般来说，两个开关分别是作为主开关的第一场效应管和作为辅助开关的第二场效应管。如果考虑到硅电路和pcb走线中存在的寄生电容和电感等，快速的电流变化容易在开关节点sw处引起高频的电压尖峰。例如，主开关由关态进入开态时，主开关导通瞬间，正在导通的辅助开关的体二极管突然被加上反向电压，瞬间会产生大的反向恢复电流，也即从开关节点sw到接地端会产生很大的电流变化，则与辅助开关串联的寄生电感会产生大的电压幅值，也即开关节点sw会产生大的电压幅值。而且，与主开关串联的寄生电感、与辅助开关串联的寄生电感以及辅助开关的体二极管反向恢复时的等效电容之间会产生谐振，进而引起更高的电压尖峰。而且，此电压尖峰会随着负载电流的升高而升高。
3.当主开关和辅助开关的开启关闭频率较高时，会产生较高的电压尖峰。但是如果主开关和辅助开关的开启关闭频率过低时，又会影响降压转换器的效率。我们希望在较高的主开关和辅助开关的开启关闭频率和较低的电压尖峰之间找到合适的平衡点和控制点。
4.在现有技术中，可以根据负载电流的信息调整主开关和辅助开关的开启关闭频率，但是，如何精确检测到负载电流的数值也是一个技术难点，场效应管的温度以及检测电路的组成方法均会影响负载电流的准确度，而且，为了检测负载电流，也会同时增加电路面积，也就是增加了额外的花费。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明公开了一种降压转换器中开关节点处电压尖峰的抑制方法及其电路。
6.本发明所采用的技术方案如下：
7.一种降压转换器中开关节点处电压尖峰的抑制方法，包括以下步骤：
8.当降压转换器稳态运行时，获取降压转换器的稳态占空比；
9.当降压转换器的负载电流发生改变时，获取降压转换器的实际占空比；
10.当降压转换器的实际占空比偏离稳态占空比时，根据实际占空比改变开关的开启关闭转换速度，在不影响降压转换器效率的同时抑制开关节点处电压尖峰。
11.其进一步的技术方案为，所述开关包括主开关；当主开关打开时，电压输入端和电压输出端断开，当主开关闭合时，电压输入端和电压输出端连接；占空比为主开关的关闭时间与主开关的开关周期之比。
12.其进一步的技术方案为，所述开关管包括主开关和辅助开关；根据实际占空比改变主开关和辅助开关的开启关闭转换速度，即开关频率。
13.其进一步的技术方案为，当实际占空比大于稳态占空比，减慢所述开关的开启关闭转换速度；当实际占空比小于稳态占空比，则保持所述开关的开启关闭转换速度，或者，当实际占空比小于稳态占空比，则增加所述开关的开启关闭转换速度。
14.其进一步的技术方案为，设置开启关闭转换速度的改变阈值，在所述改变阈值之内减慢或者增加所述开关的开启关闭转换速度。
15.其进一步的技术方案为，所述开关包括相互串联的主开关和辅助开关；所述开关节点为主开关和辅助开关的公共端。
16.其进一步的技术方案为，占空比与降压转换器的负载电流成正相关的关系，获取降压转换器的占空比即获取负载电流信息；所述尖峰电压与所述负载电流成正相关的关系。
17.其进一步的技术方案为，所述开关包括相互串联的主开关和辅助开关；所述主开关和辅助开关均为场效应管；控制场效应管的门极处电压的电平转换频率即控制所述开关的开启关闭转换速度。
18.用于实施如上任一项所述的降压转换器中开关节点处电压尖峰的抑制方法的降压转换器电路，所述开关包括主开关和辅助开关；所述主开关和辅助开关相串联；主开关的第一端连接电压输入端；主开关和辅助开关的公共端连接电感的第一端；电感的第二端作为电压输出端；电容的两端分别连接于电感的第二端和接地端；负载的两端分别连接于电压输出端和接地端。
19.其进一步的技术方案为，所述主开关和所述辅助开关均为场效应管。
20.本发明的有益效果如下：
21.由于降压转换器的开关节点处的电压尖峰与降压转换器的负载电流是成正相关性的，本发明提供了一种间接获取负载电流的新的方法，进而改变降压转换器中主开关和辅助开关的开启关闭的转换速度，以控制开关节点处的电压尖峰。本发明无需通过复杂的检测电路来检测负载电流的数值，而且本发明的控制方法不受电路中元器件的温度影响，检测和控制结果更加准确。本发明将大大减小芯片尺寸，使得产品的成本更低，提供了稳定的检测负载电流状态的方法。
附图说明
22.图1为本发明的实施例中的电路结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
24.图1为本发明的电路结构示意图。如图1所示，降压转换器包括包括主开关m1和辅助开关m2。主开关m1的第一端连接电压输入端vin，主开关m1的第二端连接辅助开关m2的第一端，辅助开关m2的第二端连接接地端。电感l的第一端连接至主开关m1和辅助开关m2的公共端。电感l的第二端连接电容c的第一端。电容c的第二端连接接地端。电感l的第二端作为电压输出端vout。负载并联于电感l的第二端和接地端之间。负载之上流过负载电流il。
25.在本实施例中，如图1所示，主开关m1和辅助开关m2均为场效应管，也可以选择可实现相同功能的其他电子元件。主开关m1为第一场效应管。辅助开关m2为第二场效应管。第
一场效应管的第一极作为主开关m1的第一端连接于电压输入端vin。第一场效应管的第二极作为主开关m1的第二端连接辅助开关m2的第一端。第二场效应管的第一极作为辅助开关m2的第一端。第二场效应管的第二极作为辅助开关m2的第二端连接于接地端。场效应管的第一极是漏极，第二极是源极，或者，第一极是源极，第二极是漏极。
26.场效应管的门极是开关的控制端。当有高电平输入至场效应管的门极时，场效应管的第一极和第二极导通，也即主开关m1或者辅助开关m2为关闭状态。当有低电平输入至场效应管的门极时，场效应管的第一极和第二极断开，也即主开关m1或者辅助开关m2为打开状态。一般使用具有高电平和低电平的信号来控制主开关m1和辅助开关m2的开启关闭状态。例如可以使用脉宽调制(pwm)信号等方波信号来控制，当脉宽调制信号的占空比改变时，就改变了相对应的开关的开启关闭转换速度，也即开关频率。
27.开关节点sw为主开关m1和辅助开关m2的公共端。
28.基于图1所示的降压转换器的电路结构，抑制降压转换器中开关节点sw处电压尖峰的方法，包括以下步骤：
29.当降压转换器稳态运行时，也即输出电压vout相对恒定时，获取降压转换器的稳态占空比d1；
30.当降压转换器的负载电流il发生改变时，获取降压转换器的实际占空比d2；
31.当降压转换器的实际占空比d2偏离稳态占空比d1时，根据实际占空比d2改变主开关m1和辅助开关m2的开启关闭转换速度，也即开关频率，以抑制开关节点sw处电压尖峰。具体的，当实际占空比d2大于稳态占空比d1，减慢主开关m1和辅助开关m2的开启关闭转换速度；当实际占空比d2小于稳态占空比d1，则保持主开关m1或者辅助开关m2的开启关闭转换速度，或者，当实际占空比d2小于稳态占空比d1，将主开关m1或者辅助开关m2的开启关闭转换速度上升，即从较慢速度恢复为正常速度。
32.对于降压转换器来说，当主开关m1打开时，电压输入端vin和电压输出端vout断开，当主开关m1闭合时，电压输入端vin和电压输出端vout连接；降压转换器的占空比d为主开关m1的关闭时间与主开关m1的整个开关周期之比。
33.在降压转换器稳态运行时，由于其输出电压vout较为稳定，所以影响输出电压vout的关键因素占空比d也是一个相对固定的数值，定义为稳态占空比d1。当降压转换器的负载发生变化时，流过负载的负载电流il会发生变化，为了保持稳定的输出电压vout，降压转换器的占空比d会发生变化，此时占空比d定义为实际占空比d2。
34.通常的，根据降压转换器的一般运行原理，当负载电流il增加，则实际占空比d2需要是一个较高的数值以维持输出电压vout。如果负载电流il减小，则实际占空比d2需要是一个较低的值以避免输出电压vout增加。也即，实际占空比d2与负载电流il是正相关的，实际占空比数值d2可以反应负载电流il的变化。所以，负载电流il的变化，可以通过检测实际占空比d2的值来判断。
35.通过以上的原理可以知道，实际占空比d2的变化可以反应负载电流il的变化。因此有：
36.所检测到的实际占空比d2大于稳态占空比d1时，判断负载电流il增加，则开关节点sw处电压尖峰也在增加，此时控制主开关m1和辅助开关m2的开启关闭转换速度减慢以抑制电压尖峰的增加。优选的，由于负载电流il的增加不会持续很长时间，主开关m1和辅助开
关m2的开启关闭转换速度可以设置一个改变阈值，避免减慢太多会影响降压转换器的工作效率。
37.所检测到的实际占空比d2小于稳态占空比d1时，判断负载电流il减小，则开关节点sw处电压尖峰在减小，此时可以控制主开关m1和辅助开关m2的开启关闭转换速度不变，或者，控制主开关m1和辅助开关m2的开启关闭转换速度增加，即如果主开关m1或者辅助开关m2的开启关闭转换速度转换较慢时，恢复稳态的开启关闭转换速度以保持降压转换器的高效率。
38.以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。