升压降压开关功率变换器、控制电路及模式切换控制单元的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开的实施例涉及功率变换器，尤其涉及升压降压型开关功率变换器及其模式 切换控制电路。
【背景技术】
[0002] 升压降压型开关功率变换器可以将输入电压转换为高于、等于或低于该输入电压 的输出电压，可以工作在较宽的输入电压变化范围内。因此在电源领域得到了广泛应用。
[0003] 图1示出了一种常见的升压降压型开关功率变换器中的功率开关的拓扑结构10。 该功率开关的拓扑结构10包括四个功率开关SWA、SWB、SWC和SWD。第一功率开关SWA和第 二功率开关SWB串联耦接于输入端IN和参考地GND之间，第一功率开关SWA和第二功率开 关SWB的公共耦接端形成第一开关节点SWl。第三功率开关SWC和第四功率开关SWD串联 耦接于输出端OUT和参考地GND之间，第三功率开关SWC和第四功率开关SWD的公共耦接 端形成第二开关节点SW2。第一开关节点SWl和第二开关节点SW2之间耦接电感L。升压 降压型开关功率变换器通常还包括控制电路，用于为拓扑结构10中的功率开关SWA、SWB、 SWC和SWD的控制端GA、GB、GC和GD提供控制信号，以控制每个开关各自的导通和关断切 换，从而将输入电压Vin转换为合适的输出电压Vo。
[0004] 对于采用图1所示拓扑结构10的升压降压型开关功率变换器，若输入电压Vin高 于输出电压Vo,则该升压降压型开关功率变换器工作于降压模式，若输入电压Vin接近或 等于输出电压Vo,则该升压降压型开关功率变换器工作于升压-降压模式，若输入电压Vin 低于输出电压Vo,则该升压降压型开关功率变换器工作于升压模式。在降压模式，第四功 率开关SWD持续保持导通、第三功率开关SWC持续保持关断，第一功率开关SWA和第二功率 开关SWB进行互补地导通和关断切换，S卩：第一功率开关SWA导通时，第二功率开关SWB关 断，反之亦然。在升压模式，第一功率开关SWA持续保持导通、第二功率开关SWB持续保持 关断，第三功率开关SWC和第四功率开关SWD进行互补地导通和关断切换，S卩：第三功率开 关SWC导通时，第四功率开关SWD关断，反之亦然。在升压-降压模式，第一功率开关SWA 和第二功率开关SWB构成第一组开关对，第三功率开关SWC和第四功率开关SWD构成第二 组开关对，该第一组开关对和第二组开关对相互独立地进行导通和关断切换。
[0005] 理论上，基于输入电压Vin和输出电压Vo的相对大小，可以调节升压降压型开关 功率变换器选择性地工作于降压模式、升压模式或升压-降压模式，从而达到将输入电压 Vin转换为任何合适的输出电压Vo的目的。然而，事实上现有的降压型开关功率变换器并 不能实现以上三种工作模式间的平稳切换，并且在从一种工作模式（例如降压模式）切换 至另一种工作模式（例如升压-降压模式）时会导致输出电压Vo出现较大的波动尖峰。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中的一个或多个问题，本公开的实施例提供一种升压降压型开关功 率变换器、用于升压降压型开关功率变换器的模式切换控制单元及控制电路。
[0007] 在本公开的一个方面，提出了一种模式切换控制单元，用于控制升压降压型开关 功率变换器自动在降压模式与升压-降压模式之间、以及升压-降压模式与升压模式之间 平稳切换。该升压降压型开关功率变换器可以包括第一功率开关对和第二功率开关对，并 且第一功率开关对中的第一功率开关和第二功率开关串联耦接于该升压降压型开关功率 变换器的输入端和参考地之间，第一功率开关的导通时间占整个第一功率开关和第二功率 开关导通和关断切换周期的比例为降压占空比；第二功率开关对中的第三功率开关和第四 功率开关串联耦接于该升压降压型开关功率变换器的输出端和参考地之间，第三功率开关 的导通时间占整个第三功率开关和第四功率开关的导通和关断切换周期的比例为升压占 空比。
[0008] 该模式切换控制单元可以包括：降压占空比检测与比较电路和升压占空比检测与 比较电路。根据本公开的各实施例，该降压占空比检测与比较电路具有第一检测输入端和 第一比较输出端，该第一检测输入端用于接收表征降压占空比的信号，该降压占空比检测 与比较电路用于产生表征降压占空比阈值的信号，并将表征该降压占空比的信号与表征降 压占空比阈值的信号相比较以在所述第一比较输出端提供第一模式切换控制信号，其中所 述降压占空比阈值具有第一迟滞；若降压占空比大于降压占空比阈值，则第一模式切换控 制信号控制所述升压降压型开关功率变换器从降压模式切换至升压-降压模式，同时使所 述降压占空比阈值降低至第二降压占空比阈值，降低的量等于所述第一迟滞；若降压占空 比小于所述第二降压占空比阈值，则第一模式切换控制信号控制所述升压降压型开关功率 变换器从升压-降压模式切换至降压模式，同时使降压占空比阈值恢复原值。
[0009] 根据本公开的各实施例，该升压占空比检测与比较电路具有第二检测输入端和第 二比较输出端，该第二检测输入端用于接收表征升压占空比的信号，该升压占空比检测与 比较电路用于产生表征升压占空比阈值的信号，并将表征该升压占空比的信号与表征升压 占空比阈值的信号相比较以在所述第二比较输出端提供第二模式切换控制信号，其中所述 升压占空比阈值具有第二迟滞；若升压占空比大于升压占空比阈值，则第二模式切换控制 信号控制所述升压降压型开关功率变换器从升压-降压模式切换至升压模式，同时使所述 升压占空比阈值降低至第二升压占空比阈值，并且降低的量等于所述第二迟滞；若升压占 空比小于所述第二升压占空比阈值，则第二模式切换控制信号控制所述升压降压型开关功 率变换器从升压模式切换回升压-降压模式，同时使升压占空比阈值恢复原值。
[0010] 在本公开的另一方面，提出了一种控制电路，用于为上述升压降压型开关型功率 变换器提供控制信号。该控制电路包括根据本公开各实施例的模式切换控制单元。该控制 电路还可以接收系统时钟信号、表征所述升压降压型开关功率变换器的输出电压的第一反 馈信号、表征流经所述开关单元的开关电流的第二反馈信号以及表征所述输出电压的期望 值的参考信号。该控制电路被构建以基于所述第一反馈信号、第二反馈信号、参考信号和系 统时钟信号提供第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号分别至所述 第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关和第四功率开关，其中所述第一控制信号和所 述第二控制信号逻辑状态互补，分别用于控制所述第一功率开关和第二功率开关的导通和 关断切换，所述第三控制信号和所述第四控制信号逻辑状态互补，分别用于控制所述第三 功率开关和所述第四功率开关的导通和关断切换。
[0011] 在本公开的又一方面，提出了一种升压降压型开关功率变换器，包括根据本公开 各实施例的模式切换控制单元。
[0012] 在本公开的再一方面，提出了一种升压降压型开关功率变换器，包括根据本公开 各实施例的控制电路。
[0013] 根据本公开实施例的升压降压型开关功率变换器可以自动在降压模式与升 压-降压模式之间、以及升压-降压模式与升压模式之间平稳切换。在降压模式，该控制电 路使该升压降压型开关型功率变换器连续稳定地进行降压周期的工作，降压周期指第一组 开关对中的第一功率开关和第二功率开关进行互补地导通和关断切换，第二组开关对中的 第三功率开关持续保持关断，第四功率开关持续保持导通。在升压模式，该控制电路使该升 压降压型开关型功率变换器连续稳定地进行升压周期的工作，升压周期指第二组开关中的 第三功率开关和第四功率开关进行互补地导通和关断切换，第一组开关对中的第一功率开 关持续保持导通、第二功率开关持续保持关断。在升压-降压模式，该控制电路使该升压降 压型开关型功率变换器连续稳定地进行一个降压周期和一个升压周期交替的工作。
[0014] 利用上述方案，根据本公开实施例的模式切换控制单元为升压降压型开关功率变 换器提供模式切换控制信号，以控制该升压降压型开关功率变换器自动在降压模式与升 压-降压模式之间、以及升压-降压模式与升压模式之间平稳切换，避免在模式切换的临界 区域，降压模式与升压-降压模式之间以及升压-降压模式和升压模式之间不必要的来回 切换，降低模式切换时输出电压的波动尖峰，增强升压降压型开关功率变换器的稳定性
【附图说明】
[0015] 下面的附图有助于更好地理解接下来对本公开不同实施例的描述。这些附图并非 按照实际的特征、尺寸及比例绘制，而是示意性地示出了本公开一些实施方式的主要特征。 这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本公开的一些实施例。为简明起 见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。
[0016] 图1示出了一种常见的升压降压型开关功率变换器中的功率开关的拓扑结构10;
[0017] 图2示出了根据本公开一个实施例的升压降压型开关功率变换器100及其控制电 路108的电路架构不意图；
[0018] 图3示意出了图2实施例中升压降压型开关功率变换器100在降压模式与升 压-降压模式之间转换时流过感性储能元件Lo的电感电流IL的波形示意图；
[0019] 图4示意出了图2实施例中升压降压型开关功率变换器100在升压-降压模式与 升压模式之间转换时流过感性储能元件Lo的电感电流IL的波形示意图；
[0020] 图5示出了根据本公开一个示例性实施例的模式切换控制单元105的电路示意 图；
[0021] 图6示出了根据本公开一个实施例的降压占空比检测与比较电路1051的工作波 形示意图；
[0022] 图7示出了根据本公开一个实施例的升压占空比检测与比较电路1052的工作波 形示意图；
[0023] 图8示意出了根据本公开一个实施例的电流检测与斜坡补偿单元106的电路示意 图；
[0024]图9示出了图8中电流检测与斜坡补偿单元106接收的第一斜坡补偿信号和第二 斜坡补偿信号，以及输出的第一电流检测信号和第二电流检测信号的波形示意图；
[0025] 图10示出了根据本公开一个变型实施例的模式切换控制单元105的电路架构示 意图；
[0026] 图11示出了根据本公开又一个变型实施例的模式切换控制单元105的电路架构 示意图；
[0027] 图12示出了根据图11示意实施例的降压占空比检测与比较电路1051的工作波 形示意图；
[0028] 图13示出了根据图11示意实施例的升压占空比检测与比较电路1052的工作波 形示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面将详细说明本公开的一些实施例。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如 实施例中的具体电路结构和这些电路元件的具体参数，都用于对本公开的实施例提供更好 的理解。本技术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或者其他方法、元件、材料 等结合的情况下，本公开的实施例也可以被实现。
[0030] 在本公开的说明书中，提及"一个实施例"时均意指在该实施例中描述的具体特 征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本公开的一个实施例中。因而，在本公开的说明 书中，若采用了诸如"根据本公开的一个实施例"、"在一个实施例中"等用语并不用于特指 在同一个实施例中，若采用了诸如"在另外的实施例中"、"根据本公开的不同实施例"、"根 据本公开另外的实施例"等用语，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的实 施例中。本领域的技术人员应该理解，在本公开说明书的一个或者多个实施例中公开的 各具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。另外，在本公开的说明 书及权利要求中，"耦接"一词意指通过电气或者非电气的方式实现直接或者间接的连接。 "一个"并不用于特指单个，而是可以包括复数形式。"在……中"可以包括"在……中"和 "在……上"的含义。除非特别明确指出，"或"可以包括"或"、"和"及"或/和"的含义，并 不用于特指只能选择几个并列特征中的一个，而是意指可以选择其中的一个或几个或其中 某几个特征的组合。除非特别明确指出，"基于"一词不具有排它性，而是意指除了基于明确 描述的特征之外，还可以基于其它未明确描述的特征。"电路"意指至少将一个或者多个有 源或无源的元件耦接在一起以提供特定功能的结构。"信号"至少可以指包括电流、电压、电 荷、温度、数据、压力或者其它类型的信号。若"晶体管"的实施例可以包括"场效应晶体管" 或者"双极结型晶体管"，则"栅极/栅区"、"源极/源区"、"漏极/漏区"分别可以包括"基 极/基区"、"发射极/发射区"、"集电极/集电区"，反之亦然。本领域的技术人员应该理解， 以上罗列的对本公开中描述用语的解释仅仅是示例性的，并不用于对各用语进行绝对的限 定。
[0031] 图2示出了根据本公开一个实施例的升压降压型开关功率变换器100的电路架构 示意图。该升压降压型开关功率变换器100可以包括：输入端IN，用于接收输入电压Vin; 输出端OUT，用于提供合适的输出电压Vo,以为负载供电并提供输出电流Io;开关单元，例 如包括第一功率开关SWA、第二功率开关SWB、第三功率开关SWC和第四功率开关SWD，具有 用于耦接所述输入端IN的第一端、用于耦接所述输出端OUT的第二端，以及用于接收控制 信号（例如图2中的第一控制信号DR1、第二控制信号DR2、第三控制信号DR3和第四控制 信号DR4)的控制端（例如图2中的第一控制端GA、第二控制端GB、第三控制端GC和第四 控制端GD)，该开关单元被配置为基于控制信号（例如图2中的第一控制信号DR1、第二控 制信号DR2、第三控制信号DR3和第四控制信号DR4)进行导通和关断切换，以将输入电压 Vin转换为所述输出电压Vo;以及控制电路108,用于检测/接收表征输出电压Vo的第一 反馈信号Vfb、反映输出电流Io的第二反馈信号Vcs和表征输出电压Vo的期望值的参考信 号Vref。该控制电路108被构建用于至少基于所述第一反馈信号Vfb、第二反馈信号Vcs 和参考信号Vref提供前述控制信号（例如图2中的第一控制信号DR1、第二控制信号DR2、 第三控制信号DR3和第四控制信号DR4)至开关单元。
[0032] 根据本公开的一个示例性实施例，升压降压型开关功率变换器100的开关单元可 以具有如下拓扑结构：第一功率开关SWA和第二功率开关SWB串联耦接于输入端IN和参考 地GND之间，第一功率开关SWA和第二功率开关SWB的公共耦接端形成第一开关节点SWl; 第三功率开关SWC和第四功率开关SWD串联耦接于输出端OUT和参考地GND之间，第三功 率开关SWC和第四功率开关SWD的公共耦接端形成第二开关节点SW2。在一个示例性实施 例中，第一开关节点SWl和第二开关节点SW2之间耦接感性储能元件Lo。在图2的示例性 实施例中，第一至第四功率开关S