恒定导通时长控制的开关变换器及其控制电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电子电路，尤其设及恒定导通时长控制的开关变换器及其控制电路。
【背景技术】
[0002] 恒定导通时长控制由于其优越的负载瞬态响应、简单的内部结构和平滑的工作模 式切换，在电源领域得到了很好的应用。然而，对于采用恒定导通时长控制的开关变换器而 言，即使采用瓷片电容作为输出电容器，其输出电压仍可能因为输出电容器的等效串联电 阻不足而产生次谐波振荡。
[0003] 为了防止次谐波振荡的发生，常用的做法是引入一与电感电流同相的补偿信号。 图1为传统的采用恒定导通时长控制的开关变换器的电路原理图。其中由电阻器化amp和 电容器化amp组成的斜坡补偿单元与电感器L并联，其产生的补偿信号被叠加至反馈信号 FBW消除次谐波振荡。
[0004] 然而，在上述的斜坡补偿方式中，补偿信号会对反馈信号FB的平均值造成影响， 导致开关变换器的负载调整率和输入调整率不佳。同时，禪接在开关节点SW与反馈信号FB 之间的电阻器化amp也大大不利于开关变换器的瞬态响应。而且，在电流断续模式下，开 关节点SW处的振荡和干扰在开关管Ml和M2均关断时会通过斜坡补偿单元影响反馈信号 FB，从而导致双脉冲（doublepulse)现象。此外，图1所示斜坡补偿单元的参数由输入电 压Vin、输出电压Vout和开关频率共同决定，需要根据不同的应用情况具体设计，运无疑增 大了系统设计难度。
【发明内容】
阳0化]本发明要解决的技术问题是提供恒定导通时长控制的开关变换器及其控制电路， 它不仅可W有效消除次谐波振荡，而且能克服前面所述的现有技术中存在的缺点。
[0006] 根据本发明实施例的一种用于恒定导通时长控制开关变换器的控制电路，其中该 开关变换器包括具有主开关管的开关电路。该控制电路包括导通时长控制单元、比较单元、 逻辑单元W及参考电压调节单元。导通时长控制单元产生控制主开关管导通时长的导通时 长控制信号。比较单元具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收代表开 关电路输出电压的反馈信号，第二输入端接收参考电压，所述比较单元将参考电压同反馈 信号相比较，在输出端产生比较信号。逻辑单元禪接至导通时长控制单元和比较单元，根据 导通时长控制信号和比较信号产生控制信号W控制主开关管。参考电压调节单元禪接至逻 辑单元，基于基准参考电压与控制信号产生参考电压，其中参考电压在主开关管由关断变 为导通时被拉低，然后W-斜率线性上升，直至主开关管再次由关断变为导通或参考电压 达到一最大值。
[0007] 根据本发明实施例的一种开关变换器，包括：具有主开关管的开关电路，将输入电 压转换为输出电压；反馈单元，禪接至开关电路的输出端，提供代表开关电路输出电压的反 馈信号；W及如前所述的控制电路。
【附图说明】
[000引图1为现有的采用恒定导通时长控制的开关变换器的框图；
[0009] 图2为根据本发明实施例的开关变换器200的框图；
[0010] 图3A和3B分别为图1和图2所示开关变换器的稳态工作波形图；
[0011] 图4A和4B分别为图1和图2所示开关变换器的瞬态工作波形图；
[0012] 图5~8均为根据本发明实施例的参考电压调节单元的电路原理图。
【具体实施方式】
[0013] 下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，运里描述的实施例只用于举例 说明，并不用于限制本发明。在W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：不必采用运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。
[0014] 图2为根据本发明实施例的开关变换器200的框图，包括控制电路、开关电路和 反馈单元205。其中开关电路采用同步降压变换拓扑，包括开关管Ml、M2、电感器L和输出 电容器Cout。该开关电路通过开关管Ml和M2的导通与关断，将输入电压Vin转换为输出 电压Vout。开关管Ml具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压Vin。开关 管M2具有第一端、第二端和控制端，其中第一端禪接至开关管Ml的第二端并形成开关节点 SW，第二端禪接至参考地。电感器L具有第一端和第二端，其中第一端禪接至开关管Ml的 第二端和开关管M2的第一端。输出电容器Cout禪接在电感器L的第二端和参考地之间， 输出电容器Cout两端的电压即为输出电压Vout。虽然在本实施例中开关电路采用同步降 压变换拓扑，但本领域普通技术人员可W理解，其中的开关管M2可由二极管代替W形成非 同步降压电路。此外，开关电路也可采用其他合适的拓扑结构，例如同步或非同步的升降压 电路，W及正激、反激变换器等等。开关电路中的开关管可W为任何可控半导体开关器件， 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。
[0015] 反馈单元205具有输入端和输出端，其中输入端禪接至开关电路的输出端W接收 输出电压Vout,输出端提供代表输出电压Vout的反馈信号FB。一般地，反馈单兀205由电 阻分压器组成。但在某些实施例中，反馈单元205也可能仅包括简单的一段导线，在运种情 况下，反馈信号FB与输出电压Vout相等。
[0016] 控制电路包括导通时长控制单元201、比较单元202、逻辑单元203W及参考电压 调节单元204。导通时长控制单元201产生导通时长控制信号C0T，W控制开关管Ml的导通 时长。开关管Ml的导通时长通常被设置为恒定值，或与输入电压Vin和/或输出电压Vout 有关的可变值。比较单元202具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端禪接 至反馈单元205W接收反馈信号FB，第二输入端接收参考电压REF。比较单元202将参考 电压REF同反馈信号FB相比较，在输出端产生比较信号SET。
[0017] 逻辑单元203禪接至导通时长控制单元201和比较单元202,根据导通时长控制 信号COT和比较信号沈T产生控制信号服和LSW分别控制开关管Ml与M2。一般来说， 逻辑单元203在反馈信号FB降低至参考电压R邸时将Ml导通、M2关断，在开关管Ml的导 通时长达到预设时长时将Ml关断、M2导通。当然，为了防止开关管Ml与M2直通，两者的 开关变换之间通常会设置有死区时间。而且，为了避免噪声干扰等对比较单元202造成影 响，开关管Ml的最小关断时长被引入，在该最小关断时长内，比较单元202输出的比较信号 SET被屏蔽。
[0018] 参考电压调节单元204禪接至逻辑单元203,基于基准参考电压化ef与控制信号 HS产生参考电压REF。其中参考电压R邸在开关管Ml由关断变为导通时被拉低，然后W- 斜率线性上升，直至开关管Ml再次由关断变为导通或参考电压REF达到一最大值。该最大 值可W与基准参考电压化ef相等或基本相等（例如与基准参考电压化ef相差20~40mV)。
[0019] 图3A和3B分别为图1和图2所示开关变换器的稳态工作波形图，而图4A和4B 分别为图1和图2所示开关变换器的瞬态工作波形图，其中IL代表流过电感器L的电流， Vsw代表开关节点SW处的电压，Iout代表开关变换器的输出电流。由图3B可知，图2所示 的实施例中斜坡补偿实际上被叠加至基准参考电压化ef，而非反馈信号FB，运样就能有效 地避免斜坡补偿对反馈信号FB造成的影响，改善开关变换器的负载调整率和输入调整率。 同时，也消除了电流断续模式下来自开关节点SW处的振荡和干扰。由于反馈信号FB在任 何时候都仅反映输出电压Vout的信息，可W极大地改善开关变换器的瞬态响应。对比图4A 与4B所示，与图1所示的现有技术相比，图2所示的方案在负载突然增大时电感电流IL平 均值的上升速率要快得多，开关管Ml的关断时间也相对较小。
[0020] 图5为根据本发明实施例的参考电压调节单元204A的电路原理图。该参考电压调 节单元包括电阻器RUR2、二极管D1、电流源IS1、电容器CU晶体管S1、单稳态触发器241 W及电压电流转换器242。电流源ISl具有第一端和第二端，其中第一端禪接至供电电压 Vcc。电容器Cl具有第一端和第二端，其中第一端禪接至电流源ISl的第二端，第二端禪接 至参考地。单稳态触发器241具有输入端和输出端，其中输入端接收控制信号服。晶体管 Sl具有第一端、第二端和控制端，其中第一端禪接至电容器Cl的第一端，第二端禪接至参 考地，控制端禪接至单稳态触发器241的输出端。二极管Dl具有阳极和阴极，其中阳极禪 接至电容器Cl的第一端，阴极禪接至基准参考电压化ef。电压电流转换器242具有输入端 和输出端，其中输入端禪接至电容器Cl的第一端，电压电流转换器242基于电容器Cl两端 的电压Vcl,在输出端产生电流II。电阻器Rl具有第一端和第二端，其中第一端禪接至基 准参考电压化ef。电阻器R2具有第一端和第二端，其中第一端禪接至电阻器Rl的第二端 和电压电流转换器242的输出端，并同时提供参考电压REF，第二端禪接至参考地。 阳02U根据图5所示的电路结构，参考电压REF可W表示为：
[0022]
(1)
[0023] 其中Kl为电压电流转换器242的转换系数。
[0024] 当开关管Ml由关断变为导通时，单稳态触发器241输出一短脉冲将晶体管Sl导 通，使电容器Cl两端的电压Vcl放电至零。其后，晶体管Sl关断，电流源ISl对电容器Cl 进行充电，电压Vcl逐渐增大，直至开关管Ml再次由关断变为导通或电压Vcl增大至与基 准参考电压Vref相等。结合W上分析与公式（1)可W得出，参考电压R邸在开关管Ml由 关断变为导通时被拉低至然后W固定斜率线性上升，直至开关管Ml再次由 KlH- AZ 关断变为导通或参考电压旭F达到^
[0025] 在某些应用场合，输出电容器Cout的等效串联阻抗可能会在输出电压Vout和期 望值之间引入一定的直流