恒定导通时间控制的开关变换器及其控制器和控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子电路，尤其涉及恒定导通时间控制的开关变换器及其控制器和控制方法。
【背景技术】
[0002]恒定导通时间控制(constant on-time control，COT control)由于其优异的瞬态响应和简单的结构，被广泛应用于电源领域。然而，对于采用恒定导通时间控制的开关变换器而言，若其输出电容器的等效串联阻抗(estimated serial resistance，ESR)不够大，其输出电压上可能会出现次谐波振荡。
[0003]为了消除上述次谐波振荡，常用的方法是采取纹波注入。如图1所示，电阻器Rrl和电容器Crl产生一与流过电感器L的电流同相的斜坡信号。通过电容器Cr2，该斜坡信号被耦接至代表输出电压V0UT的反馈信号FB，以消除次谐波振荡。
[0004]在图1所示的现有开关变换器中，电阻器Rrl和电容器Crl、Cr2的取值由输入电压VIN、输出电压V0UT和开关频率共同决定。这意味着，一旦应用场合发生改变，电阻器Rrl和电容器Crl、Cr2的取值也需要随之改变，这无疑使电路设计变得繁复。此外，图1所示的斜坡信号极易受到噪声干扰，因而降低了开关变换器的输入调整率和负载调整率。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供结构简单、设计容易且具有较高输入调整率和负载调整率的恒定导通时间控制开关变换器及其控制器和控制方法。
[0006]根据本发明实施例的一种开关变换器的控制器，其中该开关变换器包括主晶体管和耦接至主晶体管的电感器，该控制器包括:导通计时器，产生导通时间控制信号；斜坡发生器，产生斜坡信号；比较电路，耦接至斜坡发生器，基于斜坡信号、共模电压、参考信号和代表开变换器输出电压的反馈信号产生比较信号；以及逻辑电路，耦接至导通计时器和比较电路，基于导通时间控制信号和比较信号产生控制信号以控制主晶体管。其中斜坡发生器包括:自适应电流锁存电路，具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其中第一输入端接收共模电压，第二输入端耦接至逻辑电路以接收控制信号，第三输入端接收斜坡信号，自适应电流锁存电路基于共模电压、控制信号和斜坡信号，在输出端产生电流控制信号；第一单触发电路，具有输入端和输出端，其中输入端耦接至逻辑电路以接收控制信号；可控电流源，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收供电电压，控制端耦接至自适应电流锁存电路以接收电流控制信号；第一电容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至可控电流源的第二端并提供斜坡信号，第二端耦接至参考地；第一电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一电容器的第一端；以及第一晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至第一电阻器的第二端，第二端耦接至参考地，控制端耦接至第一单触发电路的输出端。
[0007]根据本发明实施例的一种开关变换器，包括:主晶体管；电感器，耦接至主晶体管；反馈电路，产生代表开关变换器输出电压的反馈信号；以及如前所述的控制器。
[0008]根据本发明实施例的一种开关变换器，包括:主晶体管；电感器，耦接至主晶体管；反馈电路，产生代表开关变换器输出电压的反馈信号；以及控制器，产生控制信号以控制主晶体管。其中控制器包括:导通计时器，产生导通时间控制信号；斜坡发生器，产生斜坡信号，其中斜坡发生器在主晶体管由关断变为导通时，将斜坡信号调节至与共模电压相等；比较电路，耦接至反馈电路和斜坡发生器，基于斜坡信号、共模电压、参考信号和反馈信号产生比较信号；以及逻辑电路，耦接至导通计时器和比较电路，基于导通时间控制信号和比较信号产生控制信号。
[0009]根据本发明实施例的一种开关变换器的控制方法，其中该开关变换器包括主晶体管和耦接至主晶体管的电感器，该控制方法包括:产生导通时间控制信号；产生斜坡信号，并在主晶体管由关断变为导通时，将斜坡信号调节至与共模电压相等；基于斜坡信号、共模电压、参考信号和代表开变换器输出电压的反馈信号产生比较信号；以及基于导通时间控制信号和比较信号产生控制信号以控制主晶体管。
[0010]本发明的实施例采用位于控制器之内的内部斜坡补偿，无需外部器件且易于使用。此外，其斜坡信号在不同输入电压、输出电压或开关频率下均能保持稳定，且不易受噪声影响，因此简化了电路设计并改善了开关变换器的输入调整率和负载调整率。
【附图说明】
[0011]图1为现有恒定导通时间控制的开关变换器的原理性框图；
[0012]图2为根据本发明实施例的开关变换器200的原理性框图；
[0013]图3为根据本发明实施例的斜坡发生器203A的电路原理图；
[0014]图4为根据本发明实施例的斜坡发生器203B的电路原理图；
[0015]图5为根据本发明实施例的图4所示斜坡发生器203B在电流连续模式下的工作波形图；
[0016]图6为根据本发明实施例的开关变换器300的原理性框图；
[0017]图7为根据本发明实施例的斜坡发生器303A的电路原理图；
[0018]图8为根据本发明实施例的斜坡发生器303B的电路原理图；
[0019]图9为根据本发明实施例的图8所示斜坡发生器303B在电流断续模式下的工作波形图；
[0020]图10为根据本发明实施例的比较电路204A的电路原理图；
[0021]图11为根据本发明实施例的比较电路204B的电路原理图；
[0022]图12A为根据本发明实施例的图11所示斜坡发生器204B在电流连续模式下的工作波形图；
[0023]图12B为根据本发明实施例的图11所示斜坡发生器204B在电流断续模式下的工作波形图；
[0024]图13A?13C为根据本发明实施例的图11所示斜坡发生器204B在负载跳变下的工作波形图；
[0025]图14为根据本发明实施例的比较电路204C的电路原理图；
[0026]图15为根据本发明实施例的比较电路204D的电路原理图；
[0027]图16为根据本发明实施例的不具备直流误差校正功能的开关变换器的工作波形图；
[0028]图17为根据本发明实施例的具备直流误差校正功能的开关变换器的工作波形图；
[0029]图18为根据本发明实施例的开关变换器控制方法的工作流程图。
【具体实施方式】
[0030]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。
[0031 ] 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，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附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。
[0032]图2为根据本发明实施例的开关变换器200的原理性框图。该开关变换器200将输入电压VIN转换为输出电压V0UT，包括主晶体管M1、续流晶体管M2、电感器L、输出电容器C0UT、反馈电路201以及控制器202，具体连接如图所示。晶体管Ml和M2可以为任何可控半导体器件，例如M0SFET、IGBT等。如图2所示的开关变换器200采用了同步降压拓扑，但本领域技术人员可知，续流晶体管M2可以被替换为二极管以形成非同步降压变换器。此夕卜，开关变换器200也可采用其他合适的拓扑结构，例如升降压变换拓扑等。
[0033]反馈电路201耦接至输出电容器C0UT，接收输出电压V0UT并产生反馈信号FB。反馈电路201可以由图2所示的电阻分压器构成。在一些实施例中，反馈电路201仅为一段导线，此时反馈信号FB与输出电压V0UT相等。
[0034]控制器202耦接至反馈电路201并基于反馈信号FB控制晶体管Ml和M2。控制器202包括斜坡发生器203、比较电路204、导通计时器205、逻辑电路206以及驱动电路207。斜坡发生器203产生斜坡信号RAMP，其中在主晶体管Ml由关断变为导通时，斜坡信号RAMP被调节至与共模电压VCM相等。在一些实施例中，在主晶体管Ml由导通变为关断时，斜坡