升降压型变换器的控制电路、控制方法以及应用其的升降压型变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关电源领域，更具体地说，涉及用于升降压型变换器的控制电路和控制方法。
【背景技术】
[0002]升降压型变换器，例如四开关升降压型变换器，由于其输入输出同相、开关损耗低、输出电压可升可降等优点广泛应用于电力、通信及电子仪器等领域，对其电路开关的优化控制策略也成为当前研究的热点。
[0003]参考图1A，所示为一升降压型变换器的原理框图。该升降压型变换器包括功率级电路11和控制和驱动电路12两部分;其中，功率级电路11接收输入电压Vin，并在输出端产生稳定的输出电压Vout以来驱动负载;控制和驱动电路12用以产生相应的控制和驱动信号VC1，VC2，VC3和VC4，来控制功率级电路中的4个开关管的开关状态，通过调节开关管的导通占空比使得输出电压Vout维持为与期望驱动电压Vref—致。
[0004]这里，功率级电路11包括串联连接在输入电压Vin和地电位之间的第一开关管SWl和第三开关管SW3;串联连接在输出电压Vout和地电位之间的第二开关管SW2和第四开关管SW4;第一端连接至第一开关管SWl和第三开关管SW3的公共连接端，第二端连接至第二开关管SW2和第四开关管SW4的公共连接端的电感L。功率级电路11还可以包括连接在输入端的输入电容和连接在输出端的输出电容Co。
[0005]图1A所示的升降压型变换器的工作原理，控制电路和驱动电路12根据输入电压Vin和输出电压Vout的大小关系来控制功率级电路11的工作模式，当输入电压Vin大于输出电压Vout时，以降压模式工作；当输入电压Vin小于输出电压Vout时，以升压模式工作；当输入电压Vin和输出电压Vout较接近时，以升降压模式工作。
[0006]图1A所示的升降压型变换器的控制原理主要是实时采集输出电压Vout，根据实时输出电压和期望输出电压之间的误差以及电感电流信息来产生相应的控制信号以调节开关管的开关状态和导通占空比，进而通过改变输入电流来改变输出电压。
[0007]但是，通过这种电流控制方式，当输入电压、输出电压发生变化，工作模式进行切换时，电感电流的波动很大，输出电压的波动也很大，并且，系统的动态响应速度较慢，需要较长的时间才能再次恢复至稳定状态。同时，系统的工作频率会变大，由于电感电流的数值也较大，因此，极易引起音频噪声。
[0008]参考图1B，所示为图1A所示的升降压型变换器的工作波形图。图1A所示的升降压型变换器可以通过消除补偿信号Vcomp与表征电感电流的电压信号VL之间的误差来调节占空比，以使得电感电流iL能够跟随补偿信号Vcomp的轨迹。但是当升降压型变换器工作于断续工作模式(DCM)时，在电感电流维持为零的时间区间内，例如在时间区间t2内，运算放大器Gm2停止工作，不计算补偿信号Vcomp与表征电感电流的电压信号VL之间的误差，即控制环路无法依据补偿信号Vcomp与表征电感电流的电压信号VL之间的实时误差信息来调节开关器件的占空比，因此，系统的动态响应速度较慢，需要较长的时间才能再次恢复至稳定状态。另一方面，现有技术中，当处于轻载状态时，为了节省能耗，通常需要降低功率级电路中的开关管的开关频率。传统的轻载降频方式，当进入节能模式后，功率级电路中的开关管不再导通，从而降低轻载时的功耗，提高轻载效率。但是，采用这种方式，开关频率会发生突变，导致输出电压的波动较大。
【发明内容】
[0009]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型的升降压型变换器的控制方法和控制电路，以解决现有技术中工作模式切换以及轻载状态时的输出电压波动大，频率跳变，动态响应慢，效率低，以及产生音频噪声等技术问题。
[0010]依据本发明一实施例的升降压型变换器的控制方法，用于控制一升降压型变换器中的开关管的开关状态，以使得所述升降压型变换器的输出端的输出电压维持恒定，包括，
[0011]采样所述升降压型变换器的电感电流并据以生成一采样信号；在每一开关周期内，在所述电感电流的上升时间区间内，所述采样信号与所述电感电流成正比例关系;在所述电感电流上升至电感电流峰值时刻至当前开关周期结束时刻，所述采样信号维持为与所述电感电流峰值成正比例关系；
[0012]计算所述输出电压和所述升降压型变换器的期望输出电压的差值以获得第一误差信号，并对所述第一误差信号进行补偿运算以获得第一补偿信号；
[0013]计算所述第一补偿信号和所述采样信号的差值以获得第二误差信号，并对所述第二误差信号进行补偿运算以获得第二补偿信号；
[0014]将所述第二补偿信号和一偏置电压的差值作为第三补偿信号；
[0015]根据所述第二补偿信号和一时钟信号生成第一控制信号，以控制所述升降压型变换器的第一开关管和第三开关管的开关状态；
[0016]根据所述第三补偿信号和所述时钟信号生成第二控制信号，以控制所述升降压型变换器的第二开关管和第四开关管的开关状态。
[0017]优选的，生成所述第二补偿信号的方法包括以下步骤:
[0018]将所述第一补偿信号和一表征所述电感电流峰值的第二基准信号进行比较；
[0019]当所述第一补偿信号不小于所述第二基准信号时，计算所述第一补偿信号和所述采样信号的差值，并对其进行补偿运算以获得所述第二补偿信号；
[0020]当所述第一补偿信号小于所述第二基准信号时，计算所述第二基准信号和所述采样信号的差值，并对其进行补偿运算以获得所述第二补偿信号。
[0021]优选的，生成所述第一控制信号和所述第二控制信号的方法中包括以下步骤:
[0022]根据所述电感电流的平均值来调节所述时钟信号的频率。
[0023]优选的，生成所述第一控制信号和所述第二控制信号的方法中包括以下步骤:
[0024]根据所述第一补偿信号来调节所述时钟信号的频率。
[0025]优选的，还包括，根据所述第一补偿信号和所述第二基准信号之间的误差值来调节所述时钟信号的频率。
[0026]优选的，还包括，
[0027]当所述第一补偿信号小于所述第二基准信号时，根据所述第一补偿信号和所述第二基准信号之间的误差值来调节所述时钟信号的频率；
[0028]当所述第一补偿信号不小于所述第二基准信号时，所述时钟信号的频率维持不变。
[0029]优选的，生成所述第一控制信号和所述第二控制信号的方法中包括以下步骤:
[0030]根据所述输出电压和所述期望输出电压之间的误差来调节所述时钟信号的频率。
[0031]优选的，生成所述采样信号的方法包括以下步骤:
[0032]采样所述电感电流，并据以产生电流采样信号；
[0033]控制在每一开关周期内，在所述电感电流的上升时间区间内接收所述电流采样信号；
[0034]在所述电感电流上升至电感电流峰值时刻至当前开关周期结束时刻，对所述电流采样信号的最大值进行保持，以此生成所述采样信号。
[0035]依据本发明一实施例的升降压型变换器的控制电路，用于控制一升降压型变换器中的开关管的开关状态，以使得所述升降压型变换器的输出端的输出电压维持恒定，包括，
[0036]采样信号发生电路，用以采样所述升降压型变换器的电感电流并据以生成一采样信号;在每一开关周期内，在所述电感电流的上升时间区间内，所述采样信号与所述电感电流成正比例关系；在所述电感电流上升至电感电流峰值时刻至当前开关周期结束时刻，所述采样信号维持为与所述电感电流峰值成正比例关系；
[0037]第一误差计算和补偿电路，用以计算所述输出电压和所述升降压型变换器的期望输出电压之间的差值，并对其进行补偿运算，以获得第一补偿信号；
[0038]第二误差计算和补偿电路，用以计算所述第一补偿信号和所述采样信号之间的差值，并对其进行补偿运算，以获得第二补偿信号；
[0039]第一比较和逻辑电路，用以根据所述第二补偿信号和一时钟信号生成第一控制信号，以控制所述升降压型变换器的第一开关管和第三开关管的开关状态；
[0040]第二比较和逻辑电路，用以根据第三补偿信号和所述时钟信号生成第二控制信号，以控制所述升降压型变换器的第二开关管和第四开关管的开关状态;所述第二补偿信号和一偏置电压的差值作为所述第三补偿信号。
[0041]优选的，还包括一选择电路，用以接收所述第一补偿信号和一表征所述电感电流峰值的第二基准信号，并将两者中的较大者传递至所述第二误差计算和补偿电路；
[0042]当所述第一补偿信号不小于所述第二基准信号时，计算所述第一补偿信号和所述采样信号的差值，并对其进行补偿运算以获得所述第二补偿信号；
[0043]当所述第一补偿信号小于所述第二基准信号时，计算所述第二基准信号和所述采样信号的差值，并对其进行补偿运算以获得所述第二补偿信号。
[0044]优选的，还包括频率控制电路，用以根据所述电感电流的平均值来调节所述时钟信号的频率。
[0045]优选的，所述频率控制电路包括斜坡信号发生电路和一比较电路；
[0046]每一开关周期内，在所述时钟信号的无效时间区间内，所述斜坡信号发生电路产生的斜坡电压信号线性上升；
[0047]所述电感电流的平均值用以控制所述斜坡电压信号的上升斜率；当所述电感电流的平均值增大时，所述斜坡信号的上升斜率增大；当所述电感电流的平均值减小时，所述斜坡信号的上升斜率减小；
[0048]所述比较电路用以比较接收到的所述斜坡电压信号和一阈值电压；当所述斜坡电压信号上升至所述阈值电压时，所述时钟信号变为有效状态；
[0049]所述比较电路的输出信号作为所述时钟信号。
[0050]优选的，所述斜坡信号发生电路包括串联连接在电压源和地电位之间的可控电流源和电容，与所述电容并联连接的可控开关；
[0051]所述可控开关的开关状态由所述时钟信号进行控制；
[0052]所述可控电流源和所述电容的公共连接端的电压信号作为所述斜坡电压信号；
[0053]所述可控电流源的输出电流与所述电感电流的平均值成正比例关系。
[0054]优选的，还包括频率控制电路，用以根据所述输出电压和期望输出电压之间的差值来调节所述时钟信号的频率。
[0055]优选的，还包括频率控制电路，用以根据所述第一补偿信号和所述第二基准信号之间的差值来调节所述时钟信号的频率。
[0056]优选的，所述频率控制电路包括电流调节电路，斜坡信号发生电路和一比较电路；
[0057]每一开关周期内，在所述时钟信号的无效时间区间内，所述斜坡信号发生电路产生的斜坡电压信号线性上升；
[0058]所述电流调节电路用以调节所述斜坡电压信号的上升斜率；
[0059]所述比较电路用以比较接收到的所述斜坡电压信号和一阈值电压；当所述斜坡电压信号上升至所述阈值电压时，所述时钟信号变为有效状