专利名称：一种减小开关频率变化的电压变换器及其控制方法
技术领域：
本发明主要涉及ー种电子电路，尤其涉及一种用于开关模式电压变换器的控制电路及其控制方法。
背景技术：
降压和升压变换器是多种应用场合下的高效开关电源。例如，降压变换器可用于将笔记本电脑中的供电电压(例如12疒24V)转换为中央处理单元(CPU)所需的工作电压(例如2. 5V飞V)。对于集成电路而言，降压和升压变换器的效率可高达95%。图I是现有的降压变换器100的电路原理图。如图I所示，降压变换器100包括耦接于输入电压な和參考电压Vref (例如地)之间的控制电路102和开关电路104。其中开关电路104包括第一开关管112a (通常指上侧开关管)和第二开关管112b (通常指下侧开关管)。第一开关管112a与第二开关管112b串联耦接，第一开关管112a与第二开关管112b分别包括体ニ极管114a和114b。控制电路102用于周期性地导通第一开关管112aー恒定时长。此外，降压变换器100还包括电感器106、电容器108和负载110 (例如CPU)，其中负载110与电容器108并联。工作时，控制电路102导通第一开关管112a —恒定时长，在这一恒定时长内，输入电压匕为电感器106和电容器108充电。随后，控制电路102关断第一开关管112a并导通第二开关管112b，使电流经过电感器106、电容器108和第二开关管112b续流。然而，发明人发现，当控制电路102直接耦接于输入电压な和地之间时，降压变换器100的开关频率会随输入电压な的变化而变化。开关频率的变化会对负载产生不利的影响，因此需要做出一些改进来降低或者消除开关频率的变化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于开关模式电压变换器的控制电路及控制方法，以解决因其输入电压变化导致的开关频率变化问题。根据本发明一实施例的一种ー种用于开关模式电压变换器的控制电路，该开关模式电压变换器包括第一开关管，该控制电路耦接在输入电压和地之间，周期性地导通第一开关管ー恒定时长，该控制电路还耦接至直流偏置电压，基于输入电压和直流偏置电压产生开关控制信号以控制第一开关管的导通或关断，从而减小输入电压变化引起的开关频率变化。根据本发明一实施例的一种开关模式电压变换器，该开关模式电压变换器包括上述控制电路和第一开关管。根据本发明一实施例的一种用于开关模式电压变换器的控制方法，该开关模式电压变换器包括开关管和用于周期性导通开关管ー恒定时长的控制电路，该控制方法包括对控制电路施加直流偏置电压；改变开关模式电压变换器的输入电压；测量输入电压变化引起的频率偏移；以及根据目标频率偏移来调整直流偏置电压。、
根据本发明一实施例的一种用于开关模式电压变换器的控制方法，该开关模式电压变换器包括开关管和用于周期性导通开关管ー恒定时长的控制电路，该控制方法包括对控制电路施加多个不同数值的直流偏置电压；改变开关模式电压变换器的输入电压；测量多个不同数值直流偏置电压下的多个频率偏移；处理多个频率偏移和相应的直流偏置电压，找出最小的频率偏移以及与最小频率偏移对应的直流偏置电压；以及将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。根据本发明的实施例，通过对控制电路施加合适的直流偏置电压来实现减小甚至消除输入电压变化所引起的开关频率变化。
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述
图I是现有的降压变换器100的电路原理 图2是通过实验测得的图I所示现有降压变换器100的开关频率随输入电压变化的波形 图3是通过实验测得的在两个不同的输入电压下，开关电压随时间变化的波形 图4A是图I中所示降压变换器100的一部分电路原理 图4B是图4A所示降压变换器工作时电压随时间变化的波形 图5A是根据本发明ー实施例的降压变换器200的电路原理 图5B是根据本发明ー实施例的图5A中控制电路202的电路原理 图6是根据本发明ー实施例的根据图5A所示降压变换器200的开关频率随输入电压变化的仿真结果所绘制的 图7A是降压变换器300的电路原理 图7B是根据本发明ー实施例的图7A所示降压变换器300工作时电压随时间变化的波形图。
具体实施例方式下面參照附图详细描述本发明的实施例。本领域的技术人员应当理解，图中的一些细节，如尺寸、形状、角度以及其他特征仅仅是示意本技术的某一特定实施例。没有这些具体细节，本发明同样可以实施。本领域技术人员还应理解，尽管本发明中的详细描述与特定实施例相结合，但本发明仍有许多其他实施方式，在实际执行时可能有些变化，但仍然包含在本发明主g范围内，因此，本发明g在包括所有落入本发明和所述权利要求范围及主旨内的替代例、改进例和变化例等。如前所述，发明人发现，在常见的开关模式电压变换器中，开关频率会随输入电压Vln的变化而改变。对图I所示降压变换器100进行实验，可以得出输入电压な和开关频率之间的关系。图2是通过实验测得的图I所示现有降压变换器100的开关频率/;随输入电压Vin变化的波形图。如图2所示，当输入电压Vjn从2. 7V增加到5V吋，开关频率/;下降约17%。当输入电压Vjn从2. 7V增加至5. 8V时，开关频率fs下降约19%。图3是通过实验测得的在两个不同的输入电压Vjn下，开关电压な随时间变化的波形图。如图3所示，当输入电压匕为2. 7V时，死区时间约为49. 8ns。当输入电压匕为5V时，死区时间约为15. Ins0可以看出，输入电压匕越高，死区时间越短，开关频率/;越小，开关周期Ts越长。具体细节将在图4Α和图4Β中讨论。图4Α是图I中所示降压变换器100的一部分电路原理图。图4Β是图4Α所示降压变换器工作时电压随时间变化的波形图。如图4Α和4Β所示，在一个开关周期Ts中，根据能量守恒原则，得出下式
Jfc-^>* = 0(I)
O
由于开关频率为开关周期的倒数，式(I)可以变形为
Pr
f. = 1/2, =-^- (2)
7 · T - f ·『,
in on L'dsad /
其中^为体ニ极管的导通电压。如果输入电压匕较高(例如图3中所示的5V)，死区时间ら—基本比低输入电压时(例如图3中所示的2. 7V)短。因此，高输入电压时的死区时间ら-可以忽略，高输入电压时的开关频率可按下式来近似
L崖Λ = VmH■ぐ Vin-Iai⑶
另ー方面，若输入电压匕较低，例如图3中的2. 7V，则死区时间不能忽略，这样低输入电压时的开关频率按下式近似
“仏=liTl⑷
如式(3)与式(4)所示，当导通时长—定时，低输入电压时的开关频率具有比高输入电压时的开关频率小的分母。因此，低输入电压时的开关频率高于高输入电压时的开关频率，即
すs _νΛ ^ J s _Μφ_ΥΛ(5)
如前所述，开关频率/;的变化会对耦接至开关模式电压变换器的负载产生不利影响。例如，负载可能包括为特定频率段设计的带宽滤波器，开关频率的变化将导致设计的电路故障和/或其它问题。根据本发明的实施例，可以至少减小前述开关频率变化。下面根据图5Α 7Β进行讨论。图5Α是根据本发明ー实施例的降压变换器200的电路原理图。图5Β是根据本发明ー实施例的图5Α中控制电路202的电路原理图。如图5Α所示，降压变换器200所包括的元器件与图I中降压变换器100所包括的元器件类似。例如，降压变换器200包括第一开关管112a、第二开关管112b、电感器116以及与负载110并联耦接的电容器108。其中第一开关管112a和第二开关管112b分别包括第一体ニ极管114a和第二体ニ极管114b。为了说明清楚，在此省略对这些元器件的讨论。降压变换器200还包括控制电路202。控制电路202耦接在输入电压匕和地之间，周期性地导通第一开关管112a—恒定时长。控制电路202还耦接至直流偏置电压な，基于输入电压匕和直流偏置电压匕.35产生开关控制信号以控制第一开关管112a的导通或关断。调节直流偏置电压な3S可至少减少由于输入电压变化而引起的开关频率变化，下面将參照图5B给出详细的描述。如图5B所示，控制电路202包括彼此电耦接的电流设定单元202a和开关控制单元202b。尽管在图5B中给出了控制电路202的特定元器件，在其它实施例中，控制电路202可包括不同的和/或其他増加的元器件。电流设定单元202a耦接至输入电压Vjn和直流偏置电压V—,基于输入电压な和直流偏置电压Vbjas来产生控制电流I。在一个实施例中，如图5B所示，电流设定单元202a包括一端耦接至输入电压的电阻器210、串联耦接于输入电压Fto和參考电压之间的第一晶体管214a。其中參考电压可以是图5B所示的地或其他合适的电压值。电流设定単元202a还包括第一比较器212。第一比较器212具有耦接至第一晶体管214a漏极的第一端212a、耦接至直流偏置电压Vbjas的第二端212b以及耦接至第一晶体管214a栅极的输出端。在一个实施例中，第一比较器212为运算放大器。 工作时，第一比较器212和第一晶体管214a构成电压跟随器，将漏极电压匕调节至等于直流偏置电压Vbias0电流设定单元202a可以按照下式来设定流过电阻器210和第一晶体管214a的控制电流I
V - V,
J= -M-Msl(6)
R
其中/ 是电阻器210的电阻值。控制电流/被供给开关控制单元202b以产生开关电路104的开关控制信号。 开关控制単元202b耦接至电流设定单元202a，接收控制电流I并据此产生开关控制信号。如图5B所示，开关控制単元202b包括耦接至第一比较器212输出端的第二晶体管214b。在一个实施例中，第二晶体管214b与第一晶体管214a相配对(例如具有实质上相同的器件特性)。在其他实施例中，第二晶体管214b可以采用其他的配置。开关控制单元202b还包括耦接在一起的电流镜216、开关电容器220、放电晶体管222和第二比较器224。其中电流镜216包括耦接至第二晶体管214b漏极的第一镜像晶体管218a和与开关电容器220串联耦接的第二镜像晶体管218b。开关电容器220包括第一端和第二端，其中开关电容器220的第一端耦接至第二镜像晶体管218b的漏极，开关电容器220的第二端耦接至參考电压Vref (例如图5B所示的地)。放电晶体管222具有源极、漏极和栅极，其中放电晶体管222的漏极耦接至开关电容器220的第一端，源极耦接至开关电容器220的第二端，栅极耦接至第二比较器224的输出端。第二比较器224具有耦接至开关电容器220第一端的第一输入端224a和稱接至阈值电压Vt/l的第二输入端224b。工作时，第二晶体管214b将流过第一镜像晶体管218b的电流设置为等于流过电阻器210和第一晶体管214a的控制电流/。这样电流镜216可以复制控制电流/并将该电流供给开关电容器220的第一端。控制电流/对开关电容器220进行充电。第二比较器224将开关电容器220两端的充电电压匕与阈值电压Kth进行比较，以提供开关控制信号给开关电路104来控制图5A中第一开关管112a和第二开关管112b的导通或关断。第二比较器224同时提供开关控制信号至放电晶体管222的栅极，当充电电压匕大于阈值电压Kth时导通放电晶体管222，为开关电容器220放电。这样，充电电压Kc小于阈值电压Fth,放电晶体管222随之关断，然后控制电流/再次对开关电容器220进行充电，上述过程不断重复。根据本发明的实施例，通过调节直流偏置电压匕.3S，可以至少減少或者基本消除输入电压变化引起的开关频率变化。图6是根据本发明ー实施例的根据图5A所示降压变换器200开关频率随输入电压变化的仿真结果所绘制的图。如图6所示，当直流偏置电压Vbias分别为O. 54V、0. 6V和O. 76V吋，与直流偏置电压Vbias为OV时相比，开关频率/;的变化显著减小。特别是当直流偏置电压Vbjas为O. 76V吋，开关频率/;在输入电压从2. 7V变换至5V时的变化小于1%。详细的仿真结果如下表所示。
权利要求
1.一种用于开关模式电压变换器的控制电路，该开关模式电压变换器包括第一开关管，该控制电路耦接在输入电压和地之间，周期性地导通第一开关管一恒定时长，该控制电路还耦接至直流偏置电压，基于输入电压和直流偏置电压产生开关控制信号以控制第一开关管的导通或关断，从而减小输入电压变化引起的开关频率变化。
2.如权利要求I所述的控制电路，包括 电流设定单元，耦接至输入电压和直流偏置电压，基于输入电压和直流偏置电压产生控制电流；以及 开关控制单元，耦接至电流设定单元，根据控制电流产生开关控制信号以控制第一开关管的导通与关断。
3.如权利要求2所述的控制电路，其中电流设定单元包括 电阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至输入电压； 第一比较器，具有第一输入端、第二输入端以及输出端，其中第一输入端I禹接至电阻器的第二端，第二输入端耦接至直流偏置电压； 第一晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其中第一端耦接至电阻器的第二端和第一比较器的第一输入端，第二端耦接至地，控制端耦接至第一比较器的输出端。
4.如权利要求2所述的控制电路，其中开关控制单元包括 电流镜，具有第一端、第二端和第三端，其中第一端耦接至输入电压； 第二晶体管，与第一晶体管相配对，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电流镜的第二端，第二端耦接至地，控制端耦接至第一比较器的输出端； 开关电容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至电流镜的第三端，第二端耦接至地； 第二比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端稱接至电流镜的第三端和开关电容器的第一端，第二端耦接至阈值电压，输出端耦接至第一开关管以提供开关控制信号；以及 放电晶体管，与开关电容器并联耦接，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至开关电容器的第一端，第二端耦接至地，控制端耦接至第二比较器的输出端，放电晶体管用于当开关电容器的电压高于阈值电压时，为开关电容器放电。
5.一种开关模式电压变换器，包括第一开关管和如权利要求I至4中任一项所述的控制电路。
6.如权利要求5所述的开关模式电压变换器,其中第一开关管具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收输入电压，控制端耦接至控制电路的输出端； 该开关模式电压变换器还包括 第二开关管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至一开关管的第二端，第二端耦接至地，控制端耦接至控制电路的输出端； 电感器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一开关管的第二端和第二开关管的第一端；以及 输出电容器，电稱接于电感器的第二端与地之间。
7.一种用于开关模式电压变换器的控制方法，该开关模式电压变换器包括开关管和用于周期性导通开关管一恒定时长的控制电路，该控制方法包括对控制电路施加直流偏置电压； 改变开关模式电压变换器的输入电压； 测量输入电压变化引起的频率偏移；以及 根据目标频率偏移来调整直流偏置电压。
8.如权利要求7所述的控制方法，进一步包括 根据测量的频率偏移来计算频率变化百分比； 其中调整直流偏置电压的步骤包括若计算得到的频率变化百分比小于5%，将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。
9.如权利要求7所述的控制方法，进一步包括 根据测量的频率偏移来计算频率变化百分比； 其中调节直流偏置电压的步骤包括若计算得到的频率变化百分比小于1%，将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。
10.一种用于开关模式电压变换器的控制方法，该开关模式电压变换器包括开关管和用于周期性导通开关管一恒定时长的控制电路，该控制方法包括 对控制电路施加多个不同数值的直流偏置电压； 改变开关模式电压变换器的输入电压； 测量多个不同数值直流偏置电压下的多个频率偏移； 处理多个频率偏移和相应的直流偏置电压，找出最小的频率偏移以及与最小频率偏移对应的直流偏置电压；以及 将对应的直流偏置电压作为设定值施加至控制电路。
全文摘要
本发明公开了一种用于开关模式电压变换器的控制电路，该开关模式电压变换器包括第一开关管，该控制电路耦接在输入电压和地之间，周期性地导通第一开关管一恒定时长，该控制电路还耦接至直流偏置电压，基于输入电压和直流偏置电压产生开关控制信号以控制第一开关管的导通或关断，从而减小输入电压变化引起的开关频率变化。
文档编号H02M3/155GK102710128SQ20121006366
公开日2012年10月3日 申请日期2012年3月13日 优先权日2011年3月18日
发明者徐鹏, 董岩, 詹姆斯·阮 申请人:成都芯源系统有限公司