专利名称：一种电压型调节器的控制电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及开关电源领域，更具体的说，涉及一种能够自适应调节的恒定时间控制模式的电压型调节器的控制电路及其控制方法。
背景技术：
电压调节器，例如直流-直流电压转换器，用以给不同类型电子设备提供稳定的电压源。对于一些低功率的设备(例如便携式电脑、便携式手机等)的电池管理尤其需要高效率的直流-直流转换器。开关电压型调节器将输入电压转换成一高频电压信号，然后对该高频输入电压信号进行滤波处理以产生一直流输出电压。电压型调节器通常包括一个开关，将一输入直流电压源(如电池)交替地耦合和解耦到负载(如集成电路)上；一个输出滤波装置，通常包括一个电感和一个电容，其连接在输入电压源和负载之间，用以对开关的输出进行滤波处理，进而提供一直流输出电压；一个控制装置(例如脉冲宽度调节器(PWM)、频率脉冲调节器等)用以控制开关以获得一相对恒定的直流输出电压。现有技术中，电压型调节器可以采用多种控制方式，例如电压控制模式或者电流控制模式或者恒定时间控制模式。参考图1，所示为采用现有技术的一种采用恒定导通时间控制模式的电压型调节器的控制电路的原理框图。在该实现方案中，输出电压Vwt经过分压电阻Rfbl和电阻Rfb2进行分压后，得到反馈信号VFB。比较器101的反相输入端接收反馈信号Vfb,同相输入端接收基准电压Vref,比较器101的输出连接至与门103的一个输入端。与门103的另一输入端接收最小关断时间发生电路102的输出信号。RS触发器105的置位端S接收与门103的输出信号，复位端接收恒定导通时间发生电路104的输出信号，输出端Q的输出信号输入至逻辑和驱动电路106，以产生相应的驱动信号来分别驱动主功率开关管Ql和同步功率开关管Q2。其详细工作过程如下:当反馈信号Vfb下降至基准电压Vief时，比较器101的输出信号为高电平，若最小关断时间发生电路102的输出信号同样为高电平，贝1J与门103的输出信号为高电平，以置位RS触发器105，输出端Q的输出信号为高电平。通过逻辑和驱动电路106，将主功率开关管Ql导通，以及将同步功率开关管Q2关断，从而反馈信号Vfb开始上升。在主功率开关管Ql的导通状态持续时间到达恒定导通时间发生电路104所计时产生的一恒定时间后，主功率开关管Ql被关断，则此时反馈信号Vfb开始下降，直至再次下降至基准电压VMf。周而复始，通过这种恒定导通时间控制模式，控制输出电压Vwt维持基本恒定。但是，采用这种控制方式，当输出电压Vwt与输入电压Vin非常接近，或者近似相等时，此时希望主功率开关管Ql的导通占空比能够接近于1，即处于全开状态。但是由于恒定导通时间发生电路104产生的恒定时间的长度以及最小关断时间的存在，使得主功率开关管Ql的导通占空比无法尽可能接近于I。因此，在这种情况时，系统无法正常工作，无法获得稳定的输出电压。另一方面，当电压型调节器的输出负载发生跳变时，由于恒定导通时间的存在，使得对负载的暂态响应速度很慢。例如，当输出负载突然增大时，此时输出电流发生由低到高的突变，由于恒定导通时间是固定的，因此，控制电路无法及时关断主功率开关管，导致对暂态响应速度很慢。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型的电压型调节器的控制电路及其控制方法，以解决现有技术中暂态响应速度慢，以及输入电压和输出电压近似相等的工作稳定性等问题。依据本发明的一种电压型调节器的控制方法，用以控制一电压型调节器的状态，以在所述电压型调节器的输出端产生一恒定的输出电压，包括以下步骤:采样所述输出电压，以产生表征所述输出电压的反馈信号；根据所述电压型调节器的主功率开关管的占空比，生成一与所述占空比同相位的纹波信号；将所述反馈信号和所述纹波信号进行叠加，以产生第一电压信号；根据所述电压型调节器的输入电压和所述输出电压，产生一恒定时间信号；将所述第一电压信号分别与一上限基准电压和一下限基准电压进行比较，以产生相应的比较信号；在第一工作状态时，所述恒定时间信号控制所述电压型调节器的主功率开关管的开关状态；在第二工作状态时，所述比较信号控制所述主功率开关管的开关状态。进一步的，所述纹波信号的产生步骤包括:采样所述电压型调节器的开关节点电压；对所述开关节点电压进行滤波，以获得第一滤波电压；对所述第一滤波电压进行滤波，以获得第二滤波电压；将所述第一滤波电压和所述第二滤波电压进行差值运算，以获得一差值电压；将所述差值电压与一比例系数相乘，以获得所述纹波信号。进一步的，所述主功率开关管的控制步骤包括:在每一开关周期内，当所述第一电压信号小于所述下限基准电压时，导通所述主功率开关管；在第一工作状态时，当所述主功率开关管的导通时间到达所述恒定时间信号表征的一恒定导通时间时，关断所述主功率开关管；在第二工作状态时，根据所述第一电压信号和所述上限基准电压的比较结果，当所述第一电压信号上升至所述上限基准电压时，关断所述主功率开关管。优选的，所述恒定导通时间与所述输出电压和所述输入电压的比值成正比例关系O进一步的，所述主功率开关管的控制步骤包括:在每一开关周期内，当所述第一电压信号大于所述上限基准电压时，关断所述主功率开关管；在第一工作状态时，当所述主功率开关管的关断时间到达所述恒定时间信号表征的一恒定关断时间时，导通所述主功率开关管；在第二工作状态时，根据所述第一电压信号和所述下限基准电压的比较结果，当所述第一电压信号下降至所述下限基准电压时，导通所述主功率开关管。优选的，所述恒定关断时间与所述输入电压与所述输出电压之间的差值和所述输入电压的比值成正比例关系。 依据本发明的一种电压型调节器的控制电路，用以控制一电压型调节器，以在所述电压型调节器的输出端产生一;〖亘定的输出电压，包括，第一控制电路，恒定时间发生电路、第二控制电路，其中，所述第一控制电路用以比较接收到的第一电压信号和第一基准电压，产生第一控制信号；所述第一电压信号与所述电压型调节器中的主功率开关管的占空比同相位；所述恒定时间发生电路用以根据所述输出电压和所述电压型调节器的输入电压产生一恒定时间信号；所述第二控制电路用以比较接收到的所述第一电压信号和第二基准电压，产生第二控制信号；在第一工作状态时，所述恒定时间信号和所述第二控制信号控制所述电压型调节器的主功率开关管的开关状态；在第二工作状态时，所述第一控制信号和所述第二控制信号控制所述主功率开关管的开关状态。进一步的，还包括纹波 信号发生电路，所述纹波信号发生电路接收所述电压型调节器的开关节点电压，以据以产生所述纹波信号；所述纹波信号与表征所述输出电压的反馈信号叠加，以产生所述第一电压信号。进一步的，还包括一逻辑电路，所述逻辑电路接收所述第一控制信号，所述恒定时间信号和所述第二控制信号，以产生控制信号来控制所述主功率开关管的开关状态。优选的，在每一开关周期内，当所述第一电压信号小于所述第二基准电压时，开始导通所述主功率开关管。优选的，在第一工作状态时，所述恒定时间信号控制所述主功率开关管的导通时间为一恒定值，所述导通时间与所述输出电压和所述输入电压的比值成正比例关系；经过所述导通时间后，关断所述主功率开关管。优选的，在第二工作状态时，当所述第一电压信号上升至所述第一基准电压时，关断所述主功率开关管。优选的，在每一开关周期内，当所述第一电压信号大于所述第二基准电压时，开始关断所述主功率开关管。优选的，在第一工作状态时，所述恒定时间信号控制所述主功率开关管的关断时间为一恒定值，所述关断时间与所述输入电压与所述输出电压之间的差值和所述输入电压的比值成正比例关系；经过所述关断时间后，导通所述主功率开关管。优选的，在第二工作状态时，当所述第一电压信号下降至所述第一基准电压时，导通所述主功率开关管。依据本发明实施例的电压型调节器的控制电路及其控制方法，在表征输出电压的反馈信号上叠加一与主功率开关管的占空比同相位的纹波信号。通过与设定的上限基准电压和下限基准电压值之间的数值大小关系，以及一与输入电压和输出电压相关的恒定时间信息，在正常工作状态时，控制主功率开关管以恒定时间模式工作，并且维持电压型调节器的工作频率为固定的；而在异常工作状态时，例如输出电压接近于输入电压时，系统不再以恒定时间模式工作，而是由设定的上限基准电压或者下限基准电压值之间的大小关系来确定，从而降低了电压型调节器的工作频率，使得系统在此种情况下仍然能够维持恒定的输出电压。
图1所示为采用现有技术的一种采用恒定导通时间控制模式的电压型调节器的控制电路的原理框图；图2所示为依据本发明第一实施例的电压型调节器的控制电路的原理框图；图3A所示为依据本发明一实施例的纹波信号发生电路的原理框图；图3B所示为图3A所示的纹波信号发生电路的工作波形图；图4A所示为依据本发明第二实施例的电压型调节器的控制电路的原理框图；图4B所示为图4A所示的电压型调节器的控制电路在第一工作状态时的工作波形图；图4C所示为图4A所示的电压型调节器的控制电路在第二工作状态时的工作波形图；图5所示为依据本发明一实施例的电压型调节器的控制方法的工作流程图；图6所示为依据本发明的一种获得与主功率开关管占空比同相位的纹波信号的产生方法流程图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。参考图2，所示为依据本发明第一实施例的电压型调节器的控制电路的原理框图。在该实施例中，主功率开关管Ql，同步功率开关管Q2，电感Ltl和电容Ctl组成一降压型功率级电路。控制电路200包括第一控制电路201，恒定时间发生电路202、第二控制电路203和逻辑电路204 ;其中，第一控制电路201用以比较接收到的第一电压信号Vtaia和第一基准电压Vrafl,产生第一控制信号SI。第一电压信号VtHa由反馈信号Vfb和一纹波信号V_le;叠加产生；这里,纹波信号Vripple与电压型调节器中的主功率开关管Ql的占空比同相位。恒定时间发生电路202用以根据接收到的输入电压Vin，输出电压Vwt以及控制信
号Setri来产生一〖亘定时间信号St。
第二控制电路203用以比较接收到的第一电压信号Vtaia和第二基准电压Vief2,以产生第二控制信号S2。
逻辑电路204接收第一控制信号SI，恒定时间信号St和第二控制信号S2，以在电压型调节器的不同工作状态时，产生相应的控制信号Srfri来控制主功率开关管Ql的开关状态。在第一工作状态时，即电压型调节器处于正常工作状态时，逻辑电路204根据恒定时间信号St和第二控制信号S2来控制主功率开关管Ql的开关状态。电压型调节器以恒定时间模式工作，并且，工作频率维持恒定。在第二工作状态时，即电压型调节器的输出电压和输入电压很接近时，逻辑电路204根据第一控制信号SI和第二控制信号S2来控制主功率开关管Ql的开关状态。电压型调节器不再以恒定时间模式工作，并且，工作频率被减小，以保证此时电压型调节器正常工作，输出电压维持恒定。这里，纹波信号VHpple可以通过多种不同的实现方式来获得。图3列举了一种具体的实施例。参考图3A，纹波信号发生电路300包括串联连接的由电阻Rl和电容Cl组成的第一滤波电路和由电阻R2和电容C2组成的第二滤波电路。第一滤波电路和第二滤波电路均为具有较高时间常数的滤波电路。具体的，第一滤波电路接收电压型调节器的开关节点电压\x，由于主功率开关管Ql和同步功率开关管Q2交替导通，因此，开关节点电压Vu为一方波电压信号。开关节点电压Vui经过第一滤波电路进行滤波后，在电阻Rl和电容Cl的公共连接点处生成一成三角波形状的第一平均电压Vavel。然后，第一平均电压Vavel再经过第二滤波电路进行滤波，在电阻R2和电容C2的公共连接点处生成一成三角波形状的第二平均电压Vave2，如图3B所示。第二平均电压Vave2的峰峰值小于第一平均电压Vavel。将第一平均电压Vavel与第二平均电压Vave2进行减法运算，并进行一定的比例运算，从而获得纹波信号 Vripplei。依据本发明实施例的纹波信号VHpple与电压型调节器中的主功率开关管Ql的占空比同相位，并且没有直流分量，在主功率开关管导通时，具有上升斜率，在同步功率开关管导通时，具有下降斜率。以下结合具体实施例，详细说明依据本发明的电压型调节器的控制电路的各电路结构的具体实现方式。参考图4A，所示为依据本发明第二实施例的电压型调节器的控制电路的原理框图。在该实施例中，第一控制电路包括比较器402，其同相输入端接收纹波信号Iipple和反馈信号Vfb叠加而成的第一电压信号VtHa，反相输入端接收上限基准电压Vkef H(第一基准电压)。恒定时间发生电路包括斜坡信号发生电路406、比较器403和保持电路407。比较器403的反相输入端接收一与输出电压Vtjut成比例关系的基准电压Vkefi，同相输入端接收斜坡信号发生电路406输出的斜坡信号VMP。比较器403的输出信号经过保持电路407进行米样保持。斜坡信号发生电路406的一种具体实现方式如下:电流源Iaffi,充电电容Cqk和可控开关Qt相互之间并联连接在比较器403的同相输入端和地之间。其中，电流源Iqk的电流与输入电压Vin成正比例关系,可控开关Qt的开关状态与主功率开关管Ql的开关状态相反。第二控制电路包括比较器401，其同相输入端接收下限基准电压VKEFj (第二基准电压)，反相输入端接收第一电压信号vtaia。逻辑电路包括与门404和RS触发器405。与门404的两个输入端分别接收第一控制信号SI和恒定时间信号St，输出端连接至RS触发器405的复位端。在一个开关周期内，选择第一控制信号SI和恒定时间信号St中有效时间较长的信号来控制主功率开关管Ql的关断操作，利用第二控制信号S2来控制主功率开关管Ql的导通操作，以保证电压型调节器适用于所有的输入电压和输出电压的场合。这里，上限基准电压Vkef H和下限基准电压Vkef^的数值根据电压型调节器的电路参数进行相应设置即可。以下结合图4B所示为图4A所示的电压型调节器的控制电路的工作波形图来详细说明其工作原理。在时刻h，第一电压信号Vtaia下降至下限基准电压VKEF y比较器401输出的第二控制信号S2变为高电平，通过置位端S，触发RS触发器405，Q端的输出信号Srfrt变为高电平，从而逻辑和驱动电路106的输出信号Te变为高电平，主功率开关管Ql开始导通。第一电压信号Vtaia开始上升。斜坡信号发生电路406中的可控开关Qt此时处于关断状态，电流源Iaffi的电流向电容Caffi进行充电，电容Caffi两端的电压，即斜坡信号Vramp持续上升。当斜坡信号Vramp上升至基准电压VKEn时，在时刻t2，比较器403输出的恒定时间信号St变为高电平，经过保持电路407，恒定时间信号St的高电平的持续时 间为时刻t2至当前该开关周期结束(时刻t4)。保持电路407可以通过计时电路或者RS触发器等实现方式来获得，在此不再举例进行说明。主功率开关管Ql处于导通状态时间区间内，第一电压信号VtHa持续上升。当第一电压信号Vtaia大于上限基准电压Vkefji时，比较器402输出的第一控制信号SI开始变为高电平。由于与门404的作用，只有第一控制信号SI和恒定时间信号St同时为高电平时，RS触发器405才被复位，主功率开关管Ql的驱动信号Te才变为低电平，以来关断主功率开关管Ql。在正常工作状态时，输入电压Vin比输出电压Vtjut高，两者的数值具有一定的差值(例如输出电压为3.3V,输入电压为5V),第一电压信号VtHa与主功率开关管Ql的占空比同相位。在一个开关周期T内，在斜坡信号Vmp上升至基准电SVkefi之前(即时刻〖2之前)，第一电压信号VtHa已经大于上限基准电压Vkef H(即时刻A)，因此，在这种工作状态时，主功率开关管Ql的关断状态由恒定时间信号St来控制，主功率开关管Ql的导通时间维持恒定，导通时间的长度为斜坡电压Vramp上升至基准电SVkefi的时间。然后，第一电压信号Vtria开始下降，直至再次下降至下限基准电压VKEFJ时(时刻t4)，主功率开关管Ql再次被导通，周而复始，主功率开关管Ql以恒定导通时间模式工作。以下详细说明导通时间tm的数值设置的一种实现方式。设置电流源Iaffi的电流的数值与输入电压Vin成正比例关系，比例系数为kl ;设置基准电压Vkefi的数值与输出电压Vtjut成正比例关系，比例关系为k2 ;这里假设电容Caffi的电容值为C1，则导通时间tm可以通过下式(I)计算得到:
权利要求
1.一种电压型调节器的控制方法，用以控制一电压型调节器的状态，以在所述电压型调节器的输出端产生一恒定的输出电压，其特征在于，包括以下步骤: 米样所述输出电压，以产生表征所述输出电压的反馈信号； 根据所述电压型调节器的主功率开关管的占空比，生成一与所述占空比同相位的纹波信号; 将所述反馈信号和所述纹波信号进行叠加，以产生第一电压信号； 根据所述电压型调节器的输入电压和所述输出电压，产生一恒定时间信号； 将所述第一电压信号分别与一上限基准电压和一下限基准电压进行比较，以产生相应的比较信号； 在第一工作状态时，所述恒定时间信号控制所述电压型调节器的主功率开关管的开关状态； 在第二工作状态时，所述比较信号控制所述主功率开关管的开关状态。
2.根据权利要求1所述的电压型调节器的控制方法，其特征在于，所述纹波信号的产生步骤包括: 采样所述电压型调节器的开关节点电压； 对所述开关节点电压进行滤波，以获得第一滤波电压； 对所述第一滤波电压进行滤波，以获得第二滤波电压； 将所述第一滤波电压和所 述第二滤波电压进行差值运算，以获得一差值电压； 将所述差值电压与一比例系数相乘，以获得所述纹波信号。
3.根据权利要求1所述的电压型调节器的控制方法，其特征在于，所述主功率开关管的控制步骤包括: 在每一开关周期内，当所述第一电压信号小于所述下限基准电压时，导通所述主功率开关管； 在第一工作状态时，当所述主功率开关管的导通时间到达所述恒定时间信号表征的一恒定导通时间时，关断所述主功率开关管； 在第二工作状态时，根据所述第一电压信号和所述上限基准电压的比较结果，当所述第一电压信号上升至所述上限基准电压时，关断所述主功率开关管。
4.根据权利要求3所述的电压型调节器的控制方法，其特征在于，所述恒定导通时间与所述输出电压和所述输入电压的比值成正比例关系。
5.根据权利要求1所述的电压型调节器的控制方法，其特征在于，所述主功率开关管的控制步骤包括: 在每一开关周期内，当所述第一电压信号大于所述上限基准电压时，关断所述主功率开关管； 在第一工作状态时，当所述主功率开关管的关断时间到达所述恒定时间信号表征的一恒定关断时间时，导通所述主功率开关管； 在第二工作状态时，根据所述第一电压信号和所述下限基准电压的比较结果，当所述第一电压信号下降至所述下限基准电压时，导通所述主功率开关管。
6.根据权利要求5所述的电压型调节器的控制方法，其特征在于，所述恒定关断时间与所述输入电压与所述输出电压之间的差值和所述输入电压的比值成正比例关系。
7.一种电压型调节器的控制电路，用以控制一电压型调节器，以在所述电压型调节器的输出端产生一恒定的输出电压，其特征在于，包括，第一控制电路，恒定时间发生电路、第二控制电路，其中， 所述第一控制电路用以比较接收到的第一电压信号和第一基准电压，产生第一控制信号; 所述第一电压信号与所述电压型调节器中的主功率开关管的占空比同相位； 所述恒定时间发生电路用以根据所述输出电压和所述电压型调节器的输入电压产生一;〖亘定时间信号； 所述第二控制电路用以比较接收到的所述第一电压信号和第二基准电压，产生第二控制信号； 在第一工作状态时，所述恒定时间信号和所述第二控制信号控制所述电压型调节器的主功率开关管的开关状态； 在第二工作状态时，所述第一控制信号和所述第二控制信号控制所述主功率开关管的开关状态。
8.根据权利要求7所述的电压型调节器的控制电路，其特征在于，还包括纹波信号发生电路，所述纹波信号发生电路接收所述电压型调节器的开关节点电压，以据以产生所述纹波信号；所述纹波信号与表征所述输出电压的反馈信号叠加，以产生所述第一电压信号。
9.根据权利要求7 所述的电压型调节器的控制电路，其特征在于，还包括一逻辑电路，所述逻辑电路接收所述第一控制信号，所述恒定时间信号和所述第二控制信号，以产生控制信号来控制所述主功率开关管的开关状态。
10.根据权利要求7所述的电压型调节器的控制电路，其特征在于，在每一开关周期内，当所述第一电压信号小于所述第二基准电压时，开始导通所述主功率开关管。
11.根据权利要求10所述的电压型调节器的控制电路，其特征在于，在第一工作状态时，所述恒定时间信号控制所述主功率开关管的导通时间为一恒定值，所述导通时间与所述输出电压和所述输入电压的比值成正比例关系；经过所述导通时间后，关断所述主功率开关管。
12.根据权利要求10所述的电压型调节器的控制电路，其特征在于，在第二工作状态时，当所述第一电压信号上升至所述第一基准电压时，关断所述主功率开关管。
13.根据权利要求7所述的电压型调节器的控制电路，其特征在于，在每一开关周期内，当所述第一电压信号大于所述第二基准电压时，开始关断所述主功率开关管。
14.根据权利要求13所述的电压型调节器的控制电路，其特征在于，在第一工作状态时，所述恒定时间信号控制所述主功率开关管的关断时间为一恒定值，所述关断时间与所述输入电压与所述输出电压之间的差值和所述输入电压的比值成正比例关系；经过所述关断时间后，导通所述主功率开关管。
15.根据权利要求13所述的电压型调节器的控制电路，其特征在于，在第二工作状态时，当所述第一电压信号下降至所述第一基准电压时，导通所述主功率开关管。
全文摘要
本发明涉及一种电压型调节器的控制电路及其控制方法。依据本发明一实施例的电压型调节器的控制方法将表征输出电压的反馈信号和与占空比同相位的纹波信号进行叠加，以产生第一电压信号；通过第一电压信号与一上限基准电压和一下限基准电压的比较，以产生相应的比较信号；在第一工作状态时，通过恒定时间信号控制所述电压型调节器的主功率开关管的开关状态；在第二工作状态时，通过所述比较信号控制所述主功率开关管的开关状态。
文档编号H02M3/156GK103199703SQ20131011570
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者杭开郎, 孙良伟 申请人:矽力杰半导体技术(杭州)有限公司