本发明涉及电子电路，尤其涉及电压变换器及其控制器和控制方法。
背景技术：
随着消费类电子产品市场的迅速发展，便携式电子产品不断向小型化、轻型化转变，对其兼容性的要求也越来越高。这就要求尽可能地提高此类产品供电模块的转换效率，减小功耗，并使其能适用不同输出电压和不同负载能力的供电电源。能在宽输入范围下工作的升降压变换器，例如图1所示的传统四开关升降压变换器，被广泛用于此类场合。
为了保护变换器的供电电源，通常会对变换器的输入电流进行限制，例如使其保持在某一恒定阈值以下。然而，面对不同的供电电源，如何设置合理的电流阈值成为了一项考验。
技术实现要素：
根据本发明实施例的一种电压变换器的控制器。该电压变换器包括储能元件和耦接至储能元件的主晶体管，将输入电压转换为输出电压。该控制器包括：输入欠压检测电路，检测输入电压是否小于输入欠压阈值，并产生输入欠压指示信号；输出欠压检测电路，检测输出电压是否小于输出欠压阈值，并产生输出欠压指示信号；电流阈值产生电路，耦接至输入欠压检测电路与输出欠压检测电路，基于输入欠压指示信号与输出欠压指示信号，产生电流阈值；电流比较电路，将流过储能元件的电流与电流阈值进行比较，产生电流比较信号；以及控制电路，耦接至电流比较电路，根据电流比较信号产生控制信号以控制主晶体管。
根据本发明的实施例还提供了一种电压变换器，包括如前所述的控制器。
根据本发明实施例的一种电压变换器的控制方法，包括：检测输入电压是否小于输入欠压阈值，并产生输入欠压指示信号；检测输出电压是否小于输出欠压阈值，并产生输出欠压指示信号；基于输入欠压指示信号与输出欠压指示信号，产生电流阈值；将流过储能元件的电流与电流阈值进行比较，产生电流比较信号；以及根据电流比较信号产生控制信号以控制主晶体管。
根据本发明实施例的一种电压变换器的控制方法，该电压变换器包括储能元件和耦接至储能元件的主晶体管，将输入电压转换为输出信号，该控制方法包括：检测输入电压是否小于第一阈值，并产生第一指示信号；检测输出信号是否小于第二阈值，并产生第二指示信号；基于第一指示信号与第二指示信号，产生电流阈值；将流过储能元件的电流与电流阈值进行比较，产生电流比较信号；以及根据电流比较信号产生控制信号以控制主晶体管。
本发明的实施例中，输入电压和输出电压分别被用作与对应欠压阈值进行比较以判断是否出现输入欠压与输出欠压，然后根据判断结果对电流阈值进行调节，从而适应电压变换器在不同输入电压下的限流需求。
附图说明
图1为传统四开关升降压变换器的电路原理图；
图2为根据本发明一实施例的升降压变换器200的示意性框图；
图3为根据本发明一实施例的升降压变换器的控制器的电路原理图；
图4为根据本发明一实施例的图3所示控制器的工作流程图；
图5为根据本发明一实施例的控制电路205b的电路原理图；
图6为根据本发明一实施例的电压变换器控制方法的流程图。
具体实施方式
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。
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。
对于适用不同供电电源的电压变换器而言，传统采用的单一恒定的电流阈值并不能满足实际需求。若该电流阈值设置得过大，则供电电源可能会因过载而无法正常工作。如该电流阈值设置得过小，则供电电源提供的能量可能无法足以使变换器维持稳定的输出电压。对此，本发明的实施例提出可变的电流阈值，该电流阈值可以根据变换器输入电压和输出电压的状态进行调节，从而适应不同供电电源的保护需求。
图2为根据本发明一实施例的升降压变换器200的示意性框图。该升降压变换器200包括晶体管s1～s4、电感器l、输出电容器cout以及控制器。晶体管s1具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至供电电源以接收输入电压vin。晶体管s2具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至晶体管s1的第二端，第二端接地。电感器l具有第一端和第二端，其中第一端耦接至晶体管s1的第二端和晶体管s2的第一端。晶体管s3具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器l的第二端，第二端接地。晶体管s4具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至电感器l的第二端和晶体管s3的第一端，第二端耦接至负载以提供输出电压vout。输出电容器cout耦接在晶体管s4的第二端和地之间。晶体管s1～s4可以是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。
控制器包括输入欠压检测电路201、输出欠压检测电路202、电流阈值产生电路203、电流比较电路204以及控制电路205。输入欠压检测电路201检测输入电压vin是否小于输入欠压阈值vin_th，并产生输入欠压指示信号vin_uv。输出欠压检测电路202检测输出电压vout是否小于输出欠压阈值vo_th，并产生输出欠压指示信号vo_uv。电流阈值产生电路203耦接至输入欠压检测电路201与输出欠压检测电路202，基于输入欠压指示信号vin_uv与输出欠压指示信号vo_uv，产生电流阈值i_th。电流比较电路204将流过电感器l的电流il与电流阈值i_th进行比较，产生电流比较信号cmpo。控制电路205耦接至电流比较电路204，根据电流比较信号cmpo产生控制信号ctrl1以控制晶体管s1。例如，在电流il大于电流阈值i_th时将晶体管s1关断，以达到限制变换器输入电流的目的。
在一个实施例中，控制器还包括输入阈值产生电路206，该输入阈值产生电路206接收输入电压vin的额定值vin_nominal，并据之产生输入欠压阈值vin_th。输入电压额定值vin_nominal可以通过在晶体管s1关断时采样输入电压vin来取得。输入欠压阈值vin_th一般与输入电压额定值vin_nominal成比例，例如等于vin_nominal*80％。
在一个实施例中，供电电源为恒压源，其输出电压，也就是升降压变换器200的输入电压vin在正常工作情况下基本稳定在一恒定值。升降压变换器200基于输出电压vout和参考电压vref控制晶体管s1-s4的导通与关断，使得提供至负载的输出电压vout在正常工作情况下也基本稳定在一恒定值，例如5v。
若输入电压vin小于输入欠压阈值vin_th，意味着当前负载功率需求已超出变换器供电电源的供电能力，电流阈值产生电路203将电流阈值i_th减小，以减小输入电流i_in继而减小输入功率。若输出电压vout小于输出欠压阈值vo_th，意味着当前输入功率无法满足变换器负载的功率需求，电流阈值产生电路203将电流阈值i_th增大，以增大输入电流i_in继而增大输入功率。
图3为根据本发明一实施例的升降压变换器的控制器的电路原理图。其中输入阈值产生电路206a包括耦接在输入电压额定值vin_nominal与参考地之间的电阻分压电路。输入欠压检测电路201a包括比较器com1，该比较器com1的同相输入端耦接至输入阈值产生电路206a以接收输入欠压阈值vin_th，反相输入端接收输入电压vin，输出端提供输入欠压指示信号vin_uv。输出欠压检测电路202a包括比较器com2，该比较器com2的同相输入端接收输出欠压阈值vo_th，反相输入端接收输出电压vout，输出端提供输出欠压指示信号vo_uv。
电流阈值产生电路203a采用二分法来调节电流阈值i_th，包括二分法处理单元231和数模转换电路(dac)232。二分法处理单元231基于输入欠压指示信号vin_uv和输出欠压指示信号vo_uv对阈值上限ith_upper与阈值下限ith_lower进行调节，并根据阈值上限ith_upper与阈值下限ith_lower之和的一半来计算阈值当前值ith_pres,即
数模转换电路232对阈值当前值ith_pres进行数模转换，生成电流阈值i_th。
在一个实施例中，在电流阈值调节的最初，阈值上限ith_upper和阈值当前值ith_pres被设置为初始最大值，阈值下限ith_lower被设置为0。随后，基于输入欠压指示信号vin_uv和输出欠压指示信号vo_uv进行阈值调节。若输入电压vin小于输入欠压阈值vin_th，二分法处理单元231使阈值上限ith_upper等于阈值当前值ith_pres，并维持阈值下限ith_lower不变，然后根据公式(1)计算新的阈值当前值ith_pres。若输出电压vout小于输出欠压阈值vo_th，二分法处理单元231使阈值下限ith_lower等于电流阈值当前值ith_pres，并维持阈值上限ith_upper不变,然后根据公式(1)计算新的阈值当前值ith_pres。
电流比较电路204a包括比较器com3，该比较器com3的同相输入端接收电流阈值i_th，反相输入端接收电感电流il，输出端提供电流比较信号cmpo。控制电路205a包括脉冲调制电路251和逻辑门电路252。脉冲调制电路251基于输出电压vout和参考电压vref产生脉冲信号g1～g4。脉冲调制电路251可以是常见的脉冲宽度调制电路或脉冲频率调制电路，也可以采用任何合适的控制方法，例如定频峰值电流控制、平均电流控制、关断时间控制等。脉冲调制电路251产生的脉冲信号g1～g4分别用于控制晶体管s1～s4。一般而言，忽略死区时间的影响，脉冲信号g1与g2互补，g3与g4互补。逻辑门电路252具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至电流比较电路204a的输出端，第二输入端耦接至脉冲调制电路251以接收脉冲信号g1,输出端提供控制信号ctrl1以控制晶体管s1。
在一些实施例中，逻辑门电路252包括与门and1，其连接如图3所示。当电感电流il大于电流阈值i_th时，电流比较信号cmpo为低电平。此时，无论脉冲调制电路251输出的脉冲信号g1状态如何，与门and1输出的控制信号ctrl1都将为低电平，使晶体管s1保持关断。
图3所示的实施例中，为了叙述简便，输入电压vin、输出电压vout、电感电流il被直接用作信号比较，但本领域技术人员可知，在实际应用中，可以对输入电压vin、输出电压vout和电感电流il分别进行采样，然后将采样所得信号分别与对应阈值进行比较。此外，对电感电流il的采样可以通过采样流过晶体管s1的电流来实现。
图4为根据本发明一实施例的图3所示控制器的工作流程图，包括步骤s401～s412。
在步骤s401，电压变换器上电启动，阈值上限ith_upper和阈值当前值ith_pres均被设置为初始最大值ith_max_init，阈值下限ith_lower和输入欠压标识flag均被设置为0。
在步骤s402，将晶体管s1关断，通过采样电压变换器的输入电压vin获取输入电压额定值vin_nominal，并根据输入电压额定值vin_nominal产生输入欠压阈值vin_th。一般而言，输入欠压阈值vin_th与输入电压额定值vin_nominal呈比例。
在步骤s403，根据输出电压vout与参考电压vref控制晶体管s1～s4，以将vout调节至与参考电压vref相等。可以采用各种合适的控制方法，例如定频峰值电流控制、平均电流控制、关断时间控制等。
在步骤s404，将输入电压vin与输入欠压阈值vin_th进行比较，以判断是否出现输入欠压。若输入电压vin小于输入欠压阈值vin_th，则判断出现输入欠压，进入步骤s405；否则，进入步骤s409。
在步骤s405，输入欠压标识flag被置位为1，阈值上限ith_upper被设置为与阈值当前值ith_pres相等。此时阈值下限ith_lower维持原有值不变。
在步骤s406，根据公式(1)计算新的阈值当前值ith_pres。
在步骤s407，判断阈值上限ith_upper是否等于阈值下限ith_lower与1(1lsb，leastsignificantbit,最低有效位)之和。若是，则进行至步骤s408，意味着对电流阈值的调节已完成；若否，则返回步骤s404，继续进行电流阈值调节。
在步骤s409，将输出电压vout与输出欠压阈值vo_th进行比较，以判断是否出现输出欠压。若输出电压vout小于输出欠压阈值vo_th，则判断出现输出欠压，进入步骤s410；否则，返回步骤s404。
在步骤s410，判断输入欠压标识flag是否为1。若是，则意味着之前出现过输入欠压情况，此时进入步骤s412；否则，意味着之前未出现过输入欠压情况，进入步骤s411。
在步骤s411，将阈值上限ith_upper设置为阈值当前值ith_pres的两倍，并将并将阈值下限ith_lower设置为与阈值当前值ith_pres相等。随后，进入步骤s406以根据公式(1)计算新的阈值当前值ith_pres。
在步骤s412，将阈值下限ith_lower设置为与阈值当前值ith_pres相等，此时阈值上限ith_upper维持原有值不变。随后，进入步骤s406以根据公式(1)计算新的阈值当前值ith_pres。
图3所示实施例中采用了电流峰值限流方式，在电感电流il大于一较高阈值时使晶体管s1保持关断。然而，本领域技术人员可以理解，这并不用于限制本发明，本发明也适用于电流谷值限流方式，即在电感电流il下降至小于一较低阈值时，控制电路方可以根据输出电压vref和参考电压vout将晶体管s1由关断变为导通。
图5为根据本发明一实施例的控制电路205b的电路原理图，包括信号产生电路253、与门and2以及rs触发器ff1。信号产生电路253基于输出电压vout和参考电压vref产生导通信号on和关断信号off。与门and2的两个输入端分别接收电流比较信号cmpo和导通信号on。触发器ff1的置位端s耦接至与门and2的输出端，复位端r耦接至信号产生电路251以接收关断信号off，输出端q提供控制信号ctrl1以控制晶体管s1。
信号产生电路253可以基于恒定导通时间控制方式或其它合适的控制方式来产生导通信号on和关断信号off。对于图5所示的控制电路205b而言，只有在电感电流il小于电流阈值i_th，使电流比较信号cmpo为高电平时，导通信号on方有可能通过与门and2和触发器ff1使控制信号ctrl1由低电平变换为高电平，从而使晶体管s1由关断变为导通。否则，若电感电流il大于电流阈值i_th，电流比较信号cmpo为低电平，与门and2的输出信号将维持低电平，从而不会触发控制信号ctrl1产生由低到高的变化。
图6为根据本发明一实施例的电压变换器控制方法的流程图，包括步骤s621～s625。
在步骤s621，检测输入电压vin是否小于输入欠压阈值vin_th，并产生输入欠压指示信号vin_uv。
在步骤s622，检测输出电压vout是否小于输出欠压阈值vo_th，并产生输出欠压指示信号vo_uv。
在步骤s623，基于输入欠压指示信号vin_uv与输出欠压指示信号vo_uv，产生电流阈值i_th。
在一个实施例中，步骤s623包括：若输入电压vin小于输入欠压阈值vin_th，将电流阈值i_th减小；以及若输出电压vout小于输出欠压阈值vo_th，将电流阈值i_th增大。步骤s623可以采用二分法，基于输入欠压指示信号vin_uv和输出欠压指示信号vo_uv对阈值上限与阈值下限进行调节，并根据阈值上限与阈值下限之和的一半来计算电流阈值i_th。
在步骤s624，将流过电感器的电流il与电流阈值i_th进行比较，产生电流比较信号cmpo。
在步骤s625，根据电流比较信号cmpo产生控制信号ctrl1以控制晶体管s1。在一个实施例中，步骤s625包括：在电感电流il大于电流阈值i_th时，使晶体管s1维持关断；亦或在电感电流il小于电流阈值i_th时，方可根据输出电压vout和参考电压vref将晶体管s1由关断变为导通。
前述说明书中以四开关升降压变换器为例对本发明的电流阈值调节方案进行了介绍，然而本领域技术人员可以理解，这些实施例仅是为了说明的目的，而非用于限制本发明。本发明同样适用于其他的变换器拓扑结构，例如升压变换器、降压变换器、反激变换器、正激变换器等，只要其中包含储能元件(例如电感器或变压器)与耦接至储能元件的主晶体管即可。在主晶体管导通时，来自供电电源的能量被存储于储能元件之中，这些能量随后在主晶体管关断时被提供至负载。
在之前的实施例中，电压变换器均工作在恒压模式，基于输出电压和参考电压控制其内部晶体管的导通与关断，从而使提供至负载的输出电压在正常工作情况下基本稳定在一恒定值。然而，本领域技术人员可知，本发明同样也适用于恒流或者恒功率模式，使得正常情况下提供至负载的输出电流或输出功率基本恒定。在这些情况下，用于调节电流阈值的不再是指示输出电压是否小于输出欠压阈值的输出欠压指示信号，而是指示输出电流或输出功率是否小于相应阈值的输出欠流指示信号或输出欠功率指示信号。在输出电流或输出功率小于相应阈值时，将用作电流比较的电流阈值增大，从而增大变换器的输入功率，以向负载提供更多的能量。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。