功率变换器及其控制方法与流程

1.本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种功率变换器及其控制方法。


背景技术：

2.dc/dc开关电源电路应用于各个领域,其中功率变换器是dc/dc开关电源的重要组成部分。随着技术发展，dc/dc开关电源电路的功能愈来愈具有多样性和复杂性，功率变换器系统的输出功率也越来越大。
3.在dc/dc开关电源电路中，以升压型功率变换器(boost)为例，如图1所示，该升压型功率变换器100包括：连接在输入端vin与输出端vout之间的电感l和功率管m11、连接在电感l与地之间的功率管m12，以及连接功率管m11的控制电路110和驱动电路120，电感l与功率管m11之间具有连接节点sw，控制电路110根据采样功率管m11两端的压差(假定为v1)获得检测信号，以及根据该检测信号提供开关控制信号pwm，驱动电路120根据该开关控制信号pwm生成功率管m11的控制信号vg，其中，在输入端vin，负半周期的电感电流il由连接节点sw流向输出端vout，向输出端vout传递能量，电感电流il减小；而电感上的电流不能突变，所以当电感电流il小到过零时，将反向，由输出端vout流向连接节点sw，此时的反灌电流会降低该功率变换器的效率。
4.为了提升功率变换器的效率，当电感电流il较小且接近零，但还没达到零时，即检测电压v1＝il*ron《v0(预设电压)，将功率管m11关断，其中ron为功率管m11的导通阻抗。而对于导通阻抗较小的芯片，检测电压v1很小，例如：il＝100ma，ron＝8mohm，v1＝0.8mv。对于检测电路110中用来比较v1和v0的比较器来说，通常比较器的自身失调电压(vos)就有1mv，根本无法对0.8mv的压差进行准确判断，且当预设电压v0比较小时，比较器的过驱动电压也比较小，导致比较器的翻转速度较慢，延迟时间较长，也会导致未能及时关断上管产生反灌电流，而降低功率变换器的效率。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本公开提供了一种功率变换器及其控制方法，可以提高输出功率的检测精度，并提高该功率变换器的效率。
6.一方面本公开提供的一种功率变换器，该功率变换器包括彼此连接的功率开关管和电感，与该功率开关管连接的控制电路，该控制电路提供开关控制信号，用于控制该功率开关管的工作，使得电感充电和放电产生电感电流，从而提供输出电流，其中，该功率开关管至少包括：
7.第一功率开关管，连接于电感与该功率变换器输出端之间；
8.第二功率开关管，并联连接在该第一功率开关管的两端；
9.第三功率开关管，位于电感和第一功率开关管的连接节点与地之间，
10.该功率变换器工作于负半周期，在前述输出电流减小至零前，该控制电路根据对该功率变换器的输出采样生成的控制信号和前述开关控制信号的逻辑控制生成的占空比
调节信号，控制连接在前述连接节点与该功率变换器输出端之间的功率开关管的通断状态。
11.优选地，取自所述功率变换器的电压环路的环路控制信号小于或等于第一预设阈值，前述第一功率开关管和前述第二功率开关管的其中之一处于导通状态；
12.电压检测信号小于或等于第二预设阈值，前述第一功率开关管和前述第二功率开关管均处于关断状态，该电压检测信号用以表征前述输出电流在前述第一功率开关管两端产生的压降，
13.且前述第二预设阈值为正数。
14.优选地，前述控制信号至少包括第一控制信号和第二控制信号；
15.且前述控制电路包括：
16.第一检测单元，用于根据取自该功率变换器的电压环路的环路控制信号与前述第一预设阈值的比较结果，提供前述第一控制信号；
17.采样单元，用于根据前述连接节点与该功率变换器输出端之间的压差生成前述的电压检测信号；
18.第二检测单元，与前述采样单元的输出端连接，用于根据该电压检测信号与前述第二预设阈值的比较结果，提供前述第二控制信号；
19.逻辑控制单元，该逻辑控制单元分别与前述第一检测单元的输出端和前述第二检测单元的输出端连接，用于根据对前述第一控制信号、第二控制信号和开关控制信号的逻辑控制，生成占空比调节信号，使该功率变换器工作在负半周期时，以该占空比调节信号控制前述第一功率开关管和/或前述第二功率开关管的关断。
20.优选地，前述第一检测单元包括：
21.第一比较器，该第一比较器的同相输入端接入前述环路控制信号，反相输入端接入前述第一预设阈值，输出端提供前述第一控制信号，
22.且该环路控制信号用于表征在负半周期工作的所述功率变换器轻载或重载。
23.优选地，前述第二检测单元包括：
24.第二比较器，该第二比较器的同相输入端连接前述采样单元的输出端接入前述的电压检测信号，反相输入端接入前述的第二预设阈值，输出端用以提供前述第二控制信号。
25.优选地，前述控制电路还包括：
26.驱动电路，该驱动电路和前述控制电路的输出端连接，用于增强前述占空比调节信号的驱动能力并分别输出到前述第一功率开关管的控制端和第二功率开关管的控制端。
27.优选地，前述的第一功率开关管、第二功率开关管和第三功率开关管的其中任一为n型金属氧化物半导体场效应晶体管。
28.另一方面本公开还提供了一种功率变换器的控制方法，该功率变换器包括彼此连接的功率开关管和电感，以及与功率开关管连接的控制电路，该控制电路提供开关控制信号，用于控制前述功率开关管的工作，使得电感充电和放电产生电感电流，从而提供输出电流，其中，该控制方法包括：
29.在该功率变换器工作于负半周期时，前述输出电流减小至零前，根据对该功率变换器的输出采样生成的控制信号和前述开关控制信号的逻辑控制生成的占空比调节信号，控制连接在前述连接节点与该功率变换器输出端之间的功率开关管的通断。
30.优选地，前述控制信号至少包括第一控制信号和第二控制信号；
31.且前述根据该功率变换器的输出采样生成的控制信号和所述开关控制信号的逻辑控制生成的占空比调节信号，控制连接在前述连接节点与该功率变换器输出端之间的功率开关管的通断的步骤包括：
32.根据对取自所述功率变换器的电压环路的环路控制信号与前述第一预设阈值的比较结果，提供该第一控制信号，该环路控制信号用于表征在负半周期工作的所述所述功率变换器轻载或重载；
33.根据前述连接节点与该功率变换器输出端之间的压差生成电压检测信号，并根据该电压检测信号与前述第二预设阈值的比较结果，提供该第二控制信号，该电压检测信号用以表征前述输出电流在前述第一功率开关管两端产生的压降；
34.根据对前述第一控制信号、第二控制信号和前述开关控制信号的逻辑控制，生成前述的占空比调节信号，并在负半周期前述输出电流减小至零前，以该占空比调节信号控制前述第一功率开关管和/或前述第二功率开关管的导通关断。
35.优选地，前述以该占空比调节信号控制前述第一功率开关管和/或前述第二功率开关管的关断的步骤包括：
36.在前述环路控制信号小于前述第一预设阈值，以前述占空比调节信号控制前述第一功率开关管和前述第二功率开关管的其中之一导通；
37.在前述电压检测信号小于前述第二预设阈值，以前述占空比调节信号控制前述第一功率开关管和前述第二功率开关管均关断，
38.并且前述第二预设阈值为正数。
39.本发明的有益效果是：本公开提供了一种功率变换器及其控制方法，该功率变换器包括彼此连接的功率开关管和电感，以及与该功率开关管连接的控制电路，且该功率开关管至少包括：连接于前述电感与该功率变换器输出端之间的第一功率开关管、并联连接在与该第一功率开关管两端的第二功率开关管，以及位于前述电感和该第一功率开关管的连接节点与地之间的第三功率开关管，其中，该功率变换器工作于负半周期，在前述输出电流减小至零前，该控制电路根据对该功率变换器的输出采样生成的控制信号和前述开关控制信号的逻辑控制生成的占空比调节信号，控制连接在前述连接节点与该功率变换器输出端之间的功率开关管的通断状态。该功率变换器在输出功率(输出电流)的检测时，利用并联的两个功率开关管降低输出端的导通阻抗，以扩展输出电流的检测精度范围，在该输出电流减小还没达到零时，通过检测信号和两级预设阈值的判断结果及时关断连接在前述电感与该功率变换器输出端之间的功率开关管，提高在输出端小电流的精确检测，具体的，在通过系统反馈(电压环路)获知该功率变换器在轻载时(环路控制信号小于第一预设阈值)，控制第一功率开关管和第二功率开关管的其中之一导通，以增大输出端的导通阻抗，而后对第二功率开关管(或第一功率开关管)两端压差进行采样，在输出电流减小到满足预设条件时(电压检测信号小于或等于第二预设阈值)，快速响应再将导通的第二功率开关管(或第一功率开关管)关断，以此改善现有技术中因检测精度低，系统响应速度较慢而未能及时关断功率开关管，造成反灌电流的产生以至降低功率变换器效率的情况。由此提高了该功率变换器输出功率的检测精度，也提高了该功率变换器的效率。
40.此外，本公开所提供的功率变换器并不限于一种类型的拓扑结构，而是可以应用
于任意合适的拓扑类型，包括但不限于降压变换器(buck)，升压变换器(boost)、反激变换器(flyback)和降压-升压变换器(buck-boost)，适用性强，可靠性高。
附图说明
41.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
42.图1示出现有技术公开的一种升压型功率变换器的结构示意图；
43.图2示出本公开实施例提供的一种升压型功率变换器的结构示意图；
44.图3示出图2所示功率变换器中控制电路的结构示意图；
45.图4示出本公开实施例提供的一种功率变换器的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
46.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本公开较佳的实施例。但是，本公开可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本公开内容的理解更加透彻全面。
47.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
48.在各个实施例中，本公开提供或实现了在具有高精度，高速度以及良好的瞬态导通-关断特性的功率变换器系统(例如直流-直流变换器)的功率器件中检测输出电流(电感电流)的改进技术。不像某些在先形成的技术，根据本发明实施例的技术不需要精确的检测电阻器、可以高速运行、并且具有良好的瞬态特性，这样使得它们非常适于高频功率变换。各个实施例中的电流检测技术可用于各种功能或特性，例如功率变换器系统中的电流模式控制或电流保护。
49.下面，参照附图对本发明进行详细说明。
50.图2示出本公开实施例提供的一种升压型功率变换器的结构示意图，图3示出示出图2所示功率变换器中控制电路的结构示意图。
51.一方面本公开实施例提供了一种功率变换器，该功率变换器例如可应用在dc/dc开关电源电路中。该功率变换器以boost为例，参考图2和图3，功率变换器200包括位于输入端vin与输出端vout之间的：彼此连接的功率开关管和电感l21，以及与该功率开关管连接的控制电路210，该控制电路210提供开关控制信号pwm，用于控制该功率开关管的工作，使得电感l21充电和放电产生电感电流，从而提供输出电流，其中，该功率开关管至少包括：连接于电感l21与该功率变换器200的输出端vout之间的第一功率开关管m21、并联连接在该第一功率开关管m21两端的第二功率开关管m22和位于电感l21和第一功率开关管m21的连接节点sw与地之间的第三功率开关管m23，
52.并且该功率变换器200工作于负半周期时，在前述输出电流减小至零前，该控制电路210能根据对该功率变换器200的输出采样生成的控制信号和前述开关控制信号pwm的逻辑控制生成的占空比调节信号drc，控制连接在前述连接节点sw与该功率变换器200的输出端vout之间的功率开关管(m21和/或m22)的通断状态。
53.进一步地，该第一功率开关管m21、第二功率开关管m22和第三功率开关管m23的其中任一为金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，mosfet)，在本实施例中，该第一功率开关管m21、第二功率开关管m22和第三功率开关管m23均为nmos管(下文中对应简称为m21、m22和m22)。
54.在本实施例中，取自该功率变换器200中电压环路230的环路控制信号vea小于或等于第一预设阈值，m21和m22的其中之一处于导通状态；电压检测信号v1小于或等于第二预设阈值，m21和m22均处于关断状态，
55.其中，前述的第二预设阈值为正数，该电压检测信号用以表征前述输出电流在m21两端产生的压降，且该环路控制信号vea较高时，表征该功率变换器200重载；该环路控制信号vea较低时，表征该功率变换器200轻载。
56.参考图3，前述控制电路210包括但不限于：第一检测单元211、第二检测单元212、逻辑控制单元213和采样单元214。
57.其中，第一检测单元211用于根据取自该功率变换器200中电压环路230的环路控制信号vea与前述第一预设阈值vref1的比较结果，提供前述的第一控制信号ea_h；
58.采样单元214的输入端分别连接在前述的连接节点sw与该功率变换器200的输出端vout上，用以提供电压检测信号v1，而该电压检测信号v1用以表征前述输出电流在m21两端产生的压降；
59.第二检测单元212用于根据该电压检测信号v1与前述第二预设阈值vref2的比较结果，提供第二控制信号vc；
60.逻辑控制单元213的三个输入端分别与第一检测单元211的输出端、第二检测单元212的输出端和前述电压环路230连接，用于根据对第一控制信号ea_h、第二控制信号vc和电压环路230提供的开关控制信号pwm的逻辑控制，生成占空比调节信号drc，以该占空比调节信号drc控制m21和/或m22的导通关断；
61.进一步地，在本实施例中，该功率变换器200还包括驱动电路220，该驱动电路220和控制电路210的输出端连接，用于增强占空比调节信号drc的驱动能力并分别输出成m21控制端接收的vg1和m22控制端接收的vg2。
62.进一步地，该第一检测单元211至少包括比较器2111，该比较器2111的同相输入端接入前述的环路控制信号vea，反相输入端接入第一预设阈值vref1，输出端提供第一控制信号ea_h。
63.其中，该环路控制信号vea用于表征该输出电流的大小，该环路控制信号vea是取自dc/dc开关电源系统的电压环路230中。在功率变换器200工作在负半周期，环路控制信号vea较高且大于前述的第一预设阈值vref1时，则输出的该第一控制信号为ea_h＝h，为高电平状态；环路控制信号vea较低且小于或等于前述的第一预设阈值vref1，则输出的该第一控制信号为ea_h＝l，为低电平状态。
64.进一步地，该第二检测单元212至少包括比较器2121，其中，该比较器2121的同相输入端连接在采样单元214的输出端，接入前述的电压检测信号v1，反向输入端接入前述的第二预设阈值vref2，根据该电压检测信号v1与前述的第二预设阈值vref2进行比较，生成第二控制信号vc。
65.进一步地，该逻辑控制单元213例如可以根据检测该功率变换器的工作模式对其
进行控制，例如在功率变换器200工作在正半周期时，该逻辑控制单元213仅根据前述电压环路230提供的开关控制信号pwm进行工作，输入的该第一控制信号ea_h和第二控制信号vc无效，此时的该占空比调节信号drc与该开关控制信号pwm相同；在功率变换器200工作在负半周期时，该逻辑控制单元213输入的该第一控制信号ea_h和第二控制信号vc有效，并在前述输出电流减小至零前，根据该第一控制信号ea_h、第二控制信号vc和开关控制信号pwm的逻辑控制提供该该占空比调节信号drc，控制连接在前述连接节点sw与该功率变换器200的输出端vout之间的功率开关管(m21和/或m23)的通断状态。
66.在一具体实施例中，当功率变换器200在正半周期工作时，m23导通，m21/m22关断；
67.当功率变换器200工作在负半周期时，输出电流iout由连接节点sw流向功率变换器200的输出端vout，向负载传递能量，输出电流iout减小：
68.1)当环路控制信号vea较高且大于前述的第一预设阈值vref1，第一控制信号ea_h＝h，为高电平状态，通过逻辑控制，使得驱动电路220控制m21和m22均处于导通状态，此时两个功率开关管同时导通，导通阻抗较小(假定两管同时导通时等效的导通阻抗为8mohm)；
69.2)当环路控制信号vea较低且小于或等于前述的第一预设阈值vref1，第一控制信号ea_h＝l，为低电平状态，通过与高电平状态的第二控制信号vc和开关控制信号pwm的逻辑控制生成占空比调节信号drc，利用该占空比调节信号drc使得驱动电路220控制m21和m22的其中之一处于导通状态，此时仅单个功率开关管导通，导通阻抗较大(此时单管导通时等效的的导通阻抗例如为30mohm)；
70.3)在输出电流iout减小且还没达到零时，通过检测信号和预设阈值的判断结果，将前述导通的功率开关管(m21或m22)关断。
71.本公开实施例中主要涉及的是第一控制信号ea_h＝l即为低电平状态的情况，以下以第一控制信号ea_h为低电平状态为例进行说明。
72.具体的，当环路控制信号vea与第一预设阈值vref1比较生成的第一控制信号ea_h为低电平状态时，将m22关断，仅维持m21的导通，以增大输出端vout的导通阻抗。
73.假定该功率变换器200输出电流iout的临界值为100ma，则对应的第二功率开关管m22两端压降(即电压检测信号v1)的临界值，即第二预设阈值vref2为：
74.vref2＝30mohm*100ma＝3mv
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(1)
75.若此时导通阻抗为30mhom，iout＝300ma，则电压检测信号：
76.v1＝30mohm*300ma＝9mv
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(2)
77.9mv》3mv，故v1》vref2，该电压检测信号v1大于第二预设阈值vref2，第二比较器2121输出不翻转，维持高电平；
78.随着输出电流iout的继续减小，继续对第二功率开关管m22两端压差进行采样，在输出电流iout减小到满足预设条件时(电压检测信号v1减小至第二预设阈值vref2)，则输出的第二控制信号vc输出翻转成低电平，快速响应利用第二控制信号vc参与生成的占空比调节信号drc将m22关断，且维持m21的关断状态，以此改善现有技术中检测精度低和响应速度较慢的情况。
79.由此提高了对该功率变换器200输出功率的检测精度，提高功率变换器200对负载端动态变化的响应速度。
80.此外，本公开所提供的功率变换器200并不限于一种类型的拓扑结构，而是可以应
用于任意合适的拓扑类型，包括但不限于降压变换器(buck)，升压变换器(boost)、反激变换器(flyback)和降压-升压变换器buck-boost，适用性强，可靠性高。
81.在本公开的实施例中，功率变换器200的全部或部分可在单个或者多个半导体管芯(通常称为“芯片”)或者离散元件上实现。每个管芯是例如由硅或者其他合适的材料形成的单片结构。对于采用多个管芯或者元件的实施方式，这些管芯和元件可组装在共享的封装体上从而形成模块，或者组装在印刷电路板(pcb)上，该印刷电路板具有其间进行信号通信的各种轨迹。在一个实施例中，例如，具有集成的控制电路210、第一功率开关管m21、第二功率开关管m22和第三功率开关管m23的集成dc-dc降压变换器可以实现在单个芯片或管芯上，像电感l和电容这样的剩余元件可作为离散元件实现在pcb上。
82.另一方面本发明还提供了一种功率变换器的控制方法，应用于上述实施例提供的功率变换器200，该功率变换200包括彼此连接的功率开关管和电感l21，以及与功率开关管连接的控制电路210，该控制电路210提供开关控制信号pwm，用于控制前述功率开关管的工作，使得电感l21充电和放电产生电感电流，从而提供输出电流，其中，该控制方法包括：
83.在该功率变换器工作的负半周期，前述输出电流减小至零前，根据对该功率变换器的输出采样生成的控制信号和前述开关控制信号pwm的逻辑控制生成的占空比调节信号drc，控制连接在前述连接节点sw与该功率变换器输出端vout之间的功率开关管(m22和/或m23)的通断。
84.图4示出本公开实施例提供的一种功率变换器的控制方法的流程示意图。
85.参考图4，应用有该控制方法的功率变换器以上述实施例中的功率变换器200为例，该控制方法具体包括：
86.步骤s110：自该功率变换器的电压环路中获取环路控制信号，根据该环路控制信号与第一预设阈值的比较结果，提供第一控制信号。
87.在步骤s110中，利用第一检测单元211从功率变换器200的电压环路230中获取环路控制信号vea，再通过该环路控制信号vea获知该功率变换器200在轻载时，即环路控制信号vea小于或等于第一预设阈值vref1，生成低电平的第一控制信号ea_h，而后利用该第一控制信号ea_h与开关控制信号pwm参与生成的占空比调节信号drc控制m21和m22的其中之一导通。
88.步骤s120：获取连接在前述连接节点与该功率变换器输出端之间的功率开关管两端的电压检测信号，根据该电压检测信号与第二预设阈值的比较结果，提供第二控制信号。
89.在步骤s120中，随着输出电流iout的减小，利用第二检测单元212继续对m21两端压差进行采样，在输出电流iout减小到满足预设条件时(电压检测信号v1小于或等于第二预设阈值vref2)，生成低电平的第二控制信号vc，利用该第二控制信号vc与前述的第一控制信号ea_h和开关控制信号pwm逻辑控制生成的占空比调节信号drc，用以控制m21和m22均关断。
90.其中，第二预设阈值vref2为正数。
91.步骤s130：根据对前述第一控制信号、第二控制信号和前述开关控制信号的逻辑控制，生成占空比调节信号。
92.在步骤s130中，该功率变换器200工作的负半周期，前述的输出电流iout减小至零前，根据对该功率变换器200的输出检测生成第一控制信号ea_h和第二控制信号vc，再利用
控制电路210中的逻辑控制单元213对第一控制信号ea_h、第二控制信号vc和开关控制信号pwm的逻辑控制，生成前述的占空比调节信号drc，该占空比调节信号drc用于控制第一功率开关管m21和/或第二功率开关管m22的通断状态。
93.步骤s140：将该占空比调节信号时序控制分别输出至前述连接于电感与功率变换器输出端之间的功率开关管的控制端。
94.在步骤s140中，利用驱动电路220将该占空比调节信号drc时序控制分别输出成m21控制端接收的第一开关信号vg1和m22控制端接收的第二开关信号vg2，且该占空比调节信号drc决定了该第一开关信号vg1的导通周期和该第二开关信号vg2的导通周期，以完成在功率变换器200工作在负半周期时，当输出电流iout减小到还没达到零前，快速响应将m21和m22相继关断，由此提升该功率变换器200的效率。
95.综上所述，本公开提供的功率变换器及其控制方法，能在功率变换器200工作在负半周期向负载输出端vout输出功率过程中，当输出电流iout减小至接近零却还没达到零前，通过检测信号和两级预设阈值的判断结果及时关断连接在前述电感与该功率变换器输出端之间的m21和m22，提高在输出端小电流的精确检测，提高响应速度，以此改善现有技术中因检测精度低，系统响应速度较慢而未能及时关断功率开关管，造成反灌电流的产生以至降低功率变换器效率的情况。由此提高了该功率变换器输出功率的检测精度，也提高了该功率变换器200的效率。
96.应当说明的是，在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
97.此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
98.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本公开所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本公开的保护范围之中。