开关变换器及其控制电路的制作方法

1.本发明涉及开关电源技术领域，更具体地，涉及一种开关变换器及其控制电路。


背景技术：

2.在电子系统中已经广泛地使用开关变换器，用于产生内部电路模块或者负载所需的工作电压和电流。开关变换器采用功率开关管控制输入端向输出端的电能传输，因而可以在输出端提供恒定的输出电压和/或输出电流。在开关变换器中，基于纹波的恒定导通时间控制方法具有良好的轻载效率、快速的瞬态响应和易于实现的优点，因而近年来得到广泛的应用。
3.图1示出根据现有技术的一种开关变换器的示意性电路图。开关变换器100包括主电路和控制电路，主电路包括串联连接在输入端和接地端之间的开关管m1和m2，电感lx连接在开关管m1和m2之间的开关节点sw和输出端之间，输入电容cin连接在输入端和接地端之间，输出电容cout连接在输出端和接地端之间。开关变换器100的输入端接收输入电压vin，输出端提供输出电压vout。电阻r1和r2组成的分压网络用于得到输出电压vout的反馈信号fb，电阻r3是输出电容cout的等效串联电阻(equivalent series resistance，esr)。开关管m1和m2例如分别被称为高侧开关管和低侧开关管，开关变换器100的控制电路用于向开关管m1和m2提供开关信号。
4.在开关变换器100的控制电路中，误差放大器130根据输出电压vout的反馈信号fb和参考电压vref得到误差信号vc，导通时间控制电路120根据误差信号vc产生具有固定导通时间的控制信号pluse，驱动电路110将控制信号pluse转换成开关信号以控制开关管m1和m2的导通状态。在控制信号pluse的高电平期间，开关管m1导通，开关管m2关断；在控制信号pluse的低电平期间，开关管m1关断，开关管m2导通。
5.现有的开关变换器100中的恒定导通时间控制器(cot)和恒定关断时间控制器(cft)需要使用输出电容的esr在输出电压vout上产生纹波信号，该纹波信号通过反馈端反馈到控制器内部比较器的输入端以用于控制器获取电感电流信息从而决定开关管的开启时机。如果使用低esr电容(例如陶瓷电容)作为输出电容，因为其等效串联电阻很小，所以输出电压vout和反馈信号fb的纹波也很小，甚至被视为直流信号，因此会在系统中发生次谐波震荡，可能会导致控制系统不稳定的问题。因此现有的开关变换器100的输出端只能使用esr较大的电容(例如电解电容)作为输出电容，这样不仅会导致电路面积和成本增加，而且会导致输出电压的纹波增大，影响后级电路的正常工作。
6.针对上述问题，现有技术又提供了另外一种开关变换器，如图2所示，开关变换器200采用外部纹波注入的方式来减小输出电容的esr，即在开关节点sw与输出端之间分别串联一组阻容器件rr和cr，然后将阻容连接点的电位vrc通过电容cj耦合到芯片的反馈端。其原理是利用开关节点sw的周期性变化，使得电压vrc产生同周期变化的交流纹波信号，该纹波信号通过电容cj耦合到反馈信号fb上，从而使得反馈信号fb上出现交流纹波信号，达到使用大esr输出电容时类似的效果。
7.外部纹波注入的方案虽然解决了系统对输出电容esr的依赖，但是也增加了电源模块的器件数量。更重要的是，由于芯片内部比较器分辨率和噪声的影响，通常需要纹波的峰峰值幅度大于20mv，因此使用者需要根据实际应用条件计算外部纹波注入电路的器件参数，增加了开关变换器的应用难度和灵活性。


技术实现要素：

8.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种开关变换器及其控制电路，解决了在开关变换器中使用低esr的陶瓷电容作为输出电容时会在系统中出现次谐波震荡的问题。
9.根据本发明实施例的一方面，提供了一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据输入电压产生输出电压，其中，所述控制电路包括：纹波产生电路，用于产生与所述开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号；误差放大器，用于根据输出电压的反馈信号、所述纹波信号以及参考电压生成误差信号；导通时间控制电路，用于根据所述误差信号产生具有固定导通时间的控制信号；以及驱动电路，用于将所述控制信号转换成开关信号，以控制所述至少一个开关管的导通状态，其中，所述纹波产生电路包括：阻容结构；开关网络，与所述阻容结构的第一节点耦接，所述开关网络用于根据所述控制信号和过零检测信号切换所述阻容结构的充电或放电路径；以及压流转换器，与所述阻容结构的第二节点耦接，用于将所述第二节点的电压转换成电流形式的纹波信号。
10.可选的，所述开关网络用于在所述控制信号处于高电平期间对所述第二节点进行充电，在所述控制信号处于低电平期间对所述第二节点进行放电，以及在所述过零检测信号处于高电平期间将所述第二节点的电位置位于所述输出电压。
11.可选的，所述开关网络包括：串联连接于所述输入电压和地之间的第一开关和第二开关，所述第一开关和所述第二开关的中间节点与所述阻容结构的第一节点耦接；以及第三开关，所述第三开关耦接于所述输出电压和所述第二节点之间。
12.可选的，所述第一开关受控于所述控制信号，所述第三开关受控于所述过零检测信号，所述开关网络还包括或非门，所述或非门的第一输入端接收所述控制信号，所述或非门的第二输入端接收所述过零检测信号，所述或非门的输出端与所述第二开关的控制端连接。
13.可选的，所述阻容结构包括：第一电阻，第一端与所述第一节点连接，第二端与所述第二节点连接；以及第一电容，第一端与所述第二节点连接，第二端接地。
14.可选的，所述控制电路还包括：过零检测电路，通过检测所述开关变换器的开关节点电压以生成所述过零检测信号。
15.可选的，所述误差放大器的反相输入端接收所述纹波信号和所述反馈信号的叠加信号，所述误差放大器的同相输入端接收所述参考电压，输出端用于输出所述误差信号。
16.可选的，所述控制电路还包括：第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述反馈信号连接，第二端与所述纹波信号和所述误差放大器的反相输入端连接，用于将所述纹波信号叠加至所述反馈信号上。
17.根据本发明实施例的另一方面，提供了一种开关变换器，包括：主电路，采用至少一个开关管控制输入端向输出端的电能传输，从而根据输入电压产生输出电压；以及上述
的控制电路，用于产生开关信号以控制所述至少一个开关管的导通状态。
18.可选的，所述主电路采用选自以下任一种的拓扑结构：降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型。
19.本发明实施例的开关变换器及其控制电路中，通过采用芯片中内置的纹波产生电路引入附加的纹波补偿。该纹波信号与开关变换器中的电感电流同步且同相，从而可以在开关变换器中使用低esr的陶瓷电容作为输出电容，维持系统稳定和抑制输出纹波。此外，本发明实施例的纹波产生电路不会增加电源模块的器件数量，无需根据实际应用条件计算纹波注入电路的器件参数，因此大大降低了开关变换器的应用难度，便于提高其应用的灵活性。
附图说明
20.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
21.图1示出根据现有技术的一种开关变换器的示意性电路图；
22.图2示出根据现有技术的另一种开关变换器的示意性电路图；
23.图3示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性电路图；
24.图4示出根据本发明实施例的开关变换器中纹波产生电路的示意性电路图；
25.图5示出根据本发明实施例的开关变换器在连续电流模式ccm下工作的示意性波形图；
26.图6示出根据本发明实施例的开关变换器在断续电流模式dcm下工作的示意性波形图。
具体实施方式
27.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
28.应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
29.在本技术中，开关管是工作开关模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。开关管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收驱动信号以控制开关管的导通和关断。本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
30.图3示出根据本发明实施例的开关变换器的示意性电路图。如图3所示，开关变换器300包括主电路和控制电路，开关变换器300的主电路包括串联连接在输入端和接地端之间的开关管m1和m2，电感lx连接在开关管m1和m2之间的开关节点sw和输出端之间，输入电容cin连接在输入端和接地端之间，输出电容cout连接在输出端和接地端之间。开关变换器
300的输入端接收输入电压vin，输出端提供输出电压vout。电阻r1和r2组成的分压网络用于得到输出电压vout的反馈信号fb。
31.开关管m1和开关管m2例如分别被称为高侧开关管和低侧开关管。开关变换器200的控制电路用于向开关管m1和m2提供开关信号。该开关信号是根据控制信号pluse产生的驱动信号。例如，开关管m1的开关信号是控制信号pluse的同相信号，开关管m2的开关信号是控制信号pluse的反相信号。
32.进一步的，开关变换器300的控制电路包括驱动电路310、导通时间控制电路320、误差放大器330、纹波产生电路340以及过零检测电路350。
33.其中，过零检测电路350与开关管m1和m2之间的开关节点sw连接，用于通过检测开关节点sw的电压获得过零检测信号zcd。
34.纹波产生电路340用于产生以开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号iripple，误差放大器330将反馈信号fb和纹波信号iripple的叠加信号与参考电压vref进行比较而产生误差信号vc。示例的，开关变换器300还包括电阻ra，电阻ra连接在电阻r1和电阻r2的中间节点与误差放大器330的反相输入端之间，从而可以将纹波信号iripple叠加到反馈信号fb上。
35.在其他实施例中，也可以将纹波信号iripple叠加到参考电压vref上，以使得误差放大器330将反馈信号fb与纹波信号iripple和参考电压vref的叠加信号进行比较而产生误差信号。
36.本发明实施例的开关变换器300通过纹波产生电路340产生与电感电流同步且同相的纹波信号iripple，并将纹波信号iripple叠加到反馈信号fb上从而产生具有大纹波的叠加信号，进而解决因等效串联电阻r3太小造成回路不稳定的问题，从而使得开关变换器可以使用低esr的陶瓷电容作为输出电容，减小电路面积，降低输出电压的纹波。
37.进一步的，导通时间控制电路320根据误差信号vc产生具有固定导通时间的控制信号pluse，驱动电路310将控制信号pluse转换成开关信号以控制开关管m1和m2的导通状态。在控制信号pluse的高电平期间，开关管m1导通，开关管m2关断；在控制信号pluse的低电平期间，开关管m1关断，开关管m2导通。
38.图4示出根据本发明实施例的开关变换器中的纹波产生电路的示意性电路图。如图4所示，纹波产生电路340包括开关k1至k3以及或非门nor1构成的开关网络、电阻rr和电容cr构成的阻容结构、以及压流转换器vccs。开关k1和开关k2依次连接于输入电压vin和地之间，电阻rr的第一端与开关k1和开关k2之间的节点a连接，电阻rr的第二端与电容cr的第一端连接于节点b，电容cr的第二端接地。压流转换器vccs的第一输入端与输出电压vout连接，第二输入端与节点b连接，压流转换器vccs用于将节点b的电压转换成电流形式的纹波信号iripple。开关k3连接于压流转换器vccs的第一输入端和第二输入端之间。或非门nor1的第一输入端接收控制信号pluse，第二输入端接收过零检测信号zcd，输出端与开关k2的控制端连接。
39.其中，开关k1受控于控制信号pluse，开关k2受控于或非门nor1的输出信号，开关k3受控于过零检测信号zcd。纹波产生电路340一般工作于以下几种状态下：
40.1、在控制信号pluse的高电平期间(也即开关管m1导通，开关管m2关断期间)，开关k1导通，开关k2和开关k3关断，由于节点a与输入电压vin接通，节点a的电位高于节点b的电
位，因此输入电压vin对电容cr充电，节点b的电压升高，此时节点b的电压增加量为：
41.δvrise＝(va-vb)
×
ton/(rr
×
cr) (1)
42.其中，ton表示开关信号的导通时间。
43.2、在控制信号pluse的低电平的电感续流期间(也即开关管m1关断，开关管m2导通期间)，开关k2导通，开关k1和开关k3关断，由于节点a与地接通，节点a的电位低于节点b的电位，因此电容cr对地放电，节点b的电压降低，此时节点b的电压减小量为：
44.δvfall＝vb
×
toff/(rr
×
cr)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
45.3、在控制信号pluse的低电平且电感续流结束后的阶段，此时过零检测信号zcd被触发，开关k3导通，开关k1和开关k2被关断，节点b的电位被置位于输出电压vout。
46.一般而言，当系统工作于连续电流模式ccm时，由于电感电流在开关管m1关断期间始终未过零，因此纹波产生电路340在上述的状态1和状态2之间交替变化；当系统工作于断续电流模式dcm时，由于电感电流在开关管m1关断期间会发生过零，因此纹波产生电路340在上述的状态1至3之间按顺序循环变化。在状态1下节点b的电压上升，在状态2下节点b的电压下降，在状态3下节点b的电压保持，因此随着系统on/off状态的交替变化，在节点b将产生一个逐渐上升或逐渐下降的且连续的电压纹波信号。该电压纹波信号的变化幅度取决于输入电压vin、输出电压vout以及系统的导通时间和关断时间。
47.进一步的，由于开关k3的置位作用，节点b的电压直流分量可被认为等于输出电压vout，因此节点b的电压直流量通常比其变化量δv大得多，因此可在上式中忽略阻容结构对节点b的电压变化量的非线性影响，则上述公式(1)和(2)可以替换为：
48.δvrise＝(vin-vout)
×
ton/(rr
×
cr)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
49.δvfall＝vout
×
toff/(rr
×
cr)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
50.又因为在稳态工作的开关变换器中的电感两端的正伏秒和负伏秒相等(即伏秒平衡)，所以稳态工作的开关变换器的电感电流il与输入电压vin、输出电压vout、导通时间ton和关断时间toff的关系为：
51.δil_on＝(vin-vout)
×
ton/l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
52.δil_off＝vout
×
toff/l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
53.由上式可知，本实施例的纹波产生电路在开关信号的导通时间和关断时间中节点b的电压变化量与开关变换器的电感电流的变化量存在很强的相关性，因此可以用节点b的电压纹波变化量模拟电感电流的变化量，从而实现对电感电流的同步。
54.进一步的，为了将节点b的纹波电压引入电压变换器系统，本实施例在此提出了一种加和方式。首先，压流转换器vccs将节点b的电压转换成电流形式的纹波信号iripple，然后通过图3中的电阻ra将该纹波信号iripple叠加到反馈信号fb上。需要说明的是，本发明不以此为限制，本领域技术人员也可以采用其他的加和方式将纹波电压引入电压变换器系统。
55.图5示出根据本发明实施例的开关变换器的纹波产生电路在连续电流模式ccm下工作的示意性波形图。在图中，曲线pluse、il、zcd、vb和iripple分别表示与开关管m1相关的控制信号、电感电流、过零检测信号、节点b的电压变化和纹波信号的波形示意图。
56.在该实施例中，开关变换器300工作于连续电流模式ccm，在开关变换器300的开关周期中，电感电流il在开关管m2的导通期间始终未过零。
57.如图5所示，在控制信号pluse的上升沿开始的第一时间段t1，开关管m1导通，开关管m2断开，电感电流il逐渐增大，同时纹波产生电路340中的开关k1导通，开关k2和开关k3关断，输入电压vin对电容cr充电，节点b的电压vb逐渐增大，纹波信号iripple逐渐增大；在控制信号pluse的下降沿开始的第二时间段t2，开关管m1断开，开关管m2导通，电感电流il逐渐减小，同时纹波产生电路340中的开关k1和开关k3断开，开关k2导通，电容cr对地放电，节点b的电压vb逐渐减小，纹波信号iripple逐渐减小，所以本发明实施例的纹波产生电路340中生成的纹波信号iripple与电感电流il同步变化。此外，结合上述的公式可知，在开关变换器的稳态工作下，节点b的电压vb的变化斜率与电感电流il的变化斜率相同，因此，本发明实施例的纹波产生电路340在连续电流模式ccm下工作时可以产生与开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号。
58.图6示出根据本发明实施例的开关变换器的纹波产生电路在断续电流模式dcm下工作的示意性波形图。在图中，曲线pluse、il、zcd、vb和iripple分别表示与开关管m1相关的控制信号、电感电流、过零检测信号、节点b的电压变化和纹波信号的波形示意图。
59.在该实施例中，开关变换器300工作于断续电流模式dcm，在开关变换器300的开关周期中，电感电流il在开关管m2的导通期间过零。
60.如图6所示，在控制信号pluse的上升沿开始的第三时间段t3，开关管m1导通，开关管m2断开，电感电流il逐渐增大，同时纹波产生电路340中的开关k1导通，开关k2和开关k3关断，输入电压vin对电容cr充电，节点b的电压vb逐渐增大，纹波信号iripple逐渐增大；在控制信号pluse的下降沿开始的第四时间段t4，开关管m1断开，开关管m2导通，电感电流il逐渐减小，同时纹波产生电路340中的开关k1和开关k3断开，开关k2导通，电容cr对地放电，节点b的电压vb逐渐减小，纹波信号iripple逐渐减小；在控制信号pluse处于低电平的第五时间段t5，电感电流il过零，过零检测信号zcd翻转为高电平，开关管m1和开关管m2断开，此时电感电流il不再变化，同时纹波产生电路340中的开关k1和k2断开，开关k3导通，节点b的电位被置位于输出电压vout。所以本发明实施例的纹波产生电路340中生成的纹波信号iripple与电感电流il同步变化。此外，结合上述的公式可知，在开关变换器的稳态工作下，节点b的电压vb的变化斜率与电感电流il的变化斜率相同，因此，本发明实施例的纹波产生电路340在断续电流模式dcm下工作时也可以产生与开关变换器的电感电流同步且同相的纹波信号。
61.综上所述，本发明实施例的开关变换器及其控制电路中，通过采用芯片中内置的纹波产生电路引入附加的纹波补偿。该纹波信号与开关变换器中的电感电流同步且同相，从而可以在开关变换器中使用低esr的陶瓷电容作为输出电容，维持系统稳定和抑制输出纹波。此外，本发明实施例的纹波产生电路不会增加电源模块的器件数量，无需根据实际应用条件计算纹波注入电路的器件参数，因此大大降低了开关变换器的应用难度，便于提高其应用的灵活性。
62.在上述实施例中，尽管结合图3描述了降压型拓扑结构的开关变换器，然而，可以理解，本发明实施例的控制电路也可以用于其他拓扑结构的开关变换器中，包括但不限于降压型、升压型、升降压型、非逆变升降压型、正激型、反激型等拓扑结构。
63.在以上的描述中，对公知的结构要素和步骤并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来实现相应的结构要素和步骤。另外，为了形
成相同的结构要素，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述各实施例，但是这不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
64.依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。