开关变换器及其控制电路和控制方法与流程

本发明涉及电源，更具体地，涉及一种开关变换器及其控制电路和控制方法。

背景技术：

1、近年来，伴随着各种电池供电的可穿戴设备以及iot设备兴起，对电源芯片也提出了更多的要求，需要电源芯片有更高的效率，能够实现更长时间的续航能力。如在穿戴设备中，传感器设备处于工作的时间较少，系统更多处于轻载甚至空载下，故而这类设备对极端轻负载下的效率尤为看重，其直接影响设备的续航能力。

2、通常采用dcdc转换器作为这类电子产品中常用的电源设备。dcdc产品具有较高的转换效率，并采用pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)控制方式进行控制。pwm控制方式具备工作频率固定，输出电压纹波小，稳定性好，且控制成熟等优点。但是由于转换器中的功率管在每个开关周期都要开启和断开，导致功率管的开关损耗较大，在轻载或者待机时所述转换器的整体效率较低，这严重限制了pwm控制方式的应用范围。

3、现有技术中，通常采用pfm(pulse frequency modulation，脉冲频率调制)控制方式、psm(pulse psm modulation，脉冲跨周期调制)控制方式等来防止dcdc转换器由重载变轻载时工作效率的下降。pfm控制方式和psm控制方式的本质都是降低实质开关频率，从而提高轻载工作效率。

4、在现有的技术中，针对工作范围很大且轻载和重载不断变换的系统和电子器件，为了改善在轻重载下的效率以及电路性能，具有pwm/psm或者pwm/pfm混合工作模式的dcdc产品被应用在电源管理技术中。但是当前的模式控制方式仍然有很多问题待解决。例如，现有的峰值电流模dcdc转换器通常根据误差放大器输出的环路误差信号来判断系统何时进入轻载工作模式，但是在峰值电流模式下，误差放大器输出的环路误差信号通常会包含有斜坡分量，这将导致在大占空比下，误差放大器的输出信号中包含有较大的斜坡分量，继而导致系统无法正确切换至轻载工作模式，降低了系统的效率。

技术实现思路

1、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和控制方法，在系统的占空比较小时，根据系统的环路误差信号来确定系统进入轻载工作模式的时机，以及在系统的占空比较大时，可以根据电路的电感电流峰值来确定系统进入轻载工作模式的时机，从而可以保证在任何占空比条件下开关变换器均能及时的切换至轻载工作模式，提高了系统稳定性和效率。

2、根据本发明实施例的第一方面，提供了一种用于开关变换器的控制电路，包括：误差放大器，被配置为将所述开关变换器的输出电压的反馈电压与一基准电压相比较，以产生环路误差信号；以及模式切换电路，被配置为产生模式切换信号，以控制所述开关变换器工作于正常工作模式或者轻载工作模式，其中，所述模式切换电路包括：第一检测模块，被配置为将所述环路误差信号和设定的第一参考信号相比较，以产生第一使能信号；第二检测模块，被配置为检测系统占空比，并在所述系统占空比大于设定占空比时，将所述开关变换器中的电感电流峰值与预设的峰值电流相比较，以产生第二使能信号；以及切换控制模块，被配置为在所述第一使能信号和所述第二使能信号之一有效时，产生第一状态的所述模式切换信号，以控制所述开关变换器从所述正常工作模式切换为所述轻载工作模式。

3、可选的，所述第一检测模块被配置为，当所述环路误差信号小于所述第一参考信号时，产生有效的所述第一使能信号，所述第二检测模块被配置为，在连续的n个开关周期中所述电感电流峰值均小于所述预设的峰值电流的情况下，若所述系统占空比大于所述设定占空比，则产生有效的所述第二使能信号，其中，n为大于1的整数。

4、可选的，所述第二检测模块包括：第一比较器，被配置为将与所述电感电流峰值相关的电流采样信号和与所述预设的峰值电流相关的第二参考信号相比较，并在所述电流采样信号小于所述第二参考信号时生成有效的第一控制信号；占空比检测单元，被配置为检测所述开关变换器中的主功率管的占空比，并在所述占空比大于所述预设占空比时生成有效的第二控制信号；以及周期计数单元，被配置为根据有效的所述第一控制信号进行连续计数，并在计数值达到所述n时根据有效的所述第二控制信号产生有效的所述第二使能信号。

5、可选的，所述第二检测模块还包括：第一加法器，被配置为将一斜坡信号与表征所述预设的峰值电流的电流信号进行叠加，以获得所述第二参考信号，其中，所述斜坡信号的峰值正相关于所述主功率管的导通时间。

6、可选的，所述占空比检测单元包括：充放电模块，被配置为产生三角波信号；第二比较器，被配置为将所述三角波信号与第三参考信号相比较，根据比较结果产生第一时钟信号；第三比较器，被配置为将所述三角波信号与第四参考信号相比较，根据比较结果产生第二时钟信号，所述第四参考信号等于所述第三参考信号与预设的比例系数之间的乘积；以及与门电路，被配置为将将所述第二时钟信号与主管导通信号进行与逻辑运算，以得到所述第二控制信号。

7、可选的，所述充放电模块包括：串联连接于电源电压和地之间的电流源和电容器，所述电流源和所述电容器的中间节点用于产生所述三角波信号；以及一晶体管，所述晶体管的第一端与所述中间节点连接，所述晶体管的第二端与地连接，所述晶体管的控制端用于接收所述第一时钟信号。

8、可选的，所述控制电路还包括：电流采样电路，被配置为感测所述开关变换器的功率电路的高侧电流，以获得电流反馈信号；以及第二加法器，用于将所述电流反馈信号与所述斜坡信号进行叠加以获得所述电流采样信号。

9、根据本发明实施例的第二方面，提供了一种开关变换器的控制方法，所述开关变换器可操作于正常工作模式和轻载工作模式，所述控制方法包括：将所述开关变换器的输出电压的反馈电压与一基准电压相比较，以产生环路误差信号；将所述环路误差信号和设定的第一参考信号相比较，以产生第一使能信号；检测系统占空比，若所述系统占空比大于设定占空比，将所述开关变换器中的电感电流峰值与预设的峰值电流相比较，以产生第二使能信号；以及在所述第一使能信号和所述第二使能信号之一有效时，产生第一状态的所述模式切换信号，以控制所述开关变换器从所述正常工作模式切换为所述轻载工作模式。

10、可选的，所述将所述环路误差信号和设定的第一参考信号相比较，以产生第一使能信号的步骤包括：当所述环路误差信号小于所述第一参考信号时，产生有效的所述第一使能信号，所述检测系统占空比，若所述系统占空比大于设定占空比，将所述开关变换器中的电感电流峰值与预设的峰值电流相比较，以产生第二使能信号的步骤包括：在连续的n个开关周期中所述电感电流峰值均小于所述预设的峰值电流的情况下，若所述系统占空比大于所述设定占空比，则产生有效的所述第二使能信号，其中，n为大于1的整数。

11、可选的，所述在连续的n个开关周期中所述电感电流峰值均小于所述预设的峰值电流的情况下，若所述系统占空比大于所述设定占空比，则产生有效的所述第二使能信号的步骤包括：将与所述电感电流峰值相关的电流采样信号和与所述预设的峰值电流相关的第二参考信号相比较，并在所述电流采样信号小于所述第二参考信号时生成有效的第一控制信号；检测所述开关变换器中的主功率管的占空比，并在所述占空比大于所述预设占空比时生成有效的第二控制信号；以及根据有效的所述第一控制信号进行连续计数，并在计数值达到所述n时根据有效的所述第二控制信号产生有效的所述第二使能信号。

12、根据本发明实施例的第三方面，提供了一种开关变换器，包括：功率电路，包括主功率管、整流管和电感器；以及上述的控制电路，所述控制电路通过反复使得所述主功率管和所述整流管交替地导通/截止，利用所述电感器进行能量转换，从而将输入电压转换为输出电压。

13、综上所述，本发明实施例的开关变换器及其控制电路和控制方法在在系统的占空比较小时，根据系统的环路误差信号来确定系统进入轻载工作模式的时机，以及在系统的占空比较大时，可以根据电路的电感电流峰值来确定系统进入轻载工作模式的时机。通过采用两种检测模式结合的方式，可以更加准确地判断开关变换器的轻重载情况，从而避免了因为误判导致的开关变换器异常工作，提高了开关变换器的稳定性和可靠性。