一种自适应恒定导通时间控制的开关电源变换器及方法与流程

本发明涉及芯片设计领域，具体涉及一种自适应恒定导通时间控制的开关电源变换器及方法。

背景技术：

1、常见的自适应恒定导通时间控制(cot)的dc-dc开关电源中，以buck为例，如图1所示：该开关电源包括ton计算模块、误差放大器ea模块、比较器cmp模块、ramp产生器模块、逻辑控制与驱动模块、上端功率管hs、下端功率管ls、电感l、输出电容cout、分压电阻r1与r2。

2、其中，ton计算模块接收到开启上端功率管的信号后，开始计算上端功率管hs导通时间的时长，当到达设计的计算值ton时间后输出ton_end信号通过逻辑控制与驱动模块关闭上端功率管hs，并且开启下端功率管ls。

3、误差放大器ea模块放大参考电压vref与反馈电压vfb的误差信息，并经过环路补偿后输出comp信号。

4、ramp产生器模块耦合sw的开关信号用来产生一个模拟电感l电流的三角波信号vramp，该三角波信号vramp可近似等效为对电感l的电流采样后输出信号，vramp信号用以稳定该dc-dc环路，并衰减jitter的产生。

5、比较器cmp模块比较comp信号与vramp信号，输出ton_start信号，用以判定何时下端功率管ls关断或者上下端功率管同时关闭(zcd)的事件结束，以开启上端功率管hs给电感l补充能量。

6、逻辑控制与驱动模块整合dc-dc变换器的内部逻辑信号，然后输出驱动信号drv_hs和drv_ls分别驱动上端功率管hs和下端功率管ls关断或者导通；电感l和输出电容cout给负载提供能量；分压电阻r1与r2产生反馈信号vfb。

7、在上述的常见自适应恒定导通时间buck变换器中，其在电感电流断续模式dcm和电感电流连续模式ccm下的关键信号，如图2所示。

8、在图2所示的波形中，vramp的峰峰值peak-peak越小，与comp比较后产生的ton_start信号越容易受到噪声的干扰，越容易误触发ton_start翻转从而造成dc-dc变换器出现稳定性问题。然而，vramp信号近似为电感l电流的采样，电感l电流的峰峰值为：

9、ilpeak-peak＝vin*(1-d)*d*t/l

10、其中d为占空比，vin为输入电压，t为开关周期，电感l的电流峰峰值在d＝0.5时最大，当d＝0或者d＝1时最小为0。因此对于较大占空比或者较小占空比应用，电感l的电流峰峰值在此时很小。vramp近似为对电感l电流的采样，因此对应vramp的峰峰值也会很小，在此应用条件下系统抗干扰能力变差，dc-dc变换器极为容易误触发开关管导通时间进而造成稳定性问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自适应恒定导通时间控制的开关电源变换器及方法，用于解决现有的自适应恒定导通时间控制的dc-dc开关电源在较大占空比或者较小占空比应用条件下的稳定性不好的技术问题，从而达到大幅改善dc-dc变换器在较大占空比和较小占空比下的稳定性、降低开关频率抖动以及具有更强的控制鲁棒性的目的。

2、为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种自适应恒定导通时间控制的开关电源变换器，包括：ton计算模块、误差放大器ea模块、比较器cmp模块、ramp产生器模块、逻辑控制与驱动模块、上端功率管hs、下端功率管ls、电感l、输出电容cout、分压电阻r1、分压电阻r2以及纹波产生与叠加模块；

4、其中，所述纹波产生与叠加模块通过在所述比较器cmp模块输出的comp信号或者所述ramp产生器模块输出的vram信号上叠加自适应纹波，增强所述比较器cmp模块对噪声的抗干扰性，降低输出的ton_start信号误翻转的可能性，降低所述ton_start信号的抖动进而降低所述开关变换器的开关频率抖动。

5、作为本发明优选的实施方式，所述纹波产生与叠加模块包括充电电流iripple、电容cripple以及电阻rripple；

6、其中，所述充电电流iripple与所述ton计算模块中决定所述上端功率管hs导通时间长度的计算电流iton成正比例；所述电容cripple与所述ton计算模块的cton无关。

7、作为本发明优选的实施方式，所述纹波产生与叠加模块通过调节所述电阻rripple、所述电容cripple以及电流的镜像比例中的至少一种，调整所叠加的自适应纹波的大小和变化速度。

8、作为本发明优选的实施方式，所述纹波产生与叠加模块通过调整在所述比较器cmp模块的输出comp信号或者所述ramp产生器模块输出vram信号上的叠加电阻，调整所叠加的自适应纹波的大小。

9、作为本发明优选的实施方式，在下一次ton_start信号产生前，所述自适应纹波降为零，所述自适应纹波不会对所述开关变换器的稳定性引入额外的变量；

10、在下一次ton_start信号产生前，所述自适应纹波降不为零，叠加所述自适应纹波后的比较器cmp模块的同相输入端与反向输入端的压差变化斜率比没有叠加所述自适应纹波的比较器cmp模块的同相输入端与反向输入端的压差变化斜率大，进而衰减所述开关电源变换器的开关频率抖动。

11、一种自适应恒定导通时间控制的开关变换方法，包括以下步骤：

12、在开关变换器中增加纹波产生与叠加模块，通过所述纹波产生与叠加模块的充电电流iripple在误差放大器ea模块的输出comp信号上叠加自适应纹波后输出comp_r信号；

13、将所述comp_r信号与ramp产生器的输出vram信号进行比较，判断上端功率管hs的导通时间点；

14、通过ton计算模块的计算电流iton产生所述上端功率管hs的导通时间长度；

15、其中，所述充电电流iripple与所述计算电流iton成正比例，所述开关变换器包括：所述误差放大器ea模块、所述ramp产生器、所述ton计算模块以及所述上端功率管hs。

16、作为本发明优选的实施方式，在叠加自适应纹波时，包括：

17、通过调节电阻rripple、电容cripple以及电流的镜像比例中的至少一种，调整所叠加的自适应纹波的大小和变化速度，如公式1所示：

18、

19、式中，iramp为所述自适应纹波，k1和k2为所述电流的镜像比例，iripple为所述充电电流iripple，rripple为所述电阻rripple；t为以所述上端功率管hs开始计时，以所述开关变换器的频率周期为周期；

20、其中，所述纹波产生与叠加模块包括：所述电阻rripple、所述电容cripple。

21、作为本发明优选的实施方式，在叠加自适应纹波时，还包括：

22、通过突然增加所述自适应纹波iramp，使得所述comp_r信号突然下掉，进而使得所述比较器cmp模块两端压差增大。

23、作为本发明优选的实施方式，在突然增加所述自适应纹波时，包括：

24、当rripple*cripple的取值偏小，使所述自适应纹波iramp在下一次ton_start信号还未到达时已经为0时，或者当rripple*cripplede的取值刚好使所述自适应纹波iramp在所述开关变换器一个周期结束时降为零时，所述自适应纹波iramp不会对所述开关变换器的稳定性引入额外的变量；

25、当rripple*cripple的取值偏大，使所述自适应纹波iramp在所述开关变换器一个周期结束时没有下降到零时，叠加所述自适应纹波iramp后的比较器cm p模块的同相输入端与反向输入端的压差变化斜率比没有叠加所述自适应纹波iramp的比较器cmp模块的同相输入端与反向输入端的压差变化斜率大；

26、其中，所述开关变换器还包括：所述比较器cmp模块。

27、作为本发明优选的实施方式，所述开关变换方法，还包括：

28、通过减小所述计算电流iton增加所述上端功率管hs的导通时间长度，达到更大的占空比应用。

29、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

30、为了增加dc-dc变换器在较大占空比或者较小占空比应用条件下的稳定性，本发明提供一种自适应恒定导通时间控制的开关电源变换器及方法：通过在误差放大器ea模块的输出端comp或者ramp产生器的输出端vramp处引入一自适应的可固定峰峰值大小纹波，使得比较器cmp模块两输入端压差comp-vramp在ton_start信号的脉冲上升沿到达后陡然增大，减小比较器误翻转的可能性，进而大幅改善dc-dc变换器在较大占空比和较小占空比下的稳定性。同时，由于comp与vramp差值的斜率在toff时间内变大，进而减小dc-dc变换器的开关频率抖动(jitter)。最后，本发明的变换方法取消了所叠加纹波的产生电路与ton产生电路的电容电阻等器件的匹配限制性要求，具有更强的控制鲁棒性。

31、下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。