开关型调节器的控制电路、控制方法及开关型调节器的制造方法
【专利摘要】本申请公开了开关型调节器及其控制电路和控制方法。所述控制电路用于产生开关信号以控制第一开关管的导通和断开。所述控制电路包括导通时间调整电路。在所述第一开关管的断开时间大于等于参考时间时，所述导通时间调整电路控制所述第一开关管的导通时间为恒定导通时间。在所述第一开关管的断开时间小于参考时间时，所述导通时间调整电路根据所述第一开关管的断开时间调节所述第一开关管的导通时间，从而调节所述开关信号的占空比。所述控制电路通过对导通时间的调节扩大开关型调节器输出电压和/或输出电流的调节范围。
【专利说明】
开关型调节器的控制电路、控制方法及开关型调节器
技术领域
[0001]本发明涉及开关电源领域，更具体地说，涉及一种开关型调节器的控制电路及控制方法。
【背景技术】
[0002]开关型调节器用于将输入电压转换为预定的输出电压供给负载。现有的开关型调节器包括主开关管、同步开关管、电感和控制电路。控制电路用于控制主开关管和同步开关管的导通和断开状态，使得电感交替储存电能和提供电能，从而产生输出电压和/或输出电流。
[0003]在恒定导通时间和纹波控制模式下，根据反馈信号和纹波信号的叠加信号与第一参考信号进行比较从而控制主开关管的导通时刻，根据输出电压产生第二参考信号，将第二参考信号与斜坡信号进行比较从而控制主开关管的断开时刻。在主开关管导通的情况下，同步开关管断开，在主开关管断开期间，同步开关管导通续流。在每个开关周期中，主开关管的导通时间基本恒定而断开时间根据反馈信号可变，从而可以调节开关信号的占空比，以维持输出电压和/或电流恒定。
[0004]在上述的控制策略中，主开关管和同步开关管的导通和断开都可能产生噪声信号，导致开关管自身误动作，从而使得控制策略失效。作为改进的控制策略，在主开关管断开的时刻之后，采用最小断开时间电路，维持主开关管的断开状态和同步开关管的导通状态至少达到预定的最小断开时间，以抑制噪声信号的干扰。
[0005]然而，在采用最小断开时间电路的开关型调节器中，主开关管的断开时间必须大于等于最小断开时间，开关信号的占空比相应地小于等于最大占空比。因此，该开关型调节器的输出电压和/或输出电流的调节范围受到限制。
[0006]因此，期望进一步扩大开关型调节器的输出电压和/或输出电流的调节范围。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提出了开关型调节器及其控制电路和控制方法，通过断开调整信号发生电路调节主功率开关管的导通时间，以使得在大占空比需求的情况下，主功率开关管的导通时间可调，满足输出电压和/或输出电流的调节要求。
[0008]根据本发明的第一方面，提供一种开关型调节器的控制电路，用于产生开关信号以控制第一开关管的导通和断开，其特征在于，包括:导通信号发生电路，用于产生导通信号;断开信号发生电路，用于根据所述开关型调节器的输入电压和输出电压，产生第一控制信号；导通时间调整电路，用于根据所述开关信号和所述第一控制信号产生调节信号；以及逻辑电路，用于根据所述第一控制信号产生断开信号，以及根据所述导通信号和所述断开信号产生所述开关信号，其中，在所述第一开关管的断开时间大于等于参考时间时，所述导通时间调整电路控制所述第一开关管的导通时间为恒定导通时间，在所述第一开关管的断开时间小于参考时间时，所述导通时间调整电路根据所述第一开关管的断开时间调节所述第一开关管的导通时间，从而调节所述开关信号的占空比。
[0009]优选地，所述断开信号发生电路根据所述调节信号调节所述第一控制信号的电平跳变时刻，从而改变所述第一开关管的导通时间。
[0010]优选地，所述导通时间调整电路包括:单触发电路，用于根据所述第一控制信号产生单触发信号，所述单触发信号的有效状态的持续时间等于所述参考时间；以及第一充放电电路，用于根据所述单触发信号和所述开关信号产生所述调节信号，其中，所述第一充放电电路包括第一电容，并且当所述单触发信号为有效状态时，所述第一充放电电路对所述第一电容充电，当所述开关信号为有效状态时，所述第一充放电电路对所述第一电容放电，所述第一电容的两端电压作为所述调节信号。
[0011]优选地，所述第一充放电电路还包括:第一压控电流源，当所述单触发信号为有效状态时，所述第一压控电流源对所述第一电容充电；以及第二压控电流源，当所述开关信号为有效状态时，所述第一电容经由所述第二压控电流源放电。
[0012]优选地，所述第一压控电流源和第二压控电流源的电流大小为相等。
[0013]优选地，所述导通时间调整电路还包括:钳位电路，所述钳位电路将所述调节信号钳位在上限电压值和下限电压值的范围之内。
[0014]优选地，所述下限电压值为零电压。
[0015]优选地，所述导通时间调整电路还包括:延时电路，所述延时电路包括串联的延时电容和延时电阻，并且所述延时电路与所述电容并联连接。
[0016]优选地，所述断开信号发生电路包括:第二充放电电路，所述第二充放电电路包括第二电容，并且所述第二充放电电路对所述第二电容进行充电和放电，从而产生第一电压信号；以及比较器，所述比较器将所述第一电压信号和参考电压进行比较，以产生所述第一控制信号，所述参考电压与输出电压成比例。
[0017]优选地，所述第二充放电电路还包括彼此并联连接的第三压控电流源、第四电流源、第三开关管，其中，所述第三开关管根据所述第一控制信号的控制而导通或断开，当所述第三开关管断开时，第三压控电流源和第四电流源对所述第二电容充电，当所述第三开关管导通时，所述第二电容经由所述第三开关管放电。
[0018]优选地，所述第三压控电流源产生所述调节电压成比例的第一电流，所述第四电流源产生与输入电压成比例的第二电流，所述第二电流与所述第一电流的电流方向相反。
[0019]优选地，还包括:最小断开时间电路，用于根据所述第一控制信号产生第二控制信号，所述第二控制信号用于将所述第一开关管的断开状态至少维持预定的最小断开时间，所述参考时间大于等于所述最小断开时间。
[0020]根据本发明的第二方面，提供一种开关型调节器，包括:功率级电路，所述功率级电路包括第一开关管；以及上述的控制电路，其中，所述控制电路产生开关信号以控制所述第一开关管的导通和断开。
[0021 ]优选地，所述功率级还包括第二开关管，所述第一开关管与所述第二开关管串联连接，所述开关信号用于控制所述第二开关管的导通和断开，使得所述第一开关管与所述第二开关管交替导通和断开。
[0022]根据本发明的第三方面，提供一种开关型调节器的控制方法，其特征在于，包括:产生开关信号;采用所述开关信号控制第一开关管的导通和断开;将所述第一开关管的断开时间与参考时间进行比较，以产生调节信号；以及根据调节信号控制所述第一开关管的导通时间，其中，在所述第一开关管的断开时间大于等于所述参考时间时，所述开关信号控制所述第一开关管的导通时间为恒定导通时间，在所述第一开关管的断开时间小于参考时间时，根据所述第一开关管的断开时间调节所述第一开关管的导通时间，从而调节所述开关信号的占空比。
[0023]优选地，产生开关信号的步骤包括:以纹波控制模式产生导通信号;根据所述开关型调节器的输入电压和输出电压，产生第一控制信号;根据所述第一控制信号产生断开信号；以及根据所述导通信号和所述断开信号产生所述开关信号。
[0024]优选地，产生所述调节信号的步骤包括:根据所述第一控制信号产生单触发信号，所述单触发信号的有效状态的持续时间等于所述参考时间;根据所述单触发信号和所述开关信号产生所述调节信号，其中，当所述第一单触发信号为有效状态的持续时间大于等于所述开关信号的无效状态的持续时间时，对第一电容充电，当所述单触发信号为有效状态的持续时间小于所述开关信号的无效状态的持续时间时，所述第一电容放电。
[0025]优选地，在根据调节信号控制所述第一开关管的导通时间的步骤中，根据所述调节信号调节所述第一控制信号的电平跳变时刻，从而改变所述第一开关管的导通时间。
[0026]优选地，产生第一控制信号的步骤包括:对第二电容充电和放电，以产生第一电压信号；以及将所述第一电压信号和参考电压进行比较，以产生所述第一控制信号，其中，在所述第一控制信号无效时，采用可调节的第一电流和恒定的第二电流对所述第二电容充电，在所述第一控制信号有效时，所述第二电容放电，所述参考电压与输出电压成比例，所述第一电流与所述高压电压成比例，所述第二电流与输入电压成比例，所述第二电流与所述第一电流的电流方向相反。
[0027]优选地，还包括:采用所述开关信号控制第二开关管的导通和断开，使得所述第一开关管与所述第二开关管交替导通和断开。
[0028]优选地，还包括:根据所述第一控制信号产生第二控制信号，所述第二控制信号用于将所述第一开关管的断开状态至少维持预定的最小断开时间，所述参考时间大于等于所述最小断开时间。
[0029]根据本发明实施例的开关型调节器的控制电路、控制方法及开关型调节器，导通时间调整电路根据开关管的断开时间与参考时间的比较结果，控制开关管的工作模式在恒定导通时间和可变导通时间之间改变。在大输出电压时，开关管的工作模式为可变导通时间模式，从而可以利用开关管的导通时间的调节改变占空比。在输入电压与输出电压很接近的情况下，所述开关管的导通时间可控，实现自动降频，满足输出电压的调节要求。该控制方法可以扩大开关型调节器输出电压和/或输出电流的调节范围。
【附图说明】
[0030]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它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中:
[0031]图1示出现有技术的开关型调节器的电路框图；
[0032]图2示出在图1所示的开关型调节器中使用的导通信号发生电路的示意性电路图；
[0033]图3示出在图1所示的开关型调节器中使用的断开信号发生电路的示意性电路图；
[0034]图4示出图1所示的开关型调节器的工作波形图；
[0035]图5示出根据本发明实施例的开关型调节器的电路框图；
[0036]图6示出在图5所示的开关型调节器中使用的断开信号发生电路的示意性电路图；
[0037]图7示出在图5所示的开关型调节器中使用的导通时间调整电路的示意性电路图；
[0038]图8示出图5所示的开关型调节器的工作波形图；
[0039]图9示出图5所示的开关型调节器的控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0040]以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
[0041]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。
[0042]同时，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，它可以是直接耦接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“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
[0043]除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义;也就是说，是“包括但不限于”的含义。
[0044]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0045]图1示出现有技术的开关型调节器的电路框图。该开关型调节器100包括集成在同一个集成电路芯片中的控制电路和功率级的第一部分电路。控制电路包括导通信号发生电路110、断开信号发生电路120、最小断开时间电路130、与门140、RS触发电路150和HVM控制电路160。功率级的第一部分电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2。在图中未示出功率级位于集成电路芯片外部的第二部分电路，例如包括电感和电容等分立元件，以及负载。
[0046]该开关型调节器100用于为负载提供输出电压。参见图1，开关型调节器的集成电路芯片包括四个引脚IN、LX、GND和FB，分别为输入引脚、输出引脚、接地引脚和反馈引脚。弓I脚FB用于向开关型调节器100的控制电路提供用于表征输出电压的反馈信号Vfb。作为示例，功率级的第一开关管Ql和第二开关管Q2串联连接。第一开关管Ql的第一端连接至引脚IN，用于接收输入电压。第二开关管Q2的第二端连接至引脚GND，用于接地。第一开关管Ql的第二端和第二开关管Q2的第一端共同连接至引脚LX，用于向外部的电感提供充电和放电路径。
[0047]在开关型调节器100中，导通信号发生电路110根据开关型调节器的输出电压Vout的反馈信号Vfb，产生导通信号SET。断开信号发生电路120根据开关型调节器的输入电压Vin和输出电压Vout，产生第一控制信号VI。最小断开时间电路130的输入端连接至断开信号发生电路120的输出端，以接收第一控制信号VI，并且根据第一控制信号Vl产生第二控制信号V2。与门140的两个输入端分别接收第一控制信号Vl和第二控制信号V2，并且根据第一控制信号Vl和第二控制信号V2产生断开信号RESET AS触发器的置位端和复位端分别接收导通信号SET和断开信号RESET，输出端提供开关信号。
[0048]最小断开时间电路130例如是计时电路，用于在第一控制信号Vl从无效状态转变为有效状态时，第二控制信号V2从无效状态转变为有效状态，并且维持预定的参考时间。
[0049]PffM控制电路160的输入端接收开关信号，并且在两个输出端提供第一驱动信号TG和第二驱动信号BG，分别用于驱动第一开关管Ql和第二开关管Q2。
[°05°]第一驱动信号TG和第二驱动信号BG例如分别是开关信号的同相和反相版本。在每个开关周期中，第一开关管Ql和第二开关管Q2交替导通和断开，对电感进行充电和放电，从而为负载提供输出电压。通过调节开关信号的占空比，将输出电压维持为恒定值。
[0051]图2示出在图1所示的开关型调节器中使用的导通信号发生电路的示意性电路图。导通信号发生电路110包括叠加电路111、放大器112、比较器113、电阻Zc。
[0052]叠加电路111连接在开关型调节器100的弓丨脚FB和比较器113的反相输入端之间。叠加电路111接收输出电压的反馈信号Vfb，将反馈信号Vfb与纹波信号Vripple叠加，从而产生二者的叠加信号。该纹波信号Vripple为交流信号，因而叠加信号是包含纹波分量的直流?目号O
[0053]放大器112连接在开关型100的引脚FB和比较器113的同相输入端之间。放大器112的反相输入端和同相输入端分别接收输出电压的反馈信号Vfb和第一参考电压Vrefl。放大器112的输出端连接至比较器113的同相输入端，以及经由电阻Zc接地。放大器112将第一参考电压￥代€1与反馈信号￥托的差信号作为修正信号￥(:0^6(^丨011。
[0054]比较器II 3将反馈信号Vfb与纹波信号Vripple的叠加信号与修正信号Vcorrect 1n比较，从而产生导通信号SET ο
[0055]图3示出在图1所示的开关型调节器中使用的断开信号发生电路的示意性电路图。断开信号发生电路120包括比较器121、电流源ISl、电容Cl和开关管Q3。
[0056]比较器121的反相输入端和同相输入端分别接收第二参考电压Vref2和第一电压信号V0，并且将二者相比较，从而在输出端提供第一控制信号VI。第二参考电压Vref2与开关型调节器100的输出电压Vout成比例，S卩Vref2 = Kl*Vout，其中Kl为恒定的第一比例系数。
[0057]电流源ISl、电容Cl和开关管Q3并联连接在比较器121的同相输入端和地之间，从而组成该充放电电路。充放电电路用于产生上述的第一电压信号V0。开关管Q3的控制端连接比较器121的输出端。电流源ISl的电流值Il与开关型调节器100的输入电压Vin成比例，即Il=K2*Vin，其中K2为恒定的第二比例系数。
[0058]在第一控制信号Vl的无效状态，开关管Q3断开，电流源ISl对电容Cl充电，使得比较器121的同相输入端的电压升高。直至比较器121的同相输入端的电压高于第二参考电压Vref2，比较器121的输出端的第一控制信号Vl从无效状态转变为有效状态。在第一控制信号Vl的有效状态，开关管Q3导通，电容Cl经由开关这管Q3放电，使得比较器121的同相输入端的电压降低。
[0059]图4示出图1所示的开关型调节器的工作波形图，其中分别示出反馈信号Vfb与纹波信号Vripple的叠加信号Vfb+Vripple、导通信号SET、断开信号RESET、第一驱动信号TG、第二驱动信号BG、电感电流iL随时间的变化。第一驱动信号TG和第二驱动信号BG例如分别是开关信号的同相和反相版本，用于控制第一开关管Ql和第二开关管Q2的导通和断开。以下仅以第一开关管Ql的工作原理为例进行说明。
[0060]在图1所示的开关型调节器100中，导通信号发生电路110产生导通信号SET，断开信号发生电路120和最小断开时间电路130分别将第一控制信号Vl和第二控制信号V2提供至与门140，产生断开信号RESET AS触发器150的置位端和复位端分别接收导通信号SET和断开信号RESET，并且产生开关信号。
[0061]如图4所示，在每个开关周期中，反馈信号Vfb与纹波信号Vripple的叠加信号控制第一开关管Ql的导通时刻t0，第一控制信号Vl和第二控制信号V2共同控制第一开关管Ql的断开时刻tl。第一开关管Ql的导通时间Ton为开关信号的有效状态的持续时间，断开时间Toff为开关信号的无效状态的持续时间。在第一开关管Ql导通期间，叠加信号大致呈线性增加，在第一开关管Ql断开期间，叠加信号大致呈线性减小。
[0062]在时刻t0，即在前一开关周期的叠加信号减小至Vcorrect1n以下时，导通信号SET从无效状态转变为有效状态，断开信号RESET维持无效状态。开关信号从无效状态转变为有效状态，第一开关管Ql导通。在第一开关管Ql导通时，断开信号发生电路120中的电容Cl充电。
[0063]在时刻tl，即在断开信号发生电路120中的电容Cl充电至第二参考电压Vref2以上时，断开信号RESET从无效状态转变为有效状态，导通信号SET维持无效状态。开关信号从有效状态转变为无效状态，第一开关管Ql断开。在第一开关管Ql断开时，断开信号发生电路120中的电容Cl放电。
[0064]在时刻t2，即在当前开关周期的叠加信号减小至Vcorrect1n以下时，导通信号SET从无效状态转变为有效状态，断开信号RESET维持无效状态。开关信号从无效状态转变为有效状态，第一开关管Ql再次导通，从而开始下一开关周期。
[0065]在上述的开关周期中，第一开关管Ql的导通时间Ton为从时刻t0至tl的时间段，断开时间Toff为从时刻tl至t2的时间段。如上所述，断开信号发生电路120中的电容Cl的充电过程决定了第一开关管Ql的导通时间Ton。在采用电流源ISl为电容Cl充电的情形下，第一开关管Ql的导通时间Ton大致恒定。
[0066]在上述的控制策略中，第一开关管Ql或第二开关管Q2的导通和断开都可能产生噪声信号，导致开关管自身误动作，从而使得控制策略失效。作为改进的控制策略，第一开关管Ql断开的时刻tl之后，采用最小断开时间电路130，维持第一开关管Ql的断开状态至少达到预定的最小断开时间Toff _m in，以抑制噪声信号的干扰。
[0067]最小断开时间电路130例如是计时电路，用于在时刻tl之后，即在第一开关管Ql断开之后，将该断开状态维持预定的参考时间。因此，第一开关管Ql的断开时间，即从时刻tO至tl的时间段，至少应该大于最小断开时间Tof f_min。
[0068]在上述开关型调节器的控制策略中，开关信号的最大占空比Dmax = Ton/(Ton+Toff_min)。因此，该开关型调节器在大输出电压Vout的情形下，开关信号的占空比调节范围可能大于最大占空比Dmax，从而输出电压Vout无法调节，导致整个控制饱和导致控制失效。
[0069]图5示出根据本发明实施例的开关型调节器的电路框图。该开关型调节器200包括集成在同一个集成电路芯片中的控制电路和功率级的第一部分电路。控制电路包括导通信号发生电路110、断开信号发生电路220、最小断开时间电路130、与门140、RS触发电路150和PffM控制电路160。功率级的第一部分电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2。在图中未示出功率级位于集成电路芯片外部的第二部分电路，例如包括电感和电容等分立元件，以及负载。
[0070]该开关型调节器200用于为负载提供输出电压。参见图1，开关型调节器的集成电路芯片包括四个引脚IN、LX、GND和FB，分别为输入引脚、输出引脚、接地引脚和反馈引脚。弓I脚FB用于向开关型调节器200的控制电路提供用于表征输出电压的反馈信号Vfb。作为示例，功率级的第一开关管Ql和第二开关管Q2串联连接。第一开关管Ql的第一端连接至引脚IN，用于接收输入电压。第二开关管Q2的第二端连接至引脚GND，用于接地。第一开关管Ql的第二端和第二开关管Q2的第一端共同连接至引脚LX，用于向外部的电感提供充电和放电路径。
[0071]在开关型调节器200中，导通信号发生电路110根据开关型调节器的输出电压Vout的反馈信号Vfb，产生导通信号SET。断开信号发生电路220根据开关型调节器的输入电压Vin和输出电压Vout，产生第一控制信号VI。最小断开时间电路130的输入端连接至断开信号发生电路220的输出端，以接收第一控制信号VI，并且根据第一控制信号Vl产生第二控制信号V2。与门140的两个输入端分别接收第一控制信号Vl和第二控制信号V2，并且根据第一控制信号Vl和第二控制信号V2产生断开信号RESET AS触发器的置位端和复位端分别接收导通信号SET和断开信号RESET，输出端提供开关信号。
[0072]根据本发明的实施例的导通信号发生电路110与图2所示的导通信号发生电路相同，下文将省略其详细描述。
[0073]最小断开时间电路130例如是计时电路，用于在第一控制信号Vl从无效状态转变为有效状态时，使得第二控制信号V2从无效状态转变为有效状态并持续预定的参考时间。
[0074]PffM控制电路160的输入端接收开关信号，并且在两个输出端提供第一驱动信号TG和第二驱动信号BG，分别用于驱动第一开关管Ql和第二开关管Q2。
[0075]导通时间调整电路170连接在PWM控制电路160的输出端和断开信号发生电路220的输入端之间。导通时间调整电路170根据第二驱动信号BG和第一控制信号Vl产生调节信号Vadj。然而本发明不限于此，导通时间调整电路170可以根据开关信号、第一驱动信号TG和第二驱动信号BG中的任一个，与第一控制信号Vl—起产生调节信号Vad j。
[0076]第一驱动信号TG和第二驱动信号BG例如分别是开关信号的同相和反相版本。在每个开关周期中，第一开关管Ql和第二开关管Q2交替导通和断开，对电感进行充电和放电，从而为负载提供输出电压。通过调节开关信号的占空比，将输出电压维持为恒定值。
[0077]在该实施例中，导通时间调整电路170根据开关信号获得第一开关管Ql的断开时间Toff，根据第一控制信号Vl获得第一开关管Ql的断开时刻以开始参考时间的计时，从而将第一开关管Ql的断开时间Toff与参考时间相比较。
[0078]在第一开关管Ql的断开时间大于等于参考时间时，导通时间调整电路170控制第一开关管Ql的导通时间Ton为恒定导通时间。在第一开关管Ql的断开时间小于参考时间时，导通时间调整电路170根据第一开关管Ql的断开时间Toff调节第一开关管Ql的导通时间Ton，从而调节所述开关信号的占空比D。优选地，该参考时间大于等于最小断开时间Toff_
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[0079]因此，在大输出电压的情形下，开关型调节器200根据开关信号的占空比以负反馈的方式调节第一开关管Ql的导通时间Ton。即使第一开关管Ql的断开时间达到最小断开时间Toff_min，开关型调节器200也可以通过减小第一开关管Ql的导通时间Ton，以相对于预设的恒定导通时间自动降频的方式进一步提高开关信号的占空比。
[0080]在上述的实施例中，描述了开关型调节器的控制电路包括最小断开时间电路，用于在开关管断开之后，维持开关管的断开状态至少达到最小断开时间。然而，在本发明中该最小断开时间电路并非必要的。
[0081 ]在替代的实施例中，可以省去最小断开时间电路。在该替代的实施例中，导通时间调整电路根据开关管的断开时间与参考时间的比较结果，控制开关管的工作模式在恒定导通时间和可变导通时间之间改变。在大输出电压时，开关管的工作模式为可变导通时间模式，从而可以利用开关管的导通时间的调节改变占空比。相应地，在相同的占空比的情形下，控制电路延长开关管的导通时间也即相应延长开关管的断开时间，从而仍然可以起到抑制噪声信号的干扰的作用。
[0082]图6示出在图5的控制电路中使用的断开信号发生电路的示意性电路图。断开信号发生电路220包括比较器221、电流源ISl和IS2、电容Cl和开关管Q3。
[0083]比较器221的反相输入端和同相输入端分别接收第二参考电压Vref2和第一电压信号V0，并且将二者相比较，从而在输出端提供第一控制信号VI。第二参考电压Vref2与开关型调节器100的输出电压Vout成比例，S卩Vref2 = Kl*Vout，其中Kl为恒定的第一比例系数。
[0084]电流源ISl、电流源IS2、电容Cl和开关管Q3并联连接在比较器221的同相输入端和地之间，从而组成该充放电电路。充放电电路用于产生上述的第一电压信号V0。开关管Q3的控制端连接比较器221的输出端。电流源ISl的电流值Il与开关型调节器100的输入电压Vin成比例，即Il=K2*Vin，其中K2为恒定的第二比例系数。电流源IS2的电流值12与开关型调节器100的输入电压Vin成比例，并且为压控电流源，S卩I2 = K3*Vin，其中K3为控制端电压相关的第三比例系数。
[0085]在第一控制信号Vl的无效状态，开关管Q3断开，电流源ISl和IS2对电容Cl充电，使得比较器221的同相输入端的电压升高。直至比较器221的同相输入端的电压高于第二参考电压Vref2，比较器221的输出端的第一控制信号Vl从无效状态转变为有效状态。在第一控制信号Vl的有效状态，开关管Q3导通，电容Cl经由开关这管Q3放电，使得比较器221的同相输入端的电压降低。
[0086]与图3所示现有技术的断开信号发生电路120不同，根据本发明实施例的断开信号发生电路220中，电流源IS2为压控电流源，控制端接收调节信号Vadj。因此，断开信号发生电路220根据电流源IS2的控制端电压调节电流12的大小调节开关周期中的断开时刻tl，从而可以改变第一开关管Ql导通时间Ton。
[0087]在第一开关管Ql的断开时间Toff小于参考时间时，该调节信号Vadj为恒定电压，因此，第一开关管Ql的导通时间Ton为恒定导通时间。在第一开关管Ql的断开时间小于参考时间时，该调节信号Vadj与第一开关管Ql的断开时间Toff成反比，因此，根据第一开关管Ql的导通时间，第一开关管Ql的导通时间Ton以负反馈的方式变化，从而相对于预设的恒定导通时间自动降频的方式进一步提高开关信号的占空比。
[0088]图7示出在图5的控制电路中使用的导通时间调整电路的示意性电路图。导通时间调整电路170包括单触发电路171、电流源IS3和IS4、电压源VSl和VS2、二极管Dl和D2、电容C2和C3、以及电阻R1。
[0089 ]电流源I S3和IS4串联连接在供电端和接地端之间，电容C2连接在电流源I S3和IS4的中间接点和地之间，从而组成充放电电路。电阻Rl和C3彼此串联连接以组成延时电路，延时电路与电容C2并联。二极管Dl的阴极和电压源VSl的正极连接以组成上钳位电路，上钳位电路与电容C2并联，并且二极管DI的阳极连接至电容C2的高电位端。二极管D2的阳极和电压源VS2的正极连接以组成下钳位电路，下钳位电路与电容C2并联，并且二极管D2的阴极连接至电容C2的高电位端。
[0090]单触发电路171根据第一控制信号Vl产生单触发信号Vone_Shot，所述单触发信号Vone_Shot的有效状态的持续时间等于所述参考时间。
[0091]电流源IS3和IS4分别为压控电流源，控制端分别接收单触发信号和开关信号。替代地，电流源IS4可以接收与开关信号相对应的第一驱动信号TG和第二驱动信号BG。当单触发信号Vone_Shot为有效状态时，电流源IS3对电容C2进行充电。当开关信号为无效状态时，第一驱动信号TG和第二驱动信号BG分别为无效状态和有效状态，电容C2经由电流源IS4进行放电，从而在电容C2两端产生调节信号Vadj。
[0092]在上述的优选实施例中，上述延时电路用于平滑调节信号的波动，上钳位电路和下钳位电路分别用于限制调节信号的上限电压值和下限电压值。在替代实施例中，如果调节信号可以达到控制要求，则可以省去延时电路、上钳位电路和下钳位电路中的一个或多个。
[0093]图8示出图5所示的开关型调节器的工作波形图，其中分别示出反馈信号Vfb与纹波信号Vripple的叠加信号Vfb+Vripple、导通信号SET、单触发信号Vone_shot、断开信号RESET、第一驱动信号TG、第一电压信号V0、第二驱动信号BG、电感电流iL随时间的变化。第一驱动信号TG和第二驱动信号BG例如分别是开关信号的同相和反相版本，用于控制第一开关管Ql和第二开关管Q2的导通和断开。以下仅以第一开关管Ql的工作原理为例进行说明。
[0094]在图5所示的开关型调节器200中，导通信号发生电路110产生导通信号SET，断开信号发生电路220和最小断开时间电路130分别将第一控制信号Vl和第二控制信号V2提供至与门140，产生断开信号RESET AS触发器150的置位端和复位端分别接收导通信号SET和断开信号RESET，并且产生开关信号。
[0095]如图8所示，在每个开关周期中，反馈信号Vfb与纹波信号Vripple的叠加信号控制第一开关管Ql的导通时刻t0，第一控制信号Vl和第二控制信号V2共同控制第一开关管Ql的断开时刻tl。第一开关管Ql的导通时间Ton为开关信号的有效状态的持续时间，断开时间Toff为开关信号的无效状态的持续时间。在第一开关管Ql导通期间，叠加信号大致呈线性增加，在第一开关管Ql断开期间，叠加信号大致呈线性减小。
[0096]在时刻tO，即在前一开关周期的叠加信号减小至Vcorrect1n以下时，导通信号SET从无效状态转变为有效状态，断开信号RESET维持无效状态。开关信号从无效状态转变为有效状态，第一开关管Ql导通。在第一开关管Ql导通时，断开信号发生电路220中的电容Cl充电。
[0097]在时刻tl，即在断开信号发生电路220中的电容Cl充电至第二参考电压Vref2以上时，断开信号RESET从无效状态转变为有效状态，导通信号SET维持无效状态。开关信号从有效状态转变为无效状态，第一开关管Ql断开。在第一开关管Ql断开时，断开信号发生电路220中的电容Cl放电。
[0098]在时刻t2，即在当前开关周期的叠加信号减小至Vcorrect1n以下时，导通信号SET从无效状态转变为有效状态，断开信号RESET维持无效状态。开关信号从无效状态转变为有效状态，第一开关管Ql再次导通，从而开始下一开关周期。
[0099]在上述的开关周期中，第一开关管Ql的导通时间Ton为从时刻tO至tl的时间段，断开时间Tof f为从时刻11至t2的时间段。如上所述，导通时间调整电路170中的电容C2根据第一开关管Ql的断开时间Toff进行充放电过程，该充放电过程决定调节电压Vadj的数值。断开信号发生电路220中的电容Cl根据调节信号Vadj进行充放电过程，该充放电过程决定第一开关管Ql的导通时间Ton。
[0100]在导通时间调整电路170中，当第一开关管Ql的断开时间Toff大于参考时间时，电流源IS3对电容C2充电，使得调节信号Vadj的数值与第一开关管Ql的断开时间Toff成比例。当第一开关管Ql的断开时间Toff小于等于参考时间时，电容C2经由电流源IS4放电，使得调节信号Vadj的数值大致恒定，例如钳位为零电压。
[0101]在断开信号发生电路220中，采用电流源ISl和IS2为电容Cl充电。由于电流源IS2为压控电流源，因此，第一开关管Ql的导通时间Ton可以根据调节信号Vadj进行调节。当第一开关管Ql的断开时间Toff大于参考时间时，第一开关管Ql的导通时间Ton大致恒定。当第一开关管Ql的断开时间Toff小于等于参考时间时，根据第一开关管Ql的断开时间Toff以负反馈的方式调节第一开关管Ql的导通时间Ton。
[0102]在上述的控制策略中，第一开关管Ql断开的时刻tl之后，采用最小断开时间电路130，维持第一开关管Ql的断开状态至少达到预定的最小断开时间Toff_min，以抑制噪声信号的干扰。
[0103]最小断开时间电路130例如是计时电路，用于在时刻tl之后，即在第一开关管Ql断开之后，将该断开状态维持预定的参考时间。因此，第一开关管Ql的断开时间，即从时刻tO至tl的时间段，至少应该大于最小断开时间Tof f_min。
[0104]在上述开关型调节器的控制策略中，开关信号的最大占空比Dmax= Ton/(Ton+Toff_min)。该开关型调节器在大输出电压Vout的情形下，通过延长开关管的导通时间，可以提高最大占空比Dmax，使得开关信号的占空比调节范围可以显著扩大。
[0105]以上详细说明了恒定导通时间控制方式的开关型调节器的实现原理。同理，本发明还可应用至恒定关断时间的控制模式，对于恒定关断时间控制方式的开关型调节器，在每一开关周期内，当所述第一开关管的导通时间小于参考时间时，则通过主动延长第一开关管的关断时间，其中，参考时间为大于等于系统的最小导通时间。在正常工作状态时，经过一恒定关断时间后，导通所述第一开关管。当需要小占空比工作时，当所述第一开关管的导通时间小于参考时间时，则延长所述第一开关管的关断时间，从而达到自动降频的效果，可以提高系统的应用范畴。
[0106]图9示出图5所示的开关型调节器的控制方法的流程图。
[0107]在步骤SOl中，产生开关信号。
[0108]在步骤S02中，采用所述开关信号控制第一开关管的导通和断开。
[0109]在步骤S03中，将所述第一开关管的断开时间与参考时间进行比较，以产生调节信号。
[0110]在步骤S04中，根据调节信号控制所述第一开关管的导通时间。
[0111]在优选的实施例中，产生开关信号的步骤包括:以纹波控制模式产生导通信号;根据所述开关型调节器的输入电压和输出电压，产生第一控制信号;根据所述第一控制信号产生断开信号；以及根据所述导通信号和所述断开信号产生所述开关信号。
[0112]在优选的实施例中，产生所述调节信号的步骤包括:根据所述第一控制信号产生单触发信号，所述单触发信号的有效状态的持续时间等于所述参考时间；根据所述单触发信号和所述开关信号产生所述调节信号，其中，当所述第一单触发信号为有效状态的持续时间大于等于所述开关信号的无效状态的持续时间时，对第一电容充电，当所述单触发信号为有效状态的持续时间小于所述开关信号的无效状态的持续时间时，所述第一电容放电。
[0113]在该控制方法中，在所述第一开关管的断开时间大于等于所述参考时间时，所述开关信号控制所述第一开关管的导通时间为恒定导通时间。在所述第一开关管的断开时间小于参考时间时，根据所述第一开关管的断开时间调节所述第一开关管的导通时间，从而调节所述开关信号的占空比。
[0114]在优选的实施例中，产生所述调节信号的步骤包括:根据所述第一控制信号产生单触发信号，所述单触发信号的有效状态的持续时间等于所述参考时间；根据所述单触发信号和所述开关信号产生所述调节信号，其中，当所述第一单触发信号为有效状态的持续时间大于等于所述开关信号的无效状态的持续时间时，对第一电容充电，当所述单触发信号为有效状态的持续时间小于所述开关信号的无效状态的持续时间时，所述第一电容放电。
[0115]在优选的实施例中，在根据调节信号控制所述第一开关管的导通时间的步骤中，根据所述调节信号调节所述第一控制信号的电平跳变时刻，从而改变所述第一开关管的导通时间。
[0116]在优选的实施例中，产生第一控制信号的步骤包括:对第二电容充电和放电，以产生第一电压信号；以及将所述第一电压信号和参考电压进行比较，以产生所述第一控制信号，其中，在所述第一控制信号无效时，采用可调节的第一电流和恒定的第二电流对所述第二电容充电，在所述第一控制信号有效时，所述第二电容放电，所述参考电压与输出电压成比例，所述第一电流与所述高压电压成比例，所述第二电流与输入电压成比例，所述第二电流与所述第一电流的电流方向相反。
[0117]在优选的实施例中，采用所述开关信号控制第二开关管的导通和断开，使得所述第一开关管与所述第二开关管交替导通和断开。
[0118]在优选的实施例中，根据所述第一控制信号产生第二控制信号，所述第二控制信号用于将所述第一开关管的断开状态至少维持预定的最小断开时间，所述参考时间大于等于所述最小断开时间。
[0119]以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种开关型调节器的控制电路，用于产生开关信号以控制第一开关管的导通和断开，其特征在于，包括: 导通信号发生电路，用于产生导通信号； 断开信号发生电路，用于根据所述开关型调节器的输入电压和输出电压，产生第一控制信号； 导通时间调整电路，用于根据所述开关信号和所述第一控制信号产生调节信号；以及逻辑电路，用于根据所述第一控制信号产生断开信号，以及根据所述导通信号和所述断开信号产生所述开关信号， 其中，在所述第一开关管的断开时间大于等于参考时间时，所述导通时间调整电路控制所述第一开关管的导通时间为恒定导通时间， 在所述第一开关管的断开时间小于参考时间时，所述导通时间调整电路根据所述第一开关管的断开时间调节所述第一开关管的导通时间，从而调节所述开关信号的占空比。2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述断开信号发生电路根据所述调节信号调节所述第一控制信号的电平跳变时刻，从而改变所述第一开关管的导通时间。3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述导通时间调整电路包括: 单触发电路，用于根据所述第一控制信号产生单触发信号，所述单触发信号的有效状态的持续时间等于所述参考时间；以及 第一充放电电路，用于根据所述单触发信号和所述开关信号产生所述调节信号， 其中，所述第一充放电电路包括第一电容，并且当所述单触发信号为有效状态时，所述第一充放电电路对所述第一电容充电，当所述开关信号为有效状态时，所述第一充放电电路对所述第一电容放电，所述第一电容的两端电压作为所述调节信号。4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述第一充放电电路还包括: 第一压控电流源，当所述单触发信号为有效状态时，所述第一压控电流源对所述第一电容充电；以及 第二压控电流源，当所述开关信号为无效状态时，所述第一电容经由所述第二压控电流源放电。5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第一压控电流源和第二压控电流源的电流大小为相等。6.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述导通时间调整电路还包括: 钳位电路，所述钳位电路将所述调节信号钳位在上限电压值和下限电压值的范围之内。7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述下限电压值为零电压。8.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述导通时间调整电路还包括: 延时电路，所述延时电路包括串联的延时电容和延时电阻，并且所述延时电路与所述电容并联连接。9.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述断开信号发生电路包括: 第二充放电电路，所述第二充放电电路包括第二电容，并且所述第二充放电电路对所述第二电容进行充电和放电，从而产生第一电压信号；以及 比较器，所述比较器将所述第一电压信号和参考电压进行比较，以产生所述第一控制信号，所述参考电压与输出电压成比例。10.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述第二充放电电路还包括彼此并联连接的第三压控电流源、第四电流源、第三开关管， 其中，所述第三开关管根据所述第一控制信号的控制而导通或断开， 当所述第三开关管断开时，第三压控电流源和第四电流源对所述第二电容充电， 当所述第三开关管导通时，所述第二电容经由所述第三开关管放电。11.根据权利要求10所述的控制电路，其特征在于，所述第三压控电流源产生所述调节电压成比例的第一电流，所述第四电流源产生与输入电压成比例的第二电流，所述第二电流与所述第一电流的电流方向相反。12.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还包括: 最小断开时间电路，用于根据所述第一控制信号产生第二控制信号，所述第二控制信号用于将所述第一开关管的断开状态至少维持预定的最小断开时间，所述参考时间大于等于所述最小断开时间。13.—种开关型调节器，包括: 功率级电路，所述功率级电路包括第一开关管；以及 权利要求1-12中任一项所述的控制电路， 其中，所述控制电路产生开关信号以控制所述第一开关管的导通和断开。14.根据权利要求13所述的开关型调节器，其中，所述功率级还包括第二开关管，所述第一开关管与所述第二开关管串联连接， 所述开关信号用于控制所述第二开关管的导通和断开，使得所述第一开关管与所述第二开关管交替导通和断开。15.一种开关型调节器的控制方法，其特征在于，包括: 产生开关信号； 采用所述开关信号控制第一开关管的导通和断开； 将所述第一开关管的断开时间与参考时间进行比较，以产生调节信号；以及 根据调节信号控制所述第一开关管的导通时间， 其中，在所述第一开关管的断开时间大于等于所述参考时间时，所述开关信号控制所述第一开关管的导通时间为恒定导通时间， 在所述第一开关管的断开时间小于参考时间时，根据所述第一开关管的断开时间调节所述第一开关管的导通时间，从而调节所述开关信号的占空比。16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，产生开关信号的步骤包括: 以纹波控制模式产生导通信号； 根据所述开关型调节器的输入电压和输出电压，产生第一控制信号； 根据所述第一控制信号产生断开信号；以及 根据所述导通信号和所述断开信号产生所述开关信号。17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，产生所述调节信号的步骤包括: 根据所述第一控制信号产生单触发信号，所述单触发信号的有效状态的持续时间等于所述参考时间； 根据所述单触发信号和所述开关信号产生所述调节信号， 其中，当所述第一单触发信号为有效状态的持续时间大于等于所述开关信号的无效状态的持续时间时，对第一电容充电， 当所述单触发信号为有效状态的持续时间小于所述开关信号的无效状态的持续时间时，所述第一电容放电。18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在根据调节信号控制所述第一开关管的导通时间的步骤中，根据所述调节信号调节所述第一控制信号的电平跳变时刻，从而改变所述第一开关管的导通时间。19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，产生第一控制信号的步骤包括: 对第二电容充电和放电，以产生第一电压信号；以及 将所述第一电压信号和参考电压进行比较，以产生所述第一控制信号， 其中，在所述第一控制信号无效时，采用可调节的第一电流和恒定的第二电流对所述第二电容充电，在所述第一控制信号有效时，所述第二电容放电， 所述参考电压与输出电压成比例，所述第一电流与所述高压电压成比例，所述第二电流与输入电压成比例，所述第二电流与所述第一电流的电流方向相反。20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括: 采用所述开关信号控制第二开关管的导通和断开，使得所述第一开关管与所述第二开关管交替导通和断开。21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括: 根据所述第一控制信号产生第二控制信号，所述第二控制信号用于将所述第一开关管的断开状态至少维持预定的最小断开时间，所述参考时间大于等于所述最小断开时间。
【文档编号】H02M3/156GK105896942SQ201610334131
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】孙良伟
【申请人】矽力杰半导体技术(杭州)有限公司