Buck变换器和其控制电路以及使用它们的电子设备的制作方法

本发明涉及开关电源，更具体地，涉及一种buck变换器和其控制电路以及使用它们的电子设备。

背景技术：

1、在近年的便携式电话、pda(personal digital assistant；个人数字助理)、笔记本型个人计算机等各种各样的电子设备中，安装有进行数字信号处理的微处理器。驱动这些微处理器所需要的电源电压随着半导体制造工艺的细微化而降低，有的以1.5v以下的低电压进行工作。

2、另一方面，在这些电子设备中安装有锂离子电池等电池作为电源。从锂离子电池输出的电压在3v～4v左右，若将这种电压直接提供给微处理器将产生多余的功耗，所以一般使用buck(降压)变换器、串联调节器(series regulator)等对电池电压进行降压，在稳压后再提供给微处理器。

3、buck变换器有使用整流用的二极管的方式(以下称作二极管整流方式)和取代二极管而使用整流晶体管的方式(以下称作同步整流方式)。前者具有在流过负载的负载电流较小时能获得高效率的优点，但在控制电路的外部除电感、电容器之外还需要二极管，所以电路面积变大。后者在提供给负载的电流较小时效率比前者差，但由于取代二极管而使用晶体管，所以可以集成在lsi的内部，能使包括外围部件在内的电路面积小型化。便携式电话等电子设备在被要求小型化时，多数情况下采用使用了同步整流晶体管的buck变换器。

4、图1示出根据现有技术的一种同步整流式buck变换器的示意性电路图。buck变换器100包括主功率电路和控制电路，主功率电路包括串联连接在输入端和接地端之间的开关晶体管md1和整流晶体管md2，电感lx连接在开关晶体管md1和整流晶体管md2的中间节点和输出端之间，输出电容co连接在输出端和接地端之间。buck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。buck变换器100的控制电路用于向开关晶体管md1和整流晶体管md2提供驱动信号。

5、在buck变换器100的控制电路中，导通时间控制电路110设定开关周期tsw的固定导通时间ton，从而产生复位信号。最小关断时间控制电路120设定与预定输出电压和预定负载相对应的最小关断时间toff_min(或最大开关频率)。误差放大器ea根据输出电压vout的检测电压fb和基准电压vref得到误差信号vc，pwm比较器131将误差信号vc与检测电压fb进行比较以获得pwm信号(pulse width modulation，脉宽调制信号)。与门132的两个输入端分别接收pwm比较器131输出的pwm信号和最小关断时间toff_min，输出端提供置位信号。rs触发器140根据复位信号和置位信号产生开关信号。驱动电路150将开关信号转换成驱动信号以控制开关晶体管md1和整流晶体管md2的导通状态。

6、当检测电压fb小于等于误差信号vc时，导通时间控制电路110设定固定导通时间，使得开关控制信号的导通时间为固定值。当检测电压fb大于误差信号vc时，开关控制信号的关断信号有效，从而根据输出电压vout进行动态调整关断时间，该关断时间大于最小关断时间toff_min。

7、然而，在一些应用中需要在buck变换器100的输出端使用低esr(equivalentseries resistance，等效串联电阻)电容(例如陶瓷电容)作为输出电容。由于这种类型的输出滤波器即使在存在大量噪声的情形下也会产生很小的输出纹波，并且电容纹波相比于电感纹波存在相位延迟，因此会在系统中发生次谐波振荡，所以可能会导致控制系统不稳定的问题。而在buck变换器100的输出端使用esr较大的电容(例如电解电容)作为输出电容不仅会增大电路面积和成本，而且会导致输出电压的纹波增大而出现大的波动，影响后级电路的正常工作。

8、此外，现有技术的buck变换器100在负载电流较小时还存在效率较差的问题，当负载电流变小时，流过输出电感的电流也逐渐降低，进而朝负的方向流。若流过电感的电流成为负值，则在整流晶体管导通期间，由于流过电感的电流经由整流晶体管流向地，因此会消耗多余的功率。

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buck变换器和其控制电路以及使用它们的电子设备，既可以改善轻负载时的效率问题，并且不会增加buck变换器的电路面积。

2、根据本发明实施例的第一方面，提供了一种buck变换器的控制电路，所述buck变换器包括开关晶体管、整流晶体管以及储能元件，通过所述开关晶体管和所述整流晶体管的切换将输入电压传送至所述储能元件，以将所述输入电压转换成输出电压，其中，所述控制电路包括：误差放大器，用于将所述输出电压的第一检测电压与预先设定的基准电压进行比较，输出二者的电压差值作为误差信号；纹波补偿电路，用于在第一模式下将反映所述储能元件的能量变化的纹波电压叠加到所述误差信号上得到第二检测电压，以及在第二模式下将所述第一检测电压分压得到所述第二检测电压；pwm比较器，用于将所述第二检测电压与所述基准电压进行比较，以产生pwm信号；逻辑电路，用于根据所述pwm信号生成开关信号并控制其占空比，使得所述buck变换器的输出电压接近所述基准电压；驱动电路，用于基于所述开关信号生成施加到所述开关晶体管和所述整流晶体管的栅极的驱动信号。

3、可选的，在所述第一模式下所述误差放大器受控开启，以及在所述第二模式下所述误差放大器受控关闭。

4、可选的，所述纹波补偿电路包括：连接于所述储能元件的两端之间的补偿电阻和补偿电容；第一电容，其第一端与所述第一电阻和所述第一电容的中间节点连接；第一电阻，其第一端与所述第一检测电压和所述误差放大器的正输入端连接，第二端与所述误差放大器的输出端和所述pwm比较器的正输入端连接；以及第二电阻，其第一端与所述第一电容的第二端连接，第二端与所述第一电阻的第二端连接。

5、可选的，所述控制电路还包括：轻载检测电路，用于将所述开关晶体管和所述整流晶体管的连接点的开关电压与阈值电压进行比较，并根据比较结果生成轻载指示信号以控制所述buck变换器在所述第一模式和所述第二模式的切换。

6、可选的，所述轻载检测电路包括：过零比较器，用于将所述开关电压与所述阈值电压进行比较，输出过零检测信号；第一计时模块，用于计时，并在所述过零检测信号的高电平时间大于第一预设时间时生成第一指示信号；第二计时模块，用于在收到所述过零检测信号时开始计时，并在所述计时达到第二预设时间时生成第二指示信号；以及触发模块，用于在收到所述第一指示信号时置位生成有效的所述轻载指示信号，以及在收到所述第二指示信号和所述开关信号时复位生成无效的所述轻载指示信号。

7、可选的，所述第一预设时间大于所述第二预设时间。

8、可选的，所述阈值电压为接地电位。

9、可选的，所述控制电路还包括：导通时间控制电路，用于设置所述开关晶体管的最小开启时间；以及最小关断时间控制电路，用于设置所述开关晶体管的最小关断时间，所述最小关断时间为固定时间段。

10、根据本发明实施例的第二方面，提供了一种buck变换器，包括：主功率电路，包括开关晶体管、整流晶体管以及储能元件，通过所述开关晶体管和所述整流晶体管的切换将输入电压传送至所述储能元件，以将所述输入电压转换成输出电压；以及上述的控制电路，用于控制所述开关晶体管和所述整流晶体管的切换。

11、根据本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括：输出电池电压的电池；微处理器；以及上述的buck变换器，用于将所述电池电压降压后提供给所述微处理器。

12、综上所述，本发明实施例的buck变换器和其控制电路具有标准和轻载两种模式，在标准模式下纹波补偿电路将反映储能元件的能量变化的纹波电压叠加到误差放大器的输出上得到第二检测电压，并通过pwm比较器将第二检测电压与设定的基准电压进行比较来控制开关晶体管的导通时刻。在轻载模式下纹波补偿电路根据输出电压分压得到的第一检测电压得到第二检测电压，然后通过pwm比较器比较第二检测电压与设定的基准电压来控制开关晶体管的导通时刻，从而可以在轻载模式下仅保留pwm比较器和基准电压模块，将其他的模块均关闭，可以最大限度地降低电路的静态电流，提高电路的轻载效率。此外，本发明的buck变换器无需为轻载模式提供额外的pwm比较器来比较输出电压和设定的基准电压，同时兼顾了电路的面积和尺寸。

13、此外，本发明的buck变换器在标准模式下保留了自适应迟滞量的迟滞控制的主体架构，在这种架构下输出电压的变化可以直接反映给pwm比较器，可以提供极其优秀的瞬态响应。

14、此外，在这种控制架构下，开关晶体管的导通时间由导通时间控制电路和pwm比较器来共同控制，当pwm比较器的导通时间小于导通时间控制电路设定的最小导通时间时，可以将开关晶体管的导通时间限制在最小导通时间，保证系统工作在伪定频状态。当pwm比较器的导通时间大于最大导通时间时，开关晶体管的导通时间由pwm比较器的输出来控制，从而可以使得系统的导通时间随pwm信号的增加而增加，从而可以在高占空比下实现平稳降频，避免由于纹波峰峰值过小被噪声淹没而产生错误翻转的情况发生。

15、此外，本实施例的轻载检测电路通过双计时模块的设定，可以设置轻载模式的进入和退出的不同时间窗口，并且通过设置第一预设时间大于第二预设时间，可以在这两个时间窗口之间设置迟滞，可以避免当负载波动时系统在轻载模式和标准模式之间不断地切换，提高了电路的稳定性。