功率变换器及其控制电路、控制方法与流程

本技术涉及电源，具体涉及一种功率变换器及其控制电路、控制方法。

背景技术：

1、随着电力电子产品的需求和半导体技术的发展，电源管理芯片被广泛应用于通信、消费、计算等领域。以dc-dc变换器为例，dc-dc变换器属于电源管理芯片中最常见的一种，通常包括一个或更多个开关，其被选择性致动以基于接收的dc输入提供受控的dc输出电压或电流，通过控制提供至变换器的一个或多个开关晶体管的信号的占空比可调节电路的输出功率。

2、传统的dc-dc变换器多采用图1所示的输入输出共负极结构，或者图2所示的输入输出共正极结构，其中，为了在变换器出现输入电源11提供的输入电压vin和变换器的输出电压vout接近或者相等的情况时，仍能保证正常的工作和高效率，如图1和图2所示，通常会在变换器的输入和输出之间设置旁路单元(如旁路开关)12，当旁路开关导通时，会旁路掉功率电感l1的电流路径实现输入输出的低阻抗直通，即旁路(bypass)工作模式。在输入电压vin和输出电压vout的压差较大时，需要由旁路工作模式切换到开关工作模式，并且关闭旁路开关12，但在进行切换的暂态过程中输出电压vout会出现较大的跌落，影响负载13和系统的工作性能。

3、因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本技术提供了一种功率变换器及其控制电路、控制方法，可以解决dc-dc变换器在旁路工作模式与开关工作模式的切换过程中出现的输出电压相对于输出设定电压的偏离幅度大的问题，确保了负载的可靠运行。

2、根据本技术第一方面，提供了一种功率变换器的控制电路，所述功率变换器还包括相互耦接的功率单元和旁路单元，所述控制电路用于生成第一控制信号和第二控制信号以分别控制所述旁路单元和所述功率单元中开关晶体管的导通与关断，所述控制电路包括：

3、模式控制电路，用于根据所述功率变换器的输入电压和/或输出电压生成模式切换指令，控制所述功率变换器在旁路模式、过渡模式和正常开关工作模式之间进行切换；

4、控制信号产生电路，用于根据所述模式切换指令生成所述第一控制信号，所述第一控制信号在所述旁路模式中为有效状态，在所述过渡模式和所述正常开关工作模式中为无效状态；

5、其中，当所述功率变换器为升压型功率转换器时，在检测到所述输入电压和/或所述输出电压下降至小于第二电压阈值，且所述输入电压和/或所述输出电压的下降斜率大于预设阈值时，或者所述输入电压和/或所述输出电压的下降斜率小于预设阈值，在检测到所述输入电压和/或所述输出电压下降至第一电压阈值时，控制所述功率变换器工作于所述过渡模式，其中，所述第一电压阈值根据输出电压的期望值设定，所述第一电压阈值小于所述第二电压阈值。

6、可选地，所述控制信号产生电路根据所述模式切换指令和电流基准信号生成所述第二控制信号，所述电流基准信号在所述正常开关工作模式中由补偿信号限定，所述补偿信号通过对表征所述输出电压与参考电压的差值信息的误差放大信号进行补偿后获得。

7、可选地，在所述过渡模式中，所述电流基准信号由钳位补偿信号限定，所述钳位补偿信号经由预先获取的钳位电压对所述补偿信号进行钳位后获得。

8、可选地，所述钳位电压响应于在所述过渡模式之前的所述旁路模式中，对流经所述功率单元和所述旁路单元的电流进行采样、求和以及采样保持而获得；或者

9、所述钳位电压响应于在所述过渡模式之前的所述旁路模式中，对流经所述旁路单元的电流进行采样保持而获得。

10、可选地，所述第二控制信号在所述正常开关工作模式中具有第一频率，

11、在所述过渡模式中，所述第二控制信号具有大于所述第一频率的第二频率。

12、可选地，所述控制信号产生电路被配置为：根据时钟脉冲信号和所述电流基准信号生成所述第二控制信号，所述时钟脉冲信号用于限定所述第二控制信号的频率，所述电流基准信号用于限定所述第二控制信号的占空比；

13、其中，受控于所述模式切换指令，所述时钟脉冲信号在所述正常开关工作模式中具有所述第一频率，在所述过渡模式中具有所述第二频率。

14、可选地，所述控制信号产生电路包括：

15、反馈控制电路，接收所述参考电压和反馈信号，输出所述补偿信号，所述反馈信号根据所述输出电压得到；

16、电流比较器电路，用于对采样信号和所述电流基准信号进行比较，输出比较信号，所述采样信号表征流经所述功率单元中的开关晶体管的电流信息；

17、信号发生器电路，用于根据所述模式切换指令输出具有所述第一频率或所述第二频率的所述时钟脉冲信号；

18、控制器电路和驱动电路，用于根据所述时钟脉冲信号和所述比较信号生成所述第二控制信号。

19、可选地，所述控制信号产生电路被配置为：根据预设的时间阈值和所述电流基准信号生成所述第二控制信号，所述时间阈值与所述第二控制信号的频率负相关；

20、其中，受控于所述模式切换指令，所述时间阈值在所述正常开关工作模式中具有第一数值，在所述过渡模式中具有第二数值，且所述第一数值大于所述第二数值。

21、可选地，所述控制信号产生电路包括：

22、反馈控制电路，接收所述参考电压和反馈信号，输出所述补偿信号，所述反馈信号根据所述输出电压得到；

23、电流比较器电路，用于对采样信号和所述电流基准信号进行比较，输出比较信号，所述采样信号表征流经所述功率单元中的开关晶体管的电流信息；

24、定时器电路，用于根据所述模式切换指令和所述比较信号输出对应所述第一数值或所述第二数值的触发信号；

25、控制器电路和驱动电路，用于根据所述触发信号和所述比较信号生成所述第二控制信号，

26、其中，所述定时器电路被配置为：

27、在所述模式切换指令具有第二指令状态时，根据所述比较信号开始计时，并在计时值达到对应所述第二数值的计时阈值时输出所述触发信号；或者在所述模式切换指令处于第二指令状态预定时间后，根据所述比较信号开始计时，并在计时值达到对应所述第一数值的计时阈值时输出所述触发信号。

28、可选地，所述模式控制电路被配置为：

29、在检测到所述输入电压和/或所述输出电压大于预设的第二电压阈值时，生成具有第一指令状态的所述模式切换指令，控制所述功率变换器工作于所述旁路模式；

30、在检测到所述输入电压和/或所述输出电压下降至小于所述第二电压阈值，且所述输入电压和/或所述输出电压的下降斜率大于预设阈值时，生成具有第二指令状态的所述模式切换指令，控制所述功率变换器由旁路模式切换至所述过渡模式；

31、在所述功率变换器工作于所述过渡模式预定时间后，控制所述功率变换器由所述过渡模式切换至所述正常开关工作模式。

32、可选地，所述模式控制电路被配置为：

33、在检测到所述输入电压和/或所述输出电压下降至小于所述第二电压阈值，且所述输入电压和/或所述输出电压的下降斜率小于预设阈值时，生成具有第一指令状态的所述模式切换指令，控制所述功率变换器工作于所述旁路模式；

34、在检测到所述输入电压和/或所述输出电压小于预设的第一电压阈值时，控制所述功率变换器由所述旁路模式切换至所述过渡模式，所述第一电压阈值小于所述第二电压阈值；

35、在所述功率变换器工作于所述过渡模式预定时间后，控制所述功率变换器由所述过渡模式切换至所述正常开关工作模式。

36、根据本发明第二方面，提供了一种功率变换器的控制电路，所述功率变换器还包括相互耦接的功率单元和旁路单元，所述控制电路用于生成第一控制信号和第二控制信号以分别控制所述旁路单元和所述功率单元中开关晶体管的导通与关断，所述控制电路包括：

37、模式控制电路，用于根据所述功率变换器的输入电压和/或输出电压生成模式切换指令，控制所述功率变换器在旁路模式、过渡模式和正常开关工作模式之间进行切换；

38、控制信号产生电路，用于根据所述模式切换指令生成所述第一控制信号，所述第一控制信号在所述旁路模式中为有效状态，在所述过渡模式和所述正常开关工作模式中为无效状态；

39、其中，当所述功率变换器为降压型功率转换器时，在检测到所述输入电压和/或所述输出电压上升至大于第三电压阈值，且所述输入电压和/或所述输出电压的上升斜率大于预设阈值时，或者所述输入电压和/或所述输出电压的上升斜率小于预设阈值，在检测到所述输入电压和/或所述输出电压上升至第四电压阈值时，控制所述功率变换器工作于所述过渡模式，其中，所述第四电压阈值根据输出电压的期望值设定，所述第四电压阈值大于所述第三电压阈值。

40、根据本发明第三方面，提供了一种功率变换器，其中，包括：

41、互相耦接的功率单元和旁路单元，所述功率单元包括电感以及与所述电感耦接的开关晶体管；

42、包括如上所述的控制电路，所述控制电路用于提供控制信号以控制所述功率单元和所述旁路单元中的开关晶体管导通与关断。

43、根据本发明第四方面，提供了一种功率变换器的控制方法，所述功率变换器包括相互耦接的功率单元和旁路单元，所述控制方法包括：

44、根据所述功率变换器的输入电压和/或输出电压生成模式切换指令，控制所述功率变换器在旁路模式、过渡模式和正常开关工作模式之间进行切换；

45、根据所述模式切换指令生成第一控制信号，所述第一控制信号用以控制所述旁路单元中开关晶体管的导通与关断；所述第一控制信号在所述旁路模式中为有效状态，在所述过渡模式和所述正常开关工作模式中为无效状态；

46、其中，当所述功率变换器为升压型功率变换器时，在检测到所述输入电压和/或所述输出电压下降至小于第二电压阈值，且所述输入电压和/或所述输出电压的下降斜率大于预设阈值时，或者是所述输入电压和/或所述输出电压的下降斜率小于预设阈值，在检测到所述输入电压和/或所述输出电压下降至第一电压阈值时，控制所述功率变换器工作于所述过渡模式，其中，所述第一电压阈值根据输出电压的期望值设定，所述第一电压阈值小于所述第二电压阈值。

47、可选地，根据所述模式切换指令和电流基准信号生成第二控制信号，所述第二控制信号用以控制所述功率单元中开关晶体管的导通与关断，所述电流基准信号在所述正常开关工作模式中由补偿信号限定，所述补偿信号通过对表征所述输出电压与参考电压的差值信息的误差放大信号进行补偿后获得。

48、可选地，在所述过渡模式中，所述电流基准信号由钳位补偿信号限定，所述钳位补偿信号经由预先获取的钳位电压对所述补偿信号进行钳位后获得。

49、可选地，所述钳位电压响应于在所述过渡模式之前的所述旁路模式中，对流经所述功率单元和所述旁路单元的电流进行采样、求和以及采样保持而获得；或者

50、所述钳位电压响应于在所述过渡模式之前的所述旁路模式中，对流经所述旁路单元的电流进行采样保持而获得。

51、可选地，所述第二控制信号在所述正常开关工作模式中具有第一频率；

52、在所述过渡模式中，所述第二控制信号具有大于所述第一频率的第二频率。

53、可选地，根据所述模式切换指令和电流基准信号生成所述第二控制信号包括：

54、受控于所述模式切换指令，在所述正常开关工作模式中提供具有所述第一频率的时钟脉冲信号，在所述过渡模式中提供具有所述第二频率的时钟脉冲信号；

55、根据所述时钟脉冲信号和所述电流基准信号生成所述第二控制信号，所述时钟脉冲信号用于限定所述第二控制信号的频率，所述电流基准信号用于限定所述第二控制信号的占空比。

56、可选地，根据所述模式切换指令和电流基准信号生成所述第二控制信号包括：

57、受控于所述模式切换指令，在所述正常开关工作模式中提供具有第一数值的时间阈值，在所述过渡模式中提供具有第二数值的时间阈值；

58、根据所述时间阈值和所述电流基准信号生成所述第二控制信号，所述时间阈值与所述第二控制信号的频率负相关；

59、其中，所述第一数值大于所述第二数值。

60、本技术的有益效果至少包括：

61、本技术实施例提供的控制电路，一方面，利用钳位电压对补偿信号进行钳位后作为生成第二控制信号的基准信号，使得在退出旁路模式后的生成第二控制信号的过程中，能够对功率变换器的输出信息如负载电流进行更快的反馈响应，使得变换器的电感电流能够在很短的时间内达到负载电流对应的值，相较于现有技术，本技术大幅减小了输入电压在快速跳变时输出电压相对于输出设定电压的偏离幅度，提高了功率变换器在模式切换时输出电压的稳定性，保证了负载的可靠运行。

62、另一方面，当功率变换器为升压变换器时，本技术实施例在检测到输入电压和/或输出电压的下降斜率大于预设阈值且输入电压和/或输出电压下降至小于预设的第二电压阈值时就控制功率变换器退出旁路模式，相当于在输出电压还没有下降至预设的输出设定电压(即第一电压阈值)前，就提前生成了第二指令状态的模式切换指令提前控制功率变换器退出旁路模式，使得输出电压在跟随输入电压快速跳变的过程中所能达到的最低值更高；当功率变换器为降压变换器时，本技术实施例在检测到输入电压和/或输出电压的上升斜率大于预设阈值且输入电压和/或输出电压升高至大于预设的第三电压阈值时就控制功率变换器退出旁路模式，相当于在输出电压还没有升高至预设的输出设定电压(即第四电压阈值)前，就提前生成了第二指令状态的模式切换指令提前控制功率变换器退出旁路模式，使得输出电压在跟随输入电压快速跳变的过程中所能达到的最高值更低，进一步提高了功率变换器在模式切换时输出电压的稳定性，保证了负载的可靠运行。

63、另一方面，即使当没有检测到输入电压和/或输出电压的变化斜率大于一定的预设阈值时，在旁路模式和正常开关工作模式之间同样还设置有过渡模式，可以使得旁路模式和正常开关工作模式之间的过渡更稳定，同时也可以提升系统的响应速度。

64、再一方面，在退出旁路模式进入正常开关工作模式之前的过渡模式中以更高的控制频率驱动功率变换器，进一步提高了系统的瞬时响应，缩短了变换器的电感电流达到负载电流对应值的时间，从而更进一步地减小了输入电压在快速跳变时输出电压相对于输出设定电压的偏离幅度，使得功率变换器在模式切换时输出电压的稳定性更高，负载运行的可靠更强。

65、应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。