用于开关型DCDC转换器的控制电路

摘要

公开了一种用于开关型DCDC转换器的控制电路，包括：导通信号产生电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，基于参考信号和反馈信号的比较结果在其输出端提供导通信号，其中反馈信号反映转换器的负载电流或者输出电压；关断信号产生电路，包括第一复位电路、第一开关、第一电容、第一电流控制电路和第一比较器，其输出端提供关断信号以关断转换器的开关管；逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，基于导通信号和关断信号在输出端提供开关信号以控制开关管的导通和关断。该控制电路可以使得开关型DCDC转换器的开关频率实质上恒定。

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及电子电路，更具体但是并非排它地涉及一种用于开 关型DC-DC转换器的控制电路。

背景技术

DC-DC转换器是一种接受DC输入电压并向负载提供DC输出电压的电 子器件。DC-DC转换器一般被配置成基于在一些未调节的DC源电压向负载 提供已调节的DC输出电压或者电流(“负载电压”或者“负载电流”)。例如 在许多汽车应用中(其中电池提供具有近似12伏特未调节的电压的DC功率 源)，DC-DC转换器可以用来接收未调节的12伏特DC作为源电压并提供已 调节的DC输出电压或者电流以驱动车辆中的各种电子电路(仪器、附件、 引擎控制、照明设备、无线电/立体声等)。DC输出电压可以比来自电池的源 电压更低、更高或者相同。又例如在一些照明应用中，DC-DC转换器可以用 来接收未调节的12伏特DC作为源电压并提供已调节的DC输出电流以驱动 LED。

常见的用于DC-DC转换器的控制技术有平均电流控制技术、峰值电流 控制技术和固定导通时间(COT)控制技术等。平均电流控制技术和峰值电 流控制技术可以使得开关转换器获得精准的输出电压或者输出电流，但是其 环路补偿复杂，且瞬态响应较差。使用COT控制技术的开关转换器可以不需 要环路补偿网络，从而使得电路设计更加简单，但是其频率容易随输入输出 电压或者负载电流发生变化。为此，如何为COT型DC-DC转换器设计更加 优化的控制电路以使其保持相对恒定的开关频率是本领域技术人员面临的难 题。

发明内容

为解决上述问题，一种用于开关型DCDC转换器的控制电路，所述转换 器具有至少一个开关管，所述控制电路包括：导通信号产生电路，具有第一 输入端、第二输入端和输出端，基于参考信号和反馈信号的比较结果在其输 出端提供导通信号，其中所述反馈信号反映所述开关转换器的负载电流或者 输出电压；关断信号产生电路，具有输入端和输出端，其输出端提供关断信 号以关断所述开关管；以及逻辑电路，具有第一输入端、第二输入端和输出 端，基于所述导通信号和所述关断信号在输出端提供开关信号以控制所述开 关管的导通和关断；其中，所述关断信号产生电路包括：第一复位电路，具 有输入端与输出端，其输入端耦接至所述逻辑电路的输出端，其输出端提供 第一复位信号；第一开关，具有控制端、第一端和第二端，其控制端耦接至 所述第一复位电路输出端，第二端接耦接至第一电源端；第一电容，具有第 一端和第二端，其第一端耦接至所述第一开关第一端，其第二端耦接至所述 第一电源端；第一电流控制电路，具有第一输入端和输出端，其第一输入端 耦接至所述逻辑电路的输出端以接收所述开关信号，其输出端耦接至所述第 一电容的第一端以提供第一电流，所述第一电流控制电路基于所述开关信号 的频率与设定频率调整所述第一电流，使得所述开关信号的频率实质上等于 设定频率；以及第一比较器，第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输 入端接收第一参考电压，其第二输入端耦接至所述第一电容的第一端，其输 出端配置为所述关断信号产生电路的输出端。

本发明提供的控制电路可以使得开关型DCDC转换器获得实质恒定的开 关频率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1示出一款根据本发明一个实施例的开关转换器10的电路示意图；

图2示出根据本发明一个实施例的第一电流控制电路200的电路示意图；

图3示出根据本发明一个实施例的第一电流控制电路300的电路示意图；

图4示出根据本发明一个实施例的第一电流控制电路300工作过程中的 波形图；

图5示出根据本发明一个实施例的第一电流控制电路500的电路示意图。

具体实施方式

在下文的特定实施例代表本发明的示例性实施例，并且本质上仅为示例 说明而非限制。在说明书中，提及“一个实施例”或者“实施例”意味着结 合该实施例所描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施 例中。术语“在一个实施例中”在说明书中各个位置出现并不全部涉及相同 的实施例，也不是相互排除其他实施例或者可变实施例。本说明书中公开的 所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步 骤以外，均可以以任何方式组合。

下面将参考附图详细说明本发明的具体实施方式。贯穿所有附图相同的 附图标记表示相同的部件或特征。

图1示出一款根据本发明一个实施例的开关转换器10的电路示意图。开 关转换器10包括控制电路100和开关电路110。

开关电路110采用了同步降压变换拓扑结构，包括主开关管M1、次开 关管M2、电感器L和输出电容器CO。在控制信号CTRL的作用下，开关电 路110通过开关管M1和M2的导通与关断，将输入电压VIN转换为输出电 压VOUT。主开关管M1的一端接收输入电压VIN，另一端电耦接至次开关 管M2的一端。次开关管M2的另一端接地。电感器L的一端电耦接至开关 管M1和M2的连接端，输出电容器COUT电耦接在电感器L的另一端和地 之间。输出电容器COUT两端的电压即为输出电压VOUT。开关电路110还 可以具有其他多种拓扑结构，例如非同步降压变换拓扑、Boost型升压结构 以及正激或反激等拓扑结构。

控制电路100包括导通信号产生电路101、关断信号产生电路102和逻 辑电路103。

导通信号产生电路101，具有第一输入端、第二输入端和输出端，基于 参考信号VREF和输出电压VOUT的比较结果在输出端提供导通信号 SETON。在另外一个实施例中，导通信号产生电路101还可以基于参考信号 VREF和表征负载电流IOUT的电压信号的比较结果在输出端提供导通信号 SETON。根据本发明的一个实施例，通信号产生电路101包括第二比较器 CM2，第二比较器CM2包括第一输入端、第二输入端和输出端，分别配置 为导通信号产生电路的第一输入端、第二输入端和输出端。

关断信号产生电路102，包括第一复位电路RC1、第一开关S1、第一电 容C1、第一电流控制电路ICTL和第一比较器CM1，其输出端提供关断信号 SETOFF以关断开关管M1。

第一复位电路RC1，具有输入端与输出端，其输入端耦接至逻辑电路103 的输出端，其输出端提供第一复位信号RS1。第一开关S1，具有控制端、第 一端和第二端，其控制端耦接至第一复位电路RC1输出端，第二端接耦接至 第一电源端PT1。在一个实施例中，第一电源端PT1用以接地。第一电容C1， 具有第一端和第二端，其第一端耦接至第一开关S1第一端，其第二端耦接 至第一电源端PT1。第一电流控制电路ICTL，具有第一输入端、电源端和输 出端，其第一输入端耦接至逻辑电路103的输出端以接收开关信号CTRL， 其电源端耦接至第二电源端PT2，其输出端耦接至第一电容C1的第一端以 提供第一电流I1，第一电流控制电路ICTL基于开关信号CTRL的频率与设 定频率调整其第一电流I1，使得开关信号的频率实质上等于设定频率FSET。 在一个实施例中，第二电源端PT2用以接收输入电压VIN或者内部电源电压。 第一比较器CM1，第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收第 一参考电压VREF1，其第二输入端耦接至第一电容C1的第一端，其输出端 配置为关断信号产生电路102的输出端。

逻辑电路103，具有第一输入端、第二输入端和输出端，基于导通信号 SETON和关断信号SETOFF在输出端提供开关信号CTRL，其中，关断信号 SETOFF在关断时刻由无效电平翻转为有效电平以关断主开关管M1。在一个 实施例中，逻辑电路103包括RS触发器RS1，具有第一输入端S以接收导 通信号SETON、第二输入端R以接收关断信号SETOFF和输出端Q，基于 导通信号SETON和关断信号SETOFF在输出端Q提供开关信号CTRL。

在一个实施例中，当输出电压VOUT低于参考电压VREF时，导通信号 产生电路101的输出的导通信号SETON由低电平转换为高电平，逻辑电路 103输出的开关信号CTRL由低电平转换为高电平以开启主开关管M1。第一 复位电路RC1输出的第一复位信号RS1产生一个尖脉冲信号，使得第一电 容电压VC1被快速置位零，而后，第一电流控制电路ICTL开始对第一电容 C1充电，第一电容上电压VC1逐渐升高。当第一电容上电压VC1升高到第 一参考电压VREF1时，第一比较器CM1输出的关断信号SETOFF由低电平 转换为高电平，逻辑电路输出的开关信号CTRL由高电平转换为低电平以关 断主开关管M1。

在一个实施例中，当开关转换器10的开关频率(即开关信号CTRL的 频率)低于设定频率FSET时，第一电流控制电路ICTL输出电流I1增大以 尽快关断开关管M1，即减小开关管M1的导通时间，进而减小开关转换器 10的开关周期(增大开关转换器10的开关频率)，从而使得开关转换器10 的开关频率实质上等于设定频率。

在一个实施例中，当开关转换器10的开关频率(即开关信号CTRL的 频率)大于设定频率FSET时，第一电流控制电路ICTL输出电流I1减小以 延迟关断开关管M1，即增大开关管M1的导通时间，进而增大开关转换器 10的开关周期(减小开关转换器10的开关频率)，从而使得开关转换器10 的开关频率实质上等于设定频率。

图2示出一款根据本发明一个实施例的第一电流控制电路200的电路示 意图。第一电流控制电路200是第一电流控制电路ICTL的一个具体实施例。 第一电流控制电路200具有第一输入端以接收开关信号CTRL、第二输入端 用以接收参考时钟信号CKRF和输出端用以提供第一电流I1。第一电流控制 电路200包括：鉴相器PD，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第 一输入端耦接至第一电流控制电路200的第一输入端、其第二输入端耦接至 第一电流控制电路200的第二输入端，其输出端耦接至第一电流控制电路200 的输出端，鉴相器基于开关信号CTRL与参考时钟信号CKRF的频率差异调 整其输出电流。

图3示出一款根据本发明一个实施例的第一电流控制电路300电路示意 图。第一电流控制电路300是第一电流控制电路ICTL的一个具体实施例。 第一电流控制电路300具有第一输入端以接收开关信号CTRL、第二输入端 用以接收第二参考电压VREF2和输出端用以提供第一电流I1。第一电流控 制电路300包括：第二复位电路RC2，第三复位电路RC3，第二电流源IS2， 第二开关S2，第二电容C2，第一跨导放大器GA1，第一采保开关SS1，第 一采保电容SC1，电压电流转换电路VIC。

第二复位电路RC2，具有输入端与输出端，其输入端耦接至逻辑电路103 的输出端以接收开关信号CTRL，其输出端提供第二复位信号RS2。第三复 位电路RC3，具有输入端与输出端，其输入端耦接至第二复位电路RC2的输 出端，其输出端提供第三复位信号RS3。第二电流源IS2，具有第一端和第 二端，其第一端耦接至第二电源端PT2。第二开关S2，具有控制端、第一端 和第二端，其控制端耦接至第三复位电路RC3输出端，其第一端耦接至第二 电流源IS2第二端，第二端接耦接至第一电源端PT1。第二电容C2，具有第 一端和第二端，其第一端耦接至第二电流源IS2第二端，其第二端耦接至第 一电源端PT1。第一跨导放大器GA1，具有第一输入端、第二输入端和第一 输出端GO1，其第一输入端耦接至第一电容C1第一端，其第二输入端接收 第二参考电压VREF2。第一采保开关SS1，具有控制端、第一端和第二端， 其控制端耦接至第二复位电路RC2输出端以接收第二复位信号RS2，其第一 端耦接至第一跨导放大器GA1的第一输出端GO1。第一采保电容SC1，具 有第一端和第二端，其第一端耦接至第一采保开关SS1第二端，其第二端耦 接至第一电源端PT1。电压电流转换电路VIC，具有输入端和输出端，其输 入端耦接至第一采保电容SC1第一端，其输出端耦接至第一电流控制电路 300输出端以提供第一电流I1。

图4示出一款根据本发明一个实施例的第一电流控制电路300工作过程 中的波形图。第一电流控制电路300可用于图1所示的开关转换器10，当输 出电压VOUT低于第一参考电压VREF1时，导通信号产生电路101的输出 的导通信号SETON由低电平转换为高电平，逻辑电路103输出的开关信号 CTRL由低电平转换为高电平以开启主开关管M1。主开关管M1开启后第一 时间第二复位电路RC2产生一个尖脉冲，该尖脉冲的有效电平(高电平)使 得第一采保开关SS1闭合，在第一采保开关SS1闭合期间，第一跨导放大器 GA1通过第一采保开关SS1对第一采保电容SC1充放电。主开关管M1开启 后第二时间(大于第一时间)第三复位电路RC3产生一个尖脉冲，该尖脉冲 的高电平使得第二开关S2关闭，第二电容C2通过第二开关S2放电。第三 复位信号RS3由高电平转换为低电平后，第二电流源IS2提供第二电流I2 对第二电容C2充电，第二电容电压VC2由零开始升高，直至下个周期第三 复位信号RS3再次转换为高电平。其中，定义以下时间为设定时间TSET

TSET＝C2×VREF2/I2(1)

由于第二复位信号RS2和第三复位信号RS3的尖脉冲时间非常短，通常 只有十几个微秒，因此设定时间TSET实质上等于开关信号CTRL的开关周 期。

在稳定状态下，如第一周期P1和P2所示，当第一采保开关SS1导通时 (T1时刻和T2时刻)，第二电容电压VC2实质上等于第二参考电压VREF2， 第一跨导放大器GA1不对第一采保电容SC1充放电，第一采保电容SC1上 电压保持不变，开关转换器10的导通时间和关断时间也保持不变。

在一个实施例中，若开关周期P3过长(大于设定时间TSET)，由于第 二电流源IS2持续充电，在第一采保开关SS1闭合时(T3时刻)，第二电容 电压VC2将超过第二参考电压VREF2，跨导放大器GA1将对采保电容SC1 充电，采保电容SC1的电压升高，电压电流转换电路VIC的输出电流升高， 开关转换器10的关断时刻被提前，导通时间减小，开关周期将变短。

在一个实施例中，若开关周期P3过短(小于设定时间TSET)，在第一 采保开关SS1闭合时，由于第二电容电压VC2依然小于第二参考电压 VREF2，跨导放大器GA1将对采保电容SC1放电，采保电容SC1的电压降 低，电压电流转换电路VIC的输出电流减低，开关转换器10的关断时刻被 延迟，导通时间增大，开关周期将变大。

通过上述过程，开关转换器10的开关周期被设置为设定时间TSET(忽 略第二复位信号RS2和第三复位信号RS3的尖脉冲时间)。

图5示出一款根据本发明一个实施例的电流控制电路500电路示意图。 第一电流控制电路500是第一电流控制电路ICTL的一个具体实施例。与图3 所示的第一电流控制电路300相比，第一电流控制电路500采用第一跨导放 大器501取代了第一跨导放大器GA1，采用电压电流转换电路502替代了电 压电流转换电路VIC，并进一步包括第二采保开关SS2。第一跨导放大器502 具有第一输入端、第二输入端、第一输出端GO1和第二输出端GO2。第二 采保开关SS2，具有控制端、第一端和第二端，其控制端耦接至第二复位电 路RC2输出端，其第一端耦接至跨导放大器501第二输出端GO2，其第二端 耦接至第一采保电容SC1第一端。

第一跨导放大器501包括偏置电流源IB、第一晶体管Q1、第二晶体管 Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6、第 七晶体管Q7和第八晶体管Q8。

偏置电流源IB，具有第一端和第二端，其第一端耦接至第二电源端PT2。 第一晶体管Q1，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至偏置电流源 IB的第二端，其控制端耦接至第一跨导放大器501的第一输入端。第二晶体 管Q2，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至偏置电流源IB的第 二端，其控制端耦接至第一跨导放大器501的第二输入端。第三晶体管Q3， 具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至第一晶体管Q1的第一端， 其第二端耦接至第一电源端PT1，其控制端耦接至其第一端。第四晶体管Q4， 具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至第二晶体管Q2的第一端， 其第二端耦接至第一电源端PT1，其控制端耦接至其第一端。第五晶体管Q5， 具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至第一电源端PT1，其控制端 耦接至第三晶体管Q3的控制端，其第一端耦接至第一跨导放大器501第一 输出端GO1。第六晶体管Q6，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦 接至第一电源端PT1，其控制端耦接至第四晶体管Q4的控制端。第七晶体 管Q7，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至第六晶体管Q6的第 一端，其第二端耦接至第二电源端PT2，其控制端耦接至其第一端。第八晶 体管Q8，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至第二电源端PT2， 其控制端耦接至第七晶体管Q7的控制端，其第一端耦接至第一跨导放大器 501第二输出端GO2。

电压电流转换电路502包括第九晶体管Q9、第十晶体管Q10和第十一 晶体管Q11。第九晶体管Q9，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接 至第一电源端PT1，其控制端耦接至电压电流转换电路502的输入端；第十 晶体管Q10，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至第九晶体管Q9 的第一端，其第二端耦接至第二电源端PT2，其控制端耦接至其第一端。第 十一晶体管Q11，具有第一端、第二端和控制端，其控制端耦接至第十晶体 管Q10的控制端，其第二端耦接至第二电源端PT2，其第一端耦接至电压电 流转换电路502的输出端以提供第一电流I1。

电流控制电路500工作过程和电流控制电路300的工作过程相似，参考 图4，在一个实施例中，若开关周期P3过长(大于设定时间TSET)，由于第 二电流源IS2持续充电，在第一采保开关SS1闭合时(T3时刻)，第二电容 电压VC2将超过第二参考电压VREF2，跨导放大器501将通过第一采保开 关SS1对第一采保电容SC1充电，采保电容SC1的电压升高，电压电流转 换电路502的输出电流I1升高，开关转换器10的关断时刻被提前，导通时 间减小，开关周期将变短。

在一个实施例中，若开关周期P3过短(小于设定时间TSET)，在第一 采保开关SS1闭合时，由于第二电容电压VC2依然小于第二参考电压 VREF2，跨导放大器501将通过第二采保开关SS2对第一采保电容SC1放电， 采保电容SC1的电压降低，电压电流转换电路502的输出电流I1减低，开 关转换器10的关断时刻被延迟，导通时间增大，开关周期将变大。

通过上述过程，开关转换器10的开关周期被设置为设定时间TSET(忽 略第二复位信号RS2和第三复位信号RS3的尖脉冲时间)。

尽管本发明已经结合其具体示例性实施方式进行了描述，很显然的是， 多种备选、修改和变形对于本领域技术人员是显而易见的。由此，在此阐明 的本发明的示例性实施方式是示意性的而并非限制性。可以在不脱离本发明 的精神和范围的情况下作出修改。在本公开内容中所使用的量词“一个”、“一 种”等不排除复数。文中的“第一”、“第二”等仅表示在实施例的描述中出现 的先后顺序，以便于区分类似部件。“第一”、“第二”在权利要求书中的出现 仅为了便于对权利要求的快速理解而不是为了对其进行限制。权利要求书中 的任何附图标记都不应解释为对范围的限制。