開關模式變換器及其控制電路和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電子電路，更具體地說，本發明涉及一種開關模式變換器及其控 制電路和方法。
【背景技術】
[0002] 在開關模式變換器中，常常需要提供穩定的輸出電壓。因此，輸出電壓被反饋至控 制電路進行調節。通常情況下，控制電路中包括補償網絡，該補償網絡的零點（1/(RXC)，其 中R為補償網絡的等效電阻值，C為補償網絡的等效電容值)必須足夠小(遠遠小于系統開關 頻率），以維持系統的穩定性。
[0003] 在脈沖頻率調制(PFM，pulse frequency modulation)的控制策略中，隨著負載的 降低，開關頻率也被降低以提高輕載下的效率。如在某些應用中，最小開關頻率為100Hz。然 而，在芯片的制作中，電容和電阻的尺寸被限制。通常情況下，電容值C〈 1 OOpF，電阻值R〈 1M Ω。因此，在輕載狀態下，控制環路的零點不能處理該低頻率，將會產生系統的穩定性問題。
【發明內容】
[0004] 因此本發明的目的在于解決現有技術的上述技術問題，提出一種改進的開關模式 變換器及其控制電路和方法。
[0005] 根據本發明的實施例，提出了一種控制電路，用于開關模式變換器，所述開關模式 變換器接收輸入電壓，提供輸出電壓，所述開關模式變換器包括被周期性導通和斷開的功 率開關，所述控制電路包括:跨導放大器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸 入端接收表征輸出電壓的反饋電壓，第二輸入端接收參考電壓，所述跨導放大器基于反饋 電壓和參考電壓，在其輸出端產生跨導電流;開關單元，耦接至跨導放大器的輸出端;補償 節點；中間節點；補償電容，耦接在補償節點和中間節點之間；補償電阻，耦接在中間節點和 參考地之間；其中所述開關單元在開關周期的固定時間內，將跨導電流輸送至補償節點，在 開關周期的剩余時間內，將跨導電流輸送至中間節點；邏輯控制單元，耦接至補償節點，接 收補償電容和補償電阻上的壓降，產生開關控制信號，用以控制功率開關周期性的導通與 斷開。
[0006] 根據本發明的實施例，還提出了一種開關模式變換器，包括前述控制電路和所述 功率開關。
[0007] 根據本發明的實施例，還提出了一種方法，用于開關模式變換器，所述開關模式變 換器包括功率開關，所述方法包括:周期性地導通和閉合功率開關，以產生輸出電壓，所述 功率開關具有開關周期;提供表征輸出電壓的反饋電壓;將反饋電壓和參考電壓的差值進 行放大，并轉化為電流形式，得到跨導電流;在開關周期的固定時間內，使跨導電流流經補 償電容和補償電阻;在開關周期的剩余時間內，使跨導電流不流經補償電容，僅流經補償電 阻；接收補償電容和補償電阻上的壓降，產生開關控制信號，用以控制所述功率開關的運 行。
[0008] 根據本發明各方面的上述開關模式變換器及其控制電路和方法，在不改變補償網 絡的參數的前提下，保證了系統的穩定。
【附圖說明】
[0009] 圖1為根據本發明實施例的開關模式變換器100的結構示意圖；
[0010] 圖2為根據本發明實施例的開關模式變換器200的結構示意圖；
[0011] 圖3為根據本發明實施例的開關模式變換器300的結構示意圖；
[0012] 圖4為根據本發明實施例的開關模式變換器400的結構示意圖；
[0013]圖5為根據本發明實施例的開關模式變換器500的結構示意圖圖；
[0014]圖6為根據本發明實施例的開關模式變換器600的結構示意圖；
[0015]圖7示意性示出了根據本發明實施例的用于開關模式變換器的方法流程圖700。
【具體實施方式】
[0016] 下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這里描述的實施例只用于舉例 說明，并不用于限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特 定細節。然而，對于本領域普通技術人員顯而易見的是:不必采用這些特定細節來實行本發 明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。
[0017] 在整個說明書中，對"一個實施例"、"實施例"、"一個示例"或"示例"的提及意味 著:結合該實施例或示例描述的特定特征、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。 因此，在整個說明書的各個地方出現的短語"在一個實施例中"、"在實施例中"、"一個示例" 或"示例"不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合將特定 的特征、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理 解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。應當理解，當 稱元件"耦接到"或"連接到"另一元件時，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存 在中間元件。相反，當稱元件"直接親接到"或"直接連接到"另一元件時，不存在中間元件。 相同的附圖標記指示相同的元件。這里使用的術語"和/或"包括一個或多個相關列出的項 目的任何和所有組合。
[0018] 圖1為根據本發明實施例的開關模式變換器100的結構示意圖。在圖1所示實施例 中，所述開關模式變換器100包括:輸入端口 101，接收輸入電壓Vin;輸出端口 102，提供輸出 電壓Vo;功率開關電路103，耦接在輸入端口 101和輸出端口 102之間，所述功率開關電路103 包括被周期性導通和斷開的功率開關31，所述功率開關31具有開關周期Ts;控制電路，所述 控制電路包括:跨導放大器104,具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其第一輸入端接收 表征輸出電壓Vo的反饋電壓V FB，第二輸入端接收參考電壓VR，所述跨導放大器104基于反饋 電壓VFB和參考電壓V R，在其輸出端產生跨導電流IC;開關單元105,耦接至跨導放大器104的 輸出端;補償節點61;中間節點62;補償電容106,耦接在補償節點61和中間節點62之間；補 償電阻107,耦接在中間節點62和參考地之間；其中所述開關單元105在開關周期Ts的固定 時間Tc內，將跨導電流1#俞送至補償節點61，使跨導電流I C流經補償電容106和補償電阻 107,在開關周期Ts的剩余時間內，將跨導電流Ic輸送至中間節點62,使跨導電流Ic不流經補 償電容106;邏輯控制單元108,耦接至補償節點61，接收補償電容106和補償電阻107上的壓 降，產生開關控制信號，用以控制功率開關31周期性的導通與斷開。
[0019] 跨導放大器將反饋電壓VFB和參考電壓VR的差值進行放大并轉化為電流形式（即跨 導電流Ic)，然后將該放大的電流輸出在補償電容106和補償電阻107上進行比例積分，得到 補償電容106和補償電阻107上的壓降。
[0020] 在圖1所示實施例中，所述開關單元105包括:第一開關51，耦接在跨導放大器104 的輸出端和補償節點61之間，所述第一開關51在開關周期Ts的固定時間Tc內導通，在開關 周期Ts的剩余時間內斷開;第二開關52,耦接在跨導放大器104的輸出端和中間節點62之 間，所述第二開關52在開關周期Ts的固定時間Tc內斷開，在開關周期Ts的剩余時間內導通。
[0021] 在一個實施例中，所述開關單元105可能包括選擇開關，如圖2所示的開關模式變 換器200。圖2所示開關模式變換器200與圖1所示開關模式變換器100相似，與圖1所示實施 例不同的是，在圖2所示實施例中，所述開關單元105包括選擇開關53，所述選擇開關53在開 關周期Ts的固定時間Tc內將跨導放大器104的輸出端連接至補償節點61，在開關周期1^的 剩余時間內將跨導放大器104的輸出端連接至中間節點62。
[0022] 圖3為根據本發明實施例的開關模式變換器300的結構示意圖。圖3所示開關模式 變換器300與圖1所示開關模式變換器100相似，與圖1所示實施例不同的是，在圖3所示實施 例中，所述開關模式變換器300還包括:采樣保持電路109,接收反饋電壓V FB，輸出采樣保持 信號Vsh至跨導放大器104的第一輸入端。
[0023]在一個實施例中，采樣保持電路109對反饋電壓VFB的采樣可以是短脈沖時間段的 采樣:如在當前開關周期下任意合適時刻開始的短脈沖時間段內，采樣保持電路109對反饋 電壓VFB實施采樣;在短脈沖時間段之外的剩余時間對所采樣的信號進行保持，直至下一個 開關周期。該采樣也可以是全時段的采樣:如在當前開關周期下，在功率開關31斷開或者導 通的全時段內，采樣保持電路109對反饋電壓V FB實施采樣;在剩余時間內，采樣保持電路109 對所采樣的信號進行保持，直至下一個開關周期。
[0024]在圖3所示實施例中，所述采樣保持電路109包括:采樣開關91，耦接在反饋信號VFB 和跨導放大器104的第一輸入端之間；保持電容92,耦接在跨導放大器104的第一輸入端和 參考地之間。在一個實施例中，所述采樣開關91在功率開關31斷開時被導通，在功率開關31 導通時被斷開;或者在功率開關31導通時被導通，在功率開關31斷開時被斷開。在另一個實 施例中，所述采樣開關91在開關周期的任意合適時刻開始被導通一短脈沖時間段，在短脈 沖時間段之外的剩余時間被斷開。
[0025]圖1、圖2和圖3所示開關模式變換器100、200和300運行時，功率開關31在開關控制 信號的控制下，被周期性地導通和斷開。開關單元105在開關周期Ts的固定時間Tc內，將跨 導電流Ic輸送至補償節點61，跨導電流I C流經補償電容106和補償電阻107,此時補償網絡包 括串聯耦接在補償節點61和參考地之間的補償電容106和補償電阻107;在開關周期Ts的剩 余時間內，將跨導電流Ic輸送至中間節點62,跨導電流Ic不流經補償電容106,僅流經補償電 阻107,此時補償網絡僅僅包括補償電阻107。
[0026]當系統處于重載狀態時，開關頻率較大，即開關周期Ts較小，此時Ts〈Tc，則開關單 元105始終將跨導電流1#俞送至補償節點61，補償網絡的零點為1/(RXC)，其中R為補償電 阻107的電阻值，C為補償電容106的電容值;當系統處于輕載狀態時，開關頻率較小，即開關 周期Ts較大，當Ts>Tc時，則在固定時間Tc