專利名稱：一種減小開關頻率變化的電壓變換器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及ー種電子電路，尤其涉及一種用于開關模式電壓變換器的控制電路及其控制方法。
背景技術：
降壓和升壓變換器是多種應用場合下的高效開關電源。例如，降壓變換器可用于將筆記本電腦中的供電電壓(例如12疒24V)轉換為中央處理單元(CPU)所需的工作電壓(例如2. 5V飛V)。對于集成電路而言，降壓和升壓變換器的效率可高達95%。圖I是現(xiàn)有的降壓變換器100的電路原理圖。如圖I所示，降壓變換器100包括耦接于輸入電壓な和參考電壓Vref (例如地)之間的控制電路102和開關電路104。其中開關電路104包括第一開關管112a (通常指上側開關管)和第二開關管112b (通常指下側開關管)。第一開關管112a與第二開關管112b串聯(lián)耦接，第一開關管112a與第二開關管112b分別包括體ニ極管114a和114b。控制電路102用于周期性地導通第一開關管112aー恒定時長。此外，降壓變換器100還包括電感器106、電容器108和負載110 (例如CPU)，其中負載110與電容器108并聯(lián)。工作時，控制電路102導通第一開關管112a —恒定時長，在這一恒定時長內(nèi)，輸入電壓匕為電感器106和電容器108充電。隨后，控制電路102關斷第一開關管112a并導通第二開關管112b，使電流經(jīng)過電感器106、電容器108和第二開關管112b續(xù)流。然而，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當控制電路102直接耦接于輸入電壓な和地之間時，降壓變換器100的開關頻率會隨輸入電壓な的變化而變化。開關頻率的變化會對負載產(chǎn)生不利的影響，因此需要做出一些改進來降低或者消除開關頻率的變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種用于開關模式電壓變換器的控制電路及控制方法，以解決因其輸入電壓變化導致的開關頻率變化問題。根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種ー種用于開關模式電壓變換器的控制電路，該開關模式電壓變換器包括第一開關管，該控制電路耦接在輸入電壓和地之間，周期性地導通第一開關管ー恒定時長，該控制電路還耦接至直流偏置電壓，基于輸入電壓和直流偏置電壓產(chǎn)生開關控制信號以控制第一開關管的導通或關斷，從而減小輸入電壓變化引起的開關頻率變化。根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種開關模式電壓變換器，該開關模式電壓變換器包括上述控制電路和第一開關管。根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種用于開關模式電壓變換器的控制方法，該開關模式電壓變換器包括開關管和用于周期性導通開關管ー恒定時長的控制電路，該控制方法包括對控制電路施加直流偏置電壓；改變開關模式電壓變換器的輸入電壓；測量輸入電壓變化引起的頻率偏移；以及根據(jù)目標頻率偏移來調(diào)整直流偏置電壓。、
根據(jù)本發(fā)明一實施例的一種用于開關模式電壓變換器的控制方法，該開關模式電壓變換器包括開關管和用于周期性導通開關管ー恒定時長的控制電路，該控制方法包括對控制電路施加多個不同數(shù)值的直流偏置電壓；改變開關模式電壓變換器的輸入電壓；測量多個不同數(shù)值直流偏置電壓下的多個頻率偏移；處理多個頻率偏移和相應的直流偏置電壓，找出最小的頻率偏移以及與最小頻率偏移對應的直流偏置電壓；以及將對應的直流偏置電壓作為設定值施加至控制電路。根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過對控制電路施加合適的直流偏置電壓來實現(xiàn)減小甚至消除輸入電壓變化所引起的開關頻率變化。


為了更好的理解本發(fā)明，將根據(jù)以下附圖對本發(fā)明進行詳細描述
圖I是現(xiàn)有的降壓變換器100的電路原理 圖2是通過實驗測得的圖I所示現(xiàn)有降壓變換器100的開關頻率隨輸入電壓變化的波形 圖3是通過實驗測得的在兩個不同的輸入電壓下，開關電壓隨時間變化的波形 圖4A是圖I中所示降壓變換器100的一部分電路原理 圖4B是圖4A所示降壓變換器工作時電壓隨時間變化的波形 圖5A是根據(jù)本發(fā)明ー實施例的降壓變換器200的電路原理 圖5B是根據(jù)本發(fā)明ー實施例的圖5A中控制電路202的電路原理 圖6是根據(jù)本發(fā)明ー實施例的根據(jù)圖5A所示降壓變換器200的開關頻率隨輸入電壓變化的仿真結果所繪制的 圖7A是降壓變換器300的電路原理 圖7B是根據(jù)本發(fā)明ー實施例的圖7A所示降壓變換器300工作時電壓隨時間變化的波形圖。
具體實施例方式下面參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。本領域的技術人員應當理解，圖中的一些細節(jié)，如尺寸、形狀、角度以及其他特征僅僅是示意本技術的某一特定實施例。沒有這些具體細節(jié)，本發(fā)明同樣可以實施。本領域技術人員還應理解，盡管本發(fā)明中的詳細描述與特定實施例相結合，但本發(fā)明仍有許多其他實施方式，在實際執(zhí)行時可能有些變化，但仍然包含在本發(fā)明主g范圍內(nèi)，因此，本發(fā)明g在包括所有落入本發(fā)明和所述權利要求范圍及主旨內(nèi)的替代例、改進例和變化例等。如前所述，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在常見的開關模式電壓變換器中，開關頻率會隨輸入電壓Vln的變化而改變。對圖I所示降壓變換器100進行實驗，可以得出輸入電壓な和開關頻率之間的關系。圖2是通過實驗測得的圖I所示現(xiàn)有降壓變換器100的開關頻率/;隨輸入電壓Vin變化的波形圖。如圖2所示，當輸入電壓Vjn從2. 7V增加到5V吋，開關頻率/;下降約17%。當輸入電壓Vjn從2. 7V增加至5. 8V時，開關頻率fs下降約19%。圖3是通過實驗測得的在兩個不同的輸入電壓Vjn下，開關電壓な隨時間變化的波形圖。如圖3所示，當輸入電壓匕為2. 7V時，死區(qū)時間約為49. 8ns。當輸入電壓匕為5V時，死區(qū)時間約為15. Ins0可以看出，輸入電壓匕越高，死區(qū)時間越短，開關頻率/;越小，開關周期Ts越長。具體細節(jié)將在圖4Α和圖4Β中討論。圖4Α是圖I中所示降壓變換器100的一部分電路原理圖。圖4Β是圖4Α所示降壓變換器工作時電壓隨時間變化的波形圖。如圖4Α和4Β所示，在一個開關周期Ts中，根據(jù)能量守恒原則，得出下式
Jfc-^>* = 0(I)
O
由于開關頻率為開關周期的倒數(shù)，式(I)可以變形為
Pr
f. = 1/2, =-^- (2)
7 · T - f ·『,
in on L'dsad /
其中^為體ニ極管的導通電壓。如果輸入電壓匕較高(例如圖3中所示的5V)，死區(qū)時間ら—基本比低輸入電壓時(例如圖3中所示的2. 7V)短。因此，高輸入電壓時的死區(qū)時間ら-可以忽略，高輸入電壓時的開關頻率可按下式來近似
L崖Λ = VmH■ぐ Vin-Iai⑶
另ー方面，若輸入電壓匕較低，例如圖3中的2. 7V，則死區(qū)時間不能忽略，這樣低輸入電壓時的開關頻率按下式近似
“仏=liTl⑷
如式(3)與式(4)所示，當導通時長—定時，低輸入電壓時的開關頻率具有比高輸入電壓時的開關頻率小的分母。因此，低輸入電壓時的開關頻率高于高輸入電壓時的開關頻率，即
すs _νΛ ^ J s _Μφ_ΥΛ(5)
如前所述，開關頻率/;的變化會對耦接至開關模式電壓變換器的負載產(chǎn)生不利影響。例如，負載可能包括為特定頻率段設計的帶寬濾波器，開關頻率的變化將導致設計的電路故障和/或其它問題。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以至少減小前述開關頻率變化。下面根據(jù)圖5Α 7Β進行討論。圖5Α是根據(jù)本發(fā)明ー實施例的降壓變換器200的電路原理圖。圖5Β是根據(jù)本發(fā)明ー實施例的圖5Α中控制電路202的電路原理圖。如圖5Α所示，降壓變換器200所包括的元器件與圖I中降壓變換器100所包括的元器件類似。例如，降壓變換器200包括第一開關管112a、第二開關管112b、電感器116以及與負載110并聯(lián)耦接的電容器108。其中第一開關管112a和第二開關管112b分別包括第一體ニ極管114a和第二體ニ極管114b。為了說明清楚，在此省略對這些元器件的討論。降壓變換器200還包括控制電路202?？刂齐娐?02耦接在輸入電壓匕和地之間，周期性地導通第一開關管112a—恒定時長?？刂齐娐?02還耦接至直流偏置電壓な，基于輸入電壓匕和直流偏置電壓匕.35產(chǎn)生開關控制信號以控制第一開關管112a的導通或關斷。調(diào)節(jié)直流偏置電壓な3S可至少減少由于輸入電壓變化而引起的開關頻率變化，下面將參照圖5B給出詳細的描述。如圖5B所示，控制電路202包括彼此電耦接的電流設定單元202a和開關控制單元202b。盡管在圖5B中給出了控制電路202的特定元器件，在其它實施例中，控制電路202可包括不同的和/或其他増加的元器件。電流設定單元202a耦接至輸入電壓Vjn和直流偏置電壓V—,基于輸入電壓な和直流偏置電壓Vbjas來產(chǎn)生控制電流I。在一個實施例中，如圖5B所示，電流設定單元202a包括一端耦接至輸入電壓的電阻器210、串聯(lián)耦接于輸入電壓Fto和參考電壓之間的第一晶體管214a。其中參考電壓可以是圖5B所示的地或其他合適的電壓值。電流設定単元202a還包括第一比較器212。第一比較器212具有耦接至第一晶體管214a漏極的第一端212a、耦接至直流偏置電壓Vbjas的第二端212b以及耦接至第一晶體管214a柵極的輸出端。在一個實施例中，第一比較器212為運算放大器。 工作時，第一比較器212和第一晶體管214a構成電壓跟隨器，將漏極電壓匕調(diào)節(jié)至等于直流偏置電壓Vbias0電流設定單元202a可以按照下式來設定流過電阻器210和第一晶體管214a的控制電流I
V - V,
J= -M-Msl(6)
R
其中/ 是電阻器210的電阻值?？刂齐娏?被供給開關控制單元202b以產(chǎn)生開關電路104的開關控制信號。 開關控制単元202b耦接至電流設定單元202a，接收控制電流I并據(jù)此產(chǎn)生開關控制信號。如圖5B所示，開關控制単元202b包括耦接至第一比較器212輸出端的第二晶體管214b。在一個實施例中，第二晶體管214b與第一晶體管214a相配對(例如具有實質(zhì)上相同的器件特性)。在其他實施例中，第二晶體管214b可以采用其他的配置。開關控制單元202b還包括耦接在一起的電流鏡216、開關電容器220、放電晶體管222和第二比較器224。其中電流鏡216包括耦接至第二晶體管214b漏極的第一鏡像晶體管218a和與開關電容器220串聯(lián)耦接的第二鏡像晶體管218b。開關電容器220包括第一端和第二端，其中開關電容器220的第一端耦接至第二鏡像晶體管218b的漏極，開關電容器220的第二端耦接至參考電壓Vref (例如圖5B所示的地)。放電晶體管222具有源極、漏極和柵極，其中放電晶體管222的漏極耦接至開關電容器220的第一端，源極耦接至開關電容器220的第二端，柵極耦接至第二比較器224的輸出端。第二比較器224具有耦接至開關電容器220第一端的第一輸入端224a和稱接至閾值電壓Vt/l的第二輸入端224b。工作時，第二晶體管214b將流過第一鏡像晶體管218b的電流設置為等于流過電阻器210和第一晶體管214a的控制電流/。這樣電流鏡216可以復制控制電流/并將該電流供給開關電容器220的第一端?？刂齐娏?對開關電容器220進行充電。第二比較器224將開關電容器220兩端的充電電壓匕與閾值電壓Kth進行比較，以提供開關控制信號給開關電路104來控制圖5A中第一開關管112a和第二開關管112b的導通或關斷。第二比較器224同時提供開關控制信號至放電晶體管222的柵極，當充電電壓匕大于閾值電壓Kth時導通放電晶體管222，為開關電容器220放電。這樣，充電電壓Kc小于閾值電壓Fth,放電晶體管222隨之關斷，然后控制電流/再次對開關電容器220進行充電，上述過程不斷重復。根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過調(diào)節(jié)直流偏置電壓匕.3S，可以至少減少或者基本消除輸入電壓變化引起的開關頻率變化。圖6是根據(jù)本發(fā)明ー實施例的根據(jù)圖5A所示降壓變換器200開關頻率隨輸入電壓變化的仿真結果所繪制的圖。如圖6所示，當直流偏置電壓Vbias分別為O. 54V、0. 6V和O. 76V吋，與直流偏置電壓Vbias為OV時相比，開關頻率/;的變化顯著減小。特別是當直流偏置電壓Vbjas為O. 76V吋，開關頻率/;在輸入電壓從2. 7V變換至5V時的變化小于1%。詳細的仿真結果如下表所示。
權利要求
1.一種用于開關模式電壓變換器的控制電路，該開關模式電壓變換器包括第一開關管，該控制電路耦接在輸入電壓和地之間，周期性地導通第一開關管一恒定時長，該控制電路還耦接至直流偏置電壓，基于輸入電壓和直流偏置電壓產(chǎn)生開關控制信號以控制第一開關管的導通或關斷，從而減小輸入電壓變化引起的開關頻率變化。
2.如權利要求I所述的控制電路，包括 電流設定單元，耦接至輸入電壓和直流偏置電壓，基于輸入電壓和直流偏置電壓產(chǎn)生控制電流；以及 開關控制單元，耦接至電流設定單元，根據(jù)控制電流產(chǎn)生開關控制信號以控制第一開關管的導通與關斷。
3.如權利要求2所述的控制電路，其中電流設定單元包括 電阻器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至輸入電壓； 第一比較器，具有第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，其中第一輸入端I禹接至電阻器的第二端，第二輸入端耦接至直流偏置電壓； 第一晶體管，具有第一端、第二端以及控制端，其中第一端耦接至電阻器的第二端和第一比較器的第一輸入端，第二端耦接至地，控制端耦接至第一比較器的輸出端。
4.如權利要求2所述的控制電路，其中開關控制單元包括 電流鏡，具有第一端、第二端和第三端，其中第一端耦接至輸入電壓； 第二晶體管，與第一晶體管相配對，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至電流鏡的第二端，第二端耦接至地，控制端耦接至第一比較器的輸出端； 開關電容器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至電流鏡的第三端，第二端耦接至地； 第二比較器，具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中第一輸入端稱接至電流鏡的第三端和開關電容器的第一端，第二端耦接至閾值電壓，輸出端耦接至第一開關管以提供開關控制信號；以及 放電晶體管，與開關電容器并聯(lián)耦接，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至開關電容器的第一端，第二端耦接至地，控制端耦接至第二比較器的輸出端，放電晶體管用于當開關電容器的電壓高于閾值電壓時，為開關電容器放電。
5.一種開關模式電壓變換器，包括第一開關管和如權利要求I至4中任一項所述的控制電路。
6.如權利要求5所述的開關模式電壓變換器,其中第一開關管具有第一端、第二端和控制端，其中第一端接收輸入電壓，控制端耦接至控制電路的輸出端； 該開關模式電壓變換器還包括 第二開關管，具有第一端、第二端和控制端，其中第一端耦接至一開關管的第二端，第二端耦接至地，控制端耦接至控制電路的輸出端； 電感器，具有第一端和第二端，其中第一端耦接至第一開關管的第二端和第二開關管的第一端；以及 輸出電容器，電稱接于電感器的第二端與地之間。
7.一種用于開關模式電壓變換器的控制方法，該開關模式電壓變換器包括開關管和用于周期性導通開關管一恒定時長的控制電路，該控制方法包括對控制電路施加直流偏置電壓； 改變開關模式電壓變換器的輸入電壓； 測量輸入電壓變化引起的頻率偏移；以及 根據(jù)目標頻率偏移來調(diào)整直流偏置電壓。
8.如權利要求7所述的控制方法，進一步包括 根據(jù)測量的頻率偏移來計算頻率變化百分比； 其中調(diào)整直流偏置電壓的步驟包括若計算得到的頻率變化百分比小于5%，將對應的直流偏置電壓作為設定值施加至控制電路。
9.如權利要求7所述的控制方法，進一步包括 根據(jù)測量的頻率偏移來計算頻率變化百分比； 其中調(diào)節(jié)直流偏置電壓的步驟包括若計算得到的頻率變化百分比小于1%，將對應的直流偏置電壓作為設定值施加至控制電路。
10.一種用于開關模式電壓變換器的控制方法，該開關模式電壓變換器包括開關管和用于周期性導通開關管一恒定時長的控制電路，該控制方法包括 對控制電路施加多個不同數(shù)值的直流偏置電壓； 改變開關模式電壓變換器的輸入電壓； 測量多個不同數(shù)值直流偏置電壓下的多個頻率偏移； 處理多個頻率偏移和相應的直流偏置電壓，找出最小的頻率偏移以及與最小頻率偏移對應的直流偏置電壓；以及 將對應的直流偏置電壓作為設定值施加至控制電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于開關模式電壓變換器的控制電路，該開關模式電壓變換器包括第一開關管，該控制電路耦接在輸入電壓和地之間，周期性地導通第一開關管一恒定時長，該控制電路還耦接至直流偏置電壓，基于輸入電壓和直流偏置電壓產(chǎn)生開關控制信號以控制第一開關管的導通或關斷，從而減小輸入電壓變化引起的開關頻率變化。
文檔編號H02M3/155GK102710128SQ20121006366
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權日2011年3月18日
發(fā)明者徐鵬, 董巖, 詹姆斯·阮 申請人:成都芯源系統(tǒng)有限公司