控制器、开关变换器及用于开关变换器的控制方法与流程

1.本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种控制器、一种开关变换器及一种用于开关变换器的控制方法。


背景技术：

2.开关变换器能在一定负载范围内实现恒定电压输出，其结构稳定、高效且控制模式多样，因而广泛地应用在大功率电压变换场合。cot(constant on-time，恒定导通时间)控制模式是业界对于开关变换器采用的最广泛的控制模式之一，cot控制模式的环路简单，对外围器件依赖较少，有助于提升板级集成度，同时响应速度快，轻载效率高。
3.对工作在cot控制模式的开关变换器而言，其稳定性判据是esr*cout》ton/2,其中cout为输出电容，esr为输出电容等效串联电阻，ton为导通时间。显然，cot控制模式的稳定性依赖于esr的值，当esr较大的时候，开关变换器的稳定性更有保障。但是esr过大会引入其他问题，且限制了输出电容的选择。在应用中，通常选择esr很低的陶瓷电容作为输出电容，而由此引入的稳定性问题则需要采用其他方案解决。常用方案是将开关变换器中作为储能元件的电感的电流纹波信号采集，并取其平均值，将二者之差作为补偿电压加入到反馈环路中。这一传统做法存在问题，例如在开关变换器从ccm向dcm跳变时，由于平均值的计算过程，与电感电流纹波信号之间存在滞后，所得到的补偿电压幅值增大，会引起输出电压波动，导致负载跳变时开关变换器的响应特性较差。


技术实现要素：

4.为了改进补偿电压的生成方式，提升开关变换器的瞬态跳变特性，使得较小esr的输出电容得以在开关变换器中适用，本发明提供一种控制器、一种开关变换器及一种用于开关变换器的控制方法。
5.一方面，本发明提供一种用于开关变换器的控制器，所述开关变换器包括一个或多个功率开关元件和储能元件，通过所述一个或多个功率开关元件的切换将一直流输入电压传送给所述储能元件，其特征在于，所述控制器包括：
6.采样反馈单元，得到反映所述储能元件的能量变化的第一斜坡信号；
7.斜坡补偿单元，接收所述第一斜坡信号，并生成第二斜坡信号；
8.其中，所述第二斜坡信号是基于所述第一斜坡信号生成，并且所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号的差值小于一预设值，所述控制器根据所述第一斜坡信号和第二斜坡信号的差值控制所述一个或多个功率开关元件的动作。
9.可选的，所述采样反馈单元包括电阻分压电路和滤波电路，所述电阻分压电路连接于所述储能元件一端，获得所述储能元件一端的电压信号，并经过所述滤波电路获得所述第一斜坡信号。
10.可选的，所述电阻分压网络包括串联连接的第一电阻和第二电阻，所述电阻分压网络的一端与所述储能元件连接，另一端与地连接，所述第一电阻和第二电阻的连接点连
接所述滤波电路。
11.可选的，所述斜坡补偿单元包括：
12.钳位电路，所述钳位电路根据所述第一斜坡信号信号生成所述第二斜坡信号，当所述第二斜坡信号升高至所述第一斜坡信号，所述钳位电路使所述第二斜坡信号降低，直至等于第一斜坡信号。
13.可选的，所述钳位电路包括：
14.运算放大器，所述运算放大器接收所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号，并输出一驱动信号；
15.第一开关，所述第一开关连接于所述第二斜坡信号和地之间；其中，当所述第二斜坡信号升高至所述第一斜坡信号，所述驱动信号驱动所述第一开关导通，使得所述第二斜坡信号降低；当所述第二斜坡信号降低至所述第一斜坡信号，所述驱动信号驱动所述第一开关关断，所述第二斜坡信号停止降低。
16.可选的，所述斜坡补偿单元包括：
17.采保电路，所述采保电路根据所述第一斜坡信号生成一采样保持信号，所述采样保持信号跟随所述第一斜坡信号的最小值；
18.选择电路，接收滤波后的所述采样保持信号和所述第一斜坡信号并进行比较，当所述采样保持信号高于所述第一斜坡信号，所述选择电路使所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号等电位，当所述采样保持信号不高于所述第一斜坡信号，所述选择电路使所述第二斜坡信号与所述采样保持信号等电位。
19.可选的，所述选择电路包括：
20.比较器，所述比较器接收滤波后的所述采样保持信号和所述第一斜坡信号，并输出一控制信号；
21.第二开关，所述第二开关连接于所述第一斜坡信号和第二斜坡信号之间；其中，当所述采样保持信号高于所述第一斜坡信号，所述控制信号控制所述第二开关导通，使得所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号等电位。
22.另一方面，本发明提供一种开关变换器，所述开关变换器包括一个或多个功率开关元件、储能元件、输出电容和控制器，所述控制器通过控制所述一个或多个功率开关元件的动作将一直流输入电压周期性地传送给所述储能元件和输出电容，并在所述输出电容上获得一直流输出电压，其特征在于，所述控制器包括：
23.采样反馈单元，得到反映所述储能元件的能量变化的第一斜坡信号；
24.斜坡补偿单元，接收所述第一斜坡信号，并生成第二斜坡信号；
25.其中，所述第二斜坡信号是基于所述第一斜坡信号生成，并且所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号的差值小于一预设值，所述控制器根据所述第一斜坡信号和第二斜坡信号的差值控制所述一个或多个功率开关元件的动作。
26.可选的，所述采样反馈单元包括电阻分压电路和滤波电路，所述电阻分压电路连接于所述储能元件一端，获得所述储能元件一端的电压信号，并经过所述滤波电路获得所述第一斜坡信号。
27.可选的，所述电阻分压网络包括串联连接的第一电阻和第二电阻，所述电阻分压网络的一端与所述储能元件连接，另一端与地连接，所述第一电阻和第二电阻的连接点连
接所述滤波电路。
28.可选的，所述斜坡补偿单元包括：钳位电路，所述钳位电路根据所述第一斜坡信号生成所述第二斜坡信号，当所述第二斜坡信号升高至所述第一斜坡信号，所述钳位电路使所述第二斜坡信号降低，直至等于第一斜坡信号。
29.可选的，所述钳位电路包括：
30.运算放大器，所述运算放大器接收所述第一斜坡信号和所述第二斜坡信号，并输出一驱动信号；
31.第一开关，所述第一开关连接于所述第二斜坡信号和地之间；其中，当所述第二斜坡信号升高至所述第一斜坡信号，所述驱动信号驱动所述第一开关导通，使得所述第二斜坡信号降低；当所述第二斜坡信号降低至所述第一斜坡信号，所述驱动信号驱动所述第一开关关断，所述第二斜坡信号停止降低。
32.可选的，所述斜坡补偿单元包括：
33.采保电路，所述采保电路根据所述第一斜坡信号生成一采样保持信号，所述采样保持信号跟随所述第一斜坡信号的最小值；
34.选择电路，接收滤波后的所述采样保持信号和所述第一斜坡信号并进行比较，当所述采样保持信号高于所述第一斜坡信号，所述选择电路使所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号等电位，当所述采样保持信号不高于所述第一斜坡信号，所述选择电路使所述第二斜坡信号与所述采样保持信号等电位。
35.可选的，所述选择电路包括：
36.比较器，所述比较器接收滤波后的所述采样保持信号和所述第一斜坡信号，并输出一控制信号；
37.第二开关，所述第二开关连接于所述第一斜坡信号和第二斜坡信号之间；其中，
38.当所述采样保持信号高于所述第一斜坡信号，所述控制信号控制所述第二开关导通，使得所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号等电位。
39.再一方面，本发明提供一种用于开关变换器的控制方法，所述开关变换器包括一个或多个功率开关元件和储能元件，通过所述一个或多个功率开关元件的切换将一直流输入电压传送给所述储能元件，所述控制方法包括：
40.基于所述储能元件的能量变化得到第一斜坡信号；
41.基于所述第一斜坡信号生成第二斜坡信号，所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号的差值小于一预设值；
42.根据所述第一斜坡信号和第二斜坡信号的差值控制所述一个或多个功率开关元件的动作。
43.可选的，所述控制方法还包括：当所述第二斜坡信号升高至所述第一斜坡信号，使所述第二斜坡信号降低，直至等于第一斜坡信号。
44.本发明提供的控制器用于控制开关变换器中的功率开关器件，将一直流输入电压转换为一直流输出电压，所述控制器包括采样反馈单元及斜坡补偿单元，用于获得反映所述储能元件的能量变化的第一斜坡信号，并基于所述第一斜坡信号生成第二斜坡信号，使得所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号的差值小于一预设值。如此可以在保留传统斜坡补偿cot控制方式优点的基础上，改进补偿电压的生成方式，自适应地减小负载切换时传统
斜坡补偿方式造成的输出电压波动，提升开关变换器的瞬态跳变特性，使得较小esr的输出电容得以在开关变换器中适用。本发明提供的开关变换器及用于开关变换器的控制方法具有类似的优点。
附图说明
45.图1是本发明一实施例的控制器的示意图。
46.图2是本发明一实施例的开关变换器电路的示意图。
47.图3是本发明又一实施例中的控制器的示意图。
48.图4是本发明又一实施例的补偿电压波形示意图。
49.图5是本发明又一实施例中的控制器具体电路的示意图。
50.图6是本发明再一实施例中的控制器的示意图。
51.图7是本发明再一实施例的补偿电压波形示意图。
52.图8是本发明再一实施例中的控制器具体电路的示意图。
具体实施方式
53.以下结合附图和具体实施例对本发明的控制器、开关变换器及用于开关变换器的控制方法作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
54.图1是本发明一实施例的控制器的示意图,图2是本发明一实施例的开关变换器电路的示意图。如图1和图2所示，所述控制器包括：采样反馈单元11，得到反映所述开关变换器10中储能元件的能量变化的第一斜坡信号ramp ；斜坡补偿单元，接收所述第一斜坡信号ramp ，并生成第二斜坡信号ramp-。如上所述的第一斜坡信号ramp 可以是图2中反映电感电压变化的sw点电压信号，当上述控制器应用于其他的电路，例如基于buck-boost拓扑、flyback拓扑、boost拓扑等的其他电路中时，第一斜坡信号ramp 也可以是从电路中其他位置采样得到，只要能够以纹波的形式反映电路中储能元件的能量变化即可实现本发明的目的。进一步的，所述第二斜坡信号ramp-是基于所述第一斜坡信号ramp 生成，并且所述第二斜坡信号ramp-与所述第一斜坡信号ramp 的差值小于一预设值，也即ramp-减去ramp 得到的差值小于一个预设值。所述预设值可以为例如零，也即在较优实施例中，ramp 始终大于或等于ramp-。所述控制器根据所述第一斜坡信号和第二斜坡信号的差值控制所述一个或多个功率开关元件的动作，所述的一个或多个功率开关元件可以为例如图2所示的buck电路中的开关s1和s2，当上述控制器应用于其他的电路，例如基于buck-boost拓扑、flyback拓扑、boost拓扑等的其他电路中时，所述的一个或多个功率开关元件也可以为相应电路中的开关元件。
55.图3、图4和图5为本发明一实施例的控制器示意图，第一斜坡信号和第二斜坡信号示意图，以及一种具体的控制器电路实现示意图，可以对照说明。如图3所示，所述斜坡补偿单元12包括：钳位电路121，所述钳位电路121根据所述第一斜坡信号ramp 生成所述第二斜坡信号ramp-，具体而言，是当所述第二斜坡信号ramp-升高至所述第一斜坡信号ramp 时，所述钳位电路121使所述第二斜坡信号ramp-降低，直至等于第一斜坡信号ramp 。如图4所
示，虚线表示第一斜坡信号ramp ，实线表示第二斜坡信号ramp-，在前两个开关周期，开关变换器10工作在ccm(continuous conduction mode连续导通模式)，对应于负载较重的情况，在t1时刻负载发生跳变，开关变换器10开始进入dcm(discontinuous conduction mode不连续导通模式)，而第二斜坡信号ramp-始终跟随第一斜坡信号ramp 的最小值，从而保证ramp 始终大于或等于ramp-，从而ramp 减去ramp-生成的补偿电压不会由于负载跳变出现异常的、过大的波动，优化负载瞬变特性，避免产生过大的输出电压波动或引入直流失调。
56.具体电路实现可以参考图5，所述采样反馈单元11包括电阻分压电路和滤波电路，所述电阻分压电路包括串联连接的第一电阻rfb1和第二电阻rfb2，第一电阻rfb1连接于所述储能元件的一端sw，在第一电阻rfb1和第二电阻rfb2的连接点上获得所述储能元件一端的电压信号，并经过所述滤波电路获得所述第一斜坡信号ramp 。其中，所述电阻分压电路和电阻r1、电容c1构成的滤波电路均为示例，采用其他形式的电压采样电路、电流采样电路和滤波电路的组合，也同样可以实现本发明的目的。所述钳位电路121包括：运算放大器，所述运算放大器负输入端接收所述第一斜坡信号ramp ，正输入端接收所述第二斜坡信号ramp-，并对两个信号进行误差放大处理，输出一驱动信号；所述驱动信号控制第一开关k，所述第一开关k连接于所述第二斜坡信号ramp-和地之间，第一开关k开通时可以将ramp-的电位拉低。当所述第二斜坡信号ramp-升高至高于所述第一斜坡信号ramp ，运算放大器将拉高第一开关k的栅极电位，k导通，ramp-开始放电，其电位降低，直到ramp-低于ramp ；当ramp-低于ramp 时，第一开关k栅极电位为低，使得第一开关关断，第二斜坡信号ramp-停止降低。在ccm，dcm模式切换中，ramp-均能实现对ramp 谷值的跟随，进而使得ramp 始终大于或等于ramp-，而ramp 减去ramp-生成的补偿电压不会由于负载跳变出现异常的、过大的波动，优化负载瞬变特性，避免产生过大的输出电压波动或引入直流失调。本发明所提供的控制器，可以在保留传统斜坡补偿优点的基础上，自适应地消除轻、重载切换时传统斜坡补偿方式造成的输出直流误差、输出电压波动过大等问题，提升瞬态跳变特性，故而在应用中可以选用esr较小的输出电容，减小芯片面积，降低成本，同时保证系统的稳定性和动态性能。
57.图6、图7和图8为本发明另一实施例的控制器示意图，第一斜坡信号和第二斜坡信号示意图，以及一种具体的控制器电路实现示意图，可以对照说明。如图6所示，所述斜坡补偿单元12包括：采保电路122，所述采保电路122根据所述第一斜坡信号ramp 生成一采样保持信号，所述采样保持信号跟随所述第一斜坡信号的最小值；选择电路(第二开关q1及其支路)，具体而言，是当所述采样保持信号高于所述第一斜坡信号ramp ，所述选择电路使所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号等电位，当所述采样保持信号不高于所述第一斜坡信号ramp ，所述选择电路使所述第二斜坡信号与所述采样保持信号等电位。如图4所示，虚线表示第一斜坡信号ramp ，实线表示第二斜坡信号ramp-，在前两个开关周期，开关变换器10工作在ccm(continuous conduction mode连续导通模式)，对应于负载较重的情况，在t1时刻负载发生跳变，开关变换器10开始进入dcm(discontinuous conduction mode不连续导通模式)，在t2时刻，由于采样保持电路的延时，出现所述采样保持信号高于所述第一斜坡信号ramp ，选择电路使得第二斜坡信号ramp-短接至ramp ，之后一直保持ramp ＝ramp-，直到下一次开关周期到来，重复上周期的三角波，在t3时刻也是同样的情况，在此不作赘述。控制器时时检测采样保持信号和ramp-的差值，保证ramp 不会比ramp-低太多。在一些实施例中，可以以采样保持信号高于所述第一斜坡信号ramp 作为判断的依据，在另一些实施例
中，考虑到具体电路实现的精度和可靠性，也可以把采样保持信号高于所述第一斜坡信号ramp 的差值达到一定值作为判断的依据，可以有效的防止误动作。本实施例的控制器可以保证ramp 与ramp-的差值不会低于一个定值，从而ramp 减去ramp-生成的补偿电压不会由于负载跳变出现异常的、过大的波动，优化负载瞬变特性，避免产生过大的输出电压波动或引入直流失调。
58.具体电路实现可以参考图8，所述采样反馈单元11如前文所述，在此不作赘述。其中，所述电阻分压电路和电阻r1、电容c1构成的滤波电路均为示例，采用其他形式的电压采样电路、电流采样电路和滤波电路的组合，也同样可以实现本发明的目的。进一步的，所述选择电路包括：比较器comp，所述比较器接收滤波后(滤波电路可以由例如电阻r2和电容c2构成，也可以省去)的所述采样保持信号和所述第一斜坡信号ramp ，并输出一控制信号；第二开关q1，所述第二开关q1连接于所述第一斜坡信号ramp 和第二斜坡信号ramp-之间；其中，当所述采样保持信号比所述第一斜坡信号高出一定值时，比较器comp输出为高电平，开关q1导通，从而将ramp 拉高，使之等于ramp-，即所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号等电位。可以看到，在开关变换器稳态工作时，所述采样保持信号不会高于所述第一斜坡信号ramp ，此时第二斜坡信号ramp-即为采样保持信号，当开关变换器负载跳变，动态响应下出现采样保持信号高于第一斜坡信号ramp ，所述控制器会通过选择电路使得ramp 等于ramp-，直到下一次开关周期到来，第一斜坡信号重复上周期的三角波。采用如上所述的控制器，使得ramp 减去ramp-生成的补偿电压不会由于负载跳变出现异常的、过大的波动，优化负载瞬变特性，避免产生过大的输出电压波动或引入直流失调。本发明所提供的控制器，可以在保留传统斜坡补偿优点的基础上，自适应地消除轻、重载切换时传统斜坡补偿方式造成的输出直流误差、输出电压波动过大等问题，提升瞬态跳变特性，故而在应用中可以选用esr较小的输出电容，减小芯片面积，降低成本，同时保证系统的稳定性和动态性能。
59.本发明还涉及一种开关变换器，包括一个或多个功率开关元件、储能元件、输出电容和如上所述的控制器，所述控制器通过控制所述一个或多个功率开关元件的动作将一直流输入电压周期性地传送给所述储能元件和输出电容，并在所述输出电容上获得一直流输出电压，其特征在于，所述控制器包括：采样反馈单元，得到反映所述储能元件的能量变化的第一斜坡信号；斜坡补偿单元，接收所述第一斜坡信号，并生成第二斜坡信号；其中，所述第二斜坡信号是基于所述第一斜坡信号生成，并且所述第二斜坡信号与所述第一斜坡信号的差值小于一预设值，所述控制器根据所述第一斜坡信号和第二斜坡信号的差值控制所述一个或多个功率开关元件的动作。所述的开关变换器可以为例如图2所示的buck电路，也可以为其他隔离/非隔离的dc-dc变换器，相应的控制器的工作原理类似，在此不做赘述。
60.本发明实施例的控制器、开关变换器及相应的控制方法中，当开关变换器由ccm切换至dcm时，通过斜坡补偿电路的设置，使得采样电压ramp 与ramp-的差值不会低于一个定值，也即送入反馈回路的补偿电压不会出现过大的波动，在保留传统斜坡补偿优点的基础上，自适应地消除轻、重载切换时传统斜坡补偿方式造成的输出直流误差、输出电压波动过大等问题，提升瞬态跳变特性，故而在应用中可以选用esr较小的输出电容，减小芯片面积，降低成本，同时保证系统的稳定性和动态性能。
61.需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同和相似的部分互相参见即可。
62.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。