BUCK变换器及其控制方法技术

公开了一种BUCK变换器及其控制方法。BUCK变换器包括：第一开关管和第二开关管，连接在输入电压与地之间；输出滤波电感和输出滤波电容，连接在第一开关管和第二开关管的连接点与地之间；以及控制装置，被配置为对输出电压进行采样，以生成输出电压采样信号，在输出电压采样信号低于参考电压、且流过输出滤波电感的电感电流减小至下限阈值或者低于下限阈值时，控制第二开关管从导通状态变为关断状态并控制第一开关管从关断状态变为导通状态，并在电感电流增大至上限阈值时，控制第一开关管从导通状态变为关断状态并控制第二开关管从关断状态变为导通状态。上述BUCK变换器相比传统的采用迟滞模式的BUCK变换器，具有更好的稳定性、抗干扰能力、过载保护性能。

【技术实现步骤摘要】
BUCK变换器及其控制方法本申请是于2016年10月9日提交的、申请号为201610882500.1并且专利技术名称为“BUCK变换器及其控制方法”的中国专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及电路领域，更具体地涉及一种BUCK变换器及其控制方法。
技术介绍
近年来，随着集成电路和信息技术的发展，由电池供电的便携式电子产品，例如，手机、照相机、笔记本电脑等日益普及，这促进了对高性能电源管理芯片的需求的增加。直流-直流(DC-DC)变换器是便携式电子产品中应用最广泛的电源管理芯片之一。BUCK变换器是一种将高输入电压转换为低输出电压的DC-DC变换器，其通常采用电压模式和电流模式两种控制方式中的任意一种来实现对输出电压的控制。为了确保系统稳定，BUCK变换器在这两种控制方式下都需要进行频率补偿，这不仅增加了设计难度，也增加了产品成本。另外，BUCK变换器在这两种控制方式下对负载电流瞬态变化的响应也相对较慢。迟滞模式是适用于BUCK变换器的系统结构最简单、对负载电流瞬态变化的响应最快速的控制方式，其不需要进行频率补偿，并且能够对同一开关周期内的负载电流变化做出响应。但是，由于这种控制方式基于通过将输出电压的采样信号与基准电压进行比较生成的脉冲信号来控制BUCK变换器中的开关管的导通与关断，使得BUCK变换器在这种控制方式下的抗干扰能力非常差。例如，输出电压的采样信号或者基准电压受到某种噪声的微小干扰便会引起BUCK变换器中的开关管的导通与关断状态的剧烈波动，使得BUCK变换器的输出电压剧烈抖动。另外，在采用迟滞模式的BUCK变换器中，对于高输入电压应用往往需要使用比较大的输出滤波电感和输出滤波电容，这使得BUCK变换器的输出电压的相位产生严重的滞后，这种相位的滞后将进一步使系统产生不稳定；当发生过载或者短路时，因输入电压相对较高而输出电压相对较低，流过输出滤波电感的电感电流上升的速度远远大于其下降速度，这将使得限流保护电路失效，电感电流失控，从而引起输出滤波电感和整个芯片的损毁。
技术实现思路
鉴于以上所述的一个或多个问题，本专利技术提供了一种新颖的BUCK变换器及其控制方法。根据本专利技术实施例的BUCK变换器包括：第一开关管和第二开关管，连接在输入电压与地之间；输出滤波电感和输出滤波电容，连接在第一开关管和第二开关管的连接点与地之间；以及控制装置，被配置为对输出电压进行采样，以生成输出电压采样信号，在输出电压采样信号低于参考电压、且流过输出滤波电感的电感电流减小至下限阈值或者低于下限阈值时，控制第二开关管从导通状态变为关断状态并控制第一开关管从关断状态变为导通状态，并且在电感电流增大至上限阈值时，控制第一开关管从导通状态变为关断状态并控制第二开关管从关断状态变为导通状态。根据本专利技术实施例的用于BUCK变换器的控制方法，其中，该BUCK变换器包括连接在输入电压与地之间的第一开关管和第二开关管、以及连接在第一开关管和第二开关管的连接点与地之间的输出滤波电感和输出滤波电容，输出滤波电容的两个极板之间的电压为BUCK变换器的输出电压，该控制方法包括：对输出电压进行采样，以生成输出电压采样信号；在输出电压采样信号低于参考电压、且流过输出滤波电感的电感电流减小至下限阈值或者低于下限阈值时，控制第二开关管从导通状态变为关断状态并控制第一开关管从关断状态变为导通状态；以及在电感电流增大至上限阈值时，控制第一开关管从导通状态变为关断状态并控制第二开关管从关断状态变为导通状态。根据本专利技术实施例的BUCK变换器及其控制方法在保持了传统的采用迟滞模式的BUCK变换器的结构简单与快速响应等优点的同时，具有更好的稳定性、更强的抗干扰能力、以及更可靠的过载保护性能。附图说明通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。图1示出了传统的采用迟滞模式的BUCK变换器的电路拓扑；图2示出了根据本专利技术实施例的BUCK变换器的电路拓扑；图3示出了图2所示的BUCK变换器在重载情况下的工作波形图；图4示出了图2所示的BUCK变换器在轻载情况下的工作波形图；图5示出了图2所示的BUCK变换器在过载情况下的工作波形图；图6示出了图1所示的BUCK变换器中的电感电流的波形图；图7示出了图2所示的BUCK变换器中的电感电流的波形图。具体实施方式下面将详细描述本专利技术的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本专利技术的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本专利技术可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本专利技术的示例来提供对本专利技术的更好的理解。本专利技术决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本专利技术的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本专利技术造成不必要的模糊。图1示出了传统的采用迟滞模式的BUCK变换器的电路拓扑。在图1所示的电路拓扑中，开关管SH和SL均由功率管实现；电感L和电容C分别是BUCK变换器的输出滤波电感和输出滤波电容；R0是BUCK变换器的负载电阻；R1和R2组成BUCK变换器的输出分压网络，用于设定BUCK变换器的输出电压Vo。在图1所示的BUCK变换器中，通过将输出电压Vo的分压电压VFB保持在由参考电压VREF和迟滞比较器设定的迟滞窗口内，来实现对输出电压Vo的控制。这里，因为基于分压电压VFB与参考电压VREF的比较结果直接控制开关管SH和SL二者的导通与关断，所以分压电压VFB和/或参考电压VREF受外界噪声的影响产生微小的扰动便会引起开关管SH和SL二者的紊乱，从而导致BUCK变换器的输出电压Vo产生抖动。此外，输出滤波电感L和输出滤波电容C产生的相移也很容易使BUCK变换器工作不稳定。鉴于结合图1描述的传统的采用迟滞模式的BUCK变换器存在的一个或多个问题，提出了一种新颖的BUCK变换器。下面结合附图，详细描述根据本专利技术实施例的BUCK变换器。图2示出了根据本专利技术实施例的BUCK变换器的电路拓扑。在图2所示的电路拓扑中，开关管P1的一端连接至输入电压VIN，另一端连接至开关管N1的一端；开关管N1的另一端接地；开关管P1和N1的连接点连接至输出滤波电感L的一端；输出滤波电感L的另一端连接至输出滤波电容C的一端；输出滤波电容C的另一端接地；输出电压采样网络用于对BUCK变换器的输出电压VOUT进行采样，由输出电压采样网络输出的输出电压采样信号VFB可以表征BUCK变换器的输出电压VOUT的大小；输出电压采样信号VFB被送入比较器的负输入端，BUCK变换器内部的参考电压VREF被送入比较器的正输入端，比较器生成输出电压采样信号VFB与参考电压VREF的比较结果表征信号(例如，脉宽调制(PWM)信号)；上管采样电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种BUCK变换器，包括：/n第一开关管和第二开关管，连接在输入电压与地之间；/n输出滤波电感和输出滤波电容，连接在所述第一开关管和所述第二开关管的连接点与地之间，其中，所述输出滤波电容的两个极板之间的电压为所述BUCK变换器的输出电压；/n峰值电流控制电路，被配置为判断流过所述第一开关管的电流是否增大至上限阈值来控制所述输出滤波电感的退磁过程的开始；/n退磁电流控制电路，被配置为判断流过所述第二开关管的电流是否减小至或者低于下限阈值来控制所述输出滤波电感的退磁过程的结束，其中流过所述第一开关管、或流过所述第二开关管的电流的大小表征流过所述输出滤波电感的电感电流的大小；/n比较器，被配置为对所述输出电压的采样信号与参考电压进行比较；以及/n逻辑电路，被配置为对所述峰值电流控制电路、所述退磁电流控制电路和所述比较器的输出进行逻辑运算，产生控制所述第一开关管和所述第二开关管的控制信号；/n其中，所述逻辑电路被配置为：/n在所述输出电压采样信号低于参考电压、且所述电感电流减小至或者低于所述下限阈值时，控制所述第一开关管从关断状态变为导通状态，并且在所述电感电流增大至上限阈值时，控制所述第一开关管从导通状态变为关断状态，以及/n在所述电感电流减小至或者低于所述下限阈值时，控制所述第二开关管从导通状态变为关断状态，并在在所述电感电流增大至上限阈值时，控制所述第二开关管从关断状态变为导通状态；/n其中，所述BUCK变换器能够用于轻载、重载和过载情况，并且/n其中，在重载和过载的任一情况中，在所述第二开关管关断后，经过死区时间后所述第一开关管变为导通；在轻载情况中，在所述第二开关管关断后，经过一延迟时间直到所述输出电压采样信号变得低于所述参考电压时所述第一开关管变为导通。/n...

【技术特征摘要】
1.一种BUCK变换器，包括：
第一开关管和第二开关管，连接在输入电压与地之间；
输出滤波电感和输出滤波电容，连接在所述第一开关管和所述第二开关管的连接点与地之间，其中，所述输出滤波电容的两个极板之间的电压为所述BUCK变换器的输出电压；
峰值电流控制电路，被配置为判断流过所述第一开关管的电流是否增大至上限阈值来控制所述输出滤波电感的退磁过程的开始；
退磁电流控制电路，被配置为判断流过所述第二开关管的电流是否减小至或者低于下限阈值来控制所述输出滤波电感的退磁过程的结束，其中流过所述第一开关管、或流过所述第二开关管的电流的大小表征流过所述输出滤波电感的电感电流的大小；
比较器，被配置为对所述输出电压的采样信号与参考电压进行比较；以及
逻辑电路，被配置为对所述峰值电流控制电路、所述退磁电流控制电路和所述比较器的输出进行逻辑运算，产生控制所述第一开关管和所述第二开关管的控制信号；
其中，所述逻辑电路被配置为：
在所述输出电压采样信号低于参考电压、且所述电感电流减小至或者低于所述下限阈值时，控制所述第一开关管从关断状态变为导通状态，并且在所述电感电流增大至上限阈值时，控制所述第一开关管从导通状态变为关断状态，以及
在所述电感电流减小至或者低于所述下限阈值时，控制所述第二开关管从导通状态变为关断状态，并在在所述电感电流增大至上限阈值时，控制所述第二开关管从关断状态变为导通状态；
其中，所述BUCK变换器能够用于轻载、重载和过载情况，并且
其中，在重载和过载的任一情况中，在所述第二开关管关断后，经过死区时间后所述第一开关管变为导通；在轻载情况中，在所述第二开关管关断后，经过一延迟时间直到所述输出电压采样信号变得低于所述参考电压时所述第一开关管变为导通。


2.如权利要求1所述的BUCK变换器，其中，所述BUCK变换器包括：
第一采样电路，被配置为对流过所述第一开关管的电流进行采样，以生成第一采样信号；
所述峰值电流控制电路被配置为基于所述第一采样信号判断所述电感电流是否增大至所述上限阈值。


3.如权利要求2所述的BUCK变换器，其中，所述BUCK变换器包括：
第二采样电路，被配置为对流过所述第二开关管的电流进行采样，以生成第二采样信号；
所述退磁电流控制电路被配置为基于所述第二采样信号判断所述电感电流是否减小至或者低于所述下限阈值并输出退磁电流控制信号。


4.如权利要求3所述的BUCK变换器，其中，所述BUCK变换器还包括：
输出电压采样网络，被配置为对所述输出电压进行采样，以生成所述输出电压的采样信号。


5.如权利要求1所述的BUCK变换器，其中，
在轻载的情况中，在所述第二开关管变为关断时，所述电感电流减小至零；
在过载的情况中，在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海波，罗强，方烈义，
申请(专利权)人：昂宝电子上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31