导通时间产生电路及开关转换器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种导通时间产生电路及开关转换器。

背景技术

COT（constant on time）架构的BUCK变换器，因其具有瞬态响应快、结构简单、轻载效率高等优点，成为了DC-DC开关电源领域的研究热点。COT控制模式下主功率管导通时间Ton恒定，通过调整关断时间Toff来改变占空比，实现对输出电压的稳定控制。但是，由于BUCK变换器内部不存在固定时钟，因此COT控制模式实际上属于一种变频的控制模式。实际中，功率管的导通电阻在负载变化时会使BUCK变换器的频率发生偏移。

为了解决该问题，现有技术采用PLL调制的COT控制BUCK变换器可以实现开关频率的锁定，但是在BUCK变换器和PLL构成的双环系统中，为了同时维持BUCK系统和PLL系统的稳定，PLL的带宽需要远低于BUCK的带宽，这降低了BUCK系统在瞬态响应时的频率恢复速度，增加了芯片的面积和复杂程度。

因此，现有技术中亟需一种结构设计简单的导通时间产生电路以代替PLL系统来解决COT控制的BUCK变换器的频率发生偏移的问题。

发明内容

为了现有技术中COT控制的BUCK变换器的频率随负载的变化发生偏移的技术问题，本发明提出一种导通时间产生电路及开关转换器，导通时间产生电路应用于COT控制的开关转换器，所述开关转换器包括主功率管和续流管，包括：

斜坡模块，根据所述主功率管的驱动信号产生斜坡信号；

时间调整模块，根据负载的变化产生时间调整信号，所述时间调整信号用以在预设导通时间的基础上调整所述开关转换器的导通时间，所述预设导通时间表征负载等于零时所述开关转换器的导通时间；

时间信号产生模块，根据所述斜坡信号、所述时间调整信号和输出反馈信号产生第二时间信号，所述输出反馈信号表征所述开关转换器的输出电压，所述第二时间信号表征所述开关转换器调整后的导通时间，调整后的导通时间与负载呈正相关关系。

进一步的，当负载等于零时，所述时间信号产生模块根据所述斜坡信号和所述输出反馈信号产生第一时间信号，所述第一时间信号表征所述预设导通时间。

进一步的，所述时间调整信号控制导通时间的变化比与负载大小成正比关系。

进一步的，所述预设导通时间的大小与开关转换器的输出电压成正比关系，所述时间调整信号控制导通时间的变化比与开关转换器的输出电压成反比关系。

进一步的，所述时间调整信号控制导通时间的变化比满足公式：

进一步的，所述时间信号产生模块对所述时间调整信号与所述斜坡信号叠加以获得叠加信号，所述叠加信号的平均斜率小于所述斜坡信号的斜率，所述时间信号产生模块根据所述叠加信号与所述输出反馈信号产生所述第二时间信号。

进一步的，所述斜坡模块根据所述开关转换器的输入电压获得第一电流信号，并在有效状态的驱动信号驱动所述主功率管导通时对所述第一电流信号积分以获得第一电压信号，所述第一电压信号表征所述斜坡信号。

进一步的，所述时间调整模块包括转换单元、第一调节单元和第二调节单元，其中，

所述转换单元根据负载的变化获取第二电流信号；

所述第一调节单元控制所述第一电流信号变化为所述第一电流信号和所述第二电流信号的差值电流信号；

第二调节单元控制第一电流信号的变化时长为预设时长，所述差值电流信号在所述预设时长内的积分值为所述时间调整信号，所述预设时长小于所述预设导通时间。

优选的，所述斜坡模块包括第一电流源单元和第一电容，所述第一电流源单元产生所述第一电流信号，当有效状态的驱动信号驱动所述主功率管导通时所述第一电流信号流向所述第一电容。

优选的，所述转换单元包括第四开关管，所述第一调节单元包括构成第二电流镜的第五开关管和第六开关管，所述第二调节单元包括第七开关管，其中，

所述第四开关管的栅极接收表征负载大小的控制电压，所述第四开关管的漏极连接所述第二电流镜的基准端，所述第七开关管连接在所述第二电流镜的输出端和第一电流源单元之间，所述第五开关管和所述第六开关管的尺寸比为N：1，所述第七开关管的导通时间为所述预设时长。

优选的，所述续流管的栅极接收所述开关转换器的输入电压，所述第二调节单元还包括多个反相器串联构成的反相器链，所述反相器链的输入端接收有效状态的驱动信号，所述反相器链的输出端连接所述第七开关管的栅极，所述预设时长与所述输入电压成负相关关系。

优选的，所述时间信号产生模块包括：

比较单元，比较所述叠加信号、所述输出反馈信号产生所述第二关断触发信号，第二关断触发信号表征主功率管的关断时刻；

逻辑单元，对所述第二关断触发信号进行逻辑处理后产生所述第二时间信号。

开关转换器，包括上文所述的导通时间产生电路。

一种导通时间的控制方法，应用于COT控制的开关转换器，包括步骤：

获取预设导通时间，所述预设导通时间表征开关转换器的负载为零时开关转换器的导通时间；

根据负载变化信号获取时间调整信号，负载变化信号表征开关转换器负载的变化量；

根据时间调整信号在预设导通时间的基础上调整开关转换器的导通时间，调整后的导通时间与负载呈正相关关系，所述预设导通时间表征负载等于零时所述开关转换器的导通时间。

进一步的，所述时间调整信号控制导通时间的变化比与负载大小成正比关系；

进一步的，所述预设导通时间的大小与开关转换器的输出电压成正比关系，并控制导通时间的变化比与开关转换器的输出电压成反比关系。

进一步的，所述时间调整信号控制导通时间的变化比满足公式：

本发明提出的导通时间产生电路会基于负载的变化调整开关转换器的恒定导通时间，从而实现开关转换器的频率恒定。同时，该导通时间产生电路还自适应地根据输出电压的变化调整导通时间，以实现开关转换器的频率恒定。此外，本发明提出的导通时间产生电路将负载变化的判断基准设置为负载为零，这样便使得导通时间产生电路的结构和控制逻辑得到了简化，提高了该导通时间产生电路的适用性。

附图说明

图1为本发明提出的导通时间产生电路的结构框图；

图2为本发明提出的导通时间产生电路的进一步细化的结构框图；

图3为本发明提出的导通时间产生电路的具体电路结构；

图4为本发明提出的导通时间产生电路在负载为零和负载变化两种情况下产生的导通时间的对比图。

具体实施方式

基于现有技术中COT控制的开关转换器的开关频率随着负载变化发生偏移的问题，本发明提出一种导通时间产生电路以解决上述问题，具体的，如图1所示，该导通时间产生电路包括斜坡模块、时间调整模块和时间信号产生模块，其中：

当开关转换器中主功率管导通时，斜坡模块产生斜坡信号；

当开关转换器的负载不等于零时（即负载发生变化时），时间调整模块根据开关转换器负载的变化产生时间调整信号，时间调整信号用以在预设导通时间的基础上调整开关转换器的导通时间，其中负载等于零时开关转换器的导通时间为预设导通时间；

当开关转换器的负载为零时，时间产生信号产生模块根据斜坡信号和输出反馈信号输出第一时间信号，第一时间信号表征当负载为零时开关转换器的导通时间为预设导通时间，输出反馈信号表征开关转换器的输出；

当开关转换器的负载不等于零时（即负载发生变化时），时间信号产生模块根据斜坡信号、时间调整信号和输出反馈信号产生第二时间信号，第二时间信号表征在预设导通时间的基础上调整之后的开关转换器的导通时间，且当开关转换器的其他参数不变仅负载大小发生变化时，调整后的导通时间与负载呈正相关关系。即，若负载增大，则开关转换器的导通时间基于预设导通时间增大；若负载减小，则开关转换器的导通时间基于预设导通时间减小。

由此可知，本发明提出的导通时间产生电路会基于负载的变化调整开关转换器的恒定导通时间，从而实现开关转换器的频率恒定。同时，本发明提出的导通时间产生电路将负载变化的判断基准设置为负载为零，这样便使得导通时间产生电路的结构和控制逻辑得到了简化，提高了该导通时间产生电路的适用性。

进一步的，当开关转换器的输出稳定时，时间调整信号在基于预设导通时间的基础上调整开关转换器的导通时间的过程中，时间调整信号控制导通时间的变化比与负载大小成正比关系。同时，又因为预设导通时间与开关转换器的输出电压是成正比关系的，所以当开关转换器的输出变化时，时间调整信号调整导通时间的基准（即预设导通时间的大小）会发生变化，因此时间调整信号还会在开关转换器的负载稳定、输出变化时，时间调整信号控制导通时间的变化比与负载大小成反比关系。具体的，导通时间的变化比K满足：

实际情况下，主功率管和续流管存在导通电阻，计主功率管的导通电阻为Rds1、续流管的导通电阻为Rds2，IL为表征负载大小的电感电流均值，则实际的开关周期

在本发明中，设置了负载为零作为判断负载是否变化的依据。当负载为零作为判断基准时，导通时间产生电路便无需判断负载是变化至基准以下还是变化至基准以上，因此导通时间产生电路的控制逻辑得到了简化，相应的导通时间产生电路的电路结构也得到了简化。同时，将负载为零作为判断基准时开关转换器当前的负载大小便为负载变化量，导通时间产生电路无需再将当前负载和基准负载做差得到负载变化量。具体的，当负载为零且输出稳定在Vout时，COT控制下的开关变换器的导通时间为预设导通时间TS，预设导通时间TS是调整导通时间的基准,且此时的开关周期

具体的，斜坡模块根据开关转换器的输入电压产生具有第一电流值的第一电流信号，且在有效状态的驱动信号驱动主功率管导通时对第一电流信号积分以获得第一电压信号，第一电压信号表征斜坡信号；

时间调整模块包括转换单元、第一调节单元和第二调节单元，其中，转换单元根据负载的变化获取具有第二电流值的第二电流信号，第一调节单元控制第一电流信号变化为第一电流信号和第二电流信号的差值电流信号，第二调节单元控制第一电流信号的变化时长为预设时长，差值电流信号在预设时长内的积分值为时间调整信号，预设时长小于预设导通时间。

时间信号产生模块对时间调整信号与斜坡信号叠加以获得叠加信号，叠加信号的平均斜率小于斜坡信号的斜率，时间信号产生模块比较叠加信号与输出反馈信号且在叠加信号达到输出反馈信号时产生第二时间信号。具体的，时间信号产生模块包括比较单元和逻辑单元，比较单元的一个输入端连接斜坡模块的输出端和时间调整信号的输出端，另一个输入端接收开关转换器的输出电压，当叠加信号达到输出电压时，比较单元确定主功率管的关断时刻并产生第二关断触发信号以表征该关断时刻；逻辑单元对第二关断触发信号进行逻辑处理得到第二时间信号，第二时间信号表征的是主功率管调整后的导通时间。其中，在负载为零时，当斜坡信号达到输出电压时比较单元确定主功率管的关断时刻并产生第一关断触发信号以表征该关断时刻，逻辑单元对第二关断触发信号进行逻辑处理获得第一时间信号，第一时间信号表征预设导通时间TS。

由上述结构可知，当负载为零且输出稳定时，第一电压信号在主功率管导通时以第一速率稳定上升，直至第一电压信号达到开关转换器的输出电压时控制主功率管关断，从而导通时间产生电路控制主功率管的导通时间为预设导通时间TS。当负载变化时，第一调节单元和第二调节单元通过降低第一电压信号上升的平均速率来延长第一电压信号达到输出电压的时长，从而基于预设导通时间TS的基础上延长主功率管的导通时间。且在调整过程中，时间调整模块输出的时间调节信号精准控制主功率管导通时间的变化比总是等于

优选的，在第一实施例中，如图2所示，具体的：

斜坡模块包括第一电流源单元和第一电容，第一电流源根据输入电压产生具有第一电流值的第一电流信号，当有效状态的驱动信号驱动主功率管导通时第一电流信号流入第一电容，第一电容以大小为第一电流值的电流进行充电，第一电容的电压表征斜坡信号。

时间调整模块包括转换单元、第一调节单元和第二调节单元，转换单元将负载大小转换为具有第二电流值的第二电流信号，第一调节单元从第一电容的充电电流中抽取电流，且抽取的电流大小等于第二电流值，第二调节单元控制第一调节单元抽取电流的时长为预设时长，预设时长小于预设导通时间，第一电流值和第二电流值的差值与预设时长的乘积所表示的电荷量表征时间调整信号。其中，控制预设时长小于预设导通时间是为了实现导通时间产生电路自适应地根据输出电压的变化调整导通时间，以控制导通时间的变化比与输出电压成反比关系，从而实现频率恒定。

更具体的，如图3所示，第一电流源单元包括第一电流源I1、第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3，转换单元包括第四开关管M4、电阻R1，第一调节单元包括第五开关管M5和第六开关管M6，第二调节单元包括第七开关管M7和反相器链U1，反相器链U1由多个串联的反相器构成，比较单元包括比较器CMP1、逻辑单元包括RS触发器。其中，第四开关管M4的栅极接收控制电压VC（表征负载大小），第四开关管M4的源极连接电阻R1后接地，第四开关管M4的漏极连接第一电流镜的基准端，第七开关管M7的源极连接第一电流镜的输出端，第七开关管M7的漏极连接第一电流源I1的输入端，第七开关管M7的栅极连接反相器链U1的输出端，反相器链U1的输出端接收有效状态的驱动信号Drive；其中第五开关管M5和第六开关管M6构成第二电流镜，第五开关管M5和第六开关管M6的尺寸比为1：1，第五开关管M5中共栅共漏的一端为第二电流镜的基准端，第六开关管M6的漏极为第二电流镜的输出端。第一电流源I1的输入端连接第一电流镜的基准端，第一电流源I1的输出端接地，第一电流镜的输出端连接第一开关管M1的漏极，第一开关管M1的源极接地，当有效状态的驱动信号Drive驱动主功率管导通时控制第一开关管M1关断，第一电容C1与第一开关管M1并联；其中，第二开关管M2和第三开关管M3构成了第一电流镜，第二开关管M2和第三开关管M3的尺寸比为N:1，第二开关管M2的共漏共栅的一端为第一电流镜的基准端，第三开关管M3的漏极为第一电流镜的输出端。比较器CMP1的反相输入端接收输出电压Vout，比较器CMP1的正相输入端连接第一电容C1的正极，比较器CMP1的输出端连接RS触发器的复位端。

综上可知，第四开关M4将控制电压VC转换为具有第二电流值的第二电流信号，第二电流值与负载大小成比例，第二电流值可表示为

此外，在本实施例中对导通时间产生电路进行分析可知导通时间的变化比=

进一步的，在本实施例中续流管由输入电压进行驱动，则续流管的导通电阻Rds2与输入电压成负相关关系，反相器链U1的延时时间（即为预设时长T1）也是与输入电压成负相关关系。因此，经过两者抵消后输入电压对该导通时间产生电路的工作过程不产生影响，且利用输入电压驱动续流管便无需另设置电源驱动，简化结构、节省成本。此外，又因为续流管的导通电阻Rds2、反相器链的延时均与温度正相关，所经过两者抵消后温度对该导通时间产生电路的工作过程也不产生影响。

此外，在其他实施例中，考虑到比较器的具体组成结构，若比较器的输入电压较大可能导致比较器无法工作，因此可以对输出电压进行一定比例缩小后来表征输出反馈信号，相应的第一电流源的电流大小也进行等比例缩小。

综上可知，本实施例中的导通时间产生电路结构设置简单、控制逻辑简易，在此基础上实现了COT控制下的开关转换器的导通时间与负载大小成正相关变化，从而实现开关频率的恒定。同时，该导通时间产生电路还自适应地根据输出电压的变化调整导通时间，以控制导通时间的变化比与输出电压成反比关系。

本发明还提出一种COT控制下的开关转换器，该开关转换器包括上文提出的导通时间产生电路，以基于负载的变化调整开关转换器的恒定导通时间，从而实现开关转换器的频率恒定。

本发明还提出一种导通时间的控制方法，用于控制COT控制下的开关转换器的导通时间，包括步骤：

获取预设导通时间，预设导通时间表征开关转换器的负载为零时开关转换器的导通时间；

根据负载变化信号获取时间调整信号，负载变化信号表征开关转换器负载的变化量；

根据时间调整信号在预设导通时间的基础上调整开关转换器的导通时间，调整后的导通时间与负载呈正相关关系，预设导通时间对应的负载为零。

进一步的，当开关转换器的输出电压恒定时，时间调整信号控制导通时间的变化比与负载大小成正比关系，具体的，导通时间的变化比K满足：

进一步的，预设导通时间与输出电压成正比关系，当负载稳定、输出电压变化时，时间调整信号控制导通时间的变化比与输出电压成反比关系，具体的，导通时间的变化比K满足：

由此可知，本发明提出的导通时间的控制方法在输出电压稳定时会基于负载的变化调整开关转换器的恒定导通时间，使导通时间变化比与负载大小成正比关系，从而实现开关转换器的频率恒定。同时，当负载稳定时会基于输出电压的变化调整开关转换器的导通时间，控制导通时间的变化比与输出电压成反比关系，从而实现开关转换器的频率恒定。