升压控制电路

技术领域

本发明属于集成电路领域，尤其涉及一种升压控制电路。

背景技术

通常，传统的电压调节系统都是含有电流反馈的电压调制控制系统。这种传统的系统的最大特点在于其需要进行电感电流的采样，以产生电流反馈，参与到电压调节系统的电压电流环路控制中。

然而，为了进行电流采样，往往需要引入复杂的电路结构来进行电流采样，这大大增加了电路面积，并加大了电路设计的复杂度。

发明内容

本发明实施例提供一种升压控制电路，不再使用传统的检测和采样电感电流的方法，而是通过开关控制器来生成开关控制信号，以基于开关控制信号来控制该升压控制电路的相应开关的导通和断开，进而对输出电压进行调制控制。

本发明实施例提供一种升压控制电路，包括电感、与电感串联连接在升压控制电路的输入端和输出端之间的第一开关、以及与电感串联连接在输入端和地之间的第二开关，其特征在于，还包括：开关控制器，被配置为基于表征升压控制电路的输出电压的电压反馈信号和表征流过第二开关的电流的电流采样信号，生成分别用于控制第一开关和第二开关的导通和关断的第一控制信号和第二控制信号。

根据本发明实施例提供的升压控制电路，开关控制器包括第三开关、第四开关、和电容器，开关控制器进一步被配置为：基于电压反馈信号和电流采样信号，生成用于控制第二开关和第三开关的导通和关断的第二控制信号；基于第二控制信号和电容器上的电压，生成用于控制第一开关和第四开关的导通和关断的第一控制信号；其中，电容器的充电和放电与第三开关和第四开关的导通和关断有关。

根据本发明实施例提供的升压控制电路，开关控制器进一步被配置为：基于电压反馈信号与第一参考信号之间的第一比较结果和电流采样信号，生成第二控制信号。

根据本发明实施例提供的升压控制电路，开关控制器进一步被配置为：基于第一比较结果和电流采样信号与第二参考信号之间的第二比较结果，生成第二控制信号。

根据本发明实施例提供的升压控制电路，第三开关和第四开关串联连接在电流源与地之间，电容器并行连接在第四开关的两端，并且开关控制器还包括：第一比较器，被配置为基于电流采样信号与第二参考信号，生成第二比较结果；触发器，被配置为基于第一比较结果和第二比较结果，生成第二控制信号；以及发生器，被配置为基于第二控制信号和电容器上的电压，生成第一控制信号，其中，电容器上的电压为放电状态下电容器上的电压。

根据本发明实施例提供的升压控制电路，第二开关和第三开关的导通时间由下式决定：

其中，T

根据本发明实施例提供的升压控制电路，第一开关和第四开关的导通时间由下式决定：

其中，Toff为第一开关和第四开关的导通时间，Vout为输出电压。

根据本发明实施例提供的升压控制电路，第一开关、第二开关、第三开关、和第四开关均为金属氧化物半导体场效应管，并且触发器为RS触发器。

根据本发明实施例提供的升压控制电路，还包括：第二比较器，被配置为基于电压反馈信号与第一参考信号，生成第一比较信号；分压电路，被配置为通过对输出电压进行分压，生成电压反馈信号；第一二极管，第一二极管的两极分别连接至第一开关的源极和漏极，第一开关的栅极接收第一控制信号；以及第二二极管，第二二极管的两极分别连接至第二开关的源极和漏极，第二开关的栅极接收第二控制信号。

根据本发明实施例提供的升压控制电路，升压控制电路工作在连续传导模式或不连续传导模式。

本发明实施例的升压控制电路，不再使用传统的检测和采样电感电流的方法，而是通过开关控制器来生成开关控制信号，以基于开关控制信号来控制该升压控制电路的相应开关的导通和断开，进而对输出电压进行调制控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了现有技术提供的升压控制电路100的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的升压控制电路200的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的升压控制电路中的开关控制器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的处于连续传导模式下的升压控制电路中各个信号的波形示意图；以及

图5是本发明实施例提供的处于非连续传导模式下的升压控制电路中各个信号的波形示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明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发明的示例来提供对本发明更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了更好地理解本发明，首先，对现有技术进行介绍，参考图1，图1示出了现有技术提供的升压控制电路100的结构示意图。

在图1中，该升压控制电路100包括电感L、开关M1、开关M2、二极管D1、二极管D2以及电容器C1，如图1所示，电感L的一端连接至该电路的输入端，电感L的另一端连接至开关M1的一端，开关M1的另一端连接至该电路的输出端，并且输出端经由电容器C1接地，开关M2的一端连接至电感L和开关M1的公共端，开关M2的另一端接地，并且用于控制开关M1和M2的导通和关断的开关控制信号分别为HG和LG，二极管D1的两极连接在开关M1中除用于接收HG信号的端子之外的两个端子之间，而二极管D2的两极连接在开关M2中除用于接收LG信号的端子之外的两个端子之间。

其中，Vin为该升压控制电路100的输入电压，Vout为该升压控制电路100的输出电压，针对升压控制电路100，输出电压Vout大于输入电压Vin；M1和M2是用于控制升压的开关，例如，M1是输出控制开关，M2是电感储能开启开关；L是用于控制升压的电感；Ton是控制开关M2导通的时间，而Toff是控制开关M1导通的时间。

在这种传统的电路中，其是通过添加电流采样电路，用于对电感电流进行采样，以产生电流反馈信号，并基于该电流反馈信号来控制开关M1和M2的导通和关断，进而调制输出电压Vout，使得输出电压Vout能够大于输入电压Vin。

然而，这种传统的通过电流采样电路来进行电感电流的采样，以产生电流反馈，进而基于电流反馈来调制输出电压的方法，大大增加了电路面积，并加大了电路设计的复杂度。

为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种升压控制电路。本发明实施例提供的升压控制电路不再检测和采样电感电流，而是通过伏秒平衡原理来建立对输出电压的调制控制。

应注意的是，本发明实施例提供的这种升压控制电路仅仅是一种示例实现方式，本发明对此不作限制，例如，本发明实施例提供的这种原理实质上也可以应用于例如降压控制电路等，其等同物和构造等均在本发明的范围之内。

继续参考图1，基于伏秒平衡原理，在输出开关M2导通时，流经电感的电流的变化可以表示为下式：

可见，在公式(1)中，电感电流IL是Vin和T

其中，k是电感电流被检测和采样后的系数，它是一个常数。电阻R0是用于将电流转换为电压的电阻，该电阻R0可以是与电感L串联连接的电阻，也可以是电流采样电路中用于将电流转换为电压的电阻，Vin是该结构的输入电压，T

作为一个示例，参考图2，图2是本发明实施例提供的升压控制电路200的结构示意图。

如图2所示，该升压控制电路200可以包括电感L、开关M3、开关M4、二极管D3、二极管D4、电容器C2、开关控制器210、比较器220以及分压电路230。

作为一个示例，开关控制器210可以被配置为基于表征升压控制电路200的输出电压的电压反馈信号(例如，Vfb)和表征流过开关M4的电流的电流采样信号(例如，Vsns)，生成分别用于控制开关M3的导通和关断的信号HG，以及用于控制开关M4的导通和关断的信号LG。

具体地，在某些实施例中，开关M3和M4可以是MOS管(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体场效应管)。

作为一个示例，电感L的一端可以连接至电路200的输入端，电感L的另一端可以连接至开关M3的一端，开关M3的另一端可以连接至电路200的输出端，二极管D3的两极可以连接至开关M3的两端(例如，源极和漏极)，开关M4的一端可以连接至电感L和开关M3的公共端(例如，节点a)，开关M4的另一端可以经由电阻Rsns接地，二极管D4的两极可以连接至开关M4的两端(例如，源极和漏极)，其中电阻Rsns用于对流经开关M4的电流进行采样，生成电流采样信号(例如，Vsns)，其中，该电流采样信号Vsns是一个类似于V

在一些实施例中，分压电路230可以用于对升压控制电路200的输出电压Vout进行分压，以生成电压反馈信号(例如，Vfb)，比较器220可以用于接收参考信号Vref和电压反馈信号(例如，Vfb)，例如比较器220的负相输入端可以用于接收参考信号Vref，并且正相输入端可以用于接收电压反馈信号Vfb，以对二者进行比较，并产生信号Vc以输出至开关控制器210，并且其中，分压电路230可以包括两个串联连接的电阻(例如，R1和R2)，本发明对此不作限制。

通过本发明实施例提供的上述技术方案，不再需要对电感电流进行检测和采样，而是通过开关控制器来生成开关控制信号，以控制开关的导通和关断，进而调制输出电压，在保证转换效率的前提下实现了面积极小的升压电路，利用较少的资源来实现电压调制，以适用在有限资源的应用中。

作为一个示例，参考图3，图3是本发明实施例提供的升压控制电路中的开关控制器的结构示意图。

在图3所示的实施例中，开关控制器210可以包括开关SW1和SW2以及电容器C3，该开关控制器210可以被配置为基于电压反馈信号Vfb和电流采样信号Vsns来生成用于控制开关SW1和M4(参见图2)的导通和关断的控制信号LG，进而基于信号LG和电容器C3上的电压来生成用于控制开关SW2和M3(参见图2)的导通和关断的控制信号HG，并且电容器C3在开关SW1导通、开关SW2关断时进行充电，并在开关SW1关断、开关SW2导通时进行放电。在某些实施例中，开关SW1和SW2可以为MOS管。

以下通过示例的方式进行详细介绍，具体地，如图3所示，开关控制器210还可以包括比较器2101、触发器2102以及Toff发生器等，在某些实施例中，触发器2102可以为RS触发器。

作为一个示例，比较器2101的两个输入端可以接收信号Vsns和参考电压Vref2，例如比较器2101的负相输入端可以用于接收参考电压Vref2，并且正相输入端可以用于接收信号Vsns，以对二者进行比较，比较器2101的输出端可以连接至例如RS触发器2102的复位端(标记为R)，比较器220(参见图2)的输出端可以连接至RS触发器2102的置位端(标记为S)，RS触发器2102的输出端可以连接至开关SW1的一端(例如，栅极)，以控制开关SW1的导通和关断，开关SW1和开关SW2串联连接在电流源(标记为I1)和地之间，电容器C3并联连接在开关SW2的两端，RS触发器的输出端还可以连接至Toff发生器的一个输入端，Toff发生器的另一输入端可以连接至开关SW1和开关SW2的公共端，以接收放电状态下电容器C3上的电压，Toff发生器的输出端可以连接至开关SW2的一端(例如，栅极)，以控制开关SW2的导通和关断。

具体地，比较器2101可以被配置为接收电流采样信号Vsns和参考信号Vref2(用于确定电流采样信号Vsns是否抬升到参考信号Vref2)，以对二者进行比较，并将比较结果输出到RS触发器2102，RS触发器2102还接收来自比较器220(参见图2)的比较结果Vc，以基于这两个比较结果来输出控制信号LG至开关SW1和M4，以控制开关SW1和M4的导通和关断，即，Ton为SW1和M4的导通时间，当信号LG控制开关SW1导通时，电流源(例如，I1，该电流源可提供的电流大小为Vin/R1)对电容器C3进行充电，在电容器C3上产生一个上升的斜坡电压(这将在下面详细介绍)，在SW1从导通切换至关断的时刻使得开关SW2导通(或经过预定时间段导通，本发明对此不做限制)，此时电容器C3被放电，在电容器C3上产生一个下降的斜坡电压(这将在下面详细介绍)，该上升的和下降的斜坡电压在图3中标记为Vramp，Toff发生器2103可以被配置为基于信号LG和放电状态下电容器C3上的电压(即，下降的斜坡电压)来生成信号HG，进而基于信号HG来控制开关SW2的导通和关断。

综上，该Ton由流经开关M4的采样电流达到参考电流的时间决定，Ton的公式如下：

其中，T

既然电感L、电压Vin和时间Ton都是已知的，在本发明实施例提供的电路中，产生一个类似的电流，并且具有公式(1)一样的对Vin和Ton的函数关系，就可以表征这个电感电流。其中，当开关SW1导通，开关SW2关断时，电容器C3处于充电状态，电流I1在电容器C3上产生一个上升的斜坡电压，该斜坡电压的维持时间为Ton，并且充电状态下电容器C3上的斜坡电压可以表示为：

这里，

同理，根据伏秒平衡原理，在图1中，当开关M2关断，开关M1开启时，满足下式：

基于该原理，在图3所示的实施例中，当开关SW1关断，开关SW2开启时，电流I2开始对电容器C3进行放电，放电时间为Toff，在放电阶段期间，电容器C3上的电压线性下降，在电容器C3上产生一个下降的斜坡电压，开关SW2导通的脉冲宽度为Toff。应注意的是，其电路的实现方式不限于本发明提供的实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以基于上面描述的伏秒平衡原理来设计该电路的其他实现方式。选择I2为以下公式，可以满足公式(5)所反应的伏秒平衡。

参考图3和图4，图4是本发明实施例提供的处于连续传导模式下的升压控制电路中各个信号的波形示意图。其中，图4(a)示出了图3中所示的电容器上的电压Vramp与时间之间的关系的曲线示意图；图4(b)示出了图3中所示的信号LG与时间之间的关系的曲线示意图；以及图4(c)示出了图3中所示的信号HG与时间之间的关系的曲线示意图。

作为一个示例，当开关SW1开启，开关SW2关断时，电流I1开始对电容器C3进行充电，充电时间为Ton(对应于图4中的时间段T0-T1)，在时间段T0-T1期间，电容器C3上的电压Vramp线性上升(例如，在时间段T0-T1期间，电压Vramp从V1(谷底)线性上升至V2(峰值)，参见公式(4))，并且信号LG处于高电平，而信号HG处于低电平；以及当开关SW1关断，开关SW2开启时，电流I2开始对电容器C3进行放电，放电时间为Toff(对应于时间段T1-T2)，在时间段T1-T2期间，电容器C3上的电压(即，Vramp)线性下降(例如，在时间段T1-T2期间，信号Vramp从V2(峰值)线性下降至V1(谷底)，参见公式(6))，并且信号LG处于低电平，而信号HG处于高电平。

参考图3和图4，在图3中使用Toff发生器来表征开关SW2的控制信号HG的产生。其中，信号HG的上升沿可以由信号LG的下降沿产生(例如，在时刻T1，信号LG从高电平切换为低电平，使得信号HG从低电平切换为高电平，参见图4)，而信号HG的下降沿在信号Vramp由峰值V2下降至谷值V1的时刻产生(例如，在时刻T2，当信号Vramp下降至谷值V1时，信号HG从高电平切换为低电平，参见图4)。

根据公式(6)来选取电容C3的放电电流，信号Vramp从峰值V2下降至谷值V1所经历的时间就是实现伏秒平衡所需的时间Toff。

这样，公式(5)所反应的电感电流在伏秒平衡下升压的开关M3和M4工作时的电流关系，可以转换为公式(7)所示的电压关系：

所以，

因此，输入电压Vin、输出电压Vout以及开关SW1和M4的导通时间Ton(参见公式(3))都是已知的参数，基于公式(8)来设置开关SW2和M3的导通时间Toff，在Toff时段期间(例如，图4中从T1时刻至T2时刻)，开关M3和SW2导通。

作为一个示例，结合图2对本发明实施例提供的升压控制电路的工作原理进行介绍，当电压反馈信号Vfb小于参考信号Vref时，比较器220的输出信号Vc发生翻转，其上升沿可以开启开关控制器210中的开关SW1(参见图3)。随后，比较器220的输出信号Vc被复位。经过导通时间Ton之后，开关SW1被关断，也就是说，开关SW1在导通时间Ton期间保持处于导通状态。在某些实施例中，可以在开关SW1被关断的时刻之后，间隔例如十几纳秒(可以根据需求进行选择)，接通开关SW2，使得开关SW2经过导通时间Toff之后被关断，即开关SW2在导通时间Toff期间保持处于导通状态。而在某些其他实施例中，间隔时间可以为零，即可以在开关SW1被断开的时刻，立即接通开关SW2，使得开关SW2经过导通时间Toff之后被关断，即开关SW2在导通时间Toff期间保持处于导通状态。

在开关SW2关断的时刻，使能比较器220的输出，如果比较器220的输出信号Vc翻转出一个上升沿，则立即开始一下个周期的上述操作，这时该升压控制电路工作在连续传导模式(Constant Current Mode，CCM)，如图4所示。否则，一直等待直到比较器220的输出信号Vc翻转出一个上升沿，再开始下一个周期的上述操作，这时该升压控制电路工作在非连续传导模式(Discrete Current Mode，DCM)，如图5所示，图5是本发明实施例提供的处于非连续传导模式下的升压控制电路中各个信号的波形示意图，其中，时间段(T3-T2)表示上述等待的时间。

综上，通过本发明实施例提供的升压控制电路，不再使用传统的检测和采样电感电流的方法，而是基于伏秒平衡原理来建立对输出电压的升压调整控制。该电路的目的是在保证转换效率的前提下实现面积较小的升压电路，即用最小的资源来实现对输出电压的调制，进而使用在资源有限的应用中。

本发明实施例提供的升压控制电路使用通用的恒开启时间(constant on time)结构，而输出开关的调制控制是基于伏秒平衡原理来实现的，由RC转化来替代电感电流的变化，可见，通过恒开启时间和RC转化替代来决定该升压控制电路的输出开关的导通时间。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。