升壓降壓開關功率變換器、控制電路及模式切換控制單元的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開的實施例涉及功率變換器，尤其涉及升壓降壓型開關功率變換器及其模式 切換控制電路。
【背景技術】
[0002] 升壓降壓型開關功率變換器可以將輸入電壓轉換為高于、等于或低于該輸入電壓 的輸出電壓，可以工作在較寬的輸入電壓變化范圍內。因此在電源領域得到了廣泛應用。
[0003] 圖1示出了一種常見的升壓降壓型開關功率變換器中的功率開關的拓撲結構10。 該功率開關的拓撲結構10包括四個功率開關SWA、SWB、SWC和SWD。第一功率開關SWA和第 二功率開關SWB串聯(lián)耦接于輸入端IN和參考地GND之間，第一功率開關SWA和第二功率開 關SWB的公共耦接端形成第一開關節(jié)點SWl。第三功率開關SWC和第四功率開關SWD串聯(lián) 耦接于輸出端OUT和參考地GND之間，第三功率開關SWC和第四功率開關SWD的公共耦接 端形成第二開關節(jié)點SW2。第一開關節(jié)點SWl和第二開關節(jié)點SW2之間耦接電感L。升壓 降壓型開關功率變換器通常還包括控制電路，用于為拓撲結構10中的功率開關SWA、SWB、 SWC和SWD的控制端GA、GB、GC和GD提供控制信號，以控制每個開關各自的導通和關斷切 換，從而將輸入電壓Vin轉換為合適的輸出電壓Vo。
[0004] 對于采用圖1所示拓撲結構10的升壓降壓型開關功率變換器，若輸入電壓Vin高 于輸出電壓Vo,則該升壓降壓型開關功率變換器工作于降壓模式，若輸入電壓Vin接近或 等于輸出電壓Vo,則該升壓降壓型開關功率變換器工作于升壓-降壓模式，若輸入電壓Vin 低于輸出電壓Vo,則該升壓降壓型開關功率變換器工作于升壓模式。在降壓模式，第四功 率開關SWD持續(xù)保持導通、第三功率開關SWC持續(xù)保持關斷，第一功率開關SWA和第二功率 開關SWB進行互補地導通和關斷切換，S卩：第一功率開關SWA導通時，第二功率開關SWB關 斷，反之亦然。在升壓模式，第一功率開關SWA持續(xù)保持導通、第二功率開關SWB持續(xù)保持 關斷，第三功率開關SWC和第四功率開關SWD進行互補地導通和關斷切換，S卩：第三功率開 關SWC導通時，第四功率開關SWD關斷，反之亦然。在升壓-降壓模式，第一功率開關SWA 和第二功率開關SWB構成第一組開關對，第三功率開關SWC和第四功率開關SWD構成第二 組開關對，該第一組開關對和第二組開關對相互獨立地進行導通和關斷切換。
[0005] 理論上，基于輸入電壓Vin和輸出電壓Vo的相對大小，可以調節(jié)升壓降壓型開關 功率變換器選擇性地工作于降壓模式、升壓模式或升壓-降壓模式，從而達到將輸入電壓 Vin轉換為任何合適的輸出電壓Vo的目的。然而，事實上現(xiàn)有的降壓型開關功率變換器并 不能實現(xiàn)以上三種工作模式間的平穩(wěn)切換，并且在從一種工作模式（例如降壓模式）切換 至另一種工作模式（例如升壓-降壓模式）時會導致輸出電壓Vo出現(xiàn)較大的波動尖峰。

【發(fā)明內容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術中的一個或多個問題，本公開的實施例提供一種升壓降壓型開關功 率變換器、用于升壓降壓型開關功率變換器的模式切換控制單元及控制電路。
[0007] 在本公開的一個方面，提出了一種模式切換控制單元，用于控制升壓降壓型開關 功率變換器自動在降壓模式與升壓-降壓模式之間、以及升壓-降壓模式與升壓模式之間 平穩(wěn)切換。該升壓降壓型開關功率變換器可以包括第一功率開關對和第二功率開關對，并 且第一功率開關對中的第一功率開關和第二功率開關串聯(lián)耦接于該升壓降壓型開關功率 變換器的輸入端和參考地之間，第一功率開關的導通時間占整個第一功率開關和第二功率 開關導通和關斷切換周期的比例為降壓占空比；第二功率開關對中的第三功率開關和第四 功率開關串聯(lián)耦接于該升壓降壓型開關功率變換器的輸出端和參考地之間，第三功率開關 的導通時間占整個第三功率開關和第四功率開關的導通和關斷切換周期的比例為升壓占 空比。
[0008] 該模式切換控制單元可以包括：降壓占空比檢測與比較電路和升壓占空比檢測與 比較電路。根據(jù)本公開的各實施例，該降壓占空比檢測與比較電路具有第一檢測輸入端和 第一比較輸出端，該第一檢測輸入端用于接收表征降壓占空比的信號，該降壓占空比檢測 與比較電路用于產生表征降壓占空比閾值的信號，并將表征該降壓占空比的信號與表征降 壓占空比閾值的信號相比較以在所述第一比較輸出端提供第一模式切換控制信號，其中所 述降壓占空比閾值具有第一遲滯；若降壓占空比大于降壓占空比閾值，則第一模式切換控 制信號控制所述升壓降壓型開關功率變換器從降壓模式切換至升壓-降壓模式，同時使所 述降壓占空比閾值降低至第二降壓占空比閾值，降低的量等于所述第一遲滯；若降壓占空 比小于所述第二降壓占空比閾值，則第一模式切換控制信號控制所述升壓降壓型開關功率 變換器從升壓-降壓模式切換至降壓模式，同時使降壓占空比閾值恢復原值。
[0009] 根據(jù)本公開的各實施例，該升壓占空比檢測與比較電路具有第二檢測輸入端和第 二比較輸出端，該第二檢測輸入端用于接收表征升壓占空比的信號，該升壓占空比檢測與 比較電路用于產生表征升壓占空比閾值的信號，并將表征該升壓占空比的信號與表征升壓 占空比閾值的信號相比較以在所述第二比較輸出端提供第二模式切換控制信號，其中所述 升壓占空比閾值具有第二遲滯；若升壓占空比大于升壓占空比閾值，則第二模式切換控制 信號控制所述升壓降壓型開關功率變換器從升壓-降壓模式切換至升壓模式，同時使所述 升壓占空比閾值降低至第二升壓占空比閾值，并且降低的量等于所述第二遲滯；若升壓占 空比小于所述第二升壓占空比閾值，則第二模式切換控制信號控制所述升壓降壓型開關功 率變換器從升壓模式切換回升壓-降壓模式，同時使升壓占空比閾值恢復原值。
[0010] 在本公開的另一方面，提出了一種控制電路，用于為上述升壓降壓型開關型功率 變換器提供控制信號。該控制電路包括根據(jù)本公開各實施例的模式切換控制單元。該控制 電路還可以接收系統(tǒng)時鐘信號、表征所述升壓降壓型開關功率變換器的輸出電壓的第一反 饋信號、表征流經所述開關單元的開關電流的第二反饋信號以及表征所述輸出電壓的期望 值的參考信號。該控制電路被構建以基于所述第一反饋信號、第二反饋信號、參考信號和系 統(tǒng)時鐘信號提供第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號分別至所述 第一功率開關、第二功率開關、第三功率開關和第四功率開關，其中所述第一控制信號和所 述第二控制信號邏輯狀態(tài)互補，分別用于控制所述第一功率開關和第二功率開關的導通和 關斷切換，所述第三控制信號和所述第四控制信號邏輯狀態(tài)互補，分別用于控制所述第三 功率開關和所述第四功率開關的導通和關斷切換。
[0011] 在本公開的又一方面，提出了一種升壓降壓型開關功率變換器，包括根據(jù)本公開 各實施例的模式切換控制單元。
[0012] 在本公開的再一方面，提出了一種升壓降壓型開關功率變換器，包括根據(jù)本公開 各實施例的控制電路。
[0013] 根據(jù)本公開實施例的升壓降壓型開關功率變換器可以自動在降壓模式與升 壓-降壓模式之間、以及升壓-降壓模式與升壓模式之間平穩(wěn)切換。在降壓模式，該控制電 路使該升壓降壓型開關型功率變換器連續(xù)穩(wěn)定地進行降壓周期的工作，降壓周期指第一組 開關對中的第一功率開關和第二功率開關進行互補地導通和關斷切換，第二組開關對中的 第三功率開關持續(xù)保持關斷，第四功率開關持續(xù)保持導通。在升壓模式，該控制電路使該升 壓降壓型開關型功率變換器連續(xù)穩(wěn)定地進行升壓周期的工作，升壓周期指第二組開關中的 第三功率開關和第四功率開關進行互補地導通和關斷切換，第一組開關對中的第一功率開 關持續(xù)保持導通、第二功率開關持續(xù)保持關斷。在升壓-降壓模式，該控制電路使該升壓降 壓型開關型功率變換器連續(xù)穩(wěn)定地進行一個降壓周期和一個升壓周期交替的工作。
[0014] 利用上述方案，根據(jù)本公開實施例的模式切換控制單元為升壓降壓型開關功率變 換器提供模式切換控制信號，以控制該升壓降壓型開關功率變換器自動在降壓模式與升 壓-降壓模式之間、以及升壓-降壓模式與升壓模式之間平穩(wěn)切換，避免在模式切換的臨界 區(qū)域，降壓模式與升壓-降壓模式之間以及升壓-降壓模式和升壓模式之間不必要的來回 切換，降低模式切換時輸出電壓的波動尖峰，增強升壓降壓型開關功率變換器的穩(wěn)定性
【附圖說明】
[0015] 下面的附圖有助于更好地理解接下來對本公開不同實施例的描述。這些附圖并非 按照實際的特征、尺寸及比例繪制，而是示意性地示出了本公開一些實施方式的主要特征。 這些附圖和實施方式以非限制性、非窮舉性的方式提供了本公開的一些實施例。為簡明起 見，不同附圖中具有相同功能的相同或類似的組件或結構采用相同的附圖標記。
[0016] 圖1示出了一種常見的升壓降壓型開關功率變換器中的功率開關的拓撲結構10;
[0017] 圖2示出了根據(jù)本公開一個實施例的升壓降壓型開關功率變換器100及其控制電 路108的電路架構不意圖；
[0018] 圖3示意出了圖2實施例中升壓降壓型開關功率變換器100在降壓模式與升 壓-降壓模式之間轉換時流過感性儲能元件Lo的電感電流IL的波形示意圖；
[0019] 圖4示意出了圖2實施例中升壓降壓型開關功率變換器100在升壓-降壓模式與 升壓模式之間轉換時流過感性儲能元件Lo的電感電流IL的波形示意圖；
[0020] 圖5示出了根據(jù)本公開一個示例性實施例的模式切換控制單元105的電路示意 圖；
[0021] 圖6示出了根據(jù)本公開一個實施例的降壓占空比檢測與比較電路1051的工作波 形示意圖；
[0022] 圖7示出了根據(jù)本公開一個實施例的升壓占空比檢測與比較電路1052的工作波 形示意圖；
[0023] 圖8示意出了根據(jù)本公開一個實施例的電流檢測與斜坡補償單元106的電路示意 圖；
[0024]圖9示出了圖8中電流檢測與斜坡補償單元106接收的第一斜坡補償信號和第二 斜坡補償信號，以及輸出的第一電流檢測信號和第二電流檢測信號的波形示意圖；
[0025] 圖10示出了根據(jù)本公開一個變型實施例的模式切換控制單元105的電路架構示 意圖；
[0026] 圖11示出了根據(jù)本公開又一個變型實施例的模式切換控制單元105的電路架構 示意圖；
[0027] 圖12示出了根據(jù)圖11示意實施例的降壓占空比檢測與比較電路1051的工作波 形示意圖；
[0028] 圖13示出了根據(jù)圖11示意實施例的升壓占空比檢測與比較電路1052的工作波 形示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面將詳細說明本公開的一些實施例。在接下來的說明中，一些具體的細節(jié)，例如 實施例中的具體電路結構和這些電路元件的具體參數(shù)，都用于對本公開的實施例提供更好 的理解。本技術領域的技術人員可以理解，即使在缺少一些細節(jié)或者其他方法、元件、材料 等結合的情況下，本公開的實施例也可以被實現(xiàn)。
[0030] 在本公開的說明書中，提及"一個實施例"時均意指在該實施例中描述的具體特 征、結構或者參數(shù)、步驟等至少包含在根據(jù)本公開的一個實施例中。因而，在本公開的說明 書中，若采用了諸如"根據(jù)本公開的一個實施例"、"在一個實施例中"等用語并不用于特指 在同一個實施例中，若采用了諸如"在另外的實施例中"、"根據(jù)本公開的不同實施例"、"根 據(jù)本公開另外的實施例"等用語，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的實 施例中。本領域的技術人員應該理解，在本公開說明書的一個或者多個實施例中公開的 各具體特征、結構或者參數(shù)、步驟等可以以任何合適的方式組合。另外，在本公開的說明 書及權利要求中，"耦接"一詞意指通過電氣或者非電氣的方式實現(xiàn)直接或者間接的連接。 "一個"并不用于特指單個，而是可以包括復數(shù)形式。"在……中"可以包括"在……中"和 "在……上"的含義。除非特別明確指出，"或"可以包括"或"、"和"及"或/和"的含義，并 不用于特指只能選擇幾個并列特征中的一個，而是意指可以選擇其中的一個或幾個或其中 某幾個特征的組合。除非特別明確指出，"基于"一詞不具有排它性，而是意指除了基于明確 描述的特征之外，還可以基于其它未明確描述的特征。"電路"意指至少將一個或者多個有 源或無源的元件耦接在一起以提供特定功能的結構。"信號"至少可以指包括電流、電壓、電 荷、溫度、數(shù)據(jù)、壓力或者其它類型的信號。若"晶體管"的實施例可以包括"場效應晶體管" 或者"雙極結型晶體管"，則"柵極/柵區(qū)"、"源極/源區(qū)"、"漏極/漏區(qū)"分別可以包括"基 極/基區(qū)"、"發(fā)射極/發(fā)射區(qū)"、"集電極/集電區(qū)"，反之亦然。本領域的技術人員應該理解， 以上羅列的對本公開中描述用語的解釋僅僅是示例性的，并不用于對各用語進行絕對的限 定。
[0031] 圖2示出了根據(jù)本公開一個實施例的升壓降壓型開關功率變換器100的電路架構 示意圖。該升壓降壓型開關功率變換器100可以包括：輸入端IN，用于接收輸入電壓Vin; 輸出端OUT，用于提供合適的輸出電壓Vo,以為負載供電并提供輸出電流Io;開關單元，例 如包括第一功率開關SWA、第二功率開關SWB、第三功率開關SWC和第四功率開關SWD，具有 用于耦接所述輸入端IN的第一端、用于耦接所述輸出端OUT的第二端，以及用于接收控制 信號（例如圖2中的第一控制信號DR1、第二控制信號DR2、第三控制信號DR3和第四控制 信號DR4)的控制端（例如圖2中的第一控制端GA、第二控制端GB、第三控制端GC和第四 控制端GD)，該開關單元被配置為基于控制信號（例如圖2中的第一控制信號DR1、第二控 制信號DR2、第三控制信號DR3和第四控制信號DR4)進行導通和關斷切換，以將輸入電壓 Vin轉換為所述輸出電壓Vo;以及控制電路108,用于檢測/接收表征輸出電壓Vo的第一 反饋信號Vfb、反映輸出電流Io的第二反饋信號Vcs和表征輸出電壓Vo的期望值的參考信 號Vref。該控制電路108被構建用于至少基于所述第一反饋信號Vfb、第二反饋信號Vcs 和參考信號Vref提供前述控制信號（例如圖2中的第一控制信號DR1、第二控制信號DR2、 第三控制信號DR3和第四控制信號DR4)至開關單元。
[0032] 根據(jù)本公開的一個示例性實施例，升壓降壓型開關功率變換器100的開關單元可 以具有如下拓撲結構：第一功率開關SWA和第二功率開關SWB串聯(lián)耦接于輸入端IN和參考 地GND之間，第一功率開關SWA和第二功率開關SWB的公共耦接端形成第一開關節(jié)點SWl; 第三功率開關SWC和第四功率開關SWD串聯(lián)耦接于輸出端OUT和參考地GND之間，第三功 率開關SWC和第四功率開關SWD的公共耦接端形成第二開關節(jié)點SW2。在一個示例性實施 例中，第一開關節(jié)點SWl和第二開關節(jié)點SW2之間耦接感性儲能元件Lo。在圖2的示例性 實施例中，第一至第四功率開關S