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一種降噪開(kāi)關(guān)變換器以及控制電路和方法與流程

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一種降噪開(kāi)關(guān)變換器以及控制電路和方法與流程

本發(fā)明涉及電子電路,具體但不僅限于涉及一種降噪開(kāi)關(guān)變換器以及降噪控制電路和方法。



背景技術(shù):

人耳能聽(tīng)到的聲音頻率范圍是在20~20k赫茲,在開(kāi)關(guān)變換器中,當(dāng)其開(kāi)關(guān)頻率低于20k赫茲的時(shí)候,人耳就能聽(tīng)到相關(guān)的音頻噪音。在開(kāi)關(guān)變換器的設(shè)計(jì)中,我們需要避免音頻噪音的產(chǎn)生。一般地,開(kāi)關(guān)變換器在正常的帶載情況下,開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于20k赫茲,但是當(dāng)開(kāi)關(guān)變換器負(fù)載變?yōu)檩p載或空載的情況下,開(kāi)關(guān)頻率低于20k赫茲,噪音就會(huì)產(chǎn)生。

為了避免噪音干擾,我們期望提出一種降噪開(kāi)關(guān)變換器,即使其工作在輕載或空載時(shí)也可避免噪音干擾。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

為了解決前面描述的一個(gè)問(wèn)題或者多個(gè)問(wèn)題,本發(fā)明提出與現(xiàn)有技術(shù)不同的一種降噪開(kāi)關(guān)變換器以及其控制電路和方法。

本發(fā)明一方面提供了一種用于開(kāi)關(guān)變換器的降噪控制電路,其中所述開(kāi)關(guān)變換器包括高側(cè)開(kāi)關(guān)和低側(cè)開(kāi)關(guān),所述降噪控制電路包括:計(jì)時(shí)器,產(chǎn)生一個(gè)具有閾值頻率的降噪時(shí)鐘信號(hào);過(guò)零檢測(cè)模塊,用于檢測(cè)流過(guò)開(kāi)關(guān)變換器輸出電感的電感電流,還用于接收反饋信號(hào),并根據(jù)接收的反饋信號(hào)產(chǎn)生降噪閾值電流,該過(guò)零檢測(cè)模塊將電感電流與降噪閾值電流比較,產(chǎn)生過(guò)零信號(hào);以及變頻控制模塊,接收降噪時(shí)鐘信號(hào)、反饋信號(hào)和過(guò)零信號(hào),當(dāng)開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率大于閾值頻率時(shí),變頻控制模塊根據(jù)反饋信號(hào)產(chǎn)生頻率可變的高側(cè)控制信號(hào)和低側(cè)控制信號(hào),分別用于控制高側(cè)開(kāi)關(guān)和低側(cè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷切換;當(dāng)開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率降低到閾值頻率時(shí),變頻控制模塊根據(jù)降噪時(shí)鐘信號(hào)將高側(cè)控制信號(hào)和低側(cè)控制信號(hào)的頻率固定為閾值頻率;當(dāng)電感電流反向增大到降噪閾值電流時(shí),變頻控制模塊根據(jù)過(guò)零信號(hào)關(guān)斷低側(cè)開(kāi)關(guān)。

本發(fā)明又一方面提供了一種降噪開(kāi)關(guān)變換器,其中所述降噪開(kāi)關(guān)變換器包括如上所述的降噪控制電路。

本發(fā)明又一方面提供了一種用于開(kāi)關(guān)變換器的降噪控制方法,其中所述開(kāi)關(guān)變換器包括高側(cè)開(kāi)關(guān)和低側(cè)開(kāi)關(guān),所述降噪控制方法包括:判定開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率是否降低到閾值頻率;當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率小于閾值頻率,將開(kāi)關(guān)變換器的工作頻率固定在閾值頻率;檢測(cè)流過(guò)開(kāi)關(guān)變換器中輸出電感的電感電流;根據(jù)反饋信號(hào)產(chǎn)生降噪閾值電流;判定電感電流是否等于降噪閾值電流;以及當(dāng)電感電流等于降噪閾值電流時(shí),關(guān)斷低側(cè)開(kāi)關(guān)。

附圖說(shuō)明

為了更好的理解本發(fā)明,將根據(jù)以下附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述:

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的降噪開(kāi)關(guān)變換器100的原理框圖;

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的變頻控制模塊200的原理框圖;圖3所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的變頻控制模塊300的原理框圖;

圖4為根據(jù)圖3所示實(shí)施例的一變頻控制模塊400的電路原理圖;

圖5所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施的降噪開(kāi)關(guān)變換器500的電路原理圖;

圖6所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施的降噪開(kāi)關(guān)變換器的工作波形600的示意圖;

圖7所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施的降噪開(kāi)關(guān)變換器700的電路原理圖;

圖8所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施的一種開(kāi)關(guān)變換器的降噪控制方法800。下面將參考附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。貫穿所有附圖相同的附圖標(biāo)記表示相同的或相似的部件或特征。

具體實(shí)施方式

下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施例,應(yīng)當(dāng)注意,這里描述的實(shí)施例只用于舉例說(shuō)明,并不用于限制本發(fā)明。在下面對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述中,為了更好地理解本發(fā)明,描述了大量的細(xì)節(jié)。然而,本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解,沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié),本發(fā)明同樣可以實(shí)施。為了清晰明了地闡述本發(fā)明,本文簡(jiǎn)化了一些具體結(jié)構(gòu)和功能的詳細(xì)描述。此外,在一些實(shí)施例中已經(jīng)詳細(xì)描述過(guò)的類似的結(jié)構(gòu)和功能,在其它實(shí)施例中不再贅述。盡管本發(fā)明的各項(xiàng)術(shù)語(yǔ)是結(jié)合具體的示范實(shí)施例來(lái)一一描述的,但這些術(shù)語(yǔ)不應(yīng)理解為局限于這里闡述的示范實(shí)施方式。

在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中,對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“一個(gè)示例”或“示例”的提及意味著:結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包含在本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例中。因此,在整個(gè)說(shuō)明書(shū)的各個(gè)地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在實(shí)施例中”、“一個(gè)示例”或“示例”不一定都指同一實(shí)施例或示例。此外,可以以任何適當(dāng)?shù)慕M合和/或子組合將特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性組合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中。此外,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,在此提供的附圖都是為了說(shuō)明的目的,并且附圖不一定是按比例繪制的。應(yīng)當(dāng)理解,當(dāng)稱“元件”“連接到”或“耦接”到另一元件時(shí),它可以是直接連接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反,當(dāng)稱元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時(shí),不存在中間元件。相同的附圖標(biāo)記指示相同的元件。這里使用的術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)列出的項(xiàng)目的任何和所有組合。

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的降噪開(kāi)關(guān)變換器100的原理框圖。如圖1所示,降噪開(kāi)關(guān)變換器100包括開(kāi)關(guān)電路10和控制電路,其中控制電路包括反饋電路20、過(guò)零檢測(cè)電路30、計(jì)時(shí)器40和變頻控制模塊50。

在圖1所示實(shí)施例中,開(kāi)關(guān)電路10包括一個(gè)降壓型(BUCK)變換電路,包括高側(cè)開(kāi)關(guān)101、低側(cè)開(kāi)關(guān)102,電感器103以及電容器104,其中高側(cè)開(kāi)關(guān)101和低側(cè)開(kāi)關(guān)102被示意為一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)。高側(cè)開(kāi)關(guān)101的漏極電連接至降噪開(kāi)關(guān)變換器100的輸入端接收輸入電壓信號(hào)VIN;低側(cè)開(kāi)關(guān)102的源極電連接至地;高側(cè)開(kāi)關(guān)101的源極和低側(cè)開(kāi)關(guān)102的漏極耦接形成公共節(jié)點(diǎn)SW;電感103電連接于節(jié)點(diǎn)SW和降噪開(kāi)關(guān)變換器100輸出端之間;電容器104連接在降噪開(kāi)關(guān)變換器100的輸出端與邏輯地之間,用于為負(fù)載提供一個(gè)輸出電壓VOUT

控制電路根據(jù)降噪開(kāi)關(guān)變換器100的反饋信號(hào)FB,判斷輸出電壓VOUT的變化,產(chǎn)生用于導(dǎo)通和關(guān)斷高側(cè)開(kāi)關(guān)101和低側(cè)開(kāi)關(guān)102的控制信號(hào)SH和SL。控制電路通過(guò)控制高側(cè)開(kāi)關(guān)101和低側(cè)開(kāi)關(guān)102的導(dǎo)通和關(guān)斷切換,將輸入電壓VIN轉(zhuǎn)換為輸出電壓VOUT。

本領(lǐng)域一般技術(shù)人員應(yīng)該明白,圖1所示實(shí)施例中,高側(cè)開(kāi)關(guān)101和低側(cè)開(kāi)關(guān)102不局限于MOSFET,在其他實(shí)施例中,高側(cè)開(kāi)關(guān)101和低側(cè)開(kāi)關(guān)102還可以是其他任何可控的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件,如結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。此外,開(kāi)關(guān)電路10被示意為一個(gè)降壓型(BUCK)變換電路,在其他實(shí)施例中,開(kāi)關(guān)電路10可以包括其他適合的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在圖1所示實(shí)施例中,反饋電路20耦接至開(kāi)關(guān)電路10并產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)FB。反饋信號(hào)FB可以包括一個(gè)反饋電壓信號(hào),也可以包括一個(gè)反饋電流信號(hào)或者同時(shí)包括一個(gè)反饋電壓信號(hào)和一個(gè)反饋電流信號(hào)。反饋電壓信號(hào)為一個(gè)輸出反饋電壓信號(hào),反饋電流信號(hào)可以包括電感電流反饋信號(hào)或開(kāi)關(guān)電流反饋信號(hào)。

在圖1所示實(shí)施例中,過(guò)零檢測(cè)電路30用于檢測(cè)流過(guò)電感103的電感電流iL,并將電感電流iL與一個(gè)降噪閾值電流比較。

當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)101導(dǎo)通,低側(cè)開(kāi)關(guān)102關(guān)斷期間,節(jié)點(diǎn)SW處的節(jié)點(diǎn)電壓VSW=VIN-iL*RDSON1,其中,RDSON1為高側(cè)開(kāi)關(guān)101的導(dǎo)通電阻,節(jié)點(diǎn)電壓VSW隨電感電流iL的增大而減小。由于高側(cè)開(kāi)關(guān)101的導(dǎo)通電阻RDSON1的值較小,因此在高側(cè)開(kāi)關(guān)101導(dǎo)通,低側(cè)開(kāi)關(guān)102關(guān)斷期間,節(jié)點(diǎn)電壓VSW的值為接近于輸入電壓VIN的正值。當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)101關(guān)斷,低側(cè)開(kāi)關(guān)102導(dǎo)通期間,節(jié)點(diǎn)電壓VSW=-iL*RDSON2,其中,RDSON2為低側(cè)開(kāi)關(guān)102的導(dǎo)通電阻,隨電感電流iL的減小而增大。由于低側(cè)開(kāi)關(guān)102的導(dǎo)通電阻RDSON2較小,因此在高側(cè)開(kāi)關(guān)101關(guān)斷,低側(cè)開(kāi)關(guān)102導(dǎo)通期間,節(jié)點(diǎn)電壓VSW的值為接近零的負(fù)值。當(dāng)電感電流iL等于零后,如果低側(cè)開(kāi)關(guān)102繼續(xù)導(dǎo)通,則電感電流iL反向,輸出電容104通過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)102放電,節(jié)點(diǎn)電壓VSW=iL*RDSON2,隨電感電流iL的反向增大而增大。因此,在一個(gè)實(shí)施例中,節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)VSW可以代表電感電流iL的值。過(guò)零檢測(cè)電路30將節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)VSW與一個(gè)代表降噪閾值電流的降噪閾值電壓比較,產(chǎn)生一個(gè)過(guò)零信號(hào)ZCD。一旦節(jié)點(diǎn)電壓信號(hào)VSW等于降噪閾值電壓(即電感電流iL等于降噪閾值電流),過(guò)零信號(hào)ZCD用于關(guān)斷低側(cè)開(kāi)關(guān)102。

過(guò)零檢測(cè)電路30還用于接收反饋信號(hào)FB,并根據(jù)反饋信號(hào)FB產(chǎn)生降噪閾值電壓。與傳統(tǒng)的過(guò)零閾值電壓不同,這里的降噪閾值電壓代表的降噪閾值電流iTH0并不意味著電感電流iL過(guò)零關(guān)斷值,而是電感電流iL過(guò)零后反向增大后到達(dá)的一個(gè)值。降噪閾值電壓是一個(gè)變化的值,用于決定輸出電容104通過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)102放電的時(shí)間。降噪閾值電壓的值越大,輸出電容104通過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)102放電的時(shí)間越長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中,降噪閾值電流小于零。

在圖1所示實(shí)施例中,計(jì)時(shí)器40用于設(shè)定降噪開(kāi)關(guān)變換器100的閾值頻率fTH。計(jì)時(shí)器40產(chǎn)生一個(gè)降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L,其中,該降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L的頻率為閾值頻率fTH,其值不小于20K赫茲。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器100的開(kāi)關(guān)頻率降低到閾值頻率fTH時(shí),降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L用于將降噪開(kāi)關(guān)變換器100的開(kāi)關(guān)頻率限定為閾值頻率fTH。

在圖1所示實(shí)施例中,變頻控制模塊50接收反饋信號(hào)FB、過(guò)零信號(hào)ZCD以及降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L,并根據(jù)反饋信號(hào)FB、過(guò)零信號(hào)ZCD以及降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L產(chǎn)生高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL,用于控制高側(cè)開(kāi)關(guān)101和低側(cè)開(kāi)關(guān)102的導(dǎo)通和關(guān)斷切換,從而調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT

在一個(gè)實(shí)施例中,當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器100的開(kāi)關(guān)頻率高于閾值頻率fTH時(shí),降噪開(kāi)關(guān)變換器100工作在變頻模式,通過(guò)調(diào)節(jié)高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT。因此,變頻控制模塊50包括一個(gè)脈寬頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation,PFM)的控制模塊,例如恒定導(dǎo)通時(shí)間(Constant On Time,COT)控制模塊。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器100的開(kāi)關(guān)頻率低于閾值頻率fTH時(shí),變頻控制模塊50工作在恒頻模式,通過(guò)降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L將高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL的頻率固定為閾值頻率fTH。

在一個(gè)實(shí)施例中,當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器100的開(kāi)關(guān)頻率大于閾值頻率fTH時(shí),降噪開(kāi)關(guān)變換器100可以工作在變頻和恒頻兩種模式。當(dāng)負(fù)載為正常帶載,高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL的開(kāi)關(guān)頻率恒定,變頻控制模塊50通過(guò)調(diào)節(jié)高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL的占空比進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT,此時(shí),變頻控制模塊50包括一個(gè)脈寬寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)的控制模塊,例如峰值電流控制模塊。當(dāng)負(fù)載為輕載或空載時(shí),變頻控制模塊50通過(guò)調(diào)節(jié)高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL的頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT,此時(shí),變頻控制模塊50還包括一個(gè)PFM控制模塊。

在本發(fā)明申請(qǐng)公開(kāi)的實(shí)施例中,由于降噪開(kāi)關(guān)變換器100的最小開(kāi)關(guān)頻率被限定在人耳能聽(tīng)到的音頻噪聲頻率之上(大于20K赫茲),因此,本發(fā)明申請(qǐng)公開(kāi)的實(shí)施例不會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲。同時(shí),由于降噪開(kāi)關(guān)變換器100通過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)102對(duì)輸出電容104放電,因此可以降低輸出電壓VOUT。這樣在輕載或空載情況下,可克服因?yàn)橄拗平翟腴_(kāi)關(guān)變換器100的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)一步降低而導(dǎo)致的輸出電壓VOUT比期望的輸出電壓高的缺陷。

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的變頻控制模塊200的原理框圖。在圖2所示實(shí)施例中,當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率大于閾值頻率fTH時(shí),變頻控制模塊200工作在變頻模式,即通過(guò)調(diào)節(jié)降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT。因此,變頻控制模塊200包括一個(gè)PFM控制模塊,在圖2中示意為一個(gè)恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的PFM模塊。

如圖2所示,變頻控制模塊200包括比較電路21、恒定導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生電路22和邏輯電路23。

在圖2所示實(shí)施例中,比較電路21具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其中第一輸入端接收反饋電壓信號(hào)VFB,第二輸入端接收參考電壓信號(hào)VREF,比較電路21比較反饋電壓信號(hào)VFB和參考電壓信號(hào)VREF的大小并輸出一個(gè)比較信號(hào)CA。

在圖2所示實(shí)施例中,恒定導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生電路22用于產(chǎn)生一個(gè)恒定導(dǎo)通時(shí)間Ton。其中,當(dāng)反饋電壓信號(hào)VFB的值小于參考電壓信號(hào)VREF時(shí),比較信號(hào)CA用于導(dǎo)通高側(cè)開(kāi)關(guān)101;恒定導(dǎo)通時(shí)間Ton用于關(guān)斷高側(cè)開(kāi)關(guān)101。在一個(gè)實(shí)施例中,恒定導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生電路22可以用一個(gè)恒定關(guān)斷時(shí)間(Constant Off Time)產(chǎn)生電路代替,產(chǎn)生一個(gè)恒定關(guān)斷時(shí)間Toff。其中,恒定關(guān)斷時(shí)間Toff用于導(dǎo)通高側(cè)開(kāi)關(guān)101,且當(dāng)反饋電壓信號(hào)VFB的值大于參考電壓信號(hào)VREF時(shí),比較信號(hào)CA用于關(guān)斷高側(cè)開(kāi)關(guān)101。

在圖2所示實(shí)施例中,邏輯電路23具有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端、第四輸入端、第一輸出端和第二輸出端,其中,第一輸入端接收比較信號(hào)CA,第二輸入端接收恒定導(dǎo)通時(shí)間Ton,第三輸入端接收過(guò)零信號(hào)ZCD,以及第四輸入端接收降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L。邏輯電路23將比較信號(hào)CA、恒定導(dǎo)通時(shí)間Ton、過(guò)零信號(hào)ZCD和降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L做邏輯運(yùn)算,并在第一輸出端和第二輸出端分別輸出高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL。

在圖2所示實(shí)施例中,當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率高于閾值頻率fTH時(shí),變頻控制模塊200通過(guò)調(diào)節(jié)高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率低于閾值頻率fTH時(shí),變頻控制模塊200通過(guò)降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L將高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL的頻率固定在閾值頻率fTH,與此同時(shí),當(dāng)電感電流iL降低到零后,變頻控制模塊200控制低側(cè)開(kāi)關(guān)102繼續(xù)導(dǎo)通,使得電感電流iL反向。當(dāng)過(guò)零信號(hào)ZCD有效時(shí)(即電感電流iL等于降噪閾值電流),過(guò)零信號(hào)ZCD控制低側(cè)控制信號(hào)SL關(guān)斷低側(cè)開(kāi)關(guān)102。

圖3所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的變頻控制模塊300的原理框圖。如圖3所示,變頻控制模塊300包括PWM控制模塊31、PFM控制模塊32和邏輯電路33。在圖3所示實(shí)施例中,PFM控制模塊32包括輕載判定模塊,當(dāng)輕載判定模塊判定降噪開(kāi)關(guān)變換器正常帶載,PWM控制模塊31工作,并根據(jù)接收的輸出反饋電壓信號(hào)VFB輸出第一控制信號(hào)C1。其中,第一控制信號(hào)C1用于產(chǎn)生一個(gè)頻率恒定的高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器輕載,降噪開(kāi)關(guān)變換器從PWM控制模式進(jìn)入PFM控制模式,PFM控制模塊32工作。PFM控制模塊32接收PWM控制模塊輸出的誤差信號(hào)EA,并根據(jù)誤差信號(hào)EA輸出第二控制信號(hào)C2。其中,第二控制信號(hào)C2用于產(chǎn)生一個(gè)頻率變化的高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL。

在圖3所示實(shí)施例中,邏輯電路34具有第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端、第四輸入端、第一輸出端和第二輸出端,其中,第一輸入端接收第一控制信號(hào)C1,第二輸入端接收第二控制信號(hào)C2,第三輸入端接收降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L,第四輸入端接收過(guò)零信ZCD。邏輯電路34將第一控制信號(hào)C1,第二控制信號(hào)C2、過(guò)零信號(hào)ZCD以及降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L做邏輯運(yùn)算,并在第一輸出端和第二輸出端分別輸出高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL。

在圖3所示實(shí)施例中,當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率高于閾值頻率fTH時(shí),變頻控制模塊300通過(guò)PWM控制模塊32和PFM控制模塊33共同調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率低于閾值頻率fTH時(shí),變頻控制模塊300通過(guò)降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L將高側(cè)控制信號(hào)SH和低側(cè)控制信號(hào)SL的頻率固定在閾值頻率fTH,與此同時(shí),當(dāng)電感電流iL降低到零后,變頻控制模塊300控制低側(cè)開(kāi)關(guān)102繼續(xù)導(dǎo)通,使得電感電流iL反向,當(dāng)過(guò)零信號(hào)ZCD有效時(shí)(即電感電流iL等于降噪閾值電流),過(guò)零信號(hào)ZCD控制低側(cè)控制信號(hào)SL關(guān)斷低側(cè)開(kāi)關(guān)102。

圖4為根據(jù)圖3所示實(shí)施例的一變頻控制模塊400的電路原理圖。

如圖4所示,PWM控制模塊31包括一個(gè)電壓誤差放大器41和電壓比較器42。電壓誤差放大器41具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端。電壓誤差放大器41的第一輸入端接收反饋電壓信號(hào)VFB,第二輸入端接收參考電壓信號(hào)VREF,電壓誤差放大器41比較反饋電壓信號(hào)VFB與參考電壓信號(hào)VREF并將其差值放大,在輸出端輸出誤差信號(hào)EA。電壓比較器42具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端。電壓比較器42的第一輸入端接收誤差信號(hào)EA,第二輸入端接收代表采樣電流的電壓信號(hào)VCS,電壓比較器42將誤差信號(hào)EA與電壓信號(hào)VCS比較,并在其輸出端輸出第一控制信號(hào)C1。

PFM控制模塊32包括跨導(dǎo)放大器43和時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器44??鐚?dǎo)放大器43具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其中第一輸入端接收誤差信號(hào)EA,第二輸入端接收輕載閾值信號(hào)VTH_H,跨導(dǎo)放大器43將誤差信號(hào)EA與輕載閾值信號(hào)VTH差值放大,并在輸出端輸出一個(gè)誤差電流信號(hào)iCLK。時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器44接收誤差電流信號(hào)iCLK,并根據(jù)誤差電流信號(hào)iCLK產(chǎn)生第二控制信號(hào)C2。在圖4所示實(shí)施例中,第二控制信號(hào)C2即為邏輯電路33的初始時(shí)鐘信號(hào),該初始時(shí)鐘信號(hào)用于設(shè)定降噪變換器的工作頻率。

當(dāng)誤差信號(hào)EA大于輕載閾值信號(hào)VTH_H時(shí),表示負(fù)載正常帶載,誤差電流信號(hào)iCLK控制時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器44產(chǎn)生頻率固定的第二控制信號(hào)C2,此時(shí),第二控制信號(hào)C2的頻率遠(yuǎn)大于閾值頻率。當(dāng)誤差信號(hào)EA小于輕載閾值信號(hào)VTH_H時(shí),表示負(fù)載輕載,誤差電流信號(hào)iCLK控制時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器44產(chǎn)生頻率變化的第二控制信號(hào)C2。其中,第二控制信號(hào)C2的頻率和誤差電流信號(hào)iCLK的大小有關(guān),誤差電流信號(hào)iCLK越小,第二控制信號(hào)C2的頻率越低。在一個(gè)實(shí)施例中,PFM控制模塊32還包括一個(gè)輕載鉗位模塊,當(dāng)誤差信號(hào)EA小于一個(gè)輕載鉗位信號(hào)時(shí),誤差信號(hào)被鉗位,接下來(lái)在圖7中會(huì)詳細(xì)描述該模塊功能。

圖5所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施的降噪開(kāi)關(guān)變換器500的電路原理圖。其中,降噪開(kāi)關(guān)變換器500中的變頻控制模塊50為圖2所示變頻控制模塊200的一個(gè)具體實(shí)施例。

如圖5所示,降噪開(kāi)關(guān)變換器500包括開(kāi)關(guān)電路10和控制電路,其中控制電路包括反饋電路20、過(guò)零檢測(cè)電路30、計(jì)時(shí)器40和變頻控制模塊50。

開(kāi)關(guān)電路10已經(jīng)在圖1所示實(shí)施例中詳細(xì)描述,這里不再累述。

在圖5所示實(shí)施例中,反饋電路20被示意為由電阻501和502組成的的分壓網(wǎng)絡(luò),用于產(chǎn)生一個(gè)代表輸出電壓VOUT的反饋電壓VFB。

在圖5所示實(shí)施例中,過(guò)零檢測(cè)電路30包括跨導(dǎo)放大器504、比較器505和電阻器506??鐚?dǎo)放大器504具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其第一輸入端接收反饋電壓信號(hào)VFB,其第二輸入端接收第一參考電壓信號(hào)VREF1,跨導(dǎo)放大器504將反饋電壓信號(hào)VFB和第一參考電壓信號(hào)VREF1的差值放大,產(chǎn)生一個(gè)降噪閾值電流iTH0。與傳統(tǒng)的過(guò)零閾值電流不同,這里的降噪閾值電流iTH0不代表電感電流iL過(guò)零關(guān)斷值,而是電感電流iL過(guò)零后反向增大后到達(dá)的一個(gè)值。降噪閾值電流iTH0是一個(gè)變化的值,隨著輸出電壓VOUT的變化而變化,用于決定輸出電容104通過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)102放電的時(shí)間,等同于給降噪開(kāi)關(guān)變換器500額外增加了一個(gè)負(fù)載。降噪閾值電流iTH0值越大,輸出電容104通過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)102放電的時(shí)間越長(zhǎng),即額外增加的負(fù)載越大。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器500的負(fù)載為輕載或空載時(shí),為了避免音頻噪音,開(kāi)關(guān)頻率不再繼續(xù)降低,而是被限制在閾值頻率fTH。因此輸出電壓VOUT會(huì)略高于正常輸出電壓值,因此第一參考電壓信號(hào)VREF1的值應(yīng)設(shè)置為略大于第二參考電壓信號(hào)VREF2,其中,第二參考信號(hào)VREF2為降噪開(kāi)關(guān)變換器500的一個(gè)參考電壓值,其與期望的輸出電壓VOUT成比例。在一個(gè)實(shí)施例中,第一參考電壓信號(hào)VREF1=101%VREF2。在一個(gè)實(shí)施例中,電阻器506電連接在跨導(dǎo)放大器504的輸出端和地之間,用于將降噪閾值電流iTH0轉(zhuǎn)化為降噪閾值電壓VTH0

在一個(gè)實(shí)施例中,跨導(dǎo)放大器504和電阻器506也可以用一個(gè)差分放大器504代替,直接產(chǎn)生一個(gè)降噪閾值電壓VTH0。

比較器505具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其第一輸入端接收降噪閾值電壓VTH0,其第二輸入端耦接節(jié)點(diǎn)SW,接收節(jié)點(diǎn)電壓VSW。比較器505將節(jié)點(diǎn)電壓VSW與降噪閾值電壓VTH0比較,產(chǎn)生過(guò)零信號(hào)ZCD。過(guò)零信號(hào)ZCD為一個(gè)具有高低電平的邏輯信號(hào)。當(dāng)電感電流iL反向增大后,節(jié)點(diǎn)電壓VSW隨著電感電流iL增大而增大,當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓VSW的值等于降噪閾值電壓VTH0時(shí),過(guò)零信號(hào)ZCD由邏輯高變成邏輯低,低側(cè)開(kāi)關(guān)102關(guān)斷。

在圖5所示實(shí)施例中,計(jì)時(shí)器40用于產(chǎn)生一個(gè)降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L,其中,該降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L的頻率恒定,為降噪開(kāi)關(guān)變換器100的閾值頻率fTH,其值不小于20K赫茲,以此避免人耳能聽(tīng)到的噪音。在一個(gè)實(shí)施例中,計(jì)時(shí)器40可設(shè)置為40微秒計(jì)時(shí)器,產(chǎn)生25K赫茲的閾值頻率fTH。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器500的開(kāi)關(guān)頻率降低到閾值頻率fTH時(shí),降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L用于將降噪開(kāi)關(guān)變換器500的開(kāi)關(guān)頻率限定為25K赫茲。

在圖5所示實(shí)施例中,變頻控制模塊50包括比較電路21、恒定導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生電路22和邏輯電路23。比較電路21和恒定時(shí)間產(chǎn)生電路的功能與圖2所示變頻控制模塊200中的一樣,其中,比較電路21被示意為一個(gè)電壓比較器503。

邏輯電路23包括或門(mén)506、觸發(fā)器507和與門(mén)508?;蜷T(mén)506的一端耦接比較電路21的輸出端接收比較信號(hào)CA;或門(mén)506的另一端耦接計(jì)時(shí)器40的輸出端接收降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L;或門(mén)506對(duì)比較信號(hào)CA和降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L做或邏輯運(yùn)算,并輸出一個(gè)置位信號(hào)SET。觸發(fā)器507的置位端耦接或門(mén)506的輸出端接收置位信號(hào)SET;觸發(fā)器507的復(fù)位端耦接恒定導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生電路22的輸出端接收恒定導(dǎo)通時(shí)間信號(hào)Ton。觸發(fā)器507的第一輸出端耦接至高側(cè)開(kāi)關(guān)101的柵極,提供高側(cè)控制信號(hào)SH;觸發(fā)器507的第二輸出端耦接至與門(mén)508的一端,提供與高側(cè)控制信號(hào)SH邏輯互補(bǔ)的控制信號(hào)SL1。與門(mén)508的另一端耦接比較電路505的輸出端接收過(guò)零信號(hào)ZCD,與門(mén)508對(duì)控制信號(hào)SL1和過(guò)零信號(hào)ZCD做與邏輯運(yùn)算,并在輸出端輸出低側(cè)控制信號(hào)SL至低側(cè)開(kāi)關(guān)102的柵極。

圖6所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施的降噪開(kāi)關(guān)變換器500的工作波形示意圖。圖6所示波形圖從上至下分別為電感電流iL波形、高側(cè)控制信號(hào)SH波形和低側(cè)控制信號(hào)SL波形。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器500正常帶載狀態(tài)下(t1-t2),開(kāi)關(guān)頻率f大于閾值頻率fTH,電感電流iL連續(xù);高側(cè)控制信號(hào)SH的占空比為D;低側(cè)控制信號(hào)SL與高側(cè)控制信號(hào)SH邏輯互補(bǔ)(占空比為1-D)。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器500進(jìn)入輕載狀態(tài)后,開(kāi)關(guān)頻率f持續(xù)降低,電感電流iL斷續(xù)。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率f降低到閾值頻率fTH后(t3時(shí)刻以后),開(kāi)關(guān)頻率f被限制在閾值頻率fTH。與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)變換器相比,降噪開(kāi)關(guān)變換器500在電感電流iL降低為零時(shí)(t4時(shí)刻),并未關(guān)斷低側(cè)開(kāi)關(guān)102,低側(cè)開(kāi)關(guān)102繼續(xù)導(dǎo)通,電感電流反iL反向,當(dāng)電感電流iL反向增大到降噪閾值電流iTH0時(shí)(t5時(shí)刻),低側(cè)開(kāi)關(guān)102被關(guān)斷。

圖7所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施的降噪開(kāi)關(guān)變換器700的電路原理圖。其中,降噪開(kāi)關(guān)變換器700中的變頻控制模塊50為圖3所示變頻控制模塊300的一個(gè)具體實(shí)施例。

如圖7所示,降噪開(kāi)關(guān)變換器700包括開(kāi)關(guān)電路10和控制電路,其中控制電路包括反饋電路、過(guò)零檢測(cè)電路30和變頻控制模塊50。

開(kāi)關(guān)電路10已經(jīng)在圖1所示實(shí)施例中詳細(xì)描述,這里不再累述。

與圖5所示降噪開(kāi)關(guān)變換器500不同地是,降噪開(kāi)關(guān)變換器700中的反饋電路包括電壓反饋電路和電流反饋電路。電壓反饋電路采樣輸出電壓VOUT并產(chǎn)生一個(gè)反饋電壓信號(hào)VFB;電流反饋電路采樣電流并產(chǎn)生一個(gè)代表采樣電流的電壓信號(hào)VCS。在圖5所示實(shí)施例中,電流反饋電路采樣電感電流信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施例中,電流反饋電路可以采樣開(kāi)關(guān)電流等其他合適的電流信號(hào)。

在圖7所示實(shí)施例中,變頻控制模塊50包括PWM控制模塊31、PFM控制模塊32和邏輯電路33。PWM控制模塊31與圖4所示實(shí)施例中的PWM控制模塊31的結(jié)構(gòu)功能,這里不再累述。

在圖7所示實(shí)施例中,PFM控制模塊32不僅包括如圖4所示實(shí)施例中的跨導(dǎo)放大器43和時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器44,還包括比較器71、降噪開(kāi)關(guān)72和電流鏡73。比較器71具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其中第一輸入端接收誤差信號(hào)EA,第二輸入端接收輕載鉗位信號(hào)VTH_L,比較器71將誤差信號(hào)EA與輕載鉗位信號(hào)VTH_L比較,并在輸出端輸出一個(gè)鉗位控制信號(hào)CL。降噪開(kāi)關(guān)72一端連接電流鏡73,另一端耦接誤差放大器41的輸出端,降噪開(kāi)關(guān)72的控制端接收鉗位控制信號(hào)CL。電流鏡73提供輕載鉗位電流。當(dāng)誤差信號(hào)EA降低到輕載鉗位信號(hào)VTH_L時(shí),鉗位控制信號(hào)CL導(dǎo)通降噪開(kāi)關(guān)72,輕載鉗位電流送至誤差放大器41的輸出端,鉗位誤差放大器41。與此同時(shí),鉗位電流同時(shí)可作為降噪閾值電流iTH0。

與圖5所示降噪開(kāi)關(guān)變換器500不同地是,在圖7所示實(shí)施例中,計(jì)時(shí)器40不再需要。當(dāng)誤差信號(hào)EA降低到輕載鉗位信號(hào)VTH_L時(shí),誤差電流信號(hào)iCLK控制時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器44產(chǎn)生的第二控制信號(hào)C2等同于降噪開(kāi)關(guān)變換器500中計(jì)時(shí)器40產(chǎn)生的降噪時(shí)鐘信號(hào)CLK_L,此時(shí),第二控制信號(hào)C2的頻率為恒定的閾值頻率fTH。通過(guò)設(shè)置輕載鉗位電流來(lái)設(shè)置閾值頻率fTH,使其值不小于20K赫茲,以此避免產(chǎn)生人耳能聽(tīng)到的噪音。在一個(gè)實(shí)施例中,閾值頻率fTH為25K赫茲。

在圖7所示實(shí)施例中,過(guò)零檢測(cè)電路30包括變頻控制模塊50中的誤差放大器41、比較器71、降噪開(kāi)關(guān)72和電流鏡73。誤差放大器41、比較器71、降噪開(kāi)關(guān)72和電流鏡73通過(guò)接受反饋電壓信號(hào)VFB產(chǎn)生降噪閾值電流iTH0。過(guò)零檢測(cè)電路30還包括比較器74和電阻器75。比較器74具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端,其第一輸入端接收降噪閾值電壓VTH0,其第二輸入端耦接開(kāi)關(guān)電路10中的節(jié)點(diǎn)SW,接收節(jié)點(diǎn)電壓VSW。比較器74將節(jié)點(diǎn)電壓VSW與降噪閾值電壓VTH0比較,產(chǎn)生過(guò)零信號(hào)ZCD。過(guò)零信號(hào)ZCD為一個(gè)具有高低電平的邏輯信號(hào)。當(dāng)電感電流iL反向增大后,節(jié)點(diǎn)電壓VSW隨著電感電流iL增大而增大,當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓VSW的值增大到降噪閾值電壓VTH0時(shí),過(guò)零信號(hào)ZCD由邏輯高變成邏輯低,低側(cè)開(kāi)關(guān)102關(guān)斷。如圖8所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施的一種開(kāi)關(guān)變換器的降噪控制方法800。控制方法800可用于前圖1-7所示實(shí)施例中的降噪變換器。

如圖1-7所述,當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率高于閾值頻率fTH時(shí),降噪開(kāi)關(guān)變換器工作在變頻模式,通過(guò)調(diào)節(jié)高側(cè)控制信號(hào)和低側(cè)控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率低于閾值頻率時(shí),降噪開(kāi)關(guān)變換器工作在恒頻模式,通過(guò)降噪時(shí)鐘信號(hào)將高側(cè)控制信號(hào)和低側(cè)控制信號(hào)的頻率固定為閾值頻率。

在一個(gè)實(shí)施例中,當(dāng)降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率大于閾值頻率時(shí),降噪開(kāi)關(guān)變換器可以工作在變頻和恒頻兩種模式。當(dāng)負(fù)載為正常帶載,高側(cè)控制信號(hào)和低側(cè)控制信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率恒定,變頻控制模塊通過(guò)調(diào)節(jié)高側(cè)控制信號(hào)和低側(cè)控制信號(hào)的占空比進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)負(fù)載為輕載或空載時(shí),變頻控制模塊通過(guò)調(diào)節(jié)高側(cè)控制信號(hào)和低側(cè)控制信號(hào)的頻率進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓。

該降噪控制方法800包括步驟801-806。

步驟801,判定開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率是否降低到閾值頻率fTH。如果開(kāi)關(guān)頻率等于閾值頻率fTH,轉(zhuǎn)至步驟802,否者繼續(xù)判定開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率是否降低到閾值頻率fTH。

步驟802,將降噪開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)頻率固定在閾值頻率fTH。

步驟803,檢測(cè)流過(guò)開(kāi)關(guān)變換器中輸出電感的電感電流,并提供一個(gè)代表電感電流的電壓信號(hào)。

步驟804,根據(jù)反饋信號(hào)產(chǎn)生降噪閾值電流。在一個(gè)實(shí)施例中,反饋信號(hào)包括一個(gè)反饋電壓信號(hào)VFB。與傳統(tǒng)的過(guò)零閾值電流不同,這里的降噪閾值電流iTH0不代表電感電流iL過(guò)零關(guān)斷值,而是電感電流iL過(guò)零后反向增大后到達(dá)的一個(gè)值。降噪閾值電流iTH0是一個(gè)變化的值,隨著輸出電壓VOUT的變化而變化,用于決定輸出電容(如輸出電容104)通過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)(如低側(cè)開(kāi)關(guān)102)放電的時(shí)間,等同于給降噪開(kāi)關(guān)變換器額外增加了一個(gè)負(fù)載。降噪閾值電流iTH0的值越大,輸出電容通過(guò)低側(cè)開(kāi)關(guān)放電的時(shí)間越長(zhǎng),即額外增加的負(fù)載越大。

步驟805,判斷電感電流是否等于降噪閾值電流,當(dāng)電感電流降低到降噪閾值電流時(shí),轉(zhuǎn)至步驟806。在一個(gè)實(shí)施例中,步驟806包括將代表電感電流的電壓信號(hào)與代表降噪閾值電流的降噪閾值電壓比較,判斷電感電流的電壓信號(hào)是否等于代表降噪閾值電流的降噪閾值電壓。

步驟806,關(guān)斷低側(cè)開(kāi)關(guān)(如低側(cè)開(kāi)關(guān)102)。

需要說(shuō)明的是,步驟805被示意在步驟804之后,步驟804被示意在步驟803之后,步驟803被示意在步驟802之后,實(shí)際上,步驟802、803、804和805可以同時(shí)進(jìn)行。

雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施例描述了本發(fā)明,但應(yīng)當(dāng)理解,所用的術(shù)語(yǔ)是說(shuō)明和示例性、而非限制性的術(shù)語(yǔ)。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì),所以應(yīng)當(dāng)理解,上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié),而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋,因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。

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