一種Boost控制器及Boost變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種Boost控制器及Boost變換器，屬于電源【技術(shù)領(lǐng)域】。其中，Boost控制器包括第一脈沖信號發(fā)生單元、第一比較單元、選擇單元、軟啟動單元、第二脈沖信號發(fā)生單元、第二比較單元、觸發(fā)單元和緩沖單元，Boost控制器根據(jù)負載變化情況動態(tài)調(diào)整環(huán)路的調(diào)制類型，在脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制這兩種調(diào)制方式間自動切換；Boost變換器包括Boost控制器、第一晶體管、整流二極管、第一電容、分壓采樣電路以及完成低壓信號到高壓輸出信號的幅度放大的輸出驅(qū)動電路，采用本發(fā)明，在滿足環(huán)路輸出相應(yīng)速度要求的同時最大程度降低了變換器整體的功耗水平。
【專利說明】 —種Boost控制器及Boost變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電源【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種Boost控制器及Boost變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]Boost變換器作為基本的DC/DC變換器之一，能夠?qū)崿F(xiàn)從低電壓電源變換到高電壓電源，該變換器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、變換效率高等優(yōu)點，因而得到廣泛的應(yīng)用。Boost變換器由開關(guān)器件構(gòu)成的功率級和控制電路兩部分組成，控制電路一般需要在Boost變換器上增加負反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)以提高輸出精度和動態(tài)響應(yīng)性能。所以，控制方法的選擇和設(shè)計實現(xiàn)對開關(guān)電源的性能十分重要。
[0003]傳統(tǒng)的電壓控制型Boost變換器對輸出電壓進行采樣，并作為反饋信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1所示，Boost變換器的輸出電壓vout經(jīng)由電阻Rl和R2構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)后生成采樣信號vfb輸入到誤差放大器的反相端，其與參考電壓vref之間的差值經(jīng)誤差放大器放大后最終產(chǎn)生誤差信號ea，在變換器處于穩(wěn)態(tài)時，ea小信號分量與差值“vref-vfb”成正比。誤差信號ea和一個鋸齒波信號比較后產(chǎn)生與ea信號電平相關(guān)的脈沖寬度信號，即晶體管M的柵極驅(qū)動信號的寬度受誤差信號ea的電平調(diào)制。該反饋機制保證了變換器輸出電壓vout的穩(wěn)定。值得注意的是，鋸齒波信號ramp的頻率可以固定，也可以根據(jù)情況是變動的，那么就分別對應(yīng)著PWM或PFM兩種控制機制，甚至可以是同時支持在PWM和PFM間切換。
[0004]從圖1可知，Boost變換器的控制系統(tǒng)是一個負反饋控制系統(tǒng)，而負反饋電路要求反饋到輸入端的輸出信號變化量與原輸入信號同相。但由于開關(guān)延遲和電路中電抗性元件的存在，不可避免的引入了隨頻率變化的附加相移，當這一相移增大到180°且此時系統(tǒng)的增益大于I時負反饋就變成了正反饋，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定。此外，噪聲干擾下的各分量經(jīng)過輸出濾波器、誤差放大器和驅(qū)動產(chǎn)生等各環(huán)節(jié)后，增益和相位都會發(fā)生變化。所以，開關(guān)變換器穩(wěn)定工作的條件就是避免電路出現(xiàn)振蕩，即在附加相移為(2n+l) X 180°的情況下，滿足環(huán)路增益小于OdB。這一條件的滿足必須依賴精心設(shè)計的環(huán)路補償電路。如圖2所示，電抗元件Zl和Z2構(gòu)成補償環(huán)節(jié)。實際中補償網(wǎng)絡(luò)的確定是比較復(fù)雜的，一般分兩個步驟完成:1)推導(dǎo)出不含補償網(wǎng)絡(luò)情況下控制輸出到反饋輸入的傳遞函數(shù)并畫出Bode圖；2)確定補償網(wǎng)絡(luò)類型及其參數(shù)，最終，由實驗來驗證或者修正該參數(shù)。上述工作復(fù)雜繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種全新而簡潔的Boost控制器和Boost變換器，Boost控制器根據(jù)負載變化情況動態(tài)調(diào)整環(huán)路的調(diào)制類型，在脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制這兩種調(diào)制方式間自動切換，在滿足環(huán)路輸出相應(yīng)速度要求的同時最大程度降低了變換器整體的功耗水平。
[0006]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種Boost控制器，包括第一脈沖信號發(fā)生單元、第一比較單元、選擇單元、軟啟動單元、第二脈沖信號發(fā)生單元、第二比較單元、觸發(fā)單元和緩沖單元，其中第一脈沖信號發(fā)生單元根據(jù)自身內(nèi)部寄存器設(shè)置輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號和輕載下開關(guān)脈沖控制信號給選擇單元，以及輸出軟啟動開關(guān)脈沖控制信號至軟啟動單元；第一比較單元根據(jù)輸出電壓的采樣反饋信號和內(nèi)部參考電壓的比較結(jié)果控制選擇單元選擇性輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號和輕載下開關(guān)脈沖控制信號；選擇單元接收第一信號產(chǎn)生單元輸出的重載下開關(guān)脈沖控制信號和輕載下開關(guān)脈沖控制信號，然后根據(jù)第一比較單元輸出的控制信號類型對應(yīng)輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號或者輕載下開關(guān)脈沖控制信號給觸發(fā)單元；軟啟動單元根據(jù)第一信號產(chǎn)生單元輸出的軟啟動開關(guān)脈沖控制信號輸出軟啟動控制電壓信號給第二比較單元；第二脈沖信號發(fā)生單元產(chǎn)生預(yù)設(shè)斜率的鋸齒波信號，然后發(fā)送給第二比較單元；第二比較單元根據(jù)軟啟動控制電壓信號和鋸齒波信號的大小比較結(jié)果，輸出固定頻率的脈沖信號給觸發(fā)單元；觸發(fā)單元，其置位端接收選擇單元輸出的重載下開關(guān)脈沖控制信號或者輕載下開關(guān)脈沖控制信號給觸發(fā)單元，其復(fù)位端接收第二比較單元輸出的固定頻率的脈沖信號，輸出信號給緩沖單元；緩沖單元用于放大觸發(fā)單元輸出的信號然后輸出。
[0007]一實施例中，當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值大于內(nèi)部參考電壓的幅值時，第一比較單元發(fā)送輸出輕載下開關(guān)脈沖控制信號給選擇單元；當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值小于內(nèi)部參考電壓的幅值但是大于內(nèi)部參考電壓的幅值減去預(yù)設(shè)電壓閾值之差時，第一比較單元發(fā)送輸出輕載下開關(guān)脈沖控制信號給選擇單元；當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值小于內(nèi)部參考電壓的幅值減去預(yù)設(shè)電壓閾值之差時，第一比較單元發(fā)送輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號給選擇單元。
[0008]一實施例中，當鋸齒波信號的幅度低于軟啟動控制電壓信號時，第二比較單元輸出脈沖信號為低電平，觸發(fā)單元的復(fù)位端信號處于無效狀態(tài)；當鋸齒波信號的幅度高于軟啟動控制電壓信號時，第二比較單元輸出脈沖信號為高電平，觸發(fā)單元的復(fù)位端信號處于有效狀態(tài)，觸發(fā)單元的輸出信號置為低電平。
[0009]一實施例中，軟啟動單元根據(jù)軟啟動開關(guān)脈沖控制信號的頻率和占空比控制軟啟動控制電壓信號的上升斜率。
[0010]一實施例中，軟啟動單元還對軟啟動控制電壓信號的幅度最大值進行限制和鉗位。
[0011]一實施例中，重載下開關(guān)脈沖控制信號的占空比與頻率的比值大于輕載下開關(guān)脈沖控制信號的占空比與頻率的比值。
[0012]另一方面，本發(fā)明還公開了一種Boost變換器，包括電源、Boost控制器、第一晶體管、整流二極管、第一電容、分壓采樣電路以及完成低壓信號到高壓輸出信號的幅度放大的輸出驅(qū)動電路，其中，電源為Boost控制器提供電能電源，Boost控制器輸入端接收Boost變換器的輸出電壓的采樣反饋信號，輸出端與第一晶體管的基極連接，第一晶體管的集電極和發(fā)射極連接在電源正負極兩端，第一電容與第一晶體管并聯(lián)，整流二極管連接在第一電容與第一晶體管的集電極之間；分壓采樣電路包括之間串聯(lián)的第一電阻和第二電阻，第一電阻和第二電阻與第一電容并聯(lián)；輸出驅(qū)動電路與分壓米樣電路并聯(lián)，輸出驅(qū)動電路包括第二電容、第三電阻、第四電阻以及第二晶體管，第二電容的一端接低壓信號，另一端與第二晶體管的基極連接，第二晶體管的集電極與第三電阻串聯(lián)后連接在分壓采樣電路的一端，第二晶體管的發(fā)射極與分壓采樣電路的另一端連接，第四電阻連接在第二晶體管的基極和集電極之間。
[0013]—實施例中，Boost變換器的輸出端和第一晶體管的基極之間還連接有第五電阻和第三電容，第三電容與第五電阻并聯(lián)。
[0014]—實施例中，電源和第一晶體管集電極之間還連接有第一電感。
[0015]本發(fā)明實施例提出的Boost控制器及Boost變換器，具有以下優(yōu)點:(I)根據(jù)負載變化情況動態(tài)調(diào)整環(huán)路的調(diào)制類型，在脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制這兩種調(diào)制方式間自動切換，在滿足環(huán)路輸出相應(yīng)速度要求的同時最大程度降低了變換器整體的功耗水平；
(2)采用基于電壓控制型的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，但反饋較為松散，不需要引入環(huán)路補償，簡化設(shè)計的同時增強了電路的適應(yīng)能力；(3)設(shè)計了獨特的啟動電路機制，在兼顧啟動時間的前提下最大程度降低啟動電流水平，減小了供電電源的放電能力要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有的一種電壓控制型Boost變換器環(huán)路結(jié)構(gòu)電路圖；
[0017]圖2為現(xiàn)有的一種含有補償網(wǎng)絡(luò)的電壓控制型Boost變換器電路圖；
[0018]圖3為本發(fā)明實施例提供的一種Boost控制器內(nèi)部原理框圖；
[0019]圖4為本發(fā)明實施例提供的一種Boost變換器電路圖；
[0020]圖5為本發(fā)明實施例提供的一種軟啟動單元內(nèi)部原理圖。
【具體實施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0022]如圖3所示，圖3是本發(fā)明實施例公開的一種Boost控制器，包括第一脈沖信號發(fā)生單元、第一比較單元、選擇單元、軟啟動單元、第二脈沖信號發(fā)生單元、第二比較單元、觸發(fā)單元和緩沖單元。
[0023]其中，第一脈沖信號發(fā)生單元根據(jù)自身內(nèi)部寄存器設(shè)置輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號FswHighLoad和輕載下開關(guān)脈沖控制信號FswLightLoad給選擇單元，以及輸出軟啟動開關(guān)脈沖控制信號SoftStartCtrl至軟啟動單元。圖3中僅僅示出四個內(nèi)部寄存器register PO、register PUregister DO 和 register Dl,具體數(shù)量根據(jù)實際需求而定。重載下開關(guān)脈沖控制信號和輕載下開關(guān)脈沖控制信號給選擇單元，以及輸出軟啟動開關(guān)脈沖控制信號三個信號都是脈寬調(diào)制信號，差別只在于其頻率和占空比不同，應(yīng)用于Boost變換器不同工作環(huán)節(jié)以實現(xiàn)對調(diào)整環(huán)路的有效控制。一實施例中，重載下開關(guān)脈沖控制信號的占空比與頻率的比值大于輕載下開關(guān)脈沖控制信號的占空比與頻率的比值。
[0024]其中，第一比較單元根據(jù)輸出電壓的采樣反饋信號FB和內(nèi)部參考電壓Vref的比較結(jié)果控制選擇單元選擇性輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號和輕載下開關(guān)脈沖控制信號。具體地，當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值大于內(nèi)部參考電壓的幅值時，第一比較單元發(fā)送輸出輕載下開關(guān)脈沖控制信號給選擇單元。為了避免噪聲帶來的擾動，當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值小于內(nèi)部參考電壓的幅值但是大于內(nèi)部參考電壓的幅值減去預(yù)設(shè)電壓閾值之差時，第一比較單元發(fā)送輸出輕載下開關(guān)脈沖控制信號給選擇單元。當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值小于內(nèi)部參考電壓的幅值減去預(yù)設(shè)電壓閾值之差時，第一比較單元發(fā)送輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號給選擇單元。
[0025]其中，選擇單元接收第一信號產(chǎn)生單元輸出的重載下開關(guān)脈沖控制信號和輕載下開關(guān)脈沖控制信號，然后根據(jù)第一比較單元輸出的控制信號類型對應(yīng)輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號或者輕載下開關(guān)脈沖控制信號給觸發(fā)單元。
[0026]其中，軟啟動單元根據(jù)第一信號產(chǎn)生單元輸出的軟啟動開關(guān)脈沖控制信號輸出軟啟動控制電壓信號給第二比較單元。軟啟動單元的輸入信號為第一脈沖信號發(fā)生單元輸出的軟啟動開關(guān)脈沖控制信號，輸出一個單調(diào)增加的軟啟動控制電壓信號SoftStart。軟啟動單元根據(jù)軟啟動開關(guān)脈沖控制信號的頻率和占空比控制軟啟動控制電壓信號的上升斜率。軟啟動單元還對軟啟動控制電壓信號的幅度最大值進行限制和鉗位。
[0027]其中，第二脈沖信號發(fā)生單元產(chǎn)生預(yù)設(shè)斜率的鋸齒波信號，然后發(fā)送給第二比較單元。第二脈沖信號發(fā)生單元輸出鋸齒波振蕩信號ramp，由內(nèi)部一個固定大小的電流源對電容充電，所以其信號斜率固定，而充電時間則根據(jù)變換器工作狀態(tài)由第一脈沖信號發(fā)生單元輸出的重載下開關(guān)脈沖控制信號或輕載下開關(guān)脈沖控制信號控制。
[0028]其中，第二比較單元根據(jù)軟啟動控制電壓信號和鋸齒波信號的大小比較結(jié)果，輸出固定頻率的脈沖信號給觸發(fā)單元。具體而言，當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值大于內(nèi)部參考電壓時，選擇單元選擇輸出輕載下開關(guān)脈沖控制信號，此時Boost變換器工作在較高的開關(guān)頻率下，且驅(qū)動信號的占空比也較大。當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值下降小于內(nèi)部參考電壓時，第一脈沖信號發(fā)生單元的輸出仍為輕載下開關(guān)脈沖控制信號，直到輸出電壓的采樣反饋信號繼續(xù)下降到小于內(nèi)部參考電壓之下預(yù)設(shè)電壓閾值的水平時，選擇單元則選擇輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號。這一過程將一直持續(xù)下去以便維持Boost變換器輸出電壓信號的穩(wěn)定。
[0029]其中，觸發(fā)單元的置位端S接收選擇單元輸出的重載下開關(guān)脈沖控制信號或者輕載下開關(guān)脈沖控制信號給觸發(fā)單元，其復(fù)位端R接收第二比較單元輸出的固定頻率的脈沖信號，輸出信號給緩沖單元。緩沖單元用于放大觸發(fā)單元輸出的信號然后輸出。一實施例中，優(yōu)選地，觸發(fā)單元是一個典型的R-S觸發(fā)器，其置位端輸入信號為選擇單元的輸出信號，而復(fù)位端的輸入信號為第二比較單元的輸出。觸發(fā)單元的工作邏輯為:
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種Boost控制器，其特征在于，包括第一脈沖信號發(fā)生單元、第一比較單元、選擇單元、軟啟動單元、第二脈沖信號發(fā)生單元、第二比較單元、觸發(fā)單元和緩沖單元，其中: 所述第一脈沖信號發(fā)生單元，根據(jù)自身內(nèi)部寄存器設(shè)置輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號和輕載下開關(guān)脈沖控制信號給選擇單元，以及輸出軟啟動開關(guān)脈沖控制信號至所述軟啟動單元； 所述第一比較單元，根據(jù)輸出電壓的采樣反饋信號和內(nèi)部參考電壓的比較結(jié)果控制選擇單元選擇性輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號和輕載下開關(guān)脈沖控制信號； 所述選擇單元，接收所述第一信號產(chǎn)生單元輸出的重載下開關(guān)脈沖控制信號和輕載下開關(guān)脈沖控制信號，然后根據(jù)所述第一比較單元輸出的控制信號類型對應(yīng)輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號或者輕載下開關(guān)脈沖控制信號給所述觸發(fā)單元； 所述軟啟動單元，根據(jù)第一信號產(chǎn)生單元輸出的軟啟動開關(guān)脈沖控制信號輸出軟啟動控制電壓信號給所述第二比較單元； 所述第二脈沖信號發(fā)生單元，產(chǎn)生預(yù)設(shè)斜率的鋸齒波信號，然后發(fā)送給所述第二比較單元； 所述第二比較單元，根據(jù)所述軟啟動控制電壓信號和所述鋸齒波信號的大小比較結(jié)果，輸出固定頻率的脈沖信號給所述觸發(fā)單元； 所述觸發(fā)單元，其置位端接收選擇單元輸出的重載下開關(guān)脈沖控制信號或者輕載下開關(guān)脈沖控制信號給觸發(fā)單元，其復(fù)位端接收第二比較單元輸出的固定頻率的脈沖信號，輸出信號給所述緩沖單元； 所述緩沖單元，用于放大所述觸發(fā)單元輸出的信號然后輸出。.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Boost控制器，其特征在于，所述第一比較單元具體用于:當Boost變換器輸出電壓的米樣反饋信號的幅值大于內(nèi)部參考電壓的幅值時，發(fā)送輸出輕載下開關(guān)脈沖控制信號給所述選擇單元；當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值小于內(nèi)部參考電壓的幅值但是大于內(nèi)部參考電壓的幅值減去預(yù)設(shè)電壓閾值之差時，發(fā)送輸出輕載下開關(guān)脈沖控制信號給所述選擇單元；當輸出電壓的采樣反饋信號的幅值小于內(nèi)部參考電壓的幅值減去預(yù)設(shè)電壓閾值之差時，發(fā)送輸出重載下開關(guān)脈沖控制信號給所述選擇單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Boost控制器，其特征在于，所述第二比較單元具體用于:當所述鋸齒波信號的幅度低于所述軟啟動控制電壓信號時，輸出脈沖信號為低電平，使得所述觸發(fā)單元的復(fù)位端信號處于無效狀態(tài)；當所述鋸齒波信號的幅度高于所述軟啟動控制電壓信號時，輸出脈沖信號為高電平，使得所述觸發(fā)單元的復(fù)位端信號處于有效狀態(tài)，觸發(fā)單兀的輸出信號置為低電平。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Boost控制器，其特征在于，所述軟啟動單元根據(jù)軟啟動開關(guān)脈沖控制信號的頻率和占空比控制所述軟啟動控制電壓信號的上升斜率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的Boost控制器，其特征在于，所述軟啟動單元還對軟啟動控制電壓信號的幅度最大值進行限制和鉗位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的Boost控制器，其特征在于，所述重載下開關(guān)脈沖控制信號的占空比與頻率的比值大于所述輕載下開關(guān)脈沖控制信號的占空比與頻率的比值。
7.—種Boost變換器，其特征在于，包括電源、Boost控制器、第一晶體管、整流二極管、第一電容、分壓米樣電路以及完成低壓信號到高壓輸出信號的幅度放大的輸出驅(qū)動電路，其中: 所述電源為Boost控制器提供電能電源，Boost控制器輸入端接收Boost變換器的輸出電壓的采樣反饋信號，輸出端與所述第一晶體管的基極連接，所述第一晶體管的集電極和發(fā)射極連接在所述電源正負極兩端，所述第一電容與所述第一晶體管并聯(lián)，所述整流二極管連接在所述第一電容與所述第一晶體管的集電極之間；所述分壓采樣電路包括之間串聯(lián)的第一電阻和第二電阻，所述第一電阻和第二電阻與所述第一電容并聯(lián)；所述輸出驅(qū)動電路與所述分壓采樣電路并聯(lián)，所述輸出驅(qū)動電路包括第二電容、第三電阻、第四電阻以及第二晶體管，所述第二電容的一端接低壓信號，另一端與所述第二晶體管的基極連接，所述第二晶體管的集電極與所述第三電阻串聯(lián)后連接在所述分壓采樣電路的一端，所述第二晶體管的發(fā)射極與所述分壓采樣電路的另一端連接，所述第四電阻連接在所述第二晶體管的基極和集電極之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的Boost變換器，其特征在于，所述Boost變換器的輸出端和所述第一晶體管的基極之間還連接有第五電阻和第三電容，所述第三電容與所述第五電阻并聯(lián)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的Boost變換器，其特征在于，所述電源和所述第一晶體管集電極之間還連接有 第一電感。
【文檔編號】H02M1/08GK103441658SQ201310390364
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】陳松濤, 詹昶 申請人:深圳市匯頂科技股份有限公司