阅读说明：本技术 降压型迟滞式开关变换器及其控制方法 (Step-down hysteresis type switch converter and control method thereof ) 是由 陈钢 翁建城 魏荣臣 于 2019-12-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种降压型迟滞式开关变换器及其控制方法,其中,所述开关变换器包括：开关控制模块,用于控制上、下开关管的导通与关断；开关控制模块具备低功耗模式；开关变换器的还包括：低功耗控制逻辑模块,与开关控制模块连接,低功耗控制逻辑模块用于检测开关控制模块的工作状态,并基于工作状态输出与工作状态对应的控制信号,以控制开关控制模块的工作功耗模式；当低功耗控制逻辑模块检测到工作状态满足低功耗条件后,低功耗控制逻辑模块向开关控制模块输出低功耗控制逻辑,以使开关控制模块工作在低功耗模式。减小电路结构的复杂度的同时实现降低降压型迟滞式开关变换器的功耗,提高转换效率。(The invention discloses a buck hysteresis type switch converter and a control method thereof, wherein the switch converter comprises: the switch control module is used for controlling the on and off of the upper and lower switch tubes; the switch control module has a low power consumption mode; the switching converter further comprises: the low-power-consumption control logic module is connected with the switch control module and is used for detecting the working state of the switch control module and outputting a control signal corresponding to the working state based on the working state so as to control the working power consumption mode of the switch control module; when the low-power-consumption control logic module detects that the working state meets the low-power-consumption condition, the low-power-consumption control logic module outputs low-power-consumption control logic to the switch control module so that the switch control module works in a low-power-consumption mode. The complexity of the circuit structure is reduced, the power consumption of the buck hysteresis type switch converter is reduced, and the conversion efficiency is improved.)

降压型迟滞式开关变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及开关电子电路技术领域，具体涉及一种降压型迟滞式开关变换器及其控制方法。

背景技术

近几年，随着目前无线真蓝牙耳机等快速普及，由于其本身的电池容量较小，其在使用过程中存在的续航时间短的问题被无限的放大，怎样提高电池的续航时间、减小芯片本身能量损耗、提高电源使用效率是目前许多市场最迫切解决的问题。目前存在的降压型开关变换器主要有三种：电压模式、电流模式、迟滞模式。

对于常规的电流模式和电压模式开关变换器，两者在正常工作时都需要进行较为复杂的环路补偿，这不仅会增加变换器的设计难度，而且会增加变换器最低工作电流，而且由于其环路的增益带宽较小，瞬态响应表现一般，相对于迟滞式开关变换器要慢一些。

在无线蓝牙领域，由于其应用环境所需要的负载其实较小，绝大部分时间芯片的开关电源变换器都是工作在PFM(脉冲频率调制)模式下，传统的在大电流领域具有高效率的设计方法在本领域实用性不是很强。另外由于蓝牙真无线在很大一部分时间都是处在待机状态或者周期性唤醒状态，尤其是在周期性唤醒状态下，整个系统工作电流较低，目前市面上绝大部分电源产品在这个环境下效率较低。所以设计一种具有极低的自身电流消耗、简单的控制环路的降压型开关变换器具有十分重要的意义。

迟滞式开关变换器由于其环路控制结构简单，瞬态响应在三种模式里面属于最优。由于其简单的结构组成，在系统负载较小的情况下，可以实现最少的模块在工作，从而尽可能地提高工作效率。较快的瞬态响应使其在具有较大的瞬态负载跳变的应用环境中具有很大的优势，尤其是在微控制器、FPGA芯片、CPU芯片等供电系统架构选取中具有先天的优势。

目前降压型迟滞式开关变换器技术主要分为如下几种：

1.传统的降压型迟滞式开关变换器环路结构如图1所示，环路根据VOUT’电压和由VREF’+以及VREF’-组成的迟滞窗口进行比较，得到的PWM信号对环路的上、下开关管(PSW’、NSW’)进行切换。在实际应用过程中，由于典型迟滞模式控制是直接通过控制输出电压纹波来保证系统正常工作，因此往往需要用到等效串联电阻(ESR)相对较大的电解电容或者在输出电容支路串联一个外部电阻(RC)来产生纹波。这不仅会增加设计成本，也会造成一定的功耗而降低转换效率。

2.由于传统的降压型迟滞式开关变换器存在各种的问题，在设计中往往会通过设计一个负反馈控制环路(FB’)对系统进行补偿，如图2所示，这种设计方法在PWM连续模式下具有较好的效果，但是在一定的基础上增加了设计难度，增加了最低工作电流。

3.为了更好地提升环路性能，在第二种结构的基础上，利用锁相环(PLL)调制技术，更好的提升了环路的特性。

4.利用ADC和数字控制的方式，对第三种方式的系统工作状态进行数字控制，从而更好的提升芯片的性能。

5.利用恒定导通时间(Constant On Time，COT)控制技术。

上述几种方案中，都是以提升大负载状态下的效率为目的，环路设计较为复杂，无法满足无线真蓝牙耳机等应用环境。另外，恒定导通时间控制技术由于自身环路的缺陷，需要增加斜坡脉冲调制结构对系统进行补偿，设计起来存在一定的复杂度。

现有技术中，为了降低降压型迟滞式开关变换器的功耗，在开关控制模块中配置了零电流开关模块，当检测到开关变换器输出电流小于偏置信号后(可以认为是电流过零)，零电流开关模块输出控制信号来关断下开关管，由此来实现降低功耗的目的。为实现开关变换器输出电流的过零检测，通常要求零电流开关模块一直处于活跃的检测状态，这也会增加开关变换器的功耗。

因此，如何提供相对简单的电路结构来实现降低降压型迟滞式开关变换器的功耗，提高转换效率成为亟待解决的技术问题。

发明内容

基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种降压型迟滞式开关变换器及其控制方法，以减小电路结构的复杂度的同时实现降低降压型迟滞式开关变换器的功耗，提高转换效率。

为实现上述目的，根据第一方面，本发明实施例公开了一种降压型迟滞式开关变换器，包括：上、下开关管，用于接收输入电压并通过开关的导通与关断将输入电压转换为输出电压提供给负载；及开关控制模块，用于控制上、下开关管的导通与关断；开关控制模块具备低功耗模式；开关变换器的还包括：低功耗控制逻辑模块，与开关控制模块连接，低功耗控制逻辑模块用于检测开关控制模块的工作状态，并基于工作状态输出与工作状态对应的控制信号，以控制开关控制模块的工作功耗模式；当低功耗控制逻辑模块检测到工作状态满足低功耗条件后，低功耗控制逻辑模块向开关控制模块输出低功耗控制逻辑，以使开关控制模块工作在低功耗模式。

可选地，开关控制模块包括：比较电路，其由比较器和开关控制逻辑电路形成；比较电路根据参考信号和斜坡信号生成开关控制信号，以控制上、下开关管的导通与关断，其中，斜坡信号基于开关变换器的反馈信号生成；低功耗控制逻辑模块检测到开关控制模块关断上开关管后，向比较器输出表示低功耗模式的第一控制信号，以使比较器处于低功耗模式。

可选地，比较器包括：输入控制网络，用于接收第一参考信号和第二参考信号，第一参考信号的幅值大于第二参考信号的幅值；全差分放大器，与输入控制网络连接，全差分放大器用于接收斜坡信号；输出逻辑，与全差分放大器连接，用于输出斜坡信号与第一参考信号、第二参考信号的比较结果，以使开关控制逻辑电路基于比较结果控制上、下开关管的导通与关断；及偏置单元，与全差分放大器连接，偏置单元响应于表示低功耗的第一控制信号向全差分放大器提供相对于非低功耗模式下更小的偏置电流，以使比较器处于低功耗模式。

可选地，偏置单元包括：第一偏置开关，其控制极用于接收第一控制信号，第一偏置开关的第二极用于通过限流电阻连接至电源；至少一个第一晶体管，其第一极连接至第一偏置开关的第一极，第二极用于接地；至少一个第二晶体管，其第一极连接至第一偏置开关的第二极，第二极用于接地；至少一个第三晶体管，其第一极连接至全差分放大器，第二极用于接地；第一晶体管的控制极、第二晶体管的控制极和第三晶体管的控制极通过限流电阻连接至电源；第一偏置开关响应于表示低功耗模式的第一控制信号闭合，导通第一偏置开关的第一极和第二极，以使第三晶体管向全差分放大器提供更小的偏置电流。

可选地，第一偏置开关响应于表示快速响应模式的第一控制信号断开第一偏置开关的第一极和第二极，以使第三晶体管向全差分放大器提供更大的偏置电流，使比较器处于快速翻转的工作模式。

可选地，第一控制信号为高电平时，表示快速响应模式；第一控制信号为低电平时，表示低功耗模式。

可选地，第一晶体管的数量是第二晶体管的N倍，其中，N为大于等于2的整数。

可选地，偏置单元包括：偏置电阻，其一端通过限流电阻连接至电源或地；第二偏置开关，其控制极用于接收第一控制信号，第二偏置开关的第一极和第二极分别连接至偏置电阻的一端和另一端；第二偏置开关响应于表示低功耗模式的第一控制信号断开，以使偏置电阻和限流电阻向全差分放大器提供更小的偏置电流；第二偏置开关响应于表示快速响应模式的第一控制信号闭合，以使限流电阻向全差分放大器提供更大的偏置电流，使比较器处于快速翻转的工作模式。

可选地，偏置电阻的阻值是限流电阻的N倍，其中，N为大于等于2的整数。

可选地，开关控制模块包括：零电流开关模块，连接至开关变换器的输出端，零电流开关模块检测到开关变换器输出的电流低于预设值后输出过零信号，以断开下开关管；零电流开关模块还与低功耗控制逻辑模块连接；低功耗控制逻辑模块在零电流开关模块输出过零信号后，向零电流开关模块输出表示关闭零电流开关模块的第二控制信号，以关闭零电流开关模块。

可选地，低功耗控制逻辑模块还包括：计数器，用于对零电流开关模块输出的过零信号进行计数；当过零信号达到计数器的计数容量后，低功耗控制逻辑模块每接收到一个过零信号后，向零电流开关模块输出表示关闭零电流开关模块的第二控制信号。

可选地，在下开关管导通之前的周期未检测到过零信号后，计数器清零。

可选地，还包括：计时器，与低功耗控制逻辑模块连接，其中，计时器由开关变换器与开关变换器的外围电路共用；在预设时长内，统计上开关管或下开关管被触发的次数小于预设次数后，低功耗控制逻辑模块向零电流开关模块输出表示关闭零电流开关模块的第二控制信号，以关闭零电流开关模块。

可选地，低功耗控制逻辑模块在开关控制模块导通上开关管后，向零电流开关模块输出表示开启零电流开关模块的第二控制信号，以使零电流开关模块处于检测开关变换器输出电流的工作状态。

可选地，还包括：基准发生电路，用于生成第一参考信号和第二参考信号，第一参考信号的幅值大于第二参考信号的幅值；及数字控制逻辑模块，与基准发生电路连接；数字控制逻辑模块用于向基准发生电路输出幅值控制信号，以调整第一参考信号的幅值和/或第二参考信号的幅值。

根据第二方面，本发明实施例公开了一种集成电路芯片，包括：上述第一方面任意公开的开关变换器。

根据第三方面，本发明实施例公开了一种降压型迟滞式开关变换器控制方法，开关变换器包括：上、下开关管，用于接收输入电压并通过开关的导通与关断将输入电压转换为输出电压提供给负载；及开关控制模块，用于控制上、下开关管的导通与关断；低功耗控制逻辑模块，与开关控制模块连接；控制方法包括：步骤S11.开关控制模块控制上、下开关管的导通与关断状态，期间，低功耗控制逻辑模块基于检测到的开关控制模块的工作状态，输出与工作状态对应的控制信号，以控制开关控制模块的工作功耗模式；及步骤S12.当低功耗控制逻辑模块检测到工作状态满足低功耗条件后，低功耗控制逻辑模块向开关控制模块输出低功耗控制逻辑，以使开关控制模块工作在低功耗模式。

可选地，步骤S11包括：步骤S101.开关控制模块导通上开关管向开关变换器的负载端提供电源，期间，低功耗控制逻辑模块向开关控制模块的比较器提供表示快速响应模式的第一控制信号(HCOMP_CTL)，以使比较器工作在快速翻转的工作模式；及步骤S103.当开关变换器输出电压的幅值达到第一参考信号的幅值后，开关控制模块关断上开关管，导通下开关管；步骤S12包括：步骤S105.在关断上开关管后，低功耗控制逻辑模块向比较器输出表示低功耗模式的第一控制信号(HCOMP_CTL)，以使比较器处于低功耗模式，其中，在低功耗模式下，比较器的翻转速度小于快速翻转工作模式下的翻转速度。

可选地，步骤S101还包括：低功耗控制逻辑模块向开关控制模块的零电流开关模块输出表示开启零电流开关模块的第二控制信号，以使零电流开关模块处于检测开关变换器输出电流的工作状态；在步骤S103之后还包括：步骤S104.在下开关管导通期间，当零电流开关模块检测到输出过零信号后，低功耗控制逻辑模块向零电流开关模块输出表示关闭零电流开关模块的第二控制信号，以关闭零电流开关模块。

可选地，步骤S104包括：步骤S1041.统计在下开关管导通期间的同时检测到输出过零信号的次数；及步骤S1042.当次数达到预设次数后，低功耗控制逻辑模块向零电流开关模块输出表示关闭零电流开关模块的第二控制信号，以关闭零电流开关模块。

依据本发明实施例公开的一种降压型迟滞式开关变换器及其控制电路、控制方法，为开关变换器配置控制电路，控制电路包括低功耗控制逻辑模块，低功耗控制逻辑模块用于检测开关控制模块的工作状态；当开关控制模块满足低功耗条件后，低功耗控制逻辑模块向开关控制模块输出低功耗控制逻辑，以使开关控制模块工作在低功耗模块。相对于现有技术中，开关控制模块一直处于正常的工作模式下，本发明实施例公开的方案通过低功耗控制逻辑模块，即可实现开关控制模块的工作状态切换，即，在满足低功耗条件后便工作在低功耗模式，从而，采用相对简单的电路结构来实现降低降压型迟滞式开关变换器的功耗。

此外，对于比较器电路，当需要比较器快速翻转时，向比较器的全差分放大器提供更大的偏置电流，使得比较器处于快速翻转的工作模式，从而提高了开关变换器的转换效率。

作为可选的方案，偏置单元内配置不同数量的晶体管，通过这些晶体管的配合来实现不同模式下提供不同的偏置电流，一方面可以提高偏置电流提供的精度，另一方面，这些晶体管基本成对称结构，利于布图。

作为可选的方案，偏置单元通过第二偏置开关和偏置电阻来实现，电路结构精简，且能够满足两种状态下提供不同的偏置电流，从而，一方面可以降低功耗，另一方面，在开关变换器正常工作时，可以提高转换效率。

作为可选的方案，零电流开关模块还与低功耗控制逻辑模块连接，在零电流开关模块输出过零信号后，低功耗控制逻辑模块向零电流开关模块输出表示关闭零电流开关模块的第二控制信号，以关闭零电流开关模块，相对于现有技术中，零电流开关模块一直处于开启、检测状态，本申请的方案可以降低零电流开关模块的功耗。

作为可选的方案，通过计数器来对零电流开关模块输出的过零信号进行计数，当过零信号达到计数器的计数容量后，可以确定当前的负载比较稳定，在计数器满了以后，才触发关闭零电流开关模块的第二控制信号，可以在减小功耗的同时提高系统工作的稳定性。

作为可选的方案，低功耗控制逻辑模块通过计时器来统计上开关管或下开关管被触发的次数，而一般而言，常规的电路系统都配有处理器或时钟电路，因此，本申请的方案可以复用已有的电路资源来实现上开关管或下开关管被触发的次数统计，继而，无需额外的复杂电路结构即可实现减小功耗的同时提高系统工作的稳定性。

本发明的其他有益效果，将在

具体实施方式

中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

附图说明

以下将参照附图对本发明的优选实施方式进行描述。图中：

图1为现有技术的一种降压型迟滞式开关变换器电路结构示意图；

图2为现有技术的另一种降压型迟滞式开关变换器电路结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种降压型迟滞式开关变换器电路结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种降压型迟滞式开关变换器工作时序示意图；

图5为本发明实施例公开的一种比较器框架结构示意图；

图6为本发明实施例公开的一种偏置单元结构示意图；

图7a和图7b为本发明实施例公开的另一种偏置单元结构示意图，其中，

图7a为一种连接方式，图7b为另一种连接方式；

图8a为本发明实施例公开的一种降压型迟滞式开关变换器控制方法流程图；

图8b为本发明实施例公开的另一种降压型迟滞式开关变换器控制方法流程图；

图9为本发明实施例公开的一种关闭零电流开关模块的流程图。

具体实施方式

为了减小电路结构的复杂度的同时实现降低降压型迟滞式开关变换器的功耗，提高转换效率，本实施例公开了一种降压型迟滞式开关变换器控制电路，请参考图3，为本实施例公开的一种降压型迟滞式开关变换器电路结构示意图，该开关变换器包括：上、下开关管1、开关控制模块2和低功耗控制逻辑模块3，其中：

上、下开关管1用于接收输入电压VIN并通过开关的导通与关断将输入电压VIN转换为输出电压VOUT提供给负载(参见图3中的R0和C0示意)。在具体实施例中，输入电压(也就是电源电压)VIN可以通过滤波电容Cin进行滤波。上、下开关管1包括上开关管PSW和下开关管NSW，请参考图3，上、下开关管1通过电感L0连接到变换器的输出端，也就是，电感L0的一端连接上、下开关管1，电感L0的另一端为变换器的输出端；在具体实施过程中，电感L0的一端电压VSW在上开关管PSW导通的时候等于电源电压VIN，在下开关管NSW导通的时候等于地线电压，在上开关管PSW和下开关管NSW都不导通的时候电压VSW等于VOUT电压。

开关控制模块2用于控制上、下开关管1的导通与关断，本实施例中，开关控制模块2包括比较电路，其由比较器和开关控制逻辑形成；比较电路根据参考信号和斜坡信号生成开关控制信号，以控制上、下开关管1的导通与关断，其中，斜坡信号是有斜坡电路发生器5基于开关变换器的反馈信号生成，具体地，参见下文描述。在具体实施例中，开关控制模块2还包括零电流开关模块4，零电流开关模块4在检测到流过电感L0的电流过零后关断下开关管NSW。

上述开关变换器的大致工作流程为：在比较器输出的PWM信号下，开关控制逻辑导通上开关管PSW，此时，输入电压VIN通过导通的上开关管PSW经电感L0向输出端提供电源；当输出端输出的电压达到第一参考信号VREF+后，断开上开关管PSW并导通下开关管NSW，此时输出端的电压下降；当输出端输出的电压达到一定阈值后，便可以开启新的开关周期。在上述过程中，比较器一直处于快速翻转的工作模式，零电流开关模块一直处于检测状态，因此会导致整个开关控制模块2的功耗大。

请参考图3，本实施例公开的降压型迟滞式开关变换器中，开关控制模块2具备低功耗模式；低功耗控制逻辑模块3与开关控制模块2连接，低功耗控制逻辑模块3用于检测开关控制模块2的工作状态，并基于工作状态输出与工作状态对应的控制信号，以控制开关控制模块2的工作功耗模式；当低功耗控制逻辑模块3检测到开关控制模块2满足低功耗条件后，低功耗控制逻辑模块3向开关控制模块2输出低功耗控制逻辑，以使开关控制模块2工作在低功耗模式。在一种实施例中，低功耗控制逻辑模块3可以控制比较器工作在低功耗模式；在另一种实施例中，低功耗控制逻辑模块3也可以关断零电流开关4；当然，低功耗控制逻辑模块3还可以在控制比较器工作在低功耗模式的同时，关断零电流开关4。

本实施例中，通过低功耗控制逻辑模块3来检测开关控制模块2的工作状态，在满足低功耗条件后，低功耗控制逻辑模块3向开关控制模块2(例如比较器、零电流开关)输出低功耗控制逻辑，从而可以是开关控制模块2工作在低功耗模式，从而降低了开关变换器的功耗。

请参考图3和图4，其中，图4为本实施例公开的一种降压型迟滞式开关变换器工作时序图，在具体实施例中，开关控制模块2包括：比较电路，其由比较器和开关控制逻辑电路形成；比较电路根据参考信号(VREF+和VREF-)和斜坡信号Vramp生成开关控制信号，以控制上、下开关管(PSW、NSW)的导通与关断，其中，斜坡信号Vramp基于开关变换器的反馈信号(VSW和VOUT)生成。具体地，低功耗控制逻辑模块3检测到开关控制模块2关断上开关管PSW后，向比较器输出表示低功耗模式的第一控制信号HCOMP_CTL，以使比较器处于低功耗模式。请参考图4，开关控制模块2输出给上开关管PSW的控制信号PON为高电平时，低功耗控制逻辑模块3向比较器输出的第一控制信号HCOMP_CTL为高电平，使得比较器工作在快速翻转的工作模式下，从而提高比较器的工作效率；当开关控制模块2输出给上开关管PSW的控制信号PON由高电平变为低电平时，关断上开关管PSW，此时，低功耗控制逻辑模块3向比较器输出的第一控制信号HCOMP_CTL由高电平变换为低电平，从而使比较器工作在低功耗模式。本实施例中，比较器的低功耗模式是指比较器在该模式下，比较器的翻转速度低于正常工作模式的翻转速度，从而使得比较器的功耗降低，由此达到降低功耗的目的。

在具体实施例中，请参考图5，为本实施例公开的一种比较器框架结构示意图，该比较器包括：输入控制网络、全差分放大器、输出逻辑和偏置单元，其中：

输入控制网络用于接收第一参考信号VREF+和第二参考信号VREF-，第一参考信号VREF+的幅值大于第二参考信号VREF-的幅值；全差分放大器与输入控制网络连接，全差分放大器用于接收斜坡信号VRAMP；输出逻辑与全差分放大器连接，用于输出斜坡信号VRAMP与第一参考信号VREF+、第二参考信号VREF-的比较结果HCOMP，以使开关控制逻辑电路基于比较结果HCOMP控制上、下开关管的导通与关断；偏置单元与全差分放大器连接，偏置单元响应于表示低功耗的第一控制信号HCOMP_CTL向全差分放大器提供相对于非低功耗模式下更小的偏置电流，以使比较器处于低功耗模式。

上述各个模块中，输入控制网络、全差分放大器和输出逻辑可以采用现有的常规比较器模块来实现。本实施例中，偏置单元向全差分放大器提供了两种偏置电流，也就是，当上开关管PSW导通需要比较器快速工作(也就是非低功耗模式)时，偏置单元向全差分放大器提供了更大的偏置电流，以使比较器处于快速翻转的工作状态，提高工作效率；当上开关管PSW关闭后，偏置单元向全差分放大器提供了更小的偏置电流，以使比较器处于低功耗模式，从而减小比较器的功耗。

需要说明的是，在具体实施过程中，偏置单元向全差分放大器提供了更小的偏置电流，并不意味着比较器不再进行“比较”工作，而是，处于相对“较缓”的工作模式下。具体地，比较器的翻转速度与偏置电流的大小有关，本领域技术人员根据上述记载，能够基于实际需要来确定两种模式下的偏置电流大小。

本实施例中，对于比较器电路，在满足低功耗条件后便工作在低功耗模式，减小功耗；当需要比较器快速翻转时，向比较器的全差分放大器提供更大的偏置电流，使得比较器处于快速翻转的工作模式，从而提高了开关变换器的转换效率。

在一种实施例中，请参考图6，为本实施例公开的一种偏置单元结构示意图，该偏置单元包括：第一偏置开关S1、至少一个第一晶体管MN0、至少一个第二晶体管MN1和至少一个第三晶体管MN2，其中，

第一偏置开关S1的控制极(例如栅极)用于接收第一控制信号HCOMP_CTL，第一偏置开关S1的第二极(例如漏极)用于通过限流电阻Rs连接至电源VCC；至少一个第一晶体管MN0的第一极(例如源极)连接至第一偏置开关S1的第一极(例如源极)，第二极(例如漏极)用于接地VSS；至少一个第二晶体管MN1的第一极(例如源极)连接至第一偏置开关S1的第二极(例如漏极)，第二极(例如漏极)用于接地VSS；至少一个第三晶体管MN2的第一极(例如源极)连接至全差分放大器，第二极(例如漏极)用于接地VSS；第一晶体管MN0的控制极(例如栅极)、第二晶体管MN1的控制极(例如栅极)和第三晶体管MN2的控制极(例如栅极)通过限流电阻Rs连接至电源VCC。

本实施例中，第一偏置开关S1响应于表示低功耗模式的第一控制信号HCOMP_CTL闭合，导通第一偏置开关S1的第一极和第二极，以使第三晶体管MN2向全差分放大器提供更小的偏置电流；第一偏置开关S1响应于表示快速响应模式的第一控制信号HCOMP_CTL断开第一偏置开关S1的第一极和第二极，以使第三晶体管MN2向全差分放大器提供更大的偏置电流，使比较器处于快速翻转的工作模式。在具体实施例中，第一控制信号HCOMP_CTL为高电平时，表示快速响应模式；第一控制信号HCOMP_CTL为低电平时，表示低功耗模式。

本实施例中，第一晶体管MN0的数量是第二晶体管MN1的N倍，其中，N为大于等于2的整数。

需要说明的是，第一晶体管MN0中各个晶体管为同类型的晶体管，且连接方式是一致的，也就是，第一晶体管MN0中的各个晶体管，第一极并接，第二极并接，控制极并接；对于第二晶体管MN1、第三晶体管MN2，也分别采用相同类型的晶体管并接，在此不再赘述。

本实施例中，偏置单元内配置不同数量的晶体管，通过这些晶体管的配合来实现不同模式下提供不同的偏置电流，一方面可以提高偏置电流提供的精度，另一方面，这些晶体管基本成对称结构，利于布图。

需要说明的是，控制第一偏置开关S1闭合断开的电平高低与第一偏置开关S1的晶体管类型有关，在其它实施例中，第一控制信号HCOMP_CTL的高低电平关系可以置换。

为便于本领域技术人员理解，对比较器的控制过程进行示例性的描述，请参考图4和图6：

在第一控制信号HCOMP_CTL为高电平时，第一偏置开关S1处于断开状态，此时，比较器的偏置电流IBN是一个较大的值，模块整体电流消耗较大，响应迅速；在上开关管PSW关闭(图4中PON为低电平)之后，第一控制信号HCOMP_CTL为低电平，闭合第一偏置开关S1，比较器消耗较低电流，一直等待下一次上开关管PSW开启。

在第一控制信号HCOMP_CTL为高电平时，输入的电流偏置大小为：

其中，I_b为输入的电流偏置，VCC为电源，V_th为第一偏置开关S1的阈值电压，Rs为限流电阻的阻值；反应到全差分放大器的偏置电流IBN大小为：

其中，I_{comp_bias}为反应到全差分放大器的偏置电流IBN，c为第三晶体管MN2的数量，b为第二晶体管MN1的数量；

在第一控制信号HCOMP_CTL为低电平时，反应到全差分放大器的偏置电流IBN大小为：

其中，a为第一晶体管MN0的数量，对比公式(1)和公式(2)可知，如果在整个周期内，上开关管PON开启的时间占比很小，就可以达到低功耗的效果。

在HCOMP_CTRL＝0和HCOMP_CTRL＝1状态下，比较器消耗的电流比例关系为：

如果a为b的9倍，那么就能够实现在HCOMP_CTRL＝0情况下，电流降低到正常的0.1倍，达到了省电的效果。

在另一种实施例中，请参考图7a和图7b，为本实施例公开的另一种偏置单元结构示意图，该偏置单元包括：偏置电阻R0、第二偏置开关S2和限流电阻Rs，其中：

偏置电阻R0一端通过限流电阻Rs连接至电源VCC或地VSS；第二偏置开关S2的控制极(例如栅极)用于接收第一控制信号HCOMP_CTL，第二偏置开关S2的第一极(例如源极)和第二极(例如漏极)分别连接至偏置电阻R0的一端和另一端；第二偏置开关S2响应于表示低功耗模式的第一控制信号HCOMP_CTL断开，以使偏置电阻R0和限流电阻Rs向全差分放大器提供更小的偏置电流；第二偏置开关S2响应于表示快速响应模式的第一控制信号HCOMP_CTL闭合，以使限流电阻Rs向全差分放大器提供更大的偏置电流，使比较器处于快速翻转的工作模式。

在具体实施例中，偏置电阻R0的阻值是限流电阻Rs的N倍，其中，N为大于等于2的整数。

本实施例中，偏置单元通过第二偏置开关和偏置电阻来实现，电路结构精简，且能够满足两种状态下提供不同的偏置电流，从而，一方面可以降低功耗，另一方面，在开关变换器正常工作时，可以提高转换效率。

为便于本领域技术人员理解，请参考图4、图7a和7b，在HCOMP_CTRL为高电平时，第二偏置开关S2处于闭合状态，此时，比较器的电流偏置是一个较大的值，模块整体电流消耗较大，响应迅速；在上开关管PSW关闭(PON为低电平)之后，HCOMP_CTRL为低电平，断开第二偏置开关S2，比较器消耗较低电流，一直等待下一次上开关管PSW开启。

在本实施例中，在HCOMP_CTRL为高电平时，由于第二偏置开关S2处于闭合状态，偏置电阻R0处于被短路状态，因此，反映到差分放大器的偏置电流IBN为：

其中，Vth为第二偏置开关S2的阈值；

在HCOMP_CTRL为低电平时，第二偏置开关S2处于断开状态，偏置电阻R0与限流电阻Rs串联，因此，反映到差分放大器的偏置电流IBN为：

对比公式(3)和(4)可知，如果在整个周期内，上管PON开启的时间占比很小，就可以达到低功耗的效果。如果R0为Rs的9倍，那么就能够实现在HCOMP_CTRL＝0情况下，电流降低到正常的0.1倍，达到了省电的效果。其中，电阻R0为可接入电阻，Rs为常接入电阻。

另外，在HCOMP_CTRL＝0和HCOMP_CTRL＝1状态下，比较器都是能够工作和翻转，只是翻转速度不同。图7a和7b为两种不同的实现方式。

为了实现开关变换器输出电流的过零检测，请参考图3，开关控制模块2还包括零电流开关模块4，零电流开关模块4连接至开关变换器的输出端，零电流开关模块4检测到开关变换器输出的电流低于预设值后输出过零信号ZCD，以断开下开关管NSW。

本实施例中，零电流开关模块4还与低功耗控制逻辑模块3连接；低功耗控制逻辑模块3在零电流开关模块4输出过零信号ZCD后，向零电流开关模块4输出表示关闭零电流开关模块4的第二控制信号ZCD_CTL，以关闭零电流开关模块4。

低功耗控制逻辑模块3在开关控制模块2导通上开关管PSW后，向零电流开关模块4输出表示开启零电流开关模块4的第二控制信号ZCD_CTL，以使零电流开关模块4处于检测开关变换器输出电流的工作状态。

请参考图3和图4，当开关控制逻辑输出的信号PON从高电平变为低电平关断上开关管PSW后，开关控制逻辑输出的信号NON变为高电平，导通下开关管NSW，此时，开关变换器的输出电压VOUT持续下降，流过电感L0的电流IL也持续下降，因此，此时，低功耗控制逻辑模块3向零电流开关模块4输出的第二控制信号ZCD_CTL为高电平，从而使零电流开关模块4处于检测状态。当零电流开关模块4检测到流过电感L0的电流IL过零(也就是低于预设值)后，向开关控制逻辑输出脉冲信号，从而关断下开关管NSW，而此时，向零电流开关模块4输出的第二控制信号ZCD_CTL由高电平变为低电平，亦即关闭零电流开关模块4，直至下一个周期到来。

本实施例中，相对于零电流开关模块一直处于开启、检测状态，本申请的方案可以降低零电流开关模块的功耗。

为了每次检测到电流过零后都触发状态变换，在可选的实施例中，低功耗控制逻辑模块3还包括：计数器，计数器用于对零电流开关模块4输出的过零信号ZCD进行计数；当过零信号ZCD达到计数器的计数容量后，低功耗控制逻辑模块3每接收到一个过零信号ZCD后，向零电流开关模块4输出表示关闭零电流开关模块4的第二控制信号ZCD_CTL。

在可选的实施例中，在下开关管NSW导通之前的周期未检测到过零信号ZCD后，计数器清零。

本实施例中，通过计数器来对零电流开关模块输出的过零信号进行计数，当过零信号达到计数器的计数容量后，可以确定当前的负载比较稳定，在计数器满了以后，才触发关闭零电流开关模块的第二控制信号，可以在减小功耗的同时提高系统工作的稳定性。

为了复用已有的资源，在可选的实施例中，也可以通过计时器来实现，计时器与低功耗控制逻辑模块3连接；其中，计时器由开关变换器与开关变换器的外围电路共用，也就是，本实施例的计时器可以由外围电路的处理器或时钟电路来实现。本实施例中，在预设时长内，统计上开关管PSW或下开关管NSW被触发的次数小于预设次数后，低功耗控制逻辑模块3向零电流开关模块4输出表示关闭零电流开关模块4的第二控制信号ZCD_CTL，以关闭零电流开关模块4。

本实施例中，低功耗控制逻辑模块通过计时器来统计上开关管或下开关管被触发的次数，而一般而言，常规的电路系统都配有处理器或时钟电路，因此，本申请的方案可以复用已有的电路资源来实现上开关管或下开关管被触发的次数统计，继而，无需额外的复杂电路结构即可实现减小功耗的同时提高系统工作的稳定性。

请参考图3，本实施例公开的降压型迟滞式开关变换器还包括：基准发生电路6和数字控制逻辑模块7，其中：

基准发生电路6用于生成第一参考信号VREF+和第二参考信号VREF-，第一参考信号VREF+的幅值大于第二参考信号VREF-的幅值；数字控制逻辑模块7与基准发生电路6连接；数字控制逻辑模块7用于向基准发生电路输出幅值控制信号，以调整第一参考信号VREF+的幅值和/或第二参考信号VREF-的幅值。

本实施例中，可以通过斜坡电路发生器5、基准发生电路6和数字控制逻辑模块7来确定斜坡信号Vramp、第一参考信号VREF+和第二参考信号VREF-，具体地：

第一步，确定斜坡电路发生器上升沿和下降沿的斜坡系数。在本发明降压型迟滞式开关变换器结构中，当系统工作在连续模式下，上管的导通的时间大小与下管的导通的时间大小与占空比相关：

其中，Tnon为下开关管NSW的导通时间，Tpon为上开关管PSW的导通时间，Period是连续模式下开关变换器的工作周期；由于比较器窗口确定，那么其斜率分别和其导通时间成反比，那么在设计的过程中，需要根据该关系确定斜坡电路发生器的上升沿和下降沿斜率系数。

第二步，确定在断续模式下的Vramp电压波形。本实施例中，斜坡电路发生器5可以根据电感L0两端的电压VSW、VOUT来产生斜坡信号Vramp，请参考图4，在上开关管导通的时候VSW的电压等于电源电压，在下管导通的时候VSW的电压等于地线电压，在上管和下管都不导通的时候VSW的电压等于VOUT电压。

第三步，确定输出电压VOUT的纹波大小。在本发明中，由于输入电压如果存在较大的变化范围，输出范围也存在较大的变化范围，那么其Vramp的斜率也会存在较大的变化。由于比较器再触发过程中存在一定的时间延时，在设计过程中斜坡发生电路中会加入如图3的VREF相关的补偿，在一定的基础上可以保证恒定较小的纹波系数。其中，第一参考信号VREF+和第二参考信号VREF-分别为迟滞比较器的上下界限。另外，本实施例中，加入数字控制逻辑模块7可以对芯片的输出电压VOUT进行宽范围调整。

本实施例还公开了一种集成电路芯片，包括上述任意实施例公开的降压型迟滞式开关变换器。

本实施例还公开了一种降压型迟滞式开关变换器控制方法，请参考图8a，为本实施例公开的一种降压型迟滞式开关变换器控制方法流程图，该降压型迟滞式开关变换器控制方法包括：

步骤S11.开关控制模块2控制上、下开关管1的导通与关断状态。期间，低功耗控制逻辑模块3基于检测到的开关控制模块2的工作状态，输出与工作状态对应的控制信号，以控制开关控制模块2的工作功耗模式；及

步骤S12.低功耗控制逻辑模块3使开关控制模块2工作在低功耗模式。当低功耗控制逻辑模块3检测到工作状态满足低功耗条件后，低功耗控制逻辑模块3向开关控制模块2输出低功耗控制逻辑，以使开关控制模块2工作在低功耗模式。

具体地，请参考图8b，为本实施例公开的一种降压型迟滞式开关变换器具体控制方法流程图，在具体控制过程中，步骤S11包括步骤S101和步骤S103，步骤S12包括步骤S105，其中：

步骤S101.导通上开关管PSW，比较器工作在快速翻转的工作模式。开关控制模块2导通上开关管PSW向开关变换器的负载端提供电源，期间，低功耗控制逻辑模块3向开关控制模块2的比较器提供表示快速响应模式的第一控制信号HCOMP_CTL，以使比较器工作在快速翻转的工作模式。

在可选的实施例中，步骤S101还包括：低功耗控制逻辑模块3向开关控制模块2的零电流开关模块4输出表示开启零电流开关模块4的第二控制信号ZCD_CTL，以使零电流开关模块4处于检测开关变换器输出电流的工作状态。

步骤S103.关断上开关管PSW，导通下开关管NSW。当开关变换器输出电压的幅值达到第一参考信号VREF+的幅值后，开关控制模块2关断上开关管PSW，导通下开关管NSW。

步骤S105.低功耗控制逻辑模块使比较器处于低功耗模式。在关断上开关管PSW后，低功耗控制逻辑模块3向比较器输出表示低功耗模式的第一控制信号HCOMP_CTL，以使比较器处于低功耗模式，其中，在低功耗模式下，比较器的翻转速度小于快速翻转工作模式下的翻转速度。

在可选的实施例中，在步骤S103之后还包括：

步骤S104.关闭零电流开关模块4。在下开关NSW导通期间，当零电流开关模块4检测到输出过零信号ZCD后，低功耗控制逻辑模块3向零电流开关模块4输出表示关闭零电流开关模块4的第二控制信号ZCD_CTL，以关闭零电流开关模块4。

在可选的实施例中，请参考图9，为本实施例公开的一种关闭零电流开关模块的流程图，步骤S104包括：

步骤S1041.统计在下开关NSW导通期间的同时检测到输出过零信号ZCD的次数；

步骤S1042.当次数达到预设次数后，低功耗控制逻辑模块3向零电流开关模块4输出表示关闭零电流开关模块4的第二控制信号ZCD_CTL，以关闭零电流开关模块4。

依据本实施例公开的一种降压型迟滞式开关变换器及其控制电路、控制方法，为开关变换器配置控制电路，控制电路包括低功耗控制逻辑模块，低功耗控制逻辑模块用于检测开关控制模块的工作状态；当开关控制模块满足低功耗条件后，低功耗控制逻辑模块向开关控制模块输出低功耗控制逻辑，以使开关控制模块工作在低功耗模块。相对于现有技术中，开关控制模块一直处于正常的工作模式下，本发明实施例公开的方案通过低功耗控制逻辑模块，即可实现开关控制模块的工作状态切换，即，在满足低功耗条件后便工作在低功耗模式，从而，采用相对简单的电路结构来实现降低降压型迟滞式开关变换器的功耗。

本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。