CN101795069A - 一种开关电源装置及开关电源的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种开关电源装置和开关电源的控制方法，涉及电子技术领域，为降低开关电源在轻负载或空载时的损耗，提升效率而发明。所述开关电源装置，包括：开关电源电路单元，与所述开关电源电路单元相连接的控制单元；所述控制单元用于检测所述开关电源电路单元的标志负载状态的负载量度值，在所述负载量度值小于预设阈值时，对所述开关电源电路单元进行非连续供电。本发明的实施例可应用于电子系统中。

Description

一种开关电源装置及开关电源的控制方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种开关电源装置及开关电源的控制方法。

背景技术

开关电源是利用现代-技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，由于拥有较高的效率和较高的功率密度，开关电源在现代电子系统中的使用越来越普及。

目前在电子系统中应用比较广泛的是固定开关频率开关电源，这种开关电源不论负载是什么状态(重负载或者轻负载)，均在恒定的开关频率下工作。固定开关频率开关电源具有外围电路简单，效率较高、可靠性好等优点，但是在固定的开关频率下，在重负载时，开关电源的效率较高，可以达到90％以上，而在轻负载或空载时，由于开关损耗等原因，开关电源的效率将大大降低，低于10％甚至更低。而且，对于很多开关电源的应用场合，负载是变化的，特别是对于有节电模式睡眠功能的系统，在系统睡眠后系统需要的功耗降到最低，例如嵌入式系统处理器，一般都是几百微安。如果这时固定开关频率开关电源仍然以睡眠前的模式工作就会导致损耗变大、效率将大幅降低。因此，如何降低固定频率开关电源轻负载或空载时的损耗，提升开关电源效率是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于，提供一种开关电源装置，能够降低开关电源装置在轻负载或空载时的损耗，提升效率。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种开关电源装置，包括：

开关电源电路单元，与所述开关电源电路单元相连接的控制单元；

所述控制单元用于检测所述开关电源电路单元的标志负载状态的负载量度值，在所述负载量度值小于预设阈值时，对所述开关电源电路单元进行非连续供电。

采用上述技术方案后，本发明实施例提供的开关电源装置，可以在轻负载或空载状态时，对所述开关电源电路单元进行非连续供电，进而降低了装置在轻负载或空载时的损耗，提升了效率。

本发明实施例的另一主要目的在于，提供一种开关电源的控制方法，能够降低开关电源在轻负载或空载时的损耗，提升效率。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种开关电源的控制方法，包括：

检测所述开关电源的标志负载状态的负载量度值；

在所述负载量度值小于预设阈值时，对所述开关电源的供电进行控制，实现非连续供电。

采用上述技术方案后，本发明实施例提供的开关电源的控制方法，可以根据负载的状态，在轻负载或空载状态时，对开关电源电路单元进行非连续供电，降低了开关电源在轻负载或空载时的损耗，提升了效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的开关电源装置的结构框图；

图2为本发明实施例一的结构框图；

图3为本发明实施例一的电路示意图；

图4为本发明实施例一的原理示意图；

图5为本发明实施例二的电路示意图；

图6为本发明实施例三的电路示意图；

图7为本发明实施例四的电路示意图；

图8为本发明实施例五的结构框图；

图9为本发明实施例五的电路示意图；

图10为本发明实施例提供的开关电源的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例旨在提供一种开关电源装置及一种开关电源的控制方法，能够降低开关电源在轻负载或空载时的损耗，提升效率。

本发明的实施例提供的开关电源装置，如图1所示，包括：开关电源电路单元1，与开关电源电路单元1相连接的控制单元2；控制单元2用于检测开关电源电路单元1的标志负载状态的负载量度值，在所述负载量度值小于预设阈值时，对开关电源电路单元1进行非连续供电。本发明实施例提供的开关电源装置，可以根据负载的状态，在轻负载或空载状态时，改变开关电源电路单元1的工作状态，降低开关电源电路单元1在轻负载或空载时的损耗，提升效率。

其中，所述负载量度值是标志负载大小的物理量，可以是输出功率、输入电流或输出电流等，当系统的负载发生变化时，负载量度值也随着负载的变化而变化，因此根据负载量度值可以判断负载的状态。可根据实际情况选择负载量度值，并设定对应的阈值，根据负载量度值与阈值的关系界定电子系统处于轻负载或者重负载状态。对于电子系统来讲，通常情况下工作状态为重负载状态，休眠状态为轻负载状态，如果将开关电源电路单元1的输入电流作为负载度量值时，重负载状态时，输入电流较高，而轻负载或空载时，输入电流减小，这时，就可根据实际情况设置一个输入电流的阈值，当输入电流减小并小于该阈值时，即处于轻负载状态，反之，处于重负载状态。

其中，开关电源电路单元1为能够实现开关电源功能的电路，例如目前业界内比较常用的包括开关电源芯片、电感和电容，通过开关电源芯片、电感和电容之间的连接，实现开关电源的功能的开关电源电路，当然还可为不包括开关电源芯片的、通过元器件之间的耦合连接实现开关电源功能的电路，这里不做限定。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例并结合附图对本发明的实施例进行详细描述。这里要注意的是，以下的具体实施例只是为了描述本发明，但不限于本发明。

实施例一

本实施例采用硬件电路控制的方式，在轻负载或空载的状态下，通过对开关电源电路单元1的输入电源的控制实现非连续供电。

如图2所示的结构框图，本实施例提供的开关电源装置，包括开关电源电路单元1，与开关电源电路单元1相连接的控制单元2；控制单元2包括开关21，检测电路22和控制电路23；其中，开关21包括第一端，第二端和控制端，开关21的第一端与开关电源电路单元1的输入电压相连接；检测电路22的一端与开关21的第二端相连，另一端与开关电源电路单元1的输入端或输出端相连，用于检测所述开关电源电路单元的负载量度值；控制电路23的输入端同检测电路22相连接，输出端和开关21的控制端相连接，用于在检测电路22检测到的负载量度值小于预设阈值时，控制开关21的通断，使开关电源电路单元1的输入电源非连续供给。本实施例通过检测电路22检测开关电源电路单元的负载量度值，在负载量度值小于预设阈值时，即轻负载或空载状态时，控制电路23能够控制开关的通断，使开关电源电路单元1的输入电压是间断供给的，这样，降低了开关电源电路单元1在轻负载或空载时的损耗，提升了效率。

本实施例中，如图3所示的电路示意图，开关电源电路单元1包括开关电源源芯片11、电感12和电容13，电感12的一端与开关电源芯片11的SW管脚连接，另一端与开关电源芯片11的FB管脚连接及电容13的一端连接，电容13的另一端接地；开关电源芯片11的输入端为开关电源电路单元1的输入端，电感12、开关电源芯片11的FB管脚和电容13的公共端为开关电源电路单元1的输出端，使用时连接负载3。其中，开关电源芯片为恒定开关频率同步开关电源芯片。当然，本发明的实施例还可采用其他能够实现开关电源功能的电路作为开关电源电路单元1，可根据实际情况选择。

进一步地，本实施例中，开关21为P型金属氧化物半导体场效应管(PMOS)，其中，PMOS的漏极D为开关21的第一端，源极S为开关21的第二端，栅极为G开关21的控制端。需要指出的是，开关21为实现根据控制端的信号而进行导通或截止功能的开关器件或电路，可根据实际情况设置。

进一步地，本实施例中，检测电路22为电流检测电阻；电流检测电阻22的一端与开关21的第二端S相连，另一端与开关电源电路单元1的输入端相连接，即本实施例中负载量度值为开关电源电路单元1的输入电流值。其中，电流检测电阻22的另一端还可与开关电源电路单元1的输出端相连，即检测的负载度量值为开关电源电路单元1的输出电流值。另外，检测电路22还可为其他具有检测开关电源电路单元1的负载度量值如输入电流或输出电流等的功能的元件或电路，这里不做限定。

进一步的，本实施例中，控制电路23包括放大器231，第一比较器232、第二比较器233和与门234；其中，放大器231的两个输入端电流检测电阻22即检测电路的两端相连接，输出端与第一比较器232的反相输入端相连接，第一比较器232的正相输入端连接预置电压输入端Vref；第一比较器232的输出端分别连接第二比较器233的反相输入端和与门234的一个输入端；第二比较器234的正相输入端连接预置锯齿电压输入端Vse，与门234的另一个输入端连接第二比较器233的输出端；与门234的输出端与开关21的控制端即PMOS管的控制端即栅极G相连接。

本实施例的开关电源装置使用时，各器件的输入输出关系详见图4所示的原理示意图，第一比较器232和第二比较器233的输出经过与门234控制着开关21的通断。根据与门的原理，与门的输入端均为高电平时，输出为高电平，而当与门的输入端不均为高电平时，输出为低电平。基于上述与门原理，如图4所示，当本实施例的开关电源装置处于重负载状态时，开关电源电路单元1的输入电流是恒定的或在一定的范围内，此时，电流检测电阻22检测到较大的输入电流，即电流检测电阻22两端的电压差较大，该电压差通过放大器231放大后送入第一比较器232，第一比较器232根据预先设置好的Vref与输入信号比较判断，由于放大器231的输出与第一比较器232的反相输入端相连，而第一比较器232的正相输入端与预置参考电压Vref相连，当开关电源装置位于重负载的状态时，放大器的输出端的电压将高于预置参考电压Vref，所以第一比较器232将一直输出低电平。此时，与门234的输出也将一直为低电平，开关21即PMOS管始终保持导通状态，即开关电源电路单元1全电压工作；当开关电源装置的负载3变为轻负载或空载时，作为负载量度值的输入电流变小，电流检测电阻22检测到较小的输入电流或检测不到输入电流，即电流检测电阻22两端的电压差较小或为0，该电压差通过放大器231将检测信号送入第一比较器232，第一比较器232根据预先设置好的Vref与输入信号比较判断，由于与第一比较器232的反相输入端连接的放大器231的输出端输出的电压小于第一比较器232的正相输入端的预置参考电压Vref，第一比较器232将一直输出高电平。此时，与门234的输出决定于第二比较器233的输出，第二比较器233接收第一比较器234的输出信号，根据预先设置好的锯齿电压Vse与第一比较器234的输出信号比较判断，输出高低电平交替的方波，这样，与门234也将输出高低电平交替的方波，控制开关21处于导通和断开的交替状态，使轻负载或空载状态时开关电源电路单元1的电源输入Vin是非连续输入的。其中，Vref和Vse根据开关电源装置所带的负载变化情况，开关电源电路单元1的输入电流及界定轻重负载的输入电流阈值等进行设置。

在电源输入Vin被关断时，开关电源电路单元1的输出Vout通过开关电源外围电感L、电容C的能量存储来满足该时间段内的电能供应，确保电压输出稳定。这样，本实施例的开关电源装置，在轻负载的状态下，通过控制开关电源电路单元输入电源的供给，降低了损耗，提升了效率。

实施例二

如图5所示，本实施例中，开关电源电路单元1，检测电路22和控制电路23均采用与实施例一相同的结构。与实施例一不同的是，本实施例中的开关21采用PNP型三极管，三极管的发射极E为开关21的第一端，三极管的集电极C为开关21的第二端，三极管的基极B为所述开关的控制端。PNP型三极管的逻辑开关特性与实施一中的PMOS管相同，当控制端为低电平时，开关21位于导通状态，当控制端为高电平时，开关21为关断状态。本实施例的工作原理详见实施例一，这里不再赘述。

实施例三

如图6所示，本实施例中，开关电源电路单元1，检测电路22均采用与实施例一相同的结构。与实施例一不同的是，本实施例中的开关21采用NMOS管，与开关21的控制端相连接的为与非门234而不是与门。

其中，NMOS的漏极D为开关21的第一端，源极S为开关21的第二端，栅极为G开关21的控制端。由于NMOS管的逻辑开关特性与实施例一中的PMOS管相反，当控制端G为高电平时，开关21位于导通状态，当控制端G为低电平时，开关21为关断状态，因此，与控制端G相连接的为与非门234而不是与门，根据与非门原理，当第一比较器232输出为低电平时，即重负载状态时，此时与非门234输出为高电平，即开关21位于导通状态；而当第一比较器232输出为高电平时，即轻负载状态时，与非门234的输出取决于第二比较器233的输出，即输出高低电平交替的方波，控制开关21处于导通和断开的交替状态，使轻负载或空载状态时开关电源电路单元1的电源输入Vin是非连续输入的。

实施例四

如图7所述，本实施例的开关电源电路单元1，检测电路22和控制电路23均采用与实施例三相同的结构。与实施例一不同的是，本实施例中的开关21采用NPN型三极管，三极管的发射极E为开关21的第一端，三极管的集电极C为开关21的第二端，三极管的基极B为所述开关的控制端。NPN型三极管的逻辑开关特性与实施三中的MOS管相同，当控制端为低电平时，开关21位于导通状态，当控制端为高电平时，开关21为关断状态。本实施例的工作原理同实施例三，这里不再赘述。

实施例五

本实施例采用软硬件结合的方式，在轻负载或空载状态下，通过控制开关电源电路单元1包括的开关电源芯片11的使能，实现对开关电源电路单元1的非连续供电，减少损耗，提升效率。

如图8所示的结构框图，本实施例提供的开关电源装置，包括开关电源电路单元1，与开关电源电路单元1相连接的控制单元2；其中，开关电源电路单元包括开关电源芯片11，控制单元2包括微控制器24；本实施例通过微控制器24控制开关电源芯片11的使能状态，来实现对开关电源电路单元1的非连续供电。这里要注意的是，通常来讲，根据芯片的性质，开关电源芯片11的使能端引脚EN位于高电平时，开关电源芯片11处于工作状态，当使能端引脚EN位于低电平时，整个芯片处于低功耗状态，即处于非工作的关断状态，即开关电源芯片11不使能相当于整个开关电路单元1没有供电；当然，开关电源芯片11也可以是在使能端EN为低电平的情况下工作，在高电平的情况下不工作，因具体的芯片而异。

本实施例中，所检测的标志负载状态的负载量度值为输出电流。

本实施中，如图9所示，开关电源电路单元1的结构与实施例一相同，由开关电源芯片11、电感12和电容13组成，具体参见实施例1。其中，开关电源装置的输入电源Vin直接连接开关电源芯片11的输入端Vin。

其中，微控制器24为CPU(中央处理器)，微控制器24分别与开关电源电路单元1的输出端Vout和开关电源芯片11的使能端EN相连接；微控制器24通过与输出端Vout相连接的引脚检测输出端Vout的输出电流的变化，通过与预设阈值的比较判断负载的状态并根据负载状态，通过与使能端相连接的引脚控制使能端EN的电平，使开关电源芯片11在重负载的状态下持续使能，在轻负载或空载的状态下间隔使能。在轻负载或空载的状态下，微控制器采用软件的方式，通过与使能端EN相连接的引脚输出高低电平交替的方波，即通过脉冲宽度调制方式，控制开关电源芯片11使能端EN的电平，使开关电源芯片11非连续地使能。

当开关电源芯片11不使能时，开关电源电路单元的输出Vout通过开关电源外围电感L、电容C的能量存储来满足该时间段内的电能供应，确保电压输出稳定。这样，就可以减少损耗，提升效率。

其中，微控制器24输出控制方波的频率和占空比可以根据开关电源电路单元的输入输出比、开关频率、输出电压源输出电流来计算得到的，并通过软件设置。具体计算方法可以根据开关电源工作原理完成，这里不再赘述。

本实施例的开关电源装置，适用于电脑、手机等有微控制器的场合，因为很多有微控制器的系统有节能睡眠模式，当系统睡眠后功耗降低到最低，此时通过软件的方式间隔使能开关电源芯片11，能够简单但有效地降低功耗，提升效率。

相应的，本发明的实施例提供了一种开关电源的控制方法，如图10所述的流程图，包括：

S11，检测所述开关电源的标志负载状态的负载量度值；

本步骤中，所述负载量度值是标志负载大小的物理量，可以是输出功率、输入电流或输出电流等，当系统的负载发生变化时，负载量度值也随着负载的变化而变化，因此可根据负载量度值判断负载的状态。本步骤中，将根据实际情况选择负载量度值，并设定对应的阈值，将根据负载量度值与阈值的关系界定电子系统处于轻负载或者重负载状态。

S12，在所述负载量度值小于预设阈值时，对所述开关电源的供电进行控制，实现非连续供电。

本步骤的主要目的在于，当开关电源为轻负载或空载状态时，改变开关电源的工作状态，降低损耗，提升效率。

本步骤可有两种控制方式：

对所述开关电源的输入电源进行控制，使所述开关电源的输入电源是非连续供给的；或者

对所述开关电源包括的开关电源芯片的使能状态进行控制，使所述开关电源芯片非连续地使能。这种方式适合开关电源包括带有使能端的开关电源芯片的情况，根据开关电源芯片的性质，可以通过设置开关电源芯片使能端的电平，使所述开关电源芯片非连续地使能。

这里要注意的是，在输入电源非连续供给或开关电源芯片非连续地使能的情况下，为了保证开关电源稳定的输出电压，可通过开关电源包括的储能电路的能量存储来满足无电源输入或不使能时间段内的电能供应，具体方法这里不做限定。

这样，本发明实施例提供的开关电源的控制方法，在轻负载的状态下，通过控制开关电源的输入电源的供给或控制开关电源芯片的使能，能够有效降低损耗，提升效率。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分流程可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种开关电源装置，其特征在于，包括：

开关电源电路单元，与所述开关电源电路单元相连接的控制单元；

所述控制单元用于检测所述开关电源电路单元的标志负载状态的负载量度值，在所述负载量度值小于预设阈值时，对所述开关电源电路单元进行非连续供电。

2.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，

所述控制单元包括：

开关，所述开关包括第一端，第二端和控制端，所述开关的第一端与所述开关电源电路单元的输入电压相连接；

检测电路，一端与所述开关的第二端相连，另一端与所述开关电源电路单元的输入端或输出端相连，用于检测所述开关电源电路单元的负载量度值；

控制电路，输入端同所述检测电路相连接，输出端和所述开关的控制端相连接，用于在所述检测电路检测到的负载量度值小于预设阈值时，控制所述开关的通断，使所述开关电源电路单元的输入电源非连续供给。

3.根据权利要求2所述的开关电源装置，其特征在于，

所述负载量度值为所述开关电源电路单元的输入电流值；

所述检测电路为电流检测电阻；

所述电流检测电阻一端与所述开关的第二端相连，另一端与所述开关电源电路单元的输入端相连接。

4.根据权利要求2或3所述的开关电源装置，其特征在于，

所述控制电路包括放大器，第一比较器、第二比较器和与门或与非门；

所述放大器的两个输入端同所述检测电路的两端相连接，输出端与所述第一比较器的反相输入端相连接，所述第一比较器的正相输入端连接预置电压输入端；

所述第一比较器的输出端分别连接所述第二比较器的反相输入端和所述与门或与非门的一个输入端；

所述第二比较器的正相输入端连接预置锯齿电压输入端，所述与门或与非门的另一个输入端连接所述第二比较器的输出端；

所述与门或与非门的输出端与所述开关的控制端相连接。

5.根据权利要求4所述的开关电源装置，其特征在于，

所述开关为金属氧化物半导体场效应管；

所述金属氧化物半导体场效应管的漏极为所述开关的第一端，所述金属氧化物半导体场效应管的源极为所述开关的第二端，所述金属氧化物半导体场效应管的栅极为所述开关管的控制端。

6.根据权利要求5所述的开关电源装置，其特征在于，

所述控制电路包括放大器，第一比较器、第二比较器和与门，所述开关为P型金属氧化物半导体场效应管；或者

所述控制电路包括放大器，第一比较器、第二比较器和与非门，所述开关为N型金属氧化物半导体场效应管。

7.根据权利要求4所述的开关电源装置，其特征在于，

所述开关为三极管；

所述三极管的发射极为所述开关的第一端，所述三极管的集电极为所述开关的第二端，所述三极管的基极为所述开关的控制端。

8.根据权利要求7所述的开关电源装置，其特征在于，

所述控制电路包括放大器，第一比较器、第二比较器和与门，所述开关为PNP型三极管；或者

所述控制电路包括放大器，第一比较器、第二比较器和与非门，所述开关为NPN型三极管。

9.根据权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于，

所述开关电源电路单元包括开关电源芯片；

所述控制单元包括微控制器，分别与所述开关电源电路单元的输出端或输入端及所述开关电源芯片的使能端相连接，用于在所述开关电源电路单元的负载量度值小于预定阈值时，控制所述使能端的电平，使所述开关电源芯片非连续地使能。

10.一种开关电源的控制方法，其特征在于，包括：

检测所述开关电源的标志负载状态的负载量度值；

在所述负载量度值小于预设阈值时，对所述开关电源的供电进行控制，实现非连续供电。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述对所述开关电源的供电进行控制，实现非连续供电具体为：

对所述开关电源的输入电源进行控制，使所述开关电源的输入电源是非连续供给的；或者

对所述开关电源包括的开关电源芯片的使能状态进行控制，使所述开关电源芯片非连续地使能。

Images