CN101860211B - 用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置 - Google Patents

用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置 Download PDF

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Abstract

用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制方法，由峰值电流发生器，峰值电流检测器，零电流检测延时器，PWM发生器及MOSFET驱动器功能块组成。可以高精度地控制降压式开关变换器的电感电流峰值从而高精度地控制输出平均电流。能够平滑地降低降压式开关变换器的开关频率从而降低相应的开关损耗而满足能源之星2.0的不同负载条件下的要求。使输出纹波电流能够在所允许的范围内，开关型适配器的输出呈现具有恒流恒压特性保护功能的电流源。

Description

用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及适配器的控制。更具体地说，本发明涉及一种用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置。
背景技术
延长电池寿命已日益成为强劲的需求来自最终用户的移动计算设备，如笔记本电脑，上网本和移动互联网设备(MID)。统计数据显示2/3的用户考虑电池寿命为第一或第二优先，50％以上的用户愿意额外支付电池小时费用。窄伏直流(NVDC)的功率传输架构，由英特尔提出的，是众多延长移动系统的电池寿命举措之一。这种技术已演变为两代，第一代NVDC被称为NVDC-I和第二代NVDC是所谓自适应移动电源系统(AMPS)。
在自适应移动电源系统(AMPS)中，开关型适配器是一关键部分。它与移动计算设备的电池系统组合构成所谓自适应移动电源系统(AMPS)。理想的用于自适应移动电源系统的开关型适配器的输出特性是一电流源。正因为其电流源特性，自适应移动电源系统(AMPS)的直流母线电压是基本由电池电压决定。正因为其电流源特性，这开关型适配器的输出可直接对自适应移动电源系统(AMPS)的电池系统进行充电。当系统负载需要电流时，这开关型适配器的输出可自动地分配相应的电流给系统负载，而电池系统的充电电流相应地减少。在这种系统中，当系统负载需要电流大于这开关型适配器的输出电流，这开关型适配器的输出可以与电池系统的输出一起为这系统负载供电。
由于自适应移动电源系统(AMPS)的直流母线电压是基本由电池电压决定，当其电池接近充满而系统负载不需要电流时，这开关型适配器的恒定输出电流会使这直流母线电压升高而使使用这直流母线电压功率变换器损坏。为此这开关型适配器必须具有恒流恒压功能。这开关型适配器还需满足能源之星2.0的不同负载条件下的要求。
在已有的开关型适配器方案中，其输出是一恒压源。故其输出可以带有比较大的输出电容。正因为这比较大的输出电容，在已有的开关型适配器控制方案可以使得被控的开关型适配器满足能源之星2.0的不同负载条件下的要求。由于用于自适应移动电源系统(AMPS)的开关型适配器必须具有恒流恒压功能，已有的开关型适配器控制方案不适合于用于自适应移动电源系统(AMPS)的开关型适配器。
发明内容
由于用于自适应移动电源系统(AMPS)的开关型适配器必须具有恒流恒压功能，本发明的目的是解决已有的开关型适配器控制方案不适合于用于自适应移动电源系统(AMPS)问题，提出一种用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置。
本发明的方法是以降压式开关变换器为基础的开关型适配器的控制装置，本发明能产生恒流恒压功能。使用本发明不仅可使开关型适配器的输出特性是恒流恒压，并能满足能源之星2.0的不同负载条件下的要求。
本发明是由峰值电流发生器，峰值电流检测器，零电流检测延时器，PWM发生器及MOSFET驱动器组成；峰值电流发生器根据所检测的输出电压及设置的输出电压产生相应的峰值电流参考值；峰值电流检测器用于比较所检测的电感电流与峰值电流发生器输出的峰值电流参考值，以确定电感电流是否达到峰值；零电流检测延时器由电感电流过零信号触发，其延时长度随峰值电流发生器输出的峰值电流参考值变化；PWM发生器根据零电流检测延时器和峰值电流检测器的输出产生PWM控制信号；这PWM控制信号经MOSFET驱动器功率放大来控制MOSFET导通和关断。
峰值电流检测器是由一个比较器和一个可复位积分器组成。
零电流检测延时器用于检测电感电流过零信号，并根据相应的峰值电流产生相应延时而触发新的开关周期。
对降压式开关变换器而言，为了产生恒定电流，可采用电感临界断续电流模式控制方式。这样只需要控制这电感电流的峰值，其输出平均电流是电感峰值电流的一半。其输出高频纹波电流由输出电容吸收。但在实际控制方案实现中，由于相应比较器的过冲电压和传输时间随比较信号的斜率变化，这实际电感电流的峰值将随电感电流的斜率变化而变化。这电感电流的斜率是随输入电压的变化而变化，故其输出平均电流是随输入电压的变化而变化。这使得该实际控制方案的输入电压调节特性难以满足相应输出电流精度要求。
在开关型适配器的恒压控制中，当其输出电压接近设定的电压，这要求降低输出平均电流以达到系统的输入输出功率平衡，从而使开关型适配器的输出电压低于或接近设定的电压。要降低这输出平均电流，最直接的方法是降低这电感电流的峰值。但这样相应的降压式开关变换器的开关频率则增加。由于开关频率增加相应的开关损耗增大而难以满足能源之星2.0的不同负载条件下的要求。
对一般恒压输出的开关电源而言，要满足能源之星2.0的不同负载条件下的要求，可采用已有的跳周期模式控制如图1所示。而对恒流恒压开关型适配器的输出特性而言，由于输出恒流特性，这输出高频电容值受限。由于低输出电容值及低频调制，其输出将有相当大的纹波。在跳周期模式控制中，变换器的高频开关频率被这跳周期低频调制，以此来降低这变换器的平均开关频率，从而降低相应的开关损耗而满足能源之星2.0的不同负载条件下的要求。由图1所示，对应的输出功率越低，其低频调制频率越低，因此其对应的输出纹波增大。显然跳周期模式控制不适合低输出电容值应用场合。
本发明提出一种电感电流峰值检测方案，以减少实际被控电感电流的峰值随输入电压的变化而变化，从而减少其输出平均电流随输入电压的变化而变化。这使得输入电压调节特性满足相应输出电流精度要求。并且根据被控降压式开关变换器的电感电流峰值来控制相应开关频率，如，电感电流峰值与相应开关频率成线性关系或相应变化关系。这样随着电感电流峰值降低，相应开关频率也相应地降低，从而降低相应的开关损耗而满足能源之星2.0的不同负载条件下的要求。由于没有低频调制，即便低输出电容值，其输出纹波电流也能够在所允许的范围内。
如图2所示，本发明的用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置是由峰值电流发生器，峰值电流检测器，零电流检测延时器，PWM发生器及MOSFET驱动器组成。峰值电流发生器根据所检测的输出电压及设置输出电压产生相应的峰值电流参考值。峰值电流检测器用于比较所检测的电感电流与峰值电流发生器输出的峰值电流参考值，以确定电感电流是否达到峰值。零电流检测延时器由电感电流过零信号触发，其延时长度随峰值电流发生器输出的峰值电流参考值变化。PWM发生器根据零电流检测延时器和峰值电流检测器的输出产生PWM控制信号。这PWM控制信号经MOSFET驱动器功率放大控制MOSFET导通和关断。
本发明的优点是可以高精度地控制降压式开关变换器的电感电流峰值从而高精度地控制输出平均电流。
本发明的优点是能够平滑地降低降压式开关变换器的开关频率从而降低相应的开关损耗而满足能源之星2.0的不同负载条件下的要求。
本发明的优点是平滑地降低降压式开关变换器的开关频率，使用低输出电容值便可使输出纹波电流能够在所允许的范围内。
本发明的优点是由于可以使用低输出电容值在开关型适配器的输出端，这使得开关型适配器的输出呈现具有恒流恒压特性保护功能的电流源。
附图说明
图1是已有开关型适配器所采用跳周期模式控制的输出波形，对应于三档输出功率等级，即P3＞P2＞P1。
图2是本发明方法构成的方框图。
图3是本发明用于自适应移动电源系统开关型适配器控制装置具体实例电路图。
具体实施方式
如图3所示，本发明的用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置是由峰值电流发生器，峰值电流检测器，零电流检测延时器，PWM发生器及MOSFET驱动器组成。
峰值电流发生器根据所检测的输出电压及设置输出电压，产生相应的峰值电流参考值；也就是当所检测的输出电压远小于设置输出电压时，输出最大相应的峰值电流参考值；当所检测的输出电压接近设置输出电压时，输出相应的峰值电流参考值减小，直至为零。
峰值电流检测器是比较所检测的电感电流与峰值电流发生器输出的峰值电流参考值以确定电感电流是否达到峰值。它是由一个比较器和一个可复位积分器组成。一般而言，一个比较器的传输时间是与其输入信号的斜率有关；并且所需的过冲驱动电压也是与其输入信号的斜率有关。也就是说，经这比较器产生的误差是随着其输入信号的斜率的变化而变化。显然，如这比较器的输入信号的斜率是固定的，这比较器所产生的误差也是固定的。这可复位积分器的作用是使这比较器的输入信号的斜率基本为一常数。由数学推导可以得出，当该三角波达到峰值时，其积分器输出对应为零并且其斜率是与三角波的斜率无关，而是一常量。如果这比较器用来检测这积分器输出过零，由于这比较器的输入信号的斜率是固定的，其对应比较器的输入过冲量是一常量。这样，三角波峰值检测可以独立于三角波的斜率从而使经峰值电流检测器所产生的误差不随电感电流的变化率变化，也就是所控制的峰值电感电流不随系统输入电压变化而变化。
零电流检测延时器用于检测电感电流过零信号并根据相应的峰值电流产生相应延时而触发新的开关周期。从时序上讲，这电感电流过零是由零电流检测延时器检测并且触发其相应的延时器，其延时长度随峰值电流发生器输出的峰值电流参考值变化。
PWM发生器根据零电流检测延时器和峰值电流检测器的输出产生相应的PWM控制信号。这PWM控制信号经MOSFET驱动器功率放大控制MOSFET导通和关断。
本发明控制装置由于峰值电流检测器能够足以精确地控制电感电流的峰值，零电流检测延时器能够精确地检测电感电流的过零点，从而精确地控制输出电流。它无需任何额外的补偿网络。
本发明控制装置由于是由零电流检测延时器来触发新的开关周期，并且其延时长度随峰值电流发生器输出的峰值电流控制，这自适应移动电源系统开关型适配器的开关频率可以控制在合适的范围内，并能够平滑地降低这开关频率，以满足能源之星2.0不同负载条件下的要求。
本发明控制装置由于这自适应移动电源系统开关型适配器的开关频率可以平滑地降低，这样即使其输出电容值低，仍可使输出纹波电流能够在所允许的范围内。

Claims (3)

1.用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置，其特征在于是由峰值电流发生器，峰值电流检测器，零电流检测延时器，PWM发生器及MOSFET驱动器组成；峰值电流发生器根据所检测的输出电压及设置的输出电压产生相应的峰值电流参考值；峰值电流检测器用于比较所检测的电感电流与峰值电流发生器输出的峰值电流参考值，以确定电感电流是否达到峰值；零电流检测延时器由电感电流过零信号触发，其延时长度随峰值电流发生器输出的峰值电流参考值变化；PWM发生器根据零电流检测延时器和峰值电流检测器的输出产生PWM控制信号；这PWM控制信号经MOSFET驱动器功率放大来控制MOSFET导通和关断。
2.如权利要求1所述用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置，其特征在于：峰值电流检测器是由一个比较器和一个可复位积分器组成。
3.如权利要求1所述用于自适应移动电源系统开关型适配器的控制装置，其特征在于：零电流检测延时器用于检测电感电流过零信号，并根据相应的峰值电流产生相应延时而触发新的开关周期。
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