CN102468740A

CN102468740A - 一种开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法

Info

Publication number: CN102468740A
Application number: CN2010105499357A
Authority: CN
Inventors: 张立新; 胡旅顺; 陈健; 易扬波; 周飙; 李海松; 张韬; 邹宇彤
Original assignee: WUXI XINPENG MICRO-ELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: WUXI XINPENG MICRO-ELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-05-23

Abstract

本发明公开了一种开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法，其特点在于该开关电源的调制方法受控于负载电流的大小，能同时获得高效率及低输出纹波的良好性能，开关电源在大输出电流或满载的稳定控制状态下，其工作频率保持在设定的某一较高开关频率；当负载降低时，工作频率随负载电流呈正相关线性降低；当负载进一步降低到某一设定的较小负载电流或以下时，工作频率保持设定的某一较低开关频率。本发明使得开关电源从轻载到空载的某一范围内线性降低开关频率可极大提升转换效率，同时又可避免负载的突然改变造成的输出电压突升突降。此外，通过限定开关电源的最小频率，还可使系统避免进入音频区工作，消除系统发生机械振动和音频噪声的可能性。

Description

一种开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法

技术领域

本发明属于开关电源的技术领域，具体涉及一种开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法，它是开关电源的一种新工作模式，可以用于AC/DC和BUCK型DC/DC开关电源中。

背景技术

在绿色环保日益受到重视的现代，尤其是全球气候变暖的大趋势下，节能减排的相关技术越来越为世人关注。开关电源（SMPS）作为一项高效的电源供电技术，以其卓越的节能省电特性正被广泛应用在各种电子产品和设备中，如医疗，通信，交通，照明等。不但如此，相关的节能技术规范也相继出台，多国或国际组织都已推出节能降耗的强制/非强制标准，特别是针对待机功耗有明确的要求，如BLUE ANGEL,ENERGY STAR, ENERGY 2000等。其中最为著名的标准--美国环保署倡导的ENERGY STAR就规定该国政府机构不得购买待机功耗超过1W的电器产品；而欧盟对开关电源的要求是：额定功率为0.3W~15W，15W~50W和50W~75W的开关电源，待机功耗需要分别小于0.3W，0.5W和0.75W。

为了符合这些规范对待机功耗方面的要求，很多以开关电源为载体的新技术应运而生。要减小开关电源待机损耗，提高待机效率，首先要分析开关电源损耗的构成。一般开关电源的工作损耗主要为：驱动功率管导通损耗、寄生电容损耗及开关交叠损耗，以及静态电流损耗等。根据损耗分析可知，让开关电源在负载很小或空载（处于待机状态）时以较低开关频率操作可以有效降低功耗，提高效率。

降低开关电源工作频率的常用方法有：跳周期模式（pulse skipping）、突发模式（burst mode）、脉冲频率调制（PFM）以及非导通时间调制(off time modulation)。跳周期模式的工作特点为：当负载降低时，驱动管并不是在每个时钟周期都有开关动作，部分脉冲被省略也即等效于降低了开关频率；突发模式的工作特点为：大负载的PWM工作模式在负载降低到一定程度时，控制电路将维持原有脉冲宽度，转而周期性跳过部分脉冲，控制电路通过降低总脉冲宽度或增加遮蔽周期长度达到降低损耗的目的。然而这两种技术有着共同明显的缺陷，即负载突然改变会造成输出电压突升突降。PFM模式即固定开通时间，调节关断时间，负载越低，关断时间越长，工作频率也越低；非导通时间调制的基本原理为当负载改变时，控制电路将通过检测负载的大小连续调控PWM工作模式下的非导通时间，从而达到降低频率的目的。

本发明提出的新型自适应振荡频率调制方法，采用了与非导通时间调制模式类似的连续调变开关频率，但不同于其改变非导通时间的控制方式，开关频率将连续降低或增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法，开关电源在低负载或空载时的连续调变降低开关频率的方式，除了可以有效降低能量损失外，还可以避免负载变化时跳周期模式和突发模式中输出电压突升或突降的问题。满足了某些特定场合对低负载或空载的功耗要求。

针对上述问题，本发明采用的技术方案是：

开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法特征在于该开关电源的调制方法受控于负载电流的大小，即以输出电压与基准电压的误差放大输出信号的高低评判负载的大小，并通过误差放大输出信号调制振荡器的工作频率，从而同时获得高效率及低输出纹波的良好性能，开关电源在大输出电流或满载的稳定控制状态下，其工作频率保持在设定的某一较高开关频率；当负载降低时，工作频率随负载电流呈正相关线性降低；当负载进一步降低到某一设定的较小负载电流或以下时，工作频率保持设定的某一较低开关频率。

进一步，在于大负载电流状态时，振荡器的工作频率保持在一个固定的较高的水平；轻负载电流状态时，振荡器的工作频率在一定范围内保持着线性变化的趋势，并对其最低工作频率有一个限制值。

其中，所述的开关电源包含由电流源模块F3,F4、受控开关S2,S3、电容器C1、参考电压V1,V2、比较器X6,X7、SR触发器X5、反向器X4组成的振荡器电路，以及由箝位电路X1、电平移位电路X2、电压-电流转换电路X3组成的eao调制电路。

再进一步，所述eao调制电路产生的调制电流I1控制振荡器的充电或放电电流大小，进而实现通过调制eao信号获得自适应的振荡频率。

最后，通过检测误差放大器输出得到控制信号eao，该状态量反映了输出负载的轻重负载状态。

上述技术方案的原理是这样的，要提高开关电源的平均转换效率，有必要了解大负载和轻载/待机对转换效率影响的差别。大负载时的开关电源转换效率一般较高，且对于开关频率不大敏感；而轻载/待机时的转换效率一般较低，且受开关频率的影响较大，为了提高轻载/待机时的转换效率，必须采取措施降低等效工作频率，本发明正是基于这个原理实现的。

开关电源是一个负反馈的自动控制系统，通过监测输出电压的变化（与基准电压进行误差比较并放大），获得误差输出信号来控制占空比大小，从而控制输出，达到稳定输出电压的目的。由闭环负反馈理论可知，负载越大，输出电压会有很轻微降低，经误差放大器放大后，误差输出信号将出现较大幅度的升高，因此非常适合于检测负载的大小。

通过误差输出信号线性控制振荡频率时，考虑到误差输出信号的变化范围较大，因此有必要限定高低阈值，使振荡频率仅在一定的轻载到空载范围内线性变化，并限定其最低工作频率，而在大范围的较大负载条件下，振荡频率保持稳定的最高工作频率，这就是箝位电路在本发明中的作用和由来。

根据系统设计的需要，振荡频率随误差输出信号在一定范围内的线性变化需要设定合适的参数，此变换在本发明中以一模拟减法器的方式实现。模拟减法器输出的电压再转换为可以直接控制振荡器充/放电的电流。通过线性改变振荡器充/放电电流的大小实现振荡器工作频率的线性变换。

所述的自适应振荡频率的调制方法由箝位电路、电平移位电路（模拟减法器）、电压-电流转换器、振荡器4部分实现；箝位电路的输入信号为误差放大器输出或等效误差放大器输出，箝位电路的输出信号传给电平移位电路（模拟减法器）进行信号处理，电平移位电路的输出信号通过电压-电流转换器转换为电流的形式，该电流以受控源的形式控制振荡器的充/放电电流。

与现有技术相比本发明的有益技术效果：由于开关电源在轻载或待机时的损耗主要来自于寄生电容损耗，该损耗大小与开关频率成正比例。因此应用本发明使得开关电源从轻载到空载的某一范围内实现线性降低开关频率，就可极大提升转换效率，同时又可避免负载的突然改变造成的输出电压突升突降。此外，通过限定开关电源的最小频率，还可使系统避免进入音频区工作，消除系统发生机械振动和音频噪声的可能性。满足了某些特定场合的要求。

附图说明

图1为自适应振荡频率调制的原理框图。

图2为基于自适应振荡频率调制的一个典型AC-DC应用实例。

图3为基于自适应振荡频率调制的一个典型DC-DC应用实例。

图4为图2和图3所示的电路系统随负载变化的输入输出信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的说明，图1为自适应振荡频率调制的原理框图，eao为输入信号端，X1为高低箝位电路，X2为电平移位电路，X3为电压-电流转换电路，F3、F4为受控电流源模块，S2、S3为受控开关，C1为振荡器充放电电容器，X6、X7为比较器，V1、V2为参考电压，X5为SR触发器，X4为反向器，F3、F4、S2、S3、C1、X6、X7、X5、X4组成振荡器电路，X1、X2、X3组成eao调制电路。OSC为输出信号端。

振荡器充电/放电电流基准I1受误差放大输出信号（eao）调制。eao首先经过高低阈值箝位X1，使其输出信号Va满足Vx<=Va<=Vy，Va再经过X2电平移位（模拟减法运算），X3电压-电流（V-I）转换，从而获得由eao调制的振荡器充电/放电电流基准I1。

如图1，箝位电路X1的输入信号为误差放大器输出或等效误差放大器输出eao，箝位电路的输出信号Vx1传给电平移位电路（模拟减法器）进行信号处理，电平移位电路的输出信号Vx2通过电压-电流转换器转换为电流的形式，该电流I1以受控源的形式控制振荡器的充/放电电流。

图中所示的信号eao为系统中误差放大器输出或等效输出，经箝位电路处理(不妨设箝位高点为VH，箝位低点为VL)，那么得到的信号Vx1满足：Vx1=VH Veao≥VH； Vx1=Veao VL≤Veao≤VH；Vx1=VL Veao≤VL。再经电平移位处理，得到的信号Vx2又会满足：Vx2=VH-Vr Veao≥VH； Vx2=Veao-Vr VL≤Veao≤VH；Vx2=VL-Vr Veao≤VL。将Vx2转换为直接控制振荡器的电流基准I1,I1满足：I1=(VH-Vr)/Rext Veao≥VH； I1=(Veao-Vr）/Rext VL≤Veao≤VH；I1=(VL-Vr)/Rext Veao≤VL。开关电源在稳态工作时，参考电压V1、V2（V1>V2）保持固定电位，逻辑控制信号控制电容器（C1）处于充电/放电状态。

当电容器（C1）节点电压Vramp_osc低于参考电压V2时,比较器（X7）输出为“0”，比较器（X6）输出为“1”，触发器（X5）被清“0”，振荡器输出信号OSC为“1”，开关（S2）闭合，控制电流源（F4）以a*I1的大小向电容器充电，电容器（C1）节点电压Vramp_osc上升；当电容器（C1）节点电压Vramp_osc大于参考电压V2、小于参考电压V1时, 比较器（X7、X6）输出均为“1”，触发器（X5）处于保持状态，因而电容器（C1）节点电压一直上升；当电容器（C1）节点电压Vramp_osc大于参考电压V1时，比较器（X7）输出为“1”，比较器（X6）输出为“0”，触发器（X5）被置“1”，振荡器输出信号OSC为“0”，开关（S3）闭合，控制电流源（F3）以b*I1的大小向电容器放电，电容器（C1）节点电压Vramp_osc下降，并在电容器（C1）节点电压Vramp_osc大于参考电压V2、小于参考电压V1过程中由触发器保持放电状态，直至电容器（C1）节点电压Vramp_osc低于参考电压V2，电容器（C1）再次往复充电，开始下一个周期。

很容易推导出其充电时间tr、放电时间tf分别为：tr=(V1-V2)C1/(a*I1)；tf=(V1-V2)C1/(b*I1)；因此振荡器工作频率fc为：

fc=1/(tr+tf)=a*b*I1/[(a+b)*C1*(V1-V2)]；

从上述推导可以得出：振荡器工作频率fc与电流基准I1的大小成正比；电流基准I1与误差放大器输出或等效输出电压Veao在一定范围内正线性相关，该范围外被分别固定在两个相应的箝位点上；也即是，振荡器工作频率fc与误差放大器输出或等效输出电压Veao在一定范围内正线性相关，该范围外被分别固定在两个相应的箝位点上。振荡器工作频率fc与误差放大器输出或等效输出电压Veao的关系表达式为：

fc=a*b*(VH-Vr)/[(a+b)*C1*(V1-V2)*Rext] Veao≥VH；

fc=a*b*(Veao-Vr)/[(a+b)*C1*(V1-V2)*Rext] VL≤Veao≤VH；

fc=a*b*(VL-Vr)/[(a+b)*C1*(V1-V2)*Rext] Veao≤VL；

开关电源的工作频率与振荡器频率同步。由此，开关电源在大输出电流/满载的稳定控制状态下，误差放大输出信号（eao）电压较高。当负载电流减小时，误差放大输出信号（eao）电压也会相应的降低。理论上，负载降低时工作频率降低可提升整体系统的转换效率。根据系统需要，设定一个误差放大输出信号（eao）阈值（Vth1），当误差放大输出信号（eao）电压低于该阈值（Vth1）时：误差放大输出信号（eao）电压的降低将导致振荡器的工作频率（fc）逐渐降低；反之，误差放大输出信号（eao）电压的升高也将导致振荡器的工作频率（fc）逐渐升高，其变化幅度随误差放大输出信号（eao）电压呈线性变化。

图2给出了基于图1所示原理的一个具体实施方案的实例，该实例是一个采用自适应振荡频率调制方法的隔离反激式AC-DC开关电源。图2中，Vin表示来自交流电网经电磁兼容滤波器，整流电路处理后的高压直流电压，VSS表示输入电源的参考地，Vout表示开关电源的输出端，GND表示输出电源的隔离地。SW端控制主开关管M1导通或关断，M1一端连接变压器初级线圈到Vin上，一端通过电流采样电阻Rs连接到VSS。R1、R2为输出电压采样电阻，经TL431，光藕处理后，得到输出电压的反馈信号与基准信号的差值放大信号FB。FB一方面通过PWM主回路控制SW的占空比，一方面控制自适应频率振荡器，调制工作频率。

由于系统在振荡器的每个时钟上升沿，都会触发SR触发器，使主开关管M1强制开启，直到SENSE端采样到的电流信号达到FB设定峰值，主开关管才会关断。因此，系统工作频率与振荡器频率一致。在大负载稳定工作状态下，FB端电压较高，箝位电路的输出被限制在某一高电位上，振荡器以最大工作频率工作；负载减小，FB也慢慢降低，当FB低于箝位电路高箝位阈值时，振荡器频率也开始进入下降通道，振荡器频率随FB电压呈线性降低；当FB进一步低于箝位电路低箝位阈值，也即输出负载近似于待机时，振荡器频率不再变化，保持在设定的最低频率点上。

图3的实例为另一采用自适应振荡频率调制方法的DC-DC开关电源。相对于图2中隔离反激式AC-DC，图3的DC-DC虽然架构上与之相差较大，但都采用了峰值电流控制模式。有所不同的地方在于图2中隔离反激式AC-DC抽取误差放大器输出隔离端信号FB，进而调制振荡器开关频率；而图3中DC-DC直接抽取误差放大器输出信号eao调制开关频率。

图4为原理框图进行建模仿真得到的波形。设定箝位电路高箝位阈值为2V，低箝位阈值为1V，电平移位电路参考电位Vr为0.5V，电压-电流转换器电阻Rext为142K ohm，振荡器充放电电流比例a、b分别为0.2、0.6, 振荡器电容C1为10pF，翻转门限V1、V2分别为3.5V、1V。框图电路在输入电压从2.4V 到0.8V的一段范围进行电压扫描的条件下，V(Vx1)显示了箝位电路输出信号的波形，V(Vx2)显示了电平移位电路输出信号的波形，V(OSC)为振荡器输出调制信号。从仿真波形图可以看出，振荡器振荡频率在设定的范围内始终处于连续线性变化中，并有最大最小值限制，与系统构想一致。

Claims

1.一种开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法，其特征在于该开关电源的调制方法受控于负载电流的大小，即以输出电压与基准电压的误差放大输出信号的高低评判负载的大小，并通过误差放大输出信号调制振荡器的工作频率，从而同时获得高效率及低输出纹波的良好性能，开关电源在大输出电流或满载的稳定控制状态下，其工作频率保持在设定的某一较高开关频率；当负载降低时，工作频率随负载电流呈正相关线性降低；当负载进一步降低到某一设定的较小负载电流或以下时，工作频率保持设定的某一较低开关频率。

2.如权利要求1所述的开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法，其特征在于大负载电流状态时，振荡器的工作频率保持在一个固定的较高的水平；轻负载电流状态时，振荡器的工作频率在一定范围内保持着线性变化的趋势，并对其最低工作频率有一个限制值。

3.如权利要求1所述的开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法，其特征在于所述的开关电源包含由电流源模块F3,F4、受控开关S2,S3、电容器C1、参考电压V1,V2、比较器X6,X7、SR触发器X5、反向器X4组成的振荡器电路，以及由箝位电路X1、电平移位电路X2、电压-电流转换电路X3组成的eao调制电路。

4.如权利要求3所述的开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法，其特征在于所述eao调制电路产生的调制电流I1控制振荡器的充电或放电电流大小，进而实现通过调制eao信号获得自适应的振荡频率。

5.如权利要求4所述的开关电源高效率自适应振荡频率的调制方法，其特征在于通过检测误差放大器输出得到控制信号eao，该状态量反映了输出负载的轻重负载状态。