CN103633824B - 一种开关电源控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关电源控制方法及系统，所述一种开关电源控制方法，具体包括以下步骤：步骤1：控制器输出控制信号到电流检测型功率器件中的所有器件；步骤2：检测电流检测型功率器件源级输出端的负载情况；步骤3：控制器根据负载情况的变化，控制切换电流检测型功率器件内的不同器件作为开关器件进行工作。本发明的有益效果是：本发明所述方法实现了通过单个器件和单个控制器即可实现，按照负载等级选择性的导通单个器件中的一部分来实现转换效率的提高，且对电路的输出和负载的监控更为简单和直接，系统响应快，整体成本较低。

Description

一种开关电源控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种开关电源控制方法及系统。

背景技术

目前国际上对开关电源的能耗标准越来越高，例如欧委会公布的《委员会条例(EC)No1275/2008，就家用和办公用电子电气设备待机和关机模式电能消耗的生态设计要求，执行欧洲议会与理事会指令2005/32/EC》强制要求在2013年投入欧盟市场的产品，关机模式或待机/重新启动模式功耗不得超过0.5W，而具有显示功能的产品待机或重新启动模式功耗不得超过1W。

对于一个开关电源转换器来说，在相同电路及组成元件的条件下，开关器件的损耗将直接关系到整个电路的转换效率，也就是说，降低开关器件的工作损耗就是提高电源转换器的转换效率。

一个开关器件的工作时的能量损耗主要包括两种，即开关损耗和导通损耗。

常用的开关器件包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),绝缘栅双极晶体管(IGBT)等栅极控制型功率器件。

一般情况下，高导通电阻的器件往往有较快开关速度，而低导通电阻的器件往往有较慢的开关速度，这是由器件本身的结构和特性决定的。

当一个电源转换器工作在空载和轻载状态时，开关器件的工作频率较低，且工作电流较小。此时对于开关器件来讲，开关损耗大于导通损耗，成为主要的能量损耗。此时适合使用一个高导通电阻的器件来工作。

而当电源转换器工作在重载或满载状态时，则刚好相反：开关器件的工作在较高频率下，且工作电流较大。此时对于开关器件来讲，导通损耗大于开关损耗，成为主要的能量损耗。此时则需要使用一个低导通电阻的器件来工作。

所以，如果要通过降低开关器件的能量损耗来提高开关电源转换器的转换效率，就必须在电路空载和轻载工作状态时降低开关器件的开关损耗，而在电路重载或满载工作状态时降低开关器件的导通损耗。

在传统的电流检测型功率器件的使用中，电流检测器件只是用来检测电流，作为电路保护功能的一部分，并没有真正参与到整个开关过程里。这一使用方式与单独使用主功率器件的转换效率是一样的。

现有方案是将多组同规格的分立器件并联，同时导通和关断来实现转换效率的提高，这种方案对器件特性的一致性要求极高，一旦不匹配，将导致整个电路烧毁；

也有方案是通过将多组不同规格的分立器件并联，按照负载等级选择性的导通并联的器件来实现转换效率的提高，这种方案比现有方案能得到更高的转换效率，但对外部驱动电路要求极高，需要多组驱动电路，尤其对输出及负载的监控更为复杂，要实现正常运作的成本很高；

发明内容

本发明则将多组不同规格的分立器件并联，按照负载等级选择性的导通并联的器件来实现转换效率的提高，这种方案比现有方案能得到更高的转换效率，并且只需单个器件和单个控制电路即可实现上述功能，对电路的输出和负载的监控也更为简单和直接，系统响应快，整体成本较低。

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种对电路的输出和负载的监控更为简单和直接，系统响应快，整体成本较低的开关电源控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种开关电源控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：控制器输出控制信号到电流检测型功率器件中的所有器件；

步骤2：控制器检测电流检测型功率器件源级输出端的负载情况；

步骤3：控制器根据负载情况的变化，控制切换电流检测型功率器件内的不同器件作为开关器件进行工作。

本发明的有益效果是：本发明所述方法实现了通过单个器件和单个控制器即可实现，按照负载等级选择性的导通单个器件中的一部分来实现转换效率的提高，且对电路的输出和负载的监控更为简单和直接，系统响应快，整体成本较低。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：所述电路负载处于空载时，控制器控制导通电阻最大的电流检测器件作为开关器件进行工作；

步骤3.2：所述电路负载增多时，控制器控制切换导通电阻越来越小的电流检测器件作为开关器件进行工作；

步骤3.3：所述电路负载处于满载时，控制器控制主功率器件作为开关器件进行工作。

进一步，所述控制器在负载减小时控制切换导通电阻越来越大的电流检测器件作为开关器件进行工作。

进一步，所述电路负载处于满载时，除了主功率器件还包括与主功率器件并联的一个或多个电流检测器件作为开关器件进行工作。

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种对电路的输出和负载的监控更为简单和直接，系统响应快，整体成本较低的开关电源控制系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种开关电源控制系统，包括控制器和电流检测型功率器件；

所述控制器与电流检测型功率器件的栅极控制端相连接，用于根据电路负载情况的变化，控制切换电流检测型功率器件内的不同器件作为开关器件进行工作；

所述电流检测型功率器件的漏极输入端输入初始电流，其源级输出端输出负载电流；

所述电流检测型功率器件的源极与控制器相连接，用于检测电流检测型功率器件输出端的负载情况，以作为控制器的控制依据。

本发明的有益效果是：本发明所述方法实现了通过单个器件和单个控制器即可实现，按照负载等级选择性的导通单个器件中的一部分来实现转换效率的提高，且对电路的输出和负载的监控更为简单和直接，系统响应快，整体成本较低。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述电流检测型功率器件包括集成在一个芯片上的一个主功率器件和至少一个电流检测器件；

所述主功率器件与至少一个电流检测器件并联，所述主功率器件漏极与至少一个电流检测器件漏极相连接，作为共同输入端；

所述主功率器件还包括栅极控制端和源级输出端，所述每个电流检测器件分别具有各自的栅极控制端和源级输出端；

所述每个电流检测器件的导通电阻均大于主功率器件的导通电阻。

进一步，所述控制器输出控制信号到电流检测型功率器件中的至少一个电流检测器件，并在负载增多时控制切换导通电阻越来越小的电流检测器件作为开关器件进行工作，在负载减小时控制切换导通电阻越来越大的电流检测器件作为开关器件进行工作。

进一步，所述电路负载处于空载时，控制器控制导通电阻最大的电流检测器件作为开关器件进行工作。

进一步，所述电路负载处于满载时，控制器控制主功率器件作为开关器件进行工作。

进一步，所述电路负载处于满载时，除了主功率器件还包括与主功率器件并联的一个或多个电流检测器件作为开关器件进行工作。

如图2所示，当分别使用不同导通电阻的功率器件在图1的电路中时，它们分别有各自转换效率的最高点：单颗高导通电阻的功率器件出现在空载和轻载时，而单颗低导通电阻的功率器件则出现在重载和满载时。如果能在它们效率曲线的交点A处或者交点B处完成切换，使得在空载和轻载时由高导通电阻的功率器件工作，而在重载和满载时再切换至低导通电阻的功率器件工作，即可实现提高开关电源转换器在空载和轻载工作状态时的转换效率的目的。

使用电流检测型功率器件代替原开关电源转换器电路中的单颗开关器件，通过控制器实现在空载和轻载的不同时期，切换使用不同的电流检测器件工作，当满载时切换至主功率器件工作的方式，来实现提高开关电源转换器在空载和轻载工作状态下的转换效率。

上述的开关电源转换器电路的结构可以是任何形式的结构，只要这种电路在使用功率器件。例如：升压型(Buck),降压型(Boost),反激型(Fly-back),正激型(Forward),半桥型(Half-bridge),全桥型(Full-bridge),三相型(Three-phase)及其他.

本发明电流检测型功率器件可以是任何工艺和架构。可以是工艺集成式的，也可以是多芯片封装集成式的，或者是分立器件集成式的。

本发明电流检测型功率器件可以是任何材料的器件。可以硅(Si)材料器件，也可以是碳化硅(SiC)材料的，或者是氮化镓(GaN)材料的，以及其他任何材料。

本发明功率器件可以是任何栅极控制型开关器件。例如：绝缘栅双极型晶体管(IGBT),双极型晶体管(BJT),场效应晶体管(FET),结型场效应晶体管(JFET),绝缘栅场效应晶体管(IGFET),金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)及其他.

本发明开关器件的控制方式可以通过任何形式实现。只要这种控制方式可以检测电路当前的负载状态，并计算决定电流检测器件与电流检测器件之间，以及电流检测器件与主功率器件之间的切换点。

本发明电流检测器件与电流检测器件之间，电流检测器件与主功率器件之间的切换点的时间可以是任意时间，只需满足对开关电源转换器转换效率的要求。

本发明电流检测型功率器件中电流检测器件的数量可以是任意数量，只需满足对开关电源转换器转换效率的要求。

附图说明

图1为本发明具体实施例1所述的一种开关电源控制方法的流程图；

图2为本发明具体实施例1所述的一种开关电源控制系统电路图；

图3为本发明具体实施例1所述的一种开关电源控制方法的转换效率与负载率的曲线图；

图4为本发明具体实施例1所述的一种开关电源控制系统中电流检测型功率器件的结构图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、控制器，2、电流检测型功率器件，21、主功率器件，22、电流检测器件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种开关电源控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：控制器输出控制信号到电流检测型功率器件中的所有器件；

步骤2：检测电流检测型功率器件源级输出端的负载情况；

步骤3：所述电路负载处于空载时，控制器控制导通电阻最大的电流检测器件作为开关器件进行工作；

步骤4：所述电路负载增多时，控制器控制切换导通电阻越来越小的电流检测器件作为开关器件进行工作；

步骤5：所述电路负载处于满载时，控制器控制主功率器件作为开关器件进行工作。

所述控制器在负载减小时控制切换导通电阻越来越大的电流检测器件作为开关器件进行工作。

所述电路负载处于满载时，除了主功率器件还包括与主功率器件并联的一个或多个电流检测器件作为开关器件进行工作。

如图2所示，本发明具体实施例1所述的一种开关电源控制系统，包括控制器1和电流检测型功率器件2；

所述控制器1与电流检测型功率器件2的栅极控制端相连接，用于根据电路负载情况的变化，控制切换电流检测型功率器件2内的不同器件作为开关器件进行工作；

所述电流检测型功率器件2的漏极输入端输入初始电流，其源级输出端输出负载电流；

所述电流检测型功率器件2的源端与控制器1相连接，用于检测电流检测型功率器件输出端的负载情况，以作为控制器1的控制依据；

所述电流检测型功率器件2包括集成在一个芯片上的一个主功率器件和至少一个电流检测器件；

所述主功率器件21与至少一个电流检测器件22并联，所述主功率器件21漏极与至少一个电流检测器件22漏极相连接，作为共同输入端；

所述主功率器件21还包括栅极控制端和源级输出端，所述每个电流检测器件22分别具有各自的栅极控制端和源级输出端；

所述每个电流检测器件22的导通电阻均大于主功率器件21的导通电阻。

所述控制器1输出控制信号到电流检测型功率器件2中的至少一个电流检测器件22，并在负载增多时控制切换导通电阻越来越小的电流检测器件22作为开关器件进行工作，在负载减小时控制切换导通电阻越来越大的电流检测器件22作为开关器件进行工作。

所述电路负载处于空载时，控制器1控制导通电阻最大的电流检测器件22作为开关器件进行工作。

所述电路负载处于满载时，控制器1控制主功率器件21作为开关器件进行工作。

所述电路负载处于满载时，除了主功率器件21还包括与主功率器件并联的一个或多个电流检测器件22作为开关器件进行工作。

本发明的电流检测型功率器件2，由一颗低导通电阻的的主功率器件21和一组不同导通电阻的电流检测器件22并联组成。所有电流检测器件22的导通电阻均大于主功率器件的导通电阻。它们共用漏极(Drain)作为输入端，但分别有自己的栅极(Gate)控制端和源极(Source)输出端。

当电路负载处于空载时，由驱动器控制导通电阻最大的电流检测器件(1)22作为开关器件进行工作。此时主功率器件21和其他电流检测器件22不工作。

当电路负载处于轻载时(例如5％时，具体视电路负载情况而定)，由驱动器控制导通电阻较电流检测器件(1)小的电流检测器件(2)作为开关器件进行工作。此时主功率器件21和其他电流检测器件22不工作。

以此类推，在不同负载条件下，逐次切换导通电阻越来越小的电流检测器件22进行工作。

当电路负载处于满载时，由驱动器控制导通电阻最低的主功率器件21作为开关器件进行工作。此时根据电路实际条件，选择一颗或数颗电流检测器件作为传统的电流检测器件22继续工作。

电流检测器件22之间的切换点可以设置在图3的交点A处或者A处之前的任一点，电流检测器件22和主功率器件21的切换点可以设置在图3的交点B处或者交点A处与B处之间的任一点。

由此，在不改变电路架构的情况下，通过在不同负载下切换不同的的电流检测器件22来代替主功率器件21进行开关工作，即可实现提高开关电源转换器在空载和轻载条件下的转换效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种开关电源控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：控制器输出控制信号到电流检测型功率器件中的所有器件；

步骤2：控制器检测电流检测型功率器件源级输出端的负载情况；

步骤3：控制器根据负载情况的变化，控制切换电流检测型功率器件内的不同器件作为开关器件进行工作；

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：所述负载处于空载时，控制器控制电流检测型功率器件内导通电阻最大的电流检测器件作为开关器件进行工作；

步骤3.2：所述负载增多时，控制器控制切换电流检测型功率器件内导通电阻越来越小的电流检测器件作为开关器件进行工作；

步骤3.3：所述负载处于满载时，控制器控制电流检测型功率器件内的主功率器件作为开关器件进行工作。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源控制方法，其特征在于，所述控制器在负载减小时控制切换电流检测型功率器件内导通电阻越来越大的电流检测器件作为开关器件进行工作。

3.根据权利要求2所述的一种开关电源控制方法，其特征在于，所述负载处于满载时，电流检测型功率器件内除了主功率器件还包括与主功率器件并联的一个或多个电流检测器件作为开关器件进行工作。

4.一种开关电源控制系统，其特征在于，包括控制器和电流检测型功率器件；

所述控制器与电流检测型功率器件的栅极控制端相连接，用于根据负载情况的变化，控制切换电流检测型功率器件内的不同器件作为开关器件进行工作；

所述电流检测型功率器件的漏极输入端输入初始电流，其源级输出端输出负载电流；

所述电流检测型功率器件的源极与控制器相连接，用于检测电流检测型功率器件输出端的负载情况，以作为控制器的控制依据；

所述电流检测型功率器件包括集成在一个芯片上的一个主功率器件和至少一个电流检测器件；

所述主功率器件与至少一个电流检测器件并联，所述主功率器件漏极与至少一个电流检测器件漏极相连接，作为共同输入端；

所述主功率器件还包括栅极控制端和源级输出端，所述每个电流检测器件分别具有各自的栅极控制端和源级输出端；

所述每个电流检测器件的导通电阻均大于主功率器件的导通电阻。

5.根据权利要求4所述的一种开关电源控制系统，其特征在于所述控制器输出控制信号到电流检测型功率器件中的至少一个电流检测器件，并在负载增多时控制切换导通电阻越来越小的电流检测器件作为开关器件进行工作，在负载减小时控制切换导通电阻越来越大的电流检测器件作为开关器件进行工作。

6.根据权利要求4或5所述的一种开关电源控制系统，其特征在于，所述负载处于空载时，控制器控制导通电阻最大的电流检测器件作为开关器件进行工作。

7.根据权利要求6所述的一种开关电源控制系统，其特征在于，所述负载处于满载时，控制器控制主功率器件作为开关器件进行工作。

8.根据权利要求7所述的一种开关电源控制系统，其特征在于，所述负载处于满载时，除了主功率器件还包括与主功率器件并联的一个或多个电流检测器件作为开关器件进行工作。