CN104092359B - 一种用于多模式数字开关电源的控制环路系统 - Google Patents

Abstract

一种用于多模式数字开关电源的控制环路系统，包括数字采样模块、误差产生模块、状态寄存模块、状态判断模块、误差放大模块、控制电压限定模块和多模式开关信号产生模块，数字采样模块采集被控信号并转化为数字信号Vod,状态判断模块根据状态转变的触发条件判断控制环路系统需要进入的状态值state，误差放大器根据误差信号e(n)产生控制量P(n),控制量P(n)进入控制电压限定模块，控制电压限定模块根据控制环路系统此时的状态值state和P(n)，得到相应的控制电压Vc1(n)和Vc2(n),多模式开关信号产生模块根据Vc2(n)和状态值state得到占空比信号，控制受控功率变换器开关管的导通。

Description

一种用于多模式数字开关电源的控制环路系统

技术领域

本发明涉及数字开关电源，尤其涉及一种用于多模式数字开关电源的控制环路系统。

背景技术

随着数字技术的发展，数字电源由于其自身的优点，越来越受到重视，在AC-DC和DC-DC开关电源中，越来越多的控制系统采用数字方式实现，但是随着全球能源紧缺，美国六级能效标准对电源转换效率的要求越来越高，现在实现一个全负载范围内都能高效率的开关电源已经迫在眉睫。在轻载时，开关损耗占了整个系统能量损耗的绝大部分，此时减少开关损耗的直接方法就是减小开关频率，基于这样的考虑，现在很多数字电源都采用了多模式的控制方案。在重载时，系统采用PWM控制方案，在此种模式下系统固定开关频率，来调节占空比，在轻载时系统采用PFM控制方案，此时系统固定开关导通时间，来调节开关频率，在PFM模式下，极轻载时开关频率可以降得很小。

实现一个高性能的数字多模式开关电源必然要面对下面几个问题：

1、如何在PFM模式下准确调整开关频率？

2、如何实现PWM模式和PFM模式之间平滑的切换？

针对问题1现在已经有了一些研究方案，在一种方案里提出了一种离散调频来实现PFM的一种控制方式，假设PWM模式的开关频率为f_sw,随着负载的减小系统将进入PFM工作模式，在PFM调试模式，系统将开关频率分为等离散值，这样在恒压模式下这些开关频率点就分别对应不同的负载点，当输出电压偏大时开关频率调到下一个小的频率点，输出电压偏小时开关频率调到上一个大的频率点，在特定的负载下，稳态时系统将在相邻的频率点之间进行来回的跳变，从而使得输出电压稳定。应用这样的实现方式能够有效实现PFM模式控制，提高了轻载下的电源转换效率，但是由于频率点之间是离散的关系，系统的动态响应会比较差，同时会导致输出电压的纹波会比较大。还有另一种研究方案，在该方案里系统根据输出电压的误差来产生一个调频信号，这个调频信号是以一个脉宽的形式输进快单元和慢单元，经过一段时间后慢单元会追赶上快单元，利用追赶时间来调整频率。但是如果调频信号的脉宽设置和快慢单元的追赶延迟不好控制，如果设置不好很可能导致系统崩溃。

针对问题2现在也有了一定的研究，图1展示了一种用于开关电源转换器的传统控制方案。在这一控制方案中，针对操作模式之间的转变引入了迟滞。换句话说，一旦电源转换器进入一种操作模式，其就必须等待控制回路稳定下来才能退出该操作模式。引入迟滞 以后，控制电压必须达到迟滞上线负载所对应的控制电压水平，才能调到下一个模式，如图中所示，在PWM模式下，开关电源的输出负载必须降低到负载A点才能切换到PFM模式，在PFM模式下开关电源转换器的负载将必须增加负载B点才能切换到PWM模式，作为结果，能够减小由操作模式之间的转变引起的输出电压纹波。但是在这个方案里迟滞的范围不好控制，范围过小可能起不到作用，范围过大时，则在操作模式之间的转变期间可能出现输出电压过冲或下冲，这是因为滞后可能迫使一种操作模式下的控制电压变得高于或低于另一操作模式下的控制电压，从而在转变到新的操作模式之后导致控制电压的阶跃函数。图2展示了另一种模式切换方案，在该方案里它把PWM模式和PFM模式被分隔成两个独立的控制区段，其中独立地确定每个控制区段中的控制电压范围并且清楚地限定每个控制区段的边界。PWM调制模式和PFM调制模式中的每个不能超出其边界连续地操作，从而在两个控制区段之间形成控制间隙。在该控制间隙内不允许连续操作。为了对控制间隙内的负载条件进行供给，电源在控制间隙的两个边界处操作。例如当负载大于M水平时它将一直工作在PWM模式下，当负载小于N点时，它将一直工作在PFM模式。当负载介于M和N之间时，系统将在两个模式之间来回切换，切换的条件就是输出电压大于或小于设定的界限，但是此种方案并没有消除两种模式之间的来回跳变，输出电压还是具有一定的波动。

发明内容

为克服现有技术的局限和不足，本发明提供一种用于多模式数字开关电源的控制系统，能够实现模式之间的平滑切换。

本发明采用以下技术方案：一种用于多模式数字开关电源的控制环路系统，其特征在于，包括数字采样模块、误差产生模块、状态寄存模块、状态判断模块、误差放大模块、控制电压限定模块和多模式开关信号产生模块构成的控制环路系统，该控制环路系统与受控功率变换器构成闭环；在本周期受控功率变换器开关管导通期间，多模式开关信号产生模块根据控制环路系统上周期的状态值state1和上周期控制电压Vc2(n-1)计算得到本周期开关导通时间和本周期的开关频率，然后数字采样模块采集功率变换器的输出电压信号并将其转化为数字信号Vod同时输出给误差产生模块和状态判断模块，状态判断模块先把控制环路系统上周期的状态值state1输出至状态寄存模块，然后根据此时采样的数字信号Vod和上周期控制电压Vc2(n-1)进行本周期第一次状态判断，控制环路系统得到本周期的状态值state，误差放大模块根据本周期的状态state调节内部比例系数Kp、积分系数Ki和上周期误差放大模块输出控制量P(n-1)；数字信号Vod经过误差产生模块产生误差信 号e(n),数字字误差放大模块在内部Kp、Ki和P(n-1)调整完成之后把本周期的误差信号e(n)进行放大并产生本周期控制量P(n),本周期控制量P(n)进入控制电压限定模块，控制电压限定模块根据控制环路系统本周期的状态值state和本周期控制量P(n)，得到本周期第一次输出控制电压Vc1(n)并将控制电压Vc1(n)输入到状态判断模块，状态判断模块根据本周期控制电压Vc1(n)和数字采样信号Vod进行本周期第二次状态判断，控制环路系统得到本周期状态值state，由于一个开关周期之内控制环路系统的状态只可能发生一次转变，也就是说如果第一次状态发生了变化，那么第二次肯定不会发生变化，出现这种情况的原因是根据状态发生转变的条件决定的；然后本周期第一个控制电压Vc1(n)会重新输入到控制电压限定模块，控制电压限定模块根据本周期控制环路系统的状态值state得到本周期第二次输出控制电压Vc2(n)，控制电压Vc2(n)会输入到多模式开关信号产生模块；多模式开关信号产生模块接着进行的操作就是判断本周期控制环路系统的状态值state和上周期控制环路系统的状态值state1是否相同，如果不同，则直接结束本周期，并产生受控功率变化器开关导通信号，使得受控功率变换器开关导通；如果相同，则根据本周期计算得到的开关频率值，到本周期正常结束，产生受控功率变化器开关导通信号，使得受控功率变换器开关管导通；控制环路系统中：

数字采样模块用于采集功率变换器的输出电压信号并将其转化为数字信号Vod；

误差产生模块包括一个减法器，用于将基准电压Vref与数字采样模块采集得到的数字信号Vod相减得到误差信号e(n)；

状态寄存模块用于在每个开关周期进行状态判断之前寄存上周期的控制环路系统状态值state1；

状态判断模块用于根据数字采样模块输出Vod和控制电压限定模块的输出控制电压准确跳变到本周期控制环路系统的状态值state；

误差放大模块是一个增量式的PI模块，误差放大模块本周期的输出定义为本周期控制量P(n),它内部的比例系数Kp、积分系数Ki和上周期控制量P(n-1)受到控制环路本周期状态值state调节；

控制电压限定模块包括比较器、多路选择器、寄存器，控制电压限定模块根据控制环路系统本周期状态值state和本周期控制量P(n)智能选择输出控制电压，如果在一个控制环路系统状态值state中，本周期控制量P(n)高出了控制电压限定模块所限定的控制电压范围，那么输出的控制电压将会是所限定控制电压范围的上限，如果本周期控制量P(n)在控制电压限定模块所限定的控制电压范围内，那么控制电压限定模块直接把本周 期控制量P(n)当成控制电压输出；

多模式开关信号产生模块包括比较器、寄存器、RS触发器、PWM模块、PFM模块、DPWM(deepPWM)模块、DPFM(deepPFM)模块、DDPWM(deepDPWM)模块，多模式开关信号产生模块根据控制环路系统本周期状态值state、控制环路系统上周期状态值state1和控制电压限定模块输出的控制电压来正确产生受控功率变换器开关管的导通信号和关断信号。

上述在一个开关周期内控制环路系统的控制流程包括以下具体内容：

把一个开关周期划分为十个阶段：

第一阶段：在受控功率转换器开关管导通期间，多模式开关信号产生模块根据控制环路系统上周期的状态值state1和上周期控制电压Vc2(n-1)计算得到本周期开关导通时间和本周期的开关频率，保证受控功率转换器开关管的正常工作；

第二阶段：数字采样模块采集受控功率变换器的输出电压信号并将其转化为数字信号Vod，然后同时输出给误差产生模块和状态判断模块；

第三阶段：状态判断模块把控制环路系统上周期状态值state1赋给状态寄存模块；

第四阶段：状态判断模块根据数字采样模块输出Vod和上周期控制电压Vc2(n-1)来进行本周期第一次状态判断，并且把判断后控制环路系统本周期状态值state赋给误差放大模块和控制电压限定模块；

第五阶段：误差产生模块接受数字采样模块的输出值Vod，并拿基准电压Vref的值减去Vod，得到本周期误差信号e(n)；

第六阶段：误差放大模块根据控制环路系统本周期的状态state调整内部比例参数Kp、积分参数Ki和上周期控制量P(n-1),调整完成之后，误差放大模块根据本周期误差e(n)进行误差信号的放大，误差放大模块的输出就是本周期控制量P(n)，然后将本周期控制量P(n)输入到控制电压限定模块；

第七阶段：控制电压限定模块根据本周期控制量P(n)和控制环路系统本周期状态值state来进行第一次控制电压限定，得到本周期第一个控制电压Vc1(n)；

第八阶段：状态判断模块根据本周期第一个控制电压Vc1(n)和数字采样模块输出Vod进行本周期第二次状态判断，得到控制环路系统本周期的状态state，然后将控制环路系统本周期状态值state赋给多模式开关信号产生模块和控制电压限定模块；

第九阶段，控制电压限定模块根据控制环路系统本周期的状态值state和本周期第一个控制电压Vc1(n)来进行第二次控制电压的限定，得到本周期第二个控制电压Vc2(n), 并将本周期第二个控制电压Vc2(n)赋给多模式开关信号产生模块和状态判断模块；

第十阶段，多模式开关信号产生模块接收本周期第二个控制电压Vc2(n),多模式开关信号产生模块接着进行的操作就是判断本周期控制环路系统的状态值state和上周期控制环路系统的状态值state1是否相同，如果不同，则直接结束本周期，并产生受控功率变换器开关导通信号，使得受控功率变换器开关管导通；如果相同，则根据本周期计算得到的开关频率值，到本周期正常结束，产生受控功率变换器开关导通信号，使得受控功率变换器开关管导通，接着循环执行第一阶段的操作。

在每一个控制环路系统状态state中，控制电压限定模块输出的本周期控制电压Vc1(n)或Vc2(n)都有自己的限定范围，其限定范围在最大值与最小值之间：

在PWM状态中，控制电压的范围是【Vc_pwm+,Vc_pwm-】；

在PFM状态中，控制电压的范围是【Vc_pfm+,Vc_pfm-】；

在DPWM状态中，控制电压的范围是【Vc_dpwm+,Vc_dpwm-】；

在DPFM状态中，控制电压的范围是【Vc_dpfm+,Vc_dpfm-】；

在DDPWM状态中，控制电压的范围是【Vc_ddpwm+,Vc_ddpwm-】；

如果误差放大器的输出p(n)大于控制电压的范围，则控制电压输出该模式下的最大值，反之如果小于控制电压的范围，则控制电压输出为该模式下的最小值，以限制每个模式下输出负载功率的大小，方便系统根据负载大小实现模式跳变，当模式发生变化时，控制电压也会跳变到相应的大小，实现模式之间平滑的切换，为了防止在相应的负载点出现在两模式之间来回切换的情况，设定相邻高功率模式的负载范围要和低功率模式的负载范围有一定的重叠。

状态判断模块在一个开关周期之内判断两次，本周期第一次状态判断的电平触发源为控制电压Vc2(n-1)和采样电压Vod，本周期第二次状态判断的电平触发源为控制电压Vc1(n)和采样电压Vod，两次状态判断分处于开关周期的不同时间段内，只有当数字采样模块输出Vod和控制电压限定模块输出控制电压同时达到条件才会发生控制环路系统工作状态state的转变，其中的一种情况是，当控制环路系统处在低负载工作状态值state时，如果满足Vod<＝Vref–ΔVref1,并且控制电压限定模块输出的控制电压达到了此时控制环路系统工作状态值state下所限定的上限，那么控制环路系统的状态值state将会跳变到相邻高负载工作状态值state。如果满足Vod>＝Vref+ΔVref2,并且控制电压限定模块输出的控制电压达到了此时控制环路系统工作状态值state下所限定的下限，那么控制环路系统状态值state将会跳变到相邻低负载工作状态值state。

多模式开关信号产生模块中PFM或DPFM模块根据控制电压限定模块输出的控制电压准确调整PFM或DPFM控制环路系统状态state中的开关频率，调整方式用下面公式表示： $f_s=f_s^{\&prime;}\frac{V_c^2}{{V_c^{\&prime;}}^2}---\left(1\right)$

式中V_c为本周期控制电压限定模块的输出控制电压，f′_s为PFM或DPFM控制环路系统工作状态下最高开关频率，V′_c为PFM/DPFM控制环路系统工作状态下控制电压限定模块所限定的上限，f_s为控制电压为V_c时控制环路系统产生的开关频率。

本发明的优点及显著效果：

1、本控制系统方法总体性能优越，本发明所提出的PFM算法可以根据控制电压Vc准确调制开关频率，利用推算出来的开关频率和Vc之间的关系，并结合能量相等的原则，可以准确实现模式跳变时控制电压的跳变，保证跳变前后系统的输入能量变化微小，通过这样基本可以实现模式之间的平滑切换。

2、本发明所提出的控制方法能够有效避免在特定负载下工作模式来回跳变的情况，减小了输出电压在模式切换点负载附近的波动。

3、本发明所提出的控制方法在很大程度上能够提高系统的响应速度，在负载大范围跳变时，可以大幅度减小输出电压的过冲和下冲。

4、本发明所提出的模式跳变触发条件能够有效避免模式之间的错误切换，保证系统在正确的状态模式工作。

附图说明

图1是一种引入迟滞的模式切换方案；

图2是一种带有负载间隙的模式切换方案；

图3是本发明设计结构框图；

图4是本设计发明的流程图；

图5是本发明一个具体应用实例控制框图；

图6是控制电压限定模块内部结构框图；

图7是PWM模式和PFM模式中控制电压范围的关系图；

图8是误差放大模块内部结构框图；

图9是状态判断模块实现的状态转移图；

图10是状态发生转变时采样电压Vod的触发条件；

图11是多模式开关信号产生模块结构框图。

具体实施方式

参看图3和图4，本发明用于多模式数字开关电源的控制系统包括数字采样模块、误差产生模块、状态寄存模块、状态判断模块、误差放大模块、控制电压限定模块和多模式开关信号产生模块构成的控制环路系统，该控制环路系统与受控的功率变换器构成闭环；在本周期功率变换器开关管导通期间，多模式开关信号产生模块根据控制环路系统上周期的状态值state1和上周期控制电压Vc2(n-1)计算得到本周期开关导通时间和本周期的开关频率，然后数字采样模块采集受控功率变换器的输出电压信号并将其转化为数字信号Vod同时输出给误差产生模块和状态判断模块，状态判断模块先把控制环路系统上周期的状态值state1输出至状态寄存模块，然后根据此时采样的数字信号Vod和上周期第二个控制电压Vc2(n-1)进行本周期第一次状态判断，控制环路系统得到本周期的状态值state，误差放大模块根据本周期的状态值state调节内部比例系数Kp、积分系数Ki和上周期误差放大输出P(n-1)；数字信号Vod经过误差产生模块产生误差信号e(n),数字误差放大模块在内部Kp、Ki和P(n-1)调整完成之后把本周期的误差信号e(n)进行放大并产生本周期控制量P(n),本周期控制量P(n)进入控制电压限定模块，控制电压限定模块根据控制环路系统本周期的状态值state和本周期控制量P(n)，得到本周期第一个控制电压Vc1(n)并将控制电压Vc1(n)输入到状态判断模块，状态判断模块根据本周期控制电压Vc1(n)和数字采样信号Vod进行本周期第二次状态判断，控制环路系统得到本周期状态值state，这里需要指明的一点就是一个开关周期之内控制环路系统的状态只可能发生一次转变，也就是说如果第一次状态发生了变化，那么第二次肯定不会发生变化，出现这种情况的原因是根据状态发生转变的条件决定的；然后本周期第一个控制电压Vc1(n)会重新输入到控制电压限定模块，控制电压限定模块根据本周期控制环路系统的状态state得到本周期第二个控制电压Vc2(n)，本周期第二个控制电压Vc2(n)会输入到多模式开关信号产生模块；多模式开关信号产生模块接着进行的操作就是判断本周期控制环路系统的状态值state和上周期控制环路系统状态值state1是否相同，如果不同，则直接结束本周期，并产生受控功率变换器开关导通信号，使得受控功率变换器开关管导通，如果相同，则根据本周期计算得到的开关频率值，到本周期正常结束，产生外部功率变化器开关导通信号，使得受控功率变换器开关管导通。

首先数字采样模块采样开关管变换器的输出电压等效信号，并把它转换为数字信号Vod，得到Vod后首先要进行的操作就是把当前的状态值输入到状态寄存模块得到上周期控制环路系统状态值state1，用来表示上一开关周期的状态，然后把它输入给状态判断模块，状态判断模块会根据内部寄存的上周期的控制电压Vc2(n-1)和当前Vod来判断系 统所需进入的状态，只有当两者均满足触发条件，系统才会发生状态变化，具体的说触发条件是这样的：当系统工作在高负载模式时，如果此时控制电压Vc2(n-1)到达了该模式下的最小值，并且输出电压上升到了设定的值，则此时模式将调到下一个低负载模式，当系统工作在低负载模式时，如果此时控制电压Vc2(n-1)到达了该模式下的最大值，并且输出电压下降到了设定的值，则此时模式将调到下一个高负载模式。PWM模式下的控制电压范围是【Vc_pwm-，Vc_pwm+】,当采样电压Vod升到Vref+ΔVref并且控制电压等于Vc_pwm-时，状态才会从PWM切换到PFM模式。当状态发生改变时，状态判断模块会把此时的控制环路状态值state输入到误差放大模块、控制电压限定模块，误差放大模块是一个增量式PI模块，当状态发生偏转时，系统就会调整它的上周期输出控制量P(n-1)，让它跳变到本模式中所应该具有的值，这个值的确定是根据能量相等原理计算得来的，这样做的目的就是为了实现模式之间的隔离控制，也就是各个模式之间能够独立地进行调制而不受上一个模式影响，除了调整上周期输出控制量P(n-1)，系统还会根据状态值state来调制比例系数Kp和积分系数Ki的值，目的就是为了维持系统的稳定性。数字采样电压Vod经过误差产生模块的到误差信号e(n),误差信号输进误差放大模块得到本周期控制量P(n)，本周期控制量P(n)输进控制电压限定模块，从控制电压限定模块得到本周期第一次输出控制电压Vc1(n)，控制电压Vc1(n)输入到状态判断模块，此时需进行本周期的第二次状态判断，状态判断模块结合此时的Vod判断是否到达状态转换条件，如果达到了状态转换条件则系统改变状态值state，state会输入到控制电压限定模块，控制电压限定模块本周期第二才输出控制电压Vc2(n)，控制电压Vc2(n)、state、state1此时会输入到多模式开关信号产生模块，这个模块包含了各个模式实现方式的算法，它可以式两种模式的算法，即PWM和PFM，也可以是其它们两个之间合适的组合。这三个信号进入此模块后，首先判断state是否和state1相同，如果不同，则立马结束本周期，开关信号产生使开关导通；如果相同则按继续本周期直到达到设定的周期，这里需要着重强调的是PFM或DPFM模式下的调频方式，系统在调制过程中控制电压Vc和负载之间具有一定的量化关系，我们做这样一个假设：系统工作在PWM模式下时,在模式转换点一个开关周期内外部电源供给受控功率变换器系统的能量可以表示为：

$W_1=K_1*{V_C^{\&prime;}}^2*f_s^{\&prime;}---\left(2\right)$

系统进入PFM后某一个负载点，单位时间内外部电源供给系统能量可以表示为：

$W_2=K_1*{V_C^{\&prime;}}^2*f_S---\left(3\right)$

如果此时PFM模式下的控制电压大小为Vc,那么对应到PWM模式下对应的传输能量可以表示为： $W_3=K_1*V_C^2*f_s^{\&prime;}---\left(4\right)$

根据能量相等原则此时应该具有的关系是：W₂＝W₃，这样就可以得到关系：

$f_s=f_s^{\&prime;}\frac{V_c^2}{{V_c^{\&prime;}}^2}---\left(5\right)$

以上所列式子中,K₁是比例系数，它和受控功率变换器系统参数有关，V′_C是切换点控制电压限定模块输出的控制电压值，f′_s为PWM模式下恒定的开关频率值，两者均为定值，这样我们就得到了PFM模式下开关频率f_s和Vc之间的关系。

数字采样模块用于实现在数字信号的采样，将模拟信号转化为数字信号，可以用一个普通的ADC组成的数字信号采集电路也可以是应用拐点采样算法组成的模块。

误差产生模块基于根据基准信号产生误差信号的电路结构，包括一个减法器模块(也可以由减法器相关电路构成)，用于基准电压Vref和数字采样模块采集得到的数字信号相减得到误差信号。

误差放大模块包括一个算法模块，基本结构是一个增量式的PI模块，误差放大模块本周期的输出定义为本周期控制量P(n),和普通增量式PI模块不同的是它内部的比例系数Kp、积分系数Ki和上周期控制量P(n-1)受到控制环路本周期状态值state调节。基本要求是：

(1)它能够根据本周期误差信号e(n)和上周期控制量P(n-1)来调整本周期控制量P(n)的大小；

(2)上周期控制量P(n-1)的大小寄存在模块内部的一个寄存器里，它的大小受到状态值state的影响，当模块内部检查到系统状态值发生变化时，则模块将会调整P(n-1)到合适的大小，这样做的目的是为了尽可能提高模式切换的平滑性；

状态寄存模块包括一个寄存器，每个开关周期进行状态判断之前把上周期的状态值state1赋给状态寄存模块。

控制电压限定模块包括比较器、多路选择器、寄存器，控制电压限定模块可以根据控制环路系统本周期state和本周期控制量P(n)来智能选择输出控制电压，比如，在一个控制环路系统状态值state中，如果本周期控制量P(n)高出了控制电压限定模块所限定的控制电压范围，那么输出的控制电压将会是所限定控制电压范围的上限，如果本周期控制量P(n)在控制电压限定模块所限定的控制电压范围内，那么控制电压限定模块直接把本周期控制量P(n)当成控制电压输出。控制电压限定模块是一个算法模块，根据不同的 状态值state，设定好每个state值下控制电压的范围，控制环路系统工作在一个状态值state下，当控制电压Vc小于控制电压下限时，控制电压Vc将会被钳定在这个下限，当控制电压Vc大于上限时，控制电压Vc将会限定在这个上限，控制电压Vc的大小和负载的大小有关，设定好每个状态值state下的控制电压Vc的范围也就设定好了每个状态值state下的负载范围，这样做有助于实现各个模式之间负载范围的交叉，防止出现在特定负载下工作模式来回切换的情况；

状态判断模块是一个算法模块，是基于verilog有限状态机综合得到的模块，状态判断模块根据数字采样模块输出Vod和控制电压限定模块的输出控制电压准确跳变到本周期控制环路系统的状态值state。基本要求是：

(1)本模块所示状态判断算法受外部两个量的影响：控制电压Vc和数字采样电压Vod的影响；

(2)在一个特定的工作模式下，系统发生模式转变必须是控制电压Vc和数字采样电压Vod同时满足转变条件；

(3)模式转变的条件从两方面来叙述：由高负载模式切向低负载模式和由低负载模式切向高负载模式，由高负载模式切向低负载模式条件为：1)控制电压Vc必须等于本周期工作模式下控制电压的下限；2)数字采样电压Vod必须高出基准电压Vref特定的大小；由低负载模式切向高负载模式：1)控制电压Vc必须等于本周期工作模式下控制电压的上限；2)数字采样电压Vod必须低于基准电压Vref特定的大小；

多模式开关信号产生模块包括比较器、寄存器、RS触发器、PWM模块、PFM模块、DPWM(deepPWM)模块、DPFM(deepPFM)模块、DDPWM(deepDPWM)模块。多模式开关信号产生模块能够根据控制环路系统本周期状态state、控制环路系统上周期状态state1和控制电压限定模块输出的控制电压来正确产生外部功率变换器开关管的导通信号和关断信号。多模式开关信号产生模块是一个算法模块，基本要求是：

(1)本模块包含调整脉冲宽度模块和调整脉冲频率模块，调整脉冲宽度模块包括PWM模块、DPWM模块和DDPWM模块，调整脉冲频率模块包括PFM模块和DPFM模块，系统根据此时的状态值state选择哪一个模块工作；

(2)本模块具有立即结束本周期的功能，在开关周期的第十阶段，如果检查到状态值state和state1不同，那就说明在本开关周期内模式发生了变化，此时本模块会立即结束本周期，开启下一个开关周期，这样做的目的是为了提高系统的动态响应速度；

(3)无论是调整脉冲宽度模块工作还是调整脉冲频率模块工作，它们的出发点都是 根据控制电压Vc的值；

(4)调整脉冲宽度模块采用现在通用的算法，而调整脉冲频率模块所包含调整开关频率算法从能量相等的角度出发，并经过公式推导得到了开关频f_s和控制电压Vc之间的关系，如下式：

$f_s=f_s^{\&prime;}\frac{V_c^2}{{V_c^{\&prime;}}^2}---\left(6\right)$

V′_C是切换点控制电压限定模块输出的控制电压值，f′_s为PWM模式下恒定的开关频率值，两者均为定值，这样我们就得到了PFM模式下开关频率f_s和Vc之间的关系。

图5是本发明的一个应用实例，图示受控功率变换器是一个原边反馈反激变换器，首先外部交流电源经过整流桥300变成直流电压，直流电压加在稳压电容301的两端，稳压电容301一端接大地，另一端接变压器原边绕组302的上端，原边绕组的下端接mos开关管317的漏极，开关管317的栅极接控制器产生的占空比信号duty，开关管源极接一个电流采样电阻316,电流采样电阻316的另一端接大地，副边绕组303的同名端和原边绕组的同名端相反，副边绕组303的上端接续流二极管304的阳极，续流二极管的阴极同时接上储能电容305和负载306的上端，储能电容305和负载306的下端相连并接到副边绕组303的下端，辅助绕组307的同名端和副边绕组303同名端方向相同，辅助绕组307的的上端接电压采样稳压电阻模块308，下端和电压采样稳压电阻模块308下端相连并同时接大地，分压模块308内部有两个分压电阻，分别为R1和R2，R1和R2串联，并且R2一端接地，一端接R1，R1另一端接辅助绕组上端，数字采样模块采集R2两端电压值，并转化为数字电压信号Vod,数字电压信号Vod同时输进减法器模块310的负端和状态判断模块312，在状态判断模块312根据Vod进行状态判断之前，首先将控制环路系统上周期状态state1赋给状态寄存模块313，状态寄存模块将控制环路系统上周期状态state1赋给多模式开关信号产生模块315，然后状态判断模块312根据数字采样模块输出Vod和上周期第二个控制电压Vc2(n-1)进行第一次状态判断，得到控制环路系统本周期第一个状态state，然后状态判断模块312把state分别赋给控制电压限定模块314和误差放大模块311，误差放大器模块311在本实施例中是一个增量式PI模块(详细信息会在图8中讲述)，误差放大器模块311会根据控制环路系统本周期的状态state改变内部的比例系数Kp、积分系数Ki和上一周期控制量P(n-1)的值，减法器模块310的输出信号是误差信号e(n)，误差信号e(n)在上述动作完成之后输入到误差放大器模块311，误差放大模块311会根据此时的Kp、Ki和P(n-1)的值进行误差信号的放大，进而得到本周期控制量P(n),控制量P(n)会输入到控制电压限定模块314，控制电压限定模块314会根据控制环路系统本周期状态 state和控制量P(n)的值得到控制环路系统本周期第一个控制电压Vc1(n)(详细会在图6中介绍),本周期第一个控制电压Vc1(n)首先输入到状态判断模块312进行本周期的第二次状态判断，状态判断模块根据本周期第一个控制电压Vc1(n)和数字采样模块输出Vod进行本周期第二次状态判断，得到控制环路系统本周期第二个状态值state，这里需要说明的是在一个开关周期内控制环路系统的状态值state最多发生一次转变，出现这种情况的原因和转变条件有关。状态判断模块312把控制环路系统本周期的二个状态state输入到多模式开关信号产生模块315和控制电压限定模块314，控制电压限定模块314会根据控制环路系统本周期第二个状态state和本周期第一个控制电压Vc1(n)(此时的控制电压Vc1(n)相当于控制量P(n)的作用)来得到本周期第二个控制电压Vc2(n)，控制电压Vc2(n)会输入到多模式开关信号产生模块315和状态判断模块312，多模式开关信号产生模块315还会采样电流采样电阻316两端电压Vs用来产生占空比信号duty，占空比信号duty会输入到开关管317的栅极用来控制功率变换器。

图6是实施例中控制电压限定模块结构框图（附图标记400），控制环路系统本周期状态state输入到控制电压限定模块400内部一个寄存器407，内部寄存器的输出分别接到开关1、2、3、4、5，在不同的state下，开关1、2、3、4、5中只会有一个导通，开关1导通则选通PWM限定模块401，开关2导通则选通PFM限定模块，开关3导通则选通DPWM限定模块，开关4导通则选通DPFM限定模块，开关5导通则选通DDPWM限定模块，本周期控制量P(n)和本周期控制电压Vc1(n)输入到内部二选一模块406，本周期第一次电压限定时二选一模块406选择本周期控制量P(n)作为输出，第二次电压限定时选择本周期控制电压Vc1(n)作为输出，二选一模块406的输出分别接到PWM限定模块401、PFM限定模块、DPWM限定模块403、DPFM限定模块404、DDPWM限定模块405，在PWM限定模块401中，比较器输出ab为10时，该模块输出为限定上限Vc_pwm+,比较器输出为01时，输出为限定下限Vc_pwm-,比较器输出ab为11时，模块401直接输出二选一模块406的输出。在PFM限定模块402中，比较器输出ab为10时，该模块输出为限定上限Vc_pfm+,比较器输出为01时，输出为限定下限Vc_pfm-,比较器输出ab为11时，模块401直接输出二选一模块406的输出。在DPWM限定模块403中，比较器输出ab为10时，该模块输出为限定上限Vc_dpwm+,比较器输出为01时，输出为限定下限Vc_dpwm-,比较器输出ab为11时，模块401直接输出二选一模块406的输出。在DPFM限定模块401中，比较器输出ab为10时，该模块输出为限定上限Vc_dpfm+,比较器输出为01时，输出为限定下限Vc_dpfm-,比较器输出ab为11时，模块401直接输出二选一模块406的输出。在 DDPWM限定模块401中，比较器输出ab为10时，该模块输出为限定上限Vc_ddpwm+,比较器输出为01时，输出为限定下限Vc_ddpwm-,比较器输出ab为11时，模块401直接输出二选一模块406的输出，任何时刻只有一个限定模块起作用，保证输出的控制电压Vc不会出现冲突。在设定模块401、模块402、模块403、模块404、模块405内部控制电压上下限时，应保证相邻控制环路系统状态state之间存在负载范围的交叠。

图7展示了PWM模式和PFM模式之间的控制电压范围之间的关系，在设置控制电压范围时，PWM模式和PFM模式负载范围存在交叠区域。

图8是一个实施例中误差放大模块500内部结构图，模块500内部包含一个数字PI模块501和一个寄存器模块502，模块501是一个增量式数字PI模块，与普通增量式PI模块不同的是，模块501内部的比例参数Kp、积分参数Ki和上周期控制量P(n-1)受到模块502的控制，当控制环路系统状态态由PWM变为PFM，上周期控制量P(n-1)跳变为Vc_pfm+；当控制环路系统状态态由PFM变为DPWM，上周期控制量P(n-1)跳变为Vc_dpwm+；当控制环路系统状态态由DPWM变为DPFM，上周期控制量P(n-1)跳变为Vc_dpfm+；当控制环路系统状态态由DPFM变为DDPWM，上周期控制量P(n-1)跳变为Vc_ddpwm+；当控制环路系统状态态由DDPWM变为DPFM，上周期控制量P(n-1)跳变为Vc_dpfm-；当控制环路系统状态态由DPFM变为DPWM，上周期控制量P(n-1)跳变为Vc_dpwm-；当控制环路系统状态态由DPWM变为PFM，上周期控制量P(n-1)跳变为Vc_pfm-；当控制环路系统状态态由PWM变为PFM，上周期控制量P(n-1)跳变为Vc_pwm-。比例参数Kp和积分参数Ki的调节和控制环路系统稳定性相关。

图9是实施例中状态判断模块所实现的状态转移图，状态转移模块的功能就是根据数字采样模块309的输出Vod和控制电压限定模块的输出控制电压Vc来进行控制环路系统的状态跳变，当控制环路系统状态state处在PWM时，如果满足条件Vc＝Vc_pwm-&&Vod>＝(Vref+ΔVref)，那么控制环路系统状态state将会有PWM切向PFM，否则将维持在PWM；当控制环路系统状态state处在PFM时，如果满足条件Vc＝Vc_pfm-&&Vod>＝(Vref+ΔVref)，那么控制环路系统状态state将会有PFM切向DPWM，如果满足条件Vc＝Vc_pfm+&&Vod<＝(Vref-ΔVref)，那么控制环路系统状态state将会有PFM切向PWM，上述两个条件都不满足时，控制环路系统状态state将会维持在PFM不变；当控制环路系统状态state处在DPWM时，如果满足条件Vc＝Vc_dpwm-&&Vod>＝(Vref+ΔVref)，那么控制环路系统状态state将会有DPWM切向DPFM，如果满足条件Vc＝Vc_dpwm+&&Vod<＝(Vref-ΔVref)，那么控制环路系统状态state将会有DPWM切向PFM，上述两个条件都不满 足时，控制环路系统状态state将会维持在DPWM不变；当控制环路系统状态state处在DPFM时，如果满足条件Vc＝Vc_dpfm-&&Vod>＝(Vref+ΔVref)，那么控制环路系统状态state将会有DPFM切向DDPWM，如果满足条件Vc＝Vc_dpfm+&&Vod<＝(Vref-ΔVref)，那么控制环路系统状态state将会有DPFM切向DPWM，上述两个条件都不满足时，控制环路系统状态state将会维持在DPFM不变；当控制环路系统状态state处在DDPWM时，如果满足条件Vc＝Vc_ddpwm+&&Vod<＝(Vref-ΔVref)，那么控制环路系统状态state将会有DDPWM切向DPFM，否则将维持在DDPWM。

图10以一种示意图的形式展示了状态判断模块中状态发生跳变时的数字采样电压Vod的触发条件，只有当数字采样电压Vod>＝(Vref+ΔVref)或Vod<＝(Vref-ΔVref)时，控制环路系统的状态值才有可能发生转变。

图11展示了一个实施例中多模式开关信号产生模块600的结构框图，外部输入的本周期第二个控制电压Vc2(n)分别输入到了PWM模块、PFM模块、DPWM模块、DPFM模块和DDPWM模块，控制环路系统本周期状态state输入到了内部state模块610，PWM模块604和state模块610通过开关模块612相连，PFM模块605和state模块610通过开关模块613相连，DPWM模块606和state模块610通过开关模块614相连，DPFM模块607和state模块610通过开关模块615相连，DDPWM模块608和state模块610通过开关模块616相连，内部state模块610同时输入到内部判断模块611，内部判断模块611的另外一个输入为上周期控制环路状态state1，PWM模块604有两个输出信号，一个输出信号为本周期第二个控制电压Vc2(n),此信号输入到DAC模块601，另外一个输出信号是一个具有固定频率f1的脉冲信号CLK_SET，此信号用于RS触发器模块603置位；PFM模块605有两个输出信号，一个输出信号为PFM状态下控制电压的上限Vc_pfm+,此信号输入到DAC模块601，另外一个输出信号是一个具有可变频率的脉冲信号CLK_SET，此信号用于RS触发器模块603置位，不妨设脉冲频率为f2,根据本发明所述的调频公式则有：式中f′₂是PFM状态下CLK_SET的最高频率；DPWM模块606有两个输出信号，一个输出信号为本周期第二个控制电压Vc2(n),此信号输入到DAC模块601，另外一个输出信号是一个具有固定频率f3的脉冲信号CLK_SET，此信号用于RS触发器模块603置位；DPFM模块607有两个输出信号，一个输出信号为DPFM状态下控制电压的上限Vc_dpfm+,此信号输入到DAC模块601，另外一个输出信号是一个具有可变频率的脉冲信号CLK_SET，此信号用于RS触发器模块603置位，不妨设脉冲频率为f4,根据 本发明所述的调频公式则有：式中f′₄是DPFM状态下CLK_SET的最高频率；DDPWM模块604有两个输出信号，一个输出信号为本周期第二个控制电压Vc2(n),此信号输入到DAC模块601，另外一个输出信号是一个具有固定频率f5的脉冲信号CLK_SET，此信号用于RS触发器模块603置位；根据开关控制环路系统本周期状态state，开关612、613、614、615、616只能有一个导通，也就是说PWM模块604、PFM模块605、DPWM模块606、DPFM模块607和DDPWM模块608只能同时有一个工作，任何时刻只能有一个模块的输出信号起作用。DAC模块601的输出接到比较器模块602的负端，比较器模块602的正端接的是外部输入的采样信号Vs,在外部功率变换器开关管导通期间，采样信号Vs是不断增大的，当采样信号Vs大于DAC模块601的输出信号时，比较器模块602的输出信号发生偏转，产生CLK_REST信号，使得RS触发器模块603复位。多模式开关信号产生模块600内部还有一个装变模块609，如果判断模块611检查到控制环路系统本周期状态state和上周期状态state1不同，那么转变模块609将直接产生CLK_SET信号，使得RS触发器模块603置位。

Claims (5)

1.一种用于多模式数字开关电源的控制环路系统，其特征在于，包括数字采样模块、误差产生模块、状态寄存模块、状态判断模块、误差放大模块、控制电压限定模块和多模式开关信号产生模块构成的控制环路系统，该控制环路系统与受控功率变换器构成闭环；在本周期受控功率变换器开关管导通期间，多模式开关信号产生模块根据控制环路系统上周期的状态值state1和上周期控制电压Vc2(n-1)计算得到本周期开关导通时间和本周期的开关频率，然后数字采样模块采集功率变换器的输出电压信号并将其转化为数字信号Vod同时输出给误差产生模块和状态判断模块，状态判断模块先把控制环路系统上周期的状态值state1输出至状态寄存模块，然后根据此时采样的数字信号Vod和上周期控制电压Vc2(n-1)进行本周期第一次状态判断，控制环路系统得到本周期的状态值state，误差放大模块根据本周期的状态state调节内部比例系数Kp、积分系数Ki和上周期误差放大模块的输出控制量P(n-1)；数字信号Vod经过误差产生模块产生误差信号e(n),误差放大模块在内部Kp、Ki和P(n-1)调整完成之后把本周期的误差信号e(n)进行放大并产生本周期控制量P(n),本周期控制量P(n)进入控制电压限定模块，控制电压限定模块根据控制环路系统本周期的状态值state和本周期控制量P(n)，得到本周期第一次输出控制电压Vc1(n)并将控制电压Vc1(n)输入到状态判断模块，状态判断模块根据本周期控制电压Vc1(n)和数字采样信号Vod进行本周期第二次状态判断，控制环路系统得到本周期状态值state，由于一个开关周期之内控制环路系统的状态只可能发生一次转变，也就是说如果第一次状态发生了变化，那么第二次肯定不会发生变化，出现这种情况的原因是根据状态发生转变的条件决定的；然后本周期第一个控制电压Vc1(n)会重新输入到控制电压限定模块，控制电压限定模块根据本周期控制环路系统的状态值state得到本周期第二次输出控制电压Vc2(n)，控制电压Vc2(n)会输入到多模式开关信号产生模块；多模式开关信号产生模块接着进行的操作就是判断本周期控制环路系统的状态值state和上周期控制环路系统的状态值state1是否相同，如果不同，则直接结束本周期，并产生受控功率变化器开关导通信号，使得受控功率变换器开关导通；如果相同，则根据本周期计算得到的开关频率值，到本周期正常结束，产生受控功率变化器开关导通信号，使得受控功率变换器开关管导通；控制环路系统中：

数字采样模块用于采集功率变换器的输出电压信号并将其转化为数字信号Vod；

误差产生模块包括一个减法器，用于将基准电压Vref与数字采样模块采集得到的数字信号Vod相减得到误差信号e(n)；

状态寄存模块用于在每个开关周期进行状态判断之前寄存上周期的控制环路系统状态值state1；

状态判断模块用于根据数字采样模块输出Vod和控制电压限定模块的输出控制电压准确跳变到本周期控制环路系统的状态值state；

误差放大模块是一个增量式的PI模块，误差放大模块本周期的输出定义为本周期控制量P(n),它内部的比例系数Kp、积分系数Ki和上周期控制量P(n-1)受到控制环路本周期状态值state调节；

控制电压限定模块包括比较器、多路选择器、寄存器，控制电压限定模块根据控制环路系统本周期状态值state和本周期控制量P(n)智能选择输出控制电压，如果在一个控制环路系统状态值state中，本周期控制量P(n)高于控制电压限定模块所限定的控制电压范围，那么输出的控制电压将会是所限定控制电压范围的上限，如果在一个控制环路系统状态值state中，本周期控制量P(n)低于控制电压限定模块所限定的控制电压范围，那么输出的控制电压将会是所限定控制电压范围的下限，如果本周期控制量P(n)在控制电压限定模块所限定的控制电压范围内，那么控制电压限定模块直接把本周期控制量P(n)当成控制电压输出；

多模式开关信号产生模块包括比较器、寄存器、RS触发器、PWM模块、PFM模块、DPWM模块、DPFM模块、DDPWM模块，多模式开关信号产生模块根据控制环路系统本周期状态state、控制环路系统上周期状态值state1和控制电压限定模块输出的控制电压来正确产生受控功率变换器开关管的导通信号和关断信号。

2.根据权利要求1所述用于多模式数字开关电源的控制环路系统，其特征在于，在一个开关周期内控制环路系统的控制流程包括以下具体内容：

把一个开关周期划分为十个阶段：

第一阶段：在受控功率转换器开关管导通期间，多模式开关信号产生模块根据控制环路系统上周期的状态值state1和上周期控制电压Vc2(n-1)计算得到本周期开关导通时间和本周期的开关频率，保证受控功率转换器开关管的正常工作；

第二阶段：数字采样模块采集受控功率变换器的输出电压信号并将其转化为数字信号Vod，然后同时输出给误差产生模块和状态判断模块；

第三阶段：状态判断模块把控制环路系统上周期状态值state1赋给状态寄存模块；

第四阶段：状态判断模块根据数字采样模块输出Vod和上周期控制电压Vc2(n-1)来进行本周期第一次状态判断，并且把判断后控制环路系统本周期状态值state赋给误差放大模块和控制电压限定模块；

第五阶段：误差产生模块接受数字采样模块的输出值Vod，并拿基准电压Vref的值减去Vod，得到本周期误差信号e(n)；

第六阶段：误差放大模块根据控制环路系统本周期的状态state调整内部比例参数Kp、积分参数Ki和上周期控制量P(n-1),调整完成之后，误差放大模块根据本周期误差e(n)进行误差信号的放大，误差放大模块的输出就是本周期控制量P(n)，然后将本周期控制量P(n)输入到控制电压限定模块；

第七阶段：控制电压限定模块根据本周期控制量P(n)和控制环路系统本周期状态值state来进行第一次控制电压限定，得到本周期第一个控制电压Vc1(n)；

第八阶段：状态判断模块根据本周期第一个控制电压Vc1(n)和数字采样模块输出Vod进行本周期第二次状态判断，得到控制环路系统本周期的状态state，然后将控制环路系统本周期状态值state赋给多模式开关信号产生模块和控制电压限定模块；

第九阶段，控制电压限定模块根据控制环路系统本周期的状态值state和本周期第一个控制电压Vc1(n)来进行第二次控制电压的限定，得到本周期第二个控制电压Vc2(n),并将本周期第二个控制电压Vc2(n)赋给多模式开关信号产生模块和状态判断模块；

第十阶段，多模式开关信号产生模块接收本周期第二个控制电压Vc2(n),多模式开关信号产生模块接着进行的操作就是判断本周期控制环路系统的状态值state和上周期控制环路系统的状态值state1是否相同，如果不同，则直接结束本周期，并产生受控功率变换器开关导通信号，使得受控功率变换器开关管导通；如果相同，则根据本周期计算得到的开关频率值，到本周期正常结束，产生受控功率变换器开关导通信号，使得受控功率变换器开关管导通，接着循环执行第一阶段的操作。

3.根据权利要求2所述用于多模式数字开关电源的控制环路系统，其特征在于，在每一个控制环路系统状态state中，控制电压限定模块输出的本周期控制电压Vc1(n)或Vc2(n)都有自己的限定范围，其限定范围在最大值与最小值之间：

在PWM状态中，控制电压的范围是【Vc_pwm+,Vc_pwm-】；

在PFM状态中，控制电压的范围是【Vc_pfm+,Vc_pfm-】；

在DPWM状态中，控制电压的范围是【Vc_dpwm+,Vc_dpwm-】；

在DPFM状态中，控制电压的范围是【Vc_dpfm+,Vc_dpfm-】；

在DDPWM状态中，控制电压的范围是【Vc_ddpwm+,Vc_ddpwm-】；

如果误差放大器的输出p(n)大于控制电压的范围，则控制电压输出该模式下的最大值，反之如果小于控制电压的范围，则控制电压输出为该模式下的最小值，以限制每个模式下输出负载功率的大小，方便系统根据负载大小实现模式跳变，当模式发生变化时，控制电压也会跳变到相应的大小，实现模式之间平滑的切换，为了防止在相应的负载点出现在两模式之间来回切换的情况，设定相邻的高功率模式的负载范围要和低功率模式的负载范围有一定的重叠。

4.根据权利要求2所述用于多模式数字开关电源的控制环路系统，其特征在于，状态判断模块在一个开关周期之内判断两次，本周期第一次状态判断的电平触发源为上周期控制电压Vc2(n-1)和采样电压Vod，本周期第二次状态判断的电平触发源为本周期第一个控制电压Vc1(n)和采样电压Vod，两次状态判断分处于开关周期的不同时间段内，只有当数字采样模块输出Vod和控制电压限定模块输出控制电压同时达到条件才会发生控制环路系统工作状态state的转变，其中的一种情况是，当控制环路系统处在低负载工作状态值state时，如果满足Vod<＝Vref–ΔVref，并且控制电压限定模块输出的控制电压达到了此时控制环路系统工作状态值state下所限定的上限，那么控制环路系统的状态值state将会跳变到相邻高负载工作状态值state，如果满足Vod>＝Vref+ΔVref，并且控制电压限定模块输出的控制电压达到了此时控制环路系统工作状态值state下所限定的下限，那么控制环路系统状态值state将会跳变到相邻低负载工作状态值state，Vref代表模式转换的基准控制电压，ΔVref代表偏离基准控制电压的微小变化量。

5.根据权利要求2所述用于多模式数字开关电源的控制环路系统，其特征在于，多模式开关信号产生模块中PFM或DPFM模块根据控制电压限定模块输出的控制电压准确调整PFM或DPFM控制环路系统状态state中的开关频率，调整方式用下面公式表示：

$f_s=f_s^{\&prime;}\frac{v_c^2}{v_c^{\&prime;2}}---\left(1\right)$

式中V_c为本周期控制电压限定模块的输出控制电压，为PFM或DPFM控制环路系统工作状态下最高开关频率，为PFM/DPFM控制环路系统工作状态下控制电压限定模块所限定的上限，f_s是控制电压为V_c时控制环路系统产生的开关频率。