CN104242649A - 开关电源的多模式切换方法及开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源的多模式切换方法及开关电源，在开关电源上增设模式选择引脚，用于接收外部输入的模式选择信号；用于控制开关管通断的控制模块根据所述模式选择信号限定其输出的调制信号的类型，进而对开关电源的工作模式进行限制。本发明采用增加外部输入电压的方式来控制开关电源在其支持的多种工作模式下进行选择切换，并在选定工作模式后，无论负载电流如何变化都强制开关电源工作在该种模式下。由此不仅提高了开关电源的通用性，使得一路开关电源可以工作在多种模式下，满足了不同系统的不同设计要求；而且对于某些特定应用场合，可以确保开关电源的工作模式不会随着负载电流变化，满足了一些场合的特定应用需求。

Description

开关电源的多模式切换方法及开关电源

技术领域

 本发明属于开关电源技术领域，具体地说，是涉及一种用于控制开关电源在多种工作模式中进行选择切换的控制方法及基于这种切换控制方法设计的开关电源。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，来使得其输出的电压保持恒定的一种电源,通常由MOSFET开关管和控制MOSFET通断的控制模块以及电压转换电路等部分组成。

目前的开关电源，按照控制方式的不同可以分为电压/电流控制方式、迟滞控制方式、恒定导通时间控制方式等。其中，电压/电流控制方式需要内部时钟，基于调制模式的不同，可以工作在脉冲宽度调制模式（Pulse Width Modulation，PWM）下、脉冲频率调制模式(Pulse Frequency Modulation，PFM)下或者跳周期调制模式(Pulse Skip Modulation，PSM)下。在PWM模式下，控制模块输出的开关频率固定，通过调整脉冲宽度来稳定输出电压。而在PFM模式或者PSM模式下，控制模块通过改变开关频率来满足负载电流的变化。由于PWM模式可以保持恒定的开关频率，因此在瞬态响应速度及噪声方面具有很好的性能，尤其适合应用在重载场合。而PFM和PSM这两种模式由于可以随负载电流的减小而降低开关频率，因此可以减小开关损耗，提高系统的转换效率，尤其适合在负载电流变化范围较大的场合中应用。

现有的开关电源，在设计过程中往往已经将其所基于的调制模式固定下来，也就是说，一款开关电源只能工作在一种调制模式下，通过接收负载电流的反馈值来调节其脉冲宽度（针对PWM模式）或者开关频率（针对PFM模式），进而实现其输出电压的稳定。这种设计方式导致技术人员需要事先根据应用场合的实际负载情况选择合适的开关电源进行系统电路的具体设计，通用性差，增加了技术人员的工作量。即便是某些开关电源可以根据负载的电流变化自适应地改变其工作模式，但对于某些需要强制开关电源工作在某一特定模式下的应用场合，这种开关电源仍无法满足应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关电源的多模式切换方法及开关电源，可以借助外部信号的控制来改变开关电源的工作模式，并强制开关电源工作在选定的工作模式下。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一方面，本发明提供了一种开关电源的多模式切换方法，在开关电源上增设模式选择引脚，用于接收外部输入的模式选择信号；用于控制开关管通断的控制模块根据所述模式选择信号限定其输出的调制信号的类型，进而对开关电源的工作模式进行限制。

为了尽量控制开关电源的引脚数量，将所述模式选择信号设定为模拟信号，所述开关电源支持的工作模式为N种，所述N为大于1的整数；在开关电源中设置模式选择电路，利用所述模式选择电路将一路模拟量的模式选择信号处理成N路数字量的模式使能信号，传输至所述的控制模块，所述控制模块选定输出的调制信号的类型，控制开关电源工作在选定的工作模式下。

优选的，所述开关电源支持的工作模式包括脉冲宽度调制模式、脉冲频率调制模式和超声模式；利用所述模式选择电路转换输出的超声模式使能信号控制一超声计时器运行，设置所述超声计时器的计时时间小于50微秒，将超声计时器输出的计时脉冲发送至控制模块，进而将所述控制模块输出的脉冲频率调制信号的频率限制在20KHz以上，以避免出现音频噪声。

为了避免线路故障或者过载导致开关电源损坏，本发明的开关电源采集负载电流，并与设定的上限值进行比较，若负载电流超过上限值，则屏蔽N路所述的模式使能信号，使所述控制模块停止输出调制信号，进入保护状态。

另一方面，本发明提供了一种开关电源，包括开关管、用于控制所述开关管通断的控制模块以及与所述开关管连通的电压转换电路，在所述开关电源上增设有模式选择引脚，用于接收外部输入的模式选择信号；所述控制模块根据所述模式选择信号限定其输出的调制信号的类型，传输至所述的开关管，以对开关电源的工作模式进行限制后，经电压转换电路输出负载所需的电压。

为了尽可能地减少开关电源的引脚数量，所述模式选择信号优选设定为一路模拟信号，所述开关电源支持的工作模式为N种，所述N为大于1的整数；在开关电源中设置有模式选择电路，所述模式选择电路接收所述模式选择信号，并处理成N路数字量的模式使能信号，传输至所述的控制模块，限制所述控制模块输出的调制信号的类型，控制开关电源工作在选定的工作模式下。

进一步的，在所述模式选择电路中设置有N-1路比较器和N路数字逻辑电路，将所述模式选择信号一一对应地传输至N-1路比较器与预先设定的N-1路设定阈值进行比较，输出N-1路开关量信号；根据预先设定的模式选择信号的不同电压值所对应的调制信号类型的不同，确定出N路模式使能信号与所述N-1路开关量信号之间的逻辑对应关系，进而根据所述逻辑对应关系构建N路数字逻辑电路，生成所需的N路模式使能信号。

优选的，所述开关电源支持的工作模式包括脉冲宽度调制模式、脉冲频率调制模式和超声模式；所述模式选择电路转换输出的超声模式使能信号传输至一超声计时器，所述超声计时器的计时时间小于50微秒，在超声工作模式下，所述控制模块接收超声计时器输出的计时脉冲，根据计时脉冲限制其输出的脉冲频率调制信号的频率在20KHz以上。

为了避免线路故障或者过载导致开关电源损坏，本发明在所述开关电源的输出端连接有负载电流采样电路，所述负载电流采样电路将负载电流转换成负载电压反馈至开关电源，若负载电压超过预先设定的上限值，则屏蔽N路所述的模式使能信号，使控制模块停止输出调制信号，进入保护状态。

为了在负载电压超限时，能够实现对N路模式使能信号的屏蔽，将所述负载电压反馈至开关电源中的另一路比较器，所述另一路比较器将接收到的负载电压与所述上限值进行比较，输出保护信号与N路模式使能信号分别经由N路与门分别进行与运算后，传输至所述的控制模块。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用增加外部输入电压的方式来控制开关电源在其支持的多种工作模式下进行选择切换，并在选定工作模式后，无论负载电流如何变化都强制开关电源工作在该种模式下。由此不仅提高了开关电源的通用性，使得一路开关电源可以工作在多种模式下，满足了不同系统的不同设计要求；而且对于某些特定应用场合，可以确保开关电源的工作模式不会随着负载电流的变化而改变，从而满足了一些场合的特定应用需求，拓展了开关电源的适用领域。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的开关电源的一种实施例的多模式切换部分的电路原理框图；

图2是图1中的模式选择电路的一种实施例的部分电路原理图；

图3是图1中的模式选择电路的一种实施例的另一部分电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

为了使得开关电源在其所支持的多种工作模式中，能够按照用户的实际需求切换工作在所需的模式下，继而满足不同系统的用电要求，本实施例对现有的开关电源进行改进性设计，在开关电源上增设模式选择引脚，接收外部提供的模式选择信号，系统通过输入的模式选择信号来判断用户所需的工作模式，进而控制开关电源切换工作在该模式下。一旦模式选择完成，无论负载电流如何变化，开关电源始终工作于该模式，由此实现了开关电源的多模式切换。

针对开关电源目前的实际应用情况，本实施例主要考虑以下三种工作模式：

1、PWM模式：在一些应用中，要求保持开关电源的开关频率恒定，不随负载电流变化，这就需要提供一种强制PWM模式。在该模式下，开关管的开关频率不随负载电流的变化而改变，优点是能够保持频率为常数，提高负载瞬态响应速度，减小音频噪声，适合应用在重载系统中。

2、PFM模式：PFM模式的最大优点是开关管的开关频率在全负载范围内随负载电流的变化而改变，开关频率理论上可以无限降低，在轻载条件下可以将其导通损耗和开关损耗降至最低，进而达到在全负载范围内最高的转换效率。因此，在负载电流变化范围较大的应用中，优选PFM模式进行工作。

3、超声（Ultra Sonic，US）模式：由于在PFM模式下，开关管的开关频率会随着负载电流的减小而一直降低，在负载电流很小甚至空载时，开关频率可能会一直下降至20KHz以下。由于人耳的听觉范围在20Hz-20KHz之间，因此在开关管的开关频率低于20KHz时，开关或电感电流的噪声会进入人耳的听觉范围，即产生音频噪声。为了避免音频噪声，本实施例设计了超声模式，即US模式，该模式的工作原理是：限制开关管的最低开关频率为H，所述H>20KHz；调节开关管的开关频率随负载电流的变化而改变，即类似于PFM工作模式，当开关频率下降至H时，维持开关频率等于H，即保证开关频率始终处于20KHz以上，由此避免了音频噪声的产生。超声模式与PFM模式的区别在于：在开关电源的设计上增加了一个超声计时器，利用超声计时器产生的计时脉冲限制开关管的最低开关频率，使开关管的开关频率始终维持在20KHz以上。由于超声模式具有上述工作特性，因此适合应用在轻载或者有时会出现空载的应用场合中，在保证轻载效率的同时，可以避免音频噪声的产生。

下面针对上述三种工作模式，对开关电源的具体设计方式进行详细地阐述。

本实施例首先在开关电源上增设至少一路用于接收模式选择信号的模式选择引脚，出于尽量减少开关电源引脚数量的考虑，所述模式选择信号优选设定为一路模拟信号，例如一路电压信号，在开关电源上增设一路模拟量的模式选择引脚，接收外部提供的所述电压信号，继而根据该电压信号的电压值判断用户选择的工作模式。在开关电源内部，用于控制开关管通断的控制模块（所述控制模块可以是逻辑控制电路或者是控制IC）根据用户选择的工作模式产生并输出与该工作模式对应类型的调制信号，进而对开关电源的工作模式进行限制。

以上述三种工作模式为例进行说明，可以针对模式选择信号Vmode的电压范围定义两个设定阈值S1、S2，且S1>S2。当模式选择信号Vmode的电压值大于S1时，对应其中一种工作模式，例如PFM模式；当Vmode的电压值处于S1与S2之间时，对应另外一种工作模式，例如PWM模式；当Vmode的电压值小于S2时，对应第三种工作模式，例如US模式。控制模块根据识别出的工作模式输出PWM信号、PFM信号或者US信号（即限制了最低频率的PFM信号），从而控制开关电源切换至相应的工作模式。

根据上述设计思想，对于工作模式为N种（N为大于1的正整数）的开关电源来说，只需针对模式选择信号Vmode的电压范围定义N-1个设定阈值，并将实际输入的模式选择信号Vmode的电压值与所述N-1个设定阈值进行比较，即可判断出用户选定的工作模式。

考虑到在现有的开关电源中，用于产生调制信号的控制模块通常选用数字逻辑控制芯片，适合接收数字量信号的情况，本实施例在开关电源中设计模式选择电路，接收外部输入的模拟量的模式选择信号Vmode，并转换成N路数字量的模式使能信号，例如开关量形式的PWM模式使能信号PWM_EN、PFM模式使能信号PFM_EN、US模式使能信号US_EN等，输出至控制模块，限制所述控制模块输出的PWM、PFM等调制信号，进而控制开关电源切换至PWM、PFM或者US等工作模式，实现开关电源的多模式切换功能。

作为所述模式选择电路的具体设计方式，本实施例提出了一种采用比较器配合数字逻辑电路的硬件组建方式，参见图2、图3所示。以N=3为例进行说明，对于开关电源的工作模式为三种的情况，可以选用两路比较器CMP1、CMP2配合三路数字逻辑电路来构建所述的模式选择电路。根据输入的模式选择信号Vmode的电压范围定义两个设定阈值S1、S2，例如：S1=2V，S2=1.2V。两个设定阈值S1、S2所对应阈值电压可以由开关电源内部的分压电路提供。将两个设定阈值S1、S2所对应的阈值电压分别传输至比较器CMP1、CMP2的同相输入端+，两个比较器CMP1、CMP2的反相输入端-均接收所述的模式选择信号Vmode。当模式选择信号Vmode的电压值大于S1时，比较器CMP1、CMP2均输出低电平，即M1=0、M2=0；当模式选择信号Vmode的电压值介于S1与S2之间时，比较器CMP1输出高电平，比较器CMP2输出低电平，即M1=1、M2=0；当模式选择信号Vmode的电压值小于S2时，比较器CMP1、CMP2均输出高电平，即M1=1、M2=1。假设模式使能信号PWM_EN、PFM_EN、US_EN均为高电平有效，即高电平时选中对应的工作模式，则按照上述模式选择信号Vmode的电压值所对应的工作模式的定义方式，可以获得Vmode的电压值与比较器CMP1、CMP2的输出以及模式使能信号置高的对应关系表，如表1所示：

Vmode电压	M1	M2	选择信号
				1.2V≤Vmode≤2V	1	0	PWM_EN=1
Vmode>2V	0	0	PFM_EN=1
				Vmode<1.2V	1	1	US_EN=1

表1。

由表1可以得出模式使能信号PWM_EN、PFM_EN、US_EN与M1、M2的对应关系的逻辑表达式：

。

根据上述逻辑表达式即可构建出三路数字逻辑电路，以生成所需的三路开关量的模式使能信号PWM_EN、PFM_EN、US_EN。如图3所示，对于PWM模式使能信号PWM_EN，可以将比较器CMP2输出的开关量信号M2首先经非门U11取反后，通过与非门U12与比较器CMP1输出的开关量信号M1进行与非运算，然后通过非门U13取反后，输出所述的PWM模式使能信号PWM_EN。对于PFM模式使能信号PFM_EN，可以将比较器CMP1、CMP2输出的开关量信号M1、M2首先各自经由一路经非门U21、U22分别进行取反后，再传输至与非门U23进行与非运算，然后通过非门U24取反后，输出所述的PFM模式使能信号PFM_EN。对于US模式使能信号US_EN，则可以将比较器CMP1、CMP2输出的开关量信号M1、M2直接传输至与非门U31进行与非运算后，仅有非门U32进行取反，得到所述的US模式使能信号US_EN。

当然，也可以将图3中的与非门U12、U23、U31以及与其输出端连接的非门U13、U24、U32分别替换成一个与门，同样可以获得所需的模式使能信号PWM_EN、PFM_EN、US_EN。对于所述数字逻辑电路的具体组建方式，本实施例并不仅限于以上举例。

将通过模式选择电路输出的三路模式使能信号PWM_EN、PFM_EN、US_EN传输至控制模块，即可控制所述控制模块切换至相应的工作模式。

当然，对于开关电源的工作模式不是三种情况，例如开关电源还可以工作在DPWM模式（数字PWM模式）或者DPFM模式（数字PFM模式）下，则可以针对开关电源所支持的工作模式的数量N，选择N-1路比较器与预先设定的N-1路设定阈值进行比较，输出N-1路开关量信号；然后，根据预先设定的模式选择信号Vmode的不同电压值所对应的调制信号类型的不同，确定出N路模式使能信号与所述N-1路开关量信号之间的逻辑对应关系，进而根据所述逻辑对应关系构建N路数字逻辑电路，生成所需的N路模式使能信号，实现开关电源在N种工作模式中的选择切换。

由于在超声模式下，需要对控制模块输出的脉冲频率调制信号的最低频率进行限制，因此，本实施例将通过模式选择电路输出的US模式使能信号US_EN同时传输至一超声计时器，当US_EN为高电平有效时，启动超声计时器运行，根据其计时时间（小于50um）生成频率大于20KHz的计时脉冲，传输至所述的控制模块，限制通过控制模块输出的调制信号的频率保持的20KHz以上，以避免开关噪声的产生。

作为本实施例的一种优选设计方案，设置所述超声计时器的计时时间为40um，对应的计时脉冲的频率为25KHz，通过设置开关电源的开关频率相比人耳的听觉范围留出一定的余量，以更好地消除音频噪声，使得开关电源在噪声方面具有更好的性能。

出于对开关电源工作安全方面的考虑，本实施例对开关电源输出的负载电流进行检测，具体可以采用在开关电源的供电输出端连接电流采样电路，利用电流采样电路采集系统中的负载电流，并转换成负载电压Vx反馈至开关电源，通过与预先设定的上限值Vlimit进行比较，进而在负载电压Vx超出上限值Vlimit时，屏蔽通过模式选择电路输出的各路模式使能信号，进而使得控制模块停止运行，进入保护状态。

为了实现上述设计目的，本实施例在所述开关电源中设计另一路比较器CMP3，如图1所示，将比较器CMP3的同相输入端+连接上限值Vlimit所对应的上限电压，所述上限电压Vlimit同样可以由开关电源内部的分压电路提供。当负载电压Vx超出上限值Vlimit时，比较器CMP3输出低电平有效的保护信号M3，分别传输至三路与门U1、U2、U3的其中一个输入端，将三路与门U1、U2、U3的另外一个输入端分别与模式选择电路的三路模式使能信号输出端一一对应连接，接收三路模式使能信号PWM_EN、PFM_EN、US_EN并与低电平的保护信号M3进行与运算后，输出低电平无效的模式使能信号PWM_EN_1、PFM_EN_1、US_EN_1，控制所述控制模块停止运行，达到过流保护的目的。而当负载电压Vx低于上限值Vlimit时，则通过比较器CMP3输出的保护信号为高电平，与三路模式使能信号PWM_EN、PFM_EN、US_EN进行与运算后，不会改变三路模式使能信号PWM_EN、PFM_EN、US_EN的高低电平状态，实现对控制模块工作模式的准确切换。

对于超声计时器来说，可以接收通过与门U3输出的US模式使能信号US_EN_1，以控制超声计时器仅在系统运行安全且用户选择超声模式时启动运行，向控制模块提供用于限制开关频率下限值的计时脉冲。

无论开关电源工作在何种模式下，都可以根据接收到的反馈电压Vx自动调节通过控制模块输出的调制信号的脉冲宽度或者脉冲频率，以维持开关电源输出的电压稳定，继而满足后级负载的用电需求。

采用本实施例所提出的开关电源，当开关电源工作在PWM模式下时，在负载跳变的过程中，输出电压能够在几个开关周期内快速的响应负载电流的变化，使得输出电压不会出现较大的波动，体现了PWM模式能够实现快速响应的优点。当开关电源工作在PFM模式下时，其开关频率可以随负载电流一直降低，具有较高的轻载效率。当开关电源工作在US模式下时，在轻载甚至空载时可以对开关频率进行限制，因此在轻载或是空载的条件下最能体现其工作特点，并且能有效避免音频噪声的干扰。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种开关电源的多模式切换方法，其特征在于：在开关电源上增设模式选择引脚，用于接收外部输入的模式选择信号；用于控制开关管通断的控制模块根据所述模式选择信号限定其输出的调制信号的类型，进而对开关电源的工作模式进行限制。

2.根据权利要求1所述的开关电源的多模式切换方法，其特征在于：将所述模式选择信号设定为模拟信号，所述开关电源支持的工作模式为N种，所述N为大于1的整数；在开关电源中设置模式选择电路，利用所述模式选择电路将一路模拟量的模式选择信号处理成N路数字量的模式使能信号，传输至所述的控制模块，所述控制模块选定输出的调制信号的类型，控制开关电源工作在选定的工作模式下。

3. 根据权利要求2所述的开关电源的多模式切换方法，其特征在于：所述开关电源支持的工作模式包括脉冲宽度调制模式、脉冲频率调制模式和超声模式；利用所述模式选择电路转换输出的超声模式使能信号控制一超声计时器运行，设置所述超声计时器的计时时间小于50微秒，将超声计时器输出的计时脉冲发送至控制模块，进而将所述控制模块输出的脉冲频率调制信号的频率限制在20KHz以上。

4. 根据权利要求2或3所述的开关电源的多模式切换方法，其特征在于：采集负载电流，并与设定的上限值进行比较，若负载电流超过上限值，则屏蔽N路所述的模式使能信号，使所述控制模块停止输出调制信号，进入保护状态。

5. 一种开关电源，包括开关管、用于控制所述开关管通断的控制模块以及与所述开关管连通的电压转换电路，其特征在于：在所述开关电源上增设有模式选择引脚，用于接收外部输入的模式选择信号；所述控制模块根据所述模式选择信号限定其输出的调制信号的类型，传输至所述的开关管，以对开关电源的工作模式进行限制后，经电压转换电路输出负载所需的电压。

6. 根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于：所述模式选择信号为一路模拟信号，所述开关电源支持的工作模式为N种，所述N为大于1的整数；在开关电源中设置有模式选择电路，所述模式选择电路接收所述模式选择信号，并处理成N路数字量的模式使能信号，传输至所述的控制模块，限制所述控制模块输出的调制信号的类型，控制开关电源工作在选定的工作模式下。

7. 根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于：在所述模式选择电路中设置有N-1路比较器和N路数字逻辑电路，将所述模式选择信号一一对应地传输至N-1路比较器与预先设定的N-1路设定阈值进行比较，输出N-1路开关量信号；根据预先设定的模式选择信号的不同电压值所对应的调制信号类型的不同，确定出N路模式使能信号与所述N-1路开关量信号之间的逻辑对应关系，进而根据所述逻辑对应关系构建N路数字逻辑电路，生成所需的N路模式使能信号。

8. 根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于：所述开关电源支持的工作模式包括脉冲宽度调制模式、脉冲频率调制模式和超声模式；所述模式选择电路转换输出的超声模式使能信号传输至一超声计时器，所述超声计时器的计时时间小于50微秒，在超声工作模式下，所述控制模块接收超声计时器输出的计时脉冲，根据计时脉冲限制其输出的脉冲频率调制信号的频率在20KHz以上。

9. 根据权利要求6至8中任一项所述的开关电源，其特征在于：在所述开关电源的输出端连接有负载电流采样电路，所述负载电流采样电路将负载电流转换成负载电压反馈至开关电源，若负载电压超过预先设定的上限值，则屏蔽N路所述的模式使能信号，使控制模块停止输出调制信号，进入保护状态。

10. 根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于：所述负载电压反馈至开关电源中的另一路比较器，所述另一路比较器将接收到的负载电压与所述上限值进行比较，输出保护信号与N路模式使能信号分别经由N路与门分别进行与运算后，传输至所述的控制模块。