CN104485823A - 一种pfm/pwm开关电源脉冲序列混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种PFM/PWM开关电源脉冲序列混合控制方法，包含步骤：当负载端输出电流小于基准电流时，则进入轻负载PFM-PT调制阶段。此时，若输出电压低于基准电压，PFM-PT调制方式在高频下工作，使电压增大，稳定输出；反之，PFM-PT调制方式在低频下工作，使电压减小，稳定输出；如果输出电压持续上升，则PFM-PT使用跨周期调制方式，从而快速稳定输出。当输出电流大于基准电流时，则进入重负载PWM-PT调制阶段。此时，若输出电压低于基准电压，PWM-PT调制方式在高功率脉冲下工作，使电压增大，稳定输出；反之，PWM-PT调制方式在低功率脉冲下工作，使电压减小，稳定输出。本发明能够适应负载变化，提高轻负载下的工作效率，使开关电源输出电压纹波小、动态响应快、抗干扰能力强。

Description

一种PFM/PWM开关电源脉冲序列混合控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关变换器控制方法，尤其涉及一种PFM/PWM开关电源脉冲序列混合控制方法。

背景技术

在当前世界能源日趋紧张的大环境下，“如何有利、有效地利用电能”已经成为一个引起全社会高度关注的民生问题。正因如此，“节约用电、绿色用电”比任何一个时候都更能引起人们的共鸣。目前市面上大多数开关电源都是采用PWM调制，但PWM调制方式只改变脉冲宽度而工作频率不变，轻负载时，效率明显降低。

为实现“绿色电源、节约能源”，现在许多开关电源变换器都包含两种工作模式：PWM模式和PFM模式，一般负载较重时，开关变换器工作在PWM模式下，从而使其工作在固定的较高频率下，维持较低的输出电压纹波。但由于在PWM模式下控制电路的开关损耗一般较大，因此通常当负载较轻时，开关变换器切换到PFM模式下工作，随着负载变轻，其工作频率变低，控制电路的开关损耗平均值随着频率减小而降低。采用PWM/PFM控制方式，从而达到节能的效果。目前，这种混合控制方法已经得到广泛的关注。

为达到节能环保的效果，采用PWM/PFM混合控制方式。但目前的PWM/PFM控制都是采用传统的PWM和PFM控制方法，还存在需要改善的地方：1、在重载条件下，采用传统的PWM脉冲调制方法在瞬态性和鲁棒性等方面的缺点越发明显，纹波相对较大，抗干扰能力弱。2、在轻载条件下，采用传统的PFM调频方法，脉冲的频率随着反馈电压时刻变化，实现比较困难，对滤波电路要求高，需要滤波电路适应较宽的片段。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种能适应负载变化，提高轻负载下的工作效率，使开关电源输出电压纹波小、动态响应快、电压精度高、稳定性和抗干扰能力强的开关电源脉冲序列混合控制方法，本发明的技术方案如下：一种PFM/PWM开关电源脉冲序列混合控制方法，其包括以下步骤：

101、系统初始化，主要包括采样模块220，控制模块230和驱动模块240的初始化；

102、采样模块220通过电流检测电路对负载的输出电流i₀进行采样，并经过A/D转换电路转换处理后得到采样输出电流为

103、判断步骤102得到的采样输出电流是否大于预设的电流值，若是则跳转至步骤104；否则跳转至步骤108；

104、当得到的采样输出电流大于预设的电流值时，则该系统处于重载条件下，采用重负载PWM-PT脉冲序列调制方式，并读取负载的输出电压V_o；

105、判断输出电压V_o是否高于预设基准电压，若是则跳转至步骤106进行低功率脉冲调制；否则跳转至步骤107进行高功率脉冲PH调制；

106、当输出电压V_o高于预设基准电压时，重负载PWM-PT脉冲序列调制方式在低功率脉冲PL下工作，减小输出电压V_o直至输出电压V_o稳定，跳转至步骤114；

107、当输出电压V_o低于基准电压时，PWM-PT调制方式在高功率脉冲PH下工作，增大电压V_o直至输出电压V_o稳定，跳转至步骤114；

108、当得到的采样输出电流小于预设的电流值时，则系统处于轻载条件下，采用PFM-PT离散脉冲序列调制方式，并读取负载的输出电压V_o；

109、判断输出电压V_o是否大于基准电压值，若是则跳转至步骤110；否则跳转至步骤113；

110、当输出电压V_o高于基准电压时，则继续判断输出电压是否持续上升，若是则跳转至步骤111；否则跳转至步骤112；

111、当输出电压V_o持续上升，则PFM-PT使用跨周期调制方式，跨过一部分控制周期稳定输出电压，跳转至步骤114；

112、若输出电压V_o未持续上升，则PFM-PT调制方式在低频下工作，减小输出电压V_o直至输出电压V_o稳定，跳转至步骤114；

113、当输出电压低于基准电压时，PFM-PT调制方式在高频下工作，增大输出电压，稳定输出，跳转至步骤114；

114、驱动模块根据脉冲调制信号驱动模块控制开关管对开关进行通断控制。

进一步的，步骤112及步骤113中的低频、高频脉冲由调制度M和等效占空比D_e确定，设功率开关管以频率f_a工作a个周期，频率f_b工作b个周期；

则调制度： $M=\frac{1}{1+(a/b)\·(D_b/D_a)}---\left(1\right);$

则等效占空比：D_e＝D_a-M(D_a-D_b)    (2)；

由等式(1)、(2)可知，当M＝0时，等效占空比D_e＝D_a，此时只有高频脉冲PH₁作用；当0<M<1时，等效占空比D_b<D_e<D_a，此时工作在高低频脉冲切换阶段；当M＝1时，等效占空比D_e<D_b，此时只有低频脉冲PL₁作用。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出一种PFM/PWM开关电源调制脉冲序列混合控制方法，相比传统的PWM/PFM调制方法引进了基于脉冲序列的PWM/PFM混合控制方法。在重载条件下，采用PWM-PT调制方式相对于传统的PWM调制方法的瞬态响应快、纹波小、抗干扰能力更强；在轻载条件下，采用PWM-PT和跨周期调制方式相对于传统的PFM调制方法滤波的条件相对较低、滤波电路不用适应较宽范围。本发明能够适应负载的变化，提高轻负载下的工作效率，使开关电源输出电压纹波小、动态响应快、电压精度高、稳定性和抗干扰能力强。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例的PFM-PT/PWM-PT混合控制方法的流程图；

图2是本发明具体实施例反激变换器的PFM-PT/PWM-PT控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。如图1为本特例选用反激拓扑作为实施例的主电路。

参照图1、图2所示，本发明的一实施例反激变换器的PFM-PT/PWM-PT调制方法的流程图和电路图，具体包含以下步骤:

首先定义以下参数量：

V_o—输出电压，i₀—输出电流，—采样后的输出电压，—采样后的输出电流，i_ref—模式切换的基准电流，V_ref—基准电压，P0—跨周期调制脉冲，PL₁—低频调制脉冲，PH₁—高频调制脉冲，PH—高功率调制脉冲，PL—低功率调制脉冲，M—PFM-PT调制方式下的调制度，f_a—PFM-PT高频调制频率，f_b—PFM-PT低频调制频率，D_a—PFM-PT高频调制占空比，D_b—PFM-PT低频调制占空比，D_e—等效占空比。

该具体实施例的主电路拓扑采用反激拓扑210，同样也适合其它拓扑，初始化主要包括采样模块220，控制模块230和驱动模块240的初始化。

采样模块220对输出电流i₀进行采样，采样处理后的输出电流为比较器1(231)将处理后的输出电流与控制器设定的基准电流i_ref做比较，从而确定系统的调制方式。当时，比较器1输出低电平，系统处于重负载下，此时采用PWM-PT调制；当时，比较器1输出高电平，系统处于轻负载下，此时采用PFM-PT调制。

当时，比较器1输出低电平，系统处于重负载下，应采用PWM-PT调制方式232。采样模块220对输出电压V_o进行采样，采样处理后的输出电压为比较器2将处理后的输出电压与设定的基准电压V_ref作对比，若则此时输出电压小于基准电压，则选择高功率脉冲(即周期相同，占空比较大的脉冲)PH作用，使输出电压上升；若则此时输出电压大于基准电压，则选择低功率脉冲(即周期相同，占空比较小的脉冲)PL作用，使输出电压下降。最终当输出电压稳定时，高低功率脉冲的个数在一个循环周期内会达到一个定值，从而在重载下稳定输出。

当时，比较器1输出高电平，系统处于轻负载下，此时采用PFM-PT调制方式233。采样模块220对输出电压V_o进行采样，采样处理后的输出电压为比较器3将处理后的输出电压与设定的基准电压V_ref作对比，先不考虑跨周期调制，若此时输出电压小于基准电压，则选择高频调制脉冲PH₁作用，使输出电压上升；若此时输出电压大于基准电压，则选择低频调制脉冲PL₁作用，使输出电压下降；具体高低频脉冲的使用情况由调制度M和等效占空比D_e确定，设功率开关管以频率f_a工作a个周期，频率f_b工作b个周期；

调制度： $M=\frac{1}{1+(a/b)\&CenterDot;(D_b/D_a)}---\left(1\right);$

等效占空比：D_e＝D_a-M(D_a-D_b)    (2)；

由等式(1)、(2)可知，当M＝0时，等效占空比D_e＝D_a，说明此时只有高频脉冲PH₁作用；当0<M<1时，等效占空比D_b<D_e<D_a，说明此时工作在高低频脉冲切换阶段；当M＝1时，等效占空比D_e<D_b，说明此时只有低频脉冲PL₁作用。则当M越大，使用高频脉冲的个数越多，开关管通断的次数越少，损耗的能量越小。

若连续使用高频脉冲PH₁调制，输出电压仍下降缓慢或者持续上升(3个采样周期内电压未减小)，则加入跨周期调制脉冲P0。在极轻负载下，使用PH₁和P0组合调制，跨过一些周期减少开关管的通断次数，降低变换器的能量损耗。

最终所有的调制脉冲都要通过驱动模块240处理后控制开关管的通断。

本发明提出一种PFM/PWM开关电源脉冲序列混合控制方法，相比传统的PWM/PFM调制方法引进了基于脉冲序列的PWM/PFM混合控制方法。在重载条件下，采用PWM-PT调制方式相对传统的PWM调制方法瞬态响应快、纹波小、抗干扰能力更强；在轻载条件下，采用PWM-PT和跨周期调制方式相对传统的PFM调制方法滤波条件相对较低、滤波电路不用适应较宽范围。

本发明提出了一种PFM/PWM开关电源脉冲序列混合控制方法能够适应负载的变化，提高轻负载下的工作效率，使开关电源输出电压纹波小、动态响应快、电压精度高、稳定性和抗干扰能力强。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种PFM/PWM开关电源脉冲序列混合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、系统初始化，主要包括采样模块220，控制模块230和驱动模块240的初始化；

102、采样模块220通过电流检测电路对负载的输出电流i₀进行采样，并经过A/D转换电路转换处理后得到采样输出电流为

103、判断步骤102得到的采样输出电流是否大于预设的电流值，若是则跳转至步骤104；否则跳转至步骤108；

104、当得到的采样输出电流大于预设的电流值时，则该系统处于重载条件下，采用重负载PWM-PT脉冲序列调制方式，并读取负载的输出电压V_o；

105、判断输出电压V_o是否高于预设基准电压，若是则跳转至步骤106进行低功率脉冲调制；否则跳转至步骤107进行高功率脉冲PH调制；

106、当输出电压V_o高于预设基准电压时，重负载PWM-PT脉冲序列调制方式在低功率脉冲PL下工作，减小输出电压V_o直至输出电压V_o稳定，跳转至步骤114；

107、当输出电压V_o低于基准电压时，PWM-PT调制方式在高功率脉冲PH下工作，增大电压V_o直至输出电压V_o稳定，跳转至步骤114；

108、当得到的采样输出电流小于预设的电流值时，则系统处于轻载条件下，采用PFM-PT离散脉冲序列调制方式，并读取负载的输出电压V_o；

109、判断输出电压V_o是否大于基准电压值，若是则跳转至步骤110；否则跳转至步骤113；

110、当输出电压V_o高于基准电压时，则继续判断输出电压是否持续上升，若是则跳转至步骤111；否则跳转至步骤112；

111、当输出电压V_o持续上升，则PFM-PT使用跨周期调制方式，跨过一部分控制周期稳定输出电压，跳转至步骤114；

112、若输出电压V_o未持续上升，则PFM-PT调制方式在低频下工作，减小输出电压V_o直至输出电压V_o稳定，跳转至步骤114；

113、当输出电压低于基准电压时，PFM-PT调制方式在高频下工作，增大输出电压，稳定输出，跳转至步骤114；

114、驱动模块根据脉冲调制信号驱动模块控制开关管对开关进行通断控制。

2.根据权利要求1所述的一种PFM/PWM开关电源脉冲序列混合控制方法，其特征在于，步骤112及步骤113中的低频、高频脉冲由调制度M和等效占空比D_e确定，设功率开关管以频率f_a工作a个周期，频率f_b工作b个周期；

则调制度： $M=\frac{1}{1+(a/b)\&CenterDot;(D_b/D_a)}---\left(1\right);$

则等效占空比：D_e＝D_a-M(D_a-D_b)           (2)；

由等式(1)、(2)可知，当M＝0时，等效占空比D_e＝D_a，此时只有高频脉冲PH₁作用；当0<M<1时，等效占空比D_b<D_e<D_a，此时工作在高低频脉冲切换阶段；当M＝1时，等效占空比D_e<D_b，此时只有低频脉冲PL₁作用。