CN105071641A - 一种提高开关电源动态响应的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高开关电源动态响应的控制方法，基于包括采样模块、动态控制模块、误差计算模块、PID模块、模式控制模块以及PWM模块构成的闭环控制系统，采样模块采样输出电压Vo，动态控制模块根据Vo的大小分别与设定的Vomax、Vomin以及Vref进行比较，判断是否采用动态模式，动态模式下当输出电压Vo变化很大时，可以通过输入大功率或小功率的方法使得输出电压Vo快速返回到稳定电压，并通过电压变化的斜率检测负载大小来确定工作状态来减小电压谐振，提高动态响应效果。

Description

一种提高开关电源动态响应的控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源，尤其涉及一种提高开关电源动态响应的控制方法。
背景技术
开关电源通常作为各类用电设备的电源，起到将未调整的交流或直流输入电压变换为调整后的交流或直流输出电压。由于开关电源需要适应于不同的工作条件，对电源的动态响应的性能要求越来越高。好的动态效果要求与有小的电压变化以及电压恢复时间。举例而言在家电应用中，洗衣机的电源负载功率变化很快很大，这样电源输出电压引入过压与欠压，当过压与欠压过大时对洗衣机电源的负载伤害较大；另外在手机充电中，当充电器待机，手机突然加载，输出电压降低，当降低到电池的正常电压下，对电池有一定的伤害，因此动态性能需要提高。
在现在的电源管理中，为了使得电源有较高的效率，一般的电源选择多模式的控制方法，多模式控制方法会引入动态性能下降的问题。下面以5V，1A输出的反激变换器为例，当负载功耗减小时，为了减小电路损耗通常会减小开关频率。定义1A负载，为负载A，开关频率fA为70kHz，电路具有较高的效率，0.7A负载为负载B，开关频率fB为70kHz，0.2A负载为负载C，开关频率fC为20kHz，0.05A负载为负载D，开关频率fD为20kHz，负载点的开关频率选择是根据系统效率要求而选择的。当负载介于AB之间，采用PWM模式，负载介于BC之间，采用PFM模式，负载介于CD之间，采用PWM模式，记为DPWM模式，负载小于负载D时，采用PFM模式，记为DPFM模式，负载从轻到重的工作模式为DPFM-DPWM-PFM-PWM。若负载为待机时，根据假负载的大小，假定待机频率为2kHz，此时控制模式为DPFM模式，若负载突然改变为满载，输出电压以很快的速度下降，根据补偿结果控制模式将会分别经过DPWM，PFM，PWM模式，在补偿结果未达到满载的条件时，输出电压是一直在下降的，这可能造成严重电压下降，在有的条件下式无法忍受的；同样的在满载切换到轻载时，中间的模式控制过程会造成电压的持续上升，电压会产生很大的过冲。另外，在有的条件下，为了防止模式切换时，在切换点附近，控制模式在两个模式之间来回切换，从一个模式切换到另一个模式需要经过几个周期来确认需要切换模式控制，这种条件下，动态的效果会进一步降低。
此外，在一些控制中，只能在一个周期采样一次，例如在原边反馈的反激电源中，输出电压在只能在次级电流下降到零之前来采样。这样当负载由轻切重时，DPWM的开关频率低，即使PI调整很大，但为了保证稳定性，动态过程更加缓慢。
另外，有的控制方法为了加快动态响应的速度，会提高PI参数来加快补偿，以此来提高动态效果，但在多模式控制对提高动态性能效果改善不大。
因此由于动态性能要求越来越高，多模式控制方法带来的动态问题，提出一种提高开关电源动态响应的控制方法。对减小电压过冲与欠压，减小动态回复时间有很好的效果，对提高电路的动态性能很有必要。
发明内容
为克服现有技术的局限和不足，本发明提出了一种提高开关电源动态响应的控制方法，可以限制输出电压的过冲与欠压在一定的范围内，并减小动态回复时间，提高动态性能，在多模式控制中不会引起系统的不稳定，使得电路的设计动态性能更优秀。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种提高开关电源动态响应的控制方法，其特征在于：基于包括采样模块、动态控制模块、误差计算模块、PID模块、模式控制模块以及PWM模块构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；
采样模块包括采样电路和采样计算模块，采样电路通过开关电源输出分压得到输出电压的信息，采样计算模块根据采样电路的结果计算得到输出电压大小的信号Vo；
动态控制模块包括电压监测模块和斜率计算模块；电压监测模块接收采样模块输出的采样结果Vo并根据Vo的大小分别与设定的Vo上限值Vomax、Vo下限值Vomin以及参考电压Vref的大小关系，判断是否采用动态模式，其中Vomin<Vref<Vomax；动态模式是指当输出电压Vo变化很大时，通过输入大功率或小功率的方法使得输出电压Vo快速返回到稳定电压，动态模式包括恒定频率的轻载切重载LTH模式及恒定频率的重载切轻载HTL模式；
电压监测模块将模式选择结果mode_F输出到模式控制模块与斜率计算模块，若电压监测模块判断系统进入动态模式时，斜率计算模块计算电压变化斜率；若正常工作模式时，控制斜率计算模块的输出锁存不变；斜率计算模块在电压监测模块输出LTH模式时计算Vo的上升斜率；电压监测模块输出HTL模式时，计算Vo下降的斜率；采用正常工作模式时，斜率计算模块不计算斜率，斜率Kslope保持不变；斜率计算模块的结果Kslope输出给模式控制模块；
电压监测模块中包含三个比较器COMP1、COMP2和COMP3以及一个逻辑单元，比较器COMP1的正端连接设定的Vo上限值Vomax，负端连接Vo；比较器COMP2的正端连接Vo，负端连接设定的参考电压Vref；比较器COMP3的正端连接Vo，负端连接设定的Vo下限值Vomin，逻辑单元单元根据三个比较器的结果，输出LTH模式、HTL模式及正常模式三种模式中的一种：
当Vo比下限电压Vomin小，逻辑单元输出动态模式中恒定频率的轻载切重载LTH模式，通过输入大功率使得输出快速上升到参考电压Vref后跳出该模式，进入正常模式，正常模式的起始状态由模式控制模块给定；
当Vo比上限电压Vomax大，逻辑单元输出动态模式中恒定频率的重载切轻载HTL模式，通过输入小功率使得输出快速下降到参考电压Vref后跳出该模式，进入正常模式，正常模式的起始状态由模式控制模块给定；
如果Vo变化不大，无需动态模式，通过正常的PI控制方法与模式控制实现环路控制称为正常工作模式；
当Vo介于Vomin与Vref之间，如果逻辑单元上周期输出为LTH模式，则本周期输出为LTH模式；若果逻辑单元上周期输出为HTL模式，本周期输出为正常模式；如果逻辑单元上周期输出为正常模式，则本周期输出为正常模式；当Vo介于Vref与Vomax之间，如果逻辑单元上周期输出为LTH模式，则本周期输出为正常模式；如果逻辑单元上周期输出为HTL模式，则本周期输出HTL模式；如果逻辑单元上周期输出为正常模式，则本周期输出为正常模式；
斜率计算模块的输入是采样结果Vo和电压监测模块的输出mode_F，当mode_F为LTH模式时，计算Vo的上升斜率Kup，采用N1个LTH模式开关周期电压变化等效代替，即Kup＝Vo(n)-Vo(n-N1)，Vo(n)为当前周期采样结果，Vo(n-N1)为N1个周期前的采样结果，Kup为输出斜率计算模块的结果Kslope的大小；当mode_F为HTL模式时，计算Vo的下降斜率Kdown，采用N2个HTL模式开关周期电压变化等效代替，即Kdown＝Vo(n-N2)-Vo(n)，Kdown为输出Kslope的大小；当mode_F为正常模式时，斜率计算模块不工作，输出结果Kslope通过锁存保持不变；
误差计算模块的输入是采样模块的输出Vo，根据计算参考电压Vref减去输出电压Vo的差，即为当前采样误差，记为e1，输出给PID模块；
模式控制模块的输入分别为电压监测模块的输出mode_F、斜率计算模块的输出Kslope以及PID模块的运算结果VPI；当电压监测模块输出mode_F为动态模式时，模式控制模块通过输出控制信号PI_ctrl关闭PID模块，控制PWM模块接收模式控制模块输出的动态模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH/电流或DHTL/电流信息，PWM模块此时根据动态模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH/电流或DHTL/电流信息产生占空比波形；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第一个开关周期，模式控制模块根据此时斜率计算模块的斜率大小Kslope得到对应的输出负载的大小，通过控制信号PI_ctrl，开启PID模块并在PID计算前将当前采样结果赋值VPI0，VPI0为负载变化后在稳定状态时负载对应的PID模块的输出值，赋值后PID模块根据误差模块的输出误差进行PID运算，PID运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第二个开关周期以及以后，PI_ctrl开启PID模块进行运算，PID模块根据误差模块的输出误差进行PID运算，运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制，在正常工作模式中，PWM模块接收PID输出的补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式，该控制模式记为mode_ctrl，通过计算得到开关周期与占空比/电流信息，PWM模块此时根据该开关周期与占空比信号产生占空比波形；
PID模块输入为误差计算模块输出的误差信号e1、模式控制模块输出的控制信号PI_ctrl以及赋值VPI0，动态模式时，PID模块关闭，动态模式切换到正常工作模式的第一个开关周期时，首先对PID模块运算赋初值VPI0，然后进PID运算，补偿计算结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块，之后正常工作模式的每个周期进PID运算，补偿结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块；
PWM模块的输入为模式控制模块输出的PI_ctrl控制信号、LTH与HTL模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH或DHTL、模式控制模块在正常工作模式时的控制模式结果mode_ctrl以及PID模块的补偿结果VPI；在动态模式时PWM模块通过LTH与HTL模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH/电流或DHTL/电流得到动态模式的开关周期与占空比的信息；在正常工作模式时PWM模块通过PID模块补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式mode_ctrl信号计算得到正常控制时开关周期与占空比的信息，得到周期与占空比/峰值电流信息后，通过驱动电路输出占空比波形，对开关电源功率管的栅极实现环路控制；然后再次对开关电源的输出电压进行采样，并重复上述过程进行循环控制开关电源功率管的开通和关断，以使系统更加稳定，从而获得更高的动态响应。
本发明的优点及显著效果：
1、本发明提出的动态控制方法，能够在输出电压超出上限电压时，通过小能量的重载切轻载模式使得输出快速稳定，在输出电压低于下限电压时，通过大能量的轻载切重载模式使得输出快速稳定，负载切换时输出电压的变化被限制在上限电压与下限电压之间，电压变化大幅度减小，动态恢复时间大幅度减小。
2、本发明提出的动态控制方法在重载切轻载模式与轻载切重载模式中计算输出电压变化的斜率，并根据斜率与负载的一一对应单调性质的关系得到负载的大小，当跳出上面两种模式后，跳到对应负载点的工作状态，跳变后能量与负载稳态消耗相差不大，消除了后续的电压振荡，减小动态恢复时间。另外通过斜率来确定跳出后的负载大小，能够避免跳变后能量与负载稳态消耗相差较大引起的大的电压谐振，使得重载切轻载模式，轻载切重载模式与正常模式产生的振荡，电路更稳定。
3、本发明增加重载切轻载模式与轻载切重载模式两种工作模式，以及斜率判断工作点的方法对一般的多模式设计环路的稳定性不会产生影响。
4、本发明可以提高电路设计的灵活性，由于重载切轻载模式与轻载切重载模式的斜率与模式时间关系，模式时间可以代替电压斜率的功能，电压斜率与模式时间均可以适用于模拟设计与数字设计，使得应用控制更加广泛，提高电路动态响应。
5、本发明能适用于各类开关电源电路结构，具备通用性，可复用性和可移植性；
附图说明
图1a是本发明控制方法的系统结构框图；图1b是图1a中的电压监测模块结构框图；图1c是是图1a中的斜率计算模块结构框图；
图2是轻载切重载LTH模式的应用示意图；
图3是重载切轻载HLT模式的应用示意图；
图4a是具有本发明的多模式控制反激变换器的闭环电路结构图实施例；图4b是该反激系统在稳定状态时工作在正常工作模式时，开关频率与负载电流的关系。
图5是对图4的反激flyback电路在负载切换时多模式控制的动态响应的曲线，图5a为负载从700Ω切换到5Ω时，未采用本文的提高动态方法前的动态结果；图5b为负载从700Ω切换到5Ω时，采用了本文的提高动态方法后的动态结果；图5c为负载从5Ω切换到700Ω时，未采用本文的提高动态方法前的动态结果；图5d为负载从5Ω切换到700Ω时，采用了本文的提高动态方法后的动态结果；
图6是对图4的反激flyback电路，当控制方法跳出LTH模式时，图6a为初始工作状态固定为满载时的动态效果，图6b是以斜率Kup来确定初始工作状态的动态效果；
图7是对图4的反激flyback电路，当控制方法跳出HLT模式时，图7a为初始工作状态固定为待机时的动态效果，图7b是以斜率Kdown来确定初始工作状态的动态效果。
具体实施方式
参看图1，实线箭头是正常工作模式中控制环路使用的信号流程，虚线箭头与实线箭头是动态模式中控制环路中的信号流程。
本发明提高开关电源动态响应的控制方法，基于包括采样模块、动态控制模块、误差计算模块、PID模块、模式控制模块以及PWM模块构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；
采样模块中的采样电路对开关电源的输出电压进行采样，得到输出电压信息输入到采样计算模块，采样计算模块根据采样算法得到输出电压大小的信号Vo，将当前的采样电压Vo输入到动态控制模块与误差计算模块，误差计算模块计算当前的电压误差。
动态控制模块包括电压监测模块与斜率计算模块。电压监测模块根据采样结果Vo判断是否采用动态模式，所谓动态模式是当负载电压变化很大时，这里设定上限电压Vomax与下限电压Vomin，当Vo大于Vomax或Vo小于Vomin时，认为电压变化很大，需要通过输入大功率或小功率的方法使得输出电压快速返回到稳定电压，当输出电压比下限电压Vomin小，此时引入动态模式中恒定频率的轻载切重载模式(LTH)，通过输入大功率使得输出快速上升到参考电压Vref后跳出该模式，当输出电压比上限电压Vomax大，此时引入动态模式中恒定频率的重载切轻载模式(HTL)，通过输入小功率使得输出快速下降到参考电压Vref后跳出该模式，反之，如果输出电压突然变化但变化不大，无需动态模式时，通过正常的PI控制方法与模式控制实现环路控制称为正常工作模式；电压监测模块输出的模式结果(mode_F)输入到模式控制模块与斜率计算模块，若电压监测模块判断系统进入动态模式时，斜率计算模块计算电压变化斜率，若正常工作模式时，控制斜率计算模块的输出锁存不变。斜率计算模块在电压监测模块输出LTH模式时计算电压的上升斜率，输出HTL模式时，计算电压下降的斜率，采用正常工作模式时，不计算斜率，输出保持不变。斜率计算模块的结果Kslope输入到模式控制模块。
模式控制模块的输入分别为电压监测模块的模式输出(mode_F)，斜率计算模块的输出斜率Kslope以及PID模块的运算结果VPI。当电压监测模块输出mode_F为动态模式(LTH模式或HTL模式)时，该模块输出控制信号PI_ctrl关闭PID模块，控制PWM模块接收该模块输出的动态模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比Don_LTH或Don_HTL(或电流)信息，PWM模块此时根据该两者信号产生占空比波形；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第一个开关周期，模式控制模块根据此时的斜率计算模块的斜率大小Kslope得到对应的输出负载的大小，通过输出控制信号PI_ctrl，开启PID模块并在PID计算前将当前计算结果赋值VPI0，VPI0为负载变化后在稳定状态时负载对应的PID模块的输出值，赋值后PID模块根据误差模块的输出误差进行PID运算，PID运算结果VPI反馈回模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第二个开关周期以及以后，输出控制信号PI_ctrl开启PID模块进行运算，PID模块根据误差模块的输出误差进行PID运算，运算结果VPI反馈回模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制，在正常工作模式中，PWM模块接收PID输出的补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式选择的控制模式(mode_ctrl)通过计算得到开关周期与占空比(或电流)信息，PWM模块此时根据该两者信号产生占空比波形；
PID模块输入为误差计算模块输出的误差信号，模式控制模块输出的控制信号PI_ctrl与赋值VPI0。动态模式时，PI_ctrl控制PID模块关闭，动态模式切换到正常工作模式的第一个开关周期时，首先进行PID运算赋初值VPI0，然后进PID运算，补偿计算结果VPI输入模式控制模块与PWM模块，之后正常工作模式的每个周期进PID运算，补偿结果VPI输入模式控制模块与PWM模块。
PWM模块根据模式控制模块输出的控制信号PI_ctrl选择接受动态模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH或DHTL(或电流)信息或通过PID模块补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的模式信号mode_ctrl计算得到正常控制时开关周期与占空比的信息，得到周期与占空比(或峰值电流)信息后，通过驱动电路输出占空比波形，实现环路控制，通过动态控制模块，实现负载变化较大时，提高开关电源的动态响应；然后再次对开关电源的输出电压进行采样，并重复上述过程进行循环控制开关电源功率管的开通和关断，以使系统更加稳定，从而获得更高得动态响应。
采样模块包括采样电路，采样计算模块，采样电路通过输出分压得到输出电压的信息，采样计算模块根据采样电路的结果给出采样电路控制信号与输出电压Vo。这里的采样可以是直接采样或间接采样，采样结果可以是模拟量或数字量。
动态控制模块包括电压监测模块与斜率计算模块。
电压监测模块根据采样结果Vo判断是否采用动态模式，在电压监测模块中包含三个比较器以及一个逻辑单元判断是否采用动态模式，三个比较器分别判断采样电压Vo与下限电压Vomin，采样电压Vo与上限电压Vomax，采样电压Vo与参考电压Vref的大小关系，逻辑单元单元根据比较器结果输出模式选择结果，其输出结果mode_F为HTL模式(mode_LTH)，LTH模式(mode_HTL)，正常工作模式(mode_normal)三者之一，当Vo大于Vomax时，输出mode_F为mode_HTL，即启动HTL模式，当Vo小于Vomin时，输出mode_F为mode_LTH，即启动LTH模式，当Vo介于Vomin与Vref之间，如果逻辑单元上周期为LTH模式，则本周期输出为LTH模式，如果上周期为HTL模式，则本周期输出为正常工作模式，如果上周期为正常工作模式，则本周期输出为正常工作模式，当Vo介于Vref与Vomax之间，如果上周期为LTH模式，则本周期输出为正常工作模式，如果上周期为HTL模式，则本周期输出为HTL模式，如果上周期为正常工作模式，则本周期输出为正常工作模式。模式选择结果输入到动态模块中的斜率计算模块与模式控制模块。
斜率计算模块的输入是采样结果Vo与电压监测模块的输出模式mode_F，若输出为LTH模式时，计算Vo的上升斜率Kup，一般以N1个LTH模式开关周期电压变化等效代替即Kup＝Vo(n)-Vo(n-N1)，Vo(n)为当前周期采样结果，Vo(n-N1)为N1个周期前的采样结果，Kup为输出Kslope的大小，当电压监测模块的输出模式为HTL模式时，计算Vo的下降斜率Kdown，可以用N2个HTL模式开关周期电压变化等效代替即Kdown＝Vo(n-N2)-Vo(n)，Kdown为输出Kslope的大小，当电压监测模块的输出模式为正常工作模式时，该模块不工作，输出结果Kslope通过锁存保持不变。该模块的输出结果Kslope输入到模式控制模块。
误差计算模块输入是采样电路的输出Vo，根据计算参考电压Vref减去输出电压Vo的差，即为当前采样误差，记为e1，输入到PID模块。
模式控制模块的输入分别为电压监测模块的输出模式mode_F以及斜率计算模块的输出Kslope。当电压监测模块的输出模式(mode_F)为LTH模式(mode_LTH)时，该模块输出控制信号PI_ctrl，输入到PID模块与PWM模块，此时PI_ctrl关断PID模块并控制PWM信号接收该模块输出的LTH模式开关周期大小Ts_LTH与占空比DLTH(或电流)大小，记此时PI_ctrl为PI_off；当电压监测模块的输出模式(mode_F)为HTL模式(mode_HTL)时，该模块输出控制信号PI_ctrl，输入到PID模块与PWM模块，此时PI_ctrl关闭PID模块并控制PWM信号接收该模块输出的HTL模式开关周期大小Ts_HTL与占空比DHTL(或电流)大小，记此时PI_ctrl为为PI_off；当电压监测模块的输出模式(mode_F)为正常工作模式(mode_normal)，若上一个开关周期为LTH模式或HTL模式，该模块输出控制信号PI_ctrl，输入到PID模块与PWM模块，此时PI_ctrl记为PI_set，启动PID模块，先给PID模块运算结果赋值，赋值大小VPI0由模式控制模块通过mode_F与Kslope计算得到负载后再根据正常工作模式计算得到，之后进行PID运算，控制PWM模块接收PI运算结果，并接收VPI根据PI计算结果进行正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)输入PID模块与PWM模块，若上一个开关周期电压监测模块的输出模式(mode_F)为正常工作模式(mode_normal)，该模块输出控制信号PI_ctrl，输入到PID模块与PWM模块，此时PI_ctrl记为PI_on，启动PID模块进行PID运算，控制PWM模块接收PID模块补偿结果VPI，并接收VPI根据VPI进行正常工作模式的控制，将正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)输入到PID参数选择模块与PWM模块，
PID模块包括PID运算功能与PID参数选择功能，PID模块在模式控制模块输出的控制信号(PI_ctrl)与正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)的控制下工作，PI_ctrl为PI_off时，PID模块关闭；PI_ctrl为PI_set时，VPI被模式控制模块输出的VPI0赋值后，根据正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)选择PID运算参数，包括比例参数Kp，积分参数Ki，微分参数Kd进行PID运算，当PI_set为PI_on时，根据正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)选择PID参数，包括比例参数Kp，积分参数Ki，微分参数Kd，进行PID运算，补偿结果VPI输入模式控制模块与PWM模块。
PWM模块的输入为模式控制模块输出的控制信号PI_ctrl，LTH与HTL模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH或DHTL，以及正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)信号，PID模块的补偿结果VPI。当PI_ctrl为PI_off时，接收模式控制模块输出的LTH与HTL模式的开关周期与占空比(或峰值电流)，当PI_ctrl为PI_set或PI_on时，接收模式控制模块输出的正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)与PID模块的补偿结果VPI，根据mode_ctrl的结果选择合理方法通过VPI计算得到正常模式的开关周期与占空比(或峰值电流)；得到周期与占空比(或峰值电流)信息后，得到占空比波形，PWM单元的输出连接驱动电路，驱动电路尽可能选择延迟时间小的电路，驱动电路的输出连接开关电源功率管的栅极。
参看图2，在轻载切重载时，从该示意图可以看到当输出电压低于Vomin时，采用LTH模式。若采用PID调节则如粗虚线所示，在输出电压下降到Vomin后电压任然会有所下降，动态恢复时间也很长。采用LTH模式，当输出电压低于Vomin时，立刻采用LTH模式，由于该模式的能量一般大于满载能量，输出电压立刻开始上升，不会再有所下降，在输出电压上升稳定值前，这是最快的动态方法，当输出电压与稳定电压相同时，可以通过斜率大小得到输出负载大小，使得跳出LTH模式后的工作模式能量与负载功耗相近，去掉后续能量不吻合引入的谐振，如实线所示；可以看到若跳出LTH模式后，若工作状态从满载开始，其输入能量偏大，引入电压谐振，如细虚线所示。
参看图3，在重载切轻载时，从该示意图可以看到当输出电压大于Vomax时，采用HTL模式。若采用PID调节则如粗虚线所示，在输出电压上升到Vomax后电压任然会有所上升，动态恢复时间也很长；采用HTL模式，当输出电压大于Vomax时，立刻采用HTL模式，由于该模式的输入功率一般小于待机功率，输出电压立刻开始下降，不会再有所上升，在输出电压下降到稳定值前，这是最快的动态方法，当输出电压与稳定电压相同时，可以通过斜率大小得到输出负载大小，使得跳出HTL模式后的工作模式能量与负载功耗相近，去掉后续能量不吻合引入的谐振，如实线所示；可以看到若跳出HTL模式后，若工作状态从待机开始，其输入能量偏低，引入电压谐振，如细虚线所示。
图4a为以反激电路作为对象的实施例。本发明使用的方法和系统也可用于其他类型的开关电源电路结构，此处以原边反馈的反激电路为例。反激变换器实例的输入为90～265V，输出为5V，电流最大为1A，电感大小为1.6mH，变压器匝比为104/6，输出恒压。变换器采用DCM的控制方法，通过多模式控制方法实现数字控制，下面给出已有电路的在不同负载下的工作模式，在该模式的基础上，增加本实例中优化动态性能的工作方法。
从轻载到重载的模式控制方法为DPFM-DPWM-PFM-PWM如图4b。下面分别定义多模式工作的方法。定义1A负载，为负载A，即为满载，开关频率fA为70kHz，电路具有较高的效率，0.7A负载为负载B，开关频率fB为70kHz，0.2A负载为负载C，开关频率fC为20kHz，0.05A负载为负载D，开关频率fD为20kHz，负载点的开关频率选择是根据系统效率要求而选择的。当负载介于AB之间，采用PWM模式，开关频率为70kHz；负载介于BC之间，采用PFM模式，原边峰值电流为0.255A；负载介于CD之间，采用DPWM模式，记为DPWM模式，开关频率为20kHz；负载小于负载D时，采用PWM模式，记为DPFM模式，原边峰值电流为0.151A。负载从轻到重的工作模式为DPFM-DPWM-PFM-PWM。这里待机时假负载700Ω，待机时电路工作在DPFM模式，原边峰值电流为0.151A，开关频率为3kHz；满载5Ω时，原边峰值电流为0.365A，开关频率为70kHz。
定义轻载切重载模式(LTH)，为了保证在任何条件下，当负载从轻载切到重载，输出能够很快上升到目标电压，LTH的输入功率需要尽可能的大，并且输入功率恒定，因此该模式是一种周期固定，原边峰值电流固定的控制方法。为了提高电压上升速度，需要加大该模式下输入功率，有两种方法，一是频率与70kHz的PWM模式相同，峰值电流尽可能取更大值，但需要保证系统需要工作在DCM模式下，并且有一定的时间裕量用于计算，这种条件需要在最小输入电压的条件下给定；二是在输入电压最低时，原边峰值电流取较大的值，一般大于等于满载的峰值电流，然后在满足DCM工作与计算裕量的要求下，提高开关频率。本实例以第一种方法为例，取原边峰值电流为0.4A，开关周期为70kHz。定义重载切轻载模式(HTL)，为了保证在任何条件下，当负载从重载切到轻载，输出能够很快下降到目标电压，重载切轻载的输入功率需要尽可能的小，并且输入功率恒定，因此该模式是一种周期固定，原边峰值电流固定的控制方法。为了提高电压下降速度，需要减小该模式下输入功率，小于待机的功耗，一般有两种方法，一是原边电流与DPFM模式相同，开关频率尽可能的低，但需要保证系统从辅助绕组采样时，不会因为RCD钳位电压过低而使得辅助绕组波形变形，使得对输出电压的采样产生较大的误差，这种条件需要保证此时的RCD电路的钳位电压足够高；二是，原边峰值电流小于DPFM的峰值电流，同时尽可能降低开关频率，这种方法也需要满载RCD电路钳位电压足够高的要求，使得轻载能够准确采样。本实例重载切轻载模式以第一种方法为例，取原边峰值电流为0.151A，开关周期为2kHz。
原边电感Lp＝1.6mH，LTH模式的原边峰值电流为Ip_LTH＝0.4A，开关周期为TLTH＝14.3us，η为系统效率取0.8，Io(n)为输出负载电流。为了减小上升斜率的误差，由当前周期采样结果V(n)减去五个周期前的采样结果V(n-5)作为斜率的大小，可以得到当负载从轻载切到重载时，LTH被调用，输出负载及其对应工作状态与斜率的关系为表1，因此举例而言，当轻载切换到重载7Ω时，当输出电压达到5V，跳出LTH模式，此时Kup＝6，进入PFM模式，起始的工作状态是周期350个时钟(57kHz)，原边峰值电流0.286A，这样输出不会引入大的纹波。输出电压通过数字采样，5V对应的数字量为583，Kup以该数字值来计算。
表1
Kup 负载 Mode Ts/clk Ip/A
0～3 5Ω PWM 286 0.363
4～5 6Ω PWM 286 0.286
6 7Ω PFM 350 0.286
7 10-12Ω PFM 513 0.286
8 12-15Ω PFM 602 0.286
9 15-20Ω PFM 961 0.286
10～ 20Ω～ DPWM 1000 0.231
HTL模式的原边峰值电流为Ip_HTL＝0.141A，开关周期为THTL＝500us，η为系统效率取0.6，Io(n)为输出负载电流。为了减小下降斜率的误差，由五个周期前的采样结果V(n-3)减去当前周期采样结果V(n)作为斜率的大小，可以得到当负载从重载切到轻载时，HTL被调用，输出负载及其对应工作状态与斜率的关系为表2，因此举例而言，当负载从重载切换到轻载500Ω时，当输出电压达到5V，跳出HTL模式，Kdown＝2，进入DPFM模式，起始的工作状态是周期4330个时钟(4.62kHz)，原边峰值电流0.151A，这样输出不会引入大的纹波。输出电压通过数字采样，5V对应的数字量为583，Kdown以该数字值来计算。
表2
Kdown 负载 Mode Ts/clk Ipeak/A
0～1 500-700Ω DPFM 5650 0.151
2 400-500Ω DPFM 4330 0.151
3～4 200-400Ω DPFM 1690 0.151
5～6 120-200Ω DPWM 1000 0.151
7～ ～120Ω DPWM 1000 0.192
以上是该5V，1A的原边反馈反激电源的设计实例的具体参数。
图5为本发明对图4的反激flyback电路的一般多模式控制方法的负载切换时动态响应的曲线；以及采用了本文提高动态响应的技术的动态响应的曲线；此为本发明实施例；图5a为负载从700Ω切换到5Ω时，未采用本文的提高动态方法前的动态结果，图5b为负载从700Ω切换到5Ω时，本实例的动态结果。未采用前，输出电压欠压为1.3V，恢复时间为11.86ms，采用本技术后电压欠压为0.332V，恢复时间为0.932ms，动态性能大幅度提升。图5c为负载从5Ω切换到700Ω时，未采用本文的提高动态方法前的动态结果，图5d为负载从5Ω切换到700Ω时，未采用前，输出电压过压为0.584V，恢复时间为126.3ms，采用本技术后，输出电压过压为0.152V，恢复时间为43.4ms，动态性能大幅度提升。本实例的动态结果得到很大提升。
图6是对图4的反激flyback电路中跳出LTH模式时，工作状态固定为满载与以斜率Kup来确定工作状态两者的对比；此为本发明实施例。可以看到当负载从700Ω切换到7Ω时，当系统输出达到5V，跳出LTH模式时，在图6a中，以满载的工作状态开始调整，此时输入功率大于负载功耗，输出电压会上升，引入电压振荡；在图6b中，跳出LTH模式时，kup为6，对应负载为7Ω左右，此时工作状态从PFM模式，周期350个时钟(57kHz)，原边峰值电流0.286A开始，不会引入电压振荡，此时输出电压可以认为已经稳定，去掉了后面的谐振电压，动态过程的恢复时间得到减小。
图7是对图4的反激flyback电路中跳出HLT模式时，工作状态固定为待机与工作状态以斜率Kdown来确定这两者的对比，此为本发明实施例。可以看到当负载从5Ω切换到100Ω时，当系统输出达到5V，跳出HTL模式时，在图7a中，以待机的工作状态开始调整，此时输入功率小于负载功耗，输出电压会下降，引入电压振荡；在图7b中，跳出HTL模式时，Kdown为5，对应负载为100Ω左右，此时工作状态从DPWM模式，周期1000个时钟(20kHz)，原边峰值电流0.151A开始，不会引入电压振荡，此时输出电压可以认为已经稳定，去掉了后面的谐振电压，动态过程的恢复时间得到减小。
从上面的实例中可以看出，采用本文的方法后，尤其对于多模式控制系统，动态性能得到了大幅度的提高。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，在此描述的本发明可以有许多变化(斜率可以等效时间长度)，这种变化不能人为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在本权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种提高开关电源动态响应的控制方法，其特征在于：基于包括采样模块、动态控制模块、误差计算模块、PID模块、模式控制模块以及PWM模块构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；
采样模块包括采样电路和采样计算模块，采样电路通过开关电源输出分压得到输出电压的信息，采样计算模块根据采样电路的结果计算得到输出电压大小的信号Vo；
动态控制模块包括电压监测模块和斜率计算模块；电压监测模块接收采样模块输出的采样结果Vo并根据Vo的大小分别与设定的Vo上限值Vomax、Vo下限值Vomin以及参考电压Vref的大小关系，判断是否采用动态模式，其中Vomin<Vref<Vomax；动态模式是指当输出电压Vo变化很大时，通过输入大功率或小功率的方法使得输出电压Vo快速返回到稳定电压，动态模式包括恒定频率的轻载切重载LTH模式及恒定频率的重载切轻载HTL模式；
电压监测模块将模式选择结果mode_F输出到模式控制模块与斜率计算模块，若电压监测模块判断系统进入动态模式时，斜率计算模块计算电压变化斜率；若正常工作模式时，控制斜率计算模块的输出锁存不变；斜率计算模块在电压监测模块输出LTH模式时计算Vo的上升斜率；电压监测模块输出HTL模式时，计算Vo下降的斜率；采用正常工作模式时，斜率计算模块不计算斜率，斜率Kslope保持不变；斜率计算模块的结果Kslope输出给模式控制模块；
电压监测模块中包含三个比较器COMP1、COMP2和COMP3以及一个逻辑单元，比较器COMP1的正端连接设定的Vo上限值Vomax，负端连接Vo；比较器COMP2的正端连接Vo，负端连接设定的参考电压Vref；比较器COMP3的正端连接Vo，负端连接设定的Vo下限值Vomin，逻辑单元单元根据三个比较器的结果，输出LTH模式、HTL模式及正常模式三种模式中的一种：
当Vo比下限电压Vomin小，逻辑单元输出动态模式中恒定频率的轻载切重载LTH模式，通过输入大功率使得输出快速上升到参考电压Vref后跳出该模式，进入正常模式，正常模式的起始状态由模式控制模块给定；
当Vo比上限电压Vomax大，逻辑单元输出动态模式中恒定频率的重载切轻载HTL模式，通过输入小功率使得输出快速下降到参考电压Vref后跳出该模式，进入正常模式，正常模式的起始状态由模式控制模块给定；
如果Vo变化不大，无需动态模式，通过正常的PI控制方法与模式控制实现环路控制称为正常工作模式；
当Vo介于Vomin与Vref之间，如果逻辑单元上周期输出为LTH模式，则本周期输出为LTH模式；若果逻辑单元上周期输出为HTL模式，本周期输出为正常模式；如果逻辑单元上周期输出为正常模式，则本周期输出为正常模式；当Vo介于Vref与Vomax之间，如果逻辑单元上周期输出为LTH模式，则本周期输出为正常模式；如果逻辑单元上周期输出为HTL模式，则本周期输出HTL模式；如果逻辑单元上周期输出为正常模式，则本周期输出为正常模式；
斜率计算模块的输入是采样结果Vo和电压监测模块的输出mode_F，当mode_F为LTH模式时，计算Vo的上升斜率Kup，采用N1个LTH模式开关周期电压变化等效代替，即Kup＝Vo(n)-Vo(n-N1)，Vo(n)为当前周期采样结果，Vo(n-N1)为N1个周期前的采样结果，Kup为输出斜率计算模块的结果Kslope的大小；当mode_F为HTL模式时，计算Vo的下降斜率Kdown，采用N2个HTL模式开关周期电压变化等效代替，即Kdown＝Vo(n-N2)-Vo(n)，Kdown为输出Kslope的大小；当mode_F为正常模式时，斜率计算模块不工作，输出结果Kslope通过锁存保持不变；
误差计算模块的输入是采样模块的输出Vo，根据计算参考电压Vref减去输出电压Vo的差，即为当前采样误差，记为e1，输出给PID模块；
模式控制模块的输入分别为电压监测模块的输出mode_F、斜率计算模块的输出Kslope以及PID模块的运算结果VPI；当电压监测模块输出mode_F为动态模式时，模式控制模块通过输出控制信号PI_ctrl关闭PID模块，控制PWM模块接收模式控制模块输出的动态模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH/电流或DHTL/电流信息，PWM模块此时根据动态模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH/电流或DHTL/电流信息产生占空比波形；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第一个开关周期，模式控制模块根据此时斜率计算模块的斜率大小Kslope得到对应的输出负载的大小，通过控制信号PI_ctrl，开启PID模块并在PID计算前将当前采样结果赋值VPI0，VPI0为负载变化后在稳定状态时负载对应的PID模块的输出值，赋值后PID模块根据误差模块的输出误差进行PID运算，PID运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第二个开关周期以及以后，PI_ctrl开启PID模块进行运算，PID模块根据误差模块的输出误差进行PID运算，运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制，在正常工作模式中，PWM模块接收PID输出的补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式，该控制模式记为mode_ctrl，通过计算得到开关周期与占空比/电流信息，PWM模块此时根据该开关周期与占空比信号产生占空比波形；
PID模块输入为误差计算模块输出的误差信号e1、模式控制模块输出的控制信号PI_ctrl以及赋值VPI0，动态模式时，PID模块关闭，动态模式切换到正常工作模式的第一个开关周期时，首先对PID模块运算赋初值VPI0，然后进PID运算，补偿计算结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块，之后正常工作模式的每个周期进PID运算，补偿结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块；
PWM模块的输入为模式控制模块输出的PI_ctrl控制信号、LTH与HTL模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH或DHTL、模式控制模块在正常工作模式时的控制模式结果mode_ctrl以及PID模块的补偿结果VPI；在动态模式时PWM模块通过LTH与HTL模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH/电流或DHTL/电流得到动态模式的开关周期与占空比的信息；在正常工作模式时PWM模块通过PID模块补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式mode_ctrl信号计算得到正常控制时开关周期与占空比的信息，得到周期与占空比/峰值电流信息后，通过驱动电路输出占空比波形，对开关电源功率管的栅极实现环路控制；然后再次对开关电源的输出电压进行采样，并重复上述过程进行循环控制开关电源功率管的开通和关断，以使系统更加稳定，从而获得更高的动态响应。
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