CN109274266A - 开关电源及其控制电路和控制方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种开关电源及其控制电路和控制方法。该控制方法包括获得当前周期的三态时间；将所述当前周期的三态时间与预定范围比较；根据比较结果产生控制下一周期的充电时间的中间信号；以及根据所述中间信号和表征输出电压的电压误差信号产生控制所述开关电源工作状态的开关控制信号。本发明提出的控制方案，对于工作在PFM模式下不同拓扑类型的开关电源具有通用性，根据三态时间T3快速反馈计算出下一周期合适的充电时间，使得三态时间在负载变化的情况下仍然满足预定范围，在输出频率稳定的前提下能够有效的控制输出纹波的大小，并且对于负载的变化也能够进行快速的响应，从而保证系统输出的稳定。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源领域，更具体地，涉及开关电源及其控制电路和控制方法。
背景技术
开关电源通过控制电路控制开关管的导通和关断来控制储能元件的工作状态，以维持开关电源稳定输出。在低功耗状态下，为提高效率、降低控制电路本身的损耗，系统会设置开关电源工作在PFM(Pulse frequency modulation，脉冲频率调制)模式下，在这个模式下的输出纹波对比于连续工作模式会有所增加。
图1a、1b分别示出PFM工作模式下降压型开关电源以及升压型开关电源的输出波形图。如图所示，PFM工作模式下一个周期分为电感充电时间T1、电感放电时间T2、电感电流IL为零时的三态时间T3三个时段。对于降压型(BUCK)开关电源，在T1时段，电源给电感充电同时向负载提供电流，输出电压Vout在电感电流IL为Ih时的充电斜率最大。在T2时段，电感放电，输出电压Vout达到峰值时，电感电流IL等于负载电流，此后输出电压Vout逐渐降低，直到下周期T1时段输出电压Vout才会逐渐上升。对于升压型(BOOST)开关电源，在T1时段，电源给电感充电时仅依靠输出电容给负载提供电流，输出电压Vout在电感电流IL为Ih时为电压最低点。在T2时段，电感充电同时还向负载提供电流，输出电压Vout达到峰值时的电感电流IL等于负载电流，此后输出电压Vout逐渐降低，直到下周期T2时段输出电压Vout才会逐渐上升。
现有技术中，开关电源在PFM工作模式下，T1在输入输出电压固定的情况下，一般表现为一个固定时间，然后借助三态时间T3的长短来维持稳定输出，间接控制输出纹波的大小。然而负载电流发生变化的时候，由于充电时间T1不受电流变化的影响，因此三态时间T3可能变长或变短，导致输出纹波可能在不同负载的情况下依然表现出频率不规律的现象。
因此，期望进一步改进开关电源在PFM工作模式下的控制方法以维持开关电源稳定输出。
发明内容
有鉴于此，本发明提供开关电源及其控制电路和控制方法，以解决上述提出的技术问题。
根据本发明的一方面，提供一种用于开关电源的控制方法，所述开关电源工作在PFM模式下，控制方法包括：获得当前周期的三态时间；将所述当前周期的三态时间与预定范围比较；根据比较结果产生控制下一周期的充电时间的中间信号；以及根据所述中间信号和表征输出电压的电压误差信号产生控制所述开关电源工作状态的开关控制信号。
优选地，所述预定范围为大于等于第一阈值小于等于第二阈值的范围。
优选地，所述比较结果为：所述当前周期的三态时间满足所述预定范围，所述充电时间保持不变；所述当前周期的三态时间低于所述第一阈值，所述充电时间升高一档；所述当前周期的三态时间高于所述第二阈值，所述充电时间降低一档。
优选地，所述中间信号用于控制所述开关控制信号的脉冲宽度。
优选地，所述电压误差信号用于指示产生所述开关控制信号。
根据本发明的另一方面，提供一种用于开关电源的控制电路，所述控制电路执行上述提出的控制方法，所述控制电路包括：电流检测模块，电流检测为零时输出电流感测信号；PFM控制模块，根据所述电流感测信号输出表征当前周期三态时间的时间信号，所述PFM控制模块用于生成控制下一周期充电时间的中间信号；时间检测模块，连接所述PFM控制模块，根据所述时间信号与预定范围的比较结果输出反馈信号至所述PFM控制模块；以及PFM脉冲产生模块，根据表征输出电压的电压误差信号和所述中间信号产生用于控制开关电源工作状态的开关控制信号，所述PFM控制模块根据所述反馈信号产生所述中间信号。
根据本发明的另一方面，提供一种开关电源，包括第一电路；以及上述控制电路，所述第一电路包括开关管，所述控制电路通过控制所述开关管的导通和关断控制所述开关电源的工作状态。
优选地，所述第一电路包括第一开关管和第二开关管，所述控制电路产生控制所述第一开关管的第一开关控制信号和控制所述第二开关管的第二开关控制信号。
优选地，所述第一电路的输出电压与参考电平比较输出电压误差信号至所述控制电路。
优选地，所述控制电路根据所述第一电路中电子元件的电气特性设定预定范围。
优选地，所述第一电路的电路类型选自升压型拓扑、降压型拓扑、升降压型拓扑中的任一种。
本发明提出的开关电源及其控制电路和控制方法，在负载变化时，根据当前周期三态时间T3快速的单向反馈计算出下一周期合适的充电时间T1，进而使得下一周期的三态时间T3在负载变化的情况下仍然满足三态时间预定范围[T3-min，T3-max]，本发明提出的控制方案，对于工作在PFM模式下不同拓扑类型的开关电源具有通用性，在输出频率稳定的前提下能够有效的控制输出纹波的大小，并且对于负载的变化也能够进行快速的响应，从而保证系统输出的稳定。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1a示出PFM工作模式下降压型开关电源的输出波形图；图1b示出PFM工作模式下升压型开关电源的输出波形图。
图2示出开关电源负载稳定时电感电流的波形图。
图3a、3b示出本发明在负载变化时电感电流响应的原理示意图。
图4示出根据本发明开关电源控制方法的流程示意图。
图5示出根据本发明开关电源控制方法中比较三态时间步骤的流程示意图。
图6示出根据本发明第一实施例的开关电源的示意性电路图。
图7示出根据本发明第二实施例的开关电源的示意性电路图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
图2示出PFM工作模式下开关电源在负载稳定时电感电流的波形图。其中，n为大于1的正整数。
如图2所示，当负载稳定时，对应负载下的三态时间T3-1、T3-2……T3-n均落入预定范围[T3-min，T3-max]内。因此，开关电源在PFM工作模式下处于稳定状态时，三态时间T3均落入预定范围[T3-min，T3-max]内，保证了开关电源系统稳定输出。如图，从上至下负载电流ILoad减小，系统频率增加，但是T1-1>T1-2…>T1-n，T2-1>T2-2…>T2-n，T3-1,T3-2…..T3-n始终落入预定范围[T3-min，T3-max]内。即通过减少周期内的充电时间T1进而减少了放电时间T2，以保证三态时间T3在范围[T3-min，T3-max]内，进而保证了输出纹波不受负载的变化影响而产生大的波动。
综上可知，开关电源系统处于PFM模式下，当充电时间T1设置合适时，可以维持系统输出频率稳定，并且即使负载变化时也能实现快速响应进而维持输出频率稳定。T3时段的时间一般远大于T1时段，三态时间T3能够更好地控制。当输入、输出电压确定时，即使负载变化，只要满足三态时间T3在预定范围内，即可根据三态时间T3计算出下一周期合适的充电时间T1和放电时间T2，进一步对开关电源不同的拓扑类型进行归一化，使得开关电源控制电路的实现更加容易，进而实现系统频率稳定，有效控制了输出纹波的大小。
图3a、3b示出本发明在负载变化时电感电流响应的原理示意图。其中，i为任意正整数。
图3a示出了负载电流Iout从重负载向轻负载切换时电感电流IL响应的波形图。如图所示，当负载电流Iout突然减小时，当前周期三态时间T3-i增大，即三态时间T3-i大于三态时间预定范围[T3-min，T3-max]内的第二阈值T3-max。根据本发明通过当前周期三态时间T3-i以及设定预定范围的第一阈值T3-min、第二阈值T3-max的比例关系反馈，快速计算得到一个比当前周期充电时间T1-i小且与变化后负载匹配的下一周期的充电时间T1-(i+1)，进而在下一周期使得其三态时间T3-(i+1)落入三态时间预定范围[T3-min，T3-max]内。
图3b示出了负载电流Iout从轻负载向重负载切换时电感电流IL的响应波形图。如图所示，当负载电流Iout突然增大时，当前周期三态时间T3-i减小，即三态时间T3-i小于三态时间预定范围[T3-min，T3-max]内的第一阈值T3-min。根据本发明通过当前周期三态时间T3-i以及设定预定范围的第一阈值T3-min、第二阈值T3-max的比例关系反馈，快速计算得到一个比当前周期充电时间T1-i大且与变化后负载匹配的下一周期的充电时间T1-(i+1)，进而在下一周期使得其三态时间T3-(i+1)落入三态时间预定范围[T3-min，T3-max]内。
本发明提供的开关电源系统在负载变化时，根据三态时间T3快速的单向反馈计算出下一周期合适的充电时间T1，进而使得下一周期的三态时间T3在负载变化的情况下仍然满足三态时间预定范围[T3-min，T3-max]，本发明提出的控制方案，对于工作在PFM模式下不同拓扑类型的开关电源具有通用性，在输出频率稳定的前提下能够有效的控制输出纹波的大小，并且对于负载的变化也能够进行快速的响应，从而保证系统输出的稳定。
图4示出根据本发明的开关电源控制方法的流程示意图，图5示出根据本发明开关电源控制方法中判断三态时间步骤的流程示意图。
如图4所示，开关电源控制方法包括如下步骤：
步骤S10：获得当前周期的三态时间。通过电流检测得到当前周期的三态时间。
步骤S20：将当前周期三态时间与预定范围比较。根据开关电源中各相关电子元件的电气特性得到系统三态时间的预定范围[T3-min，T3-max]，其中，预定范围为大于等于第一阈值T3-min小于等于第二阈值T3-max的范围。
更具体地，图5示出根据本发明开关电源控制方法中将当前周期三态时间与预定范围比较的具体步骤的流程。如图5所示，开关电源控制方法中步骤S20的具体步骤如下：
步骤S21：判断当前周期的三态时间是否在预定范围。将获得的当前周期的三态时间与系统三态时间的预定范围[T3-min，T3-max]进行比较。
步骤S22：充电时间保持不变。当当前周期的三态时间在预定范围[T3-min，T3-max]内时，开关电源系统稳定输出，根据第一比较结果使得充电时间保持不变。
步骤S23：判断当前周期的三态时间是否低于第一阈值。当当前周期的三态时间没有落入预定范围[T3-min，T3-max]内时，将当前周期的三态时间与系统三态时间预定范围内的第一阈值T3-min进行比较，判断开关电源系统的负载是否发生变化。
步骤S24：充电时间升高一档。当当前周期的三态时间低于第一阈值T3-min时，说明开关电源系统的负载从轻负载切换为重负载，系统频率减少，此时根据第二比较结果使得充电时间升高一档。
步骤S25：充电时间降低一档。当当前周期的三态时间不在预定范围[T3-min，T3-max]内并且不低于第一阈值T3-min，即当前周期的三态时间高于第二阈值T3-max时，说明开关电源系统的负载从重负载切换为轻负载，系统频率增加，此时根据第三比较结果使得充电时间降低一档。
步骤S30：产生控制下一周期充电时间的中间信号。根据当前周期三态时间与预定范围的比较结果之一得到控制下一周期充电时间T1-(i+1)的中间信号ctrl。通过中间信号ctrl得到使系统达到稳定输出的下一周期的充电时间T1-(i+1)并且间接得到下一周期的放电时间T2-(i+1)以及三态时间T3-(i+1)。
步骤S40：产生控制开关电源工作状态的开关控制信号。根据中间信号ctrl1以及电压误差信号compout产生控制开关电源工作状态的开关控制信号，其中，工作状态包括开关电源的电感充电、电感放电以及电感的三态。中间信号ctrl用于控制开关控制信号的脉冲宽度，电压误差信号compout表征输出电压与参考电平的关系，用于指示产生开关控制信号。
本发明提供的开关电源控制方法，通过将检测到的当前周期的三态时间与预定范围对比，并根据对比得到的比较结果调节下一周期的充电时间，进而间接得到放电时间以及三态时间，从而保证开关电源系统保持稳定状态。本发明提供的开关电源控制方法可以根据实际负载情况不断修正充电时间，以达到开关电源系统对于负载的变化能够进行快速响应，保证系统在输出频率稳定的前提下能够有效的控制输出纹波的大小。
图6示出根据本发明第一实施例的开关电源的示意性电路图。
如图6所示，本发明第一实施例提供的开关电源100例如为升压型(BOOST)，开关电源100具有接收直流输入电压Vin的输入端和用于为负载提供直流输出电压Vout的输出端。开关电源100包括第一电路和开关电源控制电路110。第一电路例如包括第一开关管和第二开关管，控制电路例如可以产生控制第一开关管的第一开关控制信号和控制第二开关管的第二开关控制信号。需要说明的是，本实施中第一开关管为开关管Q2，第二开关管为开关管Q1。
第一电路包括电容Cin和Cout、电感L、电阻RF1和RF2、开关管Q1和Q2以及比较器U1。电容Cin连接在输入端和地之间，用于对直流输入电压Vin滤波。电容Cout连接在输出端和地之间，用于提供直流输出电压Vout。电感L和开关管Q1串联连接在输入端和输出端之间，开关管Q2连接在电感L与开关管Q1的中间节点和地之间，开关管Q1和开关管Q2的控制端分别与控制电路110连接用于接收控制信号。其中，电感L放电时开关管Q1导通，电感L充电时开关管Q2导通。用于控制电阻RF1和电阻RF2串联于输出端和地之间，比较器U1的同相输入端接收参考电压Vref，比较器U1的反相输入端连接至电阻RF1与电阻RF2的中间节点，比较器U1的输出端输出电压误差信号compout，电压误差信号compout用于表征输出电压Vout和参考电压Vref的关系。
控制电路110包括电流检测模块111、PFM控制模块112、时间检测模块113以及PFM脉冲产生模块114。
电流检测模块111连接在开关管Q1的两通路端，用于检测电感电流IL，当电感电流IL降到0A附近时，电流检测模块111输出电流感测信号zcdout至PFM控制模块112。本实施例中，电流检测模块例如可以为过零检测器。
PFM控制模块112与时间检测模块113连接，根据电流感测信号zcdout输出表征当前周期三态时间T3的时间信号T至时间检测模块113，时间检测模块113通过比较三态时间T3与预定范围[T3-min，T3-max]得到比较结果输出三态时间检测后的反馈信号TFB，PFM控制模块112根据接收的反馈信号TFB输出控制下一周期内充电时间长短的中间信号ctrl。
PFM脉冲产生模块114分别连接PFM控制模块112和第一电路比较器U1的输出端，根据接收的中间信号ctrl以及电压误差信号compout输出第一开关控制信号ctrl1和第二开关控制信号ctrl2。第一开关控制信号ctrl1用于控制第一电路中开关管Q2的开关状态，第二开关控制信号ctrl2用于控制第一电路中开关管Q1的开关状态，本领域技术人员可知，PFM脉冲产生模块一般包括迟滞比较器、逻辑门以及触发器等元器件。
电感电流IL逐渐下降到0A附近时，第一电路正式进入三态模式，在此模式内，电感L不会进行能量传输，电流检测模块111输出电流感测信号zcdout。PFM控制模块112根据电流感测信号zcdout向时间感测模块113输出表征当前周期的三态时间T3的时间信号T。时间检测模块113通过比较三态时间T3和预定范围[T3-min，T3-max]，依据两者的比较结果输出反馈信号TFB，PFM控制模块112根据反馈信号TFB输出能够控制下一周期充电时间长短的中间信号ctrl。PFM脉冲产生模块114根据中间信号ctrl以及第一电路输出的电压误差信号compout产生第一开关控制信号ctrl1、第二开关控制信号ctrl2分别至第一电路开关管Q2和开关管Q1的控制端，用于控制第一电路开关管的导通和关断，进而根据调节后的充电时间间接控制开关电源的第一电路工作在充电模式、放电模式或者三态模式。更具体地，由三态时间T3得到中间信号ctrl的原理在上述控制方法中已详细描述，故在此不再赘述。
图7示出根据本发明第二实施例的开关电源的示意性电路图。
如图7所示，本发明第二实施例提供的开关电源200例如为降压型(BUCK)，开关电源200具有接收直流输入电压Vin的输入端和用于为负载提供直流输出电压Vout的输出端。开关电源200包括第一电路和开关电源控制电路110。第一电路例如包括第一开关管和第二开关管，控制电路例如可以产生控制第一开关管的第一开关控制信号和控制第二开关管的第二开关控制信号。需要说明的是，本实施中第一开关管为开关管Q1，第二开关管为开关管Q2。
第一电路中，电感L放电时开关管Q2导通，电感L充电时开关管Q1导通。
控制电路110的电流检测模块111连接在开关管Q2的两通路端，用于检测电感电流IL。PFM脉冲产生模块114输出的第一开关控制信号ctrl1和第二开关控制信号ctrl2分别用于控制第一电路中开关管Q1和开关管Q2的开关状态。更具体地，控制电路110的结构和功能已在上述实施例一中详细描述，故在此不再赘述。
电感电流IL逐渐下降到0A附近时，第一电路正式进入三态模式，在此模式内，电感L不会进行能量传输，电流检测模块111输出电流感测信号zcdout。PFM控制模块112根据电流感测信号zcdout向时间感测模块113输出表征当前周期的三态时间T3的时间信号T。时间检测模块113通过比较三态时间T3和预定范围[T3-min，T3-max]，依据两者的比较结果输出反馈信号TFB，PFM控制模块112根据反馈信号TFB输出能够控制下一周期充电时间长短的中间信号ctrl。PFM脉冲产生模块114根据中间信号ctrl以及第一电路输出的电压误差信号compout产生第一开关控制信号ctrl1、第二开关控制信号ctrl2分别至第一电路开关管Q1和开关管Q2的控制端，用于控制第一电路开关管的状态，进而根据调节后的充电时间间接控制第一电路工作在充电模式、放电模式或者三态模式。更具体地，由三态时间T3得到中间信号ctrl的原理在上述控制方法中已详细描述，故在此不再赘述。
需要说明的是，本发明开关电源的第一电路电路类型不仅限定于实施例中列举的升压型拓扑和降压型拓扑，还可以包括升降压型拓扑。
本发明提出一种执行上述开关电源控制方法的开关电源控制电路，用于控制开关电源在PFM工作模式下始终保持稳定状态，从而使得输出纹波满足系统的要求。本发明还提出一种具有上述控制电路的开关电源，开关电源的第一电路的电路类型包括升压型拓扑、降压型拓扑和升降压型拓扑。
本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (11)
1.一种用于开关电源的控制方法，所述开关电源工作在PFM模式下，其特征在于，包括：
获得当前周期的三态时间；
将所述当前周期的三态时间与预定范围比较；
根据比较结果产生控制下一周期的充电时间的中间信号；以及
根据所述中间信号和表征输出电压的电压误差信号产生控制所述开关电源工作状态的开关控制信号。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述预定范围为大于等于第一阈值小于等于第二阈值的范围。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述比较结果为：
所述当前周期的三态时间满足所述预定范围，所述充电时间保持不变；
所述当前周期的三态时间低于所述第一阈值，所述充电时间升高一档；
所述当前周期的三态时间高于所述第二阈值，所述充电时间降低一档。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述中间信号用于控制所述开关控制信号的脉冲宽度。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述电压误差信号用于指示产生所述开关控制信号。
6.一种用于开关电源的控制电路，其特征在于，所述控制电路执行权利要求1至5任一项所述的控制方法，所述控制电路包括：
电流检测模块，电流检测为零时输出电流感测信号；
PFM控制模块，连接所述电流检测模块，根据所述电流感测信号输出表征当前周期三态时间的时间信号，所述PFM控制模块用于生成控制下一周期充电时间的中间信号；
时间检测模块，连接所述PFM控制模块，根据所述时间信号与预定范围的比较结果输出反馈信号至所述PFM控制模块；以及
PFM脉冲产生模块，连接所述PFM控制模块，根据表征输出电压的电压误差信号和所述中间信号产生用于控制开关电源工作状态的开关控制信号，
其中，所述PFM控制模块根据所述反馈信号产生所述中间信号。
7.一种开关电源，其特征在于，包括：
第一电路；以及
根据权利要求6所述的控制电路，
其中，所述第一电路包括开关管，所述控制电路通过控制所述开关管的导通和关断控制所述开关电源的工作状态。
8.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述第一电路包括第一开关管和第二开关管，所述控制电路产生控制所述第一开关管的第一开关控制信号和控制所述第二开关管的第二开关控制信号。
9.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述第一电路的输出电压与参考电平比较输出电压误差信号至所述控制电路。
10.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述控制电路根据所述第一电路中电子元件的电气特性设定预定范围。
11.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，所述第一电路的电路类型选自升压型拓扑、降压型拓扑、升降压型拓扑中的任一种。
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2018
- 2018-09-05 CN CN201811032069.7A patent/CN109274266A/zh active Pending
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