CN110138209B - 开关电源的模式切换电路和模式切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源的模式切换电路及切换方法，通过判断在同步管关断时，其体二极管是否导通来判断负载状态，并在负载跳变时，控制开关电源在第一模式和第二模式之间切换，从而在抑制输出电压过冲的同时保证系统的效率。

Description

开关电源的模式切换电路和模式切换方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种开关电源的模式切换电路和模式切换方法。
背景技术
传统的开关电源，以同步整流buck变换器为例，在轻载下通常会使得同步管在电感电流过零时关断，而当开关电源的负载从重载跳变到轻载时，输出电压会出现过冲，此时，输出电容上的电荷只能从负载放电，且放电缓慢，使得开关电源的动态响应较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种开关电源的模式切换电路和模式切换方法，通过在负载跳变时，控制开关电源在第一模式和第二模式之间切换，从而在抑制输出电压过冲的同时保证系统的效率。
第一方面，提供一种开关电源的模式切换电路，其中所述开关电源包括主功率管和同步管，所述模式切换电路被配置为当负载跳变时，控制所述开关电源在第一模式和第二模式之间切换工作，以抑制输出电压过冲，其中在所述第一模式下，所述开关电源的电感电流不小于零；在所述第二模式下，所述电感电流连续且允许所述电感电流小于零。
优选地，当所述开关电源的负载由重载跳变到轻载时，所述模式切换电路控制所述开关电源由所述第二模式切换到所述第一模式工作。
优选地，当所述开关电源的负载由重载跳变到轻载时，所述模式切换电路被配置为控制所述开关电源在所述第二模式下的强制连续导通状态工作预定周期后切换到所述第一模式下的断续状态工作。
优选地，当所述开关电源的负载由轻载跳变到重载时，所述模式切换电路控制所述开关电源由所述第一模式切换到所述第二模式工作。
优选地，当所述开关电源的负载由轻载跳变到重载时，所述模式切换电路被配置为控制所述开关电源在所述第一模式下的连续状态工作预定周期后切换到所述第二模式下的连续状态工作。
优选地，所述模式切换电路包括检测电路，被配置为检测所述同步管的体二极管在所述同步管关断时是否导通，并输出检测信号；以及控制电路，被配置为根据所述开关电源当前的工作模式和所述检测信号控制所述开关电源进行模式切换。
优选地，所述控制电路包括计数电路，被配置为在不同的工作模式下分别对所述检测信号进行计数，并根据计数结果产生第一模式切换信号或第二模式切换信号，使得所述开关电源切换工作模式。
优选地，当所述计数电路连续检测到的无效的所述检测信号的个数达到预定值时，产生所述第一模式切换信号，使得所述开关电源切换到所述第一模式。
优选地，当所述计数电路连续检测到的有效的所述检测信号的个数达到预定值时，产生所述第二模式切换信号，使得所述开关电源切换到所述第二模式。
优选地，所述控制电路还包括控制单元，被配置为接收所述第一模式切换信号和所述第二模式切换信号，并产生第一驱动信号和第二驱动信号，以控制所述开关电源工作在所述第一模式或所述第二模式。
优选地，所述检测电路包括比较电路，被配置为根据所述同步管的体二极管的两端电压和阈值电压来判断所述体二极管是否导通。
第二方面，提供了一种开关电源的模式切换方法，其中所述开关电源包括主功率管和同步管，所述模式切换方法包括当负载跳变时，控制所述开关电源在第一模式和第二模式之间切换工作，以抑制输出电压过冲，其中在所述第一模式下，所述开关电源的电感电流不小于零；在所述第二模式下，所述电感电流连续且允许所述电感电流小于零。
优选地，当所述开关电源的负载由重载跳变到轻载时，控制所述开关电源由所述第二模式切换到所述第一模式工作。
优选地，当所述开关电源的负载由重载跳变到轻载时，控制所述开关电源在所述第二模式下的强制连续导通状态工作预定周期后切换到所述第一模式下的断续状态工作。
优选地，当所述开关电源的负载由轻载跳变到重载时，控制所述开关电源由所述第一模式切换到所述第二模式工作。
优选地，当所述开关电源的负载由轻载跳变到重载时，控制所述开关电源在所述第一模式下的连续状态工作预定周期后切换到所述第二模式下的连续状态工作。
优选地，所述模式切换方法包括检测所述同步管的体二极管在所述同步管关断时是否导通并产生检测信号；以及根据所述开关电源当前的工作模式和所述检测信号控制所述开关电源进行模式切换。
优选地，根据所述开关电源当前的工作模式和所述检测信号控制所述开关电源进行模式切换包括在不同的工作模式下分别对所述检测信号进行计数，并根据计数结果产生第一模式切换信号或第二模式切换信号，使得所述开关电源切换工作模式。
优选地，根据计数结果产生第一模式切换信号或第二模式切换信号包括当连续检测到的无效的所述检测信号的个数达到预定值时，产生所述第一模式切换信号，使得所述开关电源切换到所述第一模式；当连续检测到的有效的所述检测信号的个数达到所述预定值时，产生所述第二模式切换信号，使得所述开关电源切换到所述第二模式。
优选地，检测所述同步管的体二极管在所述同步管关断时是否导通包括根据所述同步管的体二极管的两端电压和阈值电压来判断所述体二极管是否导通。
本发明提出的开关电源的模式切换电路和模式切换方法，通过判断在同步管关断时其体二极管是否导通来判断负载状态，并在负载跳变时，控制开关电源在第一模式和第二模式之间切换，从而在抑制输出电压过冲的同时保证系统的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的开关电源的模式切换电路的电路框图；
图2为根据本发明的开关电源的模式切换电路的具体电路图；
图3为根据本发明的模式切换电路中检测电路的电路图；
图4为根据本发明的模式切换方法的流程图；
图5为根据本发明的模式切换电路的一种工作波形图；以及
图6为根据本发明的模式切换电路的另一种工作波形图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参考图1，所示为根据本发明的开关电源的模式切换电路的电路框图。在本实施例中，开关电源以同步整流buck变换器为例进行说明，应理解，其他拓扑，例如boost或者buck-boost均可适用在本发明中。Buck变换器包括主功率管G1、同步管G2以及电感L，其中主功率管G1和同步管G2均采用MOSFET，且具有寄生的体二极管，图中仅示出同步管G2的体二极管D。模式切换电路包括检测电路以及控制电路。检测电路通过检测同步管G2两端的电压来判断体二极管D在同步管G2关断时是否导通，并产生检测信号Ddet。控制电路接收检测信号Ddet，根据检测信号Ddet控制开关电源切换到第一模式或第二模式工作，并产生相应的驱动信号g1和g2以分别驱动主功率管G1和同步管G2。其中在第一模式下，需要检测电感电流IL的过零时刻，并产生过零检测信号以控制同步管G2在电感电流过零时关断；在第二模式下，无需检测电感电流IL的过零时刻，允许电感电流小于零。因此，在第一模式下，电感电流不小于零，而在第二模式下，电感电流始终连续且存在小于零的阶段。
当开关电源工作在第一模式时，主功率管G1导通固定时间，电感电流IL增加，主功率管G1关断后，同步管G2导通，电感电流IL通过同步管G2的体二极管D续流，电感电流IL下降。此时若负载为重载，则电感电流IL连续，由于电感电流IL此时不降到零，因此同步管G2在主功率管G1再次导通时关断。若负载从重载跳变到轻载，则电感电流IL断续，当电感电流IL过零时，即关断同步管G2，而由于主功率管G1仍导通固定时间，使得输出电压出现过冲，此时输出电容上的电荷只能从负载放电，且放电缓慢，使得开关电源的动态响应较差。
当开关电源工作在第二模式时，主功率管G1导通固定时间，电感电流IL增加，主功率管G1关断后，同步管G2导通，电感电流IL通过同步管G2的体二极管D续流，电感电流下降。此时若负载为重载，则电感电流IL连续，与第一模式相同，同步管G2在主功率管G1再次导通时关断。若负载从重载跳变到轻载，由于在此模式下，允许电感电流IL为负，在电感电流IL过零后，同步管G2仍导通，使得电感电流IL流过同步管G2反向增加，从而使得输出电容上的能量继续释放，输出电压不会过冲。直至主功率管G1再次导通时关断同步管G2。因此，电感电流IL始终连续。但是在第二模式下，电感电流IL小于零会造成开关电源的功率损耗较大，效率低下。
因此，控制电路根据检测电路的检测信号Ddet，在负载为重载时，控制开关电源工作在第二模式，从而负载从重载跳变到轻载时，由于允许电感电流IL小于零，开关电源即从第二模式下的连续状态变为强制连续导通状态，以抑制输出电压过冲。当开关电源在强制连续导通状态工作预定周期后，开关电源受控切换到第一模式下工作，由于是轻载，此时开关电源工作在第一模式下的断续状态，电感电流IL过零时关断同步管，从而保证了轻载下系统的效率。而当负载从轻载跳变到重载时，开关电源逐渐从断续状态变为连续状态，当其在连续状态下工作预定周期后，控制电路再次使得开关电源切换到第二模式下工作。
图2给出了根据本发明的开关电源的模式切换电路的具体电路图。如图所示，模式切换电路包括检测电路和控制电路，其中控制电路包括计数单元和控制单元。通常需在开关电源的主功率管和同步管的开关时序中设置死区时间，以防止直通。当同步管G2关断时，过了死区时间后，主功率管G1才导通。在这段死区时间内，主功率管G1和同步管G2均关断，电感电流IL通过体二极管D续流。若开关电源的负载为重载，则当同步管G2被关断时，电感电流IL还未降低为零，体二极管D会导通，反之，若体二极管D未导通，则同步管G2在关断时，电感电流IL已经降低为零，甚至降低到零以下了，也即此时开关电源的负载为轻载。因此检测电路可以通过判断同步管的体二极管在同步管关断时是否导通，进而判断每个周期的电感电流IL的谷值点与零的大小关系，从而产生检测信号Ddet间接地判断当前开关电源工作在重载还是轻载状态。
在本实施例中计数单元包括计数器1和计数器2。计数器1在检测信号Ddet有效时开始计数，并在计数到预定值时产生第二模式切换信号S2，计数器2在检测信号Ddet无效时开始计数，并在计数到预定值时产生第一模式切换信号S1。控制单元接收第一模式切换信号S1和第二模式切换信号S2，从而根据不同的控制逻辑分别产生主功率管G1和同步管G2的驱动信号g1和g2以使开关电源工作在第一模式或第二模式。
应理解，本实施例中计数电路采用两个计数器分别在不同的工作模式下计数，本领域技术人员应当理解，也可以采用一个计数器，加上相应的逻辑控制，同样可以实现本发明的功能。
参考图3，示出了根据本发明的模式切换电路中检测电路的电路图。在本实施例中，检测电路包括比较器CP、RS触发器以及单脉冲触发器。具体地，比较器CP的第一输入端(在此为同相输入端)接收阈值电压Vth，比较器CP的第二输入端(在此为反相输入端)接收比较电压Va，其中比较电压Va是同步管G2的体二极管D两端的电压(在此为LX处电压)叠加上二极管D0的导通压降Vt而产生的。在本实施例中，二极管D0的规格参数与体二极管D基本相同，使得体二极管D导通时，其导通压降与二极管D0的导通压降Vt相互抵消，从而使得比较电压Va接近于零。当体二极管D未导通时，分为两种情况，当开关电源工作于第一模式下的断续状态时，LX处的电压近似为零，比较电压Va此时为二极管D0的导通压降；而当开关电源工作于第二模式下的强制连续导通状态时，由于同步管G2关断时，电感电流IL小于零，电感电流IL从输出端流向输入端，LX端电压大于输入电压，也即比较电压Va此时大于输入电压。因此阈值电压Vth设置为大于零且小于二极管D0的导通压降，从而使得当同步管G2关断时其体二极管D未导通时，比较电压Va大于阈值电压Vth，在同步管G2关断时其体二极管D导通时，比较电压Va小于阈值电压Vth。
单脉冲触发器接收同步管G2的驱动信号g2，受其下降沿触发，输出复位信号Rset至RS触发器的复位端R。RS触发器的置位端S接收比较器的输出信号Sset，RS触发器的输出端Q输出检测信号Ddet。
因此，在每个开关周期同步管G2关断时，复位信号Rset先使得RS触发器复位，当体二极管D导通时，比较电压Va小于阈值电压Vth，比较器的输出信号Sset有效，从而检测信号Ddet有效，此时开关电源处于重载状态。当体二极管D未导通时，比较电压Va大于阈值电压Vth，比较器的输出信号Sset无效，从而检测信号Ddet无效，此时开关电源处于轻载状态。
应理解，检测体二极管是否导通的电路不限于本发明实施例中所给出的实施例，可以采用现有技术中的任何一种方式实现。
图4给出了根据本发明的模式切换方法的流程图。结合图2和图3对本发明的模式切换方法进行阐述。
当负载为重载时，开关电源工作在第二模式下的连续状态。判断同步管G2的体二极管D在同步管G2关断时是否导通。若体二极管D未导通，表明此时负载由重载跳变为轻载。此时开关电源工作在第二模式下的强制连续导通状态，且检测信号Ddet无效，此时计数器2开始递增计数。每次同步管G2的体二极管D未导通时，计数器2加1。若在同步管G2关断时检测到体二极管D导通时(如突然从轻载又跳变到重载)，则计数器2清零，重新计数。当计数器2连续计数到预定值时，计数器2输出第一模式切换信号S1，使得开关电源从第二模式切换到第一模式。在第一模式下，电感电流IL过零时，关断同步管G2，由于是轻载，此时开关电源工作在断续状态。在本实施例中，连续计数到预定值，同时也可以防止误判断，提高准确性。当开关电源从第二模式切换到第一模式时，计数器2清零并停止工作，计数器1开始工作。
当负载为轻载时，开关电源工作于第一模式下的断续状态。判断同步管G2的体二极管D在同步管G2关断时是否导通。若体二极管D导通，表明此时负载已逐渐加重，此时开关电源工作在第一模式下的连续状态，检测信号Ddet有效，计数器1开始递增计数。每次在同步管G2关断时检测到体二极管D导通，则计数器1加1。若在同步管G2关断时检测到体二极管D不导通时(仍是轻载)，则计数器1清零，重新计数。此外，当电路中的电感电流IL过零检测信号有效时(其中过零检测信号用以控制同步管G2关断)，也使得计时器1清零，以避免同步管G2关断时可能会带来的短暂负压造成误判断。当计数器1计数到预定值时，计数器1输出第二模式切换信号S2，使得开关电源受控进入第二模式。此后计数器1清零并停止工作，计数器2开始工作。
图5给出了根据本发明的模式切换电路的一种工作波形图。图示为开关电源由重载跳变到轻载的工作波形图，从上至下依次为电感电流IL、主功率管G1的驱动信号g1、同步管G2的驱动信号g2以及LX处的电压VLX，横坐标为时间t。从图中可以看出，在t0之前，开关电源工作在第二模式下的连续状态，在同步管G2关断时(对应g2的下降沿)，电感电流IL大于零，因此电感电流IL通过同步管G2的体二极管D续流，即体二极管D导通，此时，检测电路的输出的检测信号Ddet有效，计数器2不计数，可以判断出开关电源此时处于重载状态。当负载变轻时，电感电流IL逐渐减小，在t0时进入强制连续导通状态，电感电流IL可以为负，此时在同步管G2关断时，电感电流IL反向增加到谷值，体二极管D不导通，比较电压Va大于阈值电压Vth，检测信号Ddet无效。此后计数器2在每次检测电路输出的检测信号Ddet无效时(体二极管D不导通时)递增计数，在tM时，计数器2已连续计数m次(本实施例中为5次)，此后开关电源受控制电路控制而切换到第一模式工作，电感电流IL过零时，关断同步管G2。本实施例实现了从重载跳变到轻载时，开关电源在电感电流临界区域(接近于零)精确地实现了第二模式到第一模式的切换，抑制了输出电压的过冲。
图6给出了根据本发明的模式切换电路的另一种工作波形图。图示为开关电源由轻载跳变到重载的工作波形图，从上至下依次为电感电流IL、主功率管G1的驱动信号g1、同步管G2的驱动信号g2以及LX处的电压VLX，横坐标为时间t。从图中可以看出，在t0之前，开关电源工作在第一模式下的断续状态，在同步管G2关断时(对应g2的下降沿)，电感电流IL等于零，因此同步管G2的体二极管D不导通，LX处的电压VLX接近零。此时，检测电路的输出的检测信号Ddet无效，状态判断电路可以判断出开关电源此时处于轻载状态。当负载加重时，电感电流IL逐渐增大，在t0时进入连续模式，此时在同步管G2关断时，电感电流IL略大于零，电感电流IL通过同步管G2的体二极管D续流。因此LX处的电压等于体二极管D的导通压降(为负值)。如上所述，此后计数器1在每次检测电路输出的检测信号Ddet有效时(体二极管D导通时)递增计数，在tM时，计数器1已连续计数m次(本实施例中为5次)，此后开关电源受控制电路控制而切换到第二模式。本实施例实现了从轻载跳变到重载时，开关电源在电感电流临界区域(接近于零)精确地实现了第一模式到第二模式的切换，避免了轻载时持续工作在强制连续导通状态下的低效率，同时为负载从轻载跳变到重载做准备。
综上所述，本发明通过判断在同步管关断时其体二极管是否导通来判断负载状态，并在负载跳变时，控制开关电源在第一模式和第二模式之间切换，从而在抑制输出电压过冲的同时保证系统的效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种开关电源的模式切换电路，其中所述开关电源包括主功率管和同步管以及电感，所述主功率管和同步管串联连接，所述电感与所述主功率管和所述同步管的公共连接点相连，其特征在于，所述模式切换电路被配置为当负载跳变时，控制所述开关电源在第一模式和第二模式之间切换工作，以抑制输出电压过冲，其中
在所述第一模式下，所述开关电源的电感电流不小于零，且所述第一模式包括连续状态和断续状态；在所述第二模式下，所述电感电流连续且允许所述电感电流小于零，且所述第二模式包括连续状态和强制连续导通状态，其中在轻载下，所述开关电源工作在所述第一模式下的断续状态，当所述开关电源的负载从轻载跳变到重载时，所述开关电源由所述断续状态进入所述第一模式下的连续状态工作，当所述开关电源在所述第一模式下的连续状态工作预定周期后，所述模式切换电路控制所述开关电源切换至所述第二模式下的连续状态工作，当所述开关电源的负载从重载跳变到轻载时，所述开关电源进入所述第二模式下的强制连续导通状态工作，当所述开关电源在所述强制连续导通状态工作预定周期后，所述模式切换电路控制所述开关电源切换至所述第一模式下的断续状态工作。
2.根据权利要求1所述的模式切换电路，其特征在于，包括：
检测电路，被配置为检测所述同步管的体二极管在所述同步管关断时是否导通，并输出检测信号；
控制电路，被配置为根据所述开关电源当前的工作模式和所述检测信号控制所述开关电源进行模式切换。
3.根据权利要求2所述的模式切换电路，其特征在于，所述控制电路包括：
计数电路，被配置为在不同的工作模式下分别对所述检测信号进行计数，并根据计数结果产生第一模式切换信号或第二模式切换信号，使得所述开关电源切换工作模式。
4.根据权利要求3所述的模式切换电路，其特征在于，当所述计数电路连续检测到的无效的所述检测信号的个数达到预定值时，产生所述第一模式切换信号，使得所述开关电源切换到所述第一模式。
5.根据权利要求3所述的模式切换电路，其特征在于，当所述计数电路连续检测到的有效的所述检测信号的个数达到预定值时，产生所述第二模式切换信号，使得所述开关电源切换到所述第二模式。
6.根据权利要求3所述的模式切换电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
控制单元，被配置为接收所述第一模式切换信号和所述第二模式切换信号，并产生第一驱动信号和第二驱动信号，以控制所述开关电源工作在所述第一模式或所述第二模式。
7.根据权利要求2所述的模式切换电路，其特征在于，所述检测电路包括：
比较电路，被配置为根据所述同步管的体二极管的两端电压和阈值电压来判断所述体二极管是否导通。
8.一种开关电源的模式切换方法，其中所述开关电源包括主功率管和同步管以及电感，所述主功率管和同步管串联连接，所述电感与所述主功率管和所述同步管的公共连接点相连，其特征在于，包括：
当负载跳变时，控制所述开关电源在第一模式和第二模式之间切换工作，以抑制输出电压过冲，其中
在所述第一模式下，所述开关电源的电感电流不小于零，且所述第一模式包括连续状态和断续状态；在所述第二模式下，所述电感电流连续且允许所述电感电流小于零，且所述第二模式包括连续状态和强制连续导通状态，其中在轻载下，所述开关电源工作在所述第一模式下的断续状态，当所述开关电源的负载从轻载跳变到重载时，所述开关电源由所述断续状态进入所述第一模式下的连续状态工作，当所述开关电源在所述第一模式下的连续状态工作预定周期后，所述开关电源受控切换至所述第二模式下的连续状态工作，当所述开关电源的负载从重载跳变到轻载时，所述开关电源进入所述第二模式下的强制连续导通状态工作，当所述开关电源在所述强制连续导通状态工作预定周期后，所述开关电源受控切换至所述第一模式下的断续状态工作。
9.根据权利要求8所述的模式切换方法，其特征在于，包括
检测所述同步管的体二极管在所述同步管关断时是否导通并产生检测信号；以及
根据所述开关电源当前的工作模式和所述检测信号控制所述开关电源进行模式切换。
10.根据权利要求9所述的模式切换方法，其特征在于，根据所述开关电源当前的工作模式和所述检测信号控制所述开关电源进行模式切换包括：
在不同的工作模式下分别对所述检测信号进行计数，并根据计数结果产生第一模式切换信号或第二模式切换信号，使得所述开关电源切换工作模式。
11.根据权利要求10所述的模式切换方法，其特征在于，根据计数结果产生第一模式切换信号或第二模式切换信号包括：
当连续检测到的无效的所述检测信号的个数达到预定值时，产生所述第一模式切换信号，使得所述开关电源切换到所述第一模式；当连续检测到的有效的所述检测信号的个数达到所述预定值时，产生所述第二模式切换信号，使得所述开关电源切换到所述第二模式。
12.根据权利要求9所述的模式切换方法，其特征在于，检测所述同步管的体二极管在所述同步管关断时是否导通包括：
根据所述同步管的体二极管的两端电压和阈值电压来判断所述体二极管是否导通。
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