CN112583241B - 一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及电路 - Google Patents

Abstract

一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及电路，属于开关电源芯片设计技术领域。本发明提出的控制方法检测开关电源的开关频率并分别与上限阈值频率和下限阈值频率进行比较，根据比较结果进行数字控制产生一个数字码字，其中上限阈值频率>下限阈值频率>音频；当判定当前开关频率比上限阈值频率高时通过数字控制将开关电源中电感的负电流减小，当判定当前开关频率比下限阈值频率低时将开关电源中电感的负电流增大，实现开关频率锁定在上限阈值频率和下限阈值频率之间，同时确保输出中心稳态值在这个负载区间内不会变化。本发明提出的数字控制方法既保证了效率，又不需要复杂补偿，还能够保证输出稳定。

Description

一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及电路

技术领域

本发明属于开关电源芯片设计技术领域，涉及一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及实现电路。

背景技术

开关电源因为其高效特征在电源领域被广泛使用，但当其负载变轻时为了继续保证开关转换效率，一般选择进入展频模式，在展频模式中，通过降低开关动作的频率从而降低开关本身的损耗。当开关电源的开关频率进一步降低时，开关频率会进入音频区间，在一些应用中，这些音频区间的开关电源噪声会被人耳听见（人耳能够听见频率在20Hz~20KHz范围的振动），产生多余的音频噪声。现有技术中为了确保开关电源在轻载时不会进入音频区间，通常会采用以下三种方法：

方法一、强制开关电源在轻载时也不进入展频模式。这种方法的缺点是因为开关本身产生的功耗开销始终不变，当负载极轻时，其占比逐渐变大，而导致效率很低，如图1所示是降压型开关电源采用方法一控制时，轻载和重载的电感电流波形图，开关电源中第一开关管Q1和第二开关管Q2串联并接在开关电源的输入端和地GND之间，电感L接在第一开关管Q1和第二开关管Q2的串联点与开关电源的输出端之间，开关电源的输入端连接输入电压Vin，开关电源的输出端产生输出电压Vout。

方法二、在开关电源进入轻载时展频，同时在输出加入额外的负载，确保展频模式时开关频率不会进入音频频率。这种方法的缺点是因为加入额外负载，同时这一负载的能量被直接浪费，同样效率很低，如图2所示是降压型开关电源采用方法二控制时，轻载和重载的电感电流波形图。

方法三、开关电源进入轻载时展频，检测开关频率是否进入接近音频的区间，接近音频前通过控制电感L的负电流深度，用模拟方法将负载小于这一临界值后的开关频率锁定在某一高于音频的频率上。此方法虽然效率高，但与外围器件（图3中的输出电容Cout、电感L）和输入输出电压（图3中输入电压Vin、输出电压Vout）有很大相关性，为了满足各种外围器件和电压范围的应用场景，需要补偿较为复杂，从而硬件开销很大。同时模拟电路中因为环路增益的存在，控制环路会使输出电压在锁定频率后抬升，这对于某些应用，如电池充电，是不可接受的。如图3所示是降压型开关电源采用方法三控制时，轻载和重载的电感电流波形图。

发明内容

由于开关电源在轻载时会降低开关频率而提高效率，而随着负载越来越轻，开关频率会接近音频频率，为了确保开关电源在轻载时不会进入音频区间，本发明提出一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及实现电路，通过检测开关电源的开关频率并与高低两个阈值频率比较，根据比较结果利用数字控制方法来调整电感过零后的负电流，实现开关频率锁定在两个阈值频率之间，即实现超音频轻载模式。相比传统方法一和二而言本发明提高了效率，没有能量浪费；相比传统方法三采用模拟电路控制而言不需要复杂补偿，且本发明能够确保输出中心稳态值在负载区间内不会变化。

本发明提出的控制方法的技术方案为：

一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、设定上限阈值频率和下限阈值频率，其中上限阈值频率>下限阈值频率>音频；

步骤二、检测所述开关电源的开关频率；

步骤三、将所述步骤二检测得到的当前开关频率分别与所述上限阈值频率和下限阈值频率进行比较，若判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述上限阈值频率高时转到步骤四，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述下限阈值频率低时转到步骤五，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率在所述上限阈值频率和下限阈值频率之间时转到步骤六；

步骤四、将所述开关电源中电感的负电流减小，转到步骤六；

步骤五、将所述开关电源中电感的负电流增大，转到步骤六；

步骤六、一个控制周期结束，返回步骤二进入下一个控制周期。

具体的，所述步骤三中，选择所述步骤二检测得到的当前开关频率和设定的时钟频率中更低的频率信号产生计数时钟信号，在所述计数时钟信号的每个时钟周期内将所述步骤二检测得到的当前开关频率分别与所述上限阈值频率和下限阈值频率进行比较，当所述步骤二检测得到的当前开关频率大于所述上限阈值频率时利用第一寄存器进行计数，在所述第一寄存器连续计数达到设定值后判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述上限阈值频率高；当所述步骤二检测得到的当前开关频率小于所述下限阈值频率时利用第二寄存器进行计数，在所述第二寄存器连续计数达到设定值后判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述下限阈值频率低。

具体的，所述步骤三根据所述步骤二检测得到的当前开关频率分别与所述上限阈值频率和下限阈值频率的比较结果产生一个数字码字，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述上限阈值频率高时将所述数字码字加一，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述下限阈值频率低时将所述数字码字减一，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率在所述上限阈值频率和下限阈值频率之间时所述数字码字保持不变；

所述步骤四和步骤五根据所述数字码字控制所述开关电源中电感的负电流，当所述数字码字加一后，控制所述开关电源中电感的负电流增大一个单位电流值；当所述数字码字减一后，控制所述开关电源中电感的负电流减小一个单位电流值。

具体的，在开始进行控制的初始时刻将所述数字码字复位，并在每个所述控制周期的步骤二中将所述第一寄存器和第二寄存器复位。

本发明的另一目的在于提出一种能够实现上述控制方法的实现电路，本发明的控制电路的技术方案为：

一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制电路，

所述控制电路包括频率检测模块、上限比较器、下限比较器、数字状态机和电感电流过零控制模块，

所述频率检测模块用于检测所述开关电源的开关频率；

所述上限比较器用于将所述频率检测模块的检测结果与上限阈值频率进行比较，所述下限比较器用于将所述频率检测模块的检测结果与下限阈值频率进行比较，其中上限阈值频率>下限阈值频率>音频；

所述数字状态机根据所述上限比较器和所述下限比较器的比较结果产生对应的数字码字，所述电感电流过零控制模块根据所述数字状态机输出的数字码字控制所述开关电源中电感的负电流，使得所述开关电源的开关频率保持在所述上限阈值频率和下限阈值频率之间。

具体的，所述数字状态机包括第一寄存器、第二寄存器和数字码字产生模块，

当所述上限比较器输出结果表示所述频率检测模块的检测结果高于上限阈值频率时，所述第一寄存器的输出结果加一，当所述第一寄存器的输出结果达到第一寄存器的设定值时，将所述第一寄存器的输出结果复位，同时将所述数字码字产生模块输出的所述数字码字加一；

当所述下限比较器输出结果表示所述频率检测模块的检测结果低于下限阈值频率时，所述第二寄存器的输出结果加一，当所述第二寄存器的输出结果达到第二寄存器的设定值时，将所述第二寄存器的输出结果复位，同时将所述数字码字产生模块输出的所述数字码字减一；

当所述上限比较器输出结果表示所述频率检测模块的检测结果不高于上限阈值频率，且所述下限比较器输出结果表示所述频率检测模块的检测结果不低于下限阈值频率时，所述数字码字产生模块输出的所述数字码字保持不变。

本发明的有益效果为：本发明通过检测轻载展频模式下的开关频率并与上下限阈值频率进行比较，根据比较结果利用数字方式调节电感电流过零后的负电流，使得开关频率锁定在上下限频率范围之内，确保了开关频率在任何轻载下都不会进入音频区间；相比现有控制方法而言既不会降低效率又不需要复杂补偿，且输出电压在锁定频率后能够保持稳定。

附图说明

下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。

图1是采用现有方法一控制开关电源在轻载时不会进入音频区间时，开关电源结构示意图和电感电流波形图。

图2是采用现有方法二控制开关电源在轻载时不会进入音频区间时，开关电源结构示意图和电感电流波形图。

图3是采用现有方法三控制开关电源在轻载时不会进入音频区间时，开关电源结构示意图和电感电流波形图。

图4是本发明提出的一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制电路应用于降压型开关电源时的拓扑结构图。

图5是本发明提出的一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法在实施例中的部分控制流程图。

图6是应用本发明提出的一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及电路时，开关电源的电感电流波形图。

图7是应用本发明提出的一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及电路时，开关电源的频率锁定效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法，首先设定了一个上限阈值频率和一个下限阈值频率，其中上限阈值频率和下限阈值频率的取值可以根据实际需要任意设定，需满足上限阈值频率>下限阈值频率>音频。然后实时检测开关电源的开关频率并与上限阈值频率和下限阈值频率进行比较，根据比较结果进行数字控制产生一个数字码字。最后将数字码字反馈用于调整开关电源中电感的负电流，实现开关频率锁定在上限阈值频率和下限阈值频率之间，即超音频轻载模式，同时确保输出中心稳态值在这个负载区间内不会变化。

具体的实现电路如图4所示，本实施例中以降压型开关电源为例进行说明，但本发明的适用范围不仅限于降压型开关电源，还可适用于升压型开关电源、升降压型开关电源。降压型开关电源的基本拓扑如图4所示，包括功率开关即第一开关管Q1和第二开关管Q2、电感L、分压阻抗网络、基准电压、误差放大器、开关电源PWM/PFM控制器和输出电容Cout，其中第一开关管Q1一端连接开关电源的输入电压Vin，另一端连接第二开关管Q2的一端和电感L的一端，第二开关管Q2的另一端接地GND，电感L的另一端连接开关电源的输出Vout，分压阻抗网络将输出电压Vout分压后与基准电压进行误差放大并用于PWM/PFM控制驱动第一开关管Q1和第二开关管Q2。

在上述开关电源的基本拓扑结构基础上，本发明加入了频率检测和数字控制，利用频率检测模块检测开关电源的开关频率；利用上限比较器比较频率检测模块的检测结果和上限阈值频率，利用下限比较器比较频率检测模块的检测结果和下限阈值频率；上限比较器和下限比较器的比较结果送入数字状态机中产生对应的数字码字，电感电流过零控制模块根据数字状态机输出的数字码字控制降压型开关电源中第二开关管Q2的开启和关断，从而调整开关电源中电感的负电流（本实施例以降压型开关电源为例是控制开关管Q2，若将本发明应用于其他类型的开关电源时，适当调整来控制对应的开关管，也可以实现调节电感负电流），使得开关电源的开关频率保持在上限阈值频率和下限阈值频率之间。

其中数字状态机产生数字码字的一种具体实现方法的流程图如图5所示，数字状态机包括用于计数的第一寄存器和第二寄存器、以及数字码字产生模块。第一寄存器和第二寄存器由上限比较器的比较结果F_h和下限比较器的比较结果F_l控制计数方向，第一寄存器和第二寄存器在计数时钟信号sync_CLK的每个时钟周期进行一次计数产生计数结果分别由F_h_blk_Counter和F_l_blk_Counter表示，其中计数时钟信号sync_CLK根据当前开关电源的开关频率F_c和设定的时钟频率sys_clk中的较小者产生，这是因为F_c变化范围很宽，加入sys_clk引入一个时钟频率上限；设定的时钟频率sys_clk可以根据需要任意设定，比如取500KHz。如图4所示，本实施例中上限比较器的正向输入端连接频率检测模块的检测结果，负向输入端连接上限阈值频率，当频率检测模块的检测结果高于上限阈值频率时上限比较器的输出F_h=1，否则F_h=0。下限比较器的正向输入端连接下限阈值频率，负向输入端连接频率检测模块的检测结果，当下限阈值频率高于频率检测模块的检测结果时下限比较器的输出F_l=1，否则F_l=0。

首先初始化寄存器，将寄存器的计数结果F_h_blk_Counter和F_l_blk_Counter、以及数字码字OOA_NEG复位；使能超音频轻载模式后，确认开关电源的使能信号EN_dcdc和数字控制的使能信号EN_OOA是否为有效，若是则进入下一步，根据上限比较器的输出F_h和下限比较器的输出F_l进行数字控制，当F_h=0且F_l=1时表示频率检测模块的检测结果低于下限阈值频率，令第二寄存器进行计数，第二寄存器的计数结果F_h_blk_Counter加一，第一寄存器的计数结果F_l_blk_Counter为0，当F_h_blk_Counter连续计数达到设定目标时重置寄存器并将输出码字OOA_NEG加一，结束一次控制周期。当F_h=1且F_l=0时表示频率检测模块的检测结果高于上限阈值频率，令第一寄存器进行计数，第一寄存器的计数结果F_l_blk_Counter加一，第二寄存器的计数结果F_h_blk_Counter为0，当F_l_blk_Counter连续计数达到设定目标时重置寄存器并将输出码字OOA_NEG减一，结束一次控制周期。当F_h=0且F_l=0时表示频率检测模块的检测结果在上限阈值频率和下限阈值频率之间，寄存器的计数结果F_l_blk_Counter和F_h_blk_Counter都为0，且输出码字OOA_NEG保持不变，结束一次控制周期。

寄存器的计数结果F_h_blk_Counter和F_l_blk_Counter只有在连续累加达到设定值后才会执行对电感负电流的加减控制，但如果计数中间两次结果不同，则将寄存器的计数结果清零，重新计数，这样使得比较结果F_l和F_h不会马上控制电感负电流，而是需要连续满足同一条件多次才调制电感负电流，减少误触发的出现，提高了控制精度。

数字码字OOA_NEG用于控制开关电源中电感的负电流，一些实施例中可以令数字码字线性的对应电感负电流的大小，即数字码字每增加1bit，电感负电流就会增加一个单位设定值；数字码字每减小1bit，电感负电流就会减小一个单位设定值。电感负电流的设定值与上限阈值频率和下限阈值频率有关，控制后的特征波形如图6所示，当检测到频率低于下限阈值频率，快进入音频区间后，数字状态机通过调整单个控制周期内电感负电流而实现频率的调整，直到开关频率满足上下阈值要求，锁定完成。图7为超音频轻载模式数字控制方法最后实现的效果。

综上所述，本发明通过一套数字状态机控制方法产生控制电感电流过零后负电流的大小，来实现在轻载时对开关频率的锁定。在使能超音频轻载模式后，开启频率检测并对数字状态机进行复位，实时对开关电源的开关频率进行检测并将其与需要锁定的上下阈值进行比较，产生的两个比较结果送入数字状态机，同时将当前开关频率处理后作为数字状态机的计数时钟信号；数字状态机根据比较结果利用寄存器进行计数，当计数满足设定条件后产生对应的输出码字OOA_NEG送入电感电流过零控制模块，从而调节电感过零后的负电流控制开关电源的开关频率，保证在轻载时开关频率锁定在上下两个阈值之间，且结合开关电源本身的PWM/PFM控制器，使得稳定后不会对输出电压Vout引入额外的失调误差，确保输出中心稳态值在这个负载区间内不会变化。

相比背景技术中提到的控制方法一因为轻载时开关频率无法降低和现有控制方法二需要直接消耗电流，导致均无法保证高效率的不足之处，以及现有控制方法三需要模拟环路控制，导致受外围器件和输入输出电压影响较大，需要较为复杂的补偿且补偿电路开销很大而增加成本的问题，本发明提出的数字控制方法既保证了效率，又不需要复杂补偿，且由于数字控制方法的比较器增益可以认为是无穷大的，所以本发明还能够保证输出稳定。

实施例中虽然给出了一些具体数字控制方法和实现结构，但本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设定上限阈值频率和下限阈值频率，其中上限阈值频率>下限阈值频率>音频；

步骤二、检测所述开关电源的开关频率；

步骤三、将所述步骤二检测得到的当前开关频率分别与所述上限阈值频率和下限阈值频率进行比较，若判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述上限阈值频率高时转到步骤四，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述下限阈值频率低时转到步骤五，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率在所述上限阈值频率和下限阈值频率之间时转到步骤六；

步骤四、将所述开关电源中电感的负电流减小，转到步骤六；

步骤五、将所述开关电源中电感的负电流增大，转到步骤六；

步骤六、一个控制周期结束，返回步骤二进入下一个控制周期；

步骤二具体利用频率检测模块检测开关电源的开关频率；

步骤三具体利用上限比较器比较频率检测模块的检测结果和上限阈值频率，利用下限比较器比较频率检测模块的检测结果和下限阈值频率；

步骤四或步骤五调节所述开关电源中电感的负电流，具体方法是：将步骤三中上限比较器和下限比较器的比较结果送入数字状态机中产生对应的数字码字，电感电流过零控制模块根据数字状态机输出的数字码字控制降压型开关电源中第二开关管的开启和关断，从而调整开关电源中电感的负电流使得开关电源的开关频率保持在上限阈值频率和下限阈值频率之间。

2.根据权利要求1所述的开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法，其特征在于，所述步骤三中，选择所述步骤二检测得到的当前开关频率和设定的时钟频率中更低的频率信号产生计数时钟信号，在所述计数时钟信号的每个时钟周期内将所述步骤二检测得到的当前开关频率分别与所述上限阈值频率和下限阈值频率进行比较，当所述步骤二检测得到的当前开关频率大于所述上限阈值频率时利用第一寄存器进行计数，在所述第一寄存器连续计数达到设定值后判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述上限阈值频率高；当所述步骤二检测得到的当前开关频率小于所述下限阈值频率时利用第二寄存器进行计数，在所述第二寄存器连续计数达到设定值后判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述下限阈值频率低。

3.根据权利要求2所述的开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法，其特征在于，所述步骤三根据所述步骤二检测得到的当前开关频率分别与所述上限阈值频率和下限阈值频率的比较结果产生一个数字码字，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述上限阈值频率高时将所述数字码字加一，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率比所述下限阈值频率低时将所述数字码字减一，当判定所述步骤二检测得到的当前开关频率在所述上限阈值频率和下限阈值频率之间时所述数字码字保持不变；

所述步骤四和步骤五根据所述数字码字控制所述开关电源中电感的负电流，当所述数字码字加一后，控制所述开关电源中电感的负电流增大一个单位电流值；当所述数字码字减一后，控制所述开关电源中电感的负电流减小一个单位电流值。

4.根据权利要求3所述的开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法，其特征在于，在开始进行控制的初始时刻将所述数字码字复位，并在每个所述控制周期的步骤二中将所述第一寄存器和第二寄存器复位。

5.一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括频率检测模块、上限比较器、下限比较器、数字状态机和电感电流过零控制模块，

所述频率检测模块用于检测所述开关电源的开关频率；

所述上限比较器用于将所述频率检测模块的检测结果与上限阈值频率进行比较，所述下限比较器用于将所述频率检测模块的检测结果与下限阈值频率进行比较，其中上限阈值频率>下限阈值频率>音频；

所述数字状态机根据所述上限比较器和所述下限比较器的比较结果产生对应的数字码字，所述电感电流过零控制模块根据所述数字状态机输出的数字码字控制所述开关电源中电感的负电流，使得所述开关电源的开关频率保持在所述上限阈值频率和下限阈值频率之间。

6.根据权利要求5所述的开关电源实现超音频轻载工作模式的控制电路，其特征在于，所述数字状态机包括第一寄存器、第二寄存器和数字码字产生模块，

当所述上限比较器输出结果表示所述频率检测模块的检测结果高于上限阈值频率时，所述第一寄存器的输出结果加一，当所述第一寄存器的输出结果达到第一寄存器的设定值时，将所述第一寄存器的输出结果复位，同时将所述数字码字产生模块输出的所述数字码字加一；

当所述下限比较器输出结果表示所述频率检测模块的检测结果低于下限阈值频率时，所述第二寄存器的输出结果加一，当所述第二寄存器的输出结果达到第二寄存器的设定值时，将所述第二寄存器的输出结果复位，同时将所述数字码字产生模块输出的所述数字码字减一；

当所述上限比较器输出结果表示所述频率检测模块的检测结果不高于上限阈值频率，且所述下限比较器输出结果表示所述频率检测模块的检测结果不低于下限阈值频率时，所述数字码字产生模块输出的所述数字码字保持不变。

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