CN113098272A - 一种开关电源的控制方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电源的控制方法和电路，应用于COT控制的buck中，该方法包括：获取负载电压，并从多个预设电压范围中确定与所述负载电压匹配的匹配电压范围；根据所述匹配电压范围确定所述COT的充电电流；根据所述充电电流确定所述COT控制的buck的工作频率；其中，所述充电电流在所述负载电压不超出所述匹配电压范围时保持恒定，且在所述负载电压处于不同的所述预设电压范围时不同，通过基于负载电压进行分段控制，使得充电电流在负载电压处于某一电压范围内时保持不变，从而改变了buck的工作频率，提高了buck的效率。

Description

一种开关电源的控制方法及电路
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种开关电源的控制方法及电路。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。因此，其转化效率受到行业内的高度关注。
传统的COT控制的buck工作频率是恒定的，现有技术中，为了解决开关电源效率随着负载的减轻下来不断下降，采用曲线降频的方式。但是曲线降频过程中的曲线产生受到多方面影响易出现异常。
发明内容
本发明提供一种开关电源的控制方法，用以解决现有技术中COT控制的buck的工作频率无法可靠根据负载进行变化，开关电源效率低的技术问题。
该方法应用于COT控制的buck中，包括：
获取负载电压，并从多个预设电压范围中确定与所述负载电压匹配的匹配电压范围；
根据所述匹配电压范围确定所述COT的充电电流；
根据所述充电电流确定所述buck的工作频率；
其中，所述充电电流在所述负载电压不超出所述匹配电压范围时保持恒定，且在所述负载电压处于不同的所述预设电压范围时不同。
在本申请一些实施例中，根据所述匹配电压范围确定所述COT的充电电流，具体为：
根据与所述匹配电压范围对应的选择电压确定所述充电电流；
其中，各所述预设电压范围分别与不同的选择电压对应。
在本申请一些实施例中，根据与所述匹配电压范围对应的选择电压确定所述充电电流，具体为：
将与所述匹配电压范围对应的选择电压输入跨导放大器，并根据所述跨导放大器的输出结果确定所述充电电流。
在本申请一些实施例中，在根据所述充电电流确定所述buck的工作频率之后，所述方法还包括：
采集分压电压，并在所述分压电压小于预设基准电压时，输出开启信号至所述开关电源的第一功率开关，以使所述第一功率开关导通；
在所述第一功率开关的导通时长达到与所述工作频率对应的开启时长时，输出关闭信号至所述第一功率开关，以使所述第一功率开关截止。
相应的，本发明还提出了一种开关电源的控制电路，应用于COT控制的buck中，包括第一功率开关、第二功率开关、主控制模块、采样控制模块、第一电阻和第二电阻，所述电路还包括频率控制模块，用于：
获取负载电压，并从多个预设电压范围中确定与所述负载电压匹配的匹配电压范围；
根据所述匹配电压范围输出所述COT的充电电流至所述主控制模块；
其中，所述充电电流在所述负载电压不超出所述匹配电压范围时保持恒定，且在所述负载电压处于不同的所述预设电压范围时不同。
在本申请一些实施例中，所述采样控制模块用于：
采集分压电压，并在所述分压电压小于预设基准电压时，输出开启信号至所述主控制模块，以使所述主控制模块输出所述开启信号至所述第一功率开关。
在本申请一些实施例中，所述频率控制模块包括负载检测模块、判定模块和频率选择模块，其中，
所述负载检测模块，用于将感测的负载电流转化为所述负载电压，并输出所述负载电压至所述判定模块；
所述判定模块，用于根据所述负载电压确定所述匹配电压范围，并将与所述匹配电压范围对应的选择电压输出至所述频率选择模块；
所述频率选择模块，用于将所述选择电压转化为充电电流，并将所述充电电流输出至所述主控制模块。
在本申请一些实施例中，各所述预设电压范围设置于所述判定模块，各所述预设电压范围分别与不同的选择电压对应。
在本申请一些实施例中，所述采样控制模块的输入端连接所述第一电阻和第二电阻的公共端，所述采样控制模块的输出端连接所述主控制模块的输入端，所述主控制模块的输入端还连接所述频率控制模块的输出端，所述第一功率开关的输入端和所述第二功率开关的输入端共接于所述主控制模块的输出端。
在本申请一些实施例中，所述电路还包括电感，所述负载检测模块包括第三电阻、电容和运放，所述电感的第一端和所述第三电阻的第一端共接于所述第一功率开关和所述第二功率开关的输出端，所述电感的第二端和所述第一电阻共接于所述电容的第一端，所述第三电阻的第二端和所述电容的第二端共接于所述运放的正相输入端，所述电容的第一端连接所述运放的负相输入端，所述运放的输出端连接所述判定模块。
与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：
本发明公开了一种开关电源的控制方法和电路，应用于COT控制的buck中，该方法包括：获取负载电压，并从多个预设电压范围中确定与所述负载电压匹配的匹配电压范围；根据所述匹配电压范围确定所述COT的充电电流；根据所述充电电流确定所述buck的工作频率；其中，所述充电电流在所述负载电压不超出所述匹配电压范围时保持恒定，且在所述负载电压处于不同的所述预设电压范围时不同，通过基于负载电压进行分段控制，使得充电电流在负载电压处于某一电压范围内时保持不变，从而改变了buck的工作频率，提高了buck的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提出的一种开关电源的控制电路的结构示意图；
图2示出了本发明实施例提出的一种开关电源的控制方法的流程示意图；
图3示出了本发明另一实施例提出的一种开关电源的控制电路的结构示意图；
图4示出了不同频率控制方式的buck的效率对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供一种开关电源的控制方法，应用于COT（constant on time，恒定导通时间）控制的buck（即降压式变换电路）中，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
步骤S101，获取负载电压，并从多个预设电压范围中确定与所述负载电压匹配的匹配电压范围。
本实施例中，可以通过现有技术方式采集或感测负载电压，并将该负载电压与多个预设电压范围进行比较，确定负载电压所属的预设电压范围，也即与负载电压匹配的匹配电压范围。
步骤S102，根据所述匹配电压范围确定所述COT的充电电流。
本实施例中，根据匹配电压范围可确定COT的充电电流，该充电电流在负载电压不超出匹配电压范围时保持恒定，且在负载电压处于不同的预设电压范围时不同。
为了可靠的确定充电电流，在本申请一些实施例中，根据所述匹配电压范围确定所述COT的充电电流，具体为：
根据与所述匹配电压范围对应的选择电压确定所述充电电流；
其中，各所述预设电压范围分别与不同的选择电压对应。
本实施例中，每个预设电压范围对应一个选择电压，不同的预设电压范围对应的选择电压不同，在确定匹配电压范围后，可根据与匹配电压范围对应的选择电压确定充电电流。
需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，本领域技术人员还可根据该匹配电压范围查询预设对应关系表后确定该充电电流，该预设对应关系表表征了不同预设电压范围与不同充电电流的对应关系，这并不影响本申请的保护范围。
为了可靠的确定充电电流，在本申请一些实施例中，根据与所述匹配电压范围对应的选择电压确定所述充电电流，具体为：
将与所述匹配电压范围对应的选择电压输入跨导放大器，并根据所述跨导放大器的输出结果确定所述充电电流。
跨导放大器是一种将输入差分电压转换为输出电流的放大器，通过将与所述匹配电压范围对应的选择电压输入跨导放大器，从而将选择电压转化为该充电电流。
需要说明的是，以上优选实施例的方案仅为本申请所提出的一种具体实现方案，其他根据该选择电压确定充电电流的方式均属于本申请的保护范围。
步骤S103，根据所述充电电流确定所述buck的工作频率。
本实施例中，COT控制的buck的工作频率与COT的充电电流相关，当充电电流发生变化时，上边开关管打开的时间将发生变化，从而使得工作频率发生变化，从而达到控制工作频率目的，提高了buck的效率。
为了确保buck正常运行，在本申请一些实施例中，在根据所述充电电流确定所述buck的工作频率之后，所述方法还包括：
采集分压电压，并在所述分压电压小于预设基准电压时，输出开启信号至所述开关电源的第一功率开关，以使所述第一功率开关导通；
在所述第一功率开关的导通时长达到与所述工作频率对应的开启时长时，输出关闭信号至所述第一功率开关，以使所述第一功率开关截止。
本实施例中，如图1中所示，buck包括第一功率开关M1（也即上边开关管）和第二功率开关M2（也即下边开关管），该分压电压即开关电源的反馈电压Vfb，当感测的分压电压小于预设基准电压时，第一功率开关获得启动信号导通，电感L的电流增加。当第一功率开关的导通时长达到与所述工作频率对应的开启时长时，第一功率开关M1获得关闭信号截止，第二功率开关M2获得启动信号导通，电感L的电流减小。
现有技术中，当负载电压发生变化，buck的工作频率不变，随着充电电流的降低，buck的效率下降。而本实施例中，基于负载电压进行了分段控制，使得充电电流在负载电压处于某一电压范围内时保持不变，从而改变了第一功率开关M1的打开时间，进而改变了buck的工作频率，避免了buck频繁动作，提高了buck的效率。
本申请实施例还提出了一种开关电源的控制电路，应用于COT控制的buck中，如图1所示，包括第一功率开关M1、第二功率开关M2、主控制模块、采样控制模块、第一电阻R1和第二电阻R2，所述电路还包括频率控制模块，用于：
获取负载电压，并从多个预设电压范围中确定与所述负载电压匹配的匹配电压范围；
根据所述匹配电压范围输出所述COT的充电电流至所述主控制模块；
其中，所述充电电流在所述负载电压不超出所述匹配电压范围时保持恒定，且在所述负载电压处于不同的所述预设电压范围时不同。
本实施例中，频率控制电路基于感测的负载电压，输出所述充电电流至主控制模块，从而使主控制模块的导通时长发生变化，达到改变开关电源频率的目的。
为了确保buck正常工作，在本申请一些实施例中，如图1所示，所述采样控制模块用于：
采集分压电压，并在所述分压电压小于预设基准电压时，输出开启信号至所述主控制模块，以使所述主控制模块输出所述开启信号至所述第一功率开关。
本实施例中，如图1所示，当感测的分压电压Vfb小于预设基准电压时，第一功率开关M1获得启动信号导通，电感L的电流增加。当第一功率开关M1的导通时长达到与所述工作频率对应的开启时长时，第一功率开关M1获得关闭信号截止，第二功率开关M2获得启动信号导通，电感L的电流减小。
为了可靠的确定充电电流，在本申请一些实施例中，如图1所示，所述频率控制模块包括负载检测模块、判定模块和频率选择模块，其中，
所述负载检测模块，用于将感测的负载电流转化为所述负载电压，并输出所述负载电压至所述判定模块；
所述判定模块，用于根据所述负载电压确定所述匹配电压范围，并将与所述匹配电压范围对应的选择电压输出至所述频率选择模块；
所述频率选择模块，用于将所述选择电压转化为充电电流，并将所述充电电流输出至所述主控制模块。
可选的，频率选择模块为跨导放大器。
为了可靠的确定选择电压，在本申请一些实施例中，各所述预设电压范围设置于所述判定模块，各所述预设电压范围分别与不同的选择电压对应。
本领域技术人员可根据实际需要确定不同数量的预设电压范围，这并不影响本申请的保护范围。
为了提高电路的可靠性，在本申请一些实施例中，如图1所示，所述采样控制模块的输入端连接所述第一电阻R1和第二电阻R2的公共端，所述采样控制模块的输出端连接所述主控制模块的输入端，所述主控制模块的输入端还连接所述频率控制模块的输出端，所述第一功率开关M1的输入端和所述第二功率开关M2的输入端共接于所述主控制模块的输出端。
为了可靠的确定负载电压，在本申请一些实施例中，如图1所示，所述电路还包括电感L，所述负载检测模块包括第三电阻R3、电容C1和运放Amp1，所述电感L的第一端和所述第三电阻R3的第一端共接于所述第一功率开关M1和所述第二功率开关M2的输出端，所述电感L的第二端和所述第一电阻R1共接于所述电容C1的第一端，所述第三电阻R3的第二端和所述电容C1的第二端共接于所述运放Amp1的正相输入端，所述电容C1的第一端连接所述运放Amp1的负相输入端，所述运放Amp1的输出端连接所述判定模块。
为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。
现有技术中，因为COT会固定M1打开的时间：Ton，而且
Figure 355427DEST_PATH_IMAGE001
（1）
由（1）式可以得出
Figure 780592DEST_PATH_IMAGE002
（2）
所以当Vin和Vout固定时，工作频率Fs就恒定，不会与负载电压大小产生关系。
本实施例中，如图1和图3所示，在COT控制的buck中加入频率控制模块进行分段式降频。
通过图3虚线框中频率控制模块，实现：
Figure 629731DEST_PATH_IMAGE003
（3）
由（2）、（3）式得，
Figure 724726DEST_PATH_IMAGE004
（4）
通过（4）式可以看出，当Iout越大，则频率Fs越高，这样就可以保证COT buck在全负载范围都有较高的效率。
具体的，如图3所示：
1、负载检测模块：R3、C1组成DCR检测部分，用于检测流过电感DCR电阻上产生的压降，这个结构可以保证：V2-V1=RDCR*IL。运放Amp1：V3=G（V2-V1）（G是运放Amp1的闭环增益）。
2、判定模块：根据负载检测输出电压信号V3的大小输出一定的选择电压Vm。
当0<V3<Vn1时，Vm=Vn1；
当V1<V3<Vn2时，Vm=Vn2；
当V2<V3<Vn3时，Vm=Vn3；
当V3<V3<Vn4时，Vm=Vn4；
当V4<V3<Vn5时，Vm=Vn5；
Vn1=RDCR*I1*G，Vn2=RDCR*I2*G，Vn3=RDCR*I3*G，Vn4=RDCR*I4*G，Vn5=RDCR*I5*G，
Vm=Vnx=RDCR*Ix*G（Ix是在全负载范围分段取几个点） （5）
3、频率选择模块：通过跨导放大器，将选择电压Vm转化Ton的充电电流I。
I=Vm*m （6）
由于Ton的设计是通过下式实现的：
Figure 908583DEST_PATH_IMAGE005
（7）
将（5）、（6）式代入（7）式得，
Figure 876452DEST_PATH_IMAGE006
（8）
由(2)、（8）式得出
Figure 251567DEST_PATH_IMAGE008
（9）
最终得出buck的工作频率Fs随Iout分段变化，使buck在全负载范围内具有较高的效率，如图4所示为不同频率控制方式的buck的效率对比示意图。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种开关电源的控制方法，应用于COT控制的buck中，其特征在于，所述方法包括：
获取负载电压，并从多个预设电压范围中确定与所述负载电压匹配的匹配电压范围；
根据所述匹配电压范围确定所述COT的充电电流；
根据所述充电电流确定所述buck的工作频率；
其中，所述充电电流在所述负载电压不超出所述匹配电压范围时保持恒定，且在所述负载电压处于不同的所述预设电压范围时不同。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述匹配电压范围确定所述COT的充电电流，具体为：
根据与所述匹配电压范围对应的选择电压确定所述充电电流；
其中，各所述预设电压范围分别与不同的选择电压对应。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据与所述匹配电压范围对应的选择电压确定所述充电电流，具体为：
将与所述匹配电压范围对应的选择电压输入跨导放大器，并根据所述跨导放大器的输出结果确定所述充电电流。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述充电电流确定所述buck的工作频率之后，所述方法还包括：
采集分压电压，并在所述分压电压小于预设基准电压时，输出开启信号至所述开关电源的第一功率开关，以使所述第一功率开关导通；
在所述第一功率开关的导通时长达到与所述工作频率对应的开启时长时，输出关闭信号至所述第一功率开关，以使所述第一功率开关截止。
5.一种开关电源的控制电路，应用于COT控制的buck中，包括第一功率开关、第二功率开关、主控制模块、采样控制模块、第一电阻和第二电阻，其特征在于，所述电路还包括频率控制模块，用于：
获取负载电压，并从多个预设电压范围中确定与所述负载电压匹配的匹配电压范围；
根据所述匹配电压范围输出所述COT的充电电流至所述主控制模块；
其中，所述充电电流在所述负载电压不超出所述匹配电压范围时保持恒定，且在所述负载电压处于不同的所述预设电压范围时不同。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述采样控制模块用于：
采集分压电压，并在所述分压电压小于预设基准电压时，输出开启信号至所述主控制模块，以使所述主控制模块输出所述开启信号至所述第一功率开关。
7.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述频率控制模块包括负载检测模块、判定模块和频率选择模块，其中，
所述负载检测模块，用于将感测的负载电流转化为所述负载电压，并输出所述负载电压至所述判定模块；
所述判定模块，用于根据所述负载电压确定所述匹配电压范围，并将与所述匹配电压范围对应的选择电压输出至所述频率选择模块；
所述频率选择模块，用于将所述选择电压转化为充电电流，并将所述充电电流输出至所述主控制模块。
8.如权利要求7所述的电路，其特征在于，各所述预设电压范围设置于所述判定模块，各所述预设电压范围分别与不同的选择电压对应。
9.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述采样控制模块的输入端连接所述第一电阻和第二电阻的公共端，所述采样控制模块的输出端连接所述主控制模块的输入端，所述主控制模块的输入端还连接所述频率控制模块的输出端，所述第一功率开关的输入端和所述第二功率开关的输入端共接于所述主控制模块的输出端。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于，所述电路还包括电感，所述负载检测模块包括第三电阻、电容和运放，所述电感的第一端和所述第三电阻的第一端共接于所述第一功率开关和所述第二功率开关的输出端，所述电感的第二端和所述第一电阻共接于所述电容的第一端，所述第三电阻的第二端和所述电容的第二端共接于所述运放的正相输入端，所述电容的第一端连接所述运放的负相输入端，所述运放的输出端连接所述判定模块。
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