CN113131737B - 适用于开关电源的pwm/pfm无缝切换控制器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器及其控制方法,涉及集成电路技术领域。本发明所述切换控制器包括PFM控制器,用于产生PFM控制信号;PWM控制器,用于产生PWM控制信号;PWM预置电路,用于检测PWM运行过程中的中间信号,产生模式选择信号;PWM&PFM模式控制器,用于根据负载大小判定系统需要的工作模式;数据选择器,用于依据模式选择信号输出相应的控制信号。本发明提出了利用PWM启动过程中的中间信号结合负载点电流大小产生模式选择信号,使得系统在电流到达切换点时,不是立即切换,而是等待PWM启动至某一阈值,再进行PFM与PWM的切换,从而实现两种模式的无缝转换。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域,尤其涉及一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器及其控制方法。
背景技术
在DC-DC开关电源中,脉冲宽度调制(PWM)与脉冲频率调制(PFM)是两种常用的调制模式,PWM固定开关频率,通过调整占空比来控制DC-DC系统中功率管的开启时间,进而调整输出电压,PFM固定开关时间,通过调整关断时间来控制功率管的开关频率,实现对输出电压的调整。
PWM与PFM调制模式具有各自的优缺点,在轻载时,PFM由于开关频率可变,其转换效率更高,但其输出纹波与响应速度等其他系统性能在全负载范围内皆弱于PWM,PWM在重载时表现优良,但在轻载时,由于其较高的开关频率,导致开关损耗和导通损耗占据了较大的比重,其在轻载时的转换效率极低,限制了PWM控制的DC-DC开关电源在轻负载范围内的应用。
为解决PWM控制模式在轻载时转换效率极低的问题,采用PWM与PFM结合的双模控制DC-DC系统应运而生,在双模控制的开关电源中,轻载时系统由PFM控制,重载时系统由PWM控制,充分发挥了两种控制模式的优势,实现了系统在全负载范围内的高转换效率。为实现PWM与PFM的结合,PWM/PFM切换控制器必不可少,但现有的PWM/PFM切换控制器利用单一多选一数据选择器实现,其结构简单,在PFM切换至PWM时由于目标调制模式需要稳定时间,导致系统存在控制信号紊乱的现象,因此切换期间输出电压存在较大的波动。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器及其控制方法,依据PWM信号启动过程中的误差信号Vc和负载电流大小输出相应的模式选择信号,不再依据负载电流大小作为唯一判据,使得系统由PFM切换至PWM时,PWM电路已经启动至设定阈值,避免了控制信号紊乱,实现PWM与PFM的无缝切换。
本发明的技术方案为,
一方面,一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器,包括PWM控制器,PFM控制器,PWM预置电路,PWM&PFM模式控制器,数据选择器;
所述PFM控制器的输出端口与所述数据选择器的0输入通道相接,所述PWM控制器的PWM信号输出端口与所述数据选择器的1输入通道相接,PWM控制器的误差信号输出端口与PWM预置电路的第一输入端口相接,PWM&PFM模式控制器的输出端口与PWM预置电路的第二输入端口相接,PWM预置电路的输出端口与数据选择器的控制输入端口相接,数据选择器的输出端口即为PWM/PFM无缝切换控制器的输出端口;
所述PWM预置电路包括第一反相器,第二反相器,带复位端D触发器,与门,电源;PWM控制器输出的误差信号Vc输入第一反相器的输入端,第一反向器的输出端与第二反相器的输入端相连,第二反相器的输出端与D触发器的时钟端Clk相连,D触发器的数据D端与电源VDD相连,D触发器的复位端R与PWM&PFM模式控制器输出端口相连,D触发器的输出端Q和与门的第一输入相连,与门的第二输入与PWM&PFM模式控制器输出端口相连,与门的输出为PWM预置电路的输出信号,即模式选择信号;
PWM&PFM模式控制器为电压比较器,电压比较器的同相输入端输入表征负载电流大小的负载电压VLOAD,电压比较器的反向端输入参考电压VH,电压比较器的输出即为PWM&PFM模式控制器的输出,即模式信息;
所述数据选择器为二选一数据选择器,二选一数据选择器的0输入端输入PFM控制信号,二选一数据选择器的1输入端输入PWM控制信号,二选一数据选择器的控制端输入PWM预置电路的输出信号模式选择信号,二选一数据选择器的输出为数据选择器的输出,即控制信号。
另一方面,一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制方法,基于前述一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器实现,具体包括以下步骤:
步骤1:控制器开始工作,检测VLOAD与VH的大小关系;
当VLOAD>VH时,模式控制器输出模式信息为逻辑高,此时为负载为重载;
当VLOAD<VH时,模式控制器输出模式信息为逻辑低,此时为负载为轻载;
步骤2:轻载时PFM控制器工作,PWM控制器关闭,数据选择器选择0输入通道;重载时PFM控制器关闭,PWM控制器工作,数据选择器选择1输入通道。
若负载由轻载变化至重载,包括以下步骤:
步骤S1:当负载逐渐增加,直到VLOAD大于VH时,PWM&PFM模式控制器输出由逻辑0变为逻辑1,这表示模式信号由PFM模式转变为PWM模式;
步骤S2:模式信号由PFM转变为PWM模式后,PWM模式开始启动,此时PWM预置电路输出的模式选择信号依然为逻辑0,即数据选择器仍选择0输入通道,输出PFM控制信号;
步骤S3:随着PWM控制器的启动,其输出的误差信号VC逐渐增大,当VC大于设定阈值时,PWM预置电路输出地模式选择信号由逻辑0变为逻辑1,即数据选择器选择1输入通道,输出PWM控制信号。
步骤S4:当数据选择器输出PWM信号后,PFM控制器关闭,系统变为重载工作模式:PFM控制器关闭,PWM控制器工作,数据选择器选择1输入通道。
当负载由重载变化至轻载时,包括以下步骤:
步骤D1:当负载逐渐减小,直到VLOAD小于VH时,PWM&PFM模式控制器输出由逻辑1变为逻辑0,这表示模式信号由PWM模式转变为PFM模式。
步骤D2:模式信号由PFM转变为PWM模式后,PWM模式开始正常启动,此时PWM预置电路输出的模式选择信号由逻辑1变为逻辑0,即数据选择器选择0输入通道,输出PFM控制信号。
步骤D3:当数据选择器输出PFM信号后,PWM控制器关闭,系统变为轻载工作模式:PFM控制器工作,PWM控制器关闭,数据选择器选择0输入通道。
采用上述技术方法所产生的有益效果在于:
本发明提供一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器及其控制方法,在现有的PWM/PFM控制器中增设了PWM预置电路,当接受到模式信号后,PWM电路开始启动,预置电路对PWM控制器启动过程进行干预,当PWM控制器启动至设定阈值时,切换控制器才输出模式选择信号,完成PFM至PWM模式的切换,而现有技术在接受到模式信号立即完成切换,此时PWM启动尚未完成,PWM控制器输出的控制信号并非预期控制信号,导致系统输出电压波动较大。本发明通过对PWM启动过程进行干预,延缓了模式的切换,给PWM控制器的启动预留了足够的时间,从而保证了系统控制信号的准确性,实现了PWM与PFM两种模式的无缝切换。
附图说明
图1为PWM/PFM无缝切换控制器整体结构示意图;
图2为本发明PWM/PFM无缝控制器工作流程图;
图3为本发明具体实施方式中PWM/PFM无缝切换控制器中的PWM控制器其预置电路图;
图4为本发明具体实施方式中PWM/PFM无缝切换控制器的整体电路图;
图5为本发明具体实施方式中PWM/PFM无缝切换控制器信号时序图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
一方面,一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器,如图1所示,包括PWM控制器,PFM控制器,PWM预置电路,PWM&PFM模式控制器,数据选择器;
所述PFM控制器的输出端口与所述数据选择器的0输入通道相接,所述PWM控制器的PWM信号输出端口与所述数据选择器的1输入通道相接,PWM控制器的误差信号输出端口与PWM预置电路的第一输入端口相接,PWM&PFM模式控制器的输出端口与PWM预置电路的第二输入端口相接,PWM预置电路的输出端口与数据选择器的控制输入端口相接,数据选择器的输出端口即为PWM/PFM无缝切换控制器的输出端口。
本实施例中PWM控制器如图3所示,用于产生PWM控制信号,且具备开启与关断的功能,当PWM&PFM模式控制器产生的开启信号到来时,电路立即启动,当PWM预置电路产生的关闭信号到来时,电路立即关闭;
PFM控制器用于产生PFM控制信号,且具备开启与关断的功能,当PWM&PFM模式控制器产生的开启信号到来时,电路立即启动,当PWM预置电路产生的关闭信号到来时,电路立即关闭;
所述PWM预置电路包括第一反相器,第二反相器,带复位端D触发器,与门;PWM控制器输出的误差信号Vc输入第一反相器的输入端,第一反向器的输出端与第二反相器的输入端相连,第二反相器的输出端与D触发器的时钟端Clk相连,D触发器的数据D端与电源VDD相连,D触发器的复位端R与PWM&PFM模式控制器输出的模式信息相连,D触发器的输出端Q和与门的第一输入相连,与门的第二输入与PWM&PFM模式控制器输出的模式信号相连,与门的输出为PWM预置电路的输出信号,即模式选择信号。
本实施例中PWM预置电路用于产生模式选择信号,当PWM&PFM模式控制器产生的模式信息为PWM且PWM运行中的中间信号到达设定阈值时,预置电路产生模式选择信号选择PWM控制模式,当PWM&PFM模式控制器产生的模式信息为PFM或PWM运行中的中间信号未到达设定阈值时,预置电路产生的模式选择信号选择PFM控制模式;当误差信号VC大于设定阈值时,第一反相器输出为逻辑低,第二反相器输出为逻辑高,因此,D触发器的时钟端获得一个上升沿信号,D触发器将VDD即逻辑高由数据输入Q端传送至数据输出D端,若模式信息为逻辑高,D触发器复位端无效,与门输出为逻辑高,即模式选择信号为逻辑高,若模式信号为逻辑低,D触发器被复位,其数据输出D端始终为逻辑低,与门输出为逻辑低,即模式选信号始终为逻辑低。
PWM&PFM模式控制器为电压比较器,电压比较器的同相输入端与表征负载电流大小的负载电压VLOAD相连,电压比较器的反向端与参考电压VH相连,电压比较器的输出即为PWM&PFM模式控制器的输出,即模式信息。
本实施例中PWM&PFM模式控制器以表征负载电流大小的负载电压为输入,当电压信号低于参考电压VH时,模式控制器输出为逻辑低,即系统需要PFM控制模式;当电压信号高于参考电压VH时,模式控制输出为逻辑高,即系统需要PWM控制模式,其由电压比较器实现;
所述数据选择器为二选一数据选择器,二选一数据选择器的0输入与PFM控制信号相连,二选一数据选择器的1输入与PWM的控制信号相连,二选一数据选择器的控制端与PWM预置电路的输出信号模式选择相连,二选一数据选择器的输出为数据选择器的输出,即控制信号。
本实施例中数据选择器用于选择需要的控制模式,依据PWM预置电路输出的模式选择信号选择PWM控制信号或PFM控制信号,当模式选择信号为PWM控制模式时,数据选择器选择PWM控制模式,输出PWM控制信号,当模式选择信号为PFM控制模式时,数据选择器选择PFM控制模式,输出PFM控制信号;
数据选择器依据模式选择信号选择目标控制模式,输出相应的控制信号;当模式选择为逻辑高时,数据选择器输出PWM控制信号,当模式选择为逻辑低时,数据选择器输出PFM控制信号。其由二选一数据选择器实现;二选一数据选择器的0输入与PFM控制信号相连,二选一数据选择器的1输入与PWM的控制信号相连,二选一数据选择器的控制端与PWM预置电路的输出信号模式选择相连,二选一数据选择器的输出为数据选择器的输出,即控制信号。
本实施例中PWM/PFM无缝切换控制器的整体电路图如图4所示。
另一方面,一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制方法,基于前述一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器实现,如图2所示,具体包括以下步骤:
步骤1:控制器开始工作,检测VLOAD与VH的大小关系;
当VLOAD>VH时,模式控制器输出模式信息为逻辑高,此时为负载为重载;
当VLOAD<VH时,模式控制器输出模式信息为逻辑低,此时为负载为轻载;
步骤2:轻载时PFM控制器工作,PWM控制器关闭,数据选择器选择0输入通道;重载时PFM控制器关闭,PWM控制器工作,数据选择器选择1输入通道。
若负载由轻载变化至重载,包括以下步骤:
步骤S1:当负载逐渐增加,直到VLOAD大于VH时,PWM&PFM模式控制器输出由逻辑0变为逻辑1,这表示模式信号由PFM模式转变为PWM模式;
步骤S2:模式信号由PFM转变为PWM模式后,PWM模式开始启动,此时PWM预置电路输出的模式选择信号依然为逻辑0,即数据选择器仍选择0输入通道,输出PFM控制信号;
步骤S3:随着PWM控制器的启动,其输出的误差信号VC逐渐增大,当VC大于设定阈值时,PWM预置电路输出地模式选择信号由逻辑0变为逻辑1,即数据选择器选择1输入通道,输出PWM控制信号。
步骤S4:当数据选择器输出PWM信号后,PFM控制器关闭,系统变为重载工作模式:PFM控制器关闭,PWM控制器工作,数据选择器选择1输入通道。
当负载由重载变化至轻载时,包括以下步骤:
步骤D1:当负载逐渐减小,直到VLOAD小于VH时,PWM&PFM模式控制器输出由逻辑1变为逻辑0,这表示模式信号由PWM模式转变为PFM模式。
步骤D2:模式信号由PFM转变为PWM模式后,PWM模式开始正常启动,此时PWM预置电路输出的模式选择信号由逻辑1变为逻辑0,即数据选择器选择0输入通道,输出PFM控制信号。
步骤D3:当数据选择器输出PFM信号后,PWM控制器关闭,系统变为轻载工作模式:PFM控制器工作,PWM控制器关闭,数据选择器选择0输入通道。
本实施例中根据PWM/PFM无缝切换控制方法得到PWM/PFM无缝切换控制器信号时序图如图5所示,
当负载信号由低跳变至高时,模式信息首先响应,由逻辑0变为逻辑1,PWM启动,因此误差信号Vc由零电位开始逐渐增长,当Vc大于设定阈值后,模式选择信号由逻辑0变为逻辑1,调制模式由PFM切换至PWM,同时PFM关断,控制器输出PWM信号。
而当负载信号由高跳变至低时,模式信息立即响应,由逻辑1变为逻辑0,PFM启动,同时模式选择信号由逻辑1变为逻辑0,调制模式由PWM切换至PFM,同时PWM关断,控制器输出PFM信号。
Claims (2)
1.一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器,其特征在于包括PWM控制器,PFM控制器,PWM预置电路,PWM&PFM模式控制器,数据选择器;
所述PFM控制器的输出端口与所述数据选择器的0输入通道相接,所述PWM控制器的PWM信号输出端口与所述数据选择器的1输入通道相接,PWM控制器的误差信号输出端口与PWM预置电路的第一输入端口相接,PWM&PFM模式控制器的输出端口与PWM预置电路的第二输入端口相接,PWM预置电路的输出端口与数据选择器的控制输入端口相接,数据选择器的输出端口即为PWM/PFM无缝切换控制器的输出端口;
所述PWM预置电路包括第一反相器,第二反相器,带复位端D触发器,与门, 电源;PWM控制器输出的误差信号输入第一反相器的输入端,其中误差信号为经运算放大器放大之后的输出电压V OUT 与参考电压V REF 之间的误差信号,第一反向器的输出端与第二反相器的输入端相连,第二反相器的输出端与D触发器的时钟端Clk相连,D触发器的数据D端与电源VDD相连,D触发器的复位端R与PWM&PFM模式控制器输出端口相连,D触发器的输出端Q和与门的第一输入相连,与门的第二输入与PWM&PFM模式控制器输出端口相连,与门的输出为PWM预置电路的输出信号,即模式选择信号;
PWM&PFM模式控制器为电压比较器,电压比较器的同相输入端输入表征负载电流大小的负载电压V LOAD ,电压比较器的反向端输入参考电压V H ,电压比较器的输出即为PWM&PFM模式控制器的输出,即模式信息;
所述数据选择器为二选一数据选择器,二选一数据选择器的0输入端输入PFM控制信号,二选一数据选择器的1输入端输入PWM控制信号,二选一数据选择器的控制端输入PWM预置电路的输出信号模式选择信号,二选一数据选择器的输出为数据选择器的输出,即控制信号。
2.一种适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制方法,通过权利要求1所述适用于开关电源的PWM/PFM无缝切换控制器实现,其特征在于:包括以下步骤:
步骤2:轻载时PFM控制器工作,PWM控制器关闭,数据选择器选择0输入通道;重载时PFM控制器关闭,PWM控制器工作,数据选择器选择1输入通道;
若负载由轻载变化至重载,包括以下步骤:
步骤S2:模式信号由PFM转变为PWM模式后,PWM模式开始启动,此时PWM预置电路输出的模式选择信号依然为逻辑0,即数据选择器仍选择0输入通道,输出PFM控制信号;
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