CN116613990B - 一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统及其方法，包含模式切换迟滞比较器HYS_CMP、误差放大器EA、分压反馈电路FB、模式选通电路MODE_MUX、峰值电流模控制电路PCM_CONTROL和谷值电流模控制电路VCM_CONTROL，本发明解决了峰值电流模和谷值电流模之间非同步切换的问题，实现了在输入电压或者输出电压变化，导致占空比发生变化时，可以自动检测并切换控制模式，在占空比减小到峰值电流模无法支持时切换到谷值电流模，当占空比恢复变大，再由谷值电流模切换到峰值电流模。保证了切换前后峰值电流模和谷值电流模的独立工作，无需同步。

Description

一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统及其 方法

技术领域

本发明涉及一种电源控制系统及其方法，特别是一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统及其方法，属于电源技术领域。

背景技术

随着电子产品在消费类电子、工业内电子以及汽车类电子等领域的不断增长，对电源管理类IC需求量持续上升，例如DC-DC开关电源得到广泛应用。同时随着电子设备的负载增加，功率提升，高压大电流DC-DC的需求量日益增加。为了进一步提升输入电压，意味着占空比进一步减小，通常有三种解决方案：一是采用谷值电流模的控制方式，随着输入电压的抬升，通过降频的方式，满足极小占空比的要求；第二种方法是维持峰值电流模的控制方式，以能实现的最小导通时间为依据，降低原本的频率或者提升最小输出电压；第三种方法是做峰值电流模和谷值电流模的切换。

第一种解决方案，如图5所示，采用谷值电流模的控制方式，导通时间由VIN和VOUT的值来确定，可以跟随输入电压的抬升实现比峰值电流模更小的导通时间，并且谷值电流模的动态响应速度更快，频率跟随输入、输出电压变化，能有效减小电源的EMI。但通过谷值电流模的缺点是无法由外部时钟外灌来直接调节开关电源的频率，或者需要额外的锁相环来固定谷值电流模的频率。

第二种解决方案如图4所示，实际是受峰值电流模最小占空比的限制，降低频率会缩小开关电源的适用频率范围，提升最小输出电压会导致后级的数字、RF等负载模块的功耗增大。

第三种解决方案，现有技术有做峰值电流模和谷值电流模的切换，但是应用于BUCK-BOOST，模式切换与BUCK和BOOST的切换一致，都是以VIN和VOUT的大小比为判断依据，如中国专利申请号CN202211160067所公开的一种基于峰谷值电流模的电源控制系统，该切换方式无法应用于单BUCK/单BOOST的应用。现有技术也有对BUCK做峰值电流模和谷值电流模的切换，如图6所示，以导通时间大小为判定条件，但这需要在峰值电流模的同时，让谷值电流模参与并进行频率同步。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统及其方法，解决峰值电流模和谷值电流模之间非同步切换的问题，保证切换前后峰值电流模和谷值电流模的独立工作，无需同步。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统，包含模式切换迟滞比较器HYS_CMP、误差放大器EA、分压反馈电路FB、模式选通电路MODE_MUX、峰值电流模控制电路PCM_CONTROL和谷值电流模控制电路VCM_CONTROL；

模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输入端VN连接误差放大器EA的输出信号VEA，模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输入端VP连接系统输入的切换电平信号VEA_PCM_MIN，模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输入端SEL端连接Nbit（N=1,2,3……）系统输入的数字选择信号HYS_SEL，模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输出端VC的输出信号PCM_VCM连接到模式选通电路MODE_MUX的输入端SEL；误差放大器EA的一个输入端连接分压反馈电路FB的输出信号VFB，误差放大器EA的另一个输入端连接系统输入的基准电压信号VREF，误差放大器EA输出端的输出信号VEA连接到HYS_CMP的输入端VN端口；

模式选通电路MODE_MUX的输入端S1连接峰值电流模控制电路PCM_CONTROL的输出信号PCM_HSON，模式选通电路MODE_MUX的输入端S2连接谷值电流模控制电路VCM_CONTROL的输出信号VCM_HSON, 模式选通电路MODE_MUX的输出端OUT连接系统输出信号HSON，模式选通电路MODE_MUX的输出端OUTB连接系统输出信号LSON。

进一步地，所述分压反馈电路FB包含电阻R1和电阻R2，电阻R1一端连接系统输入信号VOUT，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端并输出信号VFB，电阻R2的另一端接地。

进一步地，所述峰值电流模控制电路包含脉宽比较器PWM1和触发器RS1，脉宽比较器PWM1的一个输入端连接系统输入的上管电流采样信号VIL_HS，脉宽比较器PWM1的另一个输入端连接误差放大器EA的输出信号VEA，脉宽比较器PWM1输出端的输出信号PCM_PWM连接到触发器RS1的输入端R，触发器RS1的输入端S连接系统输入的时钟信号CLK，触发器RS1的输出端Q的输出信号PCM_HSON连接到模式选通电路MODE_MUX的输入端S1。

进一步地，所述谷值电流模控制电路包含脉宽比较器PWM2、导通时间生成模块TON_GEN和触发器RS2，脉宽比较器PWM2的一个输入端连接系统输入的下管电流采样信号VIL_LS，脉宽比较器PWM2的另一个输入端连接误差放大器EA的输出信号VEA，脉宽比较器PWM2输出端的输出信号VCM_PWM连接到触发器RS2的输入端S，导通时间生成模块TON_GEN的输入端VIN连接系统输入信号VIN，导通时间生成模块TON_GEN的输入端VOUT连接系统输入信号VOUT，导通时间生成模块TON_GEN的输入端EN连接模式选通电路MODE_MUX的输出信号HSON，导通时间生成模块TON_GEN的输出端PULSE的输出信号TON_VCM连接触发器RS2的输入端R，触发器RS2的输出端Q的输出信号VCM_HSON连接到模式选通电路MODE_MUX的输入端S2。

一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统的控制方法，包含以下步骤：

S1、在0-t1时刻，系统输入信号VIN逐渐增大，输出信号PCM_VCM为低，电源控制系统工作在峰值电流模控制下，开关频率与时钟信号CLK的频率一致，并随着系统输入信号VIN的增大，误差放大器EA的输出信号VEA逐渐减小，系统输出信号HSON的占空比逐渐减小；

S2、在t1-t2时刻，VEA<VEA_PCN_MIN，输出信号PCM_VCM信号翻高，电源控制系统进入谷值电流模控制模式，开关频率与时钟信号CLK的频率无关，并随着系统输入信号VIN的增大，误差放大器EA的输出信号VEA进一步减小，系统输出信号HSON的占空比也进一步减小；

S3、在t2-t3时刻，系统输入信号VIN逐渐减小，输出信号PCM_VCM为高，电源控制系统工作在谷值电流模控制下，并随着系统输入信号VIN的减小，误差放大器EA的输出信号VEA逐渐增大，系统输出信号HSON的占空比逐渐增大；

S4、在t3时刻之后，VEA>VEA_PCN_MIN+VEA_DELTA，输出信号PCM_VCM信号翻低，电源控制系统进入峰值电流模控制模式，开关频率与时钟信号CLK的频率一致，并随着系统输入信号VIN的减小，误差放大器EA的输出信号VEA进一步增大，系统输出信号HSON的占空比也进一步增大。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明解决了峰值电流模和谷值电流模之间非同步切换的问题，可以实现更大范围输入电压、输出电压的变化，在保留与外部时钟同步的同时，支持更小的占空比，增大产品的适用范围。通过对VEA信号的采样判断，当输入电压或者输出电压变化，导致占空比发生变化时，可以自动检测并切换控制模式，在占空比减小到峰值电流模无法支持时切换到谷值电流模，当占空比恢复变大，再由谷值电流模切换到峰值电流模。保证了切换前后峰值电流模和谷值电流模的独立工作，无需同步。并通过迟滞区间VEA_DELTA的设置，减小反复切换次数，确保切换前后的输出电压稳定，不同芯片的差异可以通过HSY_SEL进行VEA_DELTA大小的修调，提升良率。

附图说明

图1是本发明的一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统的示意图。

图2是本发明的一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制方法的示意图。

图3是本发明的HYS_SEL修调迟滞区间效果示意图。

图4是现有技术的峰值电流模块控制电路示意图。

图5是现有技术的固定频率谷值电流模控制电路示意图。

图6是现有技术同步峰谷值电流模块控制电路示意图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实现峰谷值的切换是通过VEA的变化来判定。当开关电源工作在峰值电流模下，输入电压增大或者输出电压减小，VEA降低，占空比减小。若进一步增大输入电压或减小输出电压，由于本身控制环路的延迟和固定频率的限制，如果没有切换VEA会出现饱和，输出跌落。当开关电源工作在谷值电流模下输入电压增大或者输出电压减小，VEA降低，同时导通时间减小，开关频率降低，不会出现VEA饱和，VEA只会随着频率降低不断减小。因此只有设定一个峰值电流模能正常工作的最小VEA值，即信号VEA_PCM_MIN作为判断依据，当VEA小于VEA_PCM_MIN时，进入谷值电流模，此时VEA还能随着占空比的减小进一步降低。当占空比从极小值逐渐增大，为防止因为VEA的波动反复切换，引入迟滞区间，当VEA大于VEA_PCM_MIN+VEA_DELTA时，进入峰值电流模。从而达到切换前后，输出电压稳定的目的。

如图1所示，本发明的一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统，包含模式切换迟滞比较器HYS_CMP、误差放大器EA、分压反馈电路FB、模式选通电路MODE_MUX、峰值电流模控制电路PCM_CONTROL和谷值电流模控制电路VCM_CONTROL。

模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输入端VN连接误差放大器EA的输出信号VEA，模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输入端VP连接系统输入的切换电平信号VEA_PCM_MIN，模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输入端SEL端连接Nbit（N=1,2,3……）系统输入的数字选择信号HYS_SEL。HYS_SEL当输入电压增大或者输出电压减小时，即占空比减小时，VEA逐渐降低，直到VEA小于VEA_PCM_MIN时，PCM_VCM翻高；当输入电压减小或者输出电压增大时，即占空比增大时，VEA逐渐升高，直到VEA大于VEA_PCM_MIN+VEA_DELTA时，PCM_VCM翻低。HYS_SEL信号默认为0，迟滞区间VEA_DELTA=DELTA0，当HYS_SEL=1，迟滞区间VEA_DELTA=DELTA1，以此类推，由此实现峰值电流模和谷值电流模切换的平稳，减小反复切换引起的抖动。

模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输出端VC的输出信号PCM_VCM连接到模式选通电路MODE_MUX的输入端SEL；误差放大器EA的一个输入端连接分压反馈电路FB的输出信号VFB，误差放大器EA的另一个输入端连接系统输入的基准电压信号VREF，误差放大器EA输出端的输出信号VEA连接到HYS_CMP的输入端VN端口。分压反馈电路FB包含电阻R1和电阻R2，电阻R1一端连接系统输入信号VOUT，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端并输出信号VFB，电阻R2的另一端接地。

模式选通电路MODE_MUX的输入端S1连接峰值电流模控制电路PCM_CONTROL的输出信号PCM_HSON，模式选通电路MODE_MUX的输入端S2连接谷值电流模控制电路VCM_CONTROL的输出信号VCM_HSON, 模式选通电路MODE_MUX的输出端OUT连接系统输出信号HSON，模式选通电路MODE_MUX的输出端OUTB连接系统输出信号LSON。当PCM_VCM=0时，HSON=PCM_HSON，则电源系统工作在峰值电流模下；当PCM_VCM=1时，HSON=VCM_HSON，则系统工作在谷值电流模下，可以实现更小的占空比。

峰值电流模控制电路包含脉宽比较器PWM1和触发器RS1，脉宽比较器PWM1的一个输入端连接系统输入的上管电流采样信号VIL_HS，脉宽比较器PWM1的另一个输入端连接误差放大器EA的输出信号VEA，脉宽比较器PWM1输出端的输出信号PCM_PWM连接到触发器RS1的输入端R，触发器RS1的输入端S连接系统输入的时钟信号CLK，触发器RS1的输出端Q的输出信号PCM_HSON连接到模式选通电路MODE_MUX的输入端S1。

谷值电流模控制电路包含脉宽比较器PWM2、导通时间生成模块TON_GEN和触发器RS2，脉宽比较器PWM2的一个输入端连接系统输入的下管电流采样信号VIL_LS，脉宽比较器PWM2的另一个输入端连接误差放大器EA的输出信号VEA，脉宽比较器PWM2输出端的输出信号VCM_PWM连接到触发器RS2的输入端S，导通时间生成模块TON_GEN的输入端VIN连接系统输入信号VIN，导通时间生成模块TON_GEN的输入端VOUT连接系统输入信号VOUT，导通时间生成模块TON_GEN的输入端EN连接模式选通电路MODE_MUX的输出信号HSON，导通时间生成模块TON_GEN的输出端PULSE的输出信号TON_VCM连接触发器RS2的输入端R，触发器RS2的输出端Q的输出信号VCM_HSON连接到模式选通电路MODE_MUX的输入端S2。

如图2所示，系统输入电压VIN从小到大，再从大到小的全过程，以此对应系统占空比从大到小，再变大的过程。若系统输出电压VOUT减小再增大效果一致。图中所示的VEA和VOUT信号经过了放大，其周期性波动表征了正常工作下的纹波大小。

一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统的控制方法，包含以下步骤：

S1、在0-t1时刻，系统输入信号VIN逐渐增大，输出信号PCM_VCM为低，电源控制系统工作在峰值电流模控制下，开关频率与时钟信号CLK的频率一致，并随着系统输入信号VIN的增大，误差放大器EA的输出信号VEA逐渐减小，系统输出信号HSON的占空比逐渐减小；

S2、在t1-t2时刻，VEA<VEA_PCN_MIN，输出信号PCM_VCM信号翻高，电源控制系统进入谷值电流模控制模式，开关频率与时钟信号CLK的频率无关，并随着系统输入信号VIN的增大，误差放大器EA的输出信号VEA进一步减小，系统输出信号HSON的占空比也进一步减小；

S3、在t2-t3时刻，系统输入信号VIN逐渐减小，输出信号PCM_VCM为高，电源控制系统工作在谷值电流模控制下，并随着系统输入信号VIN的减小，误差放大器EA的输出信号VEA逐渐增大，系统输出信号HSON的占空比逐渐增大；

S4、在t3时刻之后，VEA>VEA_PCN_MIN+VEA_DELTA，输出信号PCM_VCM信号翻低，电源控制系统进入峰值电流模控制模式，开关频率与时钟信号CLK的频率一致，并随着系统输入信号VIN的减小，误差放大器EA的输出信号VEA进一步增大，系统输出信号HSON的占空比也进一步增大。

t1、t2两个时刻的切换都只涉及一次翻转，VEA没有波动，随着不同的控制模式变化，因此VOUT也没有跌落或者过冲，跟随控制模式变化儿发生正常频率和DC值的变化。

如图3所示，VEA_DELTA=DELTA0，是由HYS_SEL的默认值0决定的，该值决定了由谷值电流模自动转换到峰值电流模的VIN值，即VEA_DELTA越大，由谷值电流模自动转换到峰值电流模的VIN值越小，那么可适用外灌时钟的范围减小，影响使用范围。因此，设置了HYS_SEL信号对VEA_DELTA值进行调节，但若VEA_DELTA值过小，就会出现如图3所示的t3-t5时刻的反复切换，导致VOUT的波动加大。图示以VEA_DELTA=DELTA1为例，反复波动一次，实际根据不同的VEA_DELTA值，导致的反复切换次数不一，可根据实际情况通过HYS_SEL的Nbit信号进行修调，每一个HYS_SEL值所对应的迟滞效果此处不再一一列举。因此，该修调手段可以调节迟滞切换所对应的输入/输出电压范围，也可以调节系统输出电压VOUT的反复切换波动。

本发明解决了峰值电流模和谷值电流模之间非同步切换的问题，可以实现更大范围输入电压、输出电压的变化，在保留与外部时钟同步的同时，支持更小的占空比，增大产品的适用范围。通过对VEA信号的采样判断，当输入电压或者输出电压变化，导致占空比发生变化时，可以自动检测并切换控制模式，在占空比减小到峰值电流模无法支持时切换到谷值电流模，当占空比恢复变大，再由谷值电流模切换到峰值电流模。保证了切换前后峰值电流模和谷值电流模的独立工作，无需同步。并通过迟滞区间VEA_DELTA的设置，减小反复切换次数，确保切换前后的输出电压稳定，不同芯片的差异可以通过HSY_SEL进行VEA_DELTA大小的修调，提升良率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统，其特征在于：包含模式切换迟滞比较器HYS_CMP、误差放大器EA、分压反馈电路FB、模式选通电路MODE_MUX、峰值电流模控制电路PCM_CONTROL和谷值电流模控制电路VCM_CONTROL；

模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输入端VN连接误差放大器EA的输出信号VEA，模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输入端VP连接系统输入的切换电平信号VEA_PCM_MIN，模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输入端SEL端连接Nbit（N=1,2,3……）系统输入的数字选择信号HYS_SEL，模式切换迟滞比较器HYS_CMP的输出端VC的输出信号PCM_VCM连接到模式选通电路MODE_MUX的输入端SEL；误差放大器EA的一个输入端连接分压反馈电路FB的输出信号VFB，误差放大器EA的另一个输入端连接系统输入的基准电压信号VREF，误差放大器EA输出端的输出信号VEA连接到HYS_CMP的输入端VN端口；

模式选通电路MODE_MUX的输入端S1连接峰值电流模控制电路PCM_CONTROL的输出信号PCM_HSON，模式选通电路MODE_MUX的输入端S2连接谷值电流模控制电路VCM_CONTROL的输出信号VCM_HSON, 模式选通电路MODE_MUX的输出端OUT连接系统输出信号HSON，模式选通电路MODE_MUX的输出端OUTB连接系统输出信号LSON；当PCM_VCM=0时，HSON=PCM_HSON，则电源系统工作在峰值电流模下；当PCM_VCM=1时，HSON=VCM_HSON，则系统工作在谷值电流模下。

2.根据权利要求1所述的一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统，其特征在于：所述分压反馈电路FB包含电阻R1和电阻R2，电阻R1一端连接系统输入信号VOUT，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端并输出信号VFB，电阻R2的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统，其特征在于：所述峰值电流模控制电路包含脉宽比较器PWM1和触发器RS1，脉宽比较器PWM1的一个输入端连接系统输入的上管电流采样信号VIL_HS，脉宽比较器PWM1的另一个输入端连接误差放大器EA的输出信号VEA，脉宽比较器PWM1输出端的输出信号PCM_PWM连接到触发器RS1的输入端R，触发器RS1的输入端S连接系统输入的时钟信号CLK，触发器RS1的输出端Q的输出信号PCM_HSON连接到模式选通电路MODE_MUX的输入端S1。

4.根据权利要求1所述的一种随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统，其特征在于：所述谷值电流模控制电路包含脉宽比较器PWM2、导通时间生成模块TON_GEN和触发器RS2，脉宽比较器PWM2的一个输入端连接系统输入的下管电流采样信号VIL_LS，脉宽比较器PWM2的另一个输入端连接误差放大器EA的输出信号VEA，脉宽比较器PWM2输出端的输出信号VCM_PWM连接到触发器RS2的输入端S，导通时间生成模块TON_GEN的输入端VIN连接系统输入信号VIN，导通时间生成模块TON_GEN的输入端VOUT连接系统输入信号VOUT，导通时间生成模块TON_GEN的输入端EN连接模式选通电路MODE_MUX的输出信号HSON，导通时间生成模块TON_GEN的输出端PULSE的输出信号TON_VCM连接触发器RS2的输入端R，触发器RS2的输出端Q的输出信号VCM_HSON连接到模式选通电路MODE_MUX的输入端S2。

5.一种权利要求1-4任一项所述的随占空比自动切换峰谷值电流模的电源控制系统的控制方法，其特征在于包含以下步骤：

S1、在0-t1时刻，系统输入信号VIN逐渐增大，输出信号PCM_VCM为低，电源控制系统工作在峰值电流模控制下，开关频率与时钟信号CLK的频率一致，并随着系统输入信号VIN的增大，误差放大器EA的输出信号VEA逐渐减小，系统输出信号HSON的占空比逐渐减小；

S2、在t1-t2时刻，VEA<VEA_PCN_MIN，输出信号PCM_VCM信号翻高，电源控制系统进入谷值电流模控制模式，开关频率与时钟信号CLK的频率无关，并随着系统输入信号VIN的增大，误差放大器EA的输出信号VEA进一步减小，系统输出信号HSON的占空比也进一步减小；

S3、在t2-t3时刻，系统输入信号VIN逐渐减小，输出信号PCM_VCM为高，电源控制系统工作在谷值电流模控制下，并随着系统输入信号VIN的减小，误差放大器EA的输出信号VEA逐渐增大，系统输出信号HSON的占空比逐渐增大；

S4、在t3时刻之后，VEA>VEA_PCN_MIN+VEA_DELTA，输出信号PCM_VCM信号翻低，电源控制系统进入峰值电流模控制模式，开关频率与时钟信号CLK的频率一致，并随着系统输入信号VIN的减小，误差放大器EA的输出信号VEA进一步增大，系统输出信号HSON的占空比也进一步增大。