CN1855680A - 开关电源的控制方法及采用该控制方法的产品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于手机和个人数字助理(PDA)等移动电子装置中控制电池供电的开关电源的控制方法以及采用该控制方法的产品。为达到在轻载条件下，减少脉冲开关次数，降低开关损耗，提高用电效率的目的，本发明公开了脉冲跳跃法(Pulse Skipping)和脉冲频率调制法(PFW)。在脉冲跳跃法中，在轻载条件下，间歇性地停止开关电路的开关动作，实现减少脉冲开关次数的目的；在脉冲频率调制法中，采用脉冲频率调制器，降低轻载条件下的振荡频率，实现减少脉冲开关次数的目的。
Description
技术领域
本发明涉及适用于手机和个人数字助理(PDA)等移动电子装置中控制电池供电的开关电源的控制方法，以及采用该控制方法制造的产品。
背景技术
伴随手机以及个人数字助理(PDA)的迅速普及，尽可能延长类似移动电子设备中电池使用寿命已经成为广大消费者的迫切需要。延长电池使用寿命有两个着眼点，一是提高电池的蓄电容量，二是节省用电，提高电能的使用效率，在这里，我们仅探讨第二个着眼点的问题。
无论是手机还是个人数字助理(PDA)，除关机停止使用外，都有两种不同的用电状态：一是正常使用，如手机通话、发送短消息等状态，此时功率负载最大，我们称为重载条件；另一种则是处在待机状态，此时功率负载较轻，我们称为轻载条件。对普通用户而言，轻载条件状态的持续时间远远超过重载条件状态的持续时间，因此如果希望提高电能使用效率，延长电池使用寿命，提高重载条件下的电能使用效率与提高轻载条件下的电能使用效率同等重要。
开关电源具有效率高，重量轻等特点，已广泛应用于电子设备中的供电控制。作为公知技术，开关电源通常由开关元件(如功率场效应管，二极管等)，电感和电容回路以及控制电路组成。控制电路产生一系列开关脉冲去控制开关元件的导通和关闭，从而产生脉冲电流。电感、电容回路起低通滤波器作用，把脉冲电流转换为负载所需的直流电流。控制电路通常采用固定开关频率，改变脉冲宽度的方法，亦即脉冲宽度调制法(PWM)。图1显示了在公知的PWM开关电源电路中的门极脉冲和电感电流的波形。由图1可以看出，PWM开关电源总是工作在同样的开关频率下，重载条件与轻载条件的区别仅在于脉冲宽度不同，重载条件下，脉冲较宽，因而感应电流幅度较大；而轻载条件下，脉冲较窄，感应电流幅度较小。
在PWM开关电源中，重载条件下的用电效率很高，但轻载条件下的用电效率很低。原因在于：开关电源有两类功率损耗：导通损耗与开关损耗。导通损耗主要由负载电流的大小决定，而开关损耗则正比于开关次数，开关次数越少，则开关损耗越低。由前所述，在轻载条件下，脉冲较窄，因而感应电流幅度很小，导通损耗不大，然而，脉冲频率却与重载条件下完全相同，所以开关损耗也与重载条件下相等，这是PWM开关电源的不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在开关电源中，减少轻载条件下的开关脉冲次数，从而降低开关损耗，提高轻载条件下的电能转换效率，达到延长电池使用寿命的目的。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种开关电源，包括一功率开关电路，该开关电路包括至少二个开关元件，一个电感，一个输出电容，一个输出电路，一控制电路，该控制电路至少有两路控制回路：第一回路根据输出电压反馈来实现输出电压调整。第二回路根据负载轻重调制开关次数以达到提高轻载效率的效果。
根据第二控制回路开关次数调制方法不同，可具体分作以下两种不同的控制方法，并采用这两种控制方法制造产品。
第一种控制方法，即脉冲跳跃法(Pulse Skipping)：在重载条件下，仍然采用固定开关频率的PWM法，但在轻载条件下，采用脉冲间歇停止法，即间歇性地停止开关电路的开关动作，从而达到减少开关次数的目的。
按照这种控制方法制造的产品是：一种开关电源，包括
一功率开关电路，该开关电路包括至少二个开关元件，一个电感，一个输入电容，一个输出电容；
一控制电路，该控制电路至少有两路控制回路：
第一控制回路，采用公知的电压模式控制或电流模式控制，根据输出电压反馈实现输出电压的调整；
第二控制回路，通过直接或间接检测负载电流，在轻载状况下，间歇式的停止开关电路的开关动作，从而实现减少开关次数的目的。
图2A、2B显示采用该技术方案的开关电源在重载条件下和轻载条件下的门极脉冲和电感电流的波形图。比较图1和图2A、2B，不难看出，在重载条件下，两者的门极脉冲和电感电流波形完全一致。然而在轻载条件下，与公知的开关电源相比，采用该技术方案后，开关脉冲被间歇式的停止，从而减少了脉冲开关次数。
第二种控制方法，即脉冲频率调制法：在重载条件下，仍然采用PWM法，但在轻载条件下，利用一个脉冲频率调制器去调制原电路中的脉冲频率，使其频率降低，从而也就减少了开关次数。
按照这种控制方法制造的开关电源，包括：
一功率开关电路，该开关电路包括至少二个开关元件，一个电感，一个输入电容，一个输出电容；
一控制电路，该控制电路至少有两路控制回路：
第一回路，根据输出电压反馈，采用公知的电压模式控制或电流模式控制，实现输出电压调整；
第二回路，通过直接或间接检测负载电流，在轻载状况下，降低门极脉冲的频率，从而实现减少开关次数的目的。
图3A、3B显示采用该技术方案的开关电源在重载条件下和轻载条件下门极脉冲和电感电流的波形图。比较图1和图3A、3B，不难看出，在重载条件下，两者的门极脉冲和电感电流波形完全一致，然而在轻载条件下，与公知的开关电源相比，采用该技术方案后，门极脉冲的频率明显降低，也即减少了脉冲开关次数。
上述两种控制方法，适用于所有开关电源，包括隔离式，非隔离式，BUCK，BOOST，BUCK-BOOST，FLYBACK，FORWARD，CUK，SEPIC等电路，以及各种不同控制方法，包括但不局限于电压模式控制和电流模式控制。
以上两种控制方法以及采用这两种控制方法制造的开关电源，均可实现在轻载条件下，减少脉冲开关次数的目的，从而达到降低开关损耗，提高开关电源电能使用效率的目的，使其满足手机和个人数字助理用户希望延长电池寿命的需要。
附图说明
图1为公知PWM开关电源及其重载条件下和轻载条件下门极脉冲和电感电流波形图。
图2A为采用第一种技术方案的开关电源的示意图。
图2B为采用第一种控制方法的开关电源及其在重载条件下和轻载条件下的门极脉冲和电感电流的波形图。
图3A为采用第二种技术方案的开关电源的示意图。
图3B为采用第二种控制方法的开关电源及其在重载条件下和轻载下门极脉冲和电感电流的波形图。
图4A为采用第一种控制方法第一个实施例的电路结构图。
图4B为第一种控制方法第一个实施例轻载条件下门极脉冲、输出电压、锁存器输出电平、检测电流的波形图
图5A为采用第一种控制方法第二个实施例的电路结构图。
图5B为第一种控制方法第二个实施例轻载条件下门极脉冲、输出电压、锁存器输出电平、误差信号放大器输出电压、电感电流的波形图。
图6为采用第一种控制方法第三个实施例的电路结构图。
图7为采用第一种控制方法第四个实施例的电路结构图。
图8A为采用第一种控制方法第五个实施例的电路结构图。
图8B为第一种控制方法第五个实施例轻载条件下的门极脉冲、锁存器输出电平、误差放大器输出电压、电感电流的波形图。
图9A为采用第二种控制方法第一个实施例的电路结构。
图9B为第二种控制方法第一个实施例中重载条件下和轻载条件下的时钟信号、锯齿波信号、门极脉冲、误差放大器、输出电压、电感电流波形图。
图9C表示第二种控制方法第一个实施例，锯齿波发生器的振荡频率FOSC与脉冲频率调制器输出电压FC的变化关系以及振荡器内部的电路结构。
图10为采用第二种控制方法的第二个实施例的电路结构图。
具体实施方式
下面总共用七个实施例来描述本发明的具体内容，实施例均采用BUCK电路拓朴，但适用其他所有拓朴。
图4A显示采用第一种控制方法的第一个实施例的电路结构，图4B则为该实施例轻载条件下的主要工作波形。由图可知，该开关电源由功率开关电路10和控制电路20组成。在功率开关电路中，功率开关管S漏极与VIN电耦接，源极与二极管D阴极和电感L一端电耦接，电容COUT与电感L和二极管D阴极电耦接，VOUT即为输出电压；S管控制极与控制电路中的门阀驱动器的输出端电耦接；控制电路20有两路控制回路，第一控制回路根据输出电压的反馈来实现调整输出电压的效果，第二控制回路根据负载来调制开关次数以达到提高轻载效率的目的。第一控制回路包括电压型误差放大器(E/A)201，脉冲比较器(PWM Comparator)202，锯齿波发生器(OSC)203，锁存器(Latch)204，门阀驱动器(Gate driver)205，这些都与公知PWM开关电源相同；第二控制电路包括关闭比较器(Switching-offcomparator)206，启动比较器(Switching on comparator)207，锁存器208，与门电路209；在该电路中，信号的传递过程是：设定该开关电源已开始工作，能量从VIN经开关管S再经电感L，电容COUT组成的低通滤波器传送至VOUT，VOUT以及基准电压VBEFI分别输入至误差放大器201的反相端和同相端，放大后的误差信号送入脉冲比较器202反相端，锯齿波发生器203输出的锯齿波信号(RAMP)送入脉冲比较器202的同相端，比较放大后的信号输入至锁存器204的R端，在公知技术中，锯齿波发生器203输出的时钟信号(CLK)直接输入至锁存器204的S端，假设R端电压为低值，则时钟信号将触发锁存器Q端输出的门极电压升高，经门阀驱动器放大后，开通功率开关管S，而当脉冲比较器202的输出电压升高时，又触发门极信号变低，关闭开关管S，无论重载还是轻载，门极脉冲频率都与锯齿波信号频率相同。然而在本实施例电路中，时钟信号经过与门电路209后才能进入锁存器204，与门电路的另一端则是锁存器208的输出电压，只有当此电压处于高位时，与门电路209才允许时钟信号输出；在重载条件下，关闭比较器206反相端的电压高于同相端的门槛电压VREF2，从而锁存器208输出电压高，确保时钟信号经与门电路209触发门极信号，使开关电源工作在正常PWM模式下；然而在轻载条件下，关闭比较器206反相端的输入电压低于其门槛电压VREF2，其输出电压处于低位，从而使锁存器208输出电压处于低位，与门电路209关闭，从而丢失时钟信号，也丢失了锁存器204输出的门极脉冲，这个丢失门极脉冲的周期一直要持续到VOUT降低到低于启动比较器207的门槛电压VREF3时，启动比较器207输出电压突变，触发锁存器208输出电压升高，重新打开与门电路209，由时钟信号触发锁存器204产生门极脉冲。由此实现了在轻载条件下的间歇式脉冲停止。本实施例中，第一控制回路采用公知的电压控制模式，误差放大器采用电压型放大器，但也可采用跨导型(gm)放大器。
图5A显示采用第一种控制方法的第二个实施例，图5B显示其主要的工作波形。与图4A相比，不同之处是：关闭比较器206反相端不是直接检测电感电流或开关管电流或二极管电流，而是检测误差放大器201的输出电压EAO。这是因为，在轻载条件下，EAO信号正比于负载电流。图5A中的误差放大器201仍为电压型放大器，但也可采用跨导型(gm)放大器，轻载条件下，仍采用脉冲间歇停止法。
图6显示采用第一种控制方法的第三个实施例。与图4A相比，不同之处仅在于：第一控制回路采用公知的电流控制模式，误差放大器201采用跨导型(gm)放大器，可简化回路补偿，但也可采用电压型放大器。在轻载条件下，采用脉冲间歇停止法，并直接检测电感电流或开关管电流或二极管电流以达到检测负载电流的目的。
图7显示采用第一种控制方法的第四个实施例。与图5A相比，不同之处为第一控制回路采用公知的电流控制模式，误差放大器201采用跨导型(gm)放大器。在轻载条件下，采用脉冲间歇停止法，并通过检测误差放大器输出电压来测得轻载电流。
图8A显示采用第一种控制方法的第五个实施例，图8B显示其主要的工作波形。与前四个实施例相比，不同点在启动比较器207检测和比较的是误差放大器输出电压EAO，而不是VOUT，误差放大器201，既适用于电压型放大器，也适用于跨导型gm放大器。
图9A显示采用第二种技术的第一个实施例的电路结构，图9B显示其主要的工作波形。与公知的PWM开关电源相比，该实施例的特征在于：其控制至少有两路控制回路，第一回路根据输出电压反馈来调整输出电压的效果，第二回路根据负载大小调制开关次数以达到提高效率的结果。第一控制回路与公知的PWM开关电源一样，第二控制电路包括一脉冲频率调制器(PFM AMP)210，其反相端与误差放大器201的输出端EA0电耦接，同相端输入一比较电压VPFM，输出端FC与锯齿波发生器203的输出端电耦接。在重载条件下，电感电流较大，EA0电压较高，大于脉冲频率调制器的门槛电压VPFM，PFM放大器输出电压为0，因而调压器工作在正常的PWM模式。然而在轻载条件下，电感电流减小，EA0电压低于VPFM时，PFM放大器输出电压FC大于零，此时锯齿波发生器203的振荡频率FOSC随着FC电压的升高而降低，从而减少了门极脉冲的次数。图9C显示振荡频率FOSC受FC电压控制的关系曲线，以及锯齿波发生器的内部结构，在普通振荡器的基础上，加入了受FC电压控制的电流源，电流源电流大小正比于FC电压。此电路也可由别的方法实现。在此实施例中，第一控制回路采用公知电压控制模式，误差放大器采用电压式放大器，但也可采用跨导型放大器(gm)，轻载条件下采用脉冲频率调制法(PFM)。
图10显示采用第二种控制方法的第二个实施例。与图9A相比，不同点仅在于第一控制回路采用公知的电流控制模式，误差放大器201采用跨导型放大器(gm)，但也可采用电压式放大器。轻载条件下，仍采用脉冲频率调制法。
另外，当开关电源采用第一种控制方法，亦即采用脉冲跳跃法时，在以上所举五个具体实施例，并包括更为一般的其他电路结构中，为进一步提高轻载效率，减少静态工作电流，在脉冲跳跃的持续周期内，只要保持启动比较器(switching-on)处于工作状态，其余不用的控制电路可以被关掉，这包括锯齿波发生器OSC、脉冲比较器以及关闭比较器等。
根据本发明公开的两种控制方法制造的开关电源，其具体电路结构的任何变化及改进，都将落入本发明的保护范围内。
Claims (13)
1、一种开关电源的控制方法，在重载条件下，采用固定开关频率，改变脉冲宽度的方法，其特征在于：在轻载条件下，采用脉冲跳跃法，在正常开关脉冲中间跳过一些开关周期。
2、一种根据权利要求1所述的控制方法制造的开关电源，包括：
一功率开关电路，所述电路包括至少两个开关元件，一个电感及输入输出电容器，该开关电路连接于输入电源与输出负载之间；
一控制电路，拥有至少两种控制回路，即第一回路和第二回路，其中第一回路调制开关工作动作，以达到调制输出电压的效果，第二回路调制在不同负载下开关次数以达到提供效率的结果。
3、如权利要求2所述的开关电源，其特征在于：第二控制回路通过直接或间接检测负载电流，在轻载状况下间歇式地停止开关电路的开关动作。
4、如权利要求3所述的开关电源，其特征在于：第一控制回路包括一误差放大器，一脉冲比较器，一锯齿波或三角波发生器，一锁存器，一门阀驱动器；第二控制回路包括一关闭比较器，一启动比较器，一锁存器，以及一个门电路。
5、如权利要求4所述的开关电源，其特征在于：开关电路输出信号与一比较电压分别输送至误差信号放大器的反相端和同相端，放大后的误差信号输至脉冲比较器反相端，锯齿波发生器产生的锯齿波信号输至脉冲比较器同相端，脉冲比较器的输出信号输至第一锁存器的R端；取输出信号成分分别输至关闭比较器和启动比较器的反相端，关闭比较器和启动比较器同相端分别输入不同的比较电压，两个比较器的输出信号送入第二锁存器的两个输入端，第二锁存器的输出信号以及锯齿波发生器产生的时钟信号分别输至与门电路的两个输入端，与门电路的输出信号输至第一锁存器的S端，第一锁存器输出信号送至门阀驱动器输入端，门阀驱动器输出信号送至功率开关元件的控制端，用以控制开关元件的开通与关闭。
6、如权利要求5所述开关电源，其特征在于：启动比较器反相端与输出电压反馈电耦接，关闭比较器反相端与功率开关电路中的检测电流电耦接。
7、如权利要求5所述开关电源，其特征在于：关闭比较器反相端与误差放大器输出端电耦接，启动比较器反相端与输出电压反馈电耦接。
8、如权利要求5所述开关电源，其特征在于：关闭比较器反相端与启动比较器同相端同时与误差放大器输出端电耦接。
9、如权利要求2～8所述的开关电源，其特征在于：在脉冲停止周期内，除继续保持启动比较器正常工作外，其他不用的控制电路单元关闭电源，暂停工作。
10、一种开关电源的控制方法，在重载条件下，采用固定开关频率，改变脉冲宽度的方法，其特征在于：在轻载条件下，采用脉冲频率调制方法，根据负载大小降低开关频率。
11、一种根据权利要求10所述的控制方法制造的开关电源，包括：
一功率开关电路，所述电路包括至少两个开关元件，一个电感及输入输出电容器，该开关电路连接于输入电源与输出负载之间；
一控制电路，拥有至少两种控制回路，即第一回路和第二回路，其中第一回路调制开关工作动作，以达到调制输出电压的效果，第二回路调制在不同负载下开关次数以达到提供效率的结果，其中，第二控制回路通过直接或间接检测负载电流，在轻载状况下，降低开关电路的开关频率。
12、如权利要求11所述开关电源，其特征在于：第一控制回路，包括一误差放大器，一脉冲比较器，一锯齿波或三角波发生器，一锁存器，一门阀驱动器；第二控制回路包括一脉冲频率调制器。
13、如权利要求12所述开关电源，其特征在于：开关电路输出信号与一比较电压分别输送至误差信号放大器的反相端与同相端，放大后的误差信号输至脉冲比较器的反相端，锯齿波发生器产生的锯齿波信号输至脉冲比较器同相端，脉冲比较器的输出信号输至锁存器的R端；误差信号放大器的输出信号同时输至脉冲频率调制器反相端，脉冲频率调制器同相端输入一比较电压，其输出信号输至锯齿波发生器，而锯齿波发生器产生的时钟信号输至锁存器的S极，触发锁存器产生门极脉冲，经门阀驱动器放大后控制功率开关元件的开通与关闭。
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