一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法技术

一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法，基于包括采样模块、动态控制模块、误差计算模块、PID模块、模式控制模块以及PWM模块构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环，在开关电源输出电压超出其设定上限电压时，通过小能量的重载切轻载模式使得输出快速稳定，在重载切轻载模式中监测输出电压的变化进而计算下一开关周期的周期，并根据开关周期得到负载的大小，当跳出动态模式后，跳到对应负载点的工作状态，跳变后能量与负载稳态消耗相差不大，消除了后续的电压振荡，减小动态回复时间。

【技术实现步骤摘要】
一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法
本专利技术涉及开关电源，尤其涉及一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法。技术背景电源是各个电子设备不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标以及其能否安全可靠的工作，而目前主流应用是开关电源(SwitchModePowerSupply)。开关电源又称之为开关变换器，是利用现代电力电子技术，通过调整开关器件的导通比或者频率来使输出电压恒定的一种电源。由于开关电源需要适应于不同的工作条件，对电源的动态响应的性能要求越来越高。好的动态效果要求与有小的电压变化以及电压恢复时间。举例而言在家电应用中，洗衣机的电源负载变化很快很大，这样电源输出电压引入过压与欠压，当过压与欠压过大时对洗衣机的负载伤害较大；另外在手机充电中，当充电器待机，手机突然加载，输出电压降低，当降低到电池的正常电压下，对电池有一定的伤害，因此动态性能需要提高。在现在的电源管理中，为了使得电源有较高的效率，一般的电源选择多模式的控制方法，多模式控制方法会引入动态性能下降的问题。以5V，1A输出的反激变换器为例，当负载功耗减小时，为了减小电路损耗通常会减小开关频率。定义1A负载，为负载A，开关频率fA为70kHz，电路具有较高的效率，0.7A负载为负载B，开关频率fB为70kHz，0.2A负载为负载C，开关频率fC为20kHz，0.05A负载为负载D，开关频率fD为20kHz，负载点的开关频率选择是根据系统效率要求而选择的。当负载介于AB之间，采用PWM模式，负载介于BC之间，采用PFM模式，负载介于CD之间，采用PWM模式，记为DPWM模式，负载小于负载D时，采用PFM模式，记为DPFM模式，负载从轻到重的工作模式为DPFM-DPWM-PFM-PWM。若负载为待机时，根据假负载的大小，假定待机频率为2kHz，此时控制模式为DPFM模式，若负载突然改变为满载，输出电压以很快的速度下降，根据补偿结果控制模式将会分别经过DPWM，PFM，PWM模式，在补偿结果未达到满载的条件时，输出电压是一直在下降的，这可能造成严重电压下降，在有的条件下是无法忍受的；同样的在满载切换到轻载时，中间的模式控制过程会造成电压的持续上升，电压会产生很大的过冲。另外，在有的条件下，为了防止模式切换时，在切换点附近，控制模式在两个模式之间来回切换，从一个模式切换到另一个模式需要经过几个周期来确认需要切换模式控制，这种条件下，动态的效果会进一步降低。此外，在一些控制中，只能在一个周期采样一次，例如在原边反馈的反激电源中，输出电压在只能在次级电流下降到零之前来采样。这样当负载由轻切重时，DPWM的开关频率低，即使PI调整很大，但为了保证稳定性，动态过程更加缓慢。另外，有的控制方法为了加快动态响应的速度，会提高PI参数来加快补偿，以此来提高动态效果，但在多模式控制对提高动态性能效果改善不大。现有技术还公开了一种根据斜率与负载的一一对应单调性质的关系得到负载的大小，从而得到切换后的对应的开关周期，但只能用于非谐振的常规开关电源。因此，由于动态性能要求越来越高，多模式控制方法带来的动态问题，提出一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法。对减小电压过冲，减小动态回复时间有很好的效果，对提高电路的动态性能很有必要。
技术实现思路
为克服现有技术的局限和不足，本专利技术提出了一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法，可以限制输出电压的过冲在一定的范围内，并减小动态回复时间，提高动态性能，在多模式控制中不会引起系统的不稳定，使得电路的设计动态性能更优秀。为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法，其特征在于：基于包括采样模块、动态控制模块、误差计算模块、PID模块、模式控制模块以及PWM模块构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；采样模块包括采样电路和采样计算模块，采样电路通过开关电源输出分压得到输出电压的信息，采样计算模块根据该输出电压的信息，计算得到对应输出电压大小的采样电压Vo并同时输出给误差计算模块和动态控制模块；动态控制模块包括电压监测模块和开关周期计算模块，电压监测模块包含两个比较器以及一个逻辑单元，其中一个比较器用于比较采样电压Vo与采样电压Vo的设定上限值Vomax之间的大小，另一个比较器用于比较采样电压Vo与参考电压Vref之间的大小，两个比较器的比较结果分别输出给逻辑单元，逻辑单元输出模式判断结果mode_F并根据该模式判断结果mode_F确定是否采用动态模式，其中Vref＜Vomax；电压监测模块将模式判断结果mode_F分别输出给模式控制模块和开关周期计算模块，开关周期计算模块输出开关周期TS给模式控制模块，开关周期计算模块根据采样模块输出的采样电压Vo和电压监测模块输出的模式判断结果mode_F进行计算，当mode_F＝1进入动态模式时，计算下一开关周期的周期TS＝TS(n+1)，当mode_F＝0时进入正常模式时，开关周期计算模块不工作，输出开关周期TS＝TS(n+1)通过锁存保持不变；误差计算模块根据采样模块输出的采样电压Vo计算参考电压Vref减去采样电压Vo的差，即为当前采样误差，记为e1，输出给PID模块；PID模块输入为误差计算模块输出的误差信号e1、模式控制模块输出的控制信号PI_ctrl以及赋值VPIO，动态模式时，PID模块关闭，动态模式切换到正常工作模式的第一个开关周期时，首先对PID模块运算赋初值VPIO，然后进行PID运算得到补偿结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块，之后正常工作模式的每个周期进PID运算，补偿结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块；模式控制模块的输入分别为电压监测模块输出的模式判断结果mode_F、开关周期计算模块的输出的开关周期TS＝TS(n+1)以及PID模块的补偿结果VPI；当电压监测模块输出mode_F＝1为动态模式时，模式控制模块通过输出控制信号PI_ctrl关闭PID模块、控制PWM模块接收模式控制模块输出的动态模式的开关周期TS(n+1)与占空比DHTL或峰值电流，PWM模块此时根据动态模式的开关周期TS(n+1)与占空比DHTL或峰值电流大小产生占空比波形；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第一个开关周期，模式控制模块根据此时开关周期计算模块的周期大小TS(n+1)得到对应的输出负载的大小，通过控制信号PI_ctrl开启PID模块并在PID计算前将当前采样结果赋值VPIO，VPIO为负载变化后在稳定状态时负载对应的PID模块的输出值，赋值后PID模块根据误差模块的输出误差e1进行PID运算，PID运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第二个开关周期以及以后，PI_ctrl开启PID模块进行运算，PID模块根据误差模块的输出误差e1进行PID运算，运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制，在正常工作模式中，PWM模块接收PID输出的补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式，该控制模式记为mode_ctrl，通过计算得到开关周期与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法，其特征在于：基于包括采样模块、动态控制模块、误差计算模块、PID模块、模式控制模块以及PWM模块构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；采样模块包括采样电路和采样计算模块，采样电路通过开关电源输出分压得到输出电压的信息，采样计算模块根据该输出电压的信息，计算得到对应输出电压大小的采样电压Vo并同时输出给误差计算模块和动态控制模块；动态控制模块包括电压监测模块和开关周期计算模块，电压监测模块包含两个比较器以及一个逻辑单元，其中一个比较器用于比较采样电压Vo与采样电压Vo的设定上限值Vomax之间的大小，另一个比较器用于比较采样电压Vo与参考电压Vref之间的大小，两个比较器的比较结果分别输出给逻辑单元，逻辑单元输出模式判断结果mode_F并根据该模式判断结果mode_F确定是否采用动态模式，其中Vref＜Vomax；电压监测模块将模式判断结果mode_F分别输出给模式控制模块和开关周期计算模块，开关周期计算模块输出开关周期TS给模式控制模块，开关周期计算模块根据采样模块输出的采样电压Vo和电压监测模块输出的模式判断结果mode_F进行计算，当mode_F＝1进入动态模式时，计算下一开关周期的周期TS＝TS(n+1)，当mode_F＝0时进入正常模式时，开关周期计算模块不工作，输出开关周期TS＝TS(n+1)通过锁存保持不变；误差计算模块根据采样模块输出的采样电压Vo计算参考电压Vref减去采样电压Vo的差，即为当前采样误差，记为e1，输出给PID模块；PID模块输入为误差计算模块输出的误差信号e1、模式控制模块输出的控制信号PI_ctrl以及赋值VPIO，动态模式时，PID模块关闭，动态模式切换到正常工作模式的第一个开关周期时，首先对PID模块运算赋初值VPIO，然后进行PID运算得到补偿结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块，之后正常工作模式的每个周期进PID运算，补偿结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块；模式控制模块的输入分别为电压监测模块输出的模式判断结果mode_F、开关周期计算模块的输出的开关周期TS＝TS(n+1)以及PID模块的补偿结果VPI；当电压监测模块输出mode_F＝1为动态模式时，模式控制模块通过输出控制信号PI_ctrl关闭PID模块、控制PWM模块接收模式控制模块输出的动态模式的开关周期TS(n+1)与占空比DHTL或峰值电流，PWM模块此时根据动态模式的开关周期TS(n+1)与占空比DHTL或峰值电流大小产生占空比波形；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第一个开关周期，模式控制模块根据此时开关周期计算模块的周期大小TS(n+1)得到对应的输出负载的大小，通过控制信号PI_ctrl开启PID模块并在PID计算前将当前采样结果赋值VPIO，VPIO为负载变化后在稳定状态时负载对应的PID模块的输出值，赋值后PID模块根据误差模块的输出误差e1进行PID运算，PID运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第二个开关周期以及以后，PI_ctrl开启PID模块进行运算，PID模块根据误差模块的输出误差e1进行PID运算，运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制，在正常工作模式中，PWM模块接收PID输出的补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式，该控制模式记为mode_ctrl，通过计算得到开关周期与占空比/电流信息，PWM模块此时根据该开关周期与占空比信号产生占空比波形；PWM模块包括PWM单元和驱动单元，PWM单元的输入为模式控制模块输出的PI_ctrl控制信号、动态模式的开关周期TS(n+1)与占空比DHTL或峰值电流Ip、模式控制模块在正常工作模式时的控制模式结果mode_ctrl以及PID模块的补偿结果VPI；通过PID模块补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式mode_ctrl信号计算得到正常控制时开关周期与占空比的信息，得到周期与占空比/峰值电流信息后，通过驱动单元输出占空比波形，对开关电源功率管的栅极实现环路控制；然后再次对开关电源的输出电压进行采样，并重复上述过程进行循环控制开关电源功率管的开通和关断，以使系统更加稳定，从而获得更高的动态响应。...

【技术特征摘要】
1.一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法，其特征在于：基于包括采样模块、动态控制模块、误差计算模块、PID模块、模式控制模块以及PWM模块构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；采样模块包括采样电路和采样计算模块，采样电路通过开关电源输出分压得到输出电压的信息，采样计算模块根据该输出电压的信息，计算得到对应输出电压大小的采样电压Vo并同时输出给误差计算模块和动态控制模块；动态控制模块包括电压监测模块和开关周期计算模块，电压监测模块包含两个比较器以及一个逻辑单元，其中一个比较器用于比较采样电压Vo与采样电压Vo的设定上限值Vomax之间的大小，另一个比较器用于比较采样电压Vo与参考电压Vref之间的大小，两个比较器的比较结果分别输出给逻辑单元，逻辑单元输出模式判断结果mode_F并根据该模式判断结果mode_F确定是否采用动态模式，其中Vref＜Vomax；电压监测模块将模式判断结果mode_F分别输出给模式控制模块和开关周期计算模块，开关周期计算模块输出开关周期TS给模式控制模块，开关周期计算模块根据采样模块输出的采样电压Vo和电压监测模块输出的模式判断结果mode_F进行计算，当mode_F＝1进入动态模式时，计算下一开关周期的周期TS＝TS(n+1)，当mode_F＝0时进入正常模式时，开关周期计算模块不工作，输出开关周期TS＝TS(n+1)通过锁存保持不变；误差计算模块根据采样模块输出的采样电压Vo计算参考电压Vref减去采样电压Vo的差，即为当前采样误差，记为e1，输出给PID模块；PID模块输入为误差计算模块输出的误差信号e1、模式控制模块输出的控制信号PI_ctrl以及赋值VPIO，动态模式时，PID模块关闭，动态模式切换到正常工作模式的第一个开关周期时，首先对PID模块运算赋初值VPIO，然后进行PID运算得到补偿结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块，之后正常工作模式的每个周期进PID运算，补偿结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块；模式控制模块的输入分别为电压监测模块输出的模式判断结果mode_F、开关周期计算模块的输出的开关周期TS＝TS(n+1)以及PID模块的补偿结果VPI；当电压监测模块输出mode_F＝1为动态模式时，模式控制模块通过输出控制信号PI_ctrl关闭PID模块、控制PWM模块接收模式控制模块输出的动态模式的开关周期TS(n+1)与占空比DHTL或峰值电流，PWM模块此时根据动态模式的开关周期TS(n+1)与占空比DHTL或峰值电流大小产生占空比波形；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第一个开关周期，模式控制模块根据此时开关周期计算模块的周期大小TS(n+1)得到对应的输出负载的大小，通过控制信号PI_ctrl开启PID模块并在PID计算前将当前采样结果赋值VPIO，VPIO为负载变化后在稳定状态时负载对应的PID模块的输出值，赋值后PID模块根据误差模块的输出误差e1进行PID运算，PID运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第二个开关周期以及以后，PI_ctrl开启PID模块进行运算，PID模块根据误差模块的输出误差e1进行PID运算，运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制，在正常工作模式中，PWM模块接收PID输出的补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式，该控制模式记为mode_ctrl，通过计算得到开关周期与占空比/电流信息，PWM模块此时根据该开关周期与占空比信号产生占空比波形；PWM模...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐申，陈明刚，沈为冬，王冲，孙伟锋，陆生礼，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32