一种提高开关电源输出精度的控制方法技术

一种提高开关电源输出精度的控制方法，基于包括采样模块、精度控制模块、误差计算模块、PID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,通过检测输出电压控制模式切换，在输出电压超出上限电压时，通过模式切换使电路进入DCM模式，减小输入能量，使输出电压稳定在调节范围内，在输出电压低于下限电压时，通过模式切换使电路进入CCM模式，增加输入能量，使输出电压快速恢复到调节范围内。在正常调节过程中，输出电压的变化被限制在上限电压与下限电压之间，电压输出纹波减小，精度得以提高。

【技术实现步骤摘要】
一种提高开关电源输出精度的控制方法
本专利技术涉及开关电源，尤其涉及一种提高开关电源输出精度的控制方法，能够减小开关电源输出纹波，提高开关电源的输出精度。
技术介绍
开关电源通常作为各类用电设备的电源，起到将未调整的交流或直流输入电压变换为调整后的交流或直流输出电压。由于开关电源需要适应于不同的工作条件，对电源的输出精度性能要求越来越高。随着工艺尺寸逐渐减小，芯片内的器件耐压也减小，若此时电源电压过大，则容易使芯片器件所加电压过高或消耗功率过大而损坏，而电源电压输出过低时，又会使某些器件性能下降，甚至不能工作。当输出电压精度不高，纹波较大时，则会影响芯片的性能。如数字电压表中要求内部有极精确的稳定电源，以保证电压/数字的转换精度；又如示波器内的电源必须稳定，以保证光点的偏转灵敏度、扫描时间等的准确。在当今的电源管理中，高的电源效率已成必要性能。很多高压电源(如输入为市电电压的反激变换器)为了实现高效率，采用软开关技术，在原边功率管漏端电压下降到零时导通，即谷底导通技术。而该技术虽然实现了高效率，但由于其实际导通时间与系统理论计算的导通时间有偏差，所以相比非谷底导通电路，该电路带来的输出电压文波偏大。同时在一个SOC(SystemOnChip)系统中,不同模块需要的电流能力不同，即使同一个模块在不同时刻工作模式不同，其所需要的电流也不同。这就带来电源芯片给这些模块供电的电流不固定，当电源提供的电流刚好使电源工作在连续导通模式(CCM)与断续导通模式(DCM)临界区，且电源为输出断续结构的电路，则电路工作在CCM下，其获得的输出能量与电感电流增大的量之间存在迟滞，而DCM下由于当前周期将能量全部传给输出端，故获得输出能量与电感电流增加量之间无迟滞。若电源工作多个CCM后进入DCM，再经过多个DCM后进入CCM，则输出电压纹波会很大，输出精度很低。此外对于调节精度过低的电源芯片，在芯片工作在DCM与CCM边界时，同样也会出现一段负载区域，输出电压纹波大，精度低的现象。因此由于输出精度要求越来越高，软开关控制方法带来的输出精度低的问题，提出一种提高输出电压精度的控制方法。对减小电压过冲与欠压，减小输出纹波，有很好的效果，对提高电路的输出精度性能很有必要。本申请人的在先申请《一种提高开关电源动态响应的控制方法》针对系统输出负载切换时(如重载切换成轻载或轻载切换成重载)，输出电压会产生较大的过冲或欠冲的问题提出了动态快速恢复算法，使得输出电压能够在尽量短的时间内恢复到正常调节范围内，从而减小了输出电压过冲或欠冲，即属于动态调节，系统采用谷底导通模式使得实际开关周期与理论计算的开关周期可能存在最大半个谐振周期的差异，故电感上的电流相比非谷底开关导通的电源系统会不稳定，同时该结构电源属于输出电流断续的结构，该结构存在右边平面零点，会带来补偿环路的相位延迟，最终导致在稳定输出负载情况下输出电压纹波大的问题。
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输出精度的控制方法，属于稳态调节，针对系统在稳定输出负载下，输出纹波大、精度低的问题提出相应的算法，可以限制输出电压的过冲与欠压在一定的范围内，并减小输出纹波，提高输出精度，在多模式控制中不会引起系统的不稳定，使得电路的输出精度性能更优秀。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种提高开关电源输出精度的控制方法，其特征在于：基于包括采样模块、精度控制模块、误差计算模块、PID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的输出分压得到输出电压信息，采样计算模块根据该输出电压信息计算得到对应输出电压大小信息的采样电压Vo并同时输出给误差计算模块和精度控制模块；精度控制模块包括电压监测模块和模式切换模块，电压监测模块接收采样模块输出的采样电压Vo并根据采样电压Vo的大小分别与设定的采样电压Vo上限值Vomax、采样电压Vo下限值Vomin的大小关系，判断是否采用模式切换，选择是采用CCM模式还是DCM模式；电压监测模块中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与采样电压Vo的设定下限值Vomin之间的大小，两个比较器的输出分别连接至逻辑单元，逻辑单元根据两个比较器的比较结果，输出模式选择结果mode_F给模式切换模块，当Vo＜Vomin，逻辑单元输出mode_F＝1，为CCM模式；当Vo＞Vomax，逻辑单元输出mode_F＝0，为DCM模式；当Vo介于Vomin与Vomax之间，模式选择结果mode_F保持当前选择的模式不变；模式切换模块接收电压检测模块输出的模式选择结果mode_F和输出分压得到的输出电压信息Vsense，将输出电压信息Vsense与零电平信号GND进行比较，产生反应电感电流下降为零的信号ZCMP，该信号ZCMP是决定DCM模式下功率管导通的信号，而内部时钟Fclk是决定CCM模式下功率管导通的信号，DCM模式和CCM模式下的功率管的关断信号都由PID模块输出信号VPI决定；ZCMP信号与内部时钟Fclk通过二选一逻辑组合门电路，根据模式选择结果mode_F的不同值，产生模式切换结果控制信号mode_ctl给PWM模块；误差计算模块接收采样模块输出的采样电压Vo，用参考电压Vref减去采样电压Vo的差，得到当前采样电压误差e1输出给PID模块，PID模块根据采样电压误差e1，通过比例参数Kp，积分参数Ki，微分参数Kd进行PID运算，得到补偿结果VPI输出给PWM模块，用于确定下一周期峰值电流值；PWM模块包括PWM单元和驱动单元，PWM单元的输入为模式切换模块输出的模式切换结果控制信号mode_ctl和PID模块输出的补偿结果VPI，通过计算得到开关周期Ts和峰值电流Ipeak，经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，模式切换结果mode_ctl决定功率管的导通，补偿结果VPI决定功率管的关断；重复上述过程，再次对开关电源的输出电压进行采样，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，从而获得更高的输出精度。当采样电压Vo比下限电压Vomin小，电压检测模块输出信号mode_F控制模式切换模块，使其变为恒定频率的CCM模式，在该模式下，功率管导通是由内部时钟上升沿确定，功率管关断是由PID模块输出信号VPI确定，系统输入大功率使得采样电压Vo快速上升到参考电压Vref，且保持该模式工作，直到采样电压Vo比上限电压Vomax大，系统才会切换到DCM模式；当采样电压Vo比上限电压Vomax大，电压检测模块输出信号mode_F控制模式切换模块使其变为DCM模式，在该模式下，功率管导通需要等电感电流变成零后，在功率管的漏源电压Vds的下一个谷底导通，功率管关断是由PID模块输出信号VPI决定，该模式下，系统输入小功率使得采样电压Vo快速下降到参考电压Vref，且保持该模式工作，直到采样电压Vo比下限电压Vomin小，系统才会切换到CCM模式。所述电压监测模块中的两个比较器为COMP1和COMP3，比较本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高开关电源输出精度的控制方法，其特征在于：基于包括采样模块、精度控制模块、误差计算模块、PID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的输出分压得到输出电压信息，采样计算模块根据该输出电压信息计算得到对应输出电压大小信息的采样电压Vo并同时输出给误差计算模块和精度控制模块；精度控制模块包括电压监测模块和模式切换模块，电压监测模块接收采样模块输出的采样电压Vo并根据采样电压Vo的大小分别与设定的采样电压Vo上限值Vomax、采样电压Vo下限值Vomin的大小关系，判断是否采用模式切换，选择是采用CCM模式还是DCM模式；电压监测模块中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与采样电压Vo的设定下限值Vomin之间的大小，两个比较器的输出分别连接至逻辑单元，逻辑单元根据两个比较器的比较结果，输出模式选择结果mode_F给模式切换模块，当Vo＜Vomin，逻辑单元输出mode_F＝1，为CCM模式；当Vo＞Vomax，逻辑单元输出mode_F＝0，为DCM模式；当Vo介于Vomin与Vomax之间，模式选择结果mode_F保持当前选择的模式不变；模式切换模块接收电压检测模块输出的模式选择结果mode_F和输出分压得到的输出电压信息Vsense，将输出电压信息Vsense与零电平信号GND进行比较，产生反应电感电流下降为零的信号ZCMP，该信号ZCMP是决定DCM模式下功率管导通的信号，而内部时钟Fclk是决定CCM模式下功率管导通的信号，DCM模式和CCM模式下的功率管的关断信号都由PID模块输出信号VPI决定；ZCMP信号与内部时钟Fclk通过二选一逻辑组合门电路，根据模式选择结果mode_F的不同值，产生模式切换结果控制信号mode_ctl给PWM模块；误差计算模块接收采样模块输出的采样电压Vo，用参考电压Vref减去采样电压Vo的差，得到当前采样电压误差e1输出给PID模块，PID模块根据采样电压误差e1，通过比例参数Kp，积分参数Ki，微分参数Kd进行PID运算，得到补偿结果VPI输出给PWM模块，用于确定下一周期峰值电流值；PWM模块包括PWM单元和驱动单元，PWM单元的输入为模式切换模块输出的模式切换结果控制信号mode_ctl和PID模块输出的补偿结果VPI，通过计算得到开关周期Ts和峰值电流Ipeak，经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，模式切换结果mode_ctl决定功率管的导通，补偿结果VPI决定功率管的关断；重复上述过程，再次对开关电源的输出电压进行采样，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，从而获得更高的输出精度。...

【技术特征摘要】
1.一种提高开关电源输出精度的控制方法，其特征在于：基于包括采样模块、精度控制模块、误差计算模块、PID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的输出分压得到输出电压信息，采样计算模块根据该输出电压信息计算得到对应输出电压大小信息的采样电压Vo并同时输出给误差计算模块和精度控制模块；精度控制模块包括电压监测模块和模式切换模块，电压监测模块接收采样模块输出的采样电压Vo并根据采样电压Vo的大小分别与设定的采样电压Vo上限值Vomax、采样电压Vo下限值Vomin的大小关系，判断是否采用模式切换，选择是采用CCM模式还是DCM模式；电压监测模块中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与采样电压Vo的设定下限值Vomin之间的大小，两个比较器的输出分别连接至逻辑单元，逻辑单元根据两个比较器的比较结果，输出模式选择结果mode_F给模式切换模块，当Vo＜Vomin，逻辑单元输出mode_F＝1，为CCM模式；当Vo＞Vomax，逻辑单元输出mode_F＝0，为DCM模式；当Vo介于Vomin与Vomax之间，模式选择结果mode_F保持当前选择的模式不变；模式切换模块接收电压检测模块输出的模式选择结果mode_F和输出分压得到的输出电压信息Vsense，将输出电压信息Vsense与零电平信号GND进行比较，产生反应电感电流下降为零的信号ZCMP，该信号ZCMP是决定DCM模式下功率管导通的信号，而内部时钟Fclk是决定CCM模式下功率管导通的信号，DCM模式和CCM模式下的功率管的关断信号都由PID模块输出信号VPI决定；ZCMP信号与内部时钟Fclk通过二选一逻辑组合门电路，根据模式选择结果mode_F的不同值，产生模式切换结果控制信号mode_ctl给PWM模块；误差计算模块接收采样模块输出的采样电压Vo，用参考电压Vref减去采样电压Vo的差，得到当前采样电压误差e1输出给PID模块，PID模块根据采样电压误差e1，通过比例参数Kp，积分参数Ki，微分参数Kd进行PID运算，得到补偿结果VPI输出给PWM模块，用于确定下一周期峰值电流值；PWM模块包括PWM单元和驱动单元，PWM单元的输入为模式切换模块输出的模式切换结果控制信号mode_ctl和PID模块输出的补偿结果VPI，通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐申，于利民，陶蓉蓉，陈威宇，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