一种开关电源的数字PFM控制模式实现方法技术

一种开关电源的数字PFM模式实现方法，基于包括采样电路、AD转换模块、误差计算模块、数字PID模块、数字PFM控制模块以及DPWM模块构成的PFM调节系统，该调节系统与受控的开关电源连接起来，构成一个闭环；采样电路对开关电源的输出电压进行采样，采样输出经过AD转换为数字信号，后进入误差计算模块，连续的数字信号进入误差计算模块与设定的电压值进入比较器中比较，产生的偏差(同时记录历史偏差)和偏差变化率供给数字PID模块，在数字PID模块中执行补偿算法，递交给PFM控制模块输出合适的占空比，从而控制数字电源的开关管用于稳压。

【技术实现步骤摘要】
一种开关电源的数字PFM控制模式实现方法
本专利技术涉及用于开关电源的控制模式切换，尤其涉及一种开关电源的数字PFM控制模式实现方法，是一种可以同时调制频率与占空比(或峰值电流)的PFM控制模式。
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。开关电源对效率的要求越来越高，为了实现高的效率，人们提出了多模式控制方法，多模式控制可以有效的提高电源的效率，但带来的问题是设计的复杂化，特别是当模式控制较多时，电路的设计成本与难度不断提高。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。定义输出负载电流为0.2A，为负载A，开关频率fA为20kHz时，电路具有较高的效率，输出负载电流为1A为负载B，开关频率fB为70kHz，这个开关频率下的系统效率较高，这两个负载点的开关频率选择是根据系统效率要求而选择的。假定在设计从负载A到负载B的模式控制工作方法，A，B之间的负载功率为PA，PB且PA较小，开关频率分别为fA，fB。若根据设计要求fA＝fB，那么控制方法需要保证开关周期不变，调整占空比大小即可，这种方法称为PWM模式控制方法；若根据设计要求需要满足fA＜fB，且此时每个开关周期传输的能量在不同负载下都是相同的，只需保证导通时间大小不变，调整开关频率即可满足设计要求，这种方法称为PFM模式控制方法；若根据设计要求需要满足fA＜fB，且此时需要取一个中间负载C，其负载功率与开关频率为PC，fC，此时从负载A到负载B至少需要PWM与PFM两种模式才能实现，一种方法是令fA＝fC，负载C为0.29A负载，开关频率为20kHz，A，C之间负载采用PWM模式，B，C负载之间采用PFM模式，另一种是令fB＝fC，负载C为0.7A负载，开关频率为70kHz，A，C之间采用PFM模式，B，C之间采用PWM模式；若据设计要求需要满足fA＜fB，且通过PWM与PFM模式无法实现A，B之间的连续平稳变化。从上面的分析可以看到，对于开关电源的工作模式而言，通用的控制方法有周期不变的PWM模式与导通时间不变的PFM模式，但两个不同的负载A，B之间的频率fA，fB与负载大小PA，PB的关系不满足fA＝fB或的要求，那么负载A到负载B之间的负载需要工作在PWM与PFM两种模式，这样不同的负载范围采用不同的工作模式，这使得控制更加复杂，并且不同模式之间的切换会带来较大的纹波或者不稳定性。因此，在设计从负载A到负载B的模式控制工作方法时，若单独使用PWM与PFM模式，电路的控制系统较为简单，但需要满足fA＝fB或要求，若不满足以上的条件需要同时使用PWM与PFM模式，必然会使电路的控制方法复杂化。一般在升压Boost电路中，恒压控制为了简单高效，一般同时采用PWM，PFM两种模式控制，在20％负载大小以下一般采用PFM模式控制，在此点以上一般采用PWM模式控制，该切换点可以认为为负载点A,大于该点的负载时，开关频率与满载时的开关频率相同，这段负载范围电路由于开关频率很高，其效率很低，要提高这些点的效率，可能需要更多的模式。由于负载A到负载B的开关频率与负载大小关系多变，提出一种灵活的简单易实现的控制方法，对优化电路设计，提高电路的性能很有必要。
技术实现思路
为克服现有技术的局限和不足，本专利技术提出一种开关电源的数字PFM控制模式实现方法，这种方法可以同时调整开关频率与导通时间，采用一种数字PFM模式方法来代替同时使用PWM与PFM模式的方法，减少了多模式控制，使得控制更加简单，不存在模式切换引入的不稳定的问题，使得电路的设计更加灵活，提高了模式切换与模式设计的灵活性。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种开关电源的数字PFM控制模式实现方法，其特征在于：基于包括采样电路、AD转换模块、误差计算模块、数字PID模块、数字PFM控制模块以及DPWM模块构成的PFM调节系统，该调节系统与受控的开关电源连接起来，构成一个闭环；采样电路对开关电源的输出电压进行采样，采样输出经过AD转换模块转换为数字信号后进入误差计算模块，通过误差计算模块中设置的比较器将采样电压信号与给定电压信号比较，得到当前采样周期N位二进制的电压偏差数字量εμ[N:1]并予以记录，并将当前采样周期的N位二进制电压偏差εμ[N:1]和上一个采样周期的N位二进制电压偏差εμ[N:1]通过计算得到N位二进制的偏差变化率Δεμ[N:1]，将εμ[N:1]和Δεμ[N:1]输入数字PID模块，得到相应的补偿参数为M位二进制数字量VPI[M:1]输出至数字PFM控制模块，PFM控制模块同时实现对开关频率与占空比的调制，得到开关周期与占空比的大小后输出至DPWM模块，DPWM模块输出控制开关电源功率管的开通与关断的波形，实现一种数字控制的PFM模式替代PFM与PWM模式的多模式方案；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，从而获得更高的瞬态响应。所说误差计算模块中的比较器是减法器，其正端连接输出电压的N2位二进制数字量参考量Vref[N2：1]，负端连接AD转换模块的是N2位二进制的输出电压数字量Vout[N2:1]，减法器的输出为当前采样周期的N位二进制的电压偏差数字量εμ[N:1]，将其与上一个采样周期的N位二进制电压偏差εμ[N:1]相减得到N位二进制偏差变化率Δεμ[N:1]；所说的数字PID模块包括微分、比例、积分及求和四个运算功能模块，积分与比例单元的输入为N位二进制的电压偏差εμ[N:1]，微分模块的输入为N位二进制的偏差变化率Δεμ[N:1]，将微分、比例、积分三个运算单元的输出在求和运算模块中求和，求和运算模块输出为补偿结果为M位二进制的数字量VPI[M:1]；所说数字PID模块包括微分、比例、积分及求和四个运算单元，微分运算单元的输入为N位二进制的偏差变化率Δεμ[N:1]，比例运算单元和积分运算单元的输入均为N位二进制的电压偏差εμ[N:1]，将微分、比例、积分三个运算单元的输出在求和运算单元中求和，求和运算单元输出补偿结果为M位二进制的数字量VPI[M:1]；所说的数字PFM控制模块包括占空比调制模块与频率调制模块，其中：占空比调制模块的输入是求和运算单元输出的M位二进制数字量VPI[M:1]，通过比例运算得到M2位二进制的占空比数字量D[M2:1]的大小或M2位二进制的峰值电流IP[M2:1]的大小，运算方法为D＝K2VPI或IP＝K2VPI；D为占空比大小，K2为比例运算参数，输出为M2位二进制量，K2的大小根据M2与M决定，K2取2M2-M，M2>M；频率调制模块的输入也是求和运算单元输出的M位二进制数字量VPI[M:1]，根据数字PID模块的M位二进制输出数字量VPI[M:1]调整开关周期，根据VPI[M:1]数字量通过一阶线性运算得到P位二进制数字量的开关周期Ts[P:1]的大小，这里用P位的二进制量表示一个开关周期的时钟个数，调制方法为Ts＝Ts,0+K1VPI，Ts[P:1]为开关周期大小，Ts,0与K1为一阶线性运算常数，Ts,0，K1与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关电源的数字PFM控制模式实现方法，其特征在于：基于包括采样电路、AD转换模块、误差计算模块、数字PID模块、数字PFM控制模块以及DPWM模块构成的PFM调节系统，该调节系统与受控的开关电源连接起来，构成一个闭环；采样电路对开关电源的输出电压进行采样，采样输出经过AD转换模块转换为数字信号后进入误差计算模块，通过误差计算模块中设置的比较器将采样电压信号与给定电压信号比较，得到当前采样周期电压偏差的N位二进制数字量εμ[N:1]并予以记录，并将当前采样周期的电压偏差εμ[N:1]和上一个采样周期的N位二进制数字量电压偏差εμ[N:1]通过计算得到N位二进制数字量的偏差变化率Δεμ[N:1]，将εμ[N:1]和Δεμ[N:1]输入数字PID模块，得到相应的补偿参数为M位二进制数字量VPI[M:1]输出至数字PFM控制模块，PFM控制模块同时实现对开关频率与占空比的调制，得到开关周期与占空比的大小后输出至DPWM模块，DPWM模块输出控制开关电源功率管的开通与关断的波形，实现一种数字控制的PFM模式替代PFM与PWM模式的多模式方案；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，从而获得更高的瞬态响应。...

【技术特征摘要】
1.一种开关电源的数字PFM控制模式实现方法，其特征在于：基于包括采样电路、AD转换模块、误差计算模块、数字PID模块、数字PFM控制模块以及DPWM模块构成的PFM调节系统，该调节系统与受控的开关电源连接起来，构成一个闭环；采样电路对开关电源的输出电压进行采样，采样输出经过AD转换模块转换为数字信号后进入误差计算模块，通过误差计算模块中设置的比较器将采样电压信号与给定电压信号比较，得到当前采样周期电压偏差的N位二进制数字量εμ[N:1]并予以记录，并将当前采样周期的电压偏差εμ[N:1]和上一个采样周期的N位二进制数字量电压偏差εμ[N:1]通过计算得到N位二进制数字量的偏差变化率Δεμ[N:1]，将εμ[N:1]和Δεμ[N:1]输入数字PID模块，得到相应的补偿参数为M位二进制数字量VPI[M:1]输出至数字PFM控制模块，PFM控制模块同时实现对开关频率与占空比的调制，得到开关周期与占空比的大小后输出至DPWM模块，DPWM模块输出控制开关电源功率管的开通与关断的波形，实现一种数字控制的PFM模式替代PFM与PWM模式的多模式方案；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，从而获得更高的瞬态响应。2.根据权利要求1所述开关电源的数字PFM控制模式实现方法，其特征在于：所述误差计算模块中的比较器是减法器，其正端连接输出电压的N2位二进制数字参考量Vref[N2:1]，其负端连接AD转换模块的N2位二进制输出电压数字量Vout[N2:1]，减法器的输出为N位二进制的当前采样周期的电压偏差数字量εμ[N:1]，将其与上一个采样周期N位二进制数字量的电压偏差εμ[N:1]相减得到N位二进制数字量的偏差变化率Δεμ[N:1]；所述数字PID模块包括微分、比例、积分及求和四个运算单元，微分运算单元的输入为N位二进制的偏差变化率Δε...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐申，王冲，程松林，沈乾，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