一种提高开关电源动态响应的控制方法技术

一种提高开关电源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模块构成的闭环控制系统，采样模块采样输出电压Vo，动态控制模块根据Vo的大小分别与设定的Vomax、Vomin以及Vref进行比较，判断是否采用动态模式，动态模式下当输出电压Vo变化很大时，可以通过输入大功率或小功率的方法使得输出电压Vo快速返回到稳定电压，并通过电压变化的斜率检测负载大小来确定工作状态来减小电压谐振，提高动态响应效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及开关电源，尤其涉及。
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 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，洗衣机的电源负载功率变化很快很大，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电源的负载伤害较大；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。下面以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， 开关频率匕为70kHz，电路具有较高的效率，0. 7A负载为负载B，开关频率f8为70kHz，0. 2A 负载为负载C，开关频率&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⑶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，在有的条件下式无法忍受的；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。 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 高开关电源动态响应的控制方法。对减小电压过冲与欠压，减小动态回复时间有很好的效 果，对提尚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动态响应的控制 方法，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，本专利技术采用的技术方案是： -种提高开关电源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，采样计算模块根据采样电路的结果计算得到输出电压大小的信号Vo; 动态控制模块包括电压监测模块和斜率计算模块；电压监测模块接收采样模块输 出的采样结果Vo并根据Vo的大小分别与设定的Vo上限值Vomax、Vo下限值Vomin以及参 考电压Vref的大小关系，判断是否采用动态模式，其中Vomin〈Vref〈Vomax;动态模式是指 当输出电压Vo变化很大时，通过输入大功率或小功率的方法使得输出电压Vo快速返回到 稳定电压，动态模式包括恒定频率的轻载切重载LTH模式及恒定频率的重载切轻载HTL模 式； 电压监测模块将模式选择结果mode_F输出到模式控制模块与斜率计算模块，若 电压监测模块判断系统进入动态模式时，斜率计算模块计算电压变化斜率；若正常工作模 式时，控制斜率计算模块的输出锁存不变；斜率计算模块在电压监测模块输出LTH模式时 计算Vo的上升斜率；电压监测模块输出HTL模式时，计算Vo下降的斜率；采用正常工作模 式时，斜率计算模块不计算斜率，斜率Kslope保持不变；斜率计算模块的结果Kslope输出 给模式控制模块； 电压监测模块中包含三个比较器C0MP1、C0MP2和C0MP3以及一个逻辑单元，比较 器C0MP1的正端连接设定的Vo上限值Vomax，负端连接Vo ;比较器C0MP2的正端连接Vo， 负端连接设定的参考电压Vref ;比较器C0MP3的正端连接Vo,负端连接设定的Vo下限值 Vomin，逻辑单元单元根据三个比较器的结果，输出LTH模式、HTL模式及正常模式三种模式 中的一种： 当Vo比下限电压Vomin小，逻辑单元输出动态模式中恒定频率的轻载切重载LTH 模式，通过输入大功率使得输出快速上升到参考电压Vref后跳出该模式，进入正常模式， 正常模式的起始状态由模式控制模块给定； 当Vo比上限电压Vomax大，逻辑单元输出动态模式中恒定频率的重载切轻载HTL 模式，通过输入小功率使得输出快速下降到参考电压Vref后跳出该模式，进入正常模式， 正常模式的起始状态由模式控制模块给定； 如果Vo变化不大，无需动态模式，通过正常的PI控制方法与模式控制实现环路控 制称为正常工作模式； 当Vo介于Vomin与Vref之间，如果逻辑单元上周期输出为LTH模式，则本周期输 出为LTH模式；若果逻辑单元上周期输出为HTL模式，本周期输出为正常模式；如果逻辑单 元上周期输出为正常模式，则本周期输出为正常模式；当Vo介于Vref与Vomax之间，如果 逻辑单元上周期输出为LTH模式，则本周期输出为正常模式；如果逻辑单元上周期输出为 HTL模式，则本周期输出HTL模式；如果逻辑单元上周期输出为正常模式，则本周期输出为 正常模式； 斜率计算模块的输入是采样结果Vo和电压监测模块的输出mode_F，当mode_F为 LTH模式时，计算Vo的上升斜率Kup，采用N1个LTH模式开关周期电压变化等效代替，即Kup =Vo(n)-Vo(n-Nl)，Vo(n)为当前周期采样结果，Vo(n-Nl)为N1个周期前的采样结果，Kup 为输出斜率计算模块的结果Kslope的大小；当mode_F为HTL模式时，计算Vo的下降斜率 Kdown，采用N2个HTL模式开关周期电压变化等效代替，即Kdown=Vo(n-N2)_Vo(n)，Kdown 为输出Kslope的大小；当mode_F为正常模式时，斜率计算模块不工作，输出结果Kslope通 过锁存保持不变； 误差计算模块的输入是采样模块的输出Vo，根据计算参考电压Vref减去输出电 压Vo的差，即为当前采样误差，记为el，输出给P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高开关电源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，采样计算模块根据采样电路的结果计算得到输出电压大小的信号Vo；动态控制模块包括电压监测模块和斜率计算模块；电压监测模块接收采样模块输出的采样结果Vo并根据Vo的大小分别与设定的Vo上限值Vomax、Vo下限值Vomin以及参考电压Vref的大小关系，判断是否采用动态模式，其中Vomin<Vref<Vomax；动态模式是指当输出电压Vo变化很大时，通过输入大功率或小功率的方法使得输出电压Vo快速返回到稳定电压，动态模式包括恒定频率的轻载切重载LTH模式及恒定频率的重载切轻载HTL模式；电压监测模块将模式选择结果mode_F输出到模式控制模块与斜率计算模块，若电压监测模块判断系统进入动态模式时，斜率计算模块计算电压变化斜率；若正常工作模式时，控制斜率计算模块的输出锁存不变；斜率计算模块在电压监测模块输出LTH模式时计算Vo的上升斜率；电压监测模块输出HTL模式时，计算Vo下降的斜率；采用正常工作模式时，斜率计算模块不计算斜率，斜率Kslope保持不变；斜率计算模块的结果Kslope输出给模式控制模块；电压监测模块中包含三个比较器COMP1、COMP2和COMP3以及一个逻辑单元，比较器COMP1的正端连接设定的Vo上限值Vomax，负端连接Vo；比较器COMP2的正端连接Vo，负端连接设定的参考电压Vref；比较器COMP3的正端连接Vo，负端连接设定的Vo下限值Vomin，逻辑单元单元根据三个比较器的结果，输出LTH模式、HTL模式及正常模式三种模式中的一种：当Vo比下限电压Vomin小，逻辑单元输出动态模式中恒定频率的轻载切重载LTH模式，通过输入大功率使得输出快速上升到参考电压Vref后跳出该模式，进入正常模式，正常模式的起始状态由模式控制模块给定；当Vo比上限电压Vomax大，逻辑单元输出动态模式中恒定频率的重载切轻载HTL模式，通过输入小功率使得输出快速下降到参考电压Vref后跳出该模式，进入正常模式，正常模式的起始状态由模式控制模块给定；如果Vo变化不大，无需动态模式，通过正常的PI控制方法与模式控制实现环路控制称为正常工作模式；当Vo介于Vomin与Vref之间，如果逻辑单元上周期输出为LTH模式，则本周期输出为LTH模式；若果逻辑单元上周期输出为HTL模式，本周期输出为正常模式；如果逻辑单元上周期输出为正常模式，则本周期输出为正常模式；当Vo介于Vref与Vomax之间，如果逻辑单元上周期输出为LTH模式，则本周期输出为正常模式；如果逻辑单元上周期输出为HTL模式，则本周期输出HTL模式；如果逻辑单元上周期输出为正常模式，则本周期输出为正常模式；斜率计算模块的输入是采样结果Vo和电压监测模块的输出mode_F，当mode_F为LTH模式时，计算Vo的上升斜率Kup，采用N1个LTH模式开关周期电压变化等效代替，即Kup＝Vo(n)‑Vo(n‑N1)，Vo(n)为当前周期采样结果，Vo(n‑N1)为N1个周期前的采样结果，Kup为输出斜率计算模块的结果Kslope的大小；当mode_F为HTL模式时，计算Vo的下降斜率Kdown，采用N2个HTL模式开关周期电压变化等效代替，即Kdown＝Vo(n‑N2)‑Vo(n)，Kdown为输出Kslope的大小；当mode_F为正常模式时，斜率计算模块不工作，输出结果Kslope通过锁存保持不变；误差计算模块的输入是采样模块的输出Vo，根据计算参考电压Vref减去输出电压Vo的差，即为当前采样误差，记为e1，输出给PID模块；模式控制模块的输入分别为电压监测模块的输出mode_F、斜率计算模块的输出Kslope以及PID模块的运算结果VPI；当电压监测模块输出mode_F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_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH/电流或DHTL/电流信息，PWM模块此时根据动态模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH/电流或DHTL/电流信息产生占空比波形；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斜率计算模块的斜率大小Kslope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VPI0，VPI0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...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐申，王冲，范献军，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