[发明专利]一种开关电源

说明书

技术领域

本发明属于电源转换器领域，尤其涉及一种开关电源。

背景技术

开关电源的控制技术主要有三种：脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度频率调制(PWM-PFM)。

PFM调制技术中调制信号随输入信号幅度而变化，即调制信号为频率变化的脉冲信号，其通过脉冲信号的有无控制稳定输出电压。PFM调制时，电源开关频率跟随系统负载变化，因此轻负载下PFM调制方式使开关电源系统具有较高的效率，这是PFM调制方式得到广泛应用的主要原因。另外，PFM调制方式下开关电源一般工作在电感电流断续模式即下一个工作周期开始前电感电流已经稳定为0，否则电感电流很容易出现振荡。工作在电感电流断续模式下的PFM调制方式负载能力有限，因此随着系统负载电流的增加，开关电源必须工作在电感电流连续模式，而电感电流连续模式的PFM调制方式系统控制非常复杂，很容易出现输出电压和电感电流振荡。因此系统重负载下广泛采用PWM调制方式。

PWM调制技术是开关频率不变的情况下，通过电压反馈调节其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。PWM调制方式下开关电源一般工作在电感电流连续模式，此时电源系统具有足够的负载能力。虽然PWM调制方式开关频率一般比PFM调制方式高，导致PWM调制模式下开关损耗比较大，但重负载下，开关损耗远小于导通损耗，因此PWM调制模式重负载下仍然具有非常高的效率。另外，PWM调制方式下输出电压纹波较小，同时固定的开关频率简化了EMI设计。

目前绝大多数开关电源系统采用PFM-PWM混合调制方式，即轻负载下采用PFM调制模式，重负载下采用PWM调制方式。这样电源系统不仅在整个负载范围内具有非常高的转化效率，而且大大扩展了开关电源系统的带负载能力。

图1为现有开关电源结构，其将输入电压转换成设定的输出电压。图1所示的开关电源分为三个模块，分别是开关频率产生器200、电感峰值电流控制器300和电源转换模块100。开关频率产生器200提供开关电源所需要的开关频率信号，电感峰值电流控制器300提供开关电源所需要的峰值电流控制信号，控制开关电源电感电流的峰值大小。

现以DC/DC BUCK转换器为例对图1的控制原理进行说明，图2中(b)和(c)为开关电源在PFM固定电感峰值电流模式下的电感电流波形图，其在图(a)固定频率的时钟信号Clock和图(b)电感峰值电流信号Ipeak的调制下生成。图(b)和图(c)代表不同输入电源Vin1和Vin2下的电感电流波形。电感电流上升斜率k1＝(Vin1-Vout)/L、k3＝(Vin2-Vout)/L、电感电流下降斜率k2＝Vout/L。其中Vout为电源转换器的输出电压，L为电感值。电感电流上升时间Ton1由输入电源与输出电源差(Vin1-Vout)、电感值L和电感峰值电流Ipeak决定，电感电流上升时间Ton2由输入电源与输出电源差(Vin2-Vout)、电感值L和电感峰值电流Ipeak决定，电感电流下降时间Toff由输出电源Vout、电感值L和电感峰值电流Ipeak决定。因此对于同一DC/DC BUCK转换器，不同的输出电源电压对应不同的电感电流上升时间和相同的电感电流下降时间。死区时间Tdt1由固定频率的时钟信号Clock周期、电感电流上升时间Ton1和电感电流下降时间Toff决定，死区时间Tdt2由固定频率的时钟信号Clock周期、电感电流上升时间Ton2和电感电流下降时间Toff决定，由于开关频率周期固定，因此不同的输入电源电压对应不同的死区时间。处于稳态的DC/DC BUCK转换器，一个周期内电感电流的平均值等于负载电流，因此图2中对于相同的电感峰值电流Ipeak，图(b)和图(c)负载能力不同，死区时间越小，负载能力越大。也就是说，对于DC/DCBUCK转换器，PFM断续模式固定电感峰值电流时，不同的输入电压对应不同的负载能力，并且最大负载能力小于二分之一电感峰值电流。

但是，对于PFM-PWM混合调制方式，特别是PFM-PWM自动切换的混合调制方式，开关电源在PFM模式下的负载能力非常关键，否则开关电源在轻负载下就必须自动切换到PWM模式，从而导致开关电源的转换效率下降。增强开关电源在PFM调制模式下负载能力的常规做法是通过增大电感峰值电流实现，但轻负载下电感峰值电流的增加会导致器件导通损耗增大，从而牺牲开关电源的转换效率。