[发明专利]一种用于多模式数字开关电源的控制环路系统

说明书

技术领域

本发明涉及数字开关电源，尤其涉及一种用于多模式数字开关电源的控制环路系统。 

背景技术

随着数字技术的发展，数字电源由于其自身的优点，越来越受到重视，在AC-DC和DC-DC开关电源中，越来越多的控制系统采用数字方式实现，但是随着全球能源紧缺，美国六级能效标准对电源转换效率的要求越来越高，现在实现一个全负载范围内都能高效率的开关电源已经迫在眉睫。在轻载时，开关损耗占了整个系统能量损耗的绝大部分，此时减少开关损耗的直接方法就是减小开关频率，基于这样的考虑，现在很多数字电源都采用了多模式的控制方案。在重载时，系统采用PWM控制方案，在此种模式下系统固定开关频率，来调节占空比，在轻载时系统采用PFM控制方案，此时系统固定开关导通时间，来调节开关频率，在PFM模式下，极轻载时开关频率可以降得很小。 

实现一个高性能的数字多模式开关电源必然要面对下面几个问题： 

1、如何在PFM模式下准确调整开关频率？ 

2、如何实现PWM模式和PFM模式之间平滑的切换？ 

针对问题1现在已经有了一些研究方案，在一种方案里提出了一种离散调频来实现PFM的一种控制方式，假设PWM模式的开关频率为f_sw,随着负载的减小系统将进入PFM工作模式，在PFM调试模式，系统将开关频率分为等离散值，这样在恒压模式下这些开关频率点就分别对应不同的负载点，当输出电压偏大时开关频率调到下一个小的频率点，输出电压偏小时开关频率调到上一个大的频率点，在特定的负载下，稳态时系统将在相邻的频率点之间进行来回的跳变，从而使得输出电压稳定。应用这样的实现方式能够有效实现PFM模式控制，提高了轻载下的电源转换效率，但是由于频率点之间是离散的关系，系统的动态响应会比较差，同时会导致输出电压的纹波会比较大。还有另一种研究方案，在该方案里系统根据输出电压的误差来产生一个调频信号，这个调频信号是以一个脉宽的形式输进快单元和慢单元，经过一段时间后慢单元会追赶上快单元，利用追赶时间来调整频率。但是如果调频信号的脉宽设置和快慢单元的追赶延迟不好控制，如果设置不好很可能导致系统崩溃。 

针对问题2现在也有了一定的研究，图1展示了一种用于开关电源转换器的传统控制方案。在这一控制方案中，针对操作模式之间的转变引入了迟滞。换句话说，一旦电源转换器进入一种操作模式，其就必须等待控制回路稳定下来才能退出该操作模式。引入迟滞 以后，控制电压必须达到迟滞上线负载所对应的控制电压水平，才能调到下一个模式，如图中所示，在PWM模式下，开关电源的输出负载必须降低到负载A点才能切换到PFM模式，在PFM模式下开关电源转换器的负载将必须增加负载B点才能切换到PWM模式，作为结果，能够减小由操作模式之间的转变引起的输出电压纹波。但是在这个方案里迟滞的范围不好控制，范围过小可能起不到作用，范围过大时，则在操作模式之间的转变期间可能出现输出电压过冲或下冲，这是因为滞后可能迫使一种操作模式下的控制电压变得高于或低于另一操作模式下的控制电压，从而在转变到新的操作模式之后导致控制电压的阶跃函数。图2展示了另一种模式切换方案，在该方案里它把PWM模式和PFM模式被分隔成两个独立的控制区段，其中独立地确定每个控制区段中的控制电压范围并且清楚地限定每个控制区段的边界。PWM调制模式和PFM调制模式中的每个不能超出其边界连续地操作，从而在两个控制区段之间形成控制间隙。在该控制间隙内不允许连续操作。为了对控制间隙内的负载条件进行供给，电源在控制间隙的两个边界处操作。例如当负载大于M水平时它将一直工作在PWM模式下，当负载小于N点时，它将一直工作在PFM模式。当负载介于M和N之间时，系统将在两个模式之间来回切换，切换的条件就是输出电压大于或小于设定的界限，但是此种方案并没有消除两种模式之间的来回跳变，输出电压还是具有一定的波动。 

发明内容

为克服现有技术的局限和不足，本发明提供一种用于多模式数字开关电源的控制系统，能够实现模式之间的平滑切换。