[发明专利]一种提高开关电源动态响应的控制方法

摘要

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。

主权项

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；如果逻辑单元上周期输出为HTL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/峰值电流或DHTL/峰值电流信息，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/峰值电流或DHTL/峰值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模块根据误差模块的输出误差进行PID运算，PID运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制；当模式控制模块在跳出动态模式进入正常工作模式的第二个开关周期以及以后，PI_ctrl开启PID模块进行运算，PID模块根据误差模块的输出误差进行PID运算，运算结果VPI反馈给模式控制模块进行正常工作模式中的模式选择与控制，在正常工作模式中，PWM模块接收PID输出的补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式，该控制模式记为mode_ctrl，通过计算得到开关周期与占空比/峰值电流信息，PWM模块此时根据该开关周期与占空比信号产生占空比波形；PID模块输入为误差计算模块输出的误差信号e1、模式控制模块输出的控制信号PI_ctrl以及赋值VPI0，动态模式时，PID模块关闭，动态模式切换到正常工作模式的第一个开关周期时，首先对PID模块运算赋初值VPI0，然后进PID运算，补偿计算结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块，之后正常工作模式的每个周期进PID运算，补偿结果VPI输出给模式控制模块和PWM模块；PWM模块的输入为模式控制模块输出的PI_ctrl控制信号、LTH与HTL模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH或DHTL、模式控制模块在正常工作模式时的控制模式结果mode_ctrl以及PID模块的补偿结果VPI；在动态模式时PWM模块通过LTH与HTL模式的开关周期Ts_LTH或Ts_HTL与占空比DLTH/峰值电流或DHTL/峰值电流信息得到动态模式的开关周期与占空比的信息；在正常工作模式时PWM模块通过PID模块补偿结果VPI与模式控制模块给出的正常工作模式的控制模式mode_ctrl信号计算得到正常控制时开关周期与占空比的信息，得到周期与占空比/峰值电流信息后，通过驱动电路输出占空比波形，对开关电源功率管的栅极实现环路控制；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，从而获得更高的动态响应。