开关电源的控制方法、控制电路及开关电源与流程

1.本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及开关电源的控制方法、控制电路及开关电源。


背景技术：

2.在当前开关电源的电路控制中，通过控制开关电路中主功率开关管的导通、关断来控制输出电压。开关电路包括buck(降压)电路、boost(升压)电路等电路结构。例如，图1为一种buck(降压)电路的电路结构示意图，如图1所示，所述buck电路包括第一开关管m00、第二开关管d00和电感l00，其中，第一开关管m00为主功率mos管，第二开关管d00为续流二极管，vin为buck电路的输入电压，vout为buck电路的输出电压，通过采样电感电流，将采样的信号与电感电流的限值信号进行比较以产生驱动信号，驱动信号对第一开关管m00进行开通关断控制，以调整输出电压为合适的电压值。
3.通常开关电路的工作模式包括连续工作模式、断续工作模式和临界工作模式，一般情况下，当开关电路的负载为重载情况下，开关电路工作于连续工作模式，开关电源的负载为轻载的情况下，开关电路工作于断续工作模式，但是，在开关电源的负载大小从重载向轻载切换的过程中，开关电源从连续工作模式进入到断续工作模式，如果保持电感电流的最大限值和最小限值的差值不变，则导致输出电压有很大的纹波。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关电源的控制方法、控制电路及开关电源，用以解决现有技术存在的负载切换造成输出电压纹波较大的技术问题。
5.本发明的技术解决方案是，提供一种开关电源的控制方法，所述开关电源包括主功率开关管和电感，包括步骤：
6.根据所述开关电源的工作模式以及所述主功率开关管的开关信号，获得限值调整信号；
7.接收所述限值调整信号，根据所述开关电源的输出电压反馈信号和基准电压信号获得第一补偿信号，并根据所述第一补偿信号和所述限值调整信号获得电感电流的限值；
8.采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号产生所述开关信号，所述开关信号用以控制所述主功率开关管的开通和关断。
9.进一步地，所述电感电流的限值包括上限值和下限值，所述限值调整信号为所述上限值和下限值的差值大小，根据所述限值调整信号调整所述上限值和/或下限值。
10.进一步地，包括步骤：根据预定参数判断所述开关电源的工作模式，产生模式判别信号，所述预定参数为所述开关信号或所述第一补偿信号；
11.根据所述主功率开关管的开关信号和预定时间信号获得第一控制信号，所述第一控制信号用以控制对第一电容的充放电，以获得第一电流信号；
12.接收所述第一电流信号和所述模式判别信号，以根据开关电源的工作模式输出所述限值调整信号。
13.进一步地，包括步骤：接收所述模式判别信号，当判断所述开关电源在第一工作模式时，将所述第一电流信号作为具有第一电流值的限值调整信号，当所述开关电源在第二工作模式时，将所述第一电流值的限值调整信号进行降低以获得具有第二电流值的限值调整信号。
14.进一步地，包括步骤：接收所述模式判别信号，以获得与所述模式判别信号相关联的第一系数，
15.将所述第一系数与所述第一电流信号相乘获得所述限值调整信号。
16.进一步地，包括步骤：
17.接收所述模式判别信号，当所述开关电源工作在连续工作模式时，则第一系数的值为第一阈值，当所述开关电源进入到断续工作模式时，则第一系数的值随着所述开关电源的负载大小从第一阈值开始单调下降，直至降到第二阈值。
18.进一步地，包括步骤：接收表征所述开关电源输入电压和/或输出电压的采样信号，以获得与所述采样信号成比例关系的第二系数，
19.将所述第二系数与所述限值调整信号相乘获得第二限值调整信号，所述第二限值调整信号作为最终的限值调整信号输出。
20.进一步地，根据所述主功率开关管的开关信号获得一个开关周期对应时间，所述开关周期对应时间和预定时间信号比较获得第一控制信号；
21.所述第一控制信号用以控制对第一电容的充放电，以获得第一电压信号；所述第一电压信号经过电压电流转换获得所述第一电流信号。
22.第二方面，提供一种开关电源的控制电路，所述开关电源包括主功率开关管和电感，包括：
23.限值调整电路，根据所述开关电源的工作模式以及所述主功率开关管的开关信号，获得限值调整信号；
24.电感电流限值电路，接收所述限值调整信号，所述电感电流限值电路根据所述开关电源的输出电压反馈信号和基准电压信号获得第一补偿信号，并根据所述第一补偿信号和所述限值调整信号获得电感电流的限值；
25.驱动控制电路，采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号，产生所述开关信号，所述开关信号用以控制所述主功率开关管的开通和关断。
26.进一步地，所述限值调整电路包括计时电路和调整电路，所述计时电路接收所述开关信号和预定时间信号，所述计时电路根据开关信号获得开关周期，并根据所述开关周期的时间与预定时间信号的差值产生第一控制信号；
27.所述调整电路接收所述第一控制信号和表征所述开关电源工作模式的模式判别信号，以产生所述限值调整信号。
28.进一步地，所述调整电路包括模式判别电路、充放电电路和电流调整电路，所述模式判别电路接收所述开关电源的预定参数，以根据预定参数判断所述开关电源的工作模式，产生所述模式判别信号，所述预定参数为所述开关信号或所述第一补偿信号；
29.所述充放电电路接收所述第一控制信号，所述第一控制信号用以控制对第一电容的充放电，以获得第一电流信号；
30.所述电流调整电路接收所述第一电流信号和所述模式判别信号，以根据开关电源的工作模式输出所述限值调整信号。
31.进一步地，所述电流调整电路接收所述模式判别信号，当判断所述开关电源在第一工作模式时，将所述第一电流信号作为具有第一电流值的限值调整信号，当所述开关电源在第二工作模式时，将具有第一电流值的限值调整信号进行降低以获得具有第二电流值的限值调整信号。
32.进一步地，所述电流调整电路接收所述模式判别信号，以获得与所述模式判别信号相关联的第一系数，所述电流调整电路将所述第一系数与所述第一电流信号相乘获得所述限值调整信号，其中，当所述开关电源工作在连续工作模式时，则第一系数的值为第一阈值，当所述开关电源进入到断续工作模式时，则第一系数的值随着所述开关电源的负载大小从第一阈值开始单调下降，直至降到第二阈值。
33.进一步地，所述电流调整电路接收表征所述开关电源输入电压和/或输出电压的采样信号，以获得与所述输入采样信号成比例关系的第二系数，
34.所述电流调整电路将所述第二系数与所述限值调整信号相乘获得第二限值调整信号，所述第二限值调整信号作为所述所述电流调整电路的最终输出信号传输给所述电感电路限值电路。
35.第三方面，提供一种开关电源，所述开关电源包括主功率开关管和电感，所述开关电路通过所述主功率开关管的开通与关断将输入电压调整为预期的输出电压，所述开关电源包括上述的控制电路，所述控制电路产生开关信号以控制所述主功率开关管的开通和关断。
36.采用本发明的开关电源电路结构，通过判断开关电源工作模式，将电感电流的限值进行调整，以使得在不同的工作模式下，电感电流的上下限值差值为不相同，以在开关电源的负载从重载向轻载切换的过程中，减小输出电压纹波。
附图说明
37.图1为现有技术中的buck电路的电路框图；
38.图2为本发明第一实施例的开关电路的控制电路的电路结构示意图；
39.图3为本发明第一实施例的限值调整电路的电路结构示意图；
40.图4为依据为依据图2和图3的工作波形图；
41.图5为本发明第二实施例的限值调整电路的电路结构示意图；
42.图6为本发明第三实施例的限值调整电路的电路结构示意图。
具体实施方式
43.以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
44.为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
45.在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
46.如图2所示为本发明第一实施例的开关电路的控制电路的电路结构示意图，图3为本发明的限值调整电路的具体结构示意图。图2中功率级电路以buck拓扑为例，所述功率级电路包括主功率开关管，如图2中m00为主功率开关管，所述buck开关电源包括主功率开关管m00、第二开关管d00和电感l00，输入电压记为vin，输出电压记为vout，控制电路包括限值调整电路10、电感电流限值电路20和驱动控制电路30，控制电路产生开关信号用以控制主功率开关管m00的开通和关断，所述buck开关电源通过所述主功率开关管的开通与关断将输入电压调整为预期的输出电压。
47.参考图3，在一实施例中，限值调整电路10接收开关信号t和表征所述开关电源工作模式的模式判别信号，以获得限值调整信号
△
i。具体地，所述限值调整电路包括计时电路和调整电路，所述计时电路接收所述开关信号t和预定时间信号，所述计时电路根据所述开关信号t获得开关周期对应时间，并根据所述开关周期对应时间与预定时间信号的差值产生第一控制信号(如vk1、vk2)，所述预定时间信号表征期望的开关周期时间。
48.具体地，在一实施例中，所述调整电路包括模式判别电路、充放电电路和电流调整电路，所述模式判别电路接收所述开关电源的预定参数，以根据预定参数判断所述开关电源的工作模式，产生所述模式判别信号vm，所述预定参数为所述开关信号t或所述第一补偿信号vc，这里，根据开关电源的工作原理，当系统工作在不同的工作模式下，则所述开关信号t的占空比或所述第一补偿信号vc的大小是不相同的，例如，当系统工作在连续工作模式下，开关信号的占空比较大，当系统工作在断续工作模式下，开关信号的占空比较小，或者是，当系统工作在连续工作模式下，开关信号的第一补偿信号较大，当系统工作在断续工作模式下，开关信号的第一补偿信号较小，因此，通过对开关信号t占空比或所述第一补偿信号vc的大小分析，可对应获得当前开关电源的工作模式。所述充放电电路接收所述第一控制信号vk1或vk2，所述第一控制信号用以控制对第一电容的充放电，以获得第一电流信号；如图3所示，充放电电路通过两个电流源对第一电容c40的充放电，获得第一电容电压信号v3，然后通过第二电压转电流电路u03，获得第一电流信号
△
i。所述电流调整电路接收所述第一电流信号
△
i和所述模式判别信号vm，以根据开关电源的工作模式输出所述限值调整信号。在图3所示的实施例中，所述电流调整电路接收所述模式判别信号，当所述开关电源在第一工作模式时，如连续工作模式时，将所述第一电流信号作为所述第一电流值的限值调整信号
△
i，当所述开关电源在第二工作模式时，如断续工作模式时，将所述第一电流值的限值调整信号进行降低以获得所述第二电流值的限值调整信号，例如，所述第二电流值的限值调整信号降低为1/2*
△
i。
49.一个实施例中，所述电感电流限值电路20包括误差补偿电路和电流限值电路，所述误差补偿电路根据表征输出电压信息的输出电压反馈信号fb和基准电压信号vref1获得第一补偿信号vc；所述电流限值电路根据所述第一补偿信号vc和限值调整信号获得电感电流的限值，所述电感电流的限值包括上限值和下限值，如上限值im和下限值il，所述限值调整信号
△
i为所述上限值和下限值之间的差值，所述电感电流限值电路根据所述限值调整信号
△
i调整所述上限值和/或下限值，以调整主功率开关管的开关时间，如图2所示，第一
补偿信号vc可通过比较器u00和第一电压转电流电路u01获得。需要说明的是，本实施例中限值信号以电流信号为例进行说明，但不限于此，也可以用电压信号进行表征。
50.驱动控制电路30包括电感电流控制电路u04和驱动电路u05，电感电流控制电路u04采样所述开关电路的电感电流信息获得电流采样信号，根据所述电感电流的限值和所述电流采样信号，产生所述开关信号t，所述开关信号经过驱动电路u05驱动后用以控制所述主功率开关管的开通和关断。这里，电感电流控制电路可以为比较电路实现，但不限于此。
51.参考图4，为依据图2和图3的工作波形图，通过上述的控制方案，ilm为电感电流，
△
i为上限值和下限值差值，阴影部分为一个开关周期中电感电流和输出电流的差值对输出电容的充电电荷，因此该阴影部分可表征输出电压的波动情况。通过在不同的工作模式下，设置不同的上下限值的差值，如在连续工作模式ccm下，上限值和下限值差值为
△
i，在断续工作模式dcm下，上限值和下限值差值为1/2*
△
i，如此，则在ccm和dcm模式下，阴影部门的面积差别不大，在负载切换过程中，则输出电压的波动较小。
52.图5为本发明第二实施例的限值调整电路的电路结构示意图，本实施例中的电感电流限值电路和驱动控制电路与第一实施例中的电路结构相同，所不同的是，所述电流调整电路包括第一系数电路，第一系数电路接收所述模式判别信号，以获得与所述模式判别信号相关联的第一系数k1，优选地，当所述开关电源工作在连续工作模式时，则第一系数的值为第一阈值，当所述开关电源进入到断续工作模式时，则第一系数的值随着所述开关电源的负载大小从第一阈值开始单调下降，直至降到第二阈值。这里，第一阈值可设置为归一化1，则所述开关电源进入到断续工作模式时，则第一系数的值随着所述开关电源的负载大小从1开始单调下降，这里，由于负载大小的不同，所需功率不同，例如负载越小，则开关电源进入到断续工作模式越深，此时，第一系数则越小，以满足纹波要求，这里，单调下降可以为线性下降或其他单调下降方式。之后，所述电流调整电路将所述第一系数k1与所述第一电流信号
△
i相乘获得所述限值调整信号k1*
△
i。
53.本实施例中，通过更为精确的渐变过程，使得开关电源系统随着模式的逐渐切换精确控制限值调整信号的变化，控制精度高，准确。
54.可以理解的是，在图4和图5的实施例以ccm转换到dcm为例，当开关电源从dcm转到到ccm的过程中，限值调整电路也可以根据当前模式反向切换限值调整信号的大小，调整大小的方式与上述相同。
55.图6为本发明第三实施例的开关电路的控制电路的电路结构示意图，本实施例中的电感电流限值电路和驱动控制电路与第一实施例中的电路结构相同，所不同的是，所述电流调整电路包括第二系数电路，所述第二系数电路接收表征所述开关电源输入电压和/或输出电压的采样信号，以获得与所述采样信号成比例关系的第二系数k2，如k2＝(vin-vo)/vin，第二系数还可以单独与输入电压或输出电压成比例关系，所述电流调整电路将所述第二系数与所述限值调整信号相乘获得第二限值调整信号作为所述电流调整电路的输出信号传输给所述电感电路限值电路。这里，第二系数k2可以与第一实施例或第二实施例相结合，如k2*1/2*
△
i或者是k2*k1*
△
i，将相乘后的信号作为电流调整电路的最终输出信号传输给所述电感电路限值电路。
56.本实施例中，由于在输入电压vin或输出电压vo跳变时，限值调整信号
△
i调整到
稳定有一个过程，在该过程中，系统的工作频率也有一个调整的过程，通过本实施例的将输入电压vin或输出电压与第二系数相关联，这样输入电压的变化可以通过限值调整信号
△
i体现到控制环路中，从而维持系统的工作频率在调整过程中的稳定。
57.以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。