一种脉冲宽度调制开关电源及其供电控制方法

专利名称：一种脉冲宽度调制开关电源及其供电控制方法
技术领域：
本发明涉及开关电源技术领域，特别是一种脉冲宽度调制开关电源及其供电控制
方法。
背景技术：
随着芯片制造工艺的发展，越来越多的开关电源使用P丽(Pulse
WideModulation，脉冲宽度调制)来实现。 使用P丽实现的开关电源如图1所示，包括 P丽控制器，生成第一 P丽信号和与所述第一 P丽信号反相的第二 P丽信号；
第一M0SFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属 氧化物半导体场效应晶体管)和第二 M0SFET，所述第一 MOSFET和第二 M0SFET的栅极分别 接收所述第一 P丽信号和第二 P丽信号，且所述第一 MOSFET的第一端子与电源输入端子连 接，所述第二MOSFET的第二端子与接地端子连接，所述第一MOSFET的第二端子与所述第二 MOSFET的第一端子连接； 电感，一端与电源输出端口 VOUT连接，另一端连接所述第一MOSFET的第二端子和 所述第二 MOSFET的第一端子； 电容，一端接地，另一端连接到所述电感和所述电源输出端口 VOUT之间的通道 上； 然而，在负载较大时，图1所示的开关电源具有负载区域的传导损耗较大的缺陷， 因此，对于负载较大的开关电源，为了降低上述开关电源的传导损耗，在图l所示的P丽开 关电源的基础上增加一组MOSFET，如图2所示。 相对于图1而言，图2的P丽开关电源中还包括分别与第一MOSFET和第二MOSFET 并联的第三MOSFET和第四MOSFET，其中所述第三MOSFET和第四MOSFET的栅极分别接收所述第一 P丽信号和第二 P丽信 号，且所述第一MOSFET的第一端子与电源输入端子连接，所述第二MOSFET的第二端子与接 地端子连接，所述第一 MOSFET的第二端子与所述第二 MOSFET的第一端子连接；
所述电感的另一端还连接到所述第三MOSFET的第二端子和所述第四MOSFET的第
一端子。 在上述的说明中，第一 MOSFET的第一端子有可能是源极，也有可能是漏极，而第 二 MOSFET的第一端子有可能是源极，也有可能是漏极，这和MOSFET的沟道类型相关，这一 点为本领域技术人员所熟知，在此不详细描述。 发明人在实现本发明实施例的过程中发现，现有技术的P丽开关电源至少存在以 下缺点 P丽开关电源在高负载的情况下，MOSEFT并联方式的P丽开关电源，会导致寄生电 容的增加，加大开关能量损耗，但由于传导能量损耗占主导地位，而MOSEFT并联方式的P丽 开关电源能有效降低传导能量损耗，所以能够提高电源效率，然而，相对于低负载而言，P丽开关电源的能量损耗中，开关能量损耗占主导地位，此时M0SEFT并联方式的P丽开关电源
虽然降低了传导能量损耗，但加大了开关能量损耗，而由于开关能量损耗处于主导地位，所
以MOSEFT并联方式的P丽开关电源在低负载情况下，电源效率较低。 而采用单一 MOSFET的P丽开关电源在高负载的情况下电源效率较低。 然而，一般情况下，一旦开关电源完成设计，线路结构就固定了，但电源负载是不
停变化的，所以现有的P丽开关电源的电源效率只是一个局部优化，没有实现全局优化。

发明内容
本发明实施例的目的是提供一种脉冲宽度调制开关电源及其供电控制方法，提高 P丽开关电源的整体电源效率。 为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种脉冲宽度调制开关电源，包括 脉宽调制P丽控制器，用于生成第一 P丽信号和与所述第一 PWM信号反相的第二
P丽信号，并输出所述第一P丽信号和第二P丽信号； 金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET组，所述MOSFET组包括第一 MOSFET和第 二MOSFET，所述第一 MOSFET的栅极用于接收所述第一 P丽信号，所述第二 MOSFET的栅极用 于接收所述第二P丽信号； 电感，一端与电源输出端口连接，另一端与所述第一 MOSFET和第二 MOSFET连接；
电容，一端接地，另一端连接到所述电感和所述电源输出端口之间的通道上；
所述MOSFET组还包括至少一个被控MOSFET，每个所述至少一个被控MOSFET与所 述第一 MOSFET或第二 MOSFET并联； 所述脉冲宽度调制开关电源还包括状态控制模块，所述状态控制模块用于根据控 制参数控制所述至少一个被控MOSFET的工作状态，使所述MOSFET组从第一工作状态改变 为第二工作状态，在所述第二工作状态下，所述MOSFET组的总功率损耗小于所述第一工作 状态下所述MOSFET组的总功率损耗。 上述的脉冲宽度调制开关电源，其中，所述至少一个被控MOSFET中与所述第一 MOSFET并联的MOSFET的栅极用于接收所述第一P丽信号，另外两个端子中的一个与所述电 源输入端子连接，另一个与所述电感的另一端连接。 上述的脉冲宽度调制开关电源，其中，所述至少一个被控MOSFET中与所述第二 MOSFET并联的MOSFET的栅极用于接收所述第二P丽信号，另外两个端子中的一个与所述电 感的另一端连接，另一个与接地端子连接。 上述的脉冲宽度调制开关电源，其中，所述控制参数为负载、负载电流或用户输入 控制命令。 上述的脉冲宽度调制开关电源，其中，所述状态控制模块具体包括 与所述至少一个被控MOSFET —一对应设置的状态控制开关，每个所述状态控制
开关设置于对应的MOSFET的栅极； 通断控制单元，用于根据所述控制参数控制所述状态控制开关的导通和断开。
上述的脉冲宽度调制开关电源，其中，所述控制参数为负载时，所述通断控制单元 具体包括 第一获取单元，用于根据预先保存的负载与总功率损耗之间的对应关系，获取所
5述M0SFET组处于所述第一工作状态时，当前负载对应的当前总功率损耗；
第一选择单元，用于从所述MOSFET组的所有可能的工作状态中，选择所述第二工 作状态，所述MOSFET组处于所述第二工作状态时，当前负载对应的总功率损耗小于所述当 前总功率损耗； 第一开关控制单元，用于控制所述状态控制开关，使所述MOSFET组的工作状态改 变为所述第二工作状态。 上述的脉冲宽度调制开关电源，其中，所述控制参数为负载电流时，所述通断控制 单元具体包括 第二获取单元，用于根据预先保存的负载电流与总功率损耗之间的对应关系，获 取所述MOSFET组处于所述第一工作状态时，当前负载电流对应的当前总功率损耗；
第二选择单元，用于所述MOSFET组的所有可能的工作状态中，选择所述第二工作 状态，所述MOSFET组处于所述第二工作状态时，当前负载电流对应的总功率损耗小于所述 当前总功率损耗； 第二开关控制单元，用于控制所述状态控制开关，使所述MOSFET组的工作状态改 变为所述第二工作状态。 上述的脉冲宽度调制开关电源，其中，所述MOSFET组的所有可能的工作状态中， 所述M0SFET组处于所述第二工作状态时，当前负载对应的总功率损耗最小。
上述的脉冲宽度调制开关电源，其中，所述控制参数为用户输入控制命令时，所述 通断控制单元具体包括 提取单元，提取所述用户输入控制命令中的所述M0SFET组的工作状态； 第三开关控制单元，用于控制所述状态控制开关，使所述MOSFET组的工作状态改
变为所述用户输入控制命令中的工作状态。 上述的脉冲宽度调制开关电源，其中，还包括 温度控制模块，用于在处于工作状态的MOSFET的当前温度超出预设温度阈值时， 控制与所述当前温度超出预设温度阈值的MOSFET并联，且处于关闭状态的MOSFET中的至 少一个MOSFET开启。 为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种脉冲宽度调制开关电源的供电控 制方法，所述脉冲宽度调制开关电源包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET组，所述 MOSFET组包括第一 MOSFET、第二 MOSFET和至少一个与所述第一 MOSFET或第二 MOSFET并 联的被控MOSFET，所述方法包括 根据预先保存的控制参数与总功率损耗之间的对应关系，获取所述MOSFET组在 第一工作状态下，当前控制参数对应的当前总功率损耗； 从所述MOSFET组的所有可能的工作状态中，选择第二工作状态，所述MOSFET组在 所述第二工作状态下，当前负载电流对应的总功率损耗小于所述当前总功率损耗；
控制所述MOSFET组的工作状态从所述第一工作状态改变为所述第二工作状态。
上述的方法，其中，所述控制参数为负载、负载电流或用户输入控制命令。
上述的方法，其中，所述至少一个被控MOSFET —一对应设置有状态控制开关，通 过控制所述状态控制开关控制所述MOSFET组的工作状态的改变。
上述的方法，其中，还包括
在处于工作状态的M0SFET的当前温度超出预设温度阈值时，控制与所述当前温 度超出预设温度阈值的MOSFET并联，且处于关闭状态的MOSFET中的至少一个MOSFET开 启。 本发明实施例具有以下的有益效果 本发明实施例的装置和方法中，对于MOSFET为3个或以上的情况时，设置一状 态控制模块，由状态控制模块根据控制参数控制MOSFET组的工作状态的变化，从而所述 MOSFET组的总功率损耗小于所述第一工作状态下所述MOSFET组的总功率损耗，有效地提 高了电源的使用效率； 同时，由于控制模块根据外界参数的变化来进行MOSFET组的工作状态的改变，使 电源能根据负载的变化进行调整，实现了电源使用效率的全局优化； 同时，当发现在处于工作状态的MOSFET的当前温度超出预设温度阈值时，控制与 所述当前温度超出预设温度阈值的MOSFET并联，且处于关闭状态的MOSFET中的至少一个 MOSFET开启，以降低总的导通电阻，使得并联后的传导损耗(或称导通损耗)小于控制前的 传导损耗，降低器件温度，保证了器件的使用安全。


图1为现有技术中使用P丽实现的开关电源的结构示意图； 图2为现有技术中MOSEFT并联方式的P丽开关电源的结构示意图； 图3为本发明实施例一的P丽开关电源的结构示意图； 图4为本发明实施例二的P丽开关电源的结构示意图； 图5为本发明实施例三的P丽开关电源的结构示意图； 图6为本发明实施例的方法的流程示意图。
具体实施例方式
本发明实施例的脉冲宽度调制开关电源及其供电控制方法中，获取电源负载的 判断参数，并根据电源负载的判断参数控制第三MOSFET和第四MOSFET的工作状态，提高 MOSEFT并联方式的P丽开关电源的电源效率。
MOSFET中产生的损耗主要包括如下两类 MOSFET的导通电阻RDS (on)造成的传导损耗(或称导通损耗)；禾口 MOSFET导通及关断瞬间，在一定的栅源电压下，对MOSFET的极间电容进行充电和
放电造成的开关损耗(或称栅极驱动损耗)。 当然，MOSFET中还存在其他损耗，但相对导通损耗和开关损耗来讲基本可以忽略，
因此，在本发明的具体实施例中仅考虑导通损耗和开关损耗。 同时，本发明实施例中涉及到如下概念，先说明如下 MOSFET工作状态，包括两种，开启状态和关闭状态，相当于被驱动状态(栅极有驱
动信号)和无驱动状态(栅极没有驱动信号)；MOSFET组，电源中的所有MOSFET组成MOSFET组。 MOSFET组的工作状态，MOSFET组中的任意一个MOSFET的状态发生变化都会导致 MOSFET组的工作状态发生变化。
下面以不同的实施例对本发明的装置及方法分别进行详细说明。
〈实施例一 > 在实施例一中，以两个并联的MOSFET构成上管，而下管为一个MOSFET的情况进行 详细说明。 本发明实施例一的脉冲宽度调制开关电源如图3所示，包括 P丽控制器，用于生成并生成第一 P丽信号和与所述第一 P丽信号反相的第二 P丽 信号，并输出第一P丽信号和第二P丽信号；MOSFET组，包括第一 M0SFET、第二 MOSFET和第三MOSFET ; 第一MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属氧 化物半导体场效应晶体管)和第二 M0SFET，所述第一 MOSFET和第二 MOSFET的栅极分别接 收所述第一 P丽信号和第二 P丽信号(也就是第一 MOSFET的栅极用于接收所述第一 P丽 信号，第二 MOSFET的栅极用于接收所述第二 P丽信号)，且所述第一 MOSFET的第一端子与 电源输入端子连接，所述第二MOSFET的第二端子与接地端子连接，所述第一MOSFET的第二 端子与所述第二 MOSFET的第一端子连接； 电感，一端与电源输出端口 VOUT连接，另一端与所述第一MOSFET的第二端子和所 述第二 MOSFET的第一端子连接； 电容，一端接地，另一端连接到所述电感和所述电源输出端口 VOUT之间的通道 上； 第三MOSFET，所述第三MOSFET的栅极接收所述第一 PWM信号，且所述第三MOSFET 的第一端子与电源输入端子连接，所述第三MOSFET的第二端子与所述电感的另一端连接；
第一状态控制模块，用于根据控制参数控制所述第三MOSFET的工作状态；
所述第三MOSFET被所述第一控制模块控制，从第一工作状态变化到第二工作状 态，所述第三MOSFET处于第一工作状态时，所述MOSFET组(包括第一 M0SFET、第二 MOSFET 和第三MOSFET)具有第一总功率损耗，所述第三MOSFET处于第二工作状态时，所述MOSFET 组(包括第一 M0SFET、第二 MOSFET和第三MOSFET具有小于所述第一总功率损耗的第二总 功率损耗。 正如背景技术中所描述的，在此，组成MOSFET组的3个MOSFET的第一端子有可能 是相同的端子，如都是漏极、源极，也可能不同，与MOSFET的选型有关。
其中MOSFET的工作状态就包括两种工作状态和停止状态。
本发明第一实施例的第一控制模块可以通过如下方式实现。
第一控制模块包括 第一开关，设置于所述第三MOSFET的栅极； 第一通断控制单元，用于根据控制参数控制所述第三开关的通断。 同时，在本发明的具体实施例一中，需要控制所述第三MOSFET的工作状态，以降
低所有MOSFET的总功率损耗，在具体实施例一中可以通过如下的方式来实现〈方式一，根据负载情况进行控制> 对于方式一，该控制参数为当前负载。 —旦MOSFET的选型确定后，对于实施例一的情况，其中，对于电源的所有MOSFET 而言，MOSFET组的工作状态包括两种情形，如下
状态Al，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于开启状态；禾口
状态A2，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于关闭状态。
首先离线测试并保存状态A1和状态A2下，所有MOSFET的总功率损耗与负载之间 的关系曲线。 在实际控制时，第一通断控制单元获取当前负载，根据总功率损耗与负载之间的
关系曲线，分别得到MOSFET组的状态Al对应的当前总功率损耗All和MOSFET组的状态A2
对应的当前总功率损耗A21，此时，第一控制单元的控制动作如下所述 假定MOSFET组状态Al，此时，如果总功率损耗All小于或等于当前总功率损耗
A21，则保持不变，否则控制MOSFET组处于状态A2，即控制第一开关断开。 假定MOSFET组状态A2，此时，如果总功率损耗All小于或等于当前总功率损耗
A21 ，则控制MOSFET组处于状态Al，即控制第一开关开启，否则保持不变。〈方式二，根据外部电流进行控制> —旦MOSFET的选型确定后，对于实施例一的情况，其中，对于电源整体而言， MOSFET组的工作状态包括两种情形，如下状态Al ，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于开启状态；禾口
状态A2，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于关闭状态。
首先离线测试并保存状态A1和状态A2下，所有MOSFET的总功率损耗与负载电流 之间的关系曲线。 在实际控制时，第一通断控制单元获取当前负载电流，根据总功率损耗与负载电
流之间的关系曲线，分别得到MOSFET组的状态Al对应的当前总功率损耗All和MOSFET组
的状态A2对应的当前总功率损耗A21，此时，第一控制单元的控制动作如下所述 假定MOSFET组处于状态Al，此时，如果总功率损耗All小于或等于当前总功率损
耗A21，则保持不变，否则控制MOSFET组处于状态A2，即控制第一开关断开。 假定MOSFET组处于状态A2，此时，如果总功率损耗All小于或等于当前总功率损
耗A21 ，则控制MOSFET组处于状态Al，即控制第一开关开启，否则保持不变。 在上述的方式一和方式二的控制下，确实可以降低总功率损耗，然而MOSFET的导
通电阻RDS(on)造成的传导损耗(或称导通损耗)会导致MOSFET的温度升高，每个MOSFET
都有其最高能够承受的温度，因此，本发明实施例的工作状态切换同时还需要兼顾温度，因
此，该第一控制模块还包括 第一温度控制单元，在所述第一 MOSFET的当前温度超出预设温度阈值时，且所述 第一开关没有导通时，控制所述第一开关导通。 通过上述的控制，由于第一 MOSFET的当前温度超出预设温度阈值，此时，控制第 一开关导通，此时第一 MOSFET和第三MOSFET共同工作，第一 MOSFET和第三MOSFET并联， 总的导通电阻RDS(on)小于第一MOSFET的导通电阻，所以并联后的传导损耗(或称导通损 耗)必然小于控制前的传导损耗，也就会使得温度降低。
〈方式三，根据用户输入指令控制> —旦MOSFET的选型确定后，对于实施例一的情况，其中，对于电源整体而言， MOSFET组的工作状态包括两种情形，如下状态Al ，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于开启状态；禾口
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状态A2，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于关闭状态。
此时，根据用户的外部输入指令可以控制状态之间的转换，即提取用户输入指令 中的MOSFET组工作状态，并控制开关，使MOSFET组处于指令中的MOSFET组工作状态。
〈实施例二〉 在实施例二中，以两个并联的MOSFET构成上管，两个并联的MOSFET构成下管的情 况进行详细说明。 本发明实施例二的脉冲宽度调制开关电源如图4所示，包括 P丽控制器，用于生成并生成第一 P丽信号和与所述第一 P丽信号反相的第二 P丽
信号，并输出第一P丽信号和第二P丽信号； M0SFET组，包括第一 M0SFET、第二 M0SFET、第三M0SFET和第四MOSFET ;
第一 MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属 氧化物半导体场效应晶体管)和第二 M0SFET，所述第一 MOSFET和第二 MOSFET的栅极分别 接收所述第一 P丽信号和第二 P丽信号，且所述第一 MOSFET的第一端子与电源输入端子连 接，所述第二MOSFET的第二端子与接地端子连接，所述第一MOSFET的第二端子与所述第二 MOSFET的第一端子连接； 电感，一端与电源输出端口 VOUT连接，另一端与所述第一MOSFET的第二端子和所 述第二 MOSFET的第一端子连接； 电容，一端接地，另一端连接到所述电感和所述电源输出端口 VOUT之间的通道 上； 第三MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属 氧化物半导体场效应晶体管)和第四MOSFET，所述第三MOSFET和第四MOSFET的栅极分别 接收所述第一 P丽信号和第二 P丽信号，且所述第三MOSFET的第一端子与电源输入端子连 接，所述第四MOSFET的第二端子与接地端子连接，所述第三MOSFET的第二端子与所述第四 MOSFET的第一端子连接； 第二状态控制模块，用于根据控制参数控制所述第三MOSFET和第四MOSFET中的 至少一个的工作状态； 所述第三MOSFET和第四MOSFET中的至少一个的工作状态被所述第一控制模块控
制，工作状态变化之前，所有MOSFET具有第三总功率损耗，工作状态变化之后，所有MOSFET
具有小于所述第三总功率损耗的第四总功率损耗。 其中MOSFET的工作状态就包括两种工作状态和停止状态。 本发明第二实施例的第二状态控制模块可以通过如下方式实现。 第二状态控制模块包括 第二开关，设置于所述第三MOSFET的栅极； 第三开关，设置于所述第四MOSFET的栅极； 第二通断控制单元，用于根据控制参数控制所述第三开关和第四开关的通断。
同时，在本发明的具体实施例耳中，需要控制所述第三MOSFET和第四MOSFET的 工作状态，以降低所有MOSFET的总功率损耗，在具体实施例二中可以通过如下的方式来实 现〈方式一，根据负载情况进行控制>
对于方式一，该控制参数为当前负载。 —旦M0SFET的选型确定后，对于实施例二的情况，其中，MOSFET组的工作状态包 括两种工作情形，如下 状态Bl，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET和第四MOSFET处于开 启状态； 状态B2，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于开启状态，第四 MOSFET处于关闭状态； 状态B3，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于关闭状态，第四 MOSFET处于开启状态； 状态B4，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET和第四MOSFET处于关 闭状态。 首先离线测试并保存状态B1、B2、B3和B4下，所有MOSFET的总功率损耗与负载之 间的关系曲线。 在实际控制时，第二通断控制单元获取当前负载，根据总功率损耗与负载之间的 关系曲线，分别得到状态B1 、 B2 、 B3和B4对应的总功率损耗B11 、 B21 、 B31和B41 ，此时，第 二通断控制单元的控制动作如下所述 首先，获取MOSFET组的当前工作状态下的当前总功率损耗；
从B11、B21、B31和B41中选择小于当前总功率损耗的值； 将MOSFET组的工作状态控制为选择的小于当前总功率损耗的值中的任意一个 所对应的MOSFET组工作状态，当然，最好的是控制电源处于选择的值中的最小值对应的 MOSFET组工作状态。 对于状态的控制，通过开关来控制，如控制第二开关和第三开关导通，使MOSFET 组处于状态Bl，控制第二开关和第三开关打开，使MOSFET组处于状态B4。
〈方式二，根据外部电流进行控制> —旦MOSFET的选型确定后，对于实施例二的情况，其中，对于电源整体而言， MOSFET组的工作状态包括两种工作情形，如下 状态Bl，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET和第四MOSFET处于开 启状态； 状态B2，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于开启状态，第四 MOSFET处于关闭状态； 状态B3，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于关闭状态，第四 MOSFET处于开启状态； 状态B4，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET和第四MOSFET处于关 闭状态。 首先离线测试并保存状态B1、B2、B3和B4下，所有MOSFET的总功率损耗与负载电 流之间的关系曲线。 在实际控制时，第二通断控制单元获取当前负载电流，根据总功率损耗与负载电 流之间的关系曲线，分别得到状态B1、B2、B3和B4对应的当前总功率损耗B11、B21、B31和 B41，此时，第二通断控制单元的控制动作如下所述
根据当前负载电流，获取MOSFET组的当前工作状态下的当前总功率损耗；
从B11、B21、B31和B41中选择小于当前总功率损耗的值； 将MOSFET组的工作状态控制为选择的小于当前总功率损耗的值中的任意一个 所对应的MOSFET组工作状态，当然，最好的是控制电源处于选择的值中的最小值对应的 MOSFET组工作状态。 对于MOSFET组工作状态的控制，通过开关来控制，如控制第二开关和第三开关导 通，使MOSFET组处于状态Bl，控制第二开关和第三开关打开，使MOSFET组处于状态B4。
在上述的方式一和方式二的控制下，其实时进行查表处理，确认状态的控制、切 换，当然也可以根据所有MOSFET组工作状态B1、B2、B3和B4下，总功率损耗与控制参数之 间的关系曲线，得到每个控制参数下总功率损耗最小的MOSFET组工作状态，然后，获取当 前控制参数，进而获取与当前控制参数相对应的总功率损耗最小的MOSFET组工作状态即 可，与实时计算的实现原理基本相同。 在上述的方式一和方式二的控制下，确实可以降低总功率损耗，然而MOSFET的导 通电阻RDS(on)造成的传导损耗(或称导通损耗)会导致MOSFET的温度升高，每个MOSFET 都有其最高能够承受的温度，因此，本发明实施例的工作状态切换同时还需要兼顾温度，因 此，该第二状态控制模块还包括 第二温度控制单元，在所述第一 MOSFET的当前温度超出预设温度阈值时，且所述 第一开关没有导通时，控制所述第二开关导通，且在所述第二 MOSFET的当前温度超出预设 温度阈值时，且所述第三开关没有导通时，控制所述第三开关导通，。 通过上述的控制，由于第一 MOSFET的当前温度超出预设温度阈值，此时，控制第 一开关导通，此时第一 MOSFET和第三MOSFET共同工作，第一 MOSFET和第三MOSFET并联， 总的导通电阻RDS(on)小于第一MOSFET的导通电阻，所以并联后的传导损耗(或称导通损 耗)必然小于控制前的传导损耗，也就会使得温度降低，对于第二MOSFET也是同样的理由， 可以降低工作温度。〈方式三，根据用户输入指令控制> —旦MOSFET的选型确定后，对于实施例二的情况，其中，对于电源整体而言， MOSFET组的工作状态包括两种工作情形，如下 状态Bl，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET和第四MOSFET处于开 启状态； 状态B2，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于开启状态，第四 MOSFET处于关闭状态； 状态B3，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET处于关闭状态，第四 MOSFET处于开启状态； 状态B4，第一和第二 MOSFET处于开启状态，且第三MOSFET和第四MOSFET处于关 闭状态。 此时，根据用户的外部输入指令可以控制MOSFET组的工作状态的转换，以降低总 功率损耗。〈实施例三〉在实施例三中，以至少三个并联的MOSFET构成上管，至少三个并联的MOSFET构成下管的情况进行详细说明。 本发明实施例三的脉冲宽度调制开关电源如图5所示，考虑到图的简洁，图中的 FET都表示MOSFET，包括 P丽控制器，用于生成并生成第一 P丽信号和与所述第一 P丽信号反相的第二 P丽 信号，并输出第一P丽信号和第二P丽信号； MOSFET组，包括第一 M0SFET、第二 MOSFET、第一 MOSFET集合和第二 MOSFET集合；
第一 MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属 氧化物半导体场效应晶体管)和第二 M0SFET，所述第一 MOSFET和第二 MOSFET的栅极分别 接收所述第一 P丽信号和第二 P丽信号，且所述第一 MOSFET的第一端子与电源输入端子连 接，所述第二MOSFET的第二端子与接地端子连接，所述第一MOSFET的第二端子与所述第二 MOSFET的第一端子连接； 第一MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属氧 化物半导体场效应晶体管)集合，包括至少两个M0SFET，每个MOSFET的栅极接收所述第一 P丽信号，第一端子与电源输入端子连接； 第二MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属氧 化物半导体场效应晶体管)集合，包括至少两个M0SFET，每个MOSFET的栅极接收所述第二 P丽信号，第二端子与接地端子连接； 电感，一端与电源输出端口 VOUT连接，另一端与所述第一 MOSFET集合中的每个 MOSFET和第一 MOSFET的第二端子连接，且与所述第二 MOSFET集合中的每个MOSFET和第一 MOSFET的第二端子连接； 电容，一端接地，另一端连接到所述电感和所述电源输出端口 VOUT之间的通道 上； 第三状态控制模块，用于根据控制参数控制所述第一 MOSFET集合和第二 MOSFET 集合中的至少一个MOSFET的工作状态；所述第一 MOSFET集合和第二 MOSFET集合中的至少一个MOSFET的工作状态被所 述第三状态控制模块控制，工作状态变化之前，所有MOSFET具有第五总功率损耗，工作状 态变化之后，所有MOSFET具有小于所述第五总功率损耗的第六总功率损耗。
其中MOSFET的工作状态就包括两种工作状态和停止状态。
本发明第三实施例的第三状态控制模块可以通过如下方式实现。
第三状态控制模块包括 第一开关组，包括一一对应于所述第一 MOSFET集合的MOSFET的栅极设置的第四 开关； 第二开关组，包括一一对应于所述第二 MOSFET集合的MOSFET的栅极设置的第五 开关； 第三通断控制单元，用于根据控制参数控制所述第一开关组和第二开关组中的开 关的通断。 同时，在本发明的具体实施例耳中，需要控制所述第一 MOSFET集合和第二 MOSFET 集合中的MOSFET的工作状态，以降低所有MOSFET的总功率损耗，在具体实施例三中可以通 过如下的方式来实现
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〈方式一，根据负载情况进行控制>
对于方式一，该控制参数为当前负载。 —旦M0SFET的选型确定后，对于实施例一的情况，其中，对于电源整体而言，
M0SFET组的工作状态包括多种工作情形，如下 所有M0SFET的开启与关闭的组合对应的状态。 首先离线测试并保存所有状态下，M0SFET组的总功率损耗与负载之间的关系曲 线。 在实际控制时，第三通断控制单元获取当前负载，根据总功率损耗与负载之间的 关系曲线，分别得到所有MOSFET组的工作状态对应于当前负载的总功率损耗，此时，第三 通断控制单元的控制动作如下所述 根据当前负载，获取MOSFET组的当前工作状态下的当前总功率损耗； 从所有MOSFET组工作状态对应于当前负载的总功率损耗中选择小于当前总功率
损耗的值； 将MOSFET组的工作状态控制为选择的小于当前总功率损耗的值中的任意一个 所对应的MOSFET组工作状态，当然，最好的是控制电源处于选择的值中的最小值对应的 MOSFET组工作状态。 对于状态的控制，通过控制开关组中的开关来控制。
〈方式二，根据外部电流进行控制>
对于方式一，该控制参数为当前负载。 —旦M0SFET的选型确定后，对于实施例三的情况，其中，对于M0SFET组而言，包括 多种工作情形，如下 所有M0SFET的开启与关闭的组合对应的状态。 首先离线测试并保存所有M0SFET组工作状态下，M0SFET组的总功率损耗与负载 电流之间的关系曲线。 在实际控制时，第三通断控制单元获取当前负载电流，根据总功率损耗与负载电 流之间的关系曲线，分别得到所有MOSFET组工作状态对应于当前负载电流的总功率损耗， 此时，第三通断控制单元的控制动作如下所述 根据当前负载电流，获取MOSFET组的当前工作状态下的当前总功率损耗；
从所有M0SFET组工作状态对应于当前负载电流的总功率损耗中选择小于当前总 功率损耗的值； 将MOSFET组的工作状态控制为选择的小于当前总功率损耗的值中的任意一个 所对应的MOSFET组工作状态，当然，最好的是控制电源处于选择的值中的最小值对应的 MOSFET组工作状态。 对于状态的控制，通过控制开关组中的开关来控制。 在上述的方式一和方式二的控制下，确实可以降低总功率损耗，然而M0SFET的导 通电阻RDS(on)造成的传导损耗(或称导通损耗)会导致MOSFET的温度升高，每个MOSFET 都有其最高能够承受的温度，因此，本发明实施例的工作状态切换同时还需要兼顾温度，因 此，该第三状态控制模块还包括 第三温度控制单元，在当前处于工作状态的MOSFET的当前温度超出预设温度阈
14值时，控制与所述当前温度超出预设温度阈值的MOSFET并联的，且对应的开关没有开启的 M0SFET中的至少一个MOSFET处于工作状态。通过上述的控制，由于一个MOSFET的当前温度超出预设温度阈值，此时，控制一 个开关导通，此时增加了与该MOSFET共同并联工作的MOSFET的数目，因此总的导通电阻 RDS(on)减小，所以也就会使得温度降低。
〈方式三，根据用户输入指令控制> —旦MOSFET的选型确定后，对于实施例三的情况，其中，对于电源整体而言，包括 多种工作情形 所有MOSFET的开启与关闭的组合对应的状态 此时，根据用户的外部输入指令可以控制状态之间的转换，减小总的功率损耗。
在上述的实施例中，以上管和下管的MOSFET的个数为以下组合对本发明实施例 进行了说明 2个MOSFET组成上管，1个MOSFET组成下管；
2个MOSFET组成上管，2个MOSFET组成下管；
至少3个MOSFET组成上管，至少3个MOSFET组成下管。 但应当理解的是，本发明实施例方法同样适用于以下的上管和下管的组成情形
1个MOSFET组成上管，2个MOSFET组成下管。
其处理方式与前面一致，在此不进行详细说明。 本发明实施例的脉冲宽度调制开关电源的供电方法中，该脉冲宽度调制开关电 源包括MOSFET组，该MOSFET组包括第一金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、第二 MOSFET和至少一个与所述第一 MOSFET或第二 MOSFET并联的被控MOSFET，如图6所示，包 括 步骤61，根据预先保存的控制参数与总功率损耗之间的对应关系，获取MOSFET组 处于第一工作状态时，当前控制参数对应的当前总功率损耗； 步骤63，从MOSFET组的所有可能的工作状态中，选择第二工作状态，所述第二工
作状态下，当前负载电流对应的总功率损耗小于所述当前总功率损耗； 步骤63，控制MOSFET组的工作状态从所述第一工作状态改变为所述第二工作状态。 所述控制参数为负载、负载电流或用户输入控制命令。 所述至少一个被控MOSFET —一对应设置有状态控制开关，通过控制所述状态控 制开关控制所述MOSFET组的工作状态的改变。
该方法还包括 在处于工作状态的MOSFET的当前温度超出预设温度阈值时，控制与所述当前温 度超出预设温度阈值的MOSFET并联，且处于关闭状态的MOSFET中的至少一个MOSFET开 启。 当然，在上述的各种实施例中，为了避免MOSFET整体状态的频繁切换，对器件使 用造成影响，可以设置控制模块的工作频率，例如如下方式
0232] 上一次控制MOSFET整体状态切换后，必 经过预设时间才能进行第二次MOSFET 整体状态切换；或
设置一个控制参数的预设区域，在该区域内不进行M0SFET整体状态切换，选择这 样一个区域，一方面由于该区域两者效率差别不大，另一方面可以避免选择单一点进行判 断容易造成负载在判断点附近时，频繁切换使供电系统不稳定。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种脉冲宽度调制开关电源，包括脉宽调制PWM控制器，用于生成第一PWM信号和与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号，并输出所述第一PWM信号和第二PWM信号；金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET组，所述MOSFET组包括第一MOSFET和第二MOSFET，所述第一MOSFET的栅极用于接收所述第一PWM信号，所述第二MOSFET的栅极用于接收所述第二PWM信号；电感，一端与电源输出端口连接，另一端与所述第一MOSFET和第二MOSFET连接；电容，一端接地，另一端连接到所述电感和所述电源输出端口之间的通道上；其特征在于所述MOSFET组还包括至少一个被控MOSFET，每个所述至少一个被控MOSFET与所述第一MOSFET或第二MOSFET并联；所述脉冲宽度调制开关电源还包括状态控制模块，所述状态控制模块用于根据控制参数控制所述至少一个被控MOSFET的工作状态，使所述MOSFET组从第一工作状态改变为第二工作状态，在所述第二工作状态下，所述MOSFET组的总功率损耗小于所述第一工作状态下所述MOSFET组的总功率损耗。
2. 根据权利要求l所述的脉冲宽度调制开关电源，其特征在于，所述至少一个被控 MOSFET中与所述第一 MOSFET并联的MOSFET的栅极用于接收所述第一 P丽信号，另外两个 端子中的一个与所述电源输入端子连接，另一个与所述电感的另一端连接。
3. 根据权利要求2所述的脉冲宽度调制开关电源，其特征在于，所述至少一个被控 MOSFET中与所述第二 MOSFET并联的MOSFET的栅极用于接收所述第二 P丽信号，另外两个 端子中的一个与所述电感的另一端连接，另一个与接地端子连接。
4. 根据权利要求1所述的脉冲宽度调制开关电源，其特征在于，所述控制参数为负载、 负载电流或用户输入控制命令。
5. 根据权利要求4所述的脉冲宽度调制开关电源，其特征在于，所述状态控制模块具 体包括与所述至少一个被控MOSFET—一对应设置的状态控制开关，每个所述状态控制开关 设置于对应的MOSFET的栅极；通断控制单元，用于根据所述控制参数控制所述状态控制开关的导通和断开。
6. 根据权利要求5所述的脉冲宽度调制开关电源，其特征在于，所述控制参数为负载 时，所述通断控制单元具体包括第一获取单元，用于根据预先保存的负载与总功率损耗之间的对应关系，获取所述 MOSFET组处于所述第一工作状态时，当前负载对应的当前总功率损耗；第一选择单元，用于从所述MOSFET组的所有可能的工作状态中，选择所述第二工作状 态，所述MOSFET组处于所述第二工作状态时，当前负载对应的总功率损耗小于所述当前总 功率损耗；第一开关控制单元，用于控制所述状态控制开关，使所述MOSFET组的工作状态改变为 所述第二工作状态。
7. 根据权利要求5所述的脉冲宽度调制开关电源，其特征在于，所述控制参数为负载 电流时，所述通断控制单元具体包括第二获取单元，用于根据预先保存的负载电流与总功率损耗之间的对应关系，获取所 述M0SFET组处于所述第一工作状态时，当前负载电流对应的当前总功率损耗；第二选择单元，用于所述MOSFET组的所有可能的工作状态中，选择所述第二工作状 态，所述MOSFET组处于所述第二工作状态时，当前负载电流对应的总功率损耗小于所述当 前总功率损耗；第二开关控制单元，用于控制所述状态控制开关，使所述M0SFET组的工作状态改变为 所述第二工作状态。
8. 根据权利要求6或7所述的脉冲宽度调制开关电源，其特征在于，所述MOSFET组的 所有可能的工作状态中，所述MOSFET组处于所述第二工作状态时，当前负载对应的总功率 损耗最小。
9. 根据权利要求5所述的脉冲宽度调制开关电源，其特征在于，所述控制参数为用户输入控制命令时，所述通断控制单元具体包括提取单元，提取所述用户输入控制命令中的所述MOSFET组的工作状态； 第三开关控制单元，用于控制所述状态控制开关，使所述MOSFET组的工作状态改变为 所述用户输入控制命令中的工作状态。
10. 根据权利要求4、5、6、7或9所述的脉冲宽度调制开关电源，其特征在于，还包括 温度控制模块，用于在处于工作状态的MOSFET的当前温度超出预设温度阈值时，控制与所述当前温度超出预设温度阈值的MOSFET并联，且处于关闭状态的MOSFET中的至少一 个MOSFET开启。
11. 一种脉冲宽度调制开关电源的供电控制方法，其特征在于，所述脉冲宽度调制开关 电源包括金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET组，所述MOSFET组包括第一MOSFET、第二 MOSFET和至少一个与所述第一 MOSFET或第二 MOSFET并联的被控M0SFET，所述方法包括根据预先保存的控制参数与总功率损耗之间的对应关系，获取所述MOSFET组在第一 工作状态下，当前控制参数对应的当前总功率损耗；从所述MOSFET组的所有可能的工作状态中，选择第二工作状态，所述MOSFET组在所述 第二工作状态下，当前负载电流对应的总功率损耗小于所述当前总功率损耗；控制所述MOSFET组的工作状态从所述第一工作状态改变为所述第二工作状态。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制参数为负载、负载电流或用户 输入控制命令。
13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个被控MOSFET —一对应设 置有状态控制开关，通过控制所述状态控制开关控制所述MOSFET组的工作状态的改变。
14. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括在处于工作状态的MOSFET的当前温度超出预设温度阈值时，控制与所述当前温度超 出预设温度阈值的MOSFET并联，且处于关闭状态的MOSFET中的至少一个MOSFET开启。
全文摘要
本发明提供了一种脉冲宽度调制PWM开关电源，解决了现有技术中PWM电源的效率局部最优的问题，该开关电源包括脉宽调制PWM控制器，金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET组，所述MOSFET组还包括至少一个被控MOSFET，每个所述至少一个被控MOSFET与所述第一MOSFET或第二MOSFET并联；所述脉冲宽度调制开关电源还包括状态控制模块，所述状态控制模块用于根据控制参数控制所述至少一个被控MOSFET的工作状态，使所述MOSFET组从第一工作状态改变为第二工作状态，降低MOSFET组的总功率损耗。本发明提高了开关电源的效率，实现了全局最优的效率。
文档编号H02M7/505GK101753052SQ200810227940
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者张敏 申请人:联想(北京)有限公司