一种提高开关电源动态响应的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及开关电源，尤其涉及一种提高开关电源动态响应的控制方法。
【背景技术】
[0002] 开关电源通常作为各类用电设备的电源，起到将未调整的交流或直流输入电压变 换为调整后的交流或直流输出电压。由于开关电源需要适应于不同的工作条件，对电源的 动态响应的性能要求越来越高。好的动态效果要求与有小的电压变化以及电压恢复时间。 举例而言在家电应用中，洗衣机的电源负载功率变化很快很大，这样电源输出电压引入过 压与欠压，当过压与欠压过大时对洗衣机电源的负载伤害较大；另外在手机充电中，当充电 器待机，手机突然加载，输出电压降低，当降低到电池的正常电压下，对电池有一定的伤害， 因此动态性能需要提高。
[0003] 在现在的电源管理中，为了使得电源有较高的效率，一般的电源选择多模式的控 制方法，多模式控制方法会引入动态性能下降的问题。下面以5V，1A输出的反激变换器为 例，当负载功耗减小时，为了减小电路损耗通常会减小开关频率。定义1A负载，为负载A， 开关频率匕为70kHz，电路具有较高的效率，0. 7A负载为负载B，开关频率f8为70kHz，0. 2A 负载为负载C，开关频率&为20kHz，0. 05A负载为负载D，开关频率fD为20kHz，负载点的开 关频率选择是根据系统效率要求而选择的。当负载介于AB之间，采用PWM模式，负载介于 BC之间，采用PFM模式，负载介于⑶之间，采用PWM模式，记为DPWM模式，负载小于负载D 时，采用PFM模式，记为DPFM模式，负载从轻到重的工作模式为DPFM-DPWM-PFM-PWM。若负 载为待机时，根据假负载的大小，假定待机频率为2kHz，此时控制模式为DPFM模式，若负载 突然改变为满载，输出电压以很快的速度下降，根据补偿结果控制模式将会分别经过DPWM， PFM，PWM模式，在补偿结果未达到满载的条件时，输出电压是一直在下降的，这可能造成严 重电压下降，在有的条件下式无法忍受的；同样的在满载切换到轻载时，中间的模式控制过 程会造成电压的持续上升，电压会产生很大的过冲。另外，在有的条件下，为了防止模式切 换时，在切换点附近，控制模式在两个模式之间来回切换，从一个模式切换到另一个模式需 要经过几个周期来确认需要切换模式控制，这种条件下，动态的效果会进一步降低。
[0004] 此外，在一些控制中，只能在一个周期采样一次，例如在原边反馈的反激电源中， 输出电压在只能在次级电流下降到零之前来采样。这样当负载由轻切重时，DPWM的开关频 率低，即使PI调整很大，但为了保证稳定性，动态过程更加缓慢。
[0005] 另外，有的控制方法为了加快动态响应的速度，会提高PI参数来加快补偿，以此 来提高动态效果，但在多模式控制对提高动态性能效果改善不大。
[0006] 因此由于动态性能要求越来越高，多模式控制方法带来的动态问题，提出一种提 高开关电源动态响应的控制方法。对减小电压过冲与欠压，减小动态回复时间有很好的效 果，对提尚电路的动态性能很有必要。
【发明内容】
[0007] 为克服现有技术的局限和不足，本发明提出了一种提高开关电源动态响应的控制 方法，可以限制输出电压的过冲与欠压在一定的范围内，并减小动态回复时间，提高动态性 能，在多模式控制中不会引起系统的不稳定，使得电路的设计动态性能更优秀。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0009] -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；
[0010] 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;
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 电压监测模块中包含三个比较器C0MP1、C0MP2和C0MP3以及一个逻辑单元，比较 器C0MP1的正端连接设定的Vo上限值Vomax，负端连接Vo ;比较器C0MP2的正端连接Vo， 负端连接设定的参考电压Vref ;比较器C0MP3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：
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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；若果逻辑单元上周期输出为HTL模式，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；
[0018] 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-Nl)，Vo(n)为当前周期采样结果，Vo(n-Nl)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；
[0019] 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el，输出给PID模块；
[0020] 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' ^或Ts与占空比D电流或DHTy电流信息，PWM模块此时根据动 态模式的开关周期TsWHSTs ^与占空比D一电流或D"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