开关电源的多模式切换方法及开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种开关电源的多模式切换方法及开关电源，在开关电源上增设模式选择引脚，用于接收外部输入的模式选择信号；用于控制开关管通断的控制模块根据所述模式选择信号限定其输出的调制信号的类型，进而对开关电源的工作模式进行限制。本发明采用增加外部输入电压的方式来控制开关电源在其支持的多种工作模式下进行选择切换，并在选定工作模式后，无论负载电流如何变化都强制开关电源工作在该种模式下。由此不仅提高了开关电源的通用性，使得一路开关电源可以工作在多种模式下，满足了不同系统的不同设计要求；而且对于某些特定应用场合，可以确保开关电源的工作模式不会随着负载电流变化，满足了一些场合的特定应用需求。
【专利说明】开关电源的多模式切换方法及开关电源
【技术领域】
[0001] 本发明属于开关电源【技术领域】，具体地说，是涉及一种用于控制开关电源在多种 工作模式中进行选择切换的控制方法及基于这种切换控制方法设计的开关电源。
【背景技术】
[0002] 开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制开关管开通和关断的时间比率，来 使得其输出的电压保持恒定的一种电源，通常由M0SFET开关管和控制M0SFET通断的控制 模块以及电压转换电路等部分组成。
[0003] 目前的开关电源，按照控制方式的不同可以分为电压/电流控制方式、迟滞控 制方式、恒定导通时间控制方式等。其中，电压/电流控制方式需要内部时钟，基于调制 模式的不同，可以工作在脉冲宽度调制模式（Pulse Width Modulation，PWM)下、脉冲频 率调制模式（Pulse Frequency Modulation, PFM)下或者跳周期调制模式（Pulse Skip Modulation，PSM)下。在PWM模式下，控制模块输出的开关频率固定，通过调整脉冲宽度来 稳定输出电压。而在PFM模式或者PSM模式下，控制模块通过改变开关频率来满足负载电 流的变化。由于PWM模式可以保持恒定的开关频率，因此在瞬态响应速度及噪声方面具有 很好的性能，尤其适合应用在重载场合。而PFM和PSM这两种模式由于可以随负载电流的 减小而降低开关频率，因此可以减小开关损耗，提高系统的转换效率，尤其适合在负载电流 变化范围较大的场合中应用。
[0004] 现有的开关电源，在设计过程中往往已经将其所基于的调制模式固定下来，也就 是说，一款开关电源只能工作在一种调制模式下，通过接收负载电流的反馈值来调节其脉 冲宽度(针对PWM模式）或者开关频率(针对PFM模式)，进而实现其输出电压的稳定。这种 设计方式导致技术人员需要事先根据应用场合的实际负载情况选择合适的开关电源进行 系统电路的具体设计，通用性差，增加了技术人员的工作量。即便是某些开关电源可以根据 负载的电流变化自适应地改变其工作模式，但对于某些需要强制开关电源工作在某一特定 模式下的应用场合，这种开关电源仍无法满足应用需求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种开关电源的多模式切换方法及开关电源，可以借助外 部信号的控制来改变开关电源的工作模式，并强制开关电源工作在选定的工作模式下。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现： 一方面，本发明提供了一种开关电源的多模式切换方法，在开关电源上增设模式选择 引脚，用于接收外部输入的模式选择信号；用于控制开关管通断的控制模块根据所述模式 选择信号限定其输出的调制信号的类型，进而对开关电源的工作模式进行限制。
[0007] 为了尽量控制开关电源的引脚数量，将所述模式选择信号设定为模拟信号，所述 开关电源支持的工作模式为N种，所述N为大于1的整数；在开关电源中设置模式选择电 路，利用所述模式选择电路将一路模拟量的模式选择信号处理成N路数字量的模式使能信 号，传输至所述的控制模块，所述控制模块选定输出的调制信号的类型，控制开关电源工作 在选定的工作模式下。
[0008] 优选的，所述开关电源支持的工作模式包括脉冲宽度调制模式、脉冲频率调制模 式和超声模式；利用所述模式选择电路转换输出的超声模式使能信号控制一超声计时器运 行，设置所述超声计时器的计时时间小于50微秒，将超声计时器输出的计时脉冲发送至控 制模块，进而将所述控制模块输出的脉冲频率调制信号的频率限制在20KHz以上，以避免 出现音频噪声。
[0009] 为了避免线路故障或者过载导致开关电源损坏，本发明的开关电源采集负载电 流，并与设定的上限值进行比较，若负载电流超过上限值，则屏蔽N路所述的模式使能信 号，使所述控制模块停止输出调制信号，进入保护状态。
[0010] 另一方面，本发明提供了一种开关电源，包括开关管、用于控制所述开关管通断的 控制模块以及与所述开关管连通的电压转换电路，在所述开关电源上增设有模式选择引 脚，用于接收外部输入的模式选择信号；所述控制模块根据所述模式选择信号限定其输出 的调制信号的类型，传输至所述的开关管，以对开关电源的工作模式进行限制后，经电压转 换电路输出负载所需的电压。
[0011] 为了尽可能地减少开关电源的引脚数量，所述模式选择信号优选设定为一路模拟 信号，所述开关电源支持的工作模式为N种，所述N为大于1的整数；在开关电源中设置有 模式选择电路，所述模式选择电路接收所述模式选择信号，并处理成N路数字量的模式使 能信号，传输至所述的控制模块，限制所述控制模块输出的调制信号的类型，控制开关电源 工作在选定的工作模式下。
[0012] 进一步的，在所述模式选择电路中设置有N-ι路比较器和N路数字逻辑电路，将所 述模式选择信号一一对应地传输至N-1路比较器与预先设定的N-1路设定阈值进行比较， 输出N-1路开关量信号；根据预先设定的模式选择信号的不同电压值所对应的调制信号类 型的不同，确定出N路模式使能信号与所述N-1路开关量信号之间的逻辑对应关系，进而根 据所述逻辑对应关系构建N路数字逻辑电路，生成所需的N路模式使能信号。
[0013] 优选的，所述开关电源支持的工作模式包括脉冲宽度调制模式、脉冲频率调制模 式和超声模式；所述模式选择电路转换输出的超声模式使能信号传输至一超声计时器，所 述超声计时器的计时时间小于50微秒，在超声工作模式下，所述控制模块接收超声计时器 输出的计时脉冲，根据计时脉冲限制其输出的脉冲频率调制信号的频率在20KHz以上。
[0014] 为了避免线路故障或者过载导致开关电源损坏，本发明在所述开关电源的输出端 连接有负载电流采样电路，所述负载电流采样电路将负载电流转换成负载电压反馈至开关 电源，若负载电压超过预先设定的上限值，则屏蔽N路所述的模式使能信号，使控制模块停 止输出调制信号，进入保护状态。
[0015] 为了在负载电压超限时，能够实现对N路模式使能信号的屏蔽，将所述负载电压 反馈至开关电源中的另一路比较器，所述另一路比较器将接收到的负载电压与所述上限值 进行比较，输出保护信号与N路模式使能信号分别经由N路与门分别进行与运算后，传输至 所述的控制模块。
[0016] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用增加外部输入电压的 方式来控制开关电源在其支持的多种工作模式下进行选择切换，并在选定工作模式后，无 论负载电流如何变化都强制开关电源工作在该种模式下。由此不仅提高了开关电源的通用 性，使得一路开关电源可以工作在多种模式下，满足了不同系统的不同设计要求；而且对于 某些特定应用场合，可以确保开关电源的工作模式不会随着负载电流的变化而改变，从而 满足了一些场合的特定应用需求，拓展了开关电源的适用领域。
[0017] 结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更 加清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明所提出的开关电源的一种实施例的多模式切换部分的电路原理框 图； 图2是图1中的模式选择电路的一种实施例的部分电路原理图； 图3是图1中的模式选择电路的一种实施例的另一部分电路原理图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细地说明。
[0020] 为了使得开关电源在其所支持的多种工作模式中，能够按照用户的实际需求切换 工作在所需的模式下，继而满足不同系统的用电要求，本实施例对现有的开关电源进行改 进性设计，在开关电源上增设模式选择引脚，接收外部提供的模式选择信号，系统通过输入 的模式选择信号来判断用户所需的工作模式，进而控制开关电源切换工作在该模式下。一 旦模式选择完成，无论负载电流如何变化，开关电源始终工作于该模式，由此实现了开关电 源的多模式切换。
[0021] 针对开关电源目前的实际应用情况，本实施例主要考虑以下三种工作模式： 1、PWM模式：在一些应用中，要求保持开关电源的开关频率恒定，不随负载电流变化， 这就需要提供一种强制PWM模式。在该模式下，开关管的开关频率不随负载电流的变化而 改变，优点是能够保持频率为常数，提高负载瞬态响应速度，减小音频噪声，适合应用在重 载系统中。
[0022] 2、PFM模式：PFM模式的最大优点是开关管的开关频率在全负载范围内随负载电 流的变化而改变，开关频率理论上可以无限降低，在轻载条件下可以将其导通损耗和开关 损耗降至最低，进而达到在全负载范围内最高的转换效率。因此，在负载电流变化范围较大 的应用中，优选PFM模式进行工作。
[0023] 3、超声（Ultra Sonic，US)模式：由于在PFM模式下，开关管的开关频率会随着负 载电流的减小而一直降低，在负载电流很小甚至空载时，开关频率可能会一直下降至20KHz 以下。由于人耳的听觉范围在20Hz-20KHz之间，因此在开关管的开关频率低于20KHz时， 开关或电感电流的噪声会进入人耳的听觉范围，即产生音频噪声。为了避免音频噪声，本实 施例设计了超声模式，即US模式，该模式的工作原理是：限制开关管的最低开关频率为H， 所述H>20KHz ;调节开关管的开关频率随负载电流的变化而改变，即类似于PFM工作模式， 当开关频率下降至Η时，维持开关频率等于H，即保证开关频率始终处于20KHz以上，由此避 免了音频噪声的产生。超声模式与PFM模式的区别在于：在开关电源的设计上增加了一个 超声计时器，利用超声计时器产生的计时脉冲限制开关管的最低开关频率，使开关管的开 关频率始终维持在20KHz以上。由于超声模式具有上述工作特性，因此适合应用在轻载或 者有时会出现空载的应用场合中，在保证轻载效率的同时，可以避免音频噪声的产生。
[0024] 下面针对上述三种工作模式，对开关电源的具体设计方式进行详细地阐述。
[0025] 本实施例首先在开关电源上增设至少一路用于接收模式选择信号的模式选择引 脚，出于尽量减少开关电源引脚数量的考虑，所述模式选择信号优选设定为一路模拟信号， 例如一路电压信号，在开关电源上增设一路模拟量的模式选择引脚，接收外部提供的所述 电压信号，继而根据该电压信号的电压值判断用户选择的工作模式。在开关电源内部，用于 控制开关管通断的控制模块(所述控制模块可以是逻辑控制电路或者是控制1C)根据用户 选择的工作模式产生并输出与该工作模式对应类型的调制信号，进而对开关电源的工作模 式进行限制。
[0026] 以上述三种工作模式为例进行说明，可以针对模式选择信号Vmode的电压范围定 义两个设定阈值S1、S2,且S1>S2。当模式选择信号Vmode的电压值大于S1时，对应其中一 种工作模式，例如PFM模式；当Vmode的电压值处于S1与S2之间时，对应另外一种工作模 式，例如PWM模式；当Vmode的电压值小于S2时，对应第三种工作模式，例如US模式。控制 模块根据识别出的工作模式输出PWM信号、PFM信号或者US信号（即限制了最低频率的PFM 信号)，从而控制开关电源切换至相应的工作模式。
[0027] 根据上述设计思想，对于工作模式为N种（N为大于1的正整数)的开关电源来说， 只需针对模式选择信号Vmode的电压范围定义N-1个设定阈值，并将实际输入的模式选择 信号Vmode的电压值与所述N-1个设定阈值进行比较，即可判断出用户选定的工作模式。
[0028] 考虑到在现有的开关电源中，用于产生调制信号的控制模块通常选用数字逻辑控 制芯片，适合接收数字量信号的情况，本实施例在开关电源中设计模式选择电路，接收外部 输入的模拟量的模式选择信号Vmode，并转换成N路数字量的模式使能信号，例如开关量形 式的PWM模式使能信号PWM_EN、PFM模式使能信号PFM_EN、US模式使能信号US_EN等，输 出至控制模块，限制所述控制模块输出的PWM、PFM等调制信号，进而控制开关电源切换至 PWM、PFM或者US等工作模式，实现开关电源的多模式切换功能。
[0029] 作为所述模式选择电路的具体设计方式，本实施例提出了一种采用比较器配合数 字逻辑电路的硬件组建方式，参见图2、图3所示。以N=3为例进行说明，对于开关电源的工 作模式为三种的情况，可以选用两路比较器CMP1、CMP2配合三路数字逻辑电路来构建所述 的模式选择电路。根据输入的模式选择信号Vmode的电压范围定义两个设定阈值SI、S2， 例如：S1=2V，S2=l. 2V。两个设定阈值SI、S2所对应阈值电压可以由开关电源内部的分压 电路提供。将两个设定阈值S1、S2所对应的阈值电压分别传输至比较器CMPUCMP2的同相 输入端+，两个比较器CMPUCMP2的反相输入端-均接收所述的模式选择信号Vmode。当模 式选择信号Vmode的电压值大于S1时，比较器CMPUCMP2均输出低电平，即M1=0、M2=0 ;当 模式选择信号Vmode的电压值介于S1与S2之间时，比较器CMP1输出高电平，比较器CMP2 输出低电平，即M1=1、M2=0 ;当模式选择信号Vmode的电压值小于S2时，比较器CMPUCMP2 均输出高电平，即M1=1、M2=1。假设模式使能信号PWM_EN、PFM_EN、US_EN均为高电平有效， 即高电平时选中对应的工作模式，则按照上述模式选择信号Vmode的电压值所对应的工作 模式的定义方式，可以获得Vmode的电压值与比较器CMP1、CMP2的输出以及模式使能信号 置1?的对应关系表，如表1所不： 表1。
【权利要求】
1. 一种开关电源的多模式切换方法，其特征在于：在开关电源上增设模式选择引脚， 用于接收外部输入的模式选择信号；用于控制开关管通断的控制模块根据所述模式选择信 号限定其输出的调制信号的类型，进而对开关电源的工作模式进行限制。
2. 根据权利要求1所述的开关电源的多模式切换方法，其特征在于：将所述模式选择 信号设定为模拟信号，所述开关电源支持的工作模式为N种，所述N为大于1的整数；在开 关电源中设置模式选择电路，利用所述模式选择电路将一路模拟量的模式选择信号处理成 N路数字量的模式使能信号，传输至所述的控制模块，所述控制模块选定输出的调制信号的 类型，控制开关电源工作在选定的工作模式下。
3. 根据权利要求2所述的开关电源的多模式切换方法，其特征在于：所述开关电源支 持的工作模式包括脉冲宽度调制模式、脉冲频率调制模式和超声模式；利用所述模式选择 电路转换输出的超声模式使能信号控制一超声计时器运行，设置所述超声计时器的计时时 间小于50微秒，将超声计时器输出的计时脉冲发送至控制模块，进而将所述控制模块输出 的脉冲频率调制信号的频率限制在20KHz以上。
4. 根据权利要求2或3所述的开关电源的多模式切换方法，其特征在于：采集负载 电流，并与设定的上限值进行比较，若负载电流超过上限值，则屏蔽N路所述的模式使能信 号，使所述控制模块停止输出调制信号，进入保护状态。
5. -种开关电源，包括开关管、用于控制所述开关管通断的控制模块以及与所述开关 管连通的电压转换电路，其特征在于：在所述开关电源上增设有模式选择引脚，用于接收外 部输入的模式选择信号；所述控制模块根据所述模式选择信号限定其输出的调制信号的类 型，传输至所述的开关管，以对开关电源的工作模式进行限制后，经电压转换电路输出负载 所需的电压。
6. 根据权利要求5所述的开关电源，其特征在于：所述模式选择信号为一路模拟信 号，所述开关电源支持的工作模式为N种，所述N为大于1的整数；在开关电源中设置有模 式选择电路，所述模式选择电路接收所述模式选择信号，并处理成N路数字量的模式使能 信号，传输至所述的控制模块，限制所述控制模块输出的调制信号的类型，控制开关电源工 作在选定的工作模式下。
7. 根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于：在所述模式选择电路中设置有N-1 路比较器和N路数字逻辑电路，将所述模式选择信号一一对应地传输至N-1路比较器与预 先设定的N-1路设定阈值进行比较，输出N-1路开关量信号；根据预先设定的模式选择信号 的不同电压值所对应的调制信号类型的不同，确定出N路模式使能信号与所述N-1路开关 量信号之间的逻辑对应关系，进而根据所述逻辑对应关系构建N路数字逻辑电路，生成所 需的N路模式使能信号。
8. 根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于：所述开关电源支持的工作模式包括 脉冲宽度调制模式、脉冲频率调制模式和超声模式；所述模式选择电路转换输出的超声模 式使能信号传输至一超声计时器，所述超声计时器的计时时间小于50微秒，在超声工作模 式下，所述控制模块接收超声计时器输出的计时脉冲，根据计时脉冲限制其输出的脉冲频 率调制信号的频率在20KHz以上。
9. 根据权利要求6至8中任一项所述的开关电源，其特征在于：在所述开关电源的输 出端连接有负载电流采样电路，所述负载电流采样电路将负载电流转换成负载电压反馈至 开关电源，若负载电压超过预先设定的上限值，则屏蔽N路所述的模式使能信号，使控制模 块停止输出调制信号，进入保护状态。
10.根据权利要求9所述的开关电源，其特征在于：所述负载电压反馈至开关电源中 的另一路比较器，所述另一路比较器将接收到的负载电压与所述上限值进行比较，输出保 护信号与N路模式使能信号分别经由N路与门分别进行与运算后，传输至所述的控制模块。
【文档编号】H02M3/156GK104242649SQ201410543972
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】隋涛 申请人:青岛歌尔声学科技有限公司