一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法与流程

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种提高开关电源重载切轻载动态响应的控制方法。

技术背景

电源是各个电子设备不可或缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标以及其能否安全可靠的工作，而目前主流应用是开关电源(switchmodepowersupply)。开关电源又称之为开关变换器，是利用现代电力电子技术，通过调整开关器件的导通比或者频率来使输出电压恒定的一种电源。

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。

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。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fa为70khz，电路具有较高的效率，0.7a负载为负载b，开关频率fb为70khz，0.2a负载为负载c，开关频率fc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cd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，在有的条件下是无法忍受的；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。

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。

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。

现有技术还公开了一种根据斜率与负载的一一对应单调性质的关系得到负载的大小，从而得到切换后的对应的开关周期，但只能用于非谐振的常规开关电源。

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重载切轻载动态响应的控制方法。对减小电压过冲，减小动态回复时间有很好的效果，对提高电路的动态性能很有必要。

技术实现要素：

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重载切轻载动态响应的控制方法，可以限制输出电压的过冲在一定的范围内，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。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种提高开关电源重载切轻载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，采样计算模块根据该输出电压的信息，计算得到对应输出电压大小的采样电压vo并同时输出给误差计算模块和动态控制模块；

动态控制模块包括电压监测模块和开关周期计算模块，电压监测模块包含两个比较器以及一个逻辑单元，其中一个比较器用于比较采样电压vo与采样电压vo的设定上限值vomax之间的大小，另一个比较器用于比较采样电压vo与参考电压vref之间的大小，两个比较器的比较结果分别输出给逻辑单元，逻辑单元输出模式判断结果mode_f并根据该模式判断结果mode_f确定是否采用动态模式，其中vref＜vomax；

电压监测模块将模式判断结果mode_f分别输出给模式控制模块和开关周期计算模块，开关周期计算模块输出开关周期ts给模式控制模块，开关周期计算模块根据采样模块输出的采样电压vo和电压监测模块输出的模式判断结果mode_f进行计算，当mode_f＝1进入动态模式时，计算下一开关周期的周期ts＝ts(n+1)，当mode_f＝0时进入正常模式时，开关周期计算模块不工作，输出开关周期ts＝ts(n+1)通过锁存保持不变；

误差计算模块根据采样模块输出的采样电压vo计算参考电压vref减去采样电压vo的差，即为当前采样误差，记为e1，输出给pid模块；

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vpio，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vpio，然后进行pid运算得到补偿结果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；

模式控制模块的输入分别为电压监测模块输出的模式判断结果mode_f、开关周期计算模块的输出的开关周期ts＝ts(n+1)以及pid模块的补偿结果vpi；当电压监测模块输出mode_f＝1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(n+1)与占空比dhtl或峰值电流，pwm模块此时根据动态模式的开关周期ts(n+1)与占空比dhtl或峰值电流大小产生占空比波形；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开关周期计算模块的周期大小ts(n+1)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vpio，vpio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e1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e1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/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；

pwm模块包括pwm单元和驱动单元，pwm单元的输入为模式控制模块输出的pi_ctrl控制信号、动态模式的开关周期ts(n+1)与占空比dhtl或峰值电流ip、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；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，通过驱动单元输出占空比波形，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。

当vo比上限电压vomax大时，逻辑单元输出mode_f＝1进入动态模式，动态模式是指当重载切轻载时，采样电压vo增加很大时，通过给系统输入小功率的方法使得采样电压vo快速返回到稳定电压，当采样电压vo下降到参考电压vref后跳出动态模式，进入正常模式，正常模式的起始状态由模式控制模块给定；

如果采样电压vo变化不大，无需动态模式，通过正常的pid控制方法与模式控制实现环路控制，称为正常工作模式。

所述的开关周期计算模块在电压监测模块输出mode_f＝1时，开关周期计算模块被激活，通过判断采样电压vo的变化趋势进而计算下一开关周期的周期大小ts(n+1)；

在当前周期的采样电压vo增加，即vo(n+1)＞vo(n)时，说明当前周期ts(n)＜ts_s，其中ts_s是稳定状态的开关周期，此时令ts_min＝ts(n)，则下一周期的大小ts(n+1)＝(tsmin+tsmax)/2；

在当前周期的采样电压vo下降，即vo(n+1)＞vo(n)时，说明此时ts(n)＞ts_s，此时令ts(n)＝ts_max，则下一周期的大小为ts(n+1)＝(tsmin+tsmax)/2；

在当前周期的采样电压vo保持不变，即vo(n+1)＝vo(n)时，说明此时ts(n)＝ts_s，此时令ts(n)＝ts_s，则下一周期的大小为ts(n+1)＝(tsmin+tsmax)/2；

开关周期计算模块将得到的下一开关周期的周期大小ts(n+1)传递给模式控制模块，进而控制主功率管的开关。

所述电压监测模块中的两个比较器分别为comp1和comp2，比较器comp1的正输入端连接vomax，负输入端连接采样电压vo，比较器comp2的正输入端连接采样电压vo，负输入端连接参考电压vref，比较器comp1的输出和比较器comp2的输出均连接至逻辑单元，逻辑单元输出模式判断结果mode_f。

所述pid模块包括pid运算与pid参数选择，pid模块在模式控制模块输出的控制信号pi_ctrl与正常工作模式的模式选择结果mode_ctrl的控制下工作，pi_ctrl为pi_off时，pid模块关闭；pi_ctrl为pi_set时，vpi被模式控制模块输出的vpio赋值后，根据正常工作模式的模式选择结果mode_ctrl选择pid运算参数，包括比例参数kp、积分参数ki及微分参数kd进行pid运算，当pi_set为pi_on时，根据正常工作模式的模式选择结果mode_ctrl选择pid参数，进行pid运算，补偿结果vpi输出给模式控制模块和pwm模块。

本发明的优点及显著效果：

1、本发明提出的动态控制方法，能够在采样电压vo超出上限电压vomax时，通过小能量的重载切轻载模式使得输出快速稳定，电压变化大幅度减小，动态回复时间大幅度减小。

2、本发明提出的动态控制方法在重载切轻载模式中监测输出电压的变化进而计算下一开关周期的周期，并根据开关周期得到负载的大小，得到开关周期的方法是中点迭代。当跳出动态模式后，跳到对应负载点的工作状态，跳变后能量与负载稳态消耗相差不大，消除了后续的电压振荡，减小动态回复时间。

3、本发明增加重载切轻载工作模式以及周期判断工作点的方法对一般的多模式设计环路的稳定性不会产生影响。

4、本发明既能用于非谐振电源，也能用于非谐振电源，尤其是对于像单管谐振这样的非线性电源的优势更加明显，这是因为非线性电源不能够像线性电源那样直接计算稳态工作点。

5、本发明能适用于各类开关电源电路结构，具备通用性，可复用性和可移植性。

附图说明

图1是本发明控制方法的系统结构框图；

图2是图1中的电压监测模块结构框图；

图3是重载切轻载hlt模式的应用示意图；

图4a是图1中的开关周期计算模块结构框图；图4b是中点迭代控制算法的原理示意图；

图5是具有本发明的多模式控制单管谐振反激变换器的闭环电路结构图实施例；

图6是本发明对图5的单管谐振反激变换器电路在负载切换时多模式控制的动态响应的曲线，图6a是负载从10ω切换到500ω时，未采用本发明前的动态结果；图6b是负载从10ω切换到500ω时，采用了本发明方法后的动态结果。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面将结合附图及实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明控制方法的系统结构框图。实线箭头是正常工作模式中控制环路使用的信号流程，虚线箭头与实线箭头并存是动态模式中控制环路中的信号流程。

本发明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。

采样模块中的采样电路对开关电源的输出电压进行采样，得到输出电压信息输入到采样计算模块，采样计算模块根据采样算法得到输出电压大小的信号vo，将当前的采样电压vo输入到动态控制模块与误差计算模块，误差计算模块计算当前的电压误差。

动态控制模块包括电压监测模块和开关周期计算模块；电压监测模块接收采样模块输出的采样电压vo，并根据vo的大小分别与设定的vo上限值vomax、参考电压vref的大小关系，判断是否采用动态模式，其中vref＜vomax；动态模式是指当重载切轻载时，采样电压vo增加很大时，通过减小整个系统的输入功率的方法使得采样电压vo快速返回到稳定电压。

误差计算模块的输入是采样电压vo，根据计算参考电压vref减去采样电压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、开关周期计算模块的输出ts(n+1)以及pid模块的运算结果vpi；当电压监测模块输出mode_f＝1时为动态模式，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(n+1)与占空比dhtl(或峰值电流)，pwm模块此时根据动态模式的开关周期ts(n+1)与占空比dhtl(或峰值电流大小)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开关周期计算模块的周期大小ts(n+1)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vpio，vpio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/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模块包括pid运算功能与pid参数选择，pid模块在模式控制模块输出的控制信号(pi_ctrl)与正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)的控制下工作，pi_ctrl为pi_off时，pid模块关闭；pi_ctrl为pi_set时，vpi被模式控制模块输出的vpio赋值后，根据正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)选择pid运算参数，包括比例参数kp，积分参数ki，微分参数kd进行pid运算，当pi_set为pi_on时，根据正常工作模式的模式选择结果(mode_ctrl)选择pid参数，包括比例参数kp，积分参数ki，微分参数kd，进行pid运算，补偿结果vpi输入模式控制模块与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、动态模式的开关周期ts(n+1)与占空比dhtl(或峰值电流)、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；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。

图2是电压监测模块结构框图。电压监测模块接收采样模块输出的采样电压vo并根据vo的大小分别与设定的vo上限值vomax、参考电压vref的大小关系，判断是否采用动态模式，其中vref＜vomax；动态模式是指当重载切轻载时，输出电压增加很大时，通过输入小功率的方法使得采样电压vo快速返回到稳定电压。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开关周期计算模块，若电压监测模块输出mode_f＝1，即判断系统进入动态模式时，开关周期计算模块计算下一开关周期的周期ts；若正常工作模式时，控制开关周期计算模块的输出锁存不变；开关周期计算模块在电压监测模块输出htl模式时计算下一开关周期的周期ts；采用正常工作模式时，开关周期计算模块不计算开关周期，周期ts保持不变；开关周期计算模块的结果ts输出给模式控制模块。当vo比上限电压vomax大，逻辑单元输出动态模式，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。

图3是重载切轻载(htl)模式的应用示意图。在重载切轻载时，从该示意图可以看到当采样电压vo大于vomax时，采用htl模式。若采用pid调节则如粗虚线所示，在采样电压上升到vomax后电压任然会有所上升，动态恢复时间也很长；采用htl模式，当采样电压vo大于vomax时，立刻采用htl模式，由于该模式的输入功率一般小于待机功率，采样电压vo立刻开始下降，不会再有所上升，在采样电压vo下降到稳定值前，这是最快的动态方法，当采样电压vo与稳定电压相同时，可以通过斜率大小得到输出负载大小，使得跳出htl模式的工作模式能量与负载功耗相近，去掉后续能量不吻合引入的谐振，如实线所示；可以看到若跳出htl模式后，若工作状态从待机开始，其输入能量偏低，引入电压谐振，如细虚线所示。

图4a是开关周期计算模块结构框图。在电压监测模块输出mode_f＝1时，开关周期计算模块被激活。开关周期计算模块的输入信号是采样电压vo，通过对采样电压vo进行判断，从而计算出下一周期的周期值ts(n+1)。若当前周期的采样电压vo增加时，即vo(n+1)＞vo(n)时，说明当前周期ts(n)＜ts_s，其中ts_s是稳定状态的开关周期，此时令ts_min＝ts(n)，则下一周期的大小ts(n+1)＝(tsmin+tsmax)/2；若当前周期的采样电压vo下降时，即vo(n+1)＞vo(n)时，说明此时ts(n)＞ts_s，此时令ts(n)＝ts_max，则下一周期的大小为ts(n+1)＝(tsmin+tsmax)/2；若当前周期的采样电压vo保持不变时，即vo(n+1)＝vo(n)时，说明此时ts(n)＝ts_s，此时令ts(n)＝ts_s，则下一周期的大小为ts(n+1)＝(tsmin+tsmax)/2。开关周期计算模块得到下一开关周期的周期大小ts(n+1)，并将其传递给模式控制模块，进而控制主功率管的开关。

图4b是中点迭代控制算法的原理示意图。为了更加清楚地说明开关周期计算过程中的“中点迭代”的原理，这里给出了中点迭代的工作过程。在重载切轻载的时候，输出电压会持续上升，当采样电压vo达到上限vomax时，电路进入动态控制模式。假设当前周期为to，如图4b所示，此时采样电压vo处于上升状态，说明此时的开关周期小于稳定时的开关周期ts_s，调整下一周期的开关周期为2to，如图4b所示。此时采样电压vo处于下降状态，说明此时的开关周期大于稳定时的开关周期ts_s，利用中点迭代调整下一周期的开关周期为1.5to。以此类推，最终达到稳定的开关周期ts_s，此时采样电压vo仍处于vomax附近，此时拉长开关周期，使输入功率减小，采用低频降压，使输出电压达到标准值。

图5是具有本发明的多模式控制单管谐振反激变换器的闭环电路结构图实施例。本发明使用的方法和系统也可用于其他类型的开关电源电路结构，此处以原边反馈的反激电路为例。反激变换器实例的输入为90～265v，输出为5v，电流最大为1a，电感大小为1.6mh，变压器匝比为104/6，输出恒压。变换器采用dcm的控制方法，通过多模式控制方法实现数字控制，下面给出已有电路的在不同负载下的工作模式，在该模式的基础上，增加本实例中优化动态性能的工作方法。

图6为本发明对图5的单管谐振反激变换器电路在负载切换时多模式控制的动态响应的曲线；以及采用了本文提高动态响应的技术的动态响应的曲线；此为本发明实施例。图6a为负载从10ω切换到500ω时，未采用本文的提高动态方法前的动态结果；图6b为负载从10ω切换到500ω时，采用本发明的提高动态方法后的动态结果。在未采用前，采用pi调节，恢复时间20.48ms，过冲电压0.525v；在采用了本发明的提高动态响应的方法之后，恢复时间2.232ms，过冲电压0.52v，动态性能大幅度提升。

从上面的实例中可以看出，采用本发明方法后，尤其对于多模式控制系统，动态性能得到了大幅度的提高。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，在此描述的本发明可以有许多变化(轻负载切换重负载)，这些变化不能人为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在本权利要求书的涵盖范围之内。