采用混合调制的功率变换器及其控制电路和控制方法与流程

本公开涉及电源，更具体地，涉及采用混合调制的功率变换器及其控制电路和控制方法。

背景技术：

1、在电子产品中，已经广泛地采用功率变换器提供电子产品内部的电子器件的供电电压。例如，电子器件的供电电压高于电池电压，功率变换器用于将电池电压转换成电子器件的供电电压以使电子器件可以正确工作。

2、功率变换器通过控制开关器件(例如，晶体管、igbt、mosfet等)的开关动作，控制从功率变换器的输入端转移到输出端的电能，从而获得期望的输出电压和/或输出电流。可以通过各种控制策略和调制技术来实现开关器件的开关状态控制，如脉宽调制(pwm)、脉频调制(pfm)、脉位调制(ppm)等。脉宽调制(pwm)是指固定开关控制信号的开关周期，通过控制开关周期中的导通时间来调节开关控制信号的占空比，以实现控制功率变换器的输出电压的目的。脉频调制(pfm)是指固定开关控制信号的导通时间，通过控制开关周期来调节开关控制信号的占空比，以实现控制功率变换器的输出电压的目的。

3、在功率变换器中，采用pwm调制的优点是可以实现精确的输出电压控制和稳压性能，但存在着开关损耗大且电磁干扰大的缺点，采用pfm调制的优点是电磁干扰小且在轻载时可以改变开关周期以减少能量损耗的优点，但存在着稳压性能差的缺点。为了兼顾两种调制方式的优点，在现有的功率变换器中已经采用两种调制器的混合调制方案，以实现选择性地调制模式。

4、图1和图2分别示出根据现有技术的功率变换器的示意性电路图及工作波形图。该功率变换器100例如采用buck拓扑，其中，开关管q1和q2串联连接在功率变换器100的输入端和地之间，电感l连接在开关管q1和q2的中间节点与功率变换器100的输出端之间。在该功率变换器100中，控制电路110包括pwm调制器112、pfm调制器113、以及多路选择器114。在重载状态下，多路选择器114选择pwm调制器112产生的开关控制信号。在轻载模式下，多路选择器114选择pfm调制器113产生的开关控制信号。该功率变换器100根据负载状态动态地选择调制方式，因此可以兼顾稳压性能和电路效率。

5、然而，上述的功率变换器在任意时刻仍然是单一的调制模式。例如，在重载条件下工作于pwm模式，存在着固定开关周期的电磁干扰的问题。进一步地，在功率变换器从一种调制模式切换成另一种调制模式时，控制电路产生的开关控制信号的开关周期和导通时间均可能跃变，因而难以实现平滑切换。因而，不仅可能导致电路的动态响应特性劣化且输出电压波动，而且可能产生附加的噪声和附加的功耗，甚至由于频繁的模式切换而导致控制的开关控制失效。

6、因此，期望进一步改进功率变换器的混合调制方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供采用混合调制的功率变换器及其控制电路和控制方法，在混合调制中，基于预设权重分别调制开关控制信号的导通时间和开关周期，以提高电路稳定性、提高电路动态响应速度和减小电磁干扰。

2、根据本发明的一方面，提供一种用于功率变换器的控制电路，包括：环路补偿单元，用于根据输出电压的电压反馈信号获得开关控制信号补偿量；开关周期计算单元，用于根据第一预设权重将所述补偿量分配为开关周期补偿量；导通时间计算单元，用于根据第二预设权重将所述补偿量分配为导通时间补偿量；以及混合调制器，用于根据所述开关周期补偿量和所述导通时间补偿量产生开关控制信号。

3、可选地，在连续的开关周期中，随着负载状态的变化，所述控制电路对所述开关控制信号的开关周期和导通时间进行同步动态调节。

4、可选地，所述第一预设权重和所述第二预设权重中的至少一个大于0，从而根据所述第一预设权重和所述第二预设权重的值，所述控制电路的调制方式为pwm调制、pfm调制和混合调制之一。

5、可选地，所述第一预设权重和所述第二预设权重之和大于等于1，使得所述控制电路的补偿方式为精确补偿和过补偿之一。

6、可选地，所述开关周期计算单元基于下式计算所述开关周期补偿量：

7、

8、其中，kpfm表示所述第一预设权重，tron和trsw分别表示开关控制信号的初始导通时间和初始开关周期，δd表示根据电路反馈信号获得的开关控制信号补偿量。

9、可选地，所述导通时间计算单元基于下式计算所述导通时间补偿量：

10、δton＝kpwm*trsw*δd

11、其中，kpwm表示所述第二预设权重，tron和trsw分别表示开关控制信号的初始导通时间和初始开关周期，δd表示根据电路反馈信号获得的开关控制信号补偿量。

12、可选地，所述混合调制器基于所述开关周期补偿量和所述导通时间补偿量进行数值计算，以及进行数模转换以生成所述开关控制信号。

13、可选地，所述混合调制器包括rs触发器，并且，所述混合调制器基于所述开关周期补偿量产生复位信号，基于所述导通时间补偿量产生置位信号，所述rs触发器根据所述复位信号和所述置位信号产生所述开关控制信号。

14、可选地，所述环路补偿单元包括：比较模块，用于将所述电压反馈信号与参考电压相比较以获得误差信号；以及比例积分微分模块，用于根据所述误差信号采用pid算法获得所述开关控制信号补偿量。

15、可选地，所述环路补偿单元包括：误差放大器，用于将所述电压反馈信号与参考电压的差分信号转换成差分电流；电容，与所述误差放大器的输出端相连接，采用所述差分电流对所述电容进行充电以获得所述开关控制信号补偿量。

16、根据本发明的另一方面，提供一种功率变换器，包括：输入端和输出端，分别接收输入电压和提供输出电压；耦合在所述输入端和所述输出端之间的电感和开关管；以及上述的控制电路，其中，所述控制电路用于产生所述开关管的开关控制信号，在所述开关管的导通状态下采用所述输入电压对所述电感充电，以及在所述开关管的关断状态下所述电感放电，从而所述输出端产生所述输出电压。

17、可选地，所述功率变换器包括选自boost拓扑、buck拓扑、buck-boost拓扑、flyback拓扑任意一种的功率变换器。

18、根据本发明的另一方面，提供一种用于功率变换器的控制方法，包括：根据输出电压的电压反馈信号获得开关控制信号补偿量；根据第一预设权重将所述补偿量分配为开关周期补偿量；根据第二预设权重将所述补偿量分配为导通时间补偿量；以及根据所述开关周期补偿量和所述导通时间补偿量产生开关控制信号。

19、可选地，在连续的开关周期中，随着负载状态的变化，所述控制方法对所述开关控制信号的开关周期和导通时间进行同步动态调节。

20、可选地，所述第一预设权重和所述第二预设权重中的至少一个大于0，从而根据所述第一预设权重和所述第二预设权重的值，所述控制方法的调制方式为pwm调制、pfm调制和混合调制之一。

21、可选地，所述第一预设权重和所述第二预设权重之和大于等于1，使得所述控制电路的补偿方式为精确补偿和过补偿之一。

22、可选地，基于下式计算所述开关周期补偿量：

23、

24、其中，kpfm表示所述第一预设权重，tron和trsw分别表示开关控制信号的初始导通时间和初始开关周期，δd表示根据电路反馈信号获得的开关控制信号补偿量。

25、可选地，基于下式计算所述导通时间补偿量：

26、δton＝kpwm*trsw*δd

27、其中，kpwm表示所述第二预设权重，tron和trsw分别表示开关控制信号的初始导通时间和初始开关周期，δd表示根据电路反馈信号获得的开关控制信号补偿量。

28、根据本发明实施例的功率变换器，控制电路通过设置开关周期的预设权重kpfm和导通时间的预设权重kpwm，可以实现pwm调制、pfm调制和混合调制中的任意调制方式。在预设权重kpfm大于0且kpwm为0时，控制电路可以实现pfm调制。在预设权重kpfm等于0且kpwm大于0时，控制电路可以实现pwm调制。在预设权重kpfm和kpwm均大于0时，可以实现混合调制。因此，该控制电路是多模式调制的合并设计，其中，多个调制模式共用环路补偿单元和计算单元，可以简化环路设计，以及降低控制电路的成本。

29、根据本发明实施例的功率变换器，在混合调制模式中，控制电路根据电压反馈信号动态地调节开关控制信号的导通时间和开关周期。由于开关控制信号的占空比与导通时间和开关周期二者相关，对导通时间和开关周期的动态调节可以提高电路响应速度且有利于减小电压纹波。进一步地，对开关周期进行动态调节，与定频开关控制信号相比可以减少开关控制信号产生的电磁干扰。

30、在优选的实施例中，开关周期的预设权重kpfm和导通时间的预设权重kpwm满足条件：(kpfm+kpwm)＝1。此时，开关控制信号的导通时间和开关周期的总计补偿量与输出电压vo的波动预期补偿量相等，以获得最佳的电路稳定性。

31、在替代的实施例中，开关周期的预设权重kpfm和导通时间的预设权重kpwm满足条件：(kpfm+kpwm)>1。此时，开关控制信号的导通时间和开关周期的总计补偿量大于输出电压vo的波动预期补偿量，从而进行过补偿以提高电路动态响应速度。