一种改善多模式数字原边反激变换器动态性能的控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及隔离式电源变换器技术领域，特别涉及一种改善多模式数字原边反激变换器动态性能的控制系统。
【背景技术】
[0002]反激变换器的结构简单，成本低廉，所以常被用于消费电子产品等低功率电源方案中。随着对于消费电子产品安全性的重视，目前迫切要求使用的电源具有更好的电气隔离特性。传统方案中，通过在反激变换器中加入一个光耦器件来实现电气隔离，但是成本和体积无疑增加了。如图1，现在广泛采用的原边反激式电源则是在变压器中增加一个辅助绕组，通过采样辅助绕组上的电压来间接采样输出电压，从而改善了电源的电气隔离特性。
[0003]随着环保与节能的重要性的日益突出，开关电源的效率问题成为了人们关注的焦点。国际能源署(IEA)就在2000年提出了“I瓦计划”，即在10年将所有电器的待机能耗降低至I瓦以下；2013年发布的6级能效标准中要求5W的系统，最小平均效率大于73.6 %，空载功耗小于0.1ff0同时将平均功率定义为满载、75 %负载、50 %负载、25负载以及5 %等5个负载点的功率平均值。为了提高数字原边反激变换器在上述负载点的效率，现在的反激变换器多采用多模式控制的方法，即根据负载情况的不同使用不同的模式控制。模拟技术应用在控制上较为复杂。由于数字控制可以调节参数以及更精确地控制模式状态，还能工作在多种模式下，所以在多模式控制的方法中选择采用数字控制技术相对于模拟技术有很大的优势。如图2，现在主流的反激变换器的工作过程中采用了 5种不同的工作模式。与传统的模拟控制多模式方案相比，现有技术增加了 3个工作模式，分别是深度脉宽调制(DPffM)、深度脉冲频率调制(DPFM)及极深度脉宽调制(DDPffM)。增加DPffM模式可以避免人耳音频噪声。当负载电流降低时，如果此时任由电源工作在PFM模式下，那么工作频率(Fsw)将相应的降低，当Fsw低到人耳音频范围内后，由于此时的负载电流相对来说还是很大，所以电流流过变压器时会产生人耳可以听到的噪声。显然这在消费电子产品中是不可以接受的现象。在控制模式中增加了 DPffM模式，DPffM模式工作在20K Hz频率，当负载电流降到足够小之后再将模式切换到DPFM模式。这时虽然又进入了人耳音频范围，但由于此时负载电流比较小，流过变压器的电流也相应比较小，因此不会产生音频噪声。使用多模式控制的主要目的就是提高反激变换器在各个负载点下的效率以达到6级能效标准的要求。多模式控制中最主要的一点就是要提高轻载下的效率，尤其是25%负载点左右的效率。多模式控制的方法可以明显地提高轻载效率和避免人耳音频噪声，但是同时系统的动态响应能力也变弱了。可以从两个方面考虑多模式控制带来的影响。首先，系统由轻载向重载切换时，由于轻载时的电流相对很小，负载所处的状态能量很低，而重载所处的状态能量很高，这时负载突然的跳变会导致输出电压突然的下降然后再上升。如图3，仿真结果表明，当负载由轻载0.0lA跳变到重载IA时，输出电压的下冲为2.51v，瞬态响应时间为8.0ms。在当今消费级电子系统方案中，这种长时间的欠压现象，会导致系统控制系统工作状态出现混乱。其次，系统由重载向轻载跳变的过程中，由于重载时的电流相对很大，负载所处的状态能量很高，而轻载所处的状态能量很低，这时系统负载突然的跳变，跳变后出现第一次过冲后还会出现第二个过冲，导致系统瞬态响应时间相应的增加。如图4，仿真结果可以看出，系统由IA重载切换到0.025A状态时，系统过冲虽然只有0.2v，但是系统的瞬态响应时间却达到了16ms ο
[0004]根据上述，多模式控制的数字原边反激变换器在由轻载向重载跳变和由重载向轻载跳变时均存在动态响应的问题。产生这种现象的主要原因是系统在采用多模式控制方法下不同的模式间存在能量差和模式切换。
【发明内容】
[0005]针对现有一些技术的缺陷，本发明提供了一种改善多模式数字原边反激变换器动态性能的控制系统。系统通过检测负载电压是否有大范围的变化以及输出电压的变化趋势，从而选择切换到合适的工作模式，这样可以极大的改善变换器的动态性能。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下:一种改善多模式数字原边反激变换器动态性能的控制系统，交流电经过整流桥、共模电感、输入电容、RCD网络后输出给原边绕组，副边绕组通过输出电容和整流二极管后的输出电压经由辅助绕组通过分压电阻采样，作为输出电压反馈信号输出给含有波形分析模块、DAC模块、PI补偿模块、模式选择模块、参数设置模块以及驱动及RS触发器模块构成的多模式控制模块，多模式控制模块根据反馈信号选择合适的工作模式，经过驱动及RS触发器模块产生PffM波形，控制原边开关管的栅极，从而实现多模式数字控制；
[0007]其特征在于:在多模式控制模块中增设负载分析模块，用于检测负载电压是否有大范围的变化以及输出电压的变化趋势，从而选择切换到合适的工作模式，以改善变换器的动态性能；辅助绕组通过分压电阻采样的输出电压反馈信号通过四个比较器后输入到波形分析模块，波形分析模块得到数字参考电压Vref，并分别输入到负载分析模块和PI补偿模块，DAC模块将波形分析模块的输出转换为模拟值作为波形分析模块前的比较器的输入，PI补偿模块给出峰值电压补偿值Vpeak_pi并输入到模式选择模块和参数设置模块，模式选择模块与负载分析模块双向连接，模式选择模块输出当前工作模式work_mode给负载分析模块，然后负载分析模块通过对当前时刻的Vref (η)与上一时刻的Vref (η_1)的差值和当前工作模式的分析给出模式选择detjnode并输入到模式选择模块，模式选择模块根据模式选择det_mode和峰值电压补偿值Vpeak_pi给出当前合适的工作模式并输入到参数设置模块，由参数设置模块给出当前工作模式下所对应的控制参数峰值电流CS和周期Ts，然后经过驱动及RS触发器模块产生PffM波形，控制原边开关管的栅极，实现多模式动态数字控制；
[0008]负载分析模块包括寄存器、减法器、比较器、数据选择器、模式赋值模块、模式变换检测模块和模式判断模块，Dl和D2两个寄存器分别用来存储当前时刻的Vref (η)和上Vref(n-1),Vref(η)和Vref(η_1)输入到减法器里得到两次采样的输出电压差值ΛVref?并通过比较器与阈值Λ Vref_th比较，数据选择器用来选择不同工作模式下的阈值Λ Vref_th,AVref_th的确定方法为对应工作模式下保证输出电压不会出现大过冲时采样电压变化的最大值；为了提高动态性能，提前判断负载最合适的工作模式，当工作模式work_mode发生变化时，模式变换检测模块检测到工作模式的变化，并输出时钟信号给D3、D4和D5三个寄存器，通过D3、D4和D5三个寄存器存储最近三次模式发生变化时的Vref值，即Vrefl、Vref2和Vref3，将它们输入到模式判断模块，通过模式判断模块内的比较器确定它们之间的大小关系，这些比较得到的数据可以用来判断当前负载工作下最合适的模式，并通过模式赋值模块给出对应的模式选择detjnode到多模式控制模块里的模式选择模块；
[0009]负载分析模块包括以下执行过程:
[0010](I)通过判断参考电压差Λ Vref的大小判断负载是否出现了大范围的负载跳变，这里定义Λ Vref为两次采样的输出电压差值，定义前一个开关周期采样的输出电压数字值为Vref (η-1)，当前开关周期采样的输出电压数字值为Vref (η)，则有
[0011]Δ Vref = Vref (n) -Vref (η-1)
[0012]同时负载分析模块中定义了一个Λ Vref的阈值Λ Vref_th，其中阈值Λ Vref_th的大小由当前工作模式work_mode给出，经过比较器比较后，如果Λ Vref的值大于Λ Vref_th，则认为当前的负载发生了大范围的跳变，将恒压脉宽调制模式CV_PWM赋予模式选择det_mode,负载从当前工作模式直接跳变到PffM模式，以快速补偿能量，防止电压出现过大的下冲；
[0013](2)通过观察在负载切换的模式跳变过程中Vref的变化趋势，直接判定当前负载适合的模式，避免模式之间的来回切换；比如，当PWM模式切换到PFM模式时，采样这时候的输出电压值Vref I，当离开这个模式切换到DPffM模式时采样这时候的输出电压值Vref2，如果Vref2的值大于Vref 1，说明当前模式对于负载来说能量偏高，不是适合的模式，则同样的方式采样到Vref 3，如果Vref 3小于Vref 2，说明DPFM模式能量偏低，那么，DPffM模式就是合适的模式，当采样电压在DPFM模式中下降到等于程序设定参考值后，将模式选择det_mode的值设置为DPffM模式，这样系统能够工作在合适的模式而不会在两个模式之间来回的切换；
[0014](3)负载分析模块程序优先判断是否出现轻载到重载的跳变，如果出现，将恒压脉宽调制模式CV_PWM模式赋予模式选择detjnode，否则将软启动模式S0FT_START赋予模式选择detjnode，然后程序判断是否出现重载向轻载跳变且振荡，如果出现