一種用于多模式數字開關電源的控制環路系統技術方案

一種用于多模式數字開關電源的控制環路系統，包括數字采樣模塊、誤差產生模塊、狀態寄存模塊、狀態判斷模塊、誤差放大模塊、控制電壓限定模塊和多模式開關信號產生模塊，數字采樣模塊采集被控信號并轉化為數字信號Vod,狀態判斷模塊根據狀態轉變的觸發條件判斷控制環路系統需要進入的狀態值state，誤差放大器根據誤差信號e(n)產生控制量P(n),控制量P(n)進入控制電壓限定模塊，控制電壓限定模塊根據控制環路系統此時的狀態值state和P(n)，得到相應的控制電壓Vc1(n)和Vc2(n),多模式開關信號產生模塊根據Vc2(n)和狀態值state得到占空比信號，控制受控功率變換器開關管的導通。

【技術實現步驟摘要】
一種用于多模式數字開關電源的控制環路系統
本專利技術涉及數字開關電源，尤其涉及一種用于多模式數字開關電源的控制環路系 統。
技術介紹
隨著數字技術的發展，數字電源由于其自身的優點，越來越受到重視，在AC-DC和 DC-DC開關電源中，越來越多的控制系統采用數字方式實現，但是隨著全球能源緊缺，美國 六級能效標準對電源轉換效率的要求越來越高，現在實現一個全負載范圍內都能高效率的 開關電源已經迫在眉睫。在輕載時，開關損耗占了整個系統能量損耗的絕大部分，此時減少 開關損耗的直接方法就是減小開關頻率，基于這樣的考慮，現在很多數字電源都采用了多 模式的控制方案。在重載時，系統采用PWM控制方案，在此種模式下系統固定開關頻率，來 調節占空比，在輕載時系統采用PFM控制方案，此時系統固定開關導通時間，來調節開關頻 率，在PFM模式下，極輕載時開關頻率可以降得很小。 實現一個高性能的數字多模式開關電源必然要面對下面幾個問題： 1、如何在PFM模式下準確調整開關頻率？ 2、如何實現PWM模式和PFM模式之間平滑的切換？ 針對問題1現在已經有了一些研究方案，在一種方案里提出了一種離散調頻來實 現PFM的一種控制方式，假設PWM模式的開關頻率為f sw，隨著負載的減小系統將進入PFM 工作模式，在PFM調試模式，系統將開關頻率分為^wswsw、士fsw等離散值，這樣 在恒壓模式下這些開關頻率點就分別對應不同的負載點，當輸出電壓偏大時開關頻率調到 下一個小的頻率點，輸出電壓偏小時開關頻率調到上一個大的頻率點，在特定的負載下，穩 態時系統將在相鄰的頻率點之間進行來回的跳變，從而使得輸出電壓穩定。應用這樣的實 現方式能夠有效實現PFM模式控制，提高了輕載下的電源轉換效率，但是由于頻率點之間 是離散的關系，系統的動態響應會比較差，同時會導致輸出電壓的紋波會比較大。還有另一 種研究方案，在該方案里系統根據輸出電壓的誤差來產生一個調頻信號，這個調頻信號是 以一個脈寬的形式輸進快單元和慢單元，經過一段時間后慢單元會追趕上快單元，利用追 趕時間來調整頻率。但是如果調頻信號的脈寬設置和快慢單元的追趕延遲不好控制，如果 設置不好很可能導致系統崩潰。 針對問題2現在也有了一定的研究，圖1展示了一種用于開關電源轉換器的傳統 控制方案。在這一控制方案中，針對操作模式之間的轉變引入了遲滯。換句話說，一旦電源 轉換器進入一種操作模式，其就必須等待控制回路穩定下來才能退出該操作模式。引入遲 滯以后，控制電壓必須達到遲滯上線負載所對應的控制電壓水平，才能調到下一個模式， 如圖中所示，在PWM模式下，開關電源的輸出負載必須降低到負載A點才能切換到PFM模 式，在PFM模式下開關電源轉換器的負載將必須增加負載B點才能切換到PWM模式，作為結 果，能夠減小由操作模式之間的轉變引起的輸出電壓紋波。但是在這個方案里遲滯的范圍 不好控制，范圍過小可能起不到作用，范圍過大時，則在操作模式之間的轉變期間可能出現 輸出電壓過沖或下沖，這是因為滯后可能迫使一種操作模式下的控制電壓變得高于或低于 另一操作模式下的控制電壓，從而在轉變到新的操作模式之后導致控制電壓的階躍函數。 圖2展示了另一種模式切換方案，在該方案里它把PWM模式和PFM模式被分隔成兩個獨立 的控制區段，其中獨立地確定每個控制區段中的控制電壓范圍并且清楚地限定每個控制區 段的邊界。PWM調制模式和PFM調制模式中的每個不能超出其邊界連續地操作，從而在兩 個控制區段之間形成控制間隙。在該控制間隙內不允許連續操作。為了對控制間隙內的負 載條件進行供給，電源在控制間隙的兩個邊界處操作。例如當負載大于Μ水平時它將一直 工作在PWM模式下，當負載小于Ν點時，它將一直工作在PFM模式。當負載介于Μ和Ν之間 時，系統將在兩個模式之間來回切換，切換的條件就是輸出電壓大于或小于設定的界限，但 是此種方案并沒有消除兩種模式之間的來回跳變，輸出電壓還是具有一定的波動。
技術實現思路
為克服現有技術的局限和不足，本專利技術提供一種用于多模式數字開關電源的控制 系統，能夠實現模式之間的平滑切換。 本專利技術采用以下技術方案：一種用于多模式數字開關電源的控制環路系統，其特 征在于，包括數字采樣模塊、誤差產生模塊、狀態寄存模塊、狀態判斷模塊、誤差放大模塊、 控制電壓限定模塊和多模式開關信號產生模塊構成的控制環路系統，該控制環路系統與受 控功率變換器構成閉環；在本周期受控功率變換器開關管導通期間，多模式開關信號產生 模塊根據控制環路系統上周期的狀態值statel和上周期控制電壓Vc2 (η-1)計算得到本周 期開關導通時間和本周期的開關頻率，然后數字采樣模塊采集功率變換器的輸出電壓信號 并將其轉化為數字信號Vod同時輸出給誤差產生模塊和狀態判斷模塊，狀態判斷模塊先把 控制環路系統上周期的狀態值statel輸出至狀態寄存模塊，然后根據此時采樣的數字信 號Vod和上周期控制電壓Vc2 (η-1)進行本周期第一次狀態判斷，控制環路系統得到本周期 的狀態值state，誤差放大模塊根據本周期的狀態state調節內部比例系數Κρ、積分系數 Ki和上周期誤差放大模塊輸出控制量P(n-l);數字信號Vod經過誤差產生模塊產生誤差信 號e(n)，數字字誤差放大模塊在內部Kp、Ki和P(n-l)調整完成之后把本周期的誤差信號 e(n)進行放大并產生本周期控制量P(n)，本周期控制量P(n)進入控制電壓限定模塊，控制 電壓限定模塊根據控制環路系統本周期的狀態值state和本周期控制量Ρ (η)，得到本周期 第一次輸出控制電壓Vcl (η)并將控制電壓Vcl (η)輸入到狀態判斷模塊，狀態判斷模塊根 據本周期控制電壓Vcl (η)和數字采樣信號Vod進行本周期第二次狀態判斷，控制環路系統 得到本周期狀態值state，由于一個開關周期之內控制環路系統的狀態只可能發生一次轉 變，也就是說如果第一次狀態發生了變化，那么第二次肯定不會發生變化，出現這種情況的 原因是根據狀態發生轉變的條件決定的；然后本周期第一個控制電壓Vcl (η)會重新輸入 到控制電壓限定模塊，控制電壓限定模塊根據本周期控制環路系統的狀態值state得到本 周期第二次輸出控制電壓Vc2 (η)，控制電壓Vc2 (η)會輸入到多模式開關信號產生模塊；多 模式開關信號產生模塊接著進行的操作就是判斷本周期控制環路系統的狀態值state和 上周期控制環路系統的狀態值statel是否相同，如果不同，則直接結束本周期，并產生受 控功率變化器開關導通信號，使得受控功率變換器開關導通；如果相同，則根據本周期計算 得到的開關頻率值，到本周期正常結束，產生受控功率變化器開關導通信號，使得受控功率 變換器開關管導通；控制環路系統中： 數字采樣模塊用于采集功率變換器的輸出電壓信號并將其轉化為數字信號Vod; 誤差產生模塊包括一個減法器，用于將基準電壓Vref與數字采樣模塊采集得到 的數字信號Vod相減得到誤差信號e(n); 狀態寄存模塊用于在每個開關周期進行狀態判斷之前寄存上周期的控制環路系 統狀態值state 1 ; 狀態判斷模塊用于根據數字采樣模塊輸本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于多模式數字開關電源的控制環路系統，其特征在于，包括數字采樣模塊、誤差產生模塊、狀態寄存模塊、狀態判斷模塊、誤差放大模塊、控制電壓限定模塊和多模式開關信號產生模塊構成的控制環路系統，該控制環路系統與受控功率變換器構成閉環；在本周期受控功率變換器開關管導通期間，多模式開關信號產生模塊根據控制環路系統上周期的狀態值state1和上周期控制電壓Vc2(n?1)計算得到本周期開關導通時間和本周期的開關頻率，然后數字采樣模塊采集功率變換器的輸出電壓信號并將其轉化為數字信號Vod同時輸出給誤差產生模塊和狀態判斷模塊，狀態判斷模塊先把控制環路系統上周期的狀態值state1輸出至狀態寄存模塊，然后根據此時采樣的數字信號Vod和上周期控制電壓Vc2(n?1)進行本周期第一次狀態判斷，控制環路系統得到本周期的狀態值state，誤差放大模塊根據本周期的狀態state調節內部比例系數Kp、積分系數Ki和上周期誤差放大模塊的輸出控制量P(n?1)；數字信號Vod經過誤差產生模塊產生誤差信號e(n),誤差放大模塊在內部Kp、Ki和P(n?1)調整完成之后把本周期的誤差信號e(n)進行放大并產生本周期控制量P(n),本周期控制量P(n)進入控制電壓限定模塊，控制電壓限定模塊根據控制環路系統本周期的狀態值state和本周期控制量P(n)，得到本周期第一次輸出控制電壓Vc1(n)并將控制電壓Vc1(n)輸入到狀態判斷模塊，狀態判斷模塊根據本周期控制電壓Vc1(n)和數字采樣信號Vod進行本周期第二次狀態判斷，控制環路系統得到本周期狀態值state，由于一個開關周期之內控制環路系統的狀態只可能發生一次轉變，也就是說如果第一次狀態發生了變化，那么第二次肯定不會發生變化，出現這種情況的原因是根據狀態發生轉變的條件決定的；然后本周期第一個控制電壓Vc1(n)會重新輸入到控制電壓限定模塊，控制電壓限定模塊根據本周期控制環路系統的狀態值state得到本周期第二次輸出控制電壓Vc2(n)，控制電壓Vc2(n)會輸入到多模式開關信號產生模塊；多模式開關信號產生模塊接著進行的操作就是判斷本周期控制環路系統的狀態值state和上周期控制環路系統的狀態值state1是否相同，如果不同，則直接結束本周期，并產生受控功率變化器開關導通信號，使得受控功率變換器開關導通；如果相同，則根據本周期計算得到的開關頻率值，到本周期正常結束，產生受控功率變化器開關導通信號，使得受控功率變換器開關管導通；控制環路系統中：數字采樣模塊用于采集功率變換器的輸出電壓信號并將其轉化為數字信號Vod；誤差產生模塊包括一個減法器，用于將基準電壓Vref與數字采樣模塊采集得到的數字信號Vod相減得到誤差信號e(n)；狀態寄存模塊用于在每個開關周期進行狀態判斷之前寄存上周期的控制環路系統狀態值state1；狀態判斷模塊用于根據數字采樣模塊輸出Vod和控制電壓限定模塊的輸出控制電壓準確跳變到本周期控制環路系統的狀態值state；誤差放大模塊是一個增量式的PI模塊，誤差放大模塊本周期的輸出定義為本周期控制量P(n),它內部的比例系數Kp、積分系數Ki和上周期控制量P(n?1)受到控制環路本周期狀態值state調節；控制電壓限定模塊包括比較器、多路選擇器、寄存器，控制電壓限定模塊根據控制環路系統本周期狀態值state和本周期控制量P(n)智能選擇輸出控制電壓，如果在一個控制環路系統狀態值state中，本周期控制量P(n)高與控制電壓限定模塊所限定的控制電壓范圍，那么輸出的控制電壓將會是所限定控制電壓范圍的上限，如果在一個控制環路系統狀態值state中，本周期控制量P(n)低于控制電壓限定模塊所限定的控制電壓范圍，那么輸出的控制電壓將會是所限定控制電壓范圍的下限，如果本周期控制量P(n)在控制電壓限定模塊所限定的控制電壓范圍內，那么控制電壓限定模塊直接把本周期控制量P(n)當成控制電壓輸出；多模式開關信號產生模塊包括比較器、寄存器、RS觸發器、PWM模塊、PFM模塊、DPWM模塊、DPFM模塊、DDPWM模塊，多模式開關信號產生模塊根據控制環路系統本周期狀態state、控制環路系統上周期狀態值state1和控制電壓限定模塊輸出的控制電壓來正確產生受控功率變換器開關管的導通信號和關斷信號。...

【技術特征摘要】
1. 一種用于多模式數字開關電源的控制環路系統，其特征在于，包括數字采樣模塊、誤 差產生模塊、狀態寄存模塊、狀態判斷模塊、誤差放大模塊、控制電壓限定模塊和多模式開 關信號產生模塊構成的控制環路系統，該控制環路系統與受控功率變換器構成閉環；在本 周期受控功率變換器開關管導通期間，多模式開關信號產生模塊根據控制環路系統上周期 的狀態值Statel和上周期控制電壓Vc2(n_l)計算得到本周期開關導通時間和本周期的 開關頻率，然后數字采樣模塊采集功率變換器的輸出電壓信號并將其轉化為數字信號Vod 同時輸出給誤差產生模塊和狀態判斷模塊，狀態判斷模塊先把控制環路系統上周期的狀 態值statel輸出至狀態寄存模塊，然后根據此時采樣的數字信號Vod和上周期控制電壓 Vc2 (n-1)進行本周期第一次狀態判斷，控制環路系統得到本周期的狀態值state，誤差放 大模塊根據本周期的狀態state調節內部比例系數Kp、積分系數Ki和上周期誤差放大模 塊的輸出控制量P (n-1);數字信號Vod經過誤差產生模塊產生誤差信號e (η)，誤差放大模 塊在內部Kp、Ki和P(n-l)調整完成之后把本周期的誤差信號e(n)進行放大并產生本周期 控制量P( n)，本周期控制量P(n)進入控制電壓限定模塊，控制電壓限定模塊根據控制環路 系統本周期的狀態值state和本周期控制量Ρ (η)，得到本周期第一次輸出控制電壓Vcl (η) 并將控制電壓Vcl (η)輸入到狀態判斷模塊，狀態判斷模塊根據本周期控制電壓Vcl (η)和 數字采樣信號Vod進行本周期第二次狀態判斷，控制環路系統得到本周期狀態值state， 由于一個開關周期之內控制環路系統的狀態只可能發生一次轉變，也就是說如果第一次狀 態發生了變化，那么第二次肯定不會發生變化，出現這種情況的原因是根據狀態發生轉變 的條件決定的；然后本周期第一個控制電壓Vcl (η)會重新輸入到控制電壓限定模塊，控制 電壓限定模塊根據本周期控制環路系統的狀態值state得到本周期第二次輸出控制電壓 Vc2 (η)，控制電壓Vc2 (η)會輸入到多模式開關信號產生模塊；多模式開關信號產生模塊接 著進行的操作就是判斷本周期控制環路系統的狀態值state和上周期控制環路系統的狀 態值statel是否相同，如果不同，則直接結束本周期，并產生受控功率變化器開關導通信 號，使得受控功率變換器開關導通；如果相同，則根據本周期計算得到的開關頻率值，到本 周期正常結束，產生受控功率變化器開關導通信號，使得受控功率變換器開關管導通；控制 環路系統中： 數字采樣模塊用于采集功率變換器的輸出電壓信號并將其轉化為數字信號Vod ; 誤差產生模塊包括一個減法器，用于將基準電壓Vref與數字采樣模塊采集得到的數 字信號Vod相減得到誤差信號e (η); 狀態寄存模塊用于在每個開關周期進行狀態判斷之前寄存上周期的控制環路系統狀 態值 statel ; 狀態判斷模塊用于根據數字采樣模塊輸出Vod和控制電壓限定模塊的輸出控制電壓 準確跳變到本周期控制環路系統的狀態值state ; 誤差放大模塊是一個增量式的PI模塊，誤差放大模塊本周期的輸出定義為本周期控 制量P(n)，它內部的比例系數Kp、積分系數Ki和上周期控制量P(n-l)受到控制環路本周 期狀態值state調節； 控制電壓限定模塊包括比較器、多路選擇器、寄存器，控制電壓限定模塊根據控制環路 系統本周期狀態值state和本周期控制量Ρ (η)智能選擇輸出控制電壓，如果在一個控制環 路系統狀態值state中，本周期控制量Ρ(η)高與控制電壓限定模塊所限定的控制電壓范 圍，那么輸出的控制電壓將會是所限定控制電壓范圍的上限，如果在一個控制環路系統狀 態值state中，本周期控制量P(n)低于控制電壓限定模塊所限定的控制電壓范圍，那么輸 出的控制電壓將會是所限定控制電壓范圍的下限，如果本周期控制量P(n)在控制電壓限 定模塊所限定的控制電壓范圍內，那么控制電壓限定模塊直接把本周期控制量P(n)當成 控制電壓輸出； 多模式開關信號產生模塊包括比較器、寄存器、RS觸發器、PWM模塊、PFM模塊、DPWM模 塊、DPFM模塊、DDPWM模塊，多模式開關信號產生模塊根據控制環路系統本周期狀態state、 控制環路系統上周期狀態值statel和控制電壓限定模塊輸出的控制電壓來正確產生受控 功率變換器開關管的導通信號和關斷信號。2.根據權利要求1所述用于多模式數字開關電源的控制環路系統，其特征在于，在一 個開關周期內控制環路系統的控制流程包括以下具體內容： 把一個開關周期劃分為十個階段： 第一階段：在受控功率轉換器開關管導通期間，多模式開關信號產生模塊根據控制環 路系統上周期的狀態值statel和上周期控制電壓Vc2(n_l)計算得到本周期開關導通時間 和本周期的開關頻率，保證受控功率轉換器開關管的正常工作； 第二階段：數字采樣模塊采集受控功率變換器的輸出電壓信號并將其轉化為數字信號 Vod，然后同時輸出給誤差產生模塊和狀態判斷模塊； 第三階段：狀態判斷模塊把控制環路系統上周期狀態值...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐申，程松林，范獻軍，錢欽松，孫偉鋒，陸生禮，時龍興，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32