一種脈沖寬度調制開關電源及其供電控制方法

專利名稱：一種脈沖寬度調制開關電源及其供電控制方法
技術領域：
本發明涉及開關電源技術領域，特別是一種脈沖寬度調制開關電源及其供電控制
方法。
背景技術：
隨著芯片制造工藝的發展，越來越多的開關電源使用P麗(Pulse
WideModulation，脈沖寬度調制)來實現。 使用P麗實現的開關電源如圖1所示，包括 P麗控制器，生成第一 P麗信號和與所述第一 P麗信號反相的第二 P麗信號；
第一M0SFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬 氧化物半導體場效應晶體管)和第二 M0SFET，所述第一 MOSFET和第二 M0SFET的柵極分別 接收所述第一 P麗信號和第二 P麗信號，且所述第一 MOSFET的第一端子與電源輸入端子連 接，所述第二MOSFET的第二端子與接地端子連接，所述第一MOSFET的第二端子與所述第二 MOSFET的第一端子連接； 電感，一端與電源輸出端口 VOUT連接，另一端連接所述第一MOSFET的第二端子和 所述第二 MOSFET的第一端子； 電容，一端接地，另一端連接到所述電感和所述電源輸出端口 VOUT之間的通道 上； 然而，在負載較大時，圖1所示的開關電源具有負載區域的傳導損耗較大的缺陷， 因此，對于負載較大的開關電源，為了降低上述開關電源的傳導損耗，在圖l所示的P麗開 關電源的基礎上增加一組MOSFET，如圖2所示。 相對于圖1而言，圖2的P麗開關電源中還包括分別與第一MOSFET和第二MOSFET 并聯的第三MOSFET和第四MOSFET，其中所述第三MOSFET和第四MOSFET的柵極分別接收所述第一 P麗信號和第二 P麗信 號，且所述第一MOSFET的第一端子與電源輸入端子連接，所述第二MOSFET的第二端子與接 地端子連接，所述第一 MOSFET的第二端子與所述第二 MOSFET的第一端子連接；
所述電感的另一端還連接到所述第三MOSFET的第二端子和所述第四MOSFET的第
一端子。 在上述的說明中，第一 MOSFET的第一端子有可能是源極，也有可能是漏極，而第 二 MOSFET的第一端子有可能是源極，也有可能是漏極，這和MOSFET的溝道類型相關，這一 點為本領域技術人員所熟知，在此不詳細描述。 發明人在實現本發明實施例的過程中發現，現有技術的P麗開關電源至少存在以 下缺點 P麗開關電源在高負載的情況下，MOSEFT并聯方式的P麗開關電源，會導致寄生電 容的增加，加大開關能量損耗，但由于傳導能量損耗占主導地位，而MOSEFT并聯方式的P麗 開關電源能有效降低傳導能量損耗，所以能夠提高電源效率，然而，相對于低負載而言，P麗開關電源的能量損耗中，開關能量損耗占主導地位，此時M0SEFT并聯方式的P麗開關電源
雖然降低了傳導能量損耗，但加大了開關能量損耗，而由于開關能量損耗處于主導地位，所
以MOSEFT并聯方式的P麗開關電源在低負載情況下，電源效率較低。 而采用單一 MOSFET的P麗開關電源在高負載的情況下電源效率較低。 然而，一般情況下，一旦開關電源完成設計，線路結構就固定了，但電源負載是不
停變化的，所以現有的P麗開關電源的電源效率只是一個局部優化，沒有實現全局優化。

發明內容
本發明實施例的目的是提供一種脈沖寬度調制開關電源及其供電控制方法，提高 P麗開關電源的整體電源效率。 為了實現上述目的，本發明實施例提供了一種脈沖寬度調制開關電源，包括 脈寬調制P麗控制器，用于生成第一 P麗信號和與所述第一 PWM信號反相的第二
P麗信號，并輸出所述第一P麗信號和第二P麗信號； 金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET組，所述MOSFET組包括第一 MOSFET和第 二MOSFET，所述第一 MOSFET的柵極用于接收所述第一 P麗信號，所述第二 MOSFET的柵極用 于接收所述第二P麗信號； 電感，一端與電源輸出端口連接，另一端與所述第一 MOSFET和第二 MOSFET連接；
電容，一端接地，另一端連接到所述電感和所述電源輸出端口之間的通道上；
所述MOSFET組還包括至少一個被控MOSFET，每個所述至少一個被控MOSFET與所 述第一 MOSFET或第二 MOSFET并聯； 所述脈沖寬度調制開關電源還包括狀態控制模塊，所述狀態控制模塊用于根據控 制參數控制所述至少一個被控MOSFET的工作狀態，使所述MOSFET組從第一工作狀態改變 為第二工作狀態，在所述第二工作狀態下，所述MOSFET組的總功率損耗小于所述第一工作 狀態下所述MOSFET組的總功率損耗。 上述的脈沖寬度調制開關電源，其中，所述至少一個被控MOSFET中與所述第一 MOSFET并聯的MOSFET的柵極用于接收所述第一P麗信號，另外兩個端子中的一個與所述電 源輸入端子連接，另一個與所述電感的另一端連接。 上述的脈沖寬度調制開關電源，其中，所述至少一個被控MOSFET中與所述第二 MOSFET并聯的MOSFET的柵極用于接收所述第二P麗信號，另外兩個端子中的一個與所述電 感的另一端連接，另一個與接地端子連接。 上述的脈沖寬度調制開關電源，其中，所述控制參數為負載、負載電流或用戶輸入 控制命令。 上述的脈沖寬度調制開關電源，其中，所述狀態控制模塊具體包括 與所述至少一個被控MOSFET —一對應設置的狀態控制開關，每個所述狀態控制
開關設置于對應的MOSFET的柵極； 通斷控制單元，用于根據所述控制參數控制所述狀態控制開關的導通和斷開。
上述的脈沖寬度調制開關電源，其中，所述控制參數為負載時，所述通斷控制單元 具體包括 第一獲取單元，用于根據預先保存的負載與總功率損耗之間的對應關系，獲取所
5述M0SFET組處于所述第一工作狀態時，當前負載對應的當前總功率損耗；
第一選擇單元，用于從所述MOSFET組的所有可能的工作狀態中，選擇所述第二工 作狀態，所述MOSFET組處于所述第二工作狀態時，當前負載對應的總功率損耗小于所述當 前總功率損耗； 第一開關控制單元，用于控制所述狀態控制開關，使所述MOSFET組的工作狀態改 變為所述第二工作狀態。 上述的脈沖寬度調制開關電源，其中，所述控制參數為負載電流時，所述通斷控制 單元具體包括 第二獲取單元，用于根據預先保存的負載電流與總功率損耗之間的對應關系，獲 取所述MOSFET組處于所述第一工作狀態時，當前負載電流對應的當前總功率損耗；
第二選擇單元，用于所述MOSFET組的所有可能的工作狀態中，選擇所述第二工作 狀態，所述MOSFET組處于所述第二工作狀態時，當前負載電流對應的總功率損耗小于所述 當前總功率損耗； 第二開關控制單元，用于控制所述狀態控制開關，使所述MOSFET組的工作狀態改 變為所述第二工作狀態。 上述的脈沖寬度調制開關電源，其中，所述MOSFET組的所有可能的工作狀態中， 所述M0SFET組處于所述第二工作狀態時，當前負載對應的總功率損耗最小。
上述的脈沖寬度調制開關電源，其中，所述控制參數為用戶輸入控制命令時，所述 通斷控制單元具體包括 提取單元，提取所述用戶輸入控制命令中的所述M0SFET組的工作狀態； 第三開關控制單元，用于控制所述狀態控制開關，使所述MOSFET組的工作狀態改
變為所述用戶輸入控制命令中的工作狀態。 上述的脈沖寬度調制開關電源，其中，還包括 溫度控制模塊，用于在處于工作狀態的MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值時， 控制與所述當前溫度超出預設溫度閾值的MOSFET并聯，且處于關閉狀態的MOSFET中的至 少一個MOSFET開啟。 為了實現上述目的，本發明實施例還提供了一種脈沖寬度調制開關電源的供電控 制方法，所述脈沖寬度調制開關電源包括金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET組，所述 MOSFET組包括第一 MOSFET、第二 MOSFET和至少一個與所述第一 MOSFET或第二 MOSFET并 聯的被控MOSFET，所述方法包括 根據預先保存的控制參數與總功率損耗之間的對應關系，獲取所述MOSFET組在 第一工作狀態下，當前控制參數對應的當前總功率損耗； 從所述MOSFET組的所有可能的工作狀態中，選擇第二工作狀態，所述MOSFET組在 所述第二工作狀態下，當前負載電流對應的總功率損耗小于所述當前總功率損耗；
控制所述MOSFET組的工作狀態從所述第一工作狀態改變為所述第二工作狀態。
上述的方法，其中，所述控制參數為負載、負載電流或用戶輸入控制命令。
上述的方法，其中，所述至少一個被控MOSFET —一對應設置有狀態控制開關，通 過控制所述狀態控制開關控制所述MOSFET組的工作狀態的改變。
上述的方法，其中，還包括
在處于工作狀態的M0SFET的當前溫度超出預設溫度閾值時，控制與所述當前溫 度超出預設溫度閾值的MOSFET并聯，且處于關閉狀態的MOSFET中的至少一個MOSFET開 啟。 本發明實施例具有以下的有益效果 本發明實施例的裝置和方法中，對于MOSFET為3個或以上的情況時，設置一狀 態控制模塊，由狀態控制模塊根據控制參數控制MOSFET組的工作狀態的變化，從而所述 MOSFET組的總功率損耗小于所述第一工作狀態下所述MOSFET組的總功率損耗，有效地提 高了電源的使用效率； 同時，由于控制模塊根據外界參數的變化來進行MOSFET組的工作狀態的改變，使 電源能根據負載的變化進行調整，實現了電源使用效率的全局優化； 同時，當發現在處于工作狀態的MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值時，控制與 所述當前溫度超出預設溫度閾值的MOSFET并聯，且處于關閉狀態的MOSFET中的至少一個 MOSFET開啟，以降低總的導通電阻，使得并聯后的傳導損耗(或稱導通損耗)小于控制前的 傳導損耗，降低器件溫度，保證了器件的使用安全。


圖1為現有技術中使用P麗實現的開關電源的結構示意圖； 圖2為現有技術中MOSEFT并聯方式的P麗開關電源的結構示意圖； 圖3為本發明實施例一的P麗開關電源的結構示意圖； 圖4為本發明實施例二的P麗開關電源的結構示意圖； 圖5為本發明實施例三的P麗開關電源的結構示意圖； 圖6為本發明實施例的方法的流程示意圖。
具體實施例方式
本發明實施例的脈沖寬度調制開關電源及其供電控制方法中，獲取電源負載的 判斷參數，并根據電源負載的判斷參數控制第三MOSFET和第四MOSFET的工作狀態，提高 MOSEFT并聯方式的P麗開關電源的電源效率。
MOSFET中產生的損耗主要包括如下兩類 MOSFET的導通電阻RDS (on)造成的傳導損耗(或稱導通損耗)；禾口 MOSFET導通及關斷瞬間，在一定的柵源電壓下，對MOSFET的極間電容進行充電和
放電造成的開關損耗(或稱柵極驅動損耗)。 當然，MOSFET中還存在其他損耗，但相對導通損耗和開關損耗來講基本可以忽略，
因此，在本發明的具體實施例中僅考慮導通損耗和開關損耗。 同時，本發明實施例中涉及到如下概念，先說明如下 MOSFET工作狀態，包括兩種，開啟狀態和關閉狀態，相當于被驅動狀態(柵極有驅
動信號)和無驅動狀態(柵極沒有驅動信號)；MOSFET組，電源中的所有MOSFET組成MOSFET組。 MOSFET組的工作狀態，MOSFET組中的任意一個MOSFET的狀態發生變化都會導致 MOSFET組的工作狀態發生變化。
下面以不同的實施例對本發明的裝置及方法分別進行詳細說明。
〈實施例一 > 在實施例一中，以兩個并聯的MOSFET構成上管，而下管為一個MOSFET的情況進行 詳細說明。 本發明實施例一的脈沖寬度調制開關電源如圖3所示，包括 P麗控制器，用于生成并生成第一 P麗信號和與所述第一 P麗信號反相的第二 P麗 信號，并輸出第一P麗信號和第二P麗信號；MOSFET組，包括第一 M0SFET、第二 MOSFET和第三MOSFET ; 第一MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬氧 化物半導體場效應晶體管)和第二 M0SFET，所述第一 MOSFET和第二 MOSFET的柵極分別接 收所述第一 P麗信號和第二 P麗信號(也就是第一 MOSFET的柵極用于接收所述第一 P麗 信號，第二 MOSFET的柵極用于接收所述第二 P麗信號)，且所述第一 MOSFET的第一端子與 電源輸入端子連接，所述第二MOSFET的第二端子與接地端子連接，所述第一MOSFET的第二 端子與所述第二 MOSFET的第一端子連接； 電感，一端與電源輸出端口 VOUT連接，另一端與所述第一MOSFET的第二端子和所 述第二 MOSFET的第一端子連接； 電容，一端接地，另一端連接到所述電感和所述電源輸出端口 VOUT之間的通道 上； 第三MOSFET，所述第三MOSFET的柵極接收所述第一 PWM信號，且所述第三MOSFET 的第一端子與電源輸入端子連接，所述第三MOSFET的第二端子與所述電感的另一端連接；
第一狀態控制模塊，用于根據控制參數控制所述第三MOSFET的工作狀態；
所述第三MOSFET被所述第一控制模塊控制，從第一工作狀態變化到第二工作狀 態，所述第三MOSFET處于第一工作狀態時，所述MOSFET組(包括第一 M0SFET、第二 MOSFET 和第三MOSFET)具有第一總功率損耗，所述第三MOSFET處于第二工作狀態時，所述MOSFET 組(包括第一 M0SFET、第二 MOSFET和第三MOSFET具有小于所述第一總功率損耗的第二總 功率損耗。 正如背景技術中所描述的，在此，組成MOSFET組的3個MOSFET的第一端子有可能 是相同的端子，如都是漏極、源極，也可能不同，與MOSFET的選型有關。
其中MOSFET的工作狀態就包括兩種工作狀態和停止狀態。
本發明第一實施例的第一控制模塊可以通過如下方式實現。
第一控制模塊包括 第一開關，設置于所述第三MOSFET的柵極； 第一通斷控制單元，用于根據控制參數控制所述第三開關的通斷。 同時，在本發明的具體實施例一中，需要控制所述第三MOSFET的工作狀態，以降
低所有MOSFET的總功率損耗，在具體實施例一中可以通過如下的方式來實現〈方式一，根據負載情況進行控制> 對于方式一，該控制參數為當前負載。 —旦MOSFET的選型確定后，對于實施例一的情況，其中，對于電源的所有MOSFET 而言，MOSFET組的工作狀態包括兩種情形，如下
狀態Al，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于開啟狀態；禾口
狀態A2，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于關閉狀態。
首先離線測試并保存狀態A1和狀態A2下，所有MOSFET的總功率損耗與負載之間 的關系曲線。 在實際控制時，第一通斷控制單元獲取當前負載，根據總功率損耗與負載之間的
關系曲線，分別得到MOSFET組的狀態Al對應的當前總功率損耗All和MOSFET組的狀態A2
對應的當前總功率損耗A21，此時，第一控制單元的控制動作如下所述 假定MOSFET組狀態Al，此時，如果總功率損耗All小于或等于當前總功率損耗
A21，則保持不變，否則控制MOSFET組處于狀態A2，即控制第一開關斷開。 假定MOSFET組狀態A2，此時，如果總功率損耗All小于或等于當前總功率損耗
A21 ，則控制MOSFET組處于狀態Al，即控制第一開關開啟，否則保持不變。〈方式二，根據外部電流進行控制> —旦MOSFET的選型確定后，對于實施例一的情況，其中，對于電源整體而言， MOSFET組的工作狀態包括兩種情形，如下狀態Al ，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于開啟狀態；禾口
狀態A2，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于關閉狀態。
首先離線測試并保存狀態A1和狀態A2下，所有MOSFET的總功率損耗與負載電流 之間的關系曲線。 在實際控制時，第一通斷控制單元獲取當前負載電流，根據總功率損耗與負載電
流之間的關系曲線，分別得到MOSFET組的狀態Al對應的當前總功率損耗All和MOSFET組
的狀態A2對應的當前總功率損耗A21，此時，第一控制單元的控制動作如下所述 假定MOSFET組處于狀態Al，此時，如果總功率損耗All小于或等于當前總功率損
耗A21，則保持不變，否則控制MOSFET組處于狀態A2，即控制第一開關斷開。 假定MOSFET組處于狀態A2，此時，如果總功率損耗All小于或等于當前總功率損
耗A21 ，則控制MOSFET組處于狀態Al，即控制第一開關開啟，否則保持不變。 在上述的方式一和方式二的控制下，確實可以降低總功率損耗，然而MOSFET的導
通電阻RDS(on)造成的傳導損耗(或稱導通損耗)會導致MOSFET的溫度升高，每個MOSFET
都有其最高能夠承受的溫度，因此，本發明實施例的工作狀態切換同時還需要兼顧溫度，因
此，該第一控制模塊還包括 第一溫度控制單元，在所述第一 MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值時，且所述 第一開關沒有導通時，控制所述第一開關導通。 通過上述的控制，由于第一 MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值，此時，控制第 一開關導通，此時第一 MOSFET和第三MOSFET共同工作，第一 MOSFET和第三MOSFET并聯， 總的導通電阻RDS(on)小于第一MOSFET的導通電阻，所以并聯后的傳導損耗(或稱導通損 耗)必然小于控制前的傳導損耗，也就會使得溫度降低。
〈方式三，根據用戶輸入指令控制> —旦MOSFET的選型確定后，對于實施例一的情況，其中，對于電源整體而言， MOSFET組的工作狀態包括兩種情形，如下狀態Al ，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于開啟狀態；禾口
9
狀態A2，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于關閉狀態。
此時，根據用戶的外部輸入指令可以控制狀態之間的轉換，即提取用戶輸入指令 中的MOSFET組工作狀態，并控制開關，使MOSFET組處于指令中的MOSFET組工作狀態。
〈實施例二〉 在實施例二中，以兩個并聯的MOSFET構成上管，兩個并聯的MOSFET構成下管的情 況進行詳細說明。 本發明實施例二的脈沖寬度調制開關電源如圖4所示，包括 P麗控制器，用于生成并生成第一 P麗信號和與所述第一 P麗信號反相的第二 P麗
信號，并輸出第一P麗信號和第二P麗信號； M0SFET組，包括第一 M0SFET、第二 M0SFET、第三M0SFET和第四MOSFET ;
第一 MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬 氧化物半導體場效應晶體管)和第二 M0SFET，所述第一 MOSFET和第二 MOSFET的柵極分別 接收所述第一 P麗信號和第二 P麗信號，且所述第一 MOSFET的第一端子與電源輸入端子連 接，所述第二MOSFET的第二端子與接地端子連接，所述第一MOSFET的第二端子與所述第二 MOSFET的第一端子連接； 電感，一端與電源輸出端口 VOUT連接，另一端與所述第一MOSFET的第二端子和所 述第二 MOSFET的第一端子連接； 電容，一端接地，另一端連接到所述電感和所述電源輸出端口 VOUT之間的通道 上； 第三MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬 氧化物半導體場效應晶體管)和第四MOSFET，所述第三MOSFET和第四MOSFET的柵極分別 接收所述第一 P麗信號和第二 P麗信號，且所述第三MOSFET的第一端子與電源輸入端子連 接，所述第四MOSFET的第二端子與接地端子連接，所述第三MOSFET的第二端子與所述第四 MOSFET的第一端子連接； 第二狀態控制模塊，用于根據控制參數控制所述第三MOSFET和第四MOSFET中的 至少一個的工作狀態； 所述第三MOSFET和第四MOSFET中的至少一個的工作狀態被所述第一控制模塊控
制，工作狀態變化之前，所有MOSFET具有第三總功率損耗，工作狀態變化之后，所有MOSFET
具有小于所述第三總功率損耗的第四總功率損耗。 其中MOSFET的工作狀態就包括兩種工作狀態和停止狀態。 本發明第二實施例的第二狀態控制模塊可以通過如下方式實現。 第二狀態控制模塊包括 第二開關，設置于所述第三MOSFET的柵極； 第三開關，設置于所述第四MOSFET的柵極； 第二通斷控制單元，用于根據控制參數控制所述第三開關和第四開關的通斷。
同時，在本發明的具體實施例耳中，需要控制所述第三MOSFET和第四MOSFET的 工作狀態，以降低所有MOSFET的總功率損耗，在具體實施例二中可以通過如下的方式來實 現〈方式一，根據負載情況進行控制>
對于方式一，該控制參數為當前負載。 —旦M0SFET的選型確定后，對于實施例二的情況，其中，MOSFET組的工作狀態包 括兩種工作情形，如下 狀態Bl，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET和第四MOSFET處于開 啟狀態； 狀態B2，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于開啟狀態，第四 MOSFET處于關閉狀態； 狀態B3，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于關閉狀態，第四 MOSFET處于開啟狀態； 狀態B4，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET和第四MOSFET處于關 閉狀態。 首先離線測試并保存狀態B1、B2、B3和B4下，所有MOSFET的總功率損耗與負載之 間的關系曲線。 在實際控制時，第二通斷控制單元獲取當前負載，根據總功率損耗與負載之間的 關系曲線，分別得到狀態B1 、 B2 、 B3和B4對應的總功率損耗B11 、 B21 、 B31和B41 ，此時，第 二通斷控制單元的控制動作如下所述 首先，獲取MOSFET組的當前工作狀態下的當前總功率損耗；
從B11、B21、B31和B41中選擇小于當前總功率損耗的值； 將MOSFET組的工作狀態控制為選擇的小于當前總功率損耗的值中的任意一個 所對應的MOSFET組工作狀態，當然，最好的是控制電源處于選擇的值中的最小值對應的 MOSFET組工作狀態。 對于狀態的控制，通過開關來控制，如控制第二開關和第三開關導通，使MOSFET 組處于狀態Bl，控制第二開關和第三開關打開，使MOSFET組處于狀態B4。
〈方式二，根據外部電流進行控制> —旦MOSFET的選型確定后，對于實施例二的情況，其中，對于電源整體而言， MOSFET組的工作狀態包括兩種工作情形，如下 狀態Bl，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET和第四MOSFET處于開 啟狀態； 狀態B2，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于開啟狀態，第四 MOSFET處于關閉狀態； 狀態B3，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于關閉狀態，第四 MOSFET處于開啟狀態； 狀態B4，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET和第四MOSFET處于關 閉狀態。 首先離線測試并保存狀態B1、B2、B3和B4下，所有MOSFET的總功率損耗與負載電 流之間的關系曲線。 在實際控制時，第二通斷控制單元獲取當前負載電流，根據總功率損耗與負載電 流之間的關系曲線，分別得到狀態B1、B2、B3和B4對應的當前總功率損耗B11、B21、B31和 B41，此時，第二通斷控制單元的控制動作如下所述
根據當前負載電流，獲取MOSFET組的當前工作狀態下的當前總功率損耗；
從B11、B21、B31和B41中選擇小于當前總功率損耗的值； 將MOSFET組的工作狀態控制為選擇的小于當前總功率損耗的值中的任意一個 所對應的MOSFET組工作狀態，當然，最好的是控制電源處于選擇的值中的最小值對應的 MOSFET組工作狀態。 對于MOSFET組工作狀態的控制，通過開關來控制，如控制第二開關和第三開關導 通，使MOSFET組處于狀態Bl，控制第二開關和第三開關打開，使MOSFET組處于狀態B4。
在上述的方式一和方式二的控制下，其實時進行查表處理，確認狀態的控制、切 換，當然也可以根據所有MOSFET組工作狀態B1、B2、B3和B4下，總功率損耗與控制參數之 間的關系曲線，得到每個控制參數下總功率損耗最小的MOSFET組工作狀態，然后，獲取當 前控制參數，進而獲取與當前控制參數相對應的總功率損耗最小的MOSFET組工作狀態即 可，與實時計算的實現原理基本相同。 在上述的方式一和方式二的控制下，確實可以降低總功率損耗，然而MOSFET的導 通電阻RDS(on)造成的傳導損耗(或稱導通損耗)會導致MOSFET的溫度升高，每個MOSFET 都有其最高能夠承受的溫度，因此，本發明實施例的工作狀態切換同時還需要兼顧溫度，因 此，該第二狀態控制模塊還包括 第二溫度控制單元，在所述第一 MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值時，且所述 第一開關沒有導通時，控制所述第二開關導通，且在所述第二 MOSFET的當前溫度超出預設 溫度閾值時，且所述第三開關沒有導通時，控制所述第三開關導通，。 通過上述的控制，由于第一 MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值，此時，控制第 一開關導通，此時第一 MOSFET和第三MOSFET共同工作，第一 MOSFET和第三MOSFET并聯， 總的導通電阻RDS(on)小于第一MOSFET的導通電阻，所以并聯后的傳導損耗(或稱導通損 耗)必然小于控制前的傳導損耗，也就會使得溫度降低，對于第二MOSFET也是同樣的理由， 可以降低工作溫度。〈方式三，根據用戶輸入指令控制> —旦MOSFET的選型確定后，對于實施例二的情況，其中，對于電源整體而言， MOSFET組的工作狀態包括兩種工作情形，如下 狀態Bl，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET和第四MOSFET處于開 啟狀態； 狀態B2，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于開啟狀態，第四 MOSFET處于關閉狀態； 狀態B3，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET處于關閉狀態，第四 MOSFET處于開啟狀態； 狀態B4，第一和第二 MOSFET處于開啟狀態，且第三MOSFET和第四MOSFET處于關 閉狀態。 此時，根據用戶的外部輸入指令可以控制MOSFET組的工作狀態的轉換，以降低總 功率損耗。〈實施例三〉在實施例三中，以至少三個并聯的MOSFET構成上管，至少三個并聯的MOSFET構成下管的情況進行詳細說明。 本發明實施例三的脈沖寬度調制開關電源如圖5所示，考慮到圖的簡潔，圖中的 FET都表示MOSFET，包括 P麗控制器，用于生成并生成第一 P麗信號和與所述第一 P麗信號反相的第二 P麗 信號，并輸出第一P麗信號和第二P麗信號； MOSFET組，包括第一 M0SFET、第二 MOSFET、第一 MOSFET集合和第二 MOSFET集合；
第一 MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬 氧化物半導體場效應晶體管)和第二 M0SFET，所述第一 MOSFET和第二 MOSFET的柵極分別 接收所述第一 P麗信號和第二 P麗信號，且所述第一 MOSFET的第一端子與電源輸入端子連 接，所述第二MOSFET的第二端子與接地端子連接，所述第一MOSFET的第二端子與所述第二 MOSFET的第一端子連接； 第一MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬氧 化物半導體場效應晶體管)集合，包括至少兩個M0SFET，每個MOSFET的柵極接收所述第一 P麗信號，第一端子與電源輸入端子連接； 第二MOSFET (Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬氧 化物半導體場效應晶體管)集合，包括至少兩個M0SFET，每個MOSFET的柵極接收所述第二 P麗信號，第二端子與接地端子連接； 電感，一端與電源輸出端口 VOUT連接，另一端與所述第一 MOSFET集合中的每個 MOSFET和第一 MOSFET的第二端子連接，且與所述第二 MOSFET集合中的每個MOSFET和第一 MOSFET的第二端子連接； 電容，一端接地，另一端連接到所述電感和所述電源輸出端口 VOUT之間的通道 上； 第三狀態控制模塊，用于根據控制參數控制所述第一 MOSFET集合和第二 MOSFET 集合中的至少一個MOSFET的工作狀態；所述第一 MOSFET集合和第二 MOSFET集合中的至少一個MOSFET的工作狀態被所 述第三狀態控制模塊控制，工作狀態變化之前，所有MOSFET具有第五總功率損耗，工作狀 態變化之后，所有MOSFET具有小于所述第五總功率損耗的第六總功率損耗。
其中MOSFET的工作狀態就包括兩種工作狀態和停止狀態。
本發明第三實施例的第三狀態控制模塊可以通過如下方式實現。
第三狀態控制模塊包括 第一開關組，包括一一對應于所述第一 MOSFET集合的MOSFET的柵極設置的第四 開關； 第二開關組，包括一一對應于所述第二 MOSFET集合的MOSFET的柵極設置的第五 開關； 第三通斷控制單元，用于根據控制參數控制所述第一開關組和第二開關組中的開 關的通斷。 同時，在本發明的具體實施例耳中，需要控制所述第一 MOSFET集合和第二 MOSFET 集合中的MOSFET的工作狀態，以降低所有MOSFET的總功率損耗，在具體實施例三中可以通 過如下的方式來實現
13
〈方式一，根據負載情況進行控制>
對于方式一，該控制參數為當前負載。 —旦M0SFET的選型確定后，對于實施例一的情況，其中，對于電源整體而言，
M0SFET組的工作狀態包括多種工作情形，如下 所有M0SFET的開啟與關閉的組合對應的狀態。 首先離線測試并保存所有狀態下，M0SFET組的總功率損耗與負載之間的關系曲 線。 在實際控制時，第三通斷控制單元獲取當前負載，根據總功率損耗與負載之間的 關系曲線，分別得到所有MOSFET組的工作狀態對應于當前負載的總功率損耗，此時，第三 通斷控制單元的控制動作如下所述 根據當前負載，獲取MOSFET組的當前工作狀態下的當前總功率損耗； 從所有MOSFET組工作狀態對應于當前負載的總功率損耗中選擇小于當前總功率
損耗的值； 將MOSFET組的工作狀態控制為選擇的小于當前總功率損耗的值中的任意一個 所對應的MOSFET組工作狀態，當然，最好的是控制電源處于選擇的值中的最小值對應的 MOSFET組工作狀態。 對于狀態的控制，通過控制開關組中的開關來控制。
〈方式二，根據外部電流進行控制>
對于方式一，該控制參數為當前負載。 —旦M0SFET的選型確定后，對于實施例三的情況，其中，對于M0SFET組而言，包括 多種工作情形，如下 所有M0SFET的開啟與關閉的組合對應的狀態。 首先離線測試并保存所有M0SFET組工作狀態下，M0SFET組的總功率損耗與負載 電流之間的關系曲線。 在實際控制時，第三通斷控制單元獲取當前負載電流，根據總功率損耗與負載電 流之間的關系曲線，分別得到所有MOSFET組工作狀態對應于當前負載電流的總功率損耗， 此時，第三通斷控制單元的控制動作如下所述 根據當前負載電流，獲取MOSFET組的當前工作狀態下的當前總功率損耗；
從所有M0SFET組工作狀態對應于當前負載電流的總功率損耗中選擇小于當前總 功率損耗的值； 將MOSFET組的工作狀態控制為選擇的小于當前總功率損耗的值中的任意一個 所對應的MOSFET組工作狀態，當然，最好的是控制電源處于選擇的值中的最小值對應的 MOSFET組工作狀態。 對于狀態的控制，通過控制開關組中的開關來控制。 在上述的方式一和方式二的控制下，確實可以降低總功率損耗，然而M0SFET的導 通電阻RDS(on)造成的傳導損耗(或稱導通損耗)會導致MOSFET的溫度升高，每個MOSFET 都有其最高能夠承受的溫度，因此，本發明實施例的工作狀態切換同時還需要兼顧溫度，因 此，該第三狀態控制模塊還包括 第三溫度控制單元，在當前處于工作狀態的MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾
14值時，控制與所述當前溫度超出預設溫度閾值的MOSFET并聯的，且對應的開關沒有開啟的 M0SFET中的至少一個MOSFET處于工作狀態。通過上述的控制，由于一個MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值，此時，控制一 個開關導通，此時增加了與該MOSFET共同并聯工作的MOSFET的數目，因此總的導通電阻 RDS(on)減小，所以也就會使得溫度降低。
〈方式三，根據用戶輸入指令控制> —旦MOSFET的選型確定后，對于實施例三的情況，其中，對于電源整體而言，包括 多種工作情形 所有MOSFET的開啟與關閉的組合對應的狀態 此時，根據用戶的外部輸入指令可以控制狀態之間的轉換，減小總的功率損耗。
在上述的實施例中，以上管和下管的MOSFET的個數為以下組合對本發明實施例 進行了說明 2個MOSFET組成上管，1個MOSFET組成下管；
2個MOSFET組成上管，2個MOSFET組成下管；
至少3個MOSFET組成上管，至少3個MOSFET組成下管。 但應當理解的是，本發明實施例方法同樣適用于以下的上管和下管的組成情形
1個MOSFET組成上管，2個MOSFET組成下管。
其處理方式與前面一致，在此不進行詳細說明。 本發明實施例的脈沖寬度調制開關電源的供電方法中，該脈沖寬度調制開關電 源包括MOSFET組，該MOSFET組包括第一金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET、第二 MOSFET和至少一個與所述第一 MOSFET或第二 MOSFET并聯的被控MOSFET，如圖6所示，包 括 步驟61，根據預先保存的控制參數與總功率損耗之間的對應關系，獲取MOSFET組 處于第一工作狀態時，當前控制參數對應的當前總功率損耗； 步驟63，從MOSFET組的所有可能的工作狀態中，選擇第二工作狀態，所述第二工
作狀態下，當前負載電流對應的總功率損耗小于所述當前總功率損耗； 步驟63，控制MOSFET組的工作狀態從所述第一工作狀態改變為所述第二工作狀態。 所述控制參數為負載、負載電流或用戶輸入控制命令。 所述至少一個被控MOSFET —一對應設置有狀態控制開關，通過控制所述狀態控 制開關控制所述MOSFET組的工作狀態的改變。
該方法還包括 在處于工作狀態的MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值時，控制與所述當前溫 度超出預設溫度閾值的MOSFET并聯，且處于關閉狀態的MOSFET中的至少一個MOSFET開 啟。 當然，在上述的各種實施例中，為了避免MOSFET整體狀態的頻繁切換，對器件使 用造成影響，可以設置控制模塊的工作頻率，例如如下方式
0232] 上一次控制MOSFET整體狀態切換后，必 經過預設時間才能進行第二次MOSFET 整體狀態切換；或
設置一個控制參數的預設區域，在該區域內不進行M0SFET整體狀態切換，選擇這 樣一個區域，一方面由于該區域兩者效率差別不大，另一方面可以避免選擇單一點進行判 斷容易造成負載在判斷點附近時，頻繁切換使供電系統不穩定。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
權利要求
一種脈沖寬度調制開關電源，包括脈寬調制PWM控制器，用于生成第一PWM信號和與所述第一PWM信號反相的第二PWM信號，并輸出所述第一PWM信號和第二PWM信號；金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET組，所述MOSFET組包括第一MOSFET和第二MOSFET，所述第一MOSFET的柵極用于接收所述第一PWM信號，所述第二MOSFET的柵極用于接收所述第二PWM信號；電感，一端與電源輸出端口連接，另一端與所述第一MOSFET和第二MOSFET連接；電容，一端接地，另一端連接到所述電感和所述電源輸出端口之間的通道上；其特征在于所述MOSFET組還包括至少一個被控MOSFET，每個所述至少一個被控MOSFET與所述第一MOSFET或第二MOSFET并聯；所述脈沖寬度調制開關電源還包括狀態控制模塊，所述狀態控制模塊用于根據控制參數控制所述至少一個被控MOSFET的工作狀態，使所述MOSFET組從第一工作狀態改變為第二工作狀態，在所述第二工作狀態下，所述MOSFET組的總功率損耗小于所述第一工作狀態下所述MOSFET組的總功率損耗。
2. 根據權利要求l所述的脈沖寬度調制開關電源，其特征在于，所述至少一個被控 MOSFET中與所述第一 MOSFET并聯的MOSFET的柵極用于接收所述第一 P麗信號，另外兩個 端子中的一個與所述電源輸入端子連接，另一個與所述電感的另一端連接。
3. 根據權利要求2所述的脈沖寬度調制開關電源，其特征在于，所述至少一個被控 MOSFET中與所述第二 MOSFET并聯的MOSFET的柵極用于接收所述第二 P麗信號，另外兩個 端子中的一個與所述電感的另一端連接，另一個與接地端子連接。
4. 根據權利要求1所述的脈沖寬度調制開關電源，其特征在于，所述控制參數為負載、 負載電流或用戶輸入控制命令。
5. 根據權利要求4所述的脈沖寬度調制開關電源，其特征在于，所述狀態控制模塊具 體包括與所述至少一個被控MOSFET—一對應設置的狀態控制開關，每個所述狀態控制開關 設置于對應的MOSFET的柵極；通斷控制單元，用于根據所述控制參數控制所述狀態控制開關的導通和斷開。
6. 根據權利要求5所述的脈沖寬度調制開關電源，其特征在于，所述控制參數為負載 時，所述通斷控制單元具體包括第一獲取單元，用于根據預先保存的負載與總功率損耗之間的對應關系，獲取所述 MOSFET組處于所述第一工作狀態時，當前負載對應的當前總功率損耗；第一選擇單元，用于從所述MOSFET組的所有可能的工作狀態中，選擇所述第二工作狀 態，所述MOSFET組處于所述第二工作狀態時，當前負載對應的總功率損耗小于所述當前總 功率損耗；第一開關控制單元，用于控制所述狀態控制開關，使所述MOSFET組的工作狀態改變為 所述第二工作狀態。
7. 根據權利要求5所述的脈沖寬度調制開關電源，其特征在于，所述控制參數為負載 電流時，所述通斷控制單元具體包括第二獲取單元，用于根據預先保存的負載電流與總功率損耗之間的對應關系，獲取所 述M0SFET組處于所述第一工作狀態時，當前負載電流對應的當前總功率損耗；第二選擇單元，用于所述MOSFET組的所有可能的工作狀態中，選擇所述第二工作狀 態，所述MOSFET組處于所述第二工作狀態時，當前負載電流對應的總功率損耗小于所述當 前總功率損耗；第二開關控制單元，用于控制所述狀態控制開關，使所述M0SFET組的工作狀態改變為 所述第二工作狀態。
8. 根據權利要求6或7所述的脈沖寬度調制開關電源，其特征在于，所述MOSFET組的 所有可能的工作狀態中，所述MOSFET組處于所述第二工作狀態時，當前負載對應的總功率 損耗最小。
9. 根據權利要求5所述的脈沖寬度調制開關電源，其特征在于，所述控制參數為用戶輸入控制命令時，所述通斷控制單元具體包括提取單元，提取所述用戶輸入控制命令中的所述MOSFET組的工作狀態； 第三開關控制單元，用于控制所述狀態控制開關，使所述MOSFET組的工作狀態改變為 所述用戶輸入控制命令中的工作狀態。
10. 根據權利要求4、5、6、7或9所述的脈沖寬度調制開關電源，其特征在于，還包括 溫度控制模塊，用于在處于工作狀態的MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值時，控制與所述當前溫度超出預設溫度閾值的MOSFET并聯，且處于關閉狀態的MOSFET中的至少一 個MOSFET開啟。
11. 一種脈沖寬度調制開關電源的供電控制方法，其特征在于，所述脈沖寬度調制開關 電源包括金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET組，所述MOSFET組包括第一MOSFET、第二 MOSFET和至少一個與所述第一 MOSFET或第二 MOSFET并聯的被控M0SFET，所述方法包括根據預先保存的控制參數與總功率損耗之間的對應關系，獲取所述MOSFET組在第一 工作狀態下，當前控制參數對應的當前總功率損耗；從所述MOSFET組的所有可能的工作狀態中，選擇第二工作狀態，所述MOSFET組在所述 第二工作狀態下，當前負載電流對應的總功率損耗小于所述當前總功率損耗；控制所述MOSFET組的工作狀態從所述第一工作狀態改變為所述第二工作狀態。
12. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制參數為負載、負載電流或用戶 輸入控制命令。
13. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一個被控MOSFET —一對應設 置有狀態控制開關，通過控制所述狀態控制開關控制所述MOSFET組的工作狀態的改變。
14. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括在處于工作狀態的MOSFET的當前溫度超出預設溫度閾值時，控制與所述當前溫度超 出預設溫度閾值的MOSFET并聯，且處于關閉狀態的MOSFET中的至少一個MOSFET開啟。
全文摘要
本發明提供了一種脈沖寬度調制PWM開關電源，解決了現有技術中PWM電源的效率局部最優的問題，該開關電源包括脈寬調制PWM控制器，金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET組，所述MOSFET組還包括至少一個被控MOSFET，每個所述至少一個被控MOSFET與所述第一MOSFET或第二MOSFET并聯；所述脈沖寬度調制開關電源還包括狀態控制模塊，所述狀態控制模塊用于根據控制參數控制所述至少一個被控MOSFET的工作狀態，使所述MOSFET組從第一工作狀態改變為第二工作狀態，降低MOSFET組的總功率損耗。本發明提高了開關電源的效率，實現了全局最優的效率。
文檔編號H02M7/505GK101753052SQ200810227940
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者張敏 申請人:聯想(北京)有限公司