一種提高開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)電源，尤其涉及一種提高開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 開(kāi)關(guān)電源通常作為各類(lèi)用電設(shè)備的電源，起到將未調(diào)整的交流或直流輸入電壓變 換為調(diào)整后的交流或直流輸出電壓。由于開(kāi)關(guān)電源需要適應(yīng)于不同的工作條件，對(duì)電源的 動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能要求越來(lái)越高。好的動(dòng)態(tài)效果要求與有小的電壓變化以及電壓恢復(fù)時(shí)間。 舉例而言在家電應(yīng)用中，洗衣機(jī)的電源負(fù)載功率變化很快很大，這樣電源輸出電壓引入過(guò) 壓與欠壓，當(dāng)過(guò)壓與欠壓過(guò)大時(shí)對(duì)洗衣機(jī)電源的負(fù)載傷害較大；另外在手機(jī)充電中，當(dāng)充電 器待機(jī)，手機(jī)突然加載，輸出電壓降低，當(dāng)降低到電池的正常電壓下，對(duì)電池有一定的傷害， 因此動(dòng)態(tài)性能需要提高。
[0003] 在現(xiàn)在的電源管理中，為了使得電源有較高的效率，一般的電源選擇多模式的控 制方法，多模式控制方法會(huì)引入動(dòng)態(tài)性能下降的問(wèn)題。下面以5V，1A輸出的反激變換器為 例，當(dāng)負(fù)載功耗減小時(shí)，為了減小電路損耗通常會(huì)減小開(kāi)關(guān)頻率。定義1A負(fù)載，為負(fù)載A， 開(kāi)關(guān)頻率匕為70kHz，電路具有較高的效率，0. 7A負(fù)載為負(fù)載B，開(kāi)關(guān)頻率f8為70kHz，0. 2A 負(fù)載為負(fù)載C，開(kāi)關(guān)頻率&為20kHz，0. 05A負(fù)載為負(fù)載D，開(kāi)關(guān)頻率fD為20kHz，負(fù)載點(diǎn)的開(kāi) 關(guān)頻率選擇是根據(jù)系統(tǒng)效率要求而選擇的。當(dāng)負(fù)載介于AB之間，采用PWM模式，負(fù)載介于 BC之間，采用PFM模式，負(fù)載介于⑶之間，采用PWM模式，記為DPWM模式，負(fù)載小于負(fù)載D 時(shí)，采用PFM模式，記為DPFM模式，負(fù)載從輕到重的工作模式為DPFM-DPWM-PFM-PWM。若負(fù) 載為待機(jī)時(shí)，根據(jù)假負(fù)載的大小，假定待機(jī)頻率為2kHz，此時(shí)控制模式為DPFM模式，若負(fù)載 突然改變?yōu)闈M(mǎn)載，輸出電壓以很快的速度下降，根據(jù)補(bǔ)償結(jié)果控制模式將會(huì)分別經(jīng)過(guò)DPWM， PFM，PWM模式，在補(bǔ)償結(jié)果未達(dá)到滿(mǎn)載的條件時(shí)，輸出電壓是一直在下降的，這可能造成嚴(yán) 重電壓下降，在有的條件下式無(wú)法忍受的；同樣的在滿(mǎn)載切換到輕載時(shí)，中間的模式控制過(guò) 程會(huì)造成電壓的持續(xù)上升，電壓會(huì)產(chǎn)生很大的過(guò)沖。另外，在有的條件下，為了防止模式切 換時(shí)，在切換點(diǎn)附近，控制模式在兩個(gè)模式之間來(lái)回切換，從一個(gè)模式切換到另一個(gè)模式需 要經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期來(lái)確認(rèn)需要切換模式控制，這種條件下，動(dòng)態(tài)的效果會(huì)進(jìn)一步降低。
[0004] 此外，在一些控制中，只能在一個(gè)周期采樣一次，例如在原邊反饋的反激電源中， 輸出電壓在只能在次級(jí)電流下降到零之前來(lái)采樣。這樣當(dāng)負(fù)載由輕切重時(shí)，DPWM的開(kāi)關(guān)頻 率低，即使PI調(diào)整很大，但為了保證穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)過(guò)程更加緩慢。
[0005] 另外，有的控制方法為了加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度，會(huì)提高PI參數(shù)來(lái)加快補(bǔ)償，以此 來(lái)提高動(dòng)態(tài)效果，但在多模式控制對(duì)提高動(dòng)態(tài)性能效果改善不大。
[0006] 因此由于動(dòng)態(tài)性能要求越來(lái)越高，多模式控制方法帶來(lái)的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，提出一種提 高開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制方法。對(duì)減小電壓過(guò)沖與欠壓，減小動(dòng)態(tài)回復(fù)時(shí)間有很好的效 果，對(duì)提尚電路的動(dòng)態(tài)性能很有必要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的局限和不足，本發(fā)明提出了一種提高開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制 方法，可以限制輸出電壓的過(guò)沖與欠壓在一定的范圍內(nèi)，并減小動(dòng)態(tài)回復(fù)時(shí)間，提高動(dòng)態(tài)性 能，在多模式控制中不會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使得電路的設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)性能更優(yōu)秀。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0009] -種提高開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制方法，其特征在于：基于包括采樣模塊、動(dòng)態(tài)控 制模塊、誤差計(jì)算模塊、PID模塊、模式控制模塊以及PWM模塊構(gòu)成的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng) 與受控的開(kāi)關(guān)電源連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)；
[0010] 采樣模塊包括采樣電路和采樣計(jì)算模塊，采樣電路通過(guò)開(kāi)關(guān)電源輸出分壓得到輸 出電壓的信息，采樣計(jì)算模塊根據(jù)采樣電路的結(jié)果計(jì)算得到輸出電壓大小的信號(hào)Vo;
[0011] 動(dòng)態(tài)控制模塊包括電壓監(jiān)測(cè)模塊和斜率計(jì)算模塊；電壓監(jiān)測(cè)模塊接收采樣模塊輸 出的采樣結(jié)果Vo并根據(jù)Vo的大小分別與設(shè)定的Vo上限值Vomax、Vo下限值Vomin以及參 考電壓Vref的大小關(guān)系，判斷是否采用動(dòng)態(tài)模式，其中Vomin〈Vref〈Vomax;動(dòng)態(tài)模式是指 當(dāng)輸出電壓Vo變化很大時(shí)，通過(guò)輸入大功率或小功率的方法使得輸出電壓Vo快速返回到 穩(wěn)定電壓，動(dòng)態(tài)模式包括恒定頻率的輕載切重載LTH模式及恒定頻率的重載切輕載HTL模 式；
[0012] 電壓監(jiān)測(cè)模塊將模式選擇結(jié)果mode_F輸出到模式控制模塊與斜率計(jì)算模塊，若 電壓監(jiān)測(cè)模塊判斷系統(tǒng)進(jìn)入動(dòng)態(tài)模式時(shí)，斜率計(jì)算模塊計(jì)算電壓變化斜率；若正常工作模 式時(shí)，控制斜率計(jì)算模塊的輸出鎖存不變；斜率計(jì)算模塊在電壓監(jiān)測(cè)模塊輸出LTH模式時(shí) 計(jì)算Vo的上升斜率；電壓監(jiān)測(cè)模塊輸出HTL模式時(shí)，計(jì)算Vo下降的斜率；采用正常工作模 式時(shí)，斜率計(jì)算模塊不計(jì)算斜率，斜率Kslope保持不變；斜率計(jì)算模塊的結(jié)果Kslope輸出 給模式控制模塊；
[0013] 電壓監(jiān)測(cè)模塊中包含三個(gè)比較器C0MP1、C0MP2和C0MP3以及一個(gè)邏輯單元，比較 器C0MP1的正端連接設(shè)定的Vo上限值Vomax，負(fù)端連接Vo ;比較器C0MP2的正端連接Vo， 負(fù)端連接設(shè)定的參考電壓Vref ;比較器C0MP3的正端連接Vo,負(fù)端連接設(shè)定的Vo下限值 Vomin，邏輯單元單元根據(jù)三個(gè)比較器的結(jié)果，輸出LTH模式、HTL模式及正常模式三種模式 中的一種：
[0014] 當(dāng)Vo比下限電壓Vomin小，邏輯單元輸出動(dòng)態(tài)模式中恒定頻率的輕載切重載LTH 模式，通過(guò)輸入大功率使得輸出快速上升到參考電壓Vref后跳出該模式，進(jìn)入正常模式， 正常模式的起始狀態(tài)由模式控制模塊給定；
[0015] 當(dāng)Vo比上限電壓Vomax大，邏輯單元輸出動(dòng)態(tài)模式中恒定頻率的重載切輕載HTL 模式，通過(guò)輸入小功率使得輸出快速下降到參考電壓Vref后跳出該模式，進(jìn)入正常模式， 正常模式的起始狀態(tài)由模式控制模塊給定；
[0016] 如果Vo變化不大，無(wú)需動(dòng)態(tài)模式，通過(guò)正常的PI控制方法與模式控制實(shí)現(xiàn)環(huán)路控 制稱(chēng)為正常工作模式；
[0017] 當(dāng)Vo介于Vomin與Vref之間，如果邏輯單元上周期輸出為L(zhǎng)TH模式，則本周期輸 出為L(zhǎng)TH模式；若果邏輯單元上周期輸出為HTL模式，本周期輸出為正常模式；如果邏輯單 元上周期輸出為正常模式，則本周期輸出為正常模式；當(dāng)Vo介于Vref與Vomax之間，如果 邏輯單元上周期輸出為L(zhǎng)TH模式，則本周期輸出為正常模式；如果邏輯單元上周期輸出為 HTL模式，則本周期輸出HTL模式；如果邏輯單元上周期輸出為正常模式，則本周期輸出為 正常模式；
[0018] 斜率計(jì)算模塊的輸入是采樣結(jié)果Vo和電壓監(jiān)測(cè)模塊的輸出mode_F，當(dāng)mode_F為 LTH模式時(shí)，計(jì)算Vo的上升斜率Kup，采用N1個(gè)LTH模式開(kāi)關(guān)周期電壓變化等效代替，即Kup =Vo(n)-Vo(n-Nl)，Vo(n)為當(dāng)前周期采樣結(jié)果，Vo(n-Nl)為N1個(gè)周期前的采樣結(jié)果，Kup 為輸出斜率計(jì)算模塊的結(jié)果Kslope的大小；當(dāng)mode_F為HTL模式時(shí)，計(jì)算Vo的下降斜率 Kdown，采用N2個(gè)HTL模式開(kāi)關(guān)周期電壓變化等效代替，即Kdown=Vo(n-N2)_Vo(n)，Kdown 為輸出Kslope的大??；當(dāng)mode_F為正常模式時(shí)，斜率計(jì)算模塊不工作，輸出結(jié)果Kslope通 過(guò)鎖存保持不變；
[0019] 誤差計(jì)算模塊的輸入是采樣模塊的輸出Vo，根據(jù)計(jì)算參考電壓Vref減去輸出電 壓Vo的差，即為當(dāng)前采樣誤差，記為el，輸出給PID模塊；
[0020] 模式控制模塊的輸入分別為電壓監(jiān)測(cè)模塊的輸出mode_F、斜率計(jì)算模塊的輸出 Kslope以及PID模塊的運(yùn)算結(jié)果VPI;當(dāng)電壓監(jiān)測(cè)模塊輸出mode_F為動(dòng)態(tài)模式時(shí)，模式控制 模塊通過(guò)輸出控制信號(hào)PI_ctrl關(guān)閉PID模塊，控制PWM模塊接收模式控制模塊輸出的動(dòng) 態(tài)模式的開(kāi)關(guān)周期' ^或Ts與占空比D電流或DHTy電流信息，PWM模塊此時(shí)根據(jù)動(dòng) 態(tài)模式的開(kāi)關(guān)周期TsWHSTs ^與占空比D一電流或D"電流信息產(chǎn)生占空比波形；當(dāng)模 式控制模塊在跳出動(dòng)態(tài)模式進(jìn)入正常工作模式的第一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，模式控制模塊根據(jù)此時(shí) 斜率計(jì)算模塊的斜率大小Kslope得到對(duì)應(yīng)的輸出負(fù)載的大小，通過(guò)控制信號(hào)PI_ctrl，開(kāi) 啟