一种功率转换器模式切换控制方法与流程

1.本发明涉及集成电路领域，具体是一种功率转换器模式切换控制方法。


背景技术：

2.转换效率是功率转换器的一个非常重要的指标，转换效率与开关频率、功率管导通阻抗、功率管寄生电容等参数相关，对功率转换器的控制芯片而言，需要优化在不同负载条件下系统工作频率、功率管导通时间、工作模式等，使得功率转换器平均效率最大化。
3.目前市面上大多数功率转换器采用的工作模式是非连续工作模式(dcm)，该控制模式工作简单，系统稳定性好，缺点是工作频率比较低、效率较低；准谐振(qr)工作模式比非连续工作模式频率、效率上有所提升，但由于临近谐振谷底导通功率管，频谱比较集中，emi相对较差；连续工作模式(ccm)工作频率比较高，但容易有系统稳定性问题。
4.以上几种工作模式组合成为功率转换器新的控制策略，然而由于各种工作模式自身存在的优缺点，需要在电路设计中优化相关的关键参数来满足用户不断提高的需求；比如用户会在各个负载点下测试功率转换器的emi、转换效率等指标，这些指标与工作模式、工作频率等相关，且往往互相矛盾，因此需要优化工作模式切换控制方法来提升转换效率、emi等指标。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种功率转换器模式切换控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种功率转换器模式切换控制方法，包含以下步骤：
8.步骤1：功率转换器得电启动输出；
9.步骤2：交流电波形谐振数小于1时功率转换器工作模式为ccm模式供电；
10.步骤3：交流电波形谐振数大于等于1，且小于等于4时，功率转换器工作模块为qr模式；
11.步骤4：交流电波形谐振数大于4时，功率转换器工作模块为dcm模式；
12.该功率转换器模式切换控制方法还包括控制装置，所述控制装置包括：
13.功率转换控制单元100，用于根据谐振数选择不同模式输出，控制功率管140导通；
14.功率管140，用于导通接地，使得变压器110输入侧有电流流入；
15.采样电阻141，用于采样流过功率管140的电流，输出给功率转换控制单元100；
16.变压器110，用于通过输出侧为输出反馈电路120、输出整流滤波电路130供电；
17.输出反馈电路120，用于反馈变压器110输出侧的谐振数给功率转换控制单元100；
18.输出整流滤波电路130，用于将变压器110输入的交流电转化为直流电输出；
19.功率转换控制单元100的输出端连接功率管140的g极，功率管140的d极连接变压器110的输入侧一端，功率管140的s极连接采样电阻141、功率转换控制单元100的第一输入
端，采样电阻141的另一端接地，变压器110的输入侧的另一端连接输入电压，变压器110的输出侧连接输出反馈电路120的输入端、输出整流滤波电路130输入端，反馈电路120的输出端连接输出整流滤波电路130的第二输入端。
20.作为本发明再进一步的方案：步骤1中：功率转换控制单元100得电为功率管140的g极输出电压，进而通过变压器110励磁存储能量；在功率管140关断时，变压器110退磁向输出反馈电路120、输出整流滤波电路130传递能量；变压器110退磁能量传递完毕，变压器110励磁电感与功率管140结电容lc谐振在变压器110输入侧产生交流电，再次为功率管140的d极输入交流电，往复如此。
21.作为本发明再进一步的方案：步骤2中：在变压器110的输出侧的交流电波形谐振数小于1时，即反馈电路120反馈信号fb的波形谐振数小于1，反馈信号fb输出给功率转换控制单元100，功率管转换控制单元100根据反馈信号fb控制功率管140的g极电压高低，变压器110往复励磁存储能量、退磁输出能量，系统ccm模式工作。
22.作为本发明再进一步的方案：步骤3中：在变压器110的输出侧的交流电波形谐振数大于等于1，小于等于4时，即反馈电路120反馈信号fb的波形谐振数大于等于1，小于等于4，反馈信号fb输出给功率转换控制单元100，功率管转换控制单元100根据反馈信号fb控制功率管140的g极电压高低，变压器110往复励磁存储能量、退磁输出能量，系统qr模式工作。
23.作为本发明再进一步的方案：步骤4中：在变压器110的输出侧的交流电波形谐振数大于4时，即反馈电路120反馈信号fb的波形谐振数大于4，反馈信号fb输出给功率转换控制单元100，功率管转换控制单元100根据反馈信号fb控制功率管140的g极电压高低，变压器110往复励磁存储能量、退磁输出能量，系统dcm模式工作。
24.作为本发明再进一步的方案：反馈电路120包括电阻r1、电阻r2，电阻r1的一端连接变压器110的输出侧一侧，电阻r1的另一端连接电阻r2、功率管转换控制单元100的第二输入端，电阻r2的另一端接地，变压器110的输出侧另一侧接地。
25.作为本发明再进一步的方案：功率转换控制单元100包括功率管导通触发电路150、比较器151、整形电路152、组合逻辑电路153、功率管关断触发电路154、触发器155、功率管驱动电路156，功率管导通触发电路150的输出端连接组合逻辑电路153的输入端，比较器151的输出端连接整形电路152的输入端，整形电路152的输出端连接组合逻辑电路153的输入端，组合逻辑电路153的输出端连接触发器155的输入端，功率管关断触发电路154的输出端连接触发器155的输入端，触发器155的输出端连接功率管驱动电路156的输入端。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据不同的波形谐振数控制功率管的导通状况，实现功率转换器ccm、qr、dcm工作模式的无缝切换，提升了功率转换器的转换效率、emi等指标。
附图说明
27.图1为一种功率转换器模式切换控制方法的系统示意图。
28.图2为一种功率转换器模式切换控制方法的模式切换框图。
29.图3为一种功率转换器模式切换控制方法的模式切换波形图。
30.图4为功率转换控制单元的内部电路图。
31.图中：功率转换控制单元-100、变压器-110、输出反馈电路-120、输出整流滤波电
路-130、功率管-140、采样电阻-141、触发电路150、比较器151、整形电路152、组合逻辑电路153、功率管关断触发电路154、触发器155、功率管驱动电路156。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.请参阅图1，一种功率转换器模式切换控制方法，包含以下步骤：
34.步骤1：功率转换器得电启动输出；
35.步骤2：交流电波形谐振数小于1时功率转换器工作模式为ccm模式供电；
36.步骤3：交流电波形谐振数大于等于1，且小于等于4时，功率转换器工作模块为qr模式；
37.步骤4：交流电波形谐振数大于4时，功率转换器工作模块为dcm模式；
38.该功率转换器模式切换控制方法还包括控制装置，所述控制装置包括：
39.功率转换控制单元100，用于根据谐振数选择不同模式输出，控制功率管140导通；
40.功率管140，用于导通接地，使得变压器110输入侧有电流流入；
41.采样电阻141，用于采样流过功率管140的电流，输出给功率转换控制单元100；
42.变压器110，用于通过输出侧为输出反馈电路120、输出整流滤波电路130供电；
43.输出反馈电路120，用于反馈变压器110输出侧的谐振数给功率转换控制单元100；
44.输出整流滤波电路130，用于将变压器110输入的交流电转化为直流电输出；
45.功率转换控制单元100的输出端连接功率管140的g极，功率管140的d极连接变压器110的输入侧一端，功率管140的s极连接采样电阻141、功率转换控制单元100的第一输入端，采样电阻141的另一端接地，变压器110的输入侧的另一端连接输入电压，变压器110的输出侧连接输出反馈电路120的输入端、输出整流滤波电路130输入端，反馈电路120的输出端连接输出整流滤波电路130的第二输入端。
46.在本实施例中：请参阅图1到图3，步骤1中：功率转换控制单元100得电为功率管140的g极输出电压，进而通过变压器110励磁存储能量；在功率管140关断时，变压器110退磁向输出反馈电路120、输出整流滤波电路130传递能量；变压器110退磁能量传递完毕，变压器110励磁电感与功率管140结电容lc谐振在变压器110输入侧产生交流电，再次为功率管140的d极输入交流电，往复如此。
47.功率管140可采用nmos管，其d极、s极分别作为电流输入端和电流输出端，其g极作为开关控制端；
48.输出整流滤波电路130包括整流二极管、滤波电容、输出电阻，整流二极管将交流电转化为直流电，滤波电容、输出电阻用于对生成的直流电进行滤波处理。变压器110的输入侧输入电压vin。
49.在本实施例中：请参阅图1到图3，步骤2中：在变压器110的输出侧的交流电波形谐振数小于1(如0)时，即反馈电路120反馈信号fb的波形谐振数小于1，反馈信号fb输出给功率转换控制单元100，功率管转换控制单元100根据反馈信号fb控制功率管140的g极电压高
低，变压器110往复励磁存储能量、退磁输出能量，系统ccm模式工作。
50.反馈信号fb接入功率转换控制单元100，主要产生两个控制信号，其一是产生功率管140导通的使能信号on_en；其二是产生谷底信号v
(n)
；功率转换控制单元100通过谷底信号v
(n)
产生控制信号modecontrol信号；modecontrol信号在第1谷底v
(1)
(波形谐振数为1)和第4谷底v
(4)
(波形谐振数为4)之间为高电平，其他状态为低电平；在波形谐振数为小于1时，modecontrol信号为低电平，不起作用，使能信号on_en控制功率管140的g极为高电平，进而控制输出，完成ccm模式输出。
51.在本实施例中：请参阅图1到图3，步骤3中：在变压器110的输出侧的交流电波形谐振数大于等于1，小于等于4时，即反馈电路120反馈信号fb的波形谐振数大于等于1，小于等于4，反馈信号fb输出给功率转换控制单元100，功率管转换控制单元100根据反馈信号fb控制功率管140的g极电压高低，变压器110往复励磁存储能量、退磁输出能量，系统qr模式工作。
52.在谐振数为零时，modecontrol信号为低电平(第一段)，由图2中组合逻辑153可知，当on_en信号为高电平时，on信号即为高电平，功率管140立即导通，为ccm模式；在谐振数为1到4之间时，modecontrol信号为高电平(第二段)，on_en和164信号都为高电平时，on信号才为高电平，此时164高电平对应162的低电平，对应fb信号的谷底，此阶段定义为qr模式；第三段modecontrol信号为低电平，控制结果与第一段相同，但是on_en不在是ccm模式中的直线输出，而是多个谐振输出，模式上定义为dcm模式，请参阅图3中的ccm模式和dcm模式的波形图。
53.在本实施例中：请参阅图1到图3，步骤4中：在变压器110的输出侧的交流电波形谐振数大于4时，即反馈电路120反馈信号fb的波形谐振数大于4，反馈信号fb输出给功率转换控制单元100，功率管转换控制单元100根据反馈信号fb控制功率管140的g极电压高低，变压器110往复励磁存储能量、退磁输出能量，系统dcm模式工作。
54.在波形谐振数为大于4时，modecontrol信号为低电平，不起作用，这时根据反馈信号fb的谐振波个数，使能信号on_en的输出频率对应谐振波个数，以此来控制功率管140的导通状况(功率管140的d极输入电流，s极通过采样电阻接地)，进而控制变压器110的输入侧交流电频率，改变输出侧交流电频率，系统dcm模式工作。
55.图3中，在功率管140导通阶段，控制电路在功率管导通时间ton上叠加周期性的时间偏差量δton来提升系统emi性能；
56.在本实施例中：请参阅图1，反馈电路120包括电阻r1、电阻r2，电阻r1的一端连接变压器110的输出侧一侧，电阻r1的另一端连接电阻r2、功率管转换控制单元100的第二输入端，电阻r2的另一端接地，变压器110的输出侧另一侧接地。
57.变压器110的输出侧交流电通过串联电阻r1、r2接地，采集通过电阻r1、电阻r2连接点的交流电(电压谐波个数)，反馈信号fb输出给功率管转换控制单元100。
58.在本实施例中：请参阅图4，功率转换控制单元100包括功率管导通触发电路150、比较器151、整形电路152、组合逻辑电路153、功率管关断触发电路154、触发器155、功率管驱动电路156，功率管导通触发电路150的输出端连接组合逻辑电路153的输入端，比较器151的输出端连接整形电路152的输入端，整形电路152的输出端连接组合逻辑电路153的输入端，组合逻辑电路153的输出端连接触发器155的输入端，功率管关断触发电路154的输出
端连接触发器155的输入端，触发器155的输出端连接功率管驱动电路156的输入端。
59.功率管导通触发信号on由fb信号产生，功率管关断触发信号off由cs信号产生。所示fb信号与基准电压源v01(0.1v)通过比较器151进行比较后，输出161信号，该信号通过整形电路152后产生162信号以及模式控制modecontrol信号163，信号162反向后产生164信号，与模式控制信号modecontrol、功率管导通触发电路输出信号on_en逻辑组合后产生on信号置位触发器155，触发器155输出的高电平经过驱动电路电平转换后导通功率管140；功率管140导通后，流过功率管的电流不断增加，经采样电阻141后cs信号电压值也不断增加，当cs信号达到设置的电压阈值后，功率管关断触发电路154输出off信号复位触发器155，触发器155输出的低电平经过驱动电路电平转换后关断功率管140。
60.模式控制modecontrol信号163分三段，第一段低电平表示ccm模式，第二段高电平表示qr模式，第三段低电平表示dcm模式。信号cs用于变压器110输入侧电流过大时，反馈信号给功率管关断触发电路154，控制触发器155停止输出。
61.本发明的工作原理是：功率转换控制单元100根据谐振数选择不同模式输出，控制功率管140导通，功率管140导通接地，使得变压器110输入侧有电流流入，采样电阻141采样流过功率管140的电流，输出给功率转换控制单元100，变压器110通过输出侧为输出反馈电路120、输出整流滤波电路130供电，输出反馈电路120反馈变压器110输出侧的谐振数给功率转换控制单元100，输出整流滤波电路130将变压器110输入的交流电转化为直流电输出；输出反馈电路120输出反馈信号fb给功率转换控制单元100，反馈信号fb携带变压器110输出侧谐波数，功率转换控制单元100根据谐波数选择ccm模式、qr模式、dcm模式择一输出。
62.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
63.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种功率转换器模式切换控制方法，其特征在于，所述功率转换器模式切换控制方法包含以下步骤：步骤1：功率转换器得电启动输出；步骤2：交流电波形谐振数小于1时功率转换器工作模式为ccm模式供电；步骤3：交流电波形谐振数大于等于1，且小于等于4时，功率转换器工作模块为qr模式；步骤4：交流电波形谐振数大于4时，功率转换器工作模块为dcm模式；该功率转换器模式切换控制方法还包括控制装置，所述控制装置包括：功率转换控制单元(100)，用于根据谐振数选择不同模式输出，控制功率管(140)导通；功率管(140)，用于导通接地，使得变压器(110)输入侧有电流流入；采样电阻(141)，用于采样流过功率管(140)的电流，输出给功率转换控制单元(100)；变压器(110)，用于通过输出侧为输出反馈电路(120)、输出整流滤波电路(130)供电；输出反馈电路(120)，用于反馈变压器(110)输出侧的谐振数给功率转换控制单元(100)；输出整流滤波电路(130)，用于将变压器(110)输入的交流电转化为直流电输出；功率转换控制单元(100)的输出端连接功率管(140)的g极，功率管(140)的d极连接变压器(110)的输入侧一端，功率管(140)的s极连接采样电阻(141)、功率转换控制单元(100)的第一输入端，采样电阻(141)的另一端接地，变压器(110)的输入侧的另一端连接输入电压，变压器(110)的输出侧连接输出反馈电路(120)的输入端、输出整流滤波电路(130)输入端，反馈电路(120)的输出端连接输出整流滤波电路(130)的第二输入端。2.根据权利要求1所述的功率转换器模式切换控制方法，其特征在于，步骤1中：功率转换控制单元(100)得电为功率管(140)的g极输出电压，进而通过变压器(110)励磁存储能量；在功率管(140)关断时，变压器(110)退磁向输出反馈电路(120)、输出整流滤波电路(130)传递能量；变压器(110)退磁能量传递完毕，变压器(110)励磁电感与功率管(140)结电容lc谐振在变压器(110)输入侧产生交流电，再次为功率管(140)的d极输入交流电，往复如此。3.根据权利要求2所述的功率转换器模式切换控制方法，其特征在于，步骤2中：在变压器(110)的输出侧的交流电波形谐振数小于1时，即反馈电路(120)反馈信号fb的波形谐振数小于1，反馈信号fb输出给功率转换控制单元(100)，功率管转换控制单元(100)根据反馈信号fb控制功率管(140)的g极电压高低，变压器(110)往复励磁存储能量、退磁输出能量，系统ccm模式工作。4.根据权利要求2所述的功率转换器模式切换控制方法，其特征在于，步骤3中：在变压器(110)的输出侧的交流电波形谐振数大于等于1，小于等于4时，即反馈电路(120)反馈信号fb的波形谐振数大于等于1，小于等于4，反馈信号fb输出给功率转换控制单元(100)，功率管转换控制单元(100)根据反馈信号fb控制功率管(140)的g极电压高低，变压器(110)往复励磁存储能量、退磁输出能量，系统qr模式工作。5.根据权利要求2所述的功率转换器模式切换控制方法，其特征在于，步骤4中：在变压器(110)的输出侧的交流电波形谐振数大于4时，即反馈电路(120)反馈信号fb的波形谐振数大于4，反馈信号fb输出给功率转换控制单元(100)，功率管转换控制单元(100)根据反馈信号fb控制功率管(140)的g极电压高低，变压器(110)往复励磁存储能量、退磁输出能量，
系统dcm模式工作。6.根据权利要求1到5任意一项所述的功率转换器模式切换控制方法，其特征在于，反馈电路(120)包括电阻r1、电阻r2，电阻r1的一端连接变压器110的输出侧一侧，电阻r1的另一端连接电阻r2、功率管转换控制单元(100)的第二输入端，电阻r2的另一端接地，变压器(110)的输出侧另一侧接地。7.根据权利要求1到5任意一项所述的功率转换器模式切换控制方法，其特征在于，功率转换控制单元(100)包括功率管导通触发电路(150)、比较器(151)、整形电路(152)、组合逻辑电路(153)、功率管关断触发电路(154)、触发器(155)、功率管驱动电路(156)，功率管导通触发电路(150)的输出端连接组合逻辑电路(153)的输入端，比较器(151)的输出端连接整形电路(152)的输入端，整形电路(152)的输出端连接组合逻辑电路(153)的输入端，组合逻辑电路(153)的输出端连接触发器(155)的输入端，功率管关断触发电路(154)的输出端连接触发器(155)的输入端，触发器(155)的输出端连接功率管驱动电路(156)的输入端。

技术总结
本发明公开了一种功率转换器模式切换控制方法，涉及集成电路领域，所述功率转换器模式切换控制方法包含以下步骤：步骤1：功率转换器得电启动输出；步骤2：交流电波形谐振数小于1时功率转换器工作模式为CCM模式供电；步骤3：交流电波形谐振数大于等于1，且小于等于4时，功率转换器工作模块为QR模式；步骤4：交流电波形谐振数大于4时，功率转换器工作模块为DCM模式；该功率转换器模式切换控制方法还包括控制装置，与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据不同的波形谐振数控制功率管的导通状况，实现功率转换器CCM、QR、DCM工作模式的无缝切换，提升了功率转换器的转换效率、EMI等指标。标。标。


技术研发人员：励晔 黄飞明 黄昊丹 贺洁
受保护的技术使用者：无锡硅动力微电子股份有限公司
技术研发日：2022.02.09
技术公布日：2022/5/25