[发明专利]双模调制且模式平滑转换的开关电源控制方法及电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation：PWM)和脉冲频率调制 (Pulse Frequency Modulation：PFM)双模式混合运行并可在模式间平滑转换的直流开关电源 管理系统。其适用于功率半导体开关器件和控制电路分立的直流开关电源方案，以及功率半 导体开关器件和控制电路集成在单片芯片上的电源解决方案。本发明在便携式多媒体播放器、 智能手机、负载点电源等领域有广泛应用。

背景技术

在以智能手机等为代表的便携式设备上，传统上采用线性低压降(LDO)稳压器来将电池 电压转换到设定的电压值，并传递能量到负载。但近年来由于普遍采用深亚微米工艺制造技 术，数字集成电路的工作电压持续下降，如从3.3V降到1V左右，而相应的负载电流在总功 率若保持不变的情况下则加大。由于该类稳压电源的功率转换效率很低，一般只有40％左右， 因此LDO线性稳压电源的使用已日益减少。现在的趋势是采用开关型稳压电源，它的功率转 换效率可高达90％以上。

脉冲宽度调制(PWM)是直流开关电源普遍采用的一种控制方式，尤其当开关频率很高 时，稳压电源的动态响应特性得以提升，相应的功率元器件的尺寸和重量也得以减小，并可 降低成本。然而，在很高频率下开关运行，电源的开关损耗也相应增加。尤其是在负载较轻 时，开关损耗占据了主导，使得轻载时的效率通常不到50％。为了能延长便携电子设备的电 池使用时间，因此在设计时希望提高轻载时电源的功率转换效率。这样便携设备的耗电量在 长时间的轻载待机状态下能得以减少。

脉冲频率调制(PFM)是开关电源的又一种控制方法，其等效开关频率随负载电流的减小 而减小，因此在轻载下能降低电源的开关损耗。然而在大电流下，他的动态响应不如脉冲宽 度调制迅速。为保持重载下的动态响应同时保持轻载时的高效率，可采用的解决方案是在重 载时采用脉冲宽度调制，而在轻载时采用脉冲频率调制。这种方法要求电源在负载电流缓慢 变化时能平滑地在脉冲宽度调制和脉冲频率调制之间转换，并减少噪音的干扰。而在负载快 速动态变化时，控制电路要能保证两种模式间的转换迅速准确，并能保持良好的动态响应特 性，从而减小所需的输出电容值以达到减小电源尺寸、重量和成本之目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一个直流开关稳压电源的控制管理系统，使电源在负载较重时工 作在固定的较高频率的脉冲宽度调制模式下，以提高电源的动态响应特性，减小电源的尺寸、 重量和成本。在脉冲宽度调制模式下，本发明的控制系统根据检测到的电源输出电压，采用 电压控制模式，调节输出电压，并保持输出电压的稳定和快速动态响应。

本发明提供的直流开关稳压电源的控制管理系统根据检测到的电流值判断，使电源在负 载较轻时工作在脉冲频率调制模式下。在此模式下，开关电源的等效开关频率随负载电流的 降低而降低，从而减小开关损耗，提高开关电源在轻载时的效率，以达到延长便携设备电池 的待机时间。在脉冲频率调制模式下，本发明提出的控制方案根据检测到的电流和电源输出 电压，来决定功率开关管的开通和关断，从而调节并稳定输出电压，并减小输出电压的纹波。

本发明的目的还在于，当负载较为缓慢变化时，所提出的控制系统根据检测到的电流情 况，决定电源工作在脉冲宽度调制模式或脉冲频率调制模式下。这一模式转换点可以确保电 源的效率在不同负载情况下得以优化。并且保证这种模式的转换是平滑的，并且不受电路中 的噪音信号的干扰，使电源的工作稳定。

本发明欲达到的目的还在于，提出解决方法，确保当负载快速动态变化时，电源的控制 系统可以快速响应。当电源的初始状态是在脉冲频率调制模式下，若负载的跳变较小，电源 应保持在此模式下运行，并在此模式下对此负载快速跳变响应。当电源的初始模式是在脉冲 宽度调制下，若负载的跳变较小，未满足由脉冲宽度调制模式向脉冲频率调制模式转换的条 件时，则电源应工作在此脉冲宽度调制模式下对负载跳变响应。若电源的初始状态是在脉冲 宽度调制模式下，且负载跳变大到其终止状态时的负载电流满足进入到脉冲频率调制模式的 条件，则电源将根据检测到的信息从脉冲宽度调制模式跳变到脉冲频率调制模式，且做到快 速反应。若电源的初始状态是在脉冲频率调制模式下，当负载跳变幅度很大时，控制电路根 据检测到的信息将使电源进入到脉冲宽度调制模式，并确保这一过程是平滑的且输出电压的 负载动态响应良好。