[发明专利]一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及电路

说明书

一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及电路，属于开关电源芯片设计技术领域。本发明提出的控制方法检测开关电源的开关频率并分别与上限阈值频率和下限阈值频率进行比较，根据比较结果进行数字控制产生一个数字码字，其中上限阈值频率下限阈值频率音频；当判定当前开关频率比上限阈值频率高时通过数字控制将开关电源中电感的负电流减小，当判定当前开关频率比下限阈值频率低时将开关电源中电感的负电流增大，实现开关频率锁定在上限阈值频率和下限阈值频率之间，同时确保输出中心稳态值在这个负载区间内不会变化。本发明提出的数字控制方法既保证了效率，又不需要复杂补偿，还能够保证输出稳定。

技术领域

本发明属于开关电源芯片设计技术领域，涉及一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及实现电路。

背景技术

开关电源因为其高效特征在电源领域被广泛使用，但当其负载变轻时为了继续保证开关转换效率，一般选择进入展频模式，在展频模式中，通过降低开关动作的频率从而降低开关本身的损耗。当开关电源的开关频率进一步降低时，开关频率会进入音频区间，在一些应用中，这些音频区间的开关电源噪声会被人耳听见（人耳能够听见频率在20Hz~20KHz范围的振动），产生多余的音频噪声。现有技术中为了确保开关电源在轻载时不会进入音频区间，通常会采用以下三种方法：

方法一、强制开关电源在轻载时也不进入展频模式。这种方法的缺点是因为开关本身产生的功耗开销始终不变，当负载极轻时，其占比逐渐变大，而导致效率很低，如图1所示是降压型开关电源采用方法一控制时，轻载和重载的电感电流波形图，开关电源中第一开关管Q1和第二开关管Q2串联并接在开关电源的输入端和地GND之间，电感L接在第一开关管Q1和第二开关管Q2的串联点与开关电源的输出端之间，开关电源的输入端连接输入电压Vin，开关电源的输出端产生输出电压Vout。

方法二、在开关电源进入轻载时展频，同时在输出加入额外的负载，确保展频模式时开关频率不会进入音频频率。这种方法的缺点是因为加入额外负载，同时这一负载的能量被直接浪费，同样效率很低，如图2所示是降压型开关电源采用方法二控制时，轻载和重载的电感电流波形图。

方法三、开关电源进入轻载时展频，检测开关频率是否进入接近音频的区间，接近音频前通过控制电感L的负电流深度，用模拟方法将负载小于这一临界值后的开关频率锁定在某一高于音频的频率上。此方法虽然效率高，但与外围器件（图3中的输出电容Cout、电感L）和输入输出电压（图3中输入电压Vin、输出电压Vout）有很大相关性，为了满足各种外围器件和电压范围的应用场景，需要补偿较为复杂，从而硬件开销很大。同时模拟电路中因为环路增益的存在，控制环路会使输出电压在锁定频率后抬升，这对于某些应用，如电池充电，是不可接受的。如图3所示是降压型开关电源采用方法三控制时，轻载和重载的电感电流波形图。

发明内容

由于开关电源在轻载时会降低开关频率而提高效率，而随着负载越来越轻，开关频率会接近音频频率，为了确保开关电源在轻载时不会进入音频区间，本发明提出一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法及实现电路，通过检测开关电源的开关频率并与高低两个阈值频率比较，根据比较结果利用数字控制方法来调整电感过零后的负电流，实现开关频率锁定在两个阈值频率之间，即实现超音频轻载模式。相比传统方法一和二而言本发明提高了效率，没有能量浪费；相比传统方法三采用模拟电路控制而言不需要复杂补偿，且本发明能够确保输出中心稳态值在负载区间内不会变化。

本发明提出的控制方法的技术方案为：

一种开关电源实现超音频轻载工作模式的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、设定上限阈值频率和下限阈值频率，其中上限阈值频率下限阈值频率音频；

步骤二、检测所述开关电源的开关频率；