一種改善多模式數(shù)字原邊反激變換器動態(tài)性能的控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隔離式電源變換器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種改善多模式數(shù)字原邊反激變換器動態(tài)性能的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]反激變換器的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，所以常被用于消費電子產(chǎn)品等低功率電源方案中。隨著對于消費電子產(chǎn)品安全性的重視，目前迫切要求使用的電源具有更好的電氣隔離特性。傳統(tǒng)方案中，通過在反激變換器中加入一個光耦器件來實現(xiàn)電氣隔離，但是成本和體積無疑增加了。如圖1，現(xiàn)在廣泛采用的原邊反激式電源則是在變壓器中增加一個輔助繞組，通過采樣輔助繞組上的電壓來間接采樣輸出電壓，從而改善了電源的電氣隔離特性。
[0003]隨著環(huán)保與節(jié)能的重要性的日益突出，開關(guān)電源的效率問題成為了人們關(guān)注的焦點。國際能源署(IEA)就在2000年提出了“I瓦計劃”，即在10年將所有電器的待機能耗降低至I瓦以下；2013年發(fā)布的6級能效標準中要求5W的系統(tǒng)，最小平均效率大于73.6 %，空載功耗小于0.1ff0同時將平均功率定義為滿載、75 %負載、50 %負載、25負載以及5 %等5個負載點的功率平均值。為了提高數(shù)字原邊反激變換器在上述負載點的效率，現(xiàn)在的反激變換器多采用多模式控制的方法，即根據(jù)負載情況的不同使用不同的模式控制。模擬技術(shù)應(yīng)用在控制上較為復雜。由于數(shù)字控制可以調(diào)節(jié)參數(shù)以及更精確地控制模式狀態(tài)，還能工作在多種模式下，所以在多模式控制的方法中選擇采用數(shù)字控制技術(shù)相對于模擬技術(shù)有很大的優(yōu)勢。如圖2，現(xiàn)在主流的反激變換器的工作過程中采用了 5種不同的工作模式。與傳統(tǒng)的模擬控制多模式方案相比，現(xiàn)有技術(shù)增加了 3個工作模式，分別是深度脈寬調(diào)制(DPffM)、深度脈沖頻率調(diào)制(DPFM)及極深度脈寬調(diào)制(DDPffM)。增加DPffM模式可以避免人耳音頻噪聲。當負載電流降低時，如果此時任由電源工作在PFM模式下，那么工作頻率(Fsw)將相應(yīng)的降低，當Fsw低到人耳音頻范圍內(nèi)后，由于此時的負載電流相對來說還是很大，所以電流流過變壓器時會產(chǎn)生人耳可以聽到的噪聲。顯然這在消費電子產(chǎn)品中是不可以接受的現(xiàn)象。在控制模式中增加了 DPffM模式，DPffM模式工作在20K Hz頻率，當負載電流降到足夠小之后再將模式切換到DPFM模式。這時雖然又進入了人耳音頻范圍，但由于此時負載電流比較小，流過變壓器的電流也相應(yīng)比較小，因此不會產(chǎn)生音頻噪聲。使用多模式控制的主要目的就是提高反激變換器在各個負載點下的效率以達到6級能效標準的要求。多模式控制中最主要的一點就是要提高輕載下的效率，尤其是25%負載點左右的效率。多模式控制的方法可以明顯地提高輕載效率和避免人耳音頻噪聲，但是同時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力也變?nèi)趿??？梢詮膬蓚€方面考慮多模式控制帶來的影響。首先，系統(tǒng)由輕載向重載切換時，由于輕載時的電流相對很小，負載所處的狀態(tài)能量很低，而重載所處的狀態(tài)能量很高，這時負載突然的跳變會導致輸出電壓突然的下降然后再上升。如圖3，仿真結(jié)果表明，當負載由輕載0.0lA跳變到重載IA時，輸出電壓的下沖為2.51v，瞬態(tài)響應(yīng)時間為8.0ms。在當今消費級電子系統(tǒng)方案中，這種長時間的欠壓現(xiàn)象，會導致系統(tǒng)控制系統(tǒng)工作狀態(tài)出現(xiàn)混亂。其次，系統(tǒng)由重載向輕載跳變的過程中，由于重載時的電流相對很大，負載所處的狀態(tài)能量很高，而輕載所處的狀態(tài)能量很低，這時系統(tǒng)負載突然的跳變，跳變后出現(xiàn)第一次過沖后還會出現(xiàn)第二個過沖，導致系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)時間相應(yīng)的增加。如圖4，仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)由IA重載切換到0.025A狀態(tài)時，系統(tǒng)過沖雖然只有0.2v，但是系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)時間卻達到了16ms ο
[0004]根據(jù)上述，多模式控制的數(shù)字原邊反激變換器在由輕載向重載跳變和由重載向輕載跳變時均存在動態(tài)響應(yīng)的問題。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是系統(tǒng)在采用多模式控制方法下不同的模式間存在能量差和模式切換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有一些技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種改善多模式數(shù)字原邊反激變換器動態(tài)性能的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過檢測負載電壓是否有大范圍的變化以及輸出電壓的變化趨勢，從而選擇切換到合適的工作模式，這樣可以極大的改善變換器的動態(tài)性能。
[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種改善多模式數(shù)字原邊反激變換器動態(tài)性能的控制系統(tǒng)，交流電經(jīng)過整流橋、共模電感、輸入電容、RCD網(wǎng)絡(luò)后輸出給原邊繞組，副邊繞組通過輸出電容和整流二極管后的輸出電壓經(jīng)由輔助繞組通過分壓電阻采樣，作為輸出電壓反饋信號輸出給含有波形分析模塊、DAC模塊、PI補償模塊、模式選擇模塊、參數(shù)設(shè)置模塊以及驅(qū)動及RS觸發(fā)器模塊構(gòu)成的多模式控制模塊，多模式控制模塊根據(jù)反饋信號選擇合適的工作模式，經(jīng)過驅(qū)動及RS觸發(fā)器模塊產(chǎn)生PffM波形，控制原邊開關(guān)管的柵極，從而實現(xiàn)多模式數(shù)字控制；
[0007]其特征在于:在多模式控制模塊中增設(shè)負載分析模塊，用于檢測負載電壓是否有大范圍的變化以及輸出電壓的變化趨勢，從而選擇切換到合適的工作模式，以改善變換器的動態(tài)性能；輔助繞組通過分壓電阻采樣的輸出電壓反饋信號通過四個比較器后輸入到波形分析模塊，波形分析模塊得到數(shù)字參考電壓Vref，并分別輸入到負載分析模塊和PI補償模塊，DAC模塊將波形分析模塊的輸出轉(zhuǎn)換為模擬值作為波形分析模塊前的比較器的輸入，PI補償模塊給出峰值電壓補償值Vpeak_pi并輸入到模式選擇模塊和參數(shù)設(shè)置模塊，模式選擇模塊與負載分析模塊雙向連接，模式選擇模塊輸出當前工作模式work_mode給負載分析模塊，然后負載分析模塊通過對當前時刻的Vref (η)與上一時刻的Vref (η_1)的差值和當前工作模式的分析給出模式選擇detjnode并輸入到模式選擇模塊，模式選擇模塊根據(jù)模式選擇det_mode和峰值電壓補償值Vpeak_pi給出當前合適的工作模式并輸入到參數(shù)設(shè)置模塊，由參數(shù)設(shè)置模塊給出當前工作模式下所對應(yīng)的控制參數(shù)峰值電流CS和周期Ts，然后經(jīng)過驅(qū)動及RS觸發(fā)器模塊產(chǎn)生PffM波形，控制原邊開關(guān)管的柵極，實現(xiàn)多模式動態(tài)數(shù)字控制；
[0008]負載分析模塊包括寄存器、減法器、比較器、數(shù)據(jù)選擇器、模式賦值模塊、模式變換檢測模塊和模式判斷模塊，Dl和D2兩個寄存器分別用來存儲當前時刻的Vref (η)和上Vref(n-1),Vref(η)和Vref(η_1)輸入到減法器里得到兩次采樣的輸出電壓差值ΛVref?并通過比較器與閾值Λ Vref_th比較，數(shù)據(jù)選擇器用來選擇不同工作模式下的閾值Λ Vref_th,AVref_th的確定方法為對應(yīng)工作模式下保證輸出電壓不會出現(xiàn)大過沖時采樣電壓變化的最大值；為了提高動態(tài)性能，提前判斷負載最合適的工作模式，當工作模式work_mode發(fā)生變化時，模式變換檢測模塊檢測到工作模式的變化，并輸出時鐘信號給D3、D4和D5三個寄存器，通過D3、D4和D5三個寄存器存儲最近三次模式發(fā)生變化時的Vref值，即Vrefl、Vref2和Vref3，將它們輸入到模式判斷模塊，通過模式判斷模塊內(nèi)的比較器確定它們之間的大小關(guān)系，這些比較得到的數(shù)據(jù)可以用來判斷當前負載工作下最合適的模式，并通過模式賦值模塊給出對應(yīng)的模式選擇detjnode到多模式控制模塊里的模式選擇模塊；
[0009]負載分析模塊包括以下執(zhí)行過程:
[0010](I)通過判斷參考電壓差Λ Vref的大小判斷負載是否出現(xiàn)了大范圍的負載跳變，這里定義Λ Vref為兩次采樣的輸出電壓差值，定義前一個開關(guān)周期采樣的輸出電壓數(shù)字值為Vref (η-1)，當前開關(guān)周期采樣的輸出電壓數(shù)字值為Vref (η)，則有
[0011]Δ Vref = Vref (n) -Vref (η-1)
[0012]同時負載分析模塊中定義了一個Λ Vref的閾值Λ Vref_th，其中閾值Λ Vref_th的大小由當前工作模式work_mode給出，經(jīng)過比較器比較后，如果Λ Vref的值大于Λ Vref_th，則認為當前的負載發(fā)生了大范圍的跳變，將恒壓脈寬調(diào)制模式CV_PWM賦予模式選擇det_mode,負載從當前工作模式直接跳變到PffM模式，以快速補償能量，防止電壓出現(xiàn)過大的下沖；
[0013](2)通過觀察在負載切換的模式跳變過程中Vref的變化趨勢，直接判定當前負載適合的模式，避免模式之間的來回切換；比如，當PWM模式切換到PFM模式時，采樣這時候的輸出電壓值Vref I，當離開這個模式切換到DPffM模式時采樣這時候的輸出電壓值Vref2，如果Vref2的值大于Vref 1，說明當前模式對于負載來說能量偏高，不是適合的模式，則同樣的方式采樣到Vref 3，如果Vref 3小于Vref 2，說明DPFM模式能量偏低，那么，DPffM模式就是合適的模式，當采樣電壓在DPFM模式中下降到等于程序設(shè)定參考值后，將模式選擇det_mode的值設(shè)置為DPffM模式，這樣系統(tǒng)能夠工作在合適的模式而不會在兩個模式之間來回的切換；
[0014](3)負載分析模塊程序優(yōu)先判斷是否出現(xiàn)輕載到重載的跳變，如果出現(xiàn)，將恒壓脈寬調(diào)制模式CV_PWM模式賦予模式選擇detjnode，否則將軟啟動模式S0FT_START賦予模式選擇detjnode，然后程序判斷是否出現(xiàn)重載向輕載跳變且振蕩，如果出現(xiàn)