遲滯式控制器pwm和pfm模式下的控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種遲滯式控制器PWM和PFM模式下的控制方法，該方法需要在PWM工作模式下保持固定的工作頻率；在PFM工作模式下保持和PWM相類似的輸出電壓紋波。在PWM工作模式下，是用頻率跟隨器來監(jiān)控參考振蕩器和PWM工作頻率的區(qū)別，并利用這個誤差來做相應的參數(shù)改變，從而驅(qū)動PWM工作頻率固定在參考頻率上；在PFM工作模式下，通過實時記錄PWM模式下系統(tǒng)需要的實際數(shù)值，并用存儲單元存貯下來，待系統(tǒng)切換成PFM模式后，直接調(diào)用，供控制回路使用。本發(fā)明保證系統(tǒng)在PWM和PFM兩個工作模式下，都能夠保證確定的工作頻率和確定的輸出紋波，以確保系統(tǒng)符合實際應用的需求。
【專利說明】遲滯式控制器PWM和PFM模式下的控制方法
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明是一種模擬-數(shù)字混合型電路和集成電路領域的設計方法。具體涉及遲滯式開關電源控制器PffM和PFM模式下工作頻率和輸出紋波的控制方法。它提供了解決遲滯式(Hysteretic Mode)開關電源控制器在脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulat1n，簡稱PffM)工作模式和脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulat1n，簡稱PFM)工作模式下，以及模式切換過程中準確控制工作頻率和輸出紋波(Ripp I e )的有效方法。
【背景技術】
[0003]Pmi是開關式電源轉(zhuǎn)換電路基本的工作模式，利用調(diào)整功率對管的開關時間的比例來達到調(diào)整輸出電壓的目的。傳統(tǒng)的Pmi控制器使用固定頻率結(jié)構(gòu)，Pmi開關工作頻率由參考振蕩器決定。圖1是以降壓型(Buck)開關電源為例的固定頻率PWM控制器的功能方框圖。該控制器由一個比較器來產(chǎn)生控制功率開關H和L的控制信號，經(jīng)過驅(qū)動電路的放大以后，打開H Ton時間，打開L(T-Ton)時間，在SW節(jié)點上輸出的方波經(jīng)過輸出電感LI和電容C2形成的低通濾波后，在Vout端輸出想要的直流電壓Vout。該比較器的輸入正端是誤差放大器根據(jù)基準電壓Vref和輸出電壓的直流分量的差別產(chǎn)生的參考電壓Vea，而負端則是從振蕩器輸出的參考頻率斤ef，加入從功率開關電路返回的電感電流信息后，通過斜坡發(fā)生器形成的固定頻率的斜坡電壓信號。當Fref的上升沿發(fā)生時，斜坡電壓啟動，比較器輸出為高，功率開關H打開，電感開始充電。斜坡電壓到達誤差發(fā)生器輸出的參考電平后，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出為低，功率開關L打開，電感開始放電。同時斜坡電壓復位到起點，直到下一個Fref的上升沿來到。此過程持續(xù)重復，直至Vout電壓經(jīng)過分壓器的得到的數(shù)值與基準電壓Vref相等，Vout達到預期值。
[0004]開關式電源轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓的紋波是一個需要準確控制的參數(shù)，其幅度高低是該電源質(zhì)量的重要指標，一般要求其越小越好。當開關式電源轉(zhuǎn)換電路的外圍零件。如圖1的輸出電感LI，輸出電容C2等的數(shù)值選定以后，其輸出電壓的紋波大小主要由PWM頻率的高低決定，所以大部分的實際應用都要求其是一個已知的定值。這個定值一般由圖1里的振蕩器模塊輸出參考頻率/^ref決定。傳統(tǒng)固定頻率的PffM控制器直接工作在這個參考頻率上，所以其PWM模式下的開關工作頻率就是固定的Fref。
[0005]在負載變輕時，為了保持較高的轉(zhuǎn)換效率，控制器需要進入PFM模式，其開關工作頻率不再固定，而是隨著負載的大小變化而增加或減少，從而在輕載下也保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率。在PFM模式下，開關工作頻率隨出處電壓負載的大小而變化，不再是定值，但是每一次功率管的導通時間，包括功率開關H和L，仍然必須保持在和PWM模式下的導通時間相近的幅度，才能保證輸出電壓的紋波不發(fā)生大的變化。在剩余的時間里，兩個功率開關都關閉，保持高阻態(tài)(High impedance模式，簡稱HiZ)，負載電流依靠輸出電容C2上的保持的電荷維持。
[0006]遲滯式控制器是一種利用斜坡發(fā)生器和遲滯式比較器來實現(xiàn)的一種PWM控制方式，具有更好的動態(tài)響應，所以和固定頻率架構(gòu)的控制器一樣，也得到廣泛使用。圖2是遲滯式PffM控制器的功能方框圖。和圖1相比，圖2主要有三個不同點:1.比較器變成了遲滯比較器，輸入_輸出傳輸曲線對輸入信號的上升沿和下降沿有兩個不同的閾值，其差別為V d。2.斜坡發(fā)生器根據(jù)SW節(jié)點電平的高低，有上下兩個不同斜率。上升沿的斜率Slopel=Kl*(Vin-Vout)，下降沿的斜率slope2=-Kl*Vout。其中Kl是一個設計可控的斜率常數(shù)，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓。這些斜率的選擇使其輸出的斜坡信號正好與電感電流在功率開關H打開和L打開時的變化斜率一致。3.產(chǎn)生Fref的振蕩器不再需要。遲滯式控制器的工作原理如下:假設電流開始工作時遲滯比較器輸出為高，功率上管H打開，電感開始充電。此時斜坡電壓按照與電感電流上升速度一致的斜率上升，直至達到參考電平Vea加上Vd/2.此時遲滯比較器翻轉(zhuǎn)，輸出變低，功率下管L打開，電感開始放電。此時斜坡電壓仍然按照與電感電流下降速度一致的斜率下降，直至達到參考電平Vea減去Vd/2。此時遲滯比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出變高，功率上管H打開，以上流程重復。此流程重復的頻率，就是該開關電源實際工作的頻率。由此可以看到，此工作頻率主要由其環(huán)路控制模塊的參數(shù)決定，包括了遲滯比較器的遲滯電壓Vd，和斜坡發(fā)生器的斜率常數(shù)K。
[0007]在PFM模式下，環(huán)路的控制方式會稍有改變。圖3是一種遲滯式控制器在輕載PFM模式下的一種控制功能圖。和圖2相比，主要的區(qū)別是遲滯比較器，斜坡發(fā)生器和誤差放大器三個模塊相互配合，使遲滯比較器的輸出除了功率上管H打開(=1)，功率下管L打開(=0)以夕卜，增加了高阻HiZ模式。這樣的安排在功率開關按照和PWM模式類似的方式分別打開Tonl和(Tl-Tonl)時間后，同時關閉，處于高阻狀態(tài)。此時控制電路沒有狀態(tài)變化，輸出電壓Vout由輸出電容C2的電荷維持，直到Vout下跌到誤差放大器的輸出Vea低于設定的目標值。然后遲滯比較器才會再一次翻轉(zhuǎn)為高，功率上管重新打開，重復上面的工作流程。在此模式下?？刂破鞯膶嶋H工作頻率(1/TPFM，TPFM為工作周期)隨負載的上升/下降而上升/下降，不是定值。
[0008]由于電路參數(shù)，供電電壓和使用溫度和環(huán)境等的變化，環(huán)路控制模塊的參數(shù)會發(fā)生變化，所以遲滯式控制器得到的PWM工作頻率是不固定的。在輕載情況下進入PFM工作模式后，其對應的每一次上下開關的導通時間也會發(fā)生變化。這些變化會造成輸出電壓的開關紋波發(fā)生改變，與之相關的電磁干擾(EMI)特性也發(fā)生變化，不利于實際應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種遲滯式開關電源控制器PffM和PFM模式下工作頻率和輸出紋波的控制方法。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:一種遲滯式控制器PWM和PFM模式下的控制方法，該方法重點在于，要在PWM工作模式下保持固定的工作頻率;同時在PFM工作模式下保持和PWM相類似的輸出電壓紋波。
[0011 ] 進一步地，在PWM工作模式下，是用頻率跟隨器來監(jiān)控參考振蕩器和PWM工作頻率的區(qū)別，并利用這個誤差來做相應的參數(shù)改變，從而驅(qū)動PWM工作頻率固定在參考頻率上；在PFM工作模式下，系統(tǒng)需要的參數(shù)，通過實時記錄PffM模式下系統(tǒng)需要的實際數(shù)值，并用存儲單元存貯下來，待系統(tǒng)切換成PFM模式后，直接調(diào)用，供控制回路使用。
[0012]優(yōu)選的，當PWM/PFM模式進行切換時，在PFM模式下每隔一段時間強行進入PffM模式工作一段時間，讓對應的電路參數(shù)重新鎖定在參考頻率上，然后再退回PFM模式。
[0013]優(yōu)選的，當PWM/PFM模式進行切換時，將供電電壓和芯片結(jié)溫的電壓相加，再和某個參考電壓進行比較。如果前者超過參考電壓，比較器翻轉(zhuǎn)，表示供電電壓的升高，或者是芯片結(jié)溫的降低對紋波的影響到了一個必須干涉的地步，此時強行切換回PWM模式，重新計算一次新工作環(huán)境下的閾值間隔Vd和/或斜坡發(fā)生器的斜率常數(shù)K，再自動切換回PFM模式。
[0014]綜上所述，本發(fā)明為解決遲滯式開關電源控制器在PWM和PFM兩個工作模式下，以及在兩個模式切換過程中工作頻率和輸出紋波的穩(wěn)定性問題，提出了一系列解決的辦法和方案。保證系統(tǒng)在PWM和PFM兩個工作模式下，都能夠保證確定的工作頻率和確定的輸出紋波，以確保系統(tǒng)符合實際應用的需求。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1:傳統(tǒng)PffM控制器功能方框圖
圖2:遲滯式控制器PffM模式功能方框圖圖3:遲滯式控制器PFM模式下功能方框圖圖4:為本發(fā)明遲滯式控制器PWM模式工作頻率控制方案之一圖5:為本發(fā)明遲滯式控制器PWM模式頻率控制方案之二圖6:為本發(fā)明遲滯式控制器PWM+PFM模式頻率控制方案之一圖7:為本發(fā)明遲滯式控制器PWM+PFM模式頻率控制方案之二圖8:為本發(fā)明遲滯式控制器PWM+PFM模式頻率控制方案之三圖9:為本發(fā)明遲滯式控制器PWM+PFM模式頻率控制方案之四圖10:為本發(fā)明遲滯式控制器PFM模式退出機制方案
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步的描述，以便于更清楚的理解本發(fā)明要求保護的技術思想。
[0018]在PWM工作模式下，改變遲滯式比較器的閾值間隔電壓Vd，或者是改變斜坡發(fā)生器的斜率常數(shù)K，或者是兩者同時改變，都可以直接改變PffM工作頻率。所以用一個頻率跟隨器來監(jiān)控參考振蕩器和PffM工作頻率的區(qū)別，并利用這個誤差來做相應的參數(shù)改變，就能夠驅(qū)動PWM工作頻率固定在參考頻率上。圖4是一個使用模擬鎖相環(huán)(PLL)電路作為頻率跟隨器改變遲滯式比較器的閾值間隔電壓Vd的功能方框圖。和圖2相比，圖4增加了振蕩器，鑒相器/鑒頻器，誤差放大器2三個模塊。遲滯控制電路的實際工作頻率可以從遲滯比較器的輸出，或者是節(jié)點SW的電壓得到。此信息與振蕩器輸出的參考頻率Fref被同時送進鑒相器/鑒頻器模塊，兩者的差別輸出到誤差放大器2(同時作為環(huán)路補償電路使用)。其輸出電壓直接用作遲滯比較器的遲滯電壓。當控制器的工作頻率相對于Fref太高時，誤差放大器2的輸出會增加，Vd增加，按照固定斜率K工作的斜率發(fā)生器輸出需要更長的時間才能碰到遲滯比較器的兩個閾值，對應的翻轉(zhuǎn)點的時間間隔會更長，對應的PWM工作頻率就會降低，直至其和Fref相等。此時誤差放大器2的輸出不再變化，控制回路達到穩(wěn)態(tài)。
[0019]如果固定Vd，通過模擬PLL電路來改變改變斜坡發(fā)生器的斜率常數(shù)K，可以達到同樣的目的。圖5是描述這樣做法的功能方框圖。和圖4相比，誤差放大器2的輸出用來控制遲滯斜率常數(shù)K，而比較器的遲滯電壓保持固定。圖5的工作原理如下:如果環(huán)路的工作頻率太高，誤差放大器2的輸出電壓會降低，造成斜坡發(fā)生器是用的斜率常數(shù)K減小。因此其輸出斜坡波形的上下沿速度都會減慢，到達遲滯比較器兩個閾值的時間加長，延長了功率管開關一次的周期T。這樣其工作頻率會降低，直至和Fref相等，控制回路達到穩(wěn)態(tài)。
[0020]這兩種方法的共同點是在PWM工作模式下，其工作頻率是被某個監(jiān)控回路連續(xù)監(jiān)測，連續(xù)不間斷調(diào)整，從而能始終保持在需要的頻率點上，也保證了輸出紋波的大小和穩(wěn)定性。負載變輕，環(huán)路切換成PFM模式后，由于其開關周期隨負載變化，不是恒定值，所以以上的控制原理不再適用。本發(fā)明提出的安排如下:由于在PFM模式下，輸出電壓的紋波要求和PWM模式下基本相等或者是按比例稍有增加，所以在PFM模式下，系統(tǒng)需要的參數(shù)，例如遲滯電壓Vd，和斜率常數(shù)K等，可以通過實時記錄HVM模式下的實際數(shù)值，用一定的方式存貯下來，待系統(tǒng)切換成PFM模式后，直接調(diào)用，供控制回路使用。圖6展示了以這樣的安排實現(xiàn)的PWM+PFM雙模頻率和輸出紋波的控制功能圖。圖6和圖4相比，增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，和一個數(shù)字控制模塊，其包含了存儲單元，PWM和PFM之間的參數(shù)映射算法，以及PffM和PFM模式切換的控制電路。其工作原理如下。如果系統(tǒng)在PffM模式下工作，則PWM/PFM切換信號a誤差放大器2的模擬輸出電壓Vl直接連接到遲滯電壓Vd上，系統(tǒng)的工作方法等同于圖4。與此同時，ADC模塊實時，連續(xù)監(jiān)測Vl的數(shù)值，并且把其數(shù)字化存儲到存儲單元。當模式切換控制電路決定從PWM切換到PFM模式時，數(shù)字控制電路使用最后一次記錄的Vl電壓，通過必要的P麗到PFM參數(shù)映射的計算以后，控制DAC送出系統(tǒng)需要的模擬電壓V2。PWM/PFM切換信號把V2連接到遲滯電壓Vd上。由于V2是從系統(tǒng)最后一刻在PWM模式下，為達到需要的工作頻率和使用的合適的遲滯電壓Vl計算而來，所以其保證在PFM模式下，系統(tǒng)打開功率開關H和L的時間，將和此前在PWM模式下基本相等，或者是按照既定的算法稍有增加。這樣的安排保證了 PFM下，輸出電壓的紋波仍然符合系統(tǒng)要求。
[0021]圖7展示了使用類似的想法，但是控制斜率常數(shù)K，而不是遲滯電壓Vd的安排。請工作原理和圖6基本一致，不同點在于，數(shù)字電路實時監(jiān)測并記錄的是PWM模式在工作在固定頻率需要的斜率常數(shù)；在切換到PFM模式后。DAC輸出系統(tǒng)最后一刻記錄的斜率常數(shù)，或者是按照既定算法映射出的需要的數(shù)值，從而保證在PFM模式下，系統(tǒng)打開功率開關H和L的時間，將和此前在PWM模式下基本相等，或者是按照既定的算法稍有增加。這樣的安排保證了PFM下，輸出電壓的紋波仍然符合系統(tǒng)要求。
[0022]以上提議和方法，是基于使用模擬頻率監(jiān)測和跟蹤環(huán)路來實現(xiàn)控制工作頻率(PffM)和輸出紋波(PFM)的目的。由于在PFM模式下引入了系統(tǒng)存儲單元，所以我們還可以用全數(shù)字頻率監(jiān)控和跟蹤回路來達到同樣的目的，即使用數(shù)字鎖相環(huán)。圖8展示了使用數(shù)字鎖相環(huán)和控制電路來實現(xiàn)同樣目的的模塊安排。在PWM模式下，環(huán)路的工作頻率與參考頻率Fref之間的區(qū)別是由一個數(shù)字鑒相器或鑒頻器來檢測，其輸出信號直接被數(shù)字控制器接收。接下來數(shù)字控制器使用特定的算法來實現(xiàn)頻率跟蹤的環(huán)路控制，計算出需要的遲滯電壓數(shù)值，并使用DAC模塊給出對應的模擬電壓V12。遲滯比較器使用此模擬電壓，最終能夠得到想要的PWM工作頻率。在PFM模式下，數(shù)字控制器會完成相應的映射計算，給出另一個合適的控制電壓數(shù)值，由DAC模塊給出相應的模擬電壓Vl2，保證輸出紋波仍然和P麗模式相當。數(shù)字控制器同時也包括了PWM/PFM的模式切換功能。
[0023]圖9展示了同樣使用數(shù)字鎖相環(huán)的PWM+PFM頻率和紋波控制電路。和圖8的區(qū)別在于DAC輸出不用來控制遲滯電壓，而是控制斜率常數(shù)K。具體的功能和以上圖8的描述相似，
不再重復。
[0024]和前面使用模擬鎖相環(huán)電路的方法相比，使用數(shù)字鎖相環(huán)電路，不再需要誤差放大器2，也不需要ADC模塊，鎖相環(huán)路的穩(wěn)定性更易實現(xiàn)，控制電路也更加簡單，方便電路設計和集成度的提高。除此以外，此方法還能提供模擬鎖相環(huán)不能實現(xiàn)的功能和技術指標。例如，使用數(shù)字鎖相環(huán)，既可以讓環(huán)路工作的PWM頻率固定在某一個點上，也可以在某幾個相鄰的頻點上以某一規(guī)定的規(guī)律變化，從而實現(xiàn)展頻(spread-spectrum)的功能，以降低整個開關電源的電磁干擾(EMI)。
[0025]開關電源系統(tǒng)在PFM模式下長時間工作后，其供電電壓，溫度等工作環(huán)境參數(shù)都可能發(fā)生變化，造成其對應的電路參數(shù)發(fā)生變化，例如遲滯式比較器的閾值間隔Vd，或者是斜坡發(fā)生器的斜率常數(shù)K等，從而造成工作頻率和輸出電壓紋波等發(fā)生變化。為了防止這樣的變化對實際應用產(chǎn)生不利影響，PWM/PFM模式切換模塊有兩種方法可以應對這樣的不利變化。
[0026]一是可以選擇在PFM模式下每隔一段時間強行進入PWM模式工作一段時間，讓對應的電路參數(shù)重新鎖定在參考頻率上，然后再退回PFM模式。PFM和PffM模式下各自工作的時間可以根據(jù)系統(tǒng)功耗等的要求靈活選擇，從幾十毫秒到幾十秒不等，甚至更長。這樣的功能，在上述的幾種模擬控制環(huán)路和數(shù)字控制環(huán)路里都可以實現(xiàn)。這種方法操作比較簡單，也不需要增加太多額外的控制電路。但缺點是對于外圍參數(shù)的急劇變化，特別是對于供電電壓急劇升高的這種情況，響應不及時，輸出紋波可能在幾十毫秒內(nèi)有大比例的增加。
[0027]對紋波要求更加嚴格的應用，PWM/PFM模式切換模塊可以采用第二種方案來獲得更加精確的控制，如圖10所示。在PFM工作模式下，讓紋波突然變大的環(huán)境參數(shù)主要有兩個，供電電壓(VIN)的升高和芯片結(jié)溫(Tj)的降低。圖10展示的想法是，將代表VIN和結(jié)溫的電壓相加，再和某個參考電壓V3進行比較。如果前者超過參考電壓V3，比較器翻轉(zhuǎn)，表示供電電壓VIN的升高，或者是結(jié)溫(Tj)的降低對紋波的影響到了一個必須干涉的地步，此時可強行切換回PWM模式，重新計算一次新工作環(huán)境下的閾值間隔Vd和/或斜坡發(fā)生器的斜率常數(shù)K等，再自動切換回PFM模式。圖10中的加法器輸入分別表示，VIN的分壓(δ X VIN)，和代表結(jié)溫(Tj)的電壓VPTAT(The Voltage Proport1nal to Absolute Temperature);參考電壓V3由此時記錄PFM模式窗口的變量通過另一個DAC來選擇。這種方法可以持續(xù)監(jiān)測工作環(huán)境的變化，嚴格控制輸出紋波在PFM模式下的大小，當然代價是增加了更多的控制電路和在PFM模式下的功耗。
[0028]以上所述之實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術內(nèi)容對本發(fā)明技術方案做出更多可能的變動和潤飾，或修改為等同變化的等效實施例。故凡未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明之思路所作的等同等效變化，均應涵蓋于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.遲滯式控制器PWM和PFM模式下的控制方法，其特征在于，該方法為:在PWM工作模式下保持固定的工作頻率;在PFM工作模式下保持和PffM相類似的輸出電壓紋波。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遲滯式控制器PWM和PFM模式下的控制方法，其特征在于:在PffM工作模式下，是用頻率跟隨器來監(jiān)控參考振蕩器和PWM工作頻率的區(qū)別，并利用這個誤差來做相應的參數(shù)改變，從而驅(qū)動PWM工作頻率固定在參考頻率上;在PFM工作模式下，通過實時記錄PWM模式下系統(tǒng)需要的實際數(shù)值，并用存儲單元存貯下來，待系統(tǒng)切換成PFM模式后，直接調(diào)用，供控制回路使用。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遲滯式控制器PWM和PFM模式下的控制方法，其特征在于:當PWM/PFM模式進行切換時，在PFM模式下每隔一段時間強行進入PWM模式工作一段時間，讓對應的電路參數(shù)重新鎖定在參考頻率上，然后再退回PFM模式。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遲滯式控制器PWM和PFM模式下的控制方法，其特征在于:當PWM/PFM模式進行切換時，將供電電壓和芯片結(jié)溫的電壓相加，再和某個參考電壓進行比較。如果前者超過參考電壓，比較器翻轉(zhuǎn)，表示供電電壓的升高，或者是芯片結(jié)溫的降低對紋波的影響到了一個必須干涉的地步，此時強行切換回PWM模式，重新計算一次新工作環(huán)境下的閾值間隔Vd和/或斜坡發(fā)生器的斜率常數(shù)K，再自動切換回PFM模式。
【文檔編號】H02M1/14GK105958820SQ201610395792
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】范俊, 陶海
【申請人】廣東希荻微電子有限公司