開關(guān)電源的多模式切換方法及開關(guān)電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種開關(guān)電源的多模式切換方法及開關(guān)電源，在開關(guān)電源上增設模式選擇引腳，用于接收外部輸入的模式選擇信號；用于控制開關(guān)管通斷的控制模塊根據(jù)所述模式選擇信號限定其輸出的調(diào)制信號的類型，進而對開關(guān)電源的工作模式進行限制。本發(fā)明采用增加外部輸入電壓的方式來控制開關(guān)電源在其支持的多種工作模式下進行選擇切換，并在選定工作模式后，無論負載電流如何變化都強制開關(guān)電源工作在該種模式下。由此不僅提高了開關(guān)電源的通用性，使得一路開關(guān)電源可以工作在多種模式下，滿足了不同系統(tǒng)的不同設計要求；而且對于某些特定應用場合，可以確保開關(guān)電源的工作模式不會隨著負載電流變化，滿足了一些場合的特定應用需求。
【專利說明】開關(guān)電源的多模式切換方法及開關(guān)電源

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于開關(guān)電源【技術(shù)領域】，具體地說，是涉及一種用于控制開關(guān)電源在多種 工作模式中進行選擇切換的控制方法及基于這種切換控制方法設計的開關(guān)電源。

【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，來 使得其輸出的電壓保持恒定的一種電源，通常由M0SFET開關(guān)管和控制M0SFET通斷的控制 模塊以及電壓轉(zhuǎn)換電路等部分組成。
[0003] 目前的開關(guān)電源，按照控制方式的不同可以分為電壓/電流控制方式、遲滯控 制方式、恒定導通時間控制方式等。其中，電壓/電流控制方式需要內(nèi)部時鐘，基于調(diào)制 模式的不同，可以工作在脈沖寬度調(diào)制模式（Pulse Width Modulation，PWM)下、脈沖頻 率調(diào)制模式（Pulse Frequency Modulation, PFM)下或者跳周期調(diào)制模式（Pulse Skip Modulation，PSM)下。在PWM模式下，控制模塊輸出的開關(guān)頻率固定，通過調(diào)整脈沖寬度來 穩(wěn)定輸出電壓。而在PFM模式或者PSM模式下，控制模塊通過改變開關(guān)頻率來滿足負載電 流的變化。由于PWM模式可以保持恒定的開關(guān)頻率，因此在瞬態(tài)響應速度及噪聲方面具有 很好的性能，尤其適合應用在重載場合。而PFM和PSM這兩種模式由于可以隨負載電流的 減小而降低開關(guān)頻率，因此可以減小開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，尤其適合在負載電流 變化范圍較大的場合中應用。
[0004] 現(xiàn)有的開關(guān)電源，在設計過程中往往已經(jīng)將其所基于的調(diào)制模式固定下來，也就 是說，一款開關(guān)電源只能工作在一種調(diào)制模式下，通過接收負載電流的反饋值來調(diào)節(jié)其脈 沖寬度(針對PWM模式）或者開關(guān)頻率(針對PFM模式)，進而實現(xiàn)其輸出電壓的穩(wěn)定。這種 設計方式導致技術(shù)人員需要事先根據(jù)應用場合的實際負載情況選擇合適的開關(guān)電源進行 系統(tǒng)電路的具體設計，通用性差，增加了技術(shù)人員的工作量。即便是某些開關(guān)電源可以根據(jù) 負載的電流變化自適應地改變其工作模式，但對于某些需要強制開關(guān)電源工作在某一特定 模式下的應用場合，這種開關(guān)電源仍無法滿足應用需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種開關(guān)電源的多模式切換方法及開關(guān)電源，可以借助外 部信號的控制來改變開關(guān)電源的工作模式，并強制開關(guān)電源工作在選定的工作模式下。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)： 一方面，本發(fā)明提供了一種開關(guān)電源的多模式切換方法，在開關(guān)電源上增設模式選擇 引腳，用于接收外部輸入的模式選擇信號；用于控制開關(guān)管通斷的控制模塊根據(jù)所述模式 選擇信號限定其輸出的調(diào)制信號的類型，進而對開關(guān)電源的工作模式進行限制。
[0007] 為了盡量控制開關(guān)電源的引腳數(shù)量，將所述模式選擇信號設定為模擬信號，所述 開關(guān)電源支持的工作模式為N種，所述N為大于1的整數(shù)；在開關(guān)電源中設置模式選擇電 路，利用所述模式選擇電路將一路模擬量的模式選擇信號處理成N路數(shù)字量的模式使能信 號，傳輸至所述的控制模塊，所述控制模塊選定輸出的調(diào)制信號的類型，控制開關(guān)電源工作 在選定的工作模式下。
[0008] 優(yōu)選的，所述開關(guān)電源支持的工作模式包括脈沖寬度調(diào)制模式、脈沖頻率調(diào)制模 式和超聲模式；利用所述模式選擇電路轉(zhuǎn)換輸出的超聲模式使能信號控制一超聲計時器運 行，設置所述超聲計時器的計時時間小于50微秒，將超聲計時器輸出的計時脈沖發(fā)送至控 制模塊，進而將所述控制模塊輸出的脈沖頻率調(diào)制信號的頻率限制在20KHz以上，以避免 出現(xiàn)音頻噪聲。
[0009] 為了避免線路故障或者過載導致開關(guān)電源損壞，本發(fā)明的開關(guān)電源采集負載電 流，并與設定的上限值進行比較，若負載電流超過上限值，則屏蔽N路所述的模式使能信 號，使所述控制模塊停止輸出調(diào)制信號，進入保護狀態(tài)。
[0010] 另一方面，本發(fā)明提供了一種開關(guān)電源，包括開關(guān)管、用于控制所述開關(guān)管通斷的 控制模塊以及與所述開關(guān)管連通的電壓轉(zhuǎn)換電路，在所述開關(guān)電源上增設有模式選擇引 腳，用于接收外部輸入的模式選擇信號；所述控制模塊根據(jù)所述模式選擇信號限定其輸出 的調(diào)制信號的類型，傳輸至所述的開關(guān)管，以對開關(guān)電源的工作模式進行限制后，經(jīng)電壓轉(zhuǎn) 換電路輸出負載所需的電壓。
[0011] 為了盡可能地減少開關(guān)電源的引腳數(shù)量，所述模式選擇信號優(yōu)選設定為一路模擬 信號，所述開關(guān)電源支持的工作模式為N種，所述N為大于1的整數(shù)；在開關(guān)電源中設置有 模式選擇電路，所述模式選擇電路接收所述模式選擇信號，并處理成N路數(shù)字量的模式使 能信號，傳輸至所述的控制模塊，限制所述控制模塊輸出的調(diào)制信號的類型，控制開關(guān)電源 工作在選定的工作模式下。
[0012] 進一步的，在所述模式選擇電路中設置有N-ι路比較器和N路數(shù)字邏輯電路，將所 述模式選擇信號一一對應地傳輸至N-1路比較器與預先設定的N-1路設定閾值進行比較， 輸出N-1路開關(guān)量信號；根據(jù)預先設定的模式選擇信號的不同電壓值所對應的調(diào)制信號類 型的不同，確定出N路模式使能信號與所述N-1路開關(guān)量信號之間的邏輯對應關(guān)系，進而根 據(jù)所述邏輯對應關(guān)系構(gòu)建N路數(shù)字邏輯電路，生成所需的N路模式使能信號。
[0013] 優(yōu)選的，所述開關(guān)電源支持的工作模式包括脈沖寬度調(diào)制模式、脈沖頻率調(diào)制模 式和超聲模式；所述模式選擇電路轉(zhuǎn)換輸出的超聲模式使能信號傳輸至一超聲計時器，所 述超聲計時器的計時時間小于50微秒，在超聲工作模式下，所述控制模塊接收超聲計時器 輸出的計時脈沖，根據(jù)計時脈沖限制其輸出的脈沖頻率調(diào)制信號的頻率在20KHz以上。
[0014] 為了避免線路故障或者過載導致開關(guān)電源損壞，本發(fā)明在所述開關(guān)電源的輸出端 連接有負載電流采樣電路，所述負載電流采樣電路將負載電流轉(zhuǎn)換成負載電壓反饋至開關(guān) 電源，若負載電壓超過預先設定的上限值，則屏蔽N路所述的模式使能信號，使控制模塊停 止輸出調(diào)制信號，進入保護狀態(tài)。
[0015] 為了在負載電壓超限時，能夠?qū)崿F(xiàn)對N路模式使能信號的屏蔽，將所述負載電壓 反饋至開關(guān)電源中的另一路比較器，所述另一路比較器將接收到的負載電壓與所述上限值 進行比較，輸出保護信號與N路模式使能信號分別經(jīng)由N路與門分別進行與運算后，傳輸至 所述的控制模塊。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：本發(fā)明采用增加外部輸入電壓的 方式來控制開關(guān)電源在其支持的多種工作模式下進行選擇切換，并在選定工作模式后，無 論負載電流如何變化都強制開關(guān)電源工作在該種模式下。由此不僅提高了開關(guān)電源的通用 性，使得一路開關(guān)電源可以工作在多種模式下，滿足了不同系統(tǒng)的不同設計要求；而且對于 某些特定應用場合，可以確保開關(guān)電源的工作模式不會隨著負載電流的變化而改變，從而 滿足了一些場合的特定應用需求，拓展了開關(guān)電源的適用領域。
[0017] 結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實施方式的詳細描述后，本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點將變得更 加清楚。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明所提出的開關(guān)電源的一種實施例的多模式切換部分的電路原理框 圖； 圖2是圖1中的模式選擇電路的一種實施例的部分電路原理圖； 圖3是圖1中的模式選擇電路的一種實施例的另一部分電路原理圖。

【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細地說明。
[0020] 為了使得開關(guān)電源在其所支持的多種工作模式中，能夠按照用戶的實際需求切換 工作在所需的模式下，繼而滿足不同系統(tǒng)的用電要求，本實施例對現(xiàn)有的開關(guān)電源進行改 進性設計，在開關(guān)電源上增設模式選擇引腳，接收外部提供的模式選擇信號，系統(tǒng)通過輸入 的模式選擇信號來判斷用戶所需的工作模式，進而控制開關(guān)電源切換工作在該模式下。一 旦模式選擇完成，無論負載電流如何變化，開關(guān)電源始終工作于該模式，由此實現(xiàn)了開關(guān)電 源的多模式切換。
[0021] 針對開關(guān)電源目前的實際應用情況，本實施例主要考慮以下三種工作模式： 1、PWM模式：在一些應用中，要求保持開關(guān)電源的開關(guān)頻率恒定，不隨負載電流變化， 這就需要提供一種強制PWM模式。在該模式下，開關(guān)管的開關(guān)頻率不隨負載電流的變化而 改變，優(yōu)點是能夠保持頻率為常數(shù)，提高負載瞬態(tài)響應速度，減小音頻噪聲，適合應用在重 載系統(tǒng)中。
[0022] 2、PFM模式：PFM模式的最大優(yōu)點是開關(guān)管的開關(guān)頻率在全負載范圍內(nèi)隨負載電 流的變化而改變，開關(guān)頻率理論上可以無限降低，在輕載條件下可以將其導通損耗和開關(guān) 損耗降至最低，進而達到在全負載范圍內(nèi)最高的轉(zhuǎn)換效率。因此，在負載電流變化范圍較大 的應用中，優(yōu)選PFM模式進行工作。
[0023] 3、超聲（Ultra Sonic，US)模式：由于在PFM模式下，開關(guān)管的開關(guān)頻率會隨著負 載電流的減小而一直降低，在負載電流很小甚至空載時，開關(guān)頻率可能會一直下降至20KHz 以下。由于人耳的聽覺范圍在20Hz-20KHz之間，因此在開關(guān)管的開關(guān)頻率低于20KHz時， 開關(guān)或電感電流的噪聲會進入人耳的聽覺范圍，即產(chǎn)生音頻噪聲。為了避免音頻噪聲，本實 施例設計了超聲模式，即US模式，該模式的工作原理是：限制開關(guān)管的最低開關(guān)頻率為H， 所述H>20KHz ;調(diào)節(jié)開關(guān)管的開關(guān)頻率隨負載電流的變化而改變，即類似于PFM工作模式， 當開關(guān)頻率下降至Η時，維持開關(guān)頻率等于H，即保證開關(guān)頻率始終處于20KHz以上，由此避 免了音頻噪聲的產(chǎn)生。超聲模式與PFM模式的區(qū)別在于：在開關(guān)電源的設計上增加了一個 超聲計時器，利用超聲計時器產(chǎn)生的計時脈沖限制開關(guān)管的最低開關(guān)頻率，使開關(guān)管的開 關(guān)頻率始終維持在20KHz以上。由于超聲模式具有上述工作特性，因此適合應用在輕載或 者有時會出現(xiàn)空載的應用場合中，在保證輕載效率的同時，可以避免音頻噪聲的產(chǎn)生。
[0024] 下面針對上述三種工作模式，對開關(guān)電源的具體設計方式進行詳細地闡述。
[0025] 本實施例首先在開關(guān)電源上增設至少一路用于接收模式選擇信號的模式選擇引 腳，出于盡量減少開關(guān)電源引腳數(shù)量的考慮，所述模式選擇信號優(yōu)選設定為一路模擬信號， 例如一路電壓信號，在開關(guān)電源上增設一路模擬量的模式選擇引腳，接收外部提供的所述 電壓信號，繼而根據(jù)該電壓信號的電壓值判斷用戶選擇的工作模式。在開關(guān)電源內(nèi)部，用于 控制開關(guān)管通斷的控制模塊(所述控制模塊可以是邏輯控制電路或者是控制1C)根據(jù)用戶 選擇的工作模式產(chǎn)生并輸出與該工作模式對應類型的調(diào)制信號，進而對開關(guān)電源的工作模 式進行限制。
[0026] 以上述三種工作模式為例進行說明，可以針對模式選擇信號Vmode的電壓范圍定 義兩個設定閾值S1、S2,且S1>S2。當模式選擇信號Vmode的電壓值大于S1時，對應其中一 種工作模式，例如PFM模式；當Vmode的電壓值處于S1與S2之間時，對應另外一種工作模 式，例如PWM模式；當Vmode的電壓值小于S2時，對應第三種工作模式，例如US模式?？刂?模塊根據(jù)識別出的工作模式輸出PWM信號、PFM信號或者US信號（即限制了最低頻率的PFM 信號)，從而控制開關(guān)電源切換至相應的工作模式。
[0027] 根據(jù)上述設計思想，對于工作模式為N種（N為大于1的正整數(shù))的開關(guān)電源來說， 只需針對模式選擇信號Vmode的電壓范圍定義N-1個設定閾值，并將實際輸入的模式選擇 信號Vmode的電壓值與所述N-1個設定閾值進行比較，即可判斷出用戶選定的工作模式。
[0028] 考慮到在現(xiàn)有的開關(guān)電源中，用于產(chǎn)生調(diào)制信號的控制模塊通常選用數(shù)字邏輯控 制芯片，適合接收數(shù)字量信號的情況，本實施例在開關(guān)電源中設計模式選擇電路，接收外部 輸入的模擬量的模式選擇信號Vmode，并轉(zhuǎn)換成N路數(shù)字量的模式使能信號，例如開關(guān)量形 式的PWM模式使能信號PWM_EN、PFM模式使能信號PFM_EN、US模式使能信號US_EN等，輸 出至控制模塊，限制所述控制模塊輸出的PWM、PFM等調(diào)制信號，進而控制開關(guān)電源切換至 PWM、PFM或者US等工作模式，實現(xiàn)開關(guān)電源的多模式切換功能。
[0029] 作為所述模式選擇電路的具體設計方式，本實施例提出了一種采用比較器配合數(shù) 字邏輯電路的硬件組建方式，參見圖2、圖3所示。以N=3為例進行說明，對于開關(guān)電源的工 作模式為三種的情況，可以選用兩路比較器CMP1、CMP2配合三路數(shù)字邏輯電路來構(gòu)建所述 的模式選擇電路。根據(jù)輸入的模式選擇信號Vmode的電壓范圍定義兩個設定閾值SI、S2， 例如：S1=2V，S2=l. 2V。兩個設定閾值SI、S2所對應閾值電壓可以由開關(guān)電源內(nèi)部的分壓 電路提供。將兩個設定閾值S1、S2所對應的閾值電壓分別傳輸至比較器CMPUCMP2的同相 輸入端+，兩個比較器CMPUCMP2的反相輸入端-均接收所述的模式選擇信號Vmode。當模 式選擇信號Vmode的電壓值大于S1時，比較器CMPUCMP2均輸出低電平，即M1=0、M2=0 ;當 模式選擇信號Vmode的電壓值介于S1與S2之間時，比較器CMP1輸出高電平，比較器CMP2 輸出低電平，即M1=1、M2=0 ;當模式選擇信號Vmode的電壓值小于S2時，比較器CMPUCMP2 均輸出高電平，即M1=1、M2=1。假設模式使能信號PWM_EN、PFM_EN、US_EN均為高電平有效， 即高電平時選中對應的工作模式，則按照上述模式選擇信號Vmode的電壓值所對應的工作 模式的定義方式，可以獲得Vmode的電壓值與比較器CMP1、CMP2的輸出以及模式使能信號 置1?的對應關(guān)系表，如表1所不： 表1。

【權(quán)利要求】
1. 一種開關(guān)電源的多模式切換方法，其特征在于：在開關(guān)電源上增設模式選擇引腳， 用于接收外部輸入的模式選擇信號；用于控制開關(guān)管通斷的控制模塊根據(jù)所述模式選擇信 號限定其輸出的調(diào)制信號的類型，進而對開關(guān)電源的工作模式進行限制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源的多模式切換方法，其特征在于：將所述模式選擇 信號設定為模擬信號，所述開關(guān)電源支持的工作模式為N種，所述N為大于1的整數(shù)；在開 關(guān)電源中設置模式選擇電路，利用所述模式選擇電路將一路模擬量的模式選擇信號處理成 N路數(shù)字量的模式使能信號，傳輸至所述的控制模塊，所述控制模塊選定輸出的調(diào)制信號的 類型，控制開關(guān)電源工作在選定的工作模式下。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)電源的多模式切換方法，其特征在于：所述開關(guān)電源支 持的工作模式包括脈沖寬度調(diào)制模式、脈沖頻率調(diào)制模式和超聲模式；利用所述模式選擇 電路轉(zhuǎn)換輸出的超聲模式使能信號控制一超聲計時器運行，設置所述超聲計時器的計時時 間小于50微秒，將超聲計時器輸出的計時脈沖發(fā)送至控制模塊，進而將所述控制模塊輸出 的脈沖頻率調(diào)制信號的頻率限制在20KHz以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的開關(guān)電源的多模式切換方法，其特征在于：采集負載 電流，并與設定的上限值進行比較，若負載電流超過上限值，則屏蔽N路所述的模式使能信 號，使所述控制模塊停止輸出調(diào)制信號，進入保護狀態(tài)。
5. -種開關(guān)電源，包括開關(guān)管、用于控制所述開關(guān)管通斷的控制模塊以及與所述開關(guān) 管連通的電壓轉(zhuǎn)換電路，其特征在于：在所述開關(guān)電源上增設有模式選擇引腳，用于接收外 部輸入的模式選擇信號；所述控制模塊根據(jù)所述模式選擇信號限定其輸出的調(diào)制信號的類 型，傳輸至所述的開關(guān)管，以對開關(guān)電源的工作模式進行限制后，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換電路輸出負載 所需的電壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的開關(guān)電源，其特征在于：所述模式選擇信號為一路模擬信 號，所述開關(guān)電源支持的工作模式為N種，所述N為大于1的整數(shù)；在開關(guān)電源中設置有模 式選擇電路，所述模式選擇電路接收所述模式選擇信號，并處理成N路數(shù)字量的模式使能 信號，傳輸至所述的控制模塊，限制所述控制模塊輸出的調(diào)制信號的類型，控制開關(guān)電源工 作在選定的工作模式下。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)電源，其特征在于：在所述模式選擇電路中設置有N-1 路比較器和N路數(shù)字邏輯電路，將所述模式選擇信號一一對應地傳輸至N-1路比較器與預 先設定的N-1路設定閾值進行比較，輸出N-1路開關(guān)量信號；根據(jù)預先設定的模式選擇信號 的不同電壓值所對應的調(diào)制信號類型的不同，確定出N路模式使能信號與所述N-1路開關(guān) 量信號之間的邏輯對應關(guān)系，進而根據(jù)所述邏輯對應關(guān)系構(gòu)建N路數(shù)字邏輯電路，生成所 需的N路模式使能信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)電源，其特征在于：所述開關(guān)電源支持的工作模式包括 脈沖寬度調(diào)制模式、脈沖頻率調(diào)制模式和超聲模式；所述模式選擇電路轉(zhuǎn)換輸出的超聲模 式使能信號傳輸至一超聲計時器，所述超聲計時器的計時時間小于50微秒，在超聲工作模 式下，所述控制模塊接收超聲計時器輸出的計時脈沖，根據(jù)計時脈沖限制其輸出的脈沖頻 率調(diào)制信號的頻率在20KHz以上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項所述的開關(guān)電源，其特征在于：在所述開關(guān)電源的輸 出端連接有負載電流采樣電路，所述負載電流采樣電路將負載電流轉(zhuǎn)換成負載電壓反饋至 開關(guān)電源，若負載電壓超過預先設定的上限值，則屏蔽N路所述的模式使能信號，使控制模 塊停止輸出調(diào)制信號，進入保護狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)電源，其特征在于：所述負載電壓反饋至開關(guān)電源中 的另一路比較器，所述另一路比較器將接收到的負載電壓與所述上限值進行比較，輸出保 護信號與N路模式使能信號分別經(jīng)由N路與門分別進行與運算后，傳輸至所述的控制模塊。
【文檔編號】H02M3/156GK104242649SQ201410543972
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】隋濤 申請人:青島歌爾聲學科技有限公司