專利名稱：一種自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于PWM控制模式下的Buck電路。
背景技術(shù)：
開關(guān)穩(wěn)壓電源常采用脈寬調(diào)制模式PWM(Pulse Width Modulation)，通過負(fù)反饋控制環(huán)路來使變換器的輸出電壓保持穩(wěn)定。PWM具體實(shí)現(xiàn)方式是如果輸入電壓或負(fù)載的變化引起輸出電壓變化，采樣電路對輸出電壓進(jìn)行采樣，并將其與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而根據(jù)變化來決定脈沖的寬度，使得輸出電壓穩(wěn)定。當(dāng)變換器輸出電壓大于參考電壓時(shí)，將使脈寬減??；反之，則增大脈寬，由此使得變換器的輸出電壓穩(wěn)定。為了提高開關(guān)電源變換器的效率，降低功率管損耗，目前比較先進(jìn)的功率管驅(qū)動技術(shù)有運(yùn)用于大功率系統(tǒng)的諧振電源技術(shù)以達(dá)到功率管和同步整流管的軟開關(guān)；諧振驅(qū)動技術(shù)以達(dá)到對功率管驅(qū)動能量的反復(fù)利用，降低驅(qū)動損耗；多相電源，將并聯(lián)的多路拓?fù)溆糜诰哂胁煌辔徊铗?qū)動信號的開關(guān)管進(jìn)行控制，從而提高系統(tǒng)對負(fù)載變化的適應(yīng)能力，降低紋波電流；雙頻開關(guān)電源技術(shù)等。在低電壓，小功率，高集成度的PIC領(lǐng)域，由于受到系統(tǒng)體積，外圍零件數(shù)量，應(yīng)用成本等條件的限制，上述驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)不適合。而采用數(shù)字電路輔助控制的技術(shù)具有易于集成和成本代價(jià)較低的特點(diǎn)，能夠滿足以上要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的脈寬調(diào)制模式下開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)功耗過高的問題，提出了一種自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路及方法。本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案一種自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路，包括驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和控制邏輯單元，其中，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端和驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的 PWM輸入端用于輸入外部的PWM波，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出與控制邏輯單元的輸入相連接， 控制邏輯單元的輸出與驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的功率管控制碼輸入端相連接，驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的輸出即為自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路輸出用于控制功率管。其中，所述控制邏輯單元用于輸出功率管控制碼，所述自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路復(fù)位后，輸出功率管控制碼的最大值N = Nmax，其中Nmax為控制邏輯單元預(yù)設(shè)定的值，設(shè)定所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的寄存器初始值為M，輸出為K，功率管控制碼自減，N = N-I ；時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于檢測PWM波脈寬，輸出1(，若K < M，功率管控制碼繼續(xù)自減，N = N-I, M = K,時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測用于PWM波脈寬；若K > M，功率管控制碼自加，N = N+1,時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測用于PWM波脈寬。進(jìn)一步的，所述控制邏輯單元通過硬件描述語言用ASIC專用集成電路實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的，所述驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元包括驅(qū)動單元和驅(qū)動邏輯單元，其中，驅(qū)動邏輯單元包括解碼器和P個(gè)與非門，其中，P為功率管個(gè)數(shù)，P不超過2Nmax，解碼器的輸出端分別與P個(gè)與非門的一個(gè)輸入端相連，P個(gè)與非門的另一個(gè)輸入端作為驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的PWM輸入端。
基于上述自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路的自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)方法，包括如下步驟步驟1.自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路復(fù)位后，控制邏輯單元輸出功率管控制碼的最大值N = Nmax，其中Nmax為控制邏輯單元內(nèi)部預(yù)設(shè)定的值，設(shè)定所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的寄存器初始值為M，輸出為K，功率管控制碼自減，N = N-I5步驟2.時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測PWM波脈寬，輸出K;步驟3. gK<M，功率管控制碼繼續(xù)自減，N = N_1，M = K，返回步驟2 ;gK>M， 功率管控制碼自加，N = N+1，返回步驟2。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供一種用于DC-DC變換器的自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路和方法，通過時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和控制邏輯單元，比較PWM波的脈寬，間接比較了不同功率管控制碼下的系統(tǒng)功耗，輸出PWM波脈寬最小的功率管控制碼，進(jìn)而找到最佳的功率管導(dǎo)通的數(shù)目，在輸出功率不變的情況下，減小輸入功率，降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)效率，并且本發(fā)明中的電路均為數(shù)字電路，自身功耗低，占用芯片面積小。


圖1是本發(fā)明的自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的驅(qū)動及其邏輯模塊結(jié)構(gòu)示意。圖4是本發(fā)明自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)方法流程示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例的輸出穩(wěn)定時(shí)電感電流和功率管電流波形示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。如圖1所示，一種自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路，包括驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和控制邏輯單元，其中，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端和驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的PWM輸入端用于輸入外部的PWM波，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出與控制邏輯單元的輸入相連接，控制邏輯單元的輸出與驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的功率管控制碼輸入端相連接，驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的輸出即為自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路輸出用于控制功率管。其中，所述控制邏輯單元用于輸出功率管控制碼，所述自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路復(fù)位后，輸出功率管控制碼的最大值N = Nmax，其中Nmax為控制邏輯單元預(yù)設(shè)定的值，設(shè)定所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的寄存器初始值為M，輸出為K，功率管控制碼自減，N = N-I ；時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于檢測PWM波脈寬，輸出1(，若K < M，功率管控制碼繼續(xù)自減，N = N-I, M = K,時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測用于PWM波脈寬；若K > M，功率管控制碼自加，N = N+1,時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于檢測PWM波脈寬。這里功率管控制碼N決定了功率管導(dǎo)通的數(shù)目。這里通過調(diào)節(jié)功率管控制碼N，PWM波占空比發(fā)生變化，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測PWM 波高電平寬度并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，使功率管控制碼產(chǎn)生相應(yīng)的變化，尋找讓占空比最小的功率管控制碼。這里，控制邏輯單元可以通過硬件描述語言用ASIC(AppliCati0n Specific Integrated Circuit)專用集成電路實(shí)現(xiàn)。在圖1中，VIN是Buck電路的輸入電壓，連接到P型功率管PMOS的源極，而PMOS和二極管DIODE、電感L、電容C 一起構(gòu)成了簡單的Buck電路。Buck電路的輸出電壓VO通過補(bǔ)償及PWM生成單元產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波。驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元輸入PWM波和控制邏輯單元輸出的功率管控制碼，輸出對應(yīng)的驅(qū)動信號，導(dǎo)通相應(yīng)的功率管數(shù)目，同時(shí)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測PWM波，檢測功率管在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，在本周期的功率管關(guān)斷時(shí)期，將時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出值送給控制邏輯單元。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，W(奇數(shù))個(gè)反向器前后連接形成環(huán)形振蕩器，Phl至phW分別是W個(gè)反向器的輸出時(shí)鐘。Two bit counters是W-I兩位計(jì)數(shù)器，輸入時(shí)鐘Phl至phW-Ι在PWM波為高時(shí)高進(jìn)行計(jì)數(shù)。Counter是一個(gè)W位計(jì)數(shù)器，輸入時(shí)鐘PhW在PWM波為高進(jìn)行計(jì)數(shù)，將所有Two bit counters輸出與Counter輸出的低兩位做比較，得到比較值，再將所有比較值相加得到Y(jié)。將Counter輸出值乘以W得到Z。最后將Y與Z相加的得到K。這里，驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元包括驅(qū)動單元和驅(qū)動邏輯單元，其中，驅(qū)動邏輯單元包括解碼器和P個(gè)與非門，其中，P為功率管個(gè)數(shù)，P不超過2Nmax，解碼器的輸出端分別與P個(gè)與非門的一個(gè)輸入端相連，P個(gè)與非門的另一個(gè)輸入端作為驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的PWM輸入端。以三個(gè)功率管控制碼為例進(jìn)行說明驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元結(jié)構(gòu)，如圖3所示。解碼器收到控制邏輯模塊輸出的功率管控制碼S2，Si，S0，經(jīng)過解碼器的輸出各自與PWM波經(jīng)過一個(gè)與非門接在一個(gè)驅(qū)動電路，驅(qū)動一個(gè)功率管?？偣灿?個(gè)解碼器，7個(gè)與非門，7個(gè)驅(qū)動電路和7個(gè)功率管?；谏鲜鲎赃m應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路的自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)方法，包括如下步驟圖4為自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路的自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)方法的流程示意圖。具體展開如下步驟1.自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路復(fù)位后，控制邏輯單元輸出功率管控制碼的最大值N = Nmax，其中Nmax為控制邏輯單元預(yù)設(shè)定的值，設(shè)定所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的寄存器初始值為M,輸出為K，功率管控制碼自減，N = N-I5步驟2.時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測PWM波脈寬，輸出K;步驟3. gK<M，功率管控制碼繼續(xù)自減，N = N_1，M = K，返回步驟2 ;gK>M， 功率管控制碼自加，N = N+1，返回步驟2。圖5為輸出穩(wěn)定時(shí)電感電流和功率管電流波形示意圖。T為開關(guān)周期，d為占空比。、為一個(gè)開關(guān)周期的起始點(diǎn)，此時(shí)功率管電流和電感電流為、。在、到tfdT這段時(shí)
間內(nèi)，功率管導(dǎo)通，電感電流和功率管電流都按斜率叫=^Pl上升。在tfdT到、+τ這段
時(shí)間，功率管關(guān)斷，電感電流按斜率％ 下降，功率管電流為0。下面結(jié)合圖5介紹本發(fā)明的具體工作原理。自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路穩(wěn)定時(shí)，電路輸出功率恒定，若功率管導(dǎo)通時(shí)間減小，則輸入功率減小，電路效率提高。t0時(shí)刻，功率管開
始導(dǎo)通，功率管電流等于電感電流‘電流按斜率叫=^Pl上升，其中L為電感L的電感
值，占空比為d，開關(guān)周期為T。在VdT時(shí)亥lj，電感電流和功率管電流均為I1 = Vm1ClT,此時(shí)環(huán)路穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載不變的情況下，設(shè)每個(gè)開關(guān)周期的輸出能量恒定為E。，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的輸入能量為
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路，其特征在于，包括驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和控制邏輯單元，其中，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端和驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的PWM輸入端用于輸入外部的PWM波，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出與控制邏輯單元的輸入相連接，控制邏輯單元的輸出與驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的功率管控制碼輸入端相連接，驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的輸出即為自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路輸出用于控制功率管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述控制邏輯單元用于輸出功率管控制碼，所述自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路復(fù)位后，輸出功率管控制碼的最大值N =Nmax，其中Nmax為控制邏輯單元預(yù)設(shè)定的值，設(shè)定所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的寄存器初始值為M，輸出為K，功率管控制碼自減，N = N-I。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于檢測PWM波脈寬，輸出K， SK<M，功率管控制碼繼續(xù)自減，N = N-l，M = K，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于檢測PWM波脈寬； 若K > M，功率管控制碼自加，N = N+1，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于檢測PWM波脈寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述控制邏輯單元通過硬件描述語言用ASIC專用集成電路實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路，其特征在于，所述驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元包括驅(qū)動單元和驅(qū)動邏輯單元，其中，驅(qū)動邏輯單元包括解碼器和P個(gè)與非門，其中，P為功率管個(gè)數(shù)，P不超過2Nmax，解碼器的輸出端分別與P個(gè)與非門的一個(gè)輸入端相連， P個(gè)與非門的另一個(gè)輸入端作為驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元的PWM輸入端。
5.一種自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)方法，包括如下步驟步驟1.自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路復(fù)位后，控制邏輯單元輸出功率管控制碼的最大值N = Nmax，其中Nmax為控制邏輯單元預(yù)設(shè)定的值，設(shè)定所述時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的寄存器初始值為 M，輸出為K，功率管控制碼自減，N = N-I ；步驟2.時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測PWM波脈寬，輸出K ；步驟3.若1( < M，功率管控制碼繼續(xù)自減，N = N-LM = K，返回步驟2 ；若K > M，功率管控制碼自加，N = N+1，返回步驟2。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述控制邏輯單元通過硬件描述語言用ASIC專用集成電路實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路及方法。本發(fā)明針對現(xiàn)有的脈寬調(diào)制模式下開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)功耗過高的問題，提出了一種自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路，包括驅(qū)動及驅(qū)動邏輯單元、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和控制邏輯單元，通過時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和控制邏輯單元，比較PWM波的脈寬，間接比較了不同功率管控制碼下的系統(tǒng)功耗，輸出PWM波脈寬最小的功率管控制碼，進(jìn)而找到最佳的功率管導(dǎo)通的數(shù)目，在輸出功率不變的情況下，減小輸入功率，降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)效率。此外，基于自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)電路，本發(fā)明還提出了一種自適應(yīng)功率管調(diào)節(jié)方法。
文檔編號H02M3/155GK102170227SQ20111010922
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者張業(yè), 張波, 甄少偉, 羅萍, 謝謙, 趙越 申請人:電子科技大學(xué)