开关电源开通时间控制方法、装置及开关电源与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种开关电源开通时间控制方法、装置及开关电源。

背景技术：

开关电源是一种高频化电能转换装置，典型地，开关电源包括dc/dc变换器，dc/dc变换器可采用以下几种电路拓扑结构：降压变换电路、升压变换电路和反激电路，三种电路均可工作于电感断流或者续流模式。

目前，dc/dc变换器广泛采用电池供电，为了延长电池使用寿命，需要dc/dc变换器具有更高的转换效率，由于dc/dc变换器大部分时间处于轻载待机的状态，因此，需要提高轻载下的转换效率。为了提高转换效率，当前的dc/dc变换器无论采用哪种控制模式，都需要避免出现负电流。

在具有转换效率要求的dc/dc变换器中，通常采用恒定开通时间(constant-on-time，cot)模式。

以降压dc/dc变换器为例，图1是现有的降压dc/dc变换器的电感电流的波形示意图。如图1所示，在cot模式下，每个开关周期tp主功率管开通一个恒定的时间ton，辅助功率管在每个开关周期内剩余的时间开启。主功率管的开通时间ton在输入电压vi和输出电压vo一定的条件下是恒定的，不随负载状况变化，即言，在轻载和重载工况下，现有的dc/dc变换器(开关电源)的开通时间是不变的。

如图1所示，在每个开关周期tp内，电感电流il高于负载电流ild，会导致输出电压vo产生一定的输出纹波，该输出纹波由电感电流il和负载电流ild的差值决定，在重载工况下，dc/dc变换器工作在续流模式，在t1-t2时间段内，电感电流il高于负载电流ild，产生正纹波；在t2-t3时间段内，电感电流il低于负载电流ild，产生负纹波；在轻载工况下，dc/dc变换器工作在断流模式，电感电流il在整个开关周期内均高于负载电流ild，产生正纹波，在相同开通时间内，轻载工况下的输出电压纹波可达到重载工况下的4倍，其存在以下问题：过大的纹波会影响下游电路的正常工作，例如，在负载电路上产生谐波，干扰数字电路的逻辑关系，带来噪音干扰，影响图像、音频质量，影响电子系统的使用性能。

技术实现要素：

本发明提供一种开关电源开通时间控制方法，能够有效缩短轻载工况下的开通时间，解决了现有的开关电源开通时间不变导致的输出电压纹波过大的问题，有利于改善电能输出质量。

第一方面，本发明实施例提供了一种开关电源开通时间控制方法，包括以下步骤：获取所述开关电源的运行参数，所述运行参数包括轻载工况及重载工况下的开关管状态参数、电压参数、电流参数、等待持续时间及开关次数；根据所述电压参数确定轻载开通时间和重载开通时间，所述轻载开通时间小于所述重载开通时间；根据所述电流参数、所述开关管状态参数及所述等待持续时间确定是否满足轻载开通条件；若满足轻载开通条件，则控制所述开关电源的开关单元以所述轻载开通时间连续开关至少一次。

可选地，所述开关电源开通时间控制方法还包括以下步骤：根据所述电压参数、所述电流参数及所述开关次数确定是否满足重载开通条件；若满足重载开通条件，则控制所述开关电源的开关单元以所述重载开通时间开通。

可选地，根据所述电压参数、所述电流参数及所述开关次数确定是否满足重载开通条件，包括以下步骤：获取轻载工况下的第一输出电压、电感电流及主开关管开关次数；若所述第一输出电压低于预设欠压阈值，且主开关管开关期间所述电感电流持续大于零，则判定满足重载开通条件。

可选地，根据所述电压参数确定轻载开通时间，包括以下步骤：获取轻载工况下的输出电压最小值；根据所述输出电压最小值对应的主开关管最小开通时间确定所述轻载开通时间。

可选地，根据所述电压参数确定重载开通时间，包括以下步骤：获取重载工况下的第二输出电压；根据所述第二输出电压对应的主开关管开通时间确定所述重载开通时间。

可选地，根据所述电流参数、所述开关管状态参数及所述等待持续时间确定是否满足轻载开通条件，包括以下步骤：判断所述电流参数是否达到预设关断条件；若所述电流参数达到预设关断条件，则控制辅开关管关断；获取主开关管和辅开关管均处于关断状态的等待持续时间；若等待持续时间达到预设等待时间阈值，则判定满足轻载开通条件。

可选地，控制所述开关电源的开关单元以所述轻载开通时间连续开关至少一次，包括以下步骤：获取所述开关电源的输出纹波；根据所述输出纹波确定连续开关次数；根据所述连续开关次数对所述开关单元输出至少一个导通控制信号，所述导通控制信号的持续时间等于所述轻载开通时间。

可选地，所述开关电源开通时间控制方法还包括以下步骤：获取预设开通控制电流、预设开通截止电压、预设电流变更阈值和预设电压变更阈值；根据所述预设电流变更阈值对所述预设开通控制电流进行至少一次调整，以使开通时间逐步达到所述轻载开通时间；或者，根据所述预设电压变更阈值对所述预设开通截止电压进行至少一次调整，以使开通时间逐步达到所述轻载开通时间。

第二方面，本发明实施例还提供了一种开关电源开通时间控制装置，包括：开关单元，用于控制所述开关电源开通或者关断，以使所述开关电源将输入电压变换为输出电压；检测单元，用于获取所述开关电源的运行参数，所述运行参数包括轻载工况及重载工况下的开关管状态参数、电压参数、电流参数、等待持续时间及开关次数；开通时间生成单元，用于根据所述电压参数确定轻载开通时间和重载开通时间，所述轻载开通时间小于所述重载开通时间；负载状态判断单元，用于根据所述电流参数、所述开关管状态参数及所述等待持续时间确定是否满足轻载开通条件；开通控制单元，用于在满足轻载开通条件时控制所述开关电源的开关单元以所述轻载开通时间连续开关至少一次。

第三方面，本发明实施例还提供了一种开关电源，包括上述开关电源开通时间控制装置。

本发明实施例提供的开关电源及开通时间控制装置，用于实现开通时间控制方法，该方法通过开关电源在轻载及重载工况下的运行参数确定轻载开通时间和重载开通时间，并根据运行参数判断开关电源是否满足轻载开通条件，并在满足轻载开通条件时，控制开关电源的开关单元以轻载开通时间连续开关至少一次，直至开关管跳出轻载工况，解决了现有的开关电源开通时间不变导致的输出电压纹波过大的问题，有利于缩短轻载工况下的开通时间，降低电感电流的变化幅度，减小轻载工况下的输出纹波，改善电能输出质量。

附图说明

图1是现有的降压dc/dc变换器的电感电流的波形示意图；

图2是相关技术中的一种降压dc/dc变换器的电路原理图；

图3是本发明实施例一提供的一种开关电源开通时间控制方法的流程图；

图4是本发明实施例一提供的另一种开关电源开通时间控制方法的流程图；

图5是现有技术中一种输出纹波的波形示意图；

图6是本发明实施例一提供的一种输出纹波的波形示意图；

图7是本发明实施例二提供的一种开关电源开通时间控制装置的结构示意图；

图8是本发明实施例三提供的一种开关电源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在相关技术中，开关电源(例如为dc/dc变换器)一般设有主开关管和辅开关管，主开关管和辅开关管在导通控制信号控制下完成开关动作，将输入电压转换为输出电压。在不同类型的开关电源中，主开关管和辅开关管的连接方式有所不同。典型地，降压型dc/dc变换器中，连接输入电源(vi)的功率管为主功率管，连接地的为辅助功率管。升压型dc/dc变换器中，连接地的为主功率管，连接输出电压的为辅助功率管。升降压型dc/dc变换器中，连接输入电源的为主功率管，连接输出的为辅助功率管，对此不作限制。

图2是相关技术中的一种降压dc/dc变换器的电路原理图。

如图2所示，该降压dc/dc变换器包括主开关管q1、辅开关管q2、输出电感l、输出电容c、负载rld和跨导放大器gm，其中，主开关管q1连接输入电源vi，辅开关管q2接地。

如图2所示，在电流降低到0a附近时，将辅助功率q2关断，使得电感电流止步于0a，dc/dc变换器进入断流模式(discontinuousconductionmode)。在断流模式下，每一次开关动作的启动，通常需要负载rld缓慢降低输出电压(vo)，直至反馈电压vs低于参考电压vref，以使跨导放大器gm输出斜率很小的斜波，与保持不变的电流采样电压交汇。每次开关启动的时间间隔随着负载rld的降低会越来越长，即言开关动作的频率越来越低。

实施例一

图3是本发明实施例一提供的一种开关电源开通时间控制方法的流程图，本实施例可适用于在轻载工况下缩短开关电源的开通时间的应用场景，该开关电源可为dc/dc变换器，该方法可以由配置有开关电源开通驱动程序及硬件结构的控制器来执行。

如图3所示，该开通时间控制方法具体包括如下步骤：

步骤s1：获取开关电源的运行参数，运行参数包括轻载工况及重载工况下的开关管状态参数、电压参数、电流参数、等待持续时间及开关次数。

本实施例中，可根据开关电源的负载的历史数据设置预设负载阈值，对该预设负载阈值的具体数值不作限定，若开关电源的输出端的负载值低于该预设负载阈值，则当前开关电源处于轻载工况；若开关电源的输出端的负载值大于或者等于该预设负载阈值，则当前开关电源处于重载工况。

可选地，电压参数包括开关电源的输入电压和输出电压；电流参数包括电感电流和负载电流；开关管状态参数包括主开关管开通状态、主开关管关断状态、辅开关管开通状态及辅开关管关断状态；开关次数包括主开关管的开关次数，其中，主开关管开通与当次关断记作一次。

步骤s2：根据电压参数确定轻载开通时间和重载开通时间，轻载开通时间小于重载开通时间。

其中，轻载开通时间可为开关电源处于轻载工况时维持主开关管导通的最小时间，重载开通时间可为开关电源处于轻载工况时维持主开关管导通的最大时间。

步骤s3：根据电流参数、开关管状态参数及等待持续时间确定是否满足轻载开通条件。

其中，等待持续时间是指开关电源带载工作期间主开关管和辅开关管均处于关断状态的持续时间；电流参数可包括电感电流值il。

可选地，该方法的步骤s3，包括以下步骤：

判断电流参数是否达到预设关断条件；

若电流参数达到预设关断条件，则控制辅开关管关断。

获取主开关管和辅开关管均处于关断状态的等待持续时间；

若等待持续时间达到预设等待时间阈值，则判定满足轻载开通条件。

其中，预设等待时间阈值可为维持开关电源输出电压满足负载需求的最长待机时间，预设等待时间阈值的具体数值可根据开关电源的历史运行参数设置，对此不作限制。

需要说明的是，轻载工况下，负载的数值越小，等待持续时间越长。

步骤s4：若满足轻载开通条件，则控制开关电源的开关单元以轻载开通时间连续开关至少一次。

具体地，在轻载工况下，开关电源工作在断流模式，主开关管关闭后，控制辅开关管开通，持续监测电感电流值il，在电感电流值il降低到0a之前，控制辅开关管关断，以使电感电流值il不低于0a，此时，开关电源的主开关管和辅开关管均处于关断状态，电路进入等待阶段，对等待阶段的持续时间进行计时，若等待持续时间达到预设等待时间阈值，则判定满足轻载开通条件，根据当前的输入电压值与输出电压值设定轻载开通时间，在开关单元接收到导通控制信号之后，控制辅开关管关断，并控制主开关管连续多次开关，主开关管每次开关的导通时间等于轻载开通时间，解决了现有的开关电源开通时间不变导致的输出电压纹波过大的问题，有利于缩短轻载工况下的开通时间，降低电感电流的变化幅度，减小轻载工况下的输出纹波，改善电能输出质量。

图4是本发明实施例一提供的另一种开关电源开通时间控制方法的流程图。

可选地，如图4所示，开关电源开通时间控制方法还包括以下步骤：

步骤s5：根据电压参数、电流参数及开关次数确定是否满足重载开通条件。

可选地，根据电压参数、电流参数及开关次数确定是否满足重载开通条件，包括以下步骤：

获取轻载工况下的第一输出电压vo1、电感电流及主开关管开关次数；

若第一输出电压vo1低于预设欠压阈值，且在主开关管开关期间电感电流il持续大于零，则判定满足重载开通条件。

本实施例中，预设欠压阈值的设置值略低于负载输出电压需求值，若预设欠压阈值设置过大，会导致输出电压降低值偏大，触发下游电路的欠压保护；若预设欠压阈值设置过小，在负载的数值高于预设负载阈值时，容易发生主开关管开通轻载开通时间无法恢复输出电压的问题，本领域技术人员可根据实时负载输出电压需求值设置预设欠压阈值，对此不作限制。

步骤s6：若满足重载开通条件，则控制开关电源的开关单元以重载开通时间开通。

具体地，由于电感电流不能突变，因此，在负载增加时，电感电流需要一定时间才能增大到负载所需的水平，在此期间，增加的负载电流由输出电容提供，导致输出电压被拉低。在轻载运行时，主开关管在每个开关周期的开通时间等于轻载开通时间，持续检测开关电源的第一输出电压vo1，若第一输出电压vo1低于预设欠压阈值，则判定当前的轻载导通时间无法满足负载需求。

在输出电压欠压时，开关管连续动作，辅开关管仅开启允许的最短时间，以使输出电压尽快恢复至负载输出电压需求值，在此期间电感电流通常不会降低至0a，因此，在第一输出电压低于预设欠压阈值，且在主开关管开关期间电感电流持续大于零时，可判定满足重载开通条件，输出导通控制信号控制开关单元开通时间持续重载开通时间。

可选地，在判断负载是否变为重载时，还可判断主开关管开关次数是否大于所有轻载工况下主开关管的开关次数。

可选地，根据电压参数确定轻载开通时间，包括以下步骤：获取轻载工况下的输出电压最小值；根据输出电压最小值对应的主开关管最小开通时间确定轻载开通时间。

其中，输出电压最小值可为负载rld最小时开关电源的理想输出电压，例如，负载rld的最小值可等于输出电压的采样电阻值。

本实施例中，可设置轻载开通时间大于或者等于该主开关管最小开通时间。

具体地，导通控制信号的传输存在一定的延迟，主开关管最小开通时间满足以下条件：在负载rld近似为零时，对主开关管输出的导通控制信号持续主开关管最小开通时间，可驱动主开关管开通，经过多次开关，开关电源的输出电压达到输出电压最小值。

需要说明的是，若轻载开通时间低于该主开关管最小开通时间，则可能发生开关管尚未执行开关动作，导通控制信号已经结束的情形，导致开关管无法开通。

可选地，轻载开通时间满足以下条件：开关单元连续多次开通轻载开通时间，开关电源的输出纹波正好使得跨导放大器gm的输出斜波略低于电流采样电压。

具体地，在断流模式下，需要输出电压存在一定的纹波才能够保证开关电源持续工作。每次开关动作都会造成一定的纹波叠加在前一次的输出电压上，使当前的输出电压高于负载实际需求的输出电压。于是，跨导放大器做出反应，根据高出的电压差值拉低输出。当前的输出电压与负载实际需求的输出电压之间的电压差值越大，跨导放大器输出斜波拉的越低。当跨导放大器输出的斜波低到无法与电流采样电压交汇时，开关管的开关动作随之暂停。因此，最优的输出纹波是正好能够使得跨导放大器gm的输出斜波略低于电流采样电压。

可选地，根据电压参数确定重载开通时间，包括以下步骤：获取重载工况下的第二输出电压；根据第二输出电压对应的主开关管开通时间确定重载开通时间。

其中，第二输出电压根据负载的数值高于预设负载阈值时负载的具体数值大小确定，负载的数值越大，第二输出电压越高，负载的数值越小，第二输出电压越小。

具体地，开关电源的控制器输出导通控制信号之前，首先检测开关电源输出侧的负载，并根据该负载的数值确定第二输出电压，根据该第二输出电压计算导通控制信号的最小占空比，将该最小占空比对应的开主开关管开通时间确定为重载开通时间。

可选地，控制开关电源的开关单元以轻载开通时间连续开关至少一次，包括以下步骤：获取开关电源的输出纹波；根据输出纹波确定连续开关次数；根据连续开关次数对开关单元输出至少一个导通控制信号，导通控制信号的持续时间等于轻载开通时间。

其中，至少一个导通控制信号的数量等于连续开关次数。

具体地，在轻载工况下，电路运行在断流模式，每次开关单元的主开关管的导通控制信号持续时间维持在最短，即维持在轻载开通时间，以使输出纹波最小，输出纹波降低后无法保证一次将跨导放大器gm的输出斜波拉的足够低，通过连续开关多次，使得输出纹波逐渐增大到输出电压需要的幅值，避免输出纹波过大，有利于改善输出电压质量。

图5是现有技术中一种输出纹波的波形示意图；图6是本发明实施例一提供的一种输出纹波的波形示意图。

结合参考图5和图6所示，现有技术中的开关电源与本发明实施例中的电路相同，定义vi＝5.5v，vo＝1v，l＝1uh，c＝22uf，ild＝1ma，若导通时间在断流和续流模式下保持不变，则在续流模式下，每次开关时主开关管的导通时间等于497ns，电感电流il变化幅值为2.1a，产生的输出纹波等于87mv。在断流模式下，每次开关时开关管的导通时间等于62ns，需要连续开关3次电路才能进入等待状态，电感电流il的变化幅度降低到600ma左右，输出纹波随之减小到16mv。

本实施例中，轻载开通时间小于重载开通时间，缩短开通时间的具体方法可根据生成导通时间的方法进行确定。

示例性地，在主开关管开通时，可通过一个恒定电流(例如，该恒定电流可为iref)给电容进行充电，并开始计时，当电容电压达到预设的电压值(vref)时，计时结束，主开关管关断。按照这种方法产生的导通时间，如果需要缩短，可以降低vref或者增大iref。无论采用何种方式调整导通时间，都不会对本发明的应用产生影响,对此不作限定。

可选地，该开关电源开通时间控制方法确定开通时间包括以下步骤：获取预设开通控制电流、预设开通截止电压、预设电流变更阈值和预设电压变更阈值；根据预设电流变更阈值对预设开通控制电流进行至少一次调整，以使开通时间逐步达到轻载开通时间；或者，根据预设电压变更阈值对预设开通截止电压进行至少一次调整，以使开通时间逐步达到轻载开通时间。

具体地，开关单元的开通时间可以根据负载的情况逐渐降低，例如：缓慢的降低vref或者增大iref，等待的时间越长，导通时间在下次开关时越短。由于导通时间随着负载变轻而缩短，输出纹波也随之减小，避免输出纹波的大小发生突变，有利于改善输出电能质量。

可选地，在等待持续时间达到预设等待时间阈值之后，还把导通时间一步到位的缩短到轻载开通时间，并通过控制开关单元多次开关降低输出纹波。

实施例二

本发明实施例二提供了一种开关电源开通时间控制装置，本发明实施例所提供的开关电源开通时间控制装置可执行本发明任意实施例所提供的开关电源开通时间控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

图7是本发明实施例二提供的一种开关电源开通时间控制装置的结构示意图。

如图7所示，该开关电源开通时间控制装置100包括：开关单元10、检测单元20、开通时间生成单元30、负载状态判断单元40和开通控制单元50。其中，开关单元10，用于控制开关电源开通或者关断，以使开关电源将输入电压变换为输出电压；检测单元20，用于获取开关电源的运行参数，运行参数包括轻载工况及重载工况下的开关管状态参数、电压参数、电流参数、等待持续时间及开关次数；开通时间生成单元30，用于根据电压参数确定轻载开通时间和重载开通时间，轻载开通时间小于重载开通时间；负载状态判断单元40，用于根据电流参数、开关管状态参数及等待持续时间确定是否满足轻载开通条件；开通控制单元50，用于在满足轻载开通条件时控制开关电源的开关单元10以轻载开通时间连续开关至少一次。

可选地，负载状态判断单元40还用于根据电压参数、电流参数及开关次数确定是否满足重载开通条件；开通控制单元50还用于在运行参数满足重载开通条件时，控制开关电源的开关单元10持续开通重载开通时间。

可选地，负载状态判断单元40还用于获取轻载工况下的第一输出电压、电感电流及主开关管开关次数，并在第一输出电压低于预设欠压阈值，且主开关管开关次数达到预设次数阈值，且在主开关管开关器件电感电流持续大于零时，判定满足重载开通条件。

可选地，开通时间生成单元30用于获取轻载工况下的输出电压最小值，并将输出电压最小值对应的主开关管最小开通时间确定为轻载开通时间。

可选地，开通时间生成单元30还用于获取重载工况下的第二输出电压，并将第二输出电压对应的主开关管开通时间确定为重载开通时间。

可选地，开通控制单元50还用于判断电流参数是否达到预设关断条件，并在电流参数达到预设关断条件时，驱动制辅开关管关断；负载状态判断单元40还用于获取主开关管和辅开关管均处于关断状态的等待持续时间，并在等待持续时间达到预设等待时间阈值时，判定当前的运行参数满足轻载开通条件。

可选地，开通控制单元50还用于获取开关电源的输出纹波，并根据输出纹波确定连续开关次数，以及根据连续开关次数对开关单元输出至少一个导通控制信号，导通控制信号的持续时间等于轻载开通时间。

可选地，开通时间生成单元30用于获取预设开通控制电流、预设开通截止电压、预设电流变更阈值和预设电压变更阈值，并根据预设电流变更阈值对预设开通控制电流进行至少一次调整，以使开通时间逐步达到轻载开通时间；或者，根据预设电压变更阈值对预设开通截止电压进行至少一次调整，以使开通时间逐步达到轻载开通时间。

本发明实施例提供的开关电源开通时间控制装置，用于实现开通时间控制方法，该方法通过开关电源在轻载及重载工况下的运行参数确定轻载开通时间和重载开通时间，并根据运行参数判断开关电源是否满足轻载开通条件，并在满足轻载开通条件时，控制开关电源的开关单元以轻载开通时间连续开关至少一次，直至开关管跳出轻载工况，解决了现有的开关电源开通时间不变导致的输出电压纹波过大的问题，有利于缩短轻载工况下的开通时间，降低电感电流的变化幅度，减小轻载工况下的输出纹波，改善电能输出质量。

实施例三

基于上述实施例，本发明实施例三提供了一种开关电源。

图8是本发明实施例三提供的一种开关电源的结构示意图。

如图8所示，该开关电源200包括上述开关电源开通时间控制装置100。

本发明实施例提供的开关电源，设置开通时间控制装置，该装置用于实现开通时间控制方法，该方法通过开关电源在轻载及重载工况下的运行参数确定轻载开通时间和重载开通时间，并根据运行参数判断开关电源是否满足轻载开通条件，并在满足轻载开通条件时，控制开关电源的开关单元以轻载开通时间连续开关至少一次，直至开关管跳出轻载工况，解决了现有的开关电源开通时间不变导致的输出电压纹波过大的问题，有利于缩短轻载工况下的开通时间，降低电感电流的变化幅度，减小轻载工况下的输出纹波，改善电能输出质量。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。