电源模块的控制装置和方法

技术领域

本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种电源模块的控制装置和一种电源模块的控制方法。

背景技术

随着电子设备的发展，人们对于电子设备中具有升压和降压功能的电源模块的研究也越来越深入。其中，数字升降压电源由于结构简单，性能优越，已被广泛应用于直流电机驱动等应用场景中。数字升降压电源一般具有升压和降压两种工作模式，然而，当电源的输入电压接近输出电压时，工作于升压模式和降压模式均难以达到稳定输出的效果。例如电路的损耗大于输入电压与输出电压之差时，根据输入输出电压的大小来选择降压模式，显然无法令电源进行正常输出，这明显会影响电源输出电源的质量。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种电源模块的控制装置和方法，能够保证电源模块输出电压的稳定性，提高电源模块输出的电源的质量。

本发明采用的技术方案如下：

一种电源模块的控制装置，所述电源模块包括H桥，所述H桥包括降压桥臂和升压桥臂，所述降压桥臂的两端作为所述电源模块的输入端，所述升压桥臂的两端作为所述电源模块的输出端，所述控制装置包括：输入电压采集单元，所述输入电压采集单元用于采集所述电源模块的输入端的输入电压；输出电压采集单元，所述输出电压采集单元用于采集所述电源模块的输出端的输出电压；第一驱动单元，所述第一驱动单元与所述降压桥臂中开关管的控制端相连；第二驱动单元，所述第二驱动单元与所述升压桥臂中开关管的控制端相连；主控单元，所述主控单元分别与所述输入电压采集单元、所述输出电压采集单元、所述第一驱动单元和所述第二驱动单元相连，所述主控单元用于根据所述输入电压和所述输出电压控制所述电源模块进入相应的运行模式，并在相应的运行模式下，控制所述第一驱动单元向所述降压桥臂中的开关管输出相应的驱动信号，和控制所述第二驱动单元向所述升压桥臂中的开关管输出相应的驱动信号，其中，所述电源模块的运行模式包括降压模式、升压模式和混合模式。

所述的电源模块的控制装置还包括：输入单元，所述输入单元用于输入所述电源模块的开关指令和设置所述电源模块的目标输出电压。

所述的电源模块的控制装置还包括：显示单元，所述显示单元用于显示所述电源模块的输入界面和所述电源模块的参数。

在所述电源模块上电初始化后，所述主控单元在所述输出电压小于第一系数倍的输入电压时，控制所述电源模块进入所述降压模式，在所述输出电压大于第二系数倍的输入电压时，控制所述电源模块进入所述升压模式，在所述输出电压大于等于第一系数倍的输入电压且小于等于第二系数倍的输入电压时，控制所述电源模块进入所述混合模式，其中，所述第一系数小于1，所述第二系数大于1。

当所述电源模块以所述降压模式运行时，所述主控单元在所述输出电压大于第三系数倍的输入电压时，控制所述电源模块进入所述混合模式，在所述输出电压大于所述第二系数倍的输入电压时，控制所述电源模块进入所述升压模式，其中，所述第三系数小于1，且所述第三系数大于所述第一系数。

当所述电源模块以所述升压模式运行时，所述主控单元在所述输出电压小于第四系数倍的输入电压时，控制所述电源模块进入所述混合模式，在所述输出电压小于所述第一系数倍的输入电压时，控制所述电源模块进入所述降压模式，其中，所述第四系数大于1，且所述第四系数小于所述第二系数。

当所述电源模块以所述升压模式运行时，所述主控单元在所述输出电压小于第一系数倍的输入电压时，控制所述电源模块进入所述降压模式，在所述输出电压大于第二系数倍的输入电压时，控制所述电源模块进入所述升压模式。

所述降压桥臂和所述升压桥臂中开关管的驱动信号为PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)信号，所述主控单元在相应的运行模式下，控制所述第一驱动单元和所述第二驱动单元输出相应占空比的PWM信号。

其中，在所述降压模式下，所述主控单元控制所述第二驱动单元向所述升压桥臂中的开关管输出固定不变的第一占空比的PWM信号，并控制所述第一驱动单元向所述降压桥臂的开关管输出通过PID(Proportional Integral Derivative，比例、积分和微分)算法调节的占空比的PWM信号，其中，所述第一占空比为所述升压桥臂工作时输入其开关管的PWM信号的最大占空比；在所述升压模式下，所述主控单元控制所述第一驱动单元向所述降压桥臂中的开关管输出固定不变的第二占空比的PWM信号，并控制所述第二驱动单元向所述升压桥臂的开关管输出通过PID算法调节的占空比的PWM信号，其中，所述第二占空比为所述降压桥臂工作时输入其开关管的PWM信号的最大占空比；在所述混合模式下，所述主控单元控制所述第一驱动单元向所述降压桥臂中的开关管输出固定不变的第三占空比的PWM信号，并控制所述第二驱动单元向所述升压桥臂的开关管输出通过PID算法调节的占空比的PWM信号，其中，所述第三占空比为所述第二占空比的第五系数倍，所述第五系数小于1。

一种电源模块的控制方法，所述电源模块包括H桥，所述H桥包括降压桥臂和升压桥臂，所述降压桥臂的两端作为所述电源模块的输入端，所述升压桥臂的两端作为所述电源模块的输出端，所述控制方法包括以下步骤：采集所述电源模块的输入端的输入电压，并采集所述电源模块的输出端的输出电压；根据所述输入电压和所述输出电压控制所述电源模块进入相应的运行模式，并在相应的运行模式下，向所述降压桥臂中的开关管输出相应的驱动信号，和向所述升压桥臂中的开关管输出相应的驱动信号，其中，所述电源模块的运行模式包括降压模式、升压模式和混合模式。

本发明的有益效果：

本发明通过在电源模块的输出电压与输入电压满足一定条件时，控制电源模块以混合模式运行，避免了电源模块因电压波动或电路损耗等原因造成的无法正常输出的问题，能够保证电源模块输出电压的稳定性，提高电源模块输出的电源的质量。

附图说明

图1为本发明实施例的电源模块的控制装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的电源模块的控制装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的电源模块的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的电源模块包括H桥，H桥包括降压桥臂和升压桥臂，降压桥臂的两端作为电源模块的输入端，升压桥臂的两端作为电源模块的输出端。降压桥臂包括开关管Q1和Q2，升压桥臂包括开关管Q3和Q4，在降压桥臂和升压桥臂的中间节点之间还连接有电感L，在电源模块的输入端还并接有电容Cin，在电源模块的输出端还并接有电容Cout。如图1所示，控制装置包括输入电压采集单元10、输出电压采集单元20、第一驱动单元30、第二驱动单元40和主控单元50。其中，输入电压采集单元10用于采集电源模块的输入端的输入电压Vin；输出电压采集单元20用于采集电源模块的输出端的输出电压Vout；第一驱动单元30与降压桥臂中开关管的控制端相连；第二驱动单元40与升压桥臂中开关管的控制端相连；主控单元50分别与输入电压采集单元10、输出电压采集单元20、第一驱动单元30和第二驱动单元40相连，主控单元50用于根据输入电压Vin和输出电压Vout控制电源模块进入相应的运行模式，并在相应的运行模式下，控制第一驱动单元30向降压桥臂中的开关管输出相应的驱动信号，和控制第二驱动单元40向升压桥臂中的开关管输出相应的驱动信号，其中，电源模块的运行模式包括降压模式、升压模式和混合模式。

进一步地，如图2所示，本发明实施例的电源模块的控制装置还可包括输入单元60，输入单元60用于输入电源模块的开关指令和设置电源模块的目标输出电压。输入单元60可包括按键，用户可通过按键进行电源模块的开关控制和目标输出电压的输入。

进一步地，如图2所示，本发明实施例的电源模块的控制装置还可包括显示单元70，显示单元70用于显示电源模块的输入界面和电源模块的参数，例如电源模块的输入电压、电流及输出电压、电流，以及能够反应电源模块工作状态的其他参数。

在本发明的一个具体实施例中，降压桥臂和升压桥臂中的开关管可为MOS管，开关管的控制端为MOS管的栅极，降压桥臂和升压桥臂中开关管的驱动信号为PWM信号。主控单元50为主控芯片，输入电压采集单元10和输出电压采集单元20均可连接到主控芯片的ADC接口，第一驱动单元30和第二驱动单元40均可连接到主控芯片的PWM接口，输入单元60可连接到主控芯片的GPIO(General-Purpose Input/Output，通用型输入输出)接口，显示单元70可连接到主控芯片的显示驱动接口。

在本发明的一个实施例中，在电源模块上电初始化后，主控单元50可在输出电压Vout小于第一系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入降压模式，在输出电压Vout大于第二系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入升压模式，在输出电压Vout大于等于第一系数倍的输入电压Vin且小于等于第二系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入混合模式。其中，第一系数小于1，第二系数大于1。

当电源模块以降压模式运行时，主控单元50可在输出电压Vout大于第三系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入混合模式，在输出电压Vout大于第二系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入升压模式。其中，第三系数小于1，且第三系数大于第一系数。

当电源模块以升压模式运行时，主控单元50可在输出电压Vout小于第四系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入混合模式，在输出电压Vout小于第一系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入降压模式。其中，第四系数大于1，且第四系数小于第二系数。

当电源模块以升压模式运行时，主控单元50可在输出电压Vout小于第一系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入降压模式，在输出电压Vout大于第二系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入升压模式。

在本发明的一个具体实施例中，第一系数可为0.8，第二系数可为1.2，第三系数可为0.85，第四系数可为1.15。应当理解的是，设置第三系数略大于第一系数，第四系数略小于第二系数，可实现模式切换的滞环效果，避免电源模块在不同模式之间频繁切换。

在本发明的一个实施例中，主控单元50可在相应的运行模式下，控制第一驱动单元30和第二驱动单元40输出相应占空比的PWM信号。

具体地，在降压模式下，主控单元50可控制第二驱动单元40向升压桥臂中的开关管输出固定不变的第一占空比的PWM信号，并控制第一驱动单元30向降压桥臂的开关管输出通过PID算法调节的占空比的PWM信号。其中，第一占空比为升压桥臂工作时输入其开关管的PWM信号的最大占空比。

在升压模式下，主控单元50可控制第一驱动单元30向降压桥臂中的开关管输出固定不变的第二占空比的PWM信号，并控制第二驱动单元40向升压桥臂的开关管输出通过PID算法调节的占空比的PWM信号。其中，第二占空比为降压桥臂工作时输入其开关管的PWM信号的最大占空比。

在混合模式下，主控单元50可控制第一驱动单元30向降压桥臂中的开关管输出固定不变的第三占空比的PWM信号，并控制第二驱动单元40向升压桥臂的开关管输出通过PID算法调节的占空比的PWM信号。其中，第三占空比为第二占空比的第五系数倍，第五系数小于1。在本发明的一个具体实施例中，第五系数可为0.8。

此外，本发明实施例的电源模块在启动时采用软启动的方式，整个启动过程可分为初始化、等待、启动、启动完成四个流程。在初始化状态，可将驱动升压桥臂和降压桥臂的开关管的PWM信号的最大工作占空比限制为最低值，进入启动等待状态，等待100ms，将输出电压设定为目标值的一半，防止启动过冲，随后进入启动状态，然后将驱动升压桥臂和降压桥臂的开关管的PWM信号的最大占空比限制放开为正常值，启动完成。

根据本发明实施例的电源模块的控制装置，通过在电源模块的输出电压与输入电压满足一定条件时，控制电源模块以混合模式运行，避免了电源模块因电压波动或电路损耗等原因造成的无法正常输出的问题，能够保证电源模块输出电压的稳定性，提高电源模块输出的电源的质量。

对应上述实施例的电源模块的控制装置，本发明还提出一种电源模块的控制方法。

如图3所示，本发明实施例的电源模块的控制方法包括以下步骤：

S1，采集电源模块的输入端的输入电压，并采集电源模块的输出端的输出电压。

S2，根据输入电压和输出电压控制电源模块进入相应的运行模式，并在相应的运行模式下，向降压桥臂中的开关管输出相应的驱动信号，和向升压桥臂中的开关管输出相应的驱动信号，其中，电源模块的运行模式包括降压模式、升压模式和混合模式。

在本发明的一个实施例中，在电源模块上电初始化后，可在输出电压Vout小于第一系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入降压模式，在输出电压Vout大于第二系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入升压模式，在输出电压Vout大于等于第一系数倍的输入电压Vin且小于等于第二系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入混合模式。其中，第一系数小于1，第二系数大于1。

当电源模块以降压模式运行时，可在输出电压Vout大于第三系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入混合模式，在输出电压Vout大于第二系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入升压模式。其中，第三系数小于1，且第三系数大于第一系数。

当电源模块以升压模式运行时，可在输出电压Vout小于第四系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入混合模式，在输出电压Vout小于第一系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入降压模式。其中，第四系数大于1，且第四系数小于第二系数。

当电源模块以升压模式运行时，可在输出电压Vout小于第一系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入降压模式，在输出电压Vout大于第二系数倍的输入电压Vin时，控制电源模块进入升压模式。

在本发明的一个具体实施例中，第一系数可为0.8，第二系数可为1.2，第三系数可为0.85，第四系数可为1.15。应当理解的是，设置第三系数略大于第一系数，第四系数略小于第二系数，可实现模式切换的滞环效果，避免电源模块在不同模式之间频繁切换。

在本发明的一个实施例中，可在相应的运行模式下，向降压桥臂和升压桥臂的开关管输出相应占空比的PWM信号。

具体地，在降压模式下，可向升压桥臂中的开关管输出固定不变的第一占空比的PWM信号，并向降压桥臂的开关管输出通过PID算法调节的占空比的PWM信号。其中，第一占空比为升压桥臂工作时输入其开关管的PWM信号的最大占空比。

在升压模式下，可向降压桥臂中的开关管输出固定不变的第二占空比的PWM信号，并向升压桥臂的开关管输出通过PID算法调节的占空比的PWM信号。其中，第二占空比为降压桥臂工作时输入其开关管的PWM信号的最大占空比。

在混合模式下，可向降压桥臂中的开关管输出固定不变的第三占空比的PWM信号，并向升压桥臂的开关管输出通过PID算法调节的占空比的PWM信号。其中，第三占空比为第二占空比的第五系数倍，第五系数小于1。在本发明的一个具体实施例中，第五系数可为0.8。

根据本发明实施例的电源模块的控制方法，通过在电源模块的输出电压与输入电压满足一定条件时，控制电源模块以混合模式运行，避免了电源模块因电压波动或电路损耗等原因造成的无法正常输出的问题，能够保证电源模块输出电压的稳定性，提高电源模块输出的电源的质量。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。