开关电源变换装置、控制方法及参考droop曲线获得方法

技术领域

本发明涉及电源领域，特别涉及一种开关电源变换装置、控制方法及参考droop曲线获得方法。

背景技术

开关电源类产品为用于将一种电能变换为另一种电能的产品，随着电源技术的发展，很多开关电源产品已渗透到人们生活的每个角落，如人工智能、AI技术和电动汽车等。

开关电源在输出的全范围内均流度、动态性能、效率和纹波等是开关电源类产品至关重要的参数。目前的开关电源在上述各方面还有很大缺陷，导致开关电源无法工作在最优状态，出现设备运行不稳定、电能利用率低的现象。

我们知道开关电源产品多以基于采样获得的反应开关电源产品实际工作状态的反馈值与参考值作比较，形成控制开关电源内开关管的频率或占空比的开关控制信号，来实现期望的控制效果的。

目前，一种方式中，开关电源在控制中采用预先设定的固定的参考值，可参阅图1所示的现有技术的开关电源变换装置示意图，以电压环控制环路为例，第一计算单元21接收采样信号和恒定的电压参考信号Vref，经闭环控制单元22形成开关控制信号，再经驱动电路40以驱动开关变换器10实现期望的功率变换。

目前，另一种方式中，采用droop控制方案，可参阅图2所示的现有技术的开关电源变换装置示意图，同样以电压环控制环路为例，第二计算单元23接收单一斜率的电压droop对应的电压droop值Vdroop和恒定的电压参考信号Vref，两者加和后形成电压环的参考值Ref，第一计算单元21接收采样信号和参考值Ref，经闭环控制单元22形成开关控制信号，再经驱动电路40以驱动开关变换器10实现期望的功率变换。可参阅图3所示的单一斜率的电压droop示意图，如图3所示，Vdroop随负载Load线性变化，具体的随负载Load线性减小。

但在实际应用中，由于拓扑的不同、器件的误差以及控制方案的差异，固定参考值或单一斜率的电压droop无法让开关电源在全输出范围内达到最优的电气性能，导致开关电源的均流特性、动态特性、效率、可靠性、输出纹波等电气性能无法满足需求。

发明内容

本申请提出了一种开关电源变换装置控制方法，包括：

S10：获得参考droop曲线，包括：

S1：确定开关电源变换装置的约束条件；

S2：设定多个测试条件，在每一测试条件下，在闭环控制模式下，找出所述约束条件达到最优时对应的最优参考droop值，以得到多个离散的最优参考droop值；

S3：通过曲线拟合的方式，根据多个离散的最优参考droop值得到参考droop曲线，其中参考droop曲线上的每一点的斜率均不同；

S20：确定开关电源变换装置的带载量，根据当前带载量基于参考droop曲线获得对应的参考droop值；

S30：将参考droop值和参考信号做加和运算形成环路控制信号；

S40：获得反应开关变换器工作状态的采样信号，闭环控制环路根据采样信号和环路控制信号形成开关控制信号；

S50：驱动电路接收开关控制信号，形成驱动开关变换器内开关管的开关驱动信号。

更进一步的，在步骤S2中通过寻优的方式找出所述约束条件达到最优时对应的最优参考droop值。

更进一步的，所述参考droop曲线为单一约束条件性能最优时的参考droop曲线，或为多个约束条件性能均最优时的参考droop曲线。

更进一步的，所述参考droop曲线为电压参考droop曲线、电流参考droop曲线、或频率参考droop曲线。

本申请还提供一种开关电源变换装置，包括：

开关变换器，用于将一种电能变换为另一种负载需求的电能；

控制器，接收参考droop曲线，并根据当前带载量基于参考droop曲线获得对应的参考droop值，第二计算单元接收参考droop值和参考信号，两者加和形成环路控制信号，环路控制信号经闭环控制环路形成开关控制信号；

驱动电路，接收开关控制信号，以驱动开关变换器实现期望的功率变换；

其中控制器还执行：

S1：确定开关电源变换装置的约束条件；

S2：设定多个测试条件，在每一测试条件下，在闭环控制模式下，找出所述约束条件达到最优时对应的最优参考droop值，以得到多个离散的最优参考droop值；

S3：通过曲线拟合的方式，根据多个离散的最优参考droop值得到参考droop曲线，其中参考droop曲线上的每一点的斜率均不同。

更进一步的，还包括：第一计算单元，获得反应开关变换器工作状态的电压采样信号，并接收第二计算单元输出的环路控制信号，将环路控制信号与电压采样信号比较后，经闭环控制单元形成开关控制信号，所述参考droop曲线为电压参考droop曲线。

更进一步的，还包括：第一计算单元，获得反应开关变换器工作状态的电流采样信号，并接收第二计算单元输出的环路控制信号，将环路控制信号与电流采样信号比较后，经闭环控制单元形成开关控制信号，所述参考droop曲线为电流参考droop曲线。

更进一步的，还包括：第一计算单元，获得反应开关变换器工作状态的电压或电流采样信号，并接收第一参考信号，将第一参考信号与电压或电流采样信号比较后，经闭环控制单元形成频率参考信号给第二计算单元，第二计算单元接收参考droop值和频率参考信号，两者加和后形成环路控制信号，所述环路控制信号为开关频率控制信号，所述参考droop曲线为频率参考droop曲线。

更进一步的，所述参考droop曲线为单一约束条件性能最优时的参考droop曲线，或为多个约束条件性能均最优时的参考droop曲线。

本申请还提供一种参考droop曲线获得方法，应用于一开关电源变换装置，用于施加在开关电源变换装置控制环路的参考信号上，包括：

S1：确定开关电源变换装置的约束条件；

S2：设定多个测试条件，在每一测试条件下，在闭环控制模式下，找出所述约束条件达到最优时对应的最优参考droop值，以得到多个离散的最优参考droop值；

S3：通过曲线拟合的方式，根据多个离散的最优参考droop值得到参考droop曲线，其中参考droop曲线上的每一点的斜率均不同。

更进一步的，所述参考droop曲线为单一约束条件性能最优时的参考droop曲线，或为多个约束条件性能均最优时的参考droop曲线。

更进一步的，所述参考droop曲线为电压参考droop曲线、电流参考droop曲线、或频率参考droop曲线。

上文相当广泛地概述了本申请的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下对本申请的详细描述。下文将描述本申请的额外特征和优点，它们形成本申请的权利要求的主题。本领域技术人员应明白，可容易地利用公开的概念和特定实施例作为修改或设计用于实现本申请的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员还应意识到，此类等效构造没有偏离随附权利要求中所阐述的本申请的精神和范围。

附图说明

为了更全面地了解本申请及其优点，现在结合附图参考以下描述，图中：

图1示出了现有技术的开关电源变换装置示意图；

图2示出了现有技术的开关电源变换装置示意图；

图3示出了单一斜率的电压droop示意图；

图4示出了本申请一实施例的开关电源变换装置示意图；

图5示出了本申请一实施例的参考droop曲线示意图；

图6示出了本申请一实施例的开关电源变换装置控制方法流程图；

图7示出了本申请一实施例的获得参考droop曲线的开关电源变换装置示意图；

图8示出了本申请一实施例的以均流度为约束条件时的电压参考droop曲线示意图；

图9示出了本申请一实施例的以动态性能为约束条件时的电压参考droop曲线示意图；

图10示出了本申请一实施例的以效率为约束条件时的电压参考droop曲线示意图；

图11示出了本申请一实施例的以均流度、动态性能和效率共同作为约束条件时的电压参考droop曲线示意图；

图12示出了本申请一具体实施例的开关电源变换装置示意图；

图13示出了本申请一具体实施例的开关电源变换装置示意图；

图14示出了本申请一具体实施例的开关电源变换装置示意图。

除非另外指示，否则不同图中的对应数字和符号一般指对应部分。绘制附图是为了清楚地说明各种实施例的相关方面，它们不一定按比例绘制。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本发明的说明书和权利要求书以及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“耦接”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是电连接或相互通讯，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。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

参阅图4所示的本申请一实施例的开关电源变换装置示意图，包括：开关变换器10，用于将一种电能变换为另一种负载需求的电能；控制器20接收参考droop曲线，并根据当前带载量基于参考droop曲线获得对应的参考droop值Rdroop，第二计算单元23接收参考droop值Rdroop和参考信号Sref，两者加和后经闭环控制环路形成开关控制信号，驱动电路40接收开关控制信号，以驱动开关变换器10实现期望的功率变换；其中控制器20还执行：S1：确定开关电源变换装置的约束条件；S2：设定多个测试条件，在每一测试条件下，在闭环控制模式下，找出所述约束条件达到最优时对应的最优参考droop值Rdroop，以得到多个离散的最优参考droop值Rdroop；S3：通过曲线拟合的方式，根据多个离散的最优参考droop值Rdroop得到参考droop曲线，其中参考droop曲线上的每一点的斜率均不同。

具体的可参阅图5所示的本申请一实施例的参考droop曲线示意图，如图5所示，Vdroop随负载Load呈连续的曲线变化，其上的每一点的斜率均不同。具体的，整体呈随负载Load减小而减小。

如上所述，本申请的开关电源变换装置采用基于droop方案的闭环控制环路，且参考droop值随带载量呈曲线形式变化，该参考droop曲线为预先通过闭环测试获得的多个最优参考droop值Rdroop经曲线拟合而得到，因此其上的各个点接近最优的参考droop值，则基于该参考droop曲线形成的闭环控制，可使得开关电源变换器在整个负载范围内获得更优的电气性能，提高均流度、优化动态、提高电源效率、降低输出纹波等。

具体的，参阅图6所示的本申请一实施例的开关电源变换装置控制方法流程图，本申请一实施例的开关电源变换装置控制方法，包括：

S10：获得参考droop曲线，包括：S1：确定开关电源变换装置的约束条件；S2：设定多个测试条件，在每一测试条件下，在闭环控制模式下，找出所述约束条件达到最优时对应的最优参考droop值Rdroop，以得到多个离散的最优参考droop值Rdroop；S3：通过曲线拟合的方式，根据多个离散的最优参考droop值Rdroop得到参考droop曲线，其中参考droop曲线上的每一点的斜率均不同；

S20：确定开关电源变换装置的带载量，根据当前带载量基于参考droop曲线获得对应的参考droop值Rdroop；

S30：将参考droop值Rdroop和参考信号Sref做加和运算形成环路控制信号Ref；

S40：获得反应开关变换器100工作状态的采样信号Sc，闭环控制环路根据采样信号Sc和环路控制信号Ref形成开关控制信号；

S50：驱动电路40接收开关控制信号，形成驱动开关变换器10内开关管的开关驱动信号。

也即，预先通过闭环测试获得的多个最优参考droop值Rdroop经曲线拟合而得到参考droop曲线，在闭环控制时，基于参考droop曲线获得当前带载量下的参考droop值Rdroop，可使得开关电源变换器在全负载范围内获得更优的电气性能，提高均流度、优化动态、提高电源效率、降低输出纹波等。

本申请一实施例还提供一种参考droop曲线获得方法，应用于一开关电源变换装置，用于施加在开关电源变换装置控制环路的参考信号(电压参考信号Vref、电流参考信号Iref和频率参考信号fref)上，包括：

S1：确定开关电源变换装置的约束条件；

S2：设定多个测试条件，在每一测试条件下，在闭环控制模式下，找出所述约束条件达到最优时对应的最优参考droop值Rdroop，以得到多个离散的最优参考droop值Rdroop；

S3：通过曲线拟合的方式，根据多个离散的最优参考droop值Rdroop得到参考droop曲线，其中参考droop曲线上的每一点的斜率均不同。

以电压环闭环控制、均流度为约束条件为例讲明其原理，图7所示的本申请一实施例的获得参考droop曲线的开关电源变换装置示意图，以及图8所示的本申请一实施例的以均流度为约束条件时的电压参考droop曲线示意图。在一具体实施方式中测试条件为负载带载量，在测试时，获得带载量为Ld(1)、Ld(2)、Ld(3)……Ld(n-1)、Ld(n)时分别对应的最优参考droop值R(1)、R(2)、R(3)……R(n-1)、R(n)，也即多个离散的点，根据该多个离散的点经曲线拟合得到电压参考droop曲线。具体的，以带载量为Ld(1)时为例，如图7所示，通过电压采样单元40采样获得电压采样信号Vc，通过设定Rdroop单元25设定不同的参考droop值，在不同的参考droop值下测试均流度，将均流度达到最优时对应的droop值Rdroop记录为最优参考droop值，依次获得Ld(2)、Ld(3)……Ld(n-1)、Ld(n)时均流度达到最优时对应的droop值，则形成图8中的多个最优参考droop值R(1)、R(2)、R(3)……R(n-1)、R(n)，也即最优参考droop值是在闭环控制环路下测试获得的，则后续开关电源变换器在实际的闭环控制时，可通过查询的方式获得当前带载量下对应的最优参考droop值。并且如图8所示，实测得到的电压参考droop曲线为连续的曲线，其上的每一点的斜率均不同，其上的每一带载量对应的最优参考droop值更加逼近当前带载量下、为达到均流度最优时需要的参考droop值，因此在实际闭环控制时，也可使均流度达到最优。在具体实施时，可通过寻优的方式在闭环控制下获得每一带载量对应的最优参考droop值。

同理的，也可以动态性能为约束条件，在闭环控制下分别获得带载量为Ld(1)、Ld(2)、Ld(3)……Ld(n-1)、Ld(n)下动态性能达到最优时对应的参考droop值R(1)、R(2)、R(3)……R(n-1)、R(n)，然后通过曲线拟合的方式获得电压参考droop曲线。请参阅图9所示的本申请一实施例的以动态性能为约束条件时的电压参考droop曲线示意图。同样的，如图9所示，实测得到的参考droop曲线为连续的曲线，其上的每一点的斜率均不同，其上的每一带载量对应的最优参考droop值更加逼近当前带载量下、为达到动态性能最优时需要的参考droop值，因此在实际闭环控制时，也可使动态性能达到最优。

同理的，也可以效率为约束条件，在闭环控制下分别获得带载量为Ld(1)、Ld(2)、Ld(3)……Ld(n-1)、Ld(n)下效率达到最优时对应的参考droop值R(1)、R(2)、R(3)……R(n-1)、R(n)，然后通过曲线拟合的方式获得电压参考droop曲线。请参阅图10所示的本申请一实施例的以效率为约束条件时的电压参考droop曲线示意图。同样的，如图10所示，实测得到的参考droop曲线为连续的曲线，其上的每一点的斜率均不同，其上的每一带载量对应的最优参考droop值更加逼近当前带载量下、为达到效率最优时需要的参考droop值，因此在实际闭环控制时，也可使效率达到最优。

当然，约束条件也可为其它，如纹波等。

当然，约束条件也可为多个，也即获得参考droop曲线综合了期望的开关电源变换器的所有性能。如以均流度、动态性能和效率共同作为约束条件，在闭环控制下分别获得带载量为Ld(1)、Ld(2)、Ld(3)……Ld(n-1)、Ld(n)下均流度达到最优时对应的参考droop值R(21)、R(22)、R(23)……R(2(n-1))、R(2n)、动态性能达到最优时对应的参考droop值R(32)、R(33)……R(3(n-1))、以及效率达到最优时对应的参考droop值R(11)、R(12)……R(1(n-1))，然后通过曲线拟合的方式获得电压参考droop曲线。请参阅图11所示的本申请一实施例的以均流度、动态性能和效率共同作为约束条件时的电压参考droop曲线示意图。同样的，如图11所示，实测得到的参考droop曲线为连续的曲线，其上的每一点的斜率均不同，其上的每一带载量对应的最优参考droop值更加逼近当前带载量下、为达到均流度、动态性能和效率共同最优时需要的参考droop值，因此在实际闭环控制时，也可使均流度、动态性能和效率共同达到最优。

请参阅图12所示的本申请一具体实施例的开关电源变换装置示意图，如12所示，其在图4所示的开关电源变换装置的基础上还包括：

第一计算单元21，获得反应开关变换器100工作状态的电压采样信号Vc，并接收第二计算单元23输出的环路控制信号Ref，将环路控制信号Ref与电压采样信号Vc比较后，经闭环控制单元22形成开关控制信号。

此时所述参考droop曲线为电压参考droop曲线，参考信号Sref为电压参考信号Vref。

如此，在获得约束条件达到最后时的参考droop曲线后，基于电压闭环控制的开关电源变换装置，可使得开关电源变换装置在全负载范围内均使得约束条件达到最优。

如上以参考droop曲线为电压参考droop曲线为例讲明其获得方法，并且以电压闭环为例讲明其控制原理。在实际实施时，可根据控制需求，参考droop曲线也可为电流参考droop曲线或频率参考droop曲线，其获得方式与电压参考droop曲线相同，只是寻找的是约束条件达到最优是对应的最优电流参考droop值或频率参考droop值。

请参阅图13所示的本申请一具体实施例的开关电源变换装置示意图，如13所示，其在图4所示的开关电源变换装置的基础上还包括：

第一计算单元21，获得反应开关变换器100工作状态的电流采样信号Ic，并接收第二计算单元23输出的环路控制信号Ref，将环路控制信号Ref与电流采样信号Ic比较后，经闭环控制单元22形成开关控制信号。

此时所述参考droop曲线为电流参考droop曲线，参考信号Sref为电流参考信号Iref。

如此，在获得约束条件达到最后时的参考droop曲线后，基于电流闭环控制的开关电源变换装置，可使得开关电源变换装置在全负载范围内均使得约束条件达到最优。

请参阅图14所示的本申请一具体实施例的开关电源变换装置示意图，如11所示，其在图4所示的开关电源变换装置的基础上还包括：

第一计算单元21，获得反应开关变换器100工作状态的电压或电流采样信号Vc、Ic，并接收第一参考信号Ref1，将第一参考信号Ref1与电压或电流采样信号Vc，Ic比较后，经闭环控制单元22形成频率参考信号fref给第二计算单元23，第二计算单元23接收参考droop值和频率参考信号fref，两者加和后形成开关频率控制信号。

此时所述参考droop曲线为频率参考droop曲线，参考信号Sref为频率参考信号fref。

如此，在获得约束条件达到最后时的参考droop曲线后，使得频率控制的开关电源变换装置在全负载范围内均使得约束条件达到最优。

对于开关电源变换装置控制方法中的步骤S30：将参考droop值Rdroop和参考信号做加和运算形成环路控制信号Ref的具体操作方式，可参阅图12至图14所示，在此不再赘述。

尽管详细描述了本申请的实施例及其优点，但是应了解，在不偏离由随附权利要求定义的本申请的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替换和更改。

此外，本申请的范围不局限于本说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员将从本申请的公开内容容易地明白，根据本申请，可利用与本文中描述的对应实施例执行大体上相同的功能或实现大体上相同的结果的目前现有或以后要开发的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。因此，希望随附权利要求在它们的范围内包含此类过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。