一种分段控制提高功率系统转换效率的装置及实现方法

本发明公开了一种分段控制提高功率系统转换效率的装置及实现方法，它包括功率场效应管，其特征在于：自适应分段控制模块的输出端与驱动电路的使能端连接，各个驱动电路的输出端分别与各段功率场效应管连接，PWM信号与自适应分段控制模块的输入端和驱动电路的输入端连接；

技术领域
本发明属于高效率功率控制技术领域，尤其涉及一种分段控制提高功率系统转换效率的装置及实现方法。
背景技术
转换效率是功率电子系统的重要技术指标之一。其定义为输出到负载的功率与电源供给的功率之比。由于功率电路自身存在损耗(主要是功率器件的损耗)，转换效率总是低于1的，为了提高效率，必须尽可能降低电子系统自身的损耗。导通电阻和寄生电容是引起功率器件损耗的主要原因，导通电阻主要导致静态损耗，寄生电容主要导致开关损耗。当前，在功率系统中大功率器件多选用场效应晶体管(MOSFET)，且这些大功率场效应管绝大部分情况下是工作在开关状态。功率场效应管的开关损耗与驱动信号的频率、驱动信号幅值的平方、器件的寄生输入电容成正比。对于应用较广泛的功率开关变换器，大多是在中载和重载时采用脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)实现针对负载的自适应控制，在轻载时联合使用脉冲宽度调制和脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation，PFM)或脉冲跨周期调制(PulseSkipModulation，PSM)实现自适应控制的同时提升功率系统的转换效率。PFM和PSM会导致系统在轻载时输出纹波较大，且控制电路相对较难实现。对负载电流进行高精度取样是功率系统中较难实现的一项关键技术，负载电流越大，取样难度也越大。目前常用的取样方法有两种：一是由高精度的小电阻直接取样，这不仅会影响原电路的工作状态，对取样电阻的精度要求也非常苛刻；二是通过取样功率场效应管的漏-源电压降来间接取样负载电流，由于工作在开关状态的功率场效应管漏-源压降很小，这种方法的离散性和精度都较难控制。发明内容：本发明要解决的技术问题：提供一种自适应调节大功率场效应管面积的装置及实现方法，以解决现有技术中由于功率器件自身损耗尤其是导通电阻和寄生电容导致的功率场效应管转换效率低下等技术问题。本发明技术方案：一种分段控制提高功率系统转换效率的装置，它包括功率场效应管，自适应分段控制模块的输出端与驱动电路的使能端连接，驱动电路的输出端与功率场效应管连接，PWM信号与自适应分段控制模块的输入端和驱动电路的输入端连接。所述自适应分段控制模块包括占空比检测模块，占空比检测模块与占空比滞回比较模块导线连接。所述自适应分段控制模块的输出端有D0至Dn个，分别对应n+1个驱动电路的使能端，n+1个驱动电路的输出端分别对应n+1段功率场效应管。一种分段控制提高功率系统转换效率的装置的实现方法，它包括：步骤1、将功率场效应管按1:2:---:2ⁿ的面积比分为n+1段，每一段由一个驱动电路进行驱动；步骤2、对功率系统中PWM信号的占空比进行采样，将采样结果与每一段功率场效应管的基准信号进行滞回比较后，输出控制信号；步骤3、由每个控制信号对对应的每段功率场效应管进行使能控制。步骤2所述输出控制信号，其实现方法为：步骤2.1、由数字逻辑电路实现将PWM采样信号与各个基准信号的占空比进行比较，得到中间变量A0、A1、…、A(2ⁿ-2)；步骤2.2、当PWM采样信号占空比小于1/(2ⁿ-1)时A0＝1，A1、…、A(2ⁿ-2)中间变量为0；当PWM信号占空比介于1/(2ⁿ-1)和2/(2ⁿ-1)之间时，A0＝A1＝1，A2、…、A(2ⁿ-2)中间变量为0；依次类推，当PWM信号占空比大于98％时，所有中间变量均为1；步骤2.3、由中间变量A0、A1、…、A(2ⁿ-2)经过数字逻辑电路后输出自适应分段控制模块的输出控制信号D0、D1、…、Dn，其控制方法为：当A0＝1，A1＝A2＝…＝A(2ⁿ-2)＝0时，D0＝1，D1＝D2＝…＝Dn＝0；当A0＝A1＝1，且A(2ⁿ-2)有上升沿时，D1＝1，D0＝D2＝…＝Dn＝0；当A0＝A1＝A2＝1，且A(2ⁿ-2)有上升沿时，D0＝D1＝1，D2＝…＝Dn＝0；依次类推…当A0＝A1＝A2＝…＝A(2ⁿ-3)＝1，且A(2ⁿ-2)有上升沿时，D0＝D1＝D2＝…＝Dn＝1。本发明的有益效果：本发明的工作原理为：在采用PWM模式控制的功率系统中，负载越重，PWM信号的占空比也会越大，PWM信号占空比的变化间接反映了系统负载电流的变化。取样PWM信号的占空比既能反应负载变化，又不会影响输出支路的工作状态，且可用数字电路进行取样，无需模-数转换，取样结果与各段对应的基准信号进行滞回比较，输出相应的控制变量；而且必须采用滞回比较，若只是进行简单的单限比较，会出现来回开启和关断，即出现开关振荡某一段功率场效应管的情况，导致功率系统失效。功率场效应管的寄生电容和其面积成正比例关系，在使用过程中，功率系统大多工作在轻负载状态，若功率场效应管的面积在整个负载范围内都保持不变，势必会导致在轻负载时开关损耗所占的比重增大，降低功率系统的转换效率，本发明将功率场效应管按比例分段，负载越轻，参与工作的器件面积越小，从而能有效提高功率系统在轻负载时的转换效率。本发明与现有技术相比，具有以下优点：用数字电路取样PWM信号的占空比，间接取样系统的负载状态，既不影响输出支路的工作状态，又降低了取样难度。根据负载状态动态自适应地调整功率场效应管的面积，在确保输出足够功率的同时使功率器件工作在中载或满载状态，能有效降低开关损耗所占的比重，提高系统转换效率；解决了现有技术中由于功率器件自身损耗尤其是导通电阻和寄生电容导致的功率场效应管转换效率低下等技术问题。附图说明：图1为本发明结构示意图；图2为本发明驱动电路结构示意图。具体实施方式：说明：图1中PWM代表脉冲宽度调制信号，D0、D1、…、Dn分别代表(n+1)个控制变量，EN0、EN1、…、ENn分别代表各段功率场效应管的驱动电路使能端，驱动器0、驱动器1、…、驱动器n分别代表各段功率场效应管的驱动电路，x1代表面积最小的一段功率场效应管、x2代表功率场效应管的面积为最小段的两倍、x(n+1)代表功率场效应管的面积为最小段的2ⁿ倍。图2为中A0、A1、…、A(2ⁿ-2)分别代表(2ⁿ-1)个中间变量。D0、D1、…、Dn和图1中对应。一种分段控制提高功率系统转换效率的装置，它包括功率场效应管，自适应分段控制模块的输出端与驱动电路的使能端连接，驱动电路的输出端与功率场效应管连接，PWM信号与自适应分段控制模块的输入端和驱动电路的输入端连接。所述自适应分段控制模块包括占空比检测模块，占空比检测模块与占空比滞回比较模块导线连接。所述自适应分段控制模块的输出端有D0至Dn个，分别对应n+1个驱动电路的使能端，n+1个驱动电路的输出端分别对应n+1段功率场效应管。一种分段控制提高功率系统转换效率的装置的实现方法，它包括：步骤1、将功率场效应管按1:2:---:2ⁿ的面积比分为n+1段，每一段由一个驱动电路进行驱动；可通过自适应分段控制模块的功耗确定最小段功率场效应管的面积，自适应分段控制模块的功耗小于或等于最小段功率场效应管的开关损耗，根据功率系统负载的最大电流需求，确定功率场效应管的总面积，然后以最小段功率场效应管为单元，按照1:2:…:2ⁿ的面积比对功率场效应管进行分段。步骤2、对功率系统中PWM信号的占空比进行采样，将采样结果与每一段功率场效应管的基准信号进行滞回比较后，输出控制信号；步骤3、由每个控制信号对对应的每段功率场效应管进行使能控制。步骤2所述输出控制信号，其实现方法为：步骤2.1、由数字逻辑电路实现将PWM采样信号与各个基准信号的占空比进行比较，得到中间变量A0、A1、…、A(2ⁿ-2)；步骤2.2、当PWM采样信号占空比小于1/(2ⁿ-1)时A0＝1，A1、…、A(2ⁿ-2)中间变量为0；当PWM信号占空比介于1/(2ⁿ-1)和2/(2ⁿ-1)之间时，A0＝A1＝1，A2、…、A(2ⁿ-2)中间变量为0；依次类推，当PWM信号占空比大于98％时，所有中间变量均为1；步骤2.3、由中间变量A0、A1、…、A(2ⁿ-2)经过数字逻辑电路进行控制后输出自适应分段控制模块的输出控制信号D0、D1、…、Dn，其控制方法为：当A0＝1，A1＝A2＝…＝A(2ⁿ-2)＝0时，D0＝1，D1＝D2＝…＝Dn＝0；当A0＝A1＝1，且A(2ⁿ-2)有上升沿时，D1＝1，D0＝D2＝…＝Dn＝0；当A0＝A1＝A2＝1，且A(2ⁿ-2)有上升沿时，D0＝D1＝1，D2＝…＝Dn＝0；以此类推…当A0＝A1＝A2＝…＝A(2ⁿ-3)＝1，且A(2ⁿ-2)有上升沿时，D0＝D1＝D2＝…＝Dn＝1。下面以具体实施案例对本发明技术方案进行进一步的阐述在确定PWM信号的频率和功率场效应管的分段数量后，选择合适频率的时钟信号用于取样。时钟信号的频率是PWM信号频率的整数倍，且每个基准信号的有效电平在时间轴的长度为时钟周期的整数倍。将功率场效应管按1:2:---:2ⁿ的面积比分为n+1段后，需要有(2ⁿ-1)个基准信号，每个基准信号占空比依次为1/(2ⁿ-1)、2/(2ⁿ-1)、…、(2ⁿ-2)/(2ⁿ-1)、98％，周期都和PWM信号的周期相同，不同占空比的基准信号由计数器电路产生。由数字逻辑电路实现PWM信号与各个基准信号的比较，得到一组中间变量A0、A1、…、A(2ⁿ-2)。当PWM信号占空比小于1/(2ⁿ-1)时A0＝1，其他中间标量为0；当PWM信号占空比介于1/(2ⁿ-1)和2/(2ⁿ-1)之间时，A0＝A1＝1，其他中间标量为0；依次类推。当PWM信号占空比大于98％时，所有中间变量均为1。自适应分段控制模块的输出D0、D1、…、Dn由中间变量A0、A1、…、A(2ⁿ-2)经过数字逻辑电路进行控制。具体控制方法如下：当A0＝1，A1＝A2＝…＝A(2ⁿ-2)＝0时，D0＝1，D1＝D2＝…＝Dn＝0；当A0＝A1＝1，且A(2ⁿ-2)有上升沿时，D1＝1，D0＝D2＝…＝Dn＝0；当A0＝A1＝A2＝1，且A(2ⁿ-2)有上升沿时，D0＝D1＝1，D2＝…＝Dn＝0；依次类推…当A0＝A1＝A2＝…＝A(2ⁿ-3)＝1，且A(2ⁿ-2)有上升沿时，D0＝D1＝D2＝…＝Dn＝1。本发明通过对PWM信号的取样和与各段功率场效应管的基准信号进行滞回比较，产生控制信号分别实现对各段大功率场效应管的使能控制，能够有效提高功率系统在轻负载时的转换效率。滞回比较不仅消除了来回开启和关断某一段功率场效应管的现象，也提高了控制模块的抗干扰能力。本领域技术人员可通过逻辑电路实现占空比检测和实现对功率场效应管的分段控制，控制电路容易实现，且自身功耗小，能够有效解决现有技术中由于功率器件自身损耗尤其是导通电阻和寄生电容导致的功率场效应管转换效率低下等技术问题。