CN104483580A - 一种基于pfm脉冲计数的dc-dc转换器空载检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，包括PFM控制模块、脉冲计数模块、时钟源模块、计时模块和检测处理模块，PFM控制模块、脉冲计数模块和检测处理模块依次相连，时钟源模块、计时模块和检测处理模块依次相连，PFM控制模块用于设置PFM工作模式，脉冲计数模块用于对PFM控制模块输出的脉冲进行计数，当脉冲数达到设定数目时，脉冲计数模块输出第一高电平信号，否则输出低电平信号，时钟源模块用于产生时钟信号，计时模块用于依据时钟源模块的时钟信号进行计时，当计时时间达到设定时间时输出第二高电平信号，检测处理模块用于在收到第二高电平信号时根据脉冲计数模块输出信号输出相应的空载指示信号。

Description

一种基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置

技术领域

本发明涉及电信号检测技术领域，具体涉及一种基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置。

背景技术

近些年来，以手机、平板和MP3为代表的便携式电子产品得到了广泛的普及。便携式电子产品通常采用锂电池供电，更强悍的性能、更智能的体验增加了电量的消耗，于是要求更大容量的电池以维持产品的续航时间。但是，锂电池技术的发展比较缓慢，无法满足便携式电子产品高速发展的要求。为了缓解这一矛盾，移动电源应运而生。

移动电源通常是由一定容量的锂电池及其控制管理电路组成。其基本的功能是升压、充电和电量显示。升压通常是由DC-DC转换器实现，输出5V用于给便携式电子产品充电。充电功能是用外部电源给移动电源自身锂电池充电。电量显示用于指示移动电源剩余电量信息。

为了提高电量管理效率，减小移动电源自身的能量损耗，在外部产品充电结束或者断开连接时，DC-DC转换器应该自动关闭，使移动电源进入休眠模式，这就要求对DC-DC转换器的空载状态进行检测。常见的空载检测方法是在DC-DC转换器的输出功率通路上串接一个高精度的检流电阻，通过检测检流电阻两端的压差来判断空载的发生与否。考虑到功率通路的能量损耗，检流电阻的阻值不能太大，通常是10mΩ到100mΩ的范围，这种检测方法的检测精度相当低，空载门限一般在30mA以上，有甚者还高达100mA，也就是DC-DC转换器的负载电流低于100mA就认为空载，因此无法给一些充电电流较小的便携式电子产品充电，如智能手表等。此外，还存在其他的一些缺陷，如BOM成本增加、PCB走线困难、电路设计难度增大等。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，克服现有技术的DC-DC转换器空载检测方法检测精度低、空载门限高的缺陷。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，包括PFM控制模块、脉冲计数模块、时钟源模块、计时模块和检测处理模块，所述PFM控制模块、所述脉冲计数模块和所述检测处理模块依次相连，所述时钟源模块、所述计时模块和所述检测处理模块依次相连，所述PFM控制模块用于设置PFM工作模式，所述脉冲计数模块用于对所述PFM控制模块输出的脉冲进行计数，当脉冲数达到设定数目时，所述脉冲计数模块输出第一高电平信号，否则输出低电平信号，所述时钟源模块用于产生时钟信号，所述计时模块用于依据所述时钟源模块的所述时钟信号进行计时，当计时时间达到设定时间时输出第二高电平信号，所述检测处理模块用于在收到第二高电平信号时根据所述脉冲计数模块输出信号输出相应的空载指示信号。

根据本发明的实施例，所述时钟信号周期跟所述DC-DC转换器的输出电压和输入电压的差值成反比。

根据本发明的实施例，所述检测处理模块包括滤波单元，所述滤波单元用于对所述空载指示信号进行滤波处理。

根据本发明的实施例，所述脉冲计数模块设为有D触发器构成的计数器。

根据本发明的实施例，所述计时模块设为有D触发器构成的计数器。

一种基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，包括PFM控制模块、脉冲计数模块、时钟源模块、计时模块和检测处理模块，所述PFM控制模块、所述脉冲计数模块和所述检测处理模块依次相连，所述时钟源模块、所述计时模块和所述检测处理模块依次相连，所述PFM控制模块用于设置PFM工作模式，所述脉冲计数模块用于对所述PFM控制模块输出的脉冲进行计数，当脉冲数达到设定数目时，所述脉冲计数模块输出第一低电平信号，否则输出高电平信号，所述时钟源模块用于产生时钟信号，所述计时模块用于依据所述时钟源模块的所述时钟信号进行计时，当计时时间达到设定时间时输出第二低电平信号，所述检测处理模块用于在收到第二低电平信号时根据所述脉冲计数模块输出信号输出相应的空载指示信号。

根据本发明的实施例，所述时钟信号周期跟所述DC-DC转换器的输出电压和输入电压的差值成反比。

根据本发明的实施例，所述检测处理模块包括滤波单元，所述滤波单元用于对所述空载指示信号进行滤波处理。

根据本发明的实施例，所述脉冲计数模块设为有D触发器构成的计数器。

根据本发明的实施例，所述计时模块设为有D触发器构成的计数器。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明为移动电源提供了一种简单而有效的DC-DC转换器空载检测装置，提高了检测精度和能量效率，本发明还可以应用于涉及DC-DC转换器轻载检测的其他领域。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本发明电流检测装置模块图；

图2为本发明PFM控制模块优选实施例电路图；

图3为本发明PFM控制模块信号波形图；

图4为本发明时钟源模块优选实施例电路图；

图5为本发明脉冲计数模块、计时模块和检测处理模块优选实施例电路图。

具体实施方式

如图2和图3所示，本发明的理论依据是DC-DC转换器进入PFM工作模式后，两个功率管会轮流导通，而功率管每一次轮流导通给输出端注入的电荷量是个定值，该定值跟外置电感感值、输出和输入电压差值相关，而跟负载电流的大小无关。因此，在一段时间内，功率管导通的次数直接跟负载电流的大小成正比。负载越大，导通的次数则越多；反之，导通的次数则越少。于是，通过统计一段时间内PFM脉冲的数目，再针对输出和输入电压差值的变化进行修正，可以得到DC-DC转换器负载大小的信息。

如图1所示，本发明包括PFM控制模块、脉冲计数模块、时钟源模块、计时模块和检测处理模块。PFM控制模块控制DC-DC转换器进入PFM工作模式，以提高DC-DC转换器轻载工作的能量转换效率。此模块在绝大部分DC-DC转换器的控制电路中已经配备，不需要因空载检测而额外添加。脉冲计数模块用于统计PFM控制模块送出来的脉冲信号pulse的个数，达到设定数目后输出count_out为1。时钟源模块，产生时钟信号clock，其周期跟输出和输入电压的差值成反比，用于修正前述电荷量定值跟输出和输入电压差值的负相关性。计时模块以clock为参考时钟进行计时，达到设定时间段后输出time_out为1。可以知道该时间段的长度会跟输出和输入电压的差值成反比。检测处理模块，会在time_out由0变为1的时刻，检测count_out是否为0，再经过对检测结果进行滤波等处理后，判断DC-DC转换器的负载电流是否小于某个门限。

如图2和图3所示，PFM控制模块包含迟滞比较器、脉冲周期控制电路和峰值限流控制电路。其中，迟滞比较器把输出电压vout和参考电压vref进行比较，从而判断何时开启和关闭PFM脉冲序列，比较器的迟滞量△V决定PFM模式下输出电压的纹波。脉冲周期控制电路用于设定每两个PFM脉冲之间的时间间隔T。峰值限流控制电路，设定每个PFM脉冲中电感电流的上限为I_limit，一旦电感电流达到上限，则关闭N功率管，打开P功率管。在P功率管导通时间△t内，电感电流从I_limit降到0，该时间内的平均电流为I_limit/2。于是，根据公式可以得到同时，可以推导出每个PFM脉冲给输出端注入的电荷量为 $\mathrm{\ΔQ}=\frac{I_{\mathrm{lim\; it}}}{2}*\mathrm{\Δt}=\frac{I_{\mathrm{lim\; it}}^{2}L}{2(\mathrm{vout}-\mathrm{vin})}.$ PFM工作模式下，对于某一负载电流I₀，N个PFM脉冲对应的时间长度为t₀，则有ΔQN＝I₀t₀。根据前面的推导，能够得到，其中，电感限流值I_limit和电感值L在电路设计时已确定。对于设定的I₀和N，对应的t₀跟输出和输入电压差值vout-vin成反比。

空载检测时，可以设置一个跟输出和输入电压差值vout-vin成反比的时间段t₀，然后根据该时间段内PFM脉冲的数目是否小于N，判断DC-DC转换器空载的发生与否。因此，需要设计一个周期跟输出和输入电压差值成反比的时钟信号。

如图4所示，本发明时钟源模块通过给电容C充放电来实现振荡，充电电流I₁以及电容C的大小决定了时钟信号clock的周期T₀。显然，经过简单的推导可以得到周期的表达式为实施例中，由于运放AMP的钳位，使得A点的电压等于vin。于是，可以得到 $I_1=\frac{\mathrm{vout}-\mathrm{vin}}{R},$ 而 $T_0={2\mathrm{CV}}_{\mathrm{ref}}\frac{1}{I_1}=\frac{{2\mathrm{RCV}}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{vout}-\mathrm{vin}}.$ 该时钟周期跟输出和输入电压差值成反比。

令计时模块统计的时钟个数为N_t，则t₀＝N_tT₀。再结合上述推导的公式 $t_0=\frac{\mathrm{\ΔQN}}{I_0}=\frac{I_{\mathrm{lim\; it}}^2\mathrm{LN}}{2I_0(\mathrm{vout}-\mathrm{vin})},$ 可以得到 $t_0=\frac{I_{\mathrm{lim\; it}}^2\mathrm{LN}}{{2I}_0(\mathrm{vout}-\mathrm{vin})}=\frac{{2\mathrm{RCV}}_{\mathrm{ref}}{N}_t}{\mathrm{vout}-\mathrm{vin}}.$ 因此，只要在空载检测系统的设计过程中，各模块的参数指标满足等式即可使得PFM脉冲数目N精确地对应上负载电流I₀，而跟输出和输入电压差值无关。

如图5所示，脉冲计数模块和计时模块可以用D触发器组成的计数器实现，计数值分别N和N_t。检测处理模块中，以计时模块的输出信号time_out为控制时钟，用D触发器抓取脉冲计数模块的输出信号count_out，得到初步的结果result信号，然后进行数字滤波处理，得到最终的检测结果no load信号。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：包括PFM控制模块、脉冲计数模块、时钟源模块、计时模块和检测处理模块，所述PFM控制模块、所述脉冲计数模块和所述检测处理模块依次相连，所述时钟源模块、所述计时模块和所述检测处理模块依次相连，所述PFM控制模块用于设置PFM工作模式，所述脉冲计数模块用于对所述PFM控制模块输出的脉冲进行计数，当脉冲数达到设定数目时，所述脉冲计数模块输出第一高电平信号，否则输出低电平信号，所述时钟源模块用于产生时钟信号，所述计时模块用于依据所述时钟源模块的所述时钟信号进行计时，当计时时间达到设定时间时输出第二高电平信号，所述检测处理模块用于在收到第二高电平信号时根据所述脉冲计数模块输出信号输出相应的空载指示信号。

2.根据权利要求1所述的基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：所述时钟信号周期跟所述DC-DC转换器的输出电压和输入电压的差值成反比。

3.根据权利要求1所述的基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：所述检测处理模块包括滤波单元，所述滤波单元用于对所述空载指示信号进行滤波处理。

4.根据权利要求1所述的基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：所述脉冲计数模块设为有D触发器构成的计数器。

5.根据权利要求1所述的基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：所述计时模块设为有D触发器构成的计数器。

6.一种基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：包括PFM控制模块、脉冲计数模块、时钟源模块、计时模块和检测处理模块，所述PFM控制模块、所述脉冲计数模块和所述检测处理模块依次相连，所述时钟源模块、所述计时模块和所述检测处理模块依次相连，所述PFM控制模块用于设置PFM工作模式，所述脉冲计数模块用于对所述PFM控制模块输出的脉冲进行计数，当脉冲数达到设定数目时，所述脉冲计数模块输出第一低电平信号，否则输出高电平信号，所述时钟源模块用于产生时钟信号，所述计时模块用于依据所述时钟源模块的所述时钟信号进行计时，当计时时间达到设定时间时输出第二低电平信号，所述检测处理模块用于在收到第二低电平信号时根据所述脉冲计数模块输出信号输出相应的空载指示信号。

7.根据权利要求6所述的基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：所述时钟信号周期跟所述DC-DC转换器的输出电压和输入电压的差值成反比。

8.根据权利要求6所述的基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：所述检测处理模块包括滤波单元，所述滤波单元用于对所述空载指示信号进行滤波处理。

9.根据权利要求6所述的基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：所述脉冲计数模块设为有D触发器构成的计数器。

10.根据权利要求6所述的基于PFM脉冲计数的DC-DC转换器空载检测装置，其特征在于：所述计时模块设为有D触发器构成的计数器。