CN101686010B

CN101686010B - 准连续工作模式开关电源双频率控制方法及其装置

Info

Publication number: CN101686010B
Application number: CN2009100584204A
Authority: CN
Inventors: 许建平; 王金平; 周国华; 吴松荣; 秦明
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: CN101686010A

Abstract

本发明公开了一种准连续工作模式开关变换器的双频率控制方法及其装置，由控制器控制功率变换器的功率输出，功率变换器工作在电感电流准连续模式；控制器根据功率变换器的输出状态，选用两组频率不同的脉冲进行组合，以此实现对变换器功率输出的控制。主功率开关管的驱动为两组不同频率脉冲的组合。本发明可用于开关变换器的多种拓扑结构，其优点是：控制稳定可靠，无需补偿网络，输出功率范围大，瞬态响应速度快。

Description

准连续工作模式开关电源双频率控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及准连续工作模式开关电源双频率控制方法及其装置。

背景技术

随着电力电子技术及电力电子器件的快速发展，开关电源的优势越来越明显，在很多应用领域都使用开关电源作为供电电源，更加促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源主要由功率变换器和控制器两部分构成。功率变换器又称为功率电路，主要包括开关装置、变压器装置和整流滤波电路。常见的功率变换器拓扑结构有Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、正激变换器、反激变换器等。控制器用来控制功率变换器工作，其结构和工作原理由开关电源所采用的控制方法决定。由于常见的功率变换器拓扑已能满足基本需要，并且对于同一功率电路拓扑而言，采用不同的控制方法会对***的稳态精度及动态性能等方面产生影响，因而控制方法的研究显得日益重要。

传统的电压型脉冲宽度调制技术是最为常见的一种开关电源控制方法。其控制思想是：用误差放大器对开关电源的输出电压和基准电压进行比较获得误差信号，再由比较器对该误差信号与固定频率锯齿波信号进行比较获得脉宽信号，以控制开关装置的通、断，使输出电压达到期望值。采用传统电压型脉冲宽度调制技术的开关电源瞬态响应速度较慢，另外补偿网络设计较为繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电源的控制方法——工作于电感电流准连续工作模式的开关电源双频率控制。采用该控制方法时，控制器稳定可靠，无需补偿网络，输出功率范围大，动态响应速度快，适用于多种变换器拓扑结构。

本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案是：准连续工作模式开关电源双频率控制方法，由控制器控制功率变换器的功率输出，功率变换器工作在电感电流准连续模式；控制器根据功率变换器的输出状态，选用两组频率不同的脉冲进行组合，以此实现对变换器功率输出的控制。

在实际实施时，一般采用如下两个可选方案：

①在任意一个脉冲信号的结束时刻检测输出电压，并与基准电压相比较，比较结果作为下一工作脉冲选择低频或高频脉冲的依据；同时检测电感电流，当其下降到基准电流时，电感两端的续流开关导通，电感电流保持不变，从而实现开关电源基于准连续模式的双频率控制。采用这样的结构可使控制稳定可靠，无需补偿网络，输出功率范围大，瞬态响应速度快。

②在任意一个脉冲信号的开始时刻导通主开关管，电感电流上升，同时检测电感电流，当电感电流上升到峰值电流时，主开关管关断，电感电流下降，当电感电流下降到基准电流时，电感两端的续流开关导通，电感电流保持不变，当前脉冲开始时刻输出电压与基准电压的大小关系决定当前工作脉冲为高频或低频脉冲，从而实现准连续工作模式开关电源的双频率控制。其特征在于：控制稳定可靠，无需补偿网络，输出功率范围大，瞬态响应速度快，并能自动实现电路的过流保护。

与现有技术相比，相对于已有的传统电压型脉冲宽度调制技术，采用本发明的开关电源在负载突变时，控制器能够快速调整两频率脉冲所占的比例，使开关电源迅速恢复稳态，具有更快的瞬态响应速度；

本发明的另一目的是提供实现上述准连续工作模式开关电源的双频率控制方法的装置。整个装置由功率变换器和控制器组成，控制器中的驱动电路与功率变换器中的开关装置相连；在控制器中的准连续模式控制器与功率变换器中的滤波装置之间设置有续流开关。对应于实现准连续工作模式开关电源的双频率控制方法所采用的两种技术方案，相应的提供了两种实现准连续工作模式开关电源的双频率控制方法的装置：方案①由设置在控制器内的电压检测装置、比较器、脉冲生成器、脉冲选择器、驱动电路及准连续模式控制器组成；比较器连接在电压检测装置与脉冲选择器之间；受电压比较器控制的脉冲选择器连接在脉冲生成器与驱动电路之间。电压检测装置检测输出电压，然后与基准电压相比较用于控制脉冲选择器；脉冲生成器生成两组频率不同的脉冲供选择，最后控制脉冲通过驱动电路控制主电路工作；准连续模式控制器用于控制电感两端的续流开关，使变换器工作在电感电流准连续模式。方案②由电压检测装置、电流比较器、电压比较器、脉冲周期选择器、电流检测装置、脉冲生成器、驱动电路及准连续模式控制器组成；电流比较器连接在电流检测装置与脉冲生成器之间；电压比较器连接在电压检测装置与脉冲周期选择器之间；受电压比较器控制的脉冲生成器连接在电流比较器与驱动电路之间；脉冲周期选择器连接在电压比较器与脉冲生成器之间。电压检测装置检测输出电压，然后与基准电压相比较，比较器输出用于控制脉冲周期选择器；电流检测装置检测电感电流，再和峰值电流相比较，比较输出与脉冲周期选择器共同作用于脉冲生成器生成控制脉冲，最后控制脉冲通过驱动电路控制主电路工作；准连续模式控制器用于控制电感两端的续流开关，使变换器工作在电感电流准连续模式。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的控制***采用技术方案①的实现装置结构框图。

图2为本发明实施例一的电路结构示意图。

图3为本发明实施例一电路的主要工作波形示意图。

图4为本发明实施例一中，开关电源的时域仿真波形图。

图5为具有相同主电路参数的Buck变换器采用不同控制方法在负载突变时输出电压仿真波形图。

图6为本发明的控制***采用技术方案②的实现装置结构框图。

图7为本发明采用技术方案②的电路结构示意图。

图8为图7所示电路主要工作波形示意图。

图9为本发明实施例二的电路结构示意图。

图4中：(a)为控制器输出的主开关管的驱动信号波形；(b)为变换器电感电流波形；(c)为变换器输出电压波形。

图5中：(a)采用传统电压型PWM调制；(b)采用双频率控制；(c)采用本发明实施例一。

具体实施方式

实施例一

采用技术方案①：

图1示出，本发明的具体实施方式为：准连续工作模式开关电源的双频率控制方法及其装置，其控制器主要由比较器、脉冲生成电路、脉冲选择器、驱动电路及准连续模式控制器组成。输出电压经检测装置后与基准电压比较，比较结果用于控制脉冲选择器的工作；脉冲生成电路产生两组具有相同导通时间但频率不同的脉冲供脉冲选择器选择；脉冲选择器输出经驱动电路后用于控制功率变换器的主开关管；准连续模式控制器用来控制续流开关以确保变换器工作在电感电流准连续模式。

图2给出了准连续工作模式开关变换器的双频率控制技术在Buck变换器中的应用。主电路较常见的Buck的唯一区别是在电感两端增加了一个续流开关管SW2，用来控制电感电流(i_L)，当其导通时，电感电流维持不变，以使变换器工作在电感电流准连续模式下。

本例中，具体的工作过程与原理为：在每个工作脉冲的结束时刻，逻辑控制电路负责产生一窄脉冲用于使能采样保持电路并复位RS触发器，采样到的输出电压(V_o)与基准电压(V_ref)相比较，比较器输出作为主开关管下一驱动脉冲选择低频或高频脉冲工作的依据。当输出电压低于基准电压时，控制器选择高频脉冲工作来提升输出电压；反之，当输出电压高于基准电压时，控制器选择低频脉冲工作以降低输出电压。主功率开关管SW1导通时，电感充电，电感电流上升；SW1关断时电感电流下降，当电感电流下降到此时的电流基准(I_ref)时，用于控制续流开关管的RS触发器置位，续流开关SW2导通，电感电流维持不变。在当前脉冲的结束时刻，逻辑控制电路产生的窄脉冲在使能采样保持电路的同时复位RS触发器，SW2关断，SW1导通，电感电流再次上升，进入下一次循环。电流基准值与输出功率紧密相关，输出功率越大，电流基准值也越大，通过实时检测输出电流来获得电流基准值。

图3为开关管SW1、SW2的驱动波形以及电感电流波形。图3示出，主功率开关管SW1导通时，电感电流从I_ref处开始上升；然后SW1关断，电感电流下降。当电感电流下降到I_ref时，开关管SW2导通，此时电感电流维持I_ref不变，直到下一个工作脉冲SW1再次导通。因为I_ref的存在，电源输入端可以向负载传递更多的能量，从而使得准连续工作模式开关变换器的双频率控制能应用于更宽广的输出功率范围。

仿真结果分析：

图4为采用Pspice软件对本发明的控制方法进行时域仿真的结果，图4分图(a)、(b)、(c)的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为驱动信号幅值(V)，(b)的纵轴为电流(A)，(c)的纵轴为电压(V)。由图4可见，变换器工作在电感电流准连续模式，主开关管的驱动为两不同频率脉冲信号的组合。

图5为分别采用(a)传统电压型PWM调制、(b)双频率控制、(c)本发明的具有相同主电路参数的Buck变换器在负载突变时的输出电压仿真波形图，负载在8ms时均由9W突变至33W。从图5中可以看出，采用传统电压型PWM调制的变换器在负载突变时，输出电压波动较大，调整时间较长；双频率控制与本发明具有相同的频率脉冲，但双频率控制在负载突变时，由于提供不了33W的负载功率，因而输出电压比基准电压小很多；而采用本发明的变换器由于工作在电感电流准连续模式，输出端可以向负载端传递更多的能量，因而负载突变时输出电压稳定，并且从图中可以看出，当负载突变时，采用本发明的变换器具有非常快的瞬态响应速度。

采用技术方案②：

图6示出，本发明采用技术方案②的具体实施方式为：准连续工作模式开关电源的双频率控制方法及其装置，其控制器主要由比较器、脉冲周期选择器、脉冲生成器、驱动电路及准连续模式控制器组成。输出电压经检测装置后与基准电压比较，脉冲周期选择器根据比较结果选择高或低频率脉冲；电流传感器检测电感电流，并与峰值电流相比较，比较输出与脉冲周期选择器输出一起用于控制脉冲生成器；脉冲生成器输出经驱动电路后用于控制功率变换器的主开关管；准连续模式控制器用来控制续流开关以确保变换器工作在电感电流准连续模式。

图7、图8给出了准连续工作模式开关变换器的双频率控制技术方案②在Buck变换器中的应用。与技术方案①的区别在于：技术方案②主开关管的驱动脉冲不再像技术方案①一样事先生成，只需要根据规则来选择，技术方案②通过事先设定好电感电流峰值(I_peak)及电感电流基准值(I_ref)来产生驱动脉冲，具体的工作过程及原理为：在前一个脉冲的结束时刻，也即当前脉冲的开始时刻，控制器产生一窄脉冲(NP)使能采样/保持电路，并使主开关管SW1导通及关断续流开关SW2，采样到的输出电压(V_o)与基准电压(V_ref)相比较，比较输出决定当前工作脉冲周期为T_H或T_L。f_H’、f_L’为与f_H、f_L同频率的窄脉冲，用以使能采样/保持电路及置、复位RS触发器。若当前脉冲开始时刻采样到的输出电压小于基准电压，选择f_H’作为窄脉冲，即当前工作脉冲为高频脉冲f_H；当采样到的输出电压大于基准电压时，选择f_L’作为窄脉冲，当前工作脉冲为低频脉冲f_L。开关管SW1导通时，电感电流(i_L)从基准电流开始线性上升。电流检测装置检测到的电感电流与峰值电流比较，当电感电流上升到峰值电流时，主开关管关断，电感电流下降。当电感电流下降到基准电流时，续流开关SW2导通，电感电流维持I_ref不变，直到下一工作脉冲来临主开关管导通，电感电流再次从基准电流值开始上升。当变换器稳定工作后，在任意一个频率脉冲内，电感电流均是以一固定斜率从基准电流值开始线性上升，由于峰值电流是固定不变的，所以两频率脉冲具有相同的导通时间，从而高频脉冲可以向负载端传递更多的能量。也正是由于峰值电流的存在，使得电感电流一旦达到峰值电流时，开关管就自动关断，从而实现电路的过流保护。

实施例二

图9示出，本例与实施例一相比，只是功率变换器部分改成了Buck-Boost变换器，控制装置与实施例一相同。同样通过***明，采用本发明的Buck-Boost变换器的输出电压稳定，动态响应速度快，输出功率范围较大。

本发明除了可用于控制上述实施例中的两种功率变换器外，也可用于Boost变换器、Cuk变换器等功率电路组成的开关电源。

Claims

1.准连续工作模式开关电源双频率控制方法，由控制器控制功率变换器的功率输出，其特征在于：功率变换器工作在电感电流准连续模式；控制器根据功率变换器的输出状态，选用两组频率不同的脉冲进行组合，以此实现对变换器功率输出的控制；即：在任意一个脉冲信号的结束时刻反馈输出电压入比较器，并与基准电压相比较，比较结果作为下一工作脉冲选择低频或高频脉冲的依据；同时检测电感电流信号入电流比较器与基准电流比较，当其下降到基准电流时，电感两端的续流开关导通，电感电流保持不变，从而实现准连续工作模式开关电源的双频率控制。

2.一种实现权利要求1所述的准连续工作模式开关电源的双频率控制方法的装置，由功率变换器和控制器组成，其特征在于，控制器中的驱动电路与功率变换器中的开关装置相连；在控制器中的准连续模式控制器与功率变换器中的滤波装置之间设置有续流开关；所述控制器由设置在控制器内的电压检测装置、比较器、脉冲生成器、脉冲选择器、驱动电路及准连续模式控制器组成；比较器连接在电压检测装置与脉冲选择器之间；受电压比较器控制的脉冲选择器连接在脉冲生成器与驱动电路之间。