CN103326567B - 一种开关变换器延时控制方法及实施装置 - Google Patents
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Abstract
一种开关变换器延时控制方法及实施装置，该方法包括如下步骤：（1）比较器对开关变换器输出电压与参考电压进行比较，并输出信号至延时器；（2）延时器对比较器输出信号进行延时后送入驱动电路；（3）驱动电路生成驱动脉冲，对开关变换器的主功率开关管的通断进行控制，从而实现开关变换器输出电压的调节。本发明还包括实施所述开关变换器延时控制方法的装置。本发明简化了控制环路设计，能使开关变换器具有较好的稳态及瞬态性能。与现有控制方法相比，本发明实现方式更简单可靠，所需元器件少，成本低，轻载效率高。本发明可以为开关变换器集成电路控制器的设计提供思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关变换器延时控制方法及实施装置。
背景技术
开关变换器是一种能量变换装置，它通过检测输入或输出电压的变化，并据此产生相应开关信号控制开关装置的通断，从而调节向负载端传递的能量以维持稳定的输出。开关变换器具有体积小、重量轻、效率高、功率密度大等突出优点，其应用越来越广泛。在我们的日常生活中，开关变换器普遍存在，如电脑适配器、电池充电器等。开关变换器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（即主功率开关管）、变压器装置和整流滤波电路等。常见的功率变换器拓扑结构有Buck变换器（降压变换器）、Boost变换器（升压变换器）、Buck-Boost变换器（升降压变换器）、正激变换器、反激变换器等。目前，控制器常用方法有电压型、电流型恒频率脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,
PWM）和恒定导通时间、恒定关断时间脉冲频率调制技术（Pulse Frequency
Modulation, PFM）以及PWM和PFM混合调制方式。现有开关变换器控制器设计过程中，往往存在PI参数选取繁琐以及难以在较宽输入电压或较宽输出功率范围内保持变换器工作稳定等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种具有较好的稳态及瞬态性能的开关变换器延时控制方法及实施装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种开关变换器延时控制方法，包括如下步骤：（1）比较器对开关变换器输出电压与参考电压进行比较，并输出信号至延时器；（2）延时器对比较器输出信号进行延时后送入驱动电路；（3）驱动电路生成驱动脉冲，对开关变换器的主功率开关管的通断进行控制，从而实现开关变换器输出电压的调节。
对于本发明，延时时间是可调节量，延时时间直接影响开关变换器工作性能。对于采用延时控制的开关变换器，当输出电压上升至参考电压时，比较器输出电平翻转，但由于延时器的作用，开关变换器的主功率开关管仍导通延时器延时的时间，输出电压继续上升，直到延时时间结束后，主功率开关管才开始关断；反之，当输出电压下降至参考电压时，比较器输出电平翻转，但由于延时器的作用，主功率开关管仍关断延时器延时的时间，输出电压继续下降，直到延时时间结束后，主功率开关管才开始导通。因此，延时时间不同，开关变换器稳态工作频率以及输出电压纹波也将不同。开关变换器稳态工作频率由延时时间、工作模式（电感电流断续或连续导电模式）、主电路拓扑结构以及主电路参数等因素共同确定，在实际应用中可以根据具体应用情形进行推导。
所述步骤（1）中，比较器对开关变换器输出电压与参考电压进行比较时，若输出电压低于参考电压，比较器输出高电平信号；若输出电压高于参考电压，比较器输出低电平信号。
一种实施开关变换器延时控制方法的装置，由比较器、延时器和驱动电路组成，所述比较器正相输入端外接参考电压，比较器反相输入端外接开关变换器输出端，比较器输出端连接延时器输入端，延时器输出端连接驱动电路输入端，驱动电路输出端外接开关变换器的主功率开关管，控制主功率开关管通断。
本发明简化了控制环路设计，能使开关变换器具有较好的稳态及瞬态性能。与现有控制方法相比，本发明实现方式更简单可靠，所需元器件少，成本低，轻载效率高。本发明可以为开关变换器集成电路控制器的设计提供思路。
附图说明
图1为本发明开关变换器延时控制方法的实施装置结构框图；
图2为本发明开关变换器延时控制方法的实施装置与Buck开关变换器连接结构示意图；
图3为本发明开关变换器延时控制方法的实施装置与Buck开关变换器连接后得到的主要工作波形示意图；
图4为采用本发明开关变换器延时控制方法的实施装置的Buck开关变换器时域仿真波形图：图4（a）为输出电压波形；图4（b）比较器输出信号；图4（c）为延时器输出信号；图4（d）为负载电流；
图5为本发明开关变换器延时控制方法的实施装置与正激开关变换器连接结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
开关变换器延时控制方法，包括如下步骤：（1）比较器对开关变换器输出电压与参考电压进行比较，并输出信号至延时器；（2）延时器对比较器输出信号进行延时后送入驱动电路；（3）驱动电路生成驱动脉冲，对开关变换器的主功率开关管的通断进行控制，从而实现开关变换器输出电压的调节。
参照图1、图2，实施开关变换器延时控制方法的装置，由比较器、延时器和驱动电路组成，所述比较器正相输入端外接参考电压，比较器反相输入端外接开关变换器输出端，比较器输出端连接延时器输入端，延时器输出端连接驱动电路输入端，驱动电路输出端外接开关变换器的主功率开关管，控制主功率开关管通断。
图2给出了本发明在Buck开关变换器中的应用（Vref表示比较器正相输入端的参考电压），主要工作波形可参考图3，在图3中，CO代表比较器输出信号，CP代表驱动脉冲信号，T D为延时时间。从图2可以看出，开关变换器延时控制装置仅由比较器、延时器和驱动电路构成，结构简单。
由图2、图3可知本发明的具体工作原理及过程为：比较器对Buck变换器输出电压Vo与参考电压Vref进行比较，当输出电压低于参考电压时，比较器输出高电平；当输出电压高于参考电压时，比较器输出低电平。比较器输出信号经延时器延时时间T D（T D时间预先设定）后，由驱动电路生成最终的驱动脉冲，对开关变换器的主功率开关管的通断进行控制，最终调节输出电压。由图3可能看出，当输出电压上升至参考电压时，比较器输出信号由高电平翻转为低电平，但驱动脉冲此时仍为高电平，即主功率开关管仍导通，在经过T D时间后，驱动脉冲才为低电平；此外，当输出电压下降至参考电压时，比较器输出信号由低电平翻转为高电平，但驱动脉冲此时仍为低电平，即主功率开关管仍关断，在经过T D时间后，驱动脉冲才为高电平。延时时间T D越小，开关频率越高，开关变换器稳态精度及瞬态性能越好。但随着开关频率的增加，开关损耗也相应增加，因而需要适当选择延时时间T D。
仿真结果分析：
图4为利用Psim软件对采用本发明装置的Buck开关变换器进行的时域仿真波形图。图4（a）、（b）、（c）、(d)的横轴均为时间（μs）,（a）、（b）、（c）的纵轴均为电压幅值（V），(d)的纵轴为电流幅值（A）。在图4中可以看出，在稳态时，延时器对比较器输出信号延时2??s，变换器工作稳定；在600μs时，负载电流由0.2A突变至2A，从图4中可以看出，采用本发明的开关变换器具有快速的瞬态响应速度，调节时间小于15μs（约为1.5个加载后的稳态开关周期），输出电压能够很快恢复稳态。此外，从图4还可以看出，当负载电流为0.2A，即负载较轻时，变换器开关频率较低，因而可以有效降低开关损耗，使变换器具有较高的轻载转换效率。仿真条件：输入电压V in=15V，输出电压V o=5V，电感L=20μH，电容C=470μF，电容等效串联电阻ESR=20mΩ，延时器延时时间T D =2μs。
实施例2：
参照图5，本实施例与实施例1的区别在于：所述开关变换器为正激开关变换器，延时控制装置与实施例1相同。同样，通过仿真可证明，采用本发明装置可以实现对正激开关变换器的控制。
Claims (1)
1.一种开关变换器延时控制方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）比较器对开关变换器输出电压与参考电压进行比较，并输出信号至延时器；（2）延时器对比较器输出信号进行延时后送入驱动电路；（3）驱动电路生成驱动脉冲，对开关变换器的主功率开关管的通断进行控制，从而实现开关变换器输出电压的调节；
延时时间是可调节量，延时时间直接影响开关变换器工作性能；对于采用延时控制的开关变换器，当输出电压上升至参考电压时，比较器输出电平翻转，但由于延时器的作用，开关变换器的主功率开关管仍导通延时器延时的时间，输出电压继续上升，直到延时时间结束后，主功率开关管才开始关断；反之，当输出电压下降至参考电压时，比较器输出电平翻转，但由于延时器的作用，主功率开关管仍关断延时器延时的时间，输出电压继续下降，直到延时时间结束后，主功率开关管才开始导通；
所述比较器正相输入端外接参考电压，比较器反相输入端外接开关变换器输出端，比较器输出端连接延时器输入端，延时器输出端连接驱动电路输入端，驱动电路输出端外接开关变换器的主功率开关管，控制主功率开关管通断。
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