CN103401403A - 电感充电电荷控制方法及其在开关电源中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种降低开关电源输出纹波的方法及其在开关电源中的应用，该方法包括：获取开关电源输出滤波电感的电流信号，以及开关电源的输出电压或电流信号；得到电感充电电流积分信号，以及将所述输出信号经PI调节后输出参考信号；所述电流积分信号与所述参考信号比较，产生PWM控制信号，去控制所述开关电源中DC/DC变换电路功率开关管的导通和关断，使所述DC/DC变换电路在每个开关周期从输入电源传输到输出端的电荷正比于输出信号的给定值。本发明直接对开关电源的滤波电感充电电流进行控制，阻止输入电源纹波和干扰传递到输出端，并滤除高频纹波，实现极大减小开关电源输出纹波的目的，满足对开关电源输出超低纹波的要求。
Description
技术领域
本发明涉及电感充电电荷控制方法，以及将该控制方法在开关电源中的应用，用于降低开关电源的输出纹波。
背景技术
随着现代电力电子技术的发展，开关直流电源得到广泛的应用，同时也不断出现适用于开关直流电源的控制技术，如电压控制、电流控制、滞环控制、单周控制等，特别是基于单周控制原理又衍生了电荷控制、准电荷控制、仿电流控制等。
其中，单周控制是对开关量或开关管电压进行取样、积分、比较，产生PWM控制信号，实施对开关电源的控制。电荷控制和准电荷控制都是利用电流互感器对流过开关管的电流进行取样、积分、比较，产生PWM控制信号，实施对开关电源的控制。电荷控制和准电荷控都没有考虑开关管寄生电容、变压器励磁电流等参数以及开关干扰等的影响。仿电流控制是要重构开关管电流的仿电流信号。这些基于单周控制原理的控制方法对输入电压扰动敏感，可以阻止输入电压纹波传递到输出，减小输出纹波，但这些控制方法实际上是对开关管的电压或电流作为开关量进行控制，还没有真实反映输出电压和电流，还会存在一定量的输出纹波。
而电压控制和电流控制是对输出电流和电压进行反馈控制，对输入电源的扰动敏感，导致输入电压的纹波传递到输出，造成输出纹波较大。特别是对电流的取样多是采用电流互感器或霍尔电流传感器，也会带来测量误差，从而影响开关电源的控制精度。
对于需要超低纹波的开关电源，比如高精度测试电源、高新装备上高精度开关电源等，上述控制方法都不能满足对开关电源超低纹波的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种电感充电电荷控制方法及其在开关电源中的应用，使用本发明控制方法能够降低开关电源的输出纹波，实现开关电源的输出超低纹波。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种基于电感充电电荷的控制方法，包括：
将输出滤波电感的充电电流作为控制对象，用精密取样电阻对所述输出滤波电感的充电电流进行取样，将取样信号经过精密调理电路后得到正比于电感充电电流的信号，对该信号进行积分得到正比于电感充电电荷的积分电压；
将输出信号与输出信号给定值的误差经PI调节器进行放大后输出参考信号；
将所述积分电压与所述参考信号比较，产生PWM控制信号。
此外，本发明还提供将上述电感充电电荷控制方法在开关电源中的应用，包括：
获取正比于开关电源输出滤波电感的充电电流的信号，以及正比于开关电源的输出电流或电压的输出信号；
将所述充电电流的信号经过积分得到电流积分电压，以及将所述输出信号调节后输出参考信号；所述电流积分电压与所述参考信号比较，产生PWM控制信号，去控制所述开关电源中DC/DC变换电路中功率开关管的导通和关断，使所述DC/DC变换电路在每个开关周期从输入电源传输到输出端的电荷正比于输出信号的给定值，实现开关电源输出低纹波。
在上述技术方案中，将所述电流或电压的输出信号与该电流或电压的输出信号给定值的误差经PI调节器进行误差放大后输出参考信号。
本发明的电感充电电荷控制方法，可以用于开关电源的控制，通过对开关电源的电感充电电流进行控制，保证在每个开关周期传输到开关电源输出端的电荷正比于输出信号的给定值，阻止输入电源纹波和干扰传递到输出端，并滤除高频纹波，实现极大减小开关电源输出纹波的目的，满足对开关电源输出超低纹波的要求。
附图说明
图1是采用本发明电感充电电荷控制方法对开关电源进行控制的电路图；
图2是图1中开关电源工作时控制时序波形图；
图3是采用本发明电感充电电荷控制方法对开关电源进行控制的另一电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示的电路，开关电源的功率电路包括DC/DC变换器、LC滤波器；该开关电源还包括：电感电流精密取样电路、输出电压精密取样电路、精密调理电路、PI调节器、精密比较器、脉冲振荡器、RS触发器、可复位积分器和逻辑与驱动电路等，本实施例中可复位积分器复位开关选用模拟开关。
图1中L、C分别是输出滤波电感、电容，本实施例所用电感电流精密取样电路是精密取样电阻R1，与滤波电感L串联，其电阻值很小，温漂极小，用于获取电感电流iL的取样信号。R1两端的电压为电感充电电流的取样信号R1iL。
本实施例获取开关电源的输出信号为输出电压，如图1所示，R3、R4是输出电压精密取样电阻，R3和R4串联后与滤波电容并联，Vo是开关电源的输出电压，精密取样电阻R3上的输出取样信号为
。
精密调理电路分别对来自R1的电感充电电流的取样信号R1iL和来自R3的输出取样信号
进行精密放大得到k1iL和k3Vo，而k1iL和k3Vo分别正比于电感电流iL和输出电压Vo，其中k1、k2是常数，由精密取样电路和精密调理电路确定。
将放大后的信号k3Vo与开关电源输出电压的给定值Uref经过PI调节器进行误差放大后的输出作为参考信号u*。
将RS触发器的S端与脉冲振荡器的输出端连接，R端与比较器的输出端连接，
端与可复位积分器的复位控制端连接，Q端与逻辑与驱动电路的PWM信号输入端连接。其中，可复位积分器的复位脉冲来自RS触发器信号，高电平有效，使可复位积分器复位。
逻辑与驱动电路将来自RS触发器的PWM信号进行分配、隔离、放大后送到DC/DC变换电路去控制功率开关管（IGBT或功率MOS管）开通和关断。上电时，RS触发器输出Q信号和比较器输出均为低电平，PWM为低电平，DC/DC变换电路没有能量输出。
图2是本实施例开关电源正常工作时的时序波形图。
正常工作时，脉冲振荡器输出时钟脉冲CLK去触发RS触发器，RS触发器输出Q信号变为高电平，输出PWM信号为高，输入电源Vin经DC/DC变换电路向电感L和负载提供能量，电感L的电流iL增大，电感在充电；同时RS触发器输出
信号为低电平，模拟开关开路，可复位积分器对k1iL积分，输出积分电压
，R、C是积分参数，即可复位积分器输出积分电压Vint正比于DC/DC变换电路在每个开关周期从输入电源传输到输出端的电荷。
当Vint =u*时，比较器翻转输出高电平，RS触发器清零，输出Q信号变为低电平，输出PWM信号为低，输入电源Vin停止经DC/DC变换电路向电感和负载提供能量，电感L的电流iL减小，向负载放电；同时RS触发器输出
信号为高电平，控制模拟开关短路，可复位积分器复位，等待下一个时钟脉冲CLK。
实施例2
本实施例以获取开关电源的输出信号为输出电流进行说明。
如图3所示，L、C分别是输出滤波电感、电容，R1、R2分别是电感电流iL、输出电流Io的精密取样电阻，电阻值很小，温漂极小，R1与滤波电感L串联，R2与输出端串联。
精密调理电路分别对R1、R2上的取样电压进行高增益精密放大，其输出k1iL、k2Io分别正比于电感电流iL、输出电流io。k2io与输出电流的给定值Iref经过PI调节器进行误差放大后的输出作为参考信号u*。可复位积分器的复位脉冲来自RS触发器的
信号，高电平有效，使可复位积分器复位。逻辑与驱动电路把来自RS触发器的PWM信号进行分配、隔离、放大后送到DC/DC变换电路去控制功率开关管（IGBT或功率MOS管）的开通和关断。
开始工作时，RS触发器输出Q信号和比较器输出均为低电平，PWM为低电平，脉冲振荡器输出时钟脉冲CLK去触发RS触发器，RS触发器输出Q信号变为高电平，输出PWM信号为高，输入电源Vin经DC/DC变换电路向电感和负载提供能量，电感电流iL增大；同时RS触发器输出
信号为低电平，模拟开关开路，积分器对电感充电电流信号k1iL积分，输出积分电压
，整理得到
，R、C是积分参数、k1是比例常数，Vint正比于电感充电电流iL的积分，即输入电源经DC/DC变换电路传输给电感的电荷。
当Vint= u*时，比较器翻转输出高电平，RS触发器清零，输出Q信号变为低电平，输出PWM信号为低，输入电源Vin停止经DC/DC变换电路向电感和负载提供能量，电感电流iL减小，向负载放电；同时RS触发器输出信号为高电平，控制模拟开关短路，积分器复位，等待下一个时钟脉冲CLK。
本发明电感充电电荷控制方法直接将开关电源输出滤波电感电流iL作为控制对象，用精密取样电阻取样，经过精密调理电路后得到正比于电感电流的信号k1iL，对该信号进行积分后输出积分电压Vint；同时对开关电源的输出电压V0或电流I0进行取样，经精密调理电路进行精密放大后得到k2I0或k3V0，再与输出给定参考值进行PI调节后输出参考信号u*。Vint与输出参考信号u*比较，产生PWM信号，经逻辑与驱动电路分配、隔离、放大后去控制DC/DC变换电路的功率开关管适时开通和关断，阻止输入电源纹波传递到输出端，确保DC/DC变换电路在每个开关周期从输入电源传输到输出端的电荷正比于输出给定参考值，最后经开关电源输出端LC滤波电路滤除高频纹波后，得到超低纹波的直流输出。
Claims (4)
1.一种电感充电电荷控制方法，其特征在于：
将输出滤波电感的充电电流作为控制对象，用精密取样电阻对所述输出滤波电感的充电电流进行取样，将取样信号经过精密调理电路后得到正比于电感充电电流的信号，对该信号进行积分得到正比于电感充电电荷的积分电压；
将输出信号与输出信号给定值的误差经PI调节器进行放大后输出参考信号；
将所述积分电压与所述参考信号比较，产生PWM控制信号。
2.根据权利要求1所述基于电感充电电荷的控制方法，其特征在于：所述PWM控制信号经逻辑与驱动电路依次进行分配、隔离、放大。
3.一种权利要求1所述电感充电电荷控制方法在开关电源中的应用，其特征在于：
获取正比于开关电源输出滤波电感的充电电流的信号，以及正比于开关电源的电流或电压的输出信号；
将所述充电电流的信号经过积分得到电流积分信号，以及将所述输出信号调节后输出参考信号；所述电流积分信号与所述参考信号比较，产生PWM控制信号，去控制所述开关电源中DC/DC变换电路中功率开关管的导通和关断，使所述DC/DC变换电路在每个开关周期从输入电源传输到输出端的电荷正比于输出信号的给定值，实现开关电源输出低纹波。
4.根据权利要求3所述电感充电电荷控制方法在开关电源中的应用，其特征在于：将所述电流或电压的输出信号与该电流或电压的输出信号给定值的误差经PI调节器进行误差放大后输出参考信号。
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2013
- 2013-07-03 CN CN2013102773601A patent/CN103401403A/zh active Pending
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