CN104022645B - 一种开关变换器的恒频固定关断时间控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关变换器的恒频固定关断时间控制装置，包括功率电路和控制电路，控制电路包括输入输出电压反馈调节回路，该回路括输入电压检测装置、输出电压检测装置、减法电路以及除法器，输入连接至输入电压检测装置，输出连接至输出电压检测装置，输入电压检测装置和输出电压检测装置都连接至减法电路，输入电压检测装置和减法电路连接到除法器，除法器输出以及RS触发器输出连接至可调关断定时器，可调关断定时器的输出连接至RS触发器的输入端。本发明在轻负载条件下仍然具有较高的效率，负载发生突变时，控制器能快速做出响应，使开关电源迅速恢复稳态；本发明能够始终维持开关变换器的恒频工作状态，便于控制***的集成与推广。
Description
技术领域
本发明涉及采用基于输出电压纹波控制的开关电源，特别涉及使用固定关断时间控制的开关电源及其装置。
背景技术
随着电力电子技术的大力发展，开关电源的应用领域越来越广泛，种类繁多的电子设备对电源的要求也越来越高。开关电源能满足各种应用场合的需求，与控制方式的选取密切相关。在电力电子技术快速发展的时代下，开关DC-DC变换器的控制技术也取得了丰富的成果。根据不同的应用场合，开关变换器可以采用不同的控制方式，以使开关电源获得最佳的工作性能。开关变换器的输出控制是通过控制电路调节功率开关器件的导通时间来实现的。按照占空比的实现方式，开关变换器的控制方式主要有固定频率控制和可变频率控制。固定频率控制也即传统的脉冲宽度调制（PWM）技术，传统的PWM控制技术轻载效率低，动态响应速度慢。而可变频率控制开关变换器虽然具有良好的瞬态响应速度，也克服了轻载效率低的缺点，但是稳压精度差，可变的开关频率也给滤波器的设计带来了很大的困难。因此，若能够改善可变频率控制开关变换器开关频率可变的不足将会极大的拓展可变频控制技术的应用范围，同时也有利于可变频控制芯片的集成与推广。
固定关断时间(Fixed off time, FOT)控制方法是一种变频、非线性调制方法。其工作原理为：当开关变换器输出电压瞬时值vo(t)到达参考电压Vref时，比较器输出VS为高电平窄脉冲电压，RS触发器\Q端输出VD为低电平电压，开关管S关断，vo开始下降。S的关断时间由关断定时器决定，当固定关断时间TOFF后，关断定时器输出VR为一个高电平窄脉冲电压，使RS触发器\Q端VD为高电平电压，S转为导通状态，vo上升。当vo上升到Vref时，S再次关断，进入下一个开关控制周期。固定关断时间(Fixed off-time, FOT)控制技术属于脉冲频率调制(PFM)技术的一种。它与PWM电压型控制技术相比，稳压精度稍差，但具有更快的瞬态响应速度和更高的轻载效率。FOT控制器的结构简单，不需要环路补偿，在负载较轻情况下效率高，稳定性好，因此固定关断时间(FOT)控制技术比较适用于中小功率LED电源驱动IC。
然而，目前使用基于固定关断时间控制的开关变换装置还存在如下不足：FOT控制技术属于变频控制的范畴，其变化的开关频率会影响到开关电源的损耗，且不利于开关电源EMI滤波器的综合设计，此外由开关电源引入的噪声频率也会随之变化，若不加以控制，严重的甚至会导致开关频率进入音频范围。因而在很大程度上限制了FOT控制电路的集成与推广。
发明内容
本发明的目的是通过在FOT控制方法中加入输入输出电压反馈调节环路，解决开关电源工作频率随输入输出电压变化的问题。
本发明的为解决其技术方法是：
一种开关变换器的恒频固定关断时间控制装置，包括功率电路和控制电路，所述功率电路包括输入、开关装置、滤波装置和输出，输入连接到开关装置，经过开关装置后传输到滤波装置，经过滤波装置的作用后进入输出，所述控制电路包括输出电压检测装置、基准电压、比较器、RS触发器、可调关断定时器和驱动电路，输出连接至输出电压检测装置，输出电压检测装置和基准电压都连接到比较器，后传输到RS触发器，再经过驱动电路连接至开关装置。所述控制电路还包括输入输出电压反馈调节回路，所述输入输出电压反馈调节回路包括输入电压检测装置、输出电压检测装置、减法电路以及除法器，输入连接至输入电压检测装置，输出连接至输出电压检测装置，输入电压检测装置和输出电压检测装置都连接至减法电路，同时输入电压检测装置和减法电路连接到除法器，除法器输出以及RS触发器输出连接至可调关断定时器，可调关断定时器的输出连接至RS触发器的输入端。
作为本发明的进一步改进，所述功率电路具体包括开关管S、二极管D、电容C、负载R、电感L，输入电压的正极与开关管S的漏极相接，负极与二极管D的阳极、电容C的一端和负载R的一端相接，与负载R连接的一端输出负极，开关管S的源极与二极管D的阴极和电感L的一端相接，电感L的另一端与电容C的一端和负载R的一端相接，与负载R连接的一端输出正极。
作为本发明的进一步改进，所述控制电路具体包括比较器、RS触发器、可调关断定时器、减法电路、除法器，所述输出正极与比较器的正端相连，比较器的负端连接基准电压，比较器的输出端与RS触发器的S端相连，RS触发器的端通过驱动电路与开关管S的栅极连接，R端和Q端都与可调关断定时器连接。
作为本发明的进一步改进，所述输入电压的输入端连接至输入电压检测装置（5），所述输出正极连接至输出电压检测装置（7），输入电压检测装置（5）和输出电压检测装置（7）都连接至减法电路（6），同时输入电压检测装置（5）和减法电路（6）连接到除法器（13），除法器（13）输出连接至可调关断定时器（14）。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、与传统的PWM脉宽调制技术相比，采用本发明控制方法的开关电源在轻负载条件下仍然具有较高的效率，负载发生突变时，控制器能快速做出响应，使开关电源迅速恢复稳态。
二、基于输入输出电压反馈调节恒频固定关断时间控制方法另一个益处是能够始终维持开关变换器的恒频工作状态，便于控制***的集成与推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明的控制***实现装置结构框图。
图2为本发明实施例的电路结构示意图。
图3为本发明实施例的可调关断定时器电路结构示意图。
图4为本发明实施例的不同输入输出电压组合下输出电压纹波示意图。
图5为本发明实施例的开关变换器输入电压突变时输出电压瞬态响应时域波形图。
图6为本发明实施例的的开关变换器负载电流突变时输出电压瞬态响应时域波形图。
图4中：(a)为变换器的输入电压波形；(b)为设定5V输出时变换器的输出电压纹波波形。(c)为设定3.3V输出时变换器的输出电压纹波波形。
图5中：(a)为变换器输出电压调整波形；(b)为变换器输入电压突变时域波形。
图6中：(a)为变换器负载电流突变波形；(b)为变换器输出电压调整波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明根据FOT控制技术的基本原理，在在关断定时器中加入输入输出电压检测反馈环，通过实时采样开关变换器的输入输出电压，关断定时器随时作动态调整，维持开关频率恒定。所采用的具体技术方案为：当开关变换器输入输出电压有任何一个参数改变时，输入输出电压反馈环路将会检测到相应的变化，最终将反馈电压VFB传送给控制器，受控电流源输出电流随输入输出电压发生相应的变化，控制器改变固定关断时间，从而保持开关频率的恒定。而当负载发生突变时，由于CF-FOT控制并没有改变FOT基本控制原理，工作原理与FOT控制一样，同样具有快速的瞬态响应，这里不再过多的叙述。
本发明的另一个目的是提高电压调整率，方便控制芯片的集成推广，由于本发明中恒频固定关断时间控制的开关频率仅由变换器设计时几个电路参数决定，故不论采用何种输入输出电压，其变换器的滤波电路都可以统一进行设计。在同一发明构思下对应于CCM模式下基于输入输出电压反馈调节恒频固定关断时间控制开关变换器装置。该装置由该输入1、开关装置2、滤波装置3、输入输出电压反馈调节装置4及控制电路部分组成。在控制环路中，低带宽的外环误差放大器控制输出电压vo等于基准电压Vref,因此基于输入输出电压反馈调节的恒频固定关断时间控制方法可以使得电压调整率有很大的提高；避免了开关频率随输入输出电压变化的缺点，可以快速的调节输入电压及其负载扰动对输出电压的影响，从而具有优良的瞬态响应特性。
图1中，虚线框外为控制电路，包括：输出电压检测装置9、基准电压11、比较器10、RS触发器12、可调关断定时器14和驱动电路8。虚线框下方为输入输出电压反馈调节回路，包括：输入电压检测5、输出电压检测7、减法电路6以及除法器13。连接关系：电压检测装置9和基准电压11都连接到比较器10，后传输到RS触发器12，再经过驱动电路11连接至开关管。虚线框内为功率电路，包括输入1、开关装置2、滤波装置3、输出4。连接关系：输入1连接到开关装置2，经过开关装置2后传输到滤波装置3，经过滤波装置3的作用后进入输出4。虚线框下方为输入输出电压反馈环路，连接关系为：输入电压检测装置5和输出电压检测装置7都连接至减法电路6，同时输入电压检测装置5和减法电路6连接到除法器13，除法器13输出连接至可调关断定时器14。
对比图2、图3和图1，各器件之间的对应关系分别为：输入电压E对应输入1，S(MOSFET)和二极管D对应开关装置2，电感L、电容C对应滤波装置3，负载R对应输出4，基准电压Vref对应基准电压11，比较器对应比较器10，RS触发器对应RS触发器12，驱动电路对应驱动电路11。
图2、图3中具体的连接情况为：输入电压E的正极与开关管S(MOSFET)的漏极相接，负极与二极管D的阳极、电容C的一端和负载R的一端(输出负极)相接；开关管S(MOSFET)的源极与二极管D的阴极和电感L的一端相接，电感L的另一端与电容C的一端和负载R的一端(输出正极)相接。输出端与比较器的正端相连，比较器的负端连接基准电压，比较器的输出端与RS触发器的S端相连，RS触发器\Q端通过驱动电路与开关管S(MOSFET)的栅极连接，R端和Q端都与可调关断定时器连接。
控制方法的实现如下：
步骤1：开关管S导通，电源E对电感L充电同时对输出电容充电，将电感电流的信息反馈到输出。
步骤2：输出电压与基准电压进行比较，给后级RS触发器提供控制信号。
步骤3： RS触发器关断时间由关断定时器决定，当固定关断时间TOFF后，关断定时器输出VR为一个高电平窄脉冲电压，使RS触发器\Q端VD为高电平电压，S转为导通状态，vo上升。当vo上升到Vref时，S再次关断，进入下一个开关控制周期。
图4、图5、图6示出了基于输入输出电压反馈调节恒频固定关断时间控制技术在Buck变换器中的应用，分别对应于不同输入输出电压、输入电压突变、负载电流突变的应用情况。
具体的工作过程与原理为：开关变换器输出电压瞬时值vo到达参考电压Vref时，比较器输出VS为高电平窄脉冲电压，RS触发器\Q端输出VD为低电平电压，开关管S关断，vo开始下降。S的关断时间由关断定时器决定，当固定关断时间TOFF后，关断定时器输出VR为一个高电平窄脉冲电压，使RS触发器\Q端VD为高电平电压，S转为导通状态，vo上升。当vo上升到Vref时，S再次关断，进入下一个开关控制周期。在正常工作的同时，输入输出电压反馈调节环路实时检测输入输出电压，以便动态调整固定关断时间，确保开关变换器恒频工作。
仿真结果分析：
图4、图5、图6均为采用PSIM软件对本发明的控制方法进行时域仿真的结果。图4中分图(a)、(b) 、(c)的横轴均为时间ms，纵轴为输出电压V。图5、图6的横轴均为时间ms，图5(a)纵轴为输出电压纹波信息，单位mV，图5(b)为输入电压跃变波形，单位V。图6(a)纵轴为负载电流信息，单位A，图6(b)为输出电压动态响应波形，单位V。由图4可知， 基于输入输出电压反馈调节恒频固定关断时间(constant frequency fixed off time, CF-FOT)控制Buck变换器在输入输出电压发生变化时的仿真波形。从图中可以看出，当Vref = 5 V，Vin =10 V时，TOFF = 5 μs、TON = 5 μs，当输入电压增加至20V时，CF-FOT控制器迅速将TOFF调整为7.5μs，TON调整为2.5μs，开关周期保持10μs不变，即开关频率保持在100 kHz。对于输入电压的突变，CF-FOT控制Buck变换器仅表现为输出电压纹波Δvo的变化，其值从25 mV跃增至36mV，调整时间大约在一个开关周期内，具有较快的瞬态响应速度。而当Vref = 3.3 V，Vin=10V时，TOFF = 6.7μs、TON = 3.3μs，而在Vin = 20V下，TOFF和TON分别调整为8.35 μs和1.65 μs，开关周期保持恒定，Δvo从22 mV跃增至26 mV。从图5和图6也不难看出，在输入电压突变及其负载电流突变时，恒频固定关断时间控制都能迅速调整输出电压至稳定状态，具有良好的动态响应性能。
本发明除了可用于控制上述实施例中的功率变换器外，也可用于Boost变换器、Buck-boost变换器等功率电路组成的开关电源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种开关变换器的恒频固定关断时间控制装置，包括功率电路和控制电路，所述功率电路包括输入(1)、开关装置(2)、滤波装置(3)和输出(4)，输入(1)连接到开关装置(2)，经过开关装置(2)后传输到滤波装置(3)，经过滤波装置(3)的作用后进入输出(4)，所述控制电路包括第二输出电压检测装置(9)、基准电压(11)、比较器(10)、RS触发器(12)、可调关断定时器(14)和驱动电路(8)，输出(4)连接至第二输出电压检测装置(9)，第二输出电压检测装置(9)和基准电压(11)都连接到比较器(10)，后传输到RS触发器(12)，再经过驱动电路(8)连接至开关装置(2)；其特征在于：所述控制电路还包括输入输出电压反馈调节回路，所述输入输出电压反馈调节回路包括输入电压检测装置(5)、第一输出电压检测装置(7)、减法电路(6)以及除法器(13)，输入(1)连接至输入电压检测装置(5)，输出(4)连接至第一输出电压检测装置(7)，输入电压检测装置(5)的输出端和第一输出电压检测装置(7)的输出端都连接至减法电路(6)的输入端，同时输入电压检测装置(5)的输出端和减法电路(6)的输出端连接到除法器(13)的输入端，除法器(13)输出端以及RS触发器(12)输出端连接至可调关断定时器(14)的输入端，可调关断定时器(14)的输出端连接至RS触发器(12)的输入端。
2.根据权利要求1所述的开关变换器的恒频固定关断时间控制装置，其特征在于：所述功率电路具体包括开关管S、二极管D、电容C、负载R、电感L，输入电压的正极与开关管S的漏极相接，负极与二极管D的阳极、电容C的一端和负载R的一端相接，与负载R连接的这一端为负极输出端，开关管S的源极与二极管D的阴极和电感L的一端相接，电感L的另一端与电容C的一端和负载R的另一端相接，与负载R连接的这一端为正极输出端。
3.根据权利要求2所述的开关变换器的恒频固定关断时间控制装置，其特征在于：所述正极输出端与比较器的正端相连，比较器的负端连接基准电压，比较器的输出端与RS触发器的S端相连，RS触发器的端通过驱动电路与开关管S的栅极连接，R端和Q端都与可调关断定时器连接。
4.根据权利要求3所述的开关变换器的恒频固定关断时间控制装置，其特征在于：所述输入电压的输入端连接至输入电压检测装置(5)，所述输出正极连接至第一输出电压检测装置(7)。
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