CN105553255A - 一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法，用参考电压Vref取代电容C在放电过程中的电压平均值Vrl(t)，通过参考电压Vref实现对输出电压的设定，把非线性的电容充放电过程转化为线性的控制模式，通过设定恒定的开通时间Ton和变化的关断时间Toff，从而实现变频来调整输出电压。本发明有益的效果是：相对于恒定频率变占空比的控制方法，这种变频控制方法具有响应速度快，运行范围宽，结构简单以及低成本的优点。另外，因为无需考虑占空比必须限定在一定恒定值范围之内，该发明控制方法可以广泛的运用在低功率和高功率开关电容变换器中。

Description

一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法
技术领域
本发明涉及一种非线性控制方法，涉及一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法。
背景技术
开关电容变换器是开关电源的一个重要分支，其电路仅有电容和开关管组成，和传统的感性电源变换器相比，具有质量轻，体积小，高电量密度和较小EMI等优点。因其集成相较于感性电源变换器更容易，现已被广泛的用作为手机芯片，数码电子设备等小功率电路的供电电源。近年来，大功率的开关电容变换器开始得到应用。但是，限制开关电容变换器得到更广泛应用甚至取代传统感性开关变换器的一个重要因素是其控制方法的局限性。
现有的开关电容变换器的控制方法是传统线性的PWM控制，电流控制等以及一些更加复杂的非线性控制方法例如滑模控制。这些控制方法都是变占空比恒定频率控制方法。通过调节占空比来处理外部输入电压和负载的变化以稳定输出电压。其占空比要控制在一定的范围例如0.5以内用来防止不同开关管控制信号的重叠。另外，由于开关电容变换器具有比传统感性变换器更加非线性的特点，其恒定的电容充电时间非常小。所以要求开关管工作在很短的开通时间范围内。为了维持对开关电容变换器的调节控制，传统的线性控制方法只能在很窄的输入电压和输出电流范围内运行。一些非线性的恒定频率的控制方法可以提高开关电容变换器的控制效果，例如提高动态响应速度，减小输出电压纹波，拓宽输入电压范围等。但是，其具有控制结构复杂，成本较高等缺点。
发明内容
本发明正是为了克服上述技术的不足，而提供了一种低成本，宽输入输出范围，快速动态实时响应，优良的线性和负载调整效果的用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：本发明专利受到传统的单周期控制的启发，并结合开关电容变换器的自身特点，提出了一种全新的非线性恒定开通时间变频控制方法，这种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法，用参考电压Vref取代电容C在放电过程中的电压平均值通过参考电压Vref实现对输出电压的设定，把非线性的电容充放电过程转化为线性的控制模式，通过设定恒定的开通时间Ton和变化的关断时间Toff，从而实现变频来调整输出电压；基于电容安秒平衡法则所得到的开关管S1控制信号Us1模型为：
其中
开关管S2的控制信号Us2为开关管S1控制信号Us1的非，即：
控制电路主要包括可重置的积分器、一个比较器和一个D触发器，其中D触发器的S输入端口和R输入端口分别接时钟信号和比较器的输出端，其步骤如下：在开始时，一个时钟信号设置D触发器的输出信号为高D触发器产生一个恒定脉宽的控制信号US1用于开通图1中的开关管S1，电容C开始充电，充电电流Ich开始在Ton时间段内积分；当Ton结束时，D触发器复位为低电平，开关管S1关断；在此时，积分器复位开关W1开启，积分器置零；同时，控制信号US2开通开关管S2，电容C开始放电；在Toff时间段内，当放电电量Qdischarge＝Idis(t)Toff等于负的充电电量-Qcharge＝-Ich(t)Ton时，比较器的状态从高降为低；当下一个时钟信号到来时，D触发器将会被重新置高并开始新的周期。
本发明有益的效果是：相对于恒定频率变占空比的控制方法，这种变频控制方法具有响应速度快，运行范围宽，结构简单以及低成本的优点。另外，因为无需考虑占空比必须限定在一定恒定值范围之内，该发明控制方法可以广泛的运用在低功率和高功率开关电容变换器中。
附图说明
图1为开关变换器电容充电和放电模型示意图。
图2为恒定开通时间变频率控制电路示意图。
图3为控制电路核心元器件运行波形示意图。
图4为外部干扰的抑制波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
以简单的一个充电电容和一个滤波电容的开关电容变换器如图1所示为例，说明本发明控制方法。本方法基于电容充电和放电的安秒平衡法则，在一个周期(Ts＝Ton+Toff)内，电容C的充电电量和放电电量守恒，其表达式如下：
Qcharge+Qdischarge＝Ich(t)Ton-Idis(t)Toff＝0(1.1)
其中Ich(t)是实时充电电流，Idis(t)是实时放电电流，Ton和Toff分别是充电时间和放电时间。
如图1所示，当开关管S1开启，S2关断，在Ton充电时间段内，电容C的充电电量为：
其中Vin是输入电压，Vc(t)是电容C实时充电电压，Rin是等效充电电路电阻，C为等效电容值。
当开关管S1关断，S2开启，在Toff放电时间段内(把电容放电过程当作一个线性过程)，电容C的放电电量为：
其中Rc是等效电容内阻，为电容C在放电时间区间Toff内电容放电电压的平均值。
用参考电压Vref取代电容C在放电过程中的电压平均值基于电容安秒平衡法则所得到的开关管S1控制信号Us1模型为：
其中
由于电容C在放电过程中的电压平均值非常接近于开关电容变换器的输出电压Vo，通过参考电压Vref可实现对输出电压的设定。
开关管S2的控制信号Us2为开关管S1控制信号Us1的非，即：
公式(1.4)为本发明专利的核心控制公式。该公式包含输入和输出电压，所以本发明控制方法可以快速的对输入电源和输出负载扰动响应。把非线性的电容充放电过程转化为线性的控制模式。通过设定恒定的开通时间Ton和变化的关断时间Toff，从而实现变频来调整输出电压。
根据公式(1.4)所建立的控制电路如图2所示。控制电路包括可重置的积分器，一个比较器，一个D触发器以及其它的一些线性元件。其中D触发器的S输入端口和R输入端口分别接时钟信号(Clock)和比较器(Comparator)的输出端。其运行步骤如下：
在开始时，一个时钟信号(clock)设置D触发器的输出信号为高D触发器产生一个恒定脉宽的(恒定的开通时间Ton)的控制信号US1用于开通图1中的开关管S1。图1中的电容C开始充电，图2中的充电电流Ich开始在Ton时间段内积分。当Ton结束时，D触发器复位为低电平开关管S1关断。在此时，图2中的积分器复位开关W1开启，积分器置零。同时，控制信号US2开通图1中的开关管S2，电容C开始放电。在Toff时间段内，当放电电量Qdischarge＝Idis(t)Toff等于负的充电电量-Qcharge＝-Ich(t)Ton时，比较器的状态从高降为低。当下一个时钟信号到来时，D触发器将会被重新置高并开始新的周期。该控制电路的运行状态波形如图3所示。D触发器的真值表如表1。
表1D触发器真值表
当输入电压出现波动时，例如输入电压出现一个上升阶跃，输出负载保持恒定。因为充电电流ich(t)正比于充电电压充电电流将会瞬时增加，而放电电流Idis(t)和充电时间Ton保持不变。根据安秒平衡法则，电容C的放电时间即开关管S1关断时间Toff将会瞬时增加，频率减小。相反，如果输入电压减小，输出负载保持不变，开关管S1关断时间Toff将会瞬时减小，频率增大。
当输出负载发生变化，输出电压不变时，例如输出电流出现一个上升阶跃。在恒定的Ton时间段内，充电电量Qcharge＝Ich(t)Ton保持不变。根据安秒平衡法则，当电路输出电流Io增大即电容C的放电电流增大而电容C的放电总电量保持不变时，电容放电时间即开关管S1关断时间Toff将会瞬时减小，开关频率增加。相反，当输出电流减小时，开关管S1关断时间将会瞬时增加，开关频率减小。对外部干扰的抑制调节波形如图4(a)和(b)所示，图4为外界干扰的抑制波形(a)输入电压上升阶跃的抑制波形(b)输出电流上升阶跃的抑制波形示意图。
以上所述，仅为本发明较好的实施方式而已，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明精神之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法，其特征在于：用参考电压Vref取代电容C在放电过程中的电压平均值通过参考电压Vref实现对输出电压的设定，把非线性的电容充放电过程转化为线性的控制模式，通过设定恒定的开通时间Ton和变化的关断时间Toff，从而实现变频来调整输出电压；基于电容安秒平衡法则所得到的开关管S1控制信号Uc1模型为：
K 1 ∫ 0 T o n ( V i n - V o ( t ) ) d t = K 2 ( V r e f - V o ) T o f f - - - ( 1.4 )
其中 K 1 = 1 R i n C , K 2 = 1 R c C ;
开关管S2的控制信号Us2为开关管S1控制信号Us1的非，即：
2.根据权利要求1所述的用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法，其特征在于：控制电路主要包括可重置的积分器、一个比较器和一个D触发器，其中D触发器的S输入端口和R输入端口分别接时钟信号和比较器的输出端，其步骤如下：在开始时，一个时钟信号设置D触发器的输出信号为高D触发器产生一个恒定脉宽的控制信号US1用于开通图1中的开关管S1，电容C开始充电，充电电流Ich开始在Ton时间段内积分；当Ton结束时，D触发器复位为低电平，Q＝0，开关管S1关断；在此时，积分器复位开关W1开启，积分器置零；同时，控制信号US2开通开关管S2，电容C开始放电；在Toff时间段内，当放电电量Qdischarge＝Idis(t)Toff等于负的充电电量-Qcharge＝-Ich(t)Ton时，比较器的状态从高降为低；当下一个时钟信号到来时，D触发器将会被重新置高并开始新的周期。
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