CN105811740A - 一种能够减小pwm控制器最小脉宽的控制电路、开关电源装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够减小PWM控制器最小脉宽的控制电路、开关电源装置及控制方法，所述控制电路输入端与PWM控制器输出端相连接，其具备与前述PWM控制器输出端相连接，对PWM控制器输出端所输出的矩形波进行滤波处理的滤波电路；分别与前述滤波电路、所述PWM控制器输出端相连接，并与前述滤波电路相互配合构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路的波形截取电路；与前述功能电路的输出端相连接，对前述功能电路的输出端所输出的波形进行放大恢复并输出脉宽小于PWM控制器输出端所输出的矩形波脉宽的矩形波的驱动电路。本发明能够在周期不变的情况下，有减小PWM控制器发出的矩形波脉宽，进而减小占空比，以达到增加电源最低电压调节范围的目的。

Description

一种能够减小PWM控制器最小脉宽的控制电路、开关电源装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种通过减小PWM控制器最小脉宽来扩大开关电源调节范围的控制电路、开关电源装置及控制方法

背景技术

实现开关电源常见的方式是采用PWM控制器来维持稳定的输出电压或电流，即通过PWM控制器控制对应的开关管开通和周期的时间比率即占空比，来维持稳定的输出电压或电流，特别是在重载和轻载之间，通过占空比的变化来实现恒压或恒流输出。

在理论上，PWM控制器的占空比范围为大于等于0小于1的范围的任意值(但是在实际设计中不会太接近上述两个端点值，如双端输出的PWM控制器最大占空比不大于0.5)，这样就可以实现从无载零输出到满载最大输出之间全范围调节。但是常用的PWM控制器在调节占空比时均存在固有的起调点，实际的占空比并不是从0％起调的，这样就造成了电源在极轻负载的时候输出不稳定，这在电源领域，尤其是高压电源领域带来很多弊端。

与常规电源不同，高压电源的输出电压很高，可达几百千伏，比如一台采用KA3525控制器的200kV的高压电源空载时7％-8％的占空比就能输出额定电压，若想得到50KV的稳定的电压，理论上可能需要不足2％的占空比，而KA3525的最窄(或者称为最小)占空比约为2.4％，此时KA3525就会在不工作和输出3％以上的范围之间变化，从而导致了在这种情况下高压电源输出不稳定的问题；如其空载低电压下的波形如图1所示，对应的驱动波形即PWM控制器的有输出时，导出最终的输出电压急剧上升，输出电压超调很多，这时无论如何调节电路***的控制参数***均无法获得稳定的输出电压。

高压电源在上述情况不稳定的根本原因，是因为PWM控制器每个脉冲的能量过大，现有电路控制技术中常用的做法是降低主回路的电压，从而降低每个脉冲的能量，但此种解决方案大大增加了电路的复杂程度，且不适用于功率较大的电源电路。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种能够减小PWM控制器脉宽的控制电路，其能够在周期不变的情况下，有减小PWM控制器发出的矩形波脉宽，进而减小占空比，从而使占空比能够从0％起调，以达到增加电源最低电压调节范围的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种能够减小PWM控制器最小脉宽的控制电路，前述控制电路输入端与PWM控制器输出端相连接，其特征在于：所述控制电路具备

与前述PWM控制器输出端相连接，对PWM控制器输出端所输出的矩形波进行滤波处理的滤波电路，以输出上升时间区间及下降时间区间内波形对应的斜率逐步变化的周期性波形结构；

分别与前述滤波电路、所述PWM控制器输出端相连接，并与前述滤波电路相互配合构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路的波形截取电路，该功能电路能够输出被滤除前述周期性波形结构下降时间区间内的波形的周期性波形结构；

与前述功能电路的输出端相连接，对前述功能电路的输出端所输出的波形进行放大恢复并输出脉宽小于PWM控制器输出端所输出的矩形波脉宽的矩形波的驱动电路。

进一步的，所述滤波电路包括但不限于能够生成在每一周期内均具有上升时间区间呈一定对数函数趋势分布、下降时间区间呈一定的指数函数趋势分布的第一锯齿波的RC滤波电路以及能够生成在每一周期内均为正弦波趋势分布的第一锯齿波的LC滤波电路任意一种滤波电路。

优选的，所述RC滤波电路或者LC滤波电路均采用一阶形式的滤波电路。

进一步的，所述波形截取电路包括二极管，所述二极管与前述一阶RC滤波电路中的电阻元件或者与前述一阶LC滤波电路中的电感元件并联连接，并构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路，以滤除各前述第一锯齿波下降时间区间内波形，生成在每一周期内仅具有呈一定对数函数趋势分布上升时间区间的第二锯齿波。

进一步的，所述RC滤波电路采用可调RC滤波电路；通过调节前述RC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比；所述LC滤波电路采用可调LC滤波电路；通过调节前述LC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比。

进一步的，前述控制电路还具备保护电路，所述保护电路一端与前述功能电路的输出端相连接，另一端接地。

优选的，所述保护电路包括TVS管。

本发明的另一目的是要提供一种基于前述控制电路的开关电源装置，前述装置包括：

前述任意一种电路结构的控制电路。

本发明的另一目的是要提供一种能够减小PWM控制器最小脉宽的控制方法，其特征在于：包括如下步骤

S1、通过滤波电路对PWM控制器输出端所输出的矩形波进行滤波处理，以生成上升时间区间及下降时间区间内波形对应的斜率逐步变化的第一周期性波形，前述滤波电路与PWM控制器输出端相连接；

S2、通过波形截取电路滤除各前述周期性波形结构下降时间区间内波形，生成被滤除前述第一周期性波形下降时间区间内的波形的第二周期性波形，前述形截取电路分别与前述滤波电路、所述PWM控制器输出端相连接并与前述滤波电路相互配合构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路；

S3、对前述第二周期性波形进行放大恢复，并生成脉宽小于PWM控制器输出端所输出的矩形波脉宽的矩形波。

进一步的，所述滤波电路包括但不限于能够生成在每一周期内均具有上升时间区间呈一定对数函数趋势分布、下降时间区间呈一定的指数函数趋势分布的第一锯齿波的RC滤波电路以及能够生成在每一周期内均为正弦波趋势分布的第一锯齿波的LC滤波电路任意一种滤波电路。

优选的，所述RC滤波电路或者LC滤波电路均采用一阶形式的滤波电路。

进一步的，所述波形截取电路包括二极管，所述二极管与前述一阶RC滤波电路中的电阻元件或者与前述一阶LC滤波电路中的电感元件并联连接，并构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路，以滤除各前述第一锯齿波下降时间区间内波形，生成在每一周期内仅具有呈一定对数函数趋势分布上升时间区间的第二锯齿波。

进一步的，所述RC滤波电路采用可调RC滤波电路；通过调节前述RC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比；所述LC滤波电路采用可调LC滤波电路；通过调节前述LC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过简单的电路元件设置了一种能够在保证PWM控制器所输出的矩形波周期不变的情况下，将该矩形波脉宽减小，进而减小其占空比，从而实现占空比从0％起调，以达到增加电源最低电压调节范围的目的，且本发明能够实现对高压电源空载时的稳定控制，大大扩展了高压电源的应用领域。

附图说明

图1为现有技术中KA3525控制器空载低电压下的波形示意图；

图2为本发明所述控制电路的电路连接示意图；

图3a、图3b为脉冲信号占空比原理示意图；

图4为本发明所述控制电路具备一阶形式的RC滤波电路的具体电路示意图；

图5为本发明所述控制电路具备一阶形式的LC滤波电路的具体电路示意图；

图6.1、6.2、6.3、6.4、6.5为本发明所述实施例1对应的各个阶段波形图。

图中：1、PWM控制器U，2、电阻R或者电感L，3、电容C，4、二极管D，5、驱动器M，6、TVS管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

结合图3a、图3b以及占空比概念(占空比是指脉冲信号的通电时间(脉宽t)与通电周期(周期T)之比)可知，因此若在周期不变的情况下，减小脉宽，就可以有效减少占空比。

基于上述设计思路，如图2所示，本发明设计一种能够减小PWM控制器最小脉宽的控制电路，前述控制电路通过对PWM控制器输出端所输出的矩形波进行滤波、截取、再放大的处理过程将PWM控制器输出端所输出的矩形波脉宽减去一个定值，进而达到定差减小占空比的目的，(比如：P初始占空比2％-48％,经过前述控制电路处理后，变为0％-46％，实现定值减少2％)，

前述控制电路输入端与PWM控制器输出端相连接，并设定PWM控制器输出端矩形波对应的脉宽宽度为t₁，周期T，所述控制电路具备：

(1)、滤波电路，其与前述PWM控制器输出端相连接，对PWM控制器输出端所输出的矩形波进行滤波处理以输出上升时间区间及下降时间区间内波形对应的斜率逐步变化(增加或减少)的第一周期性波形；所述滤波电路包括但不限于RC滤波电路或者LC滤波电路中任意一种电路结构。优选采用一阶形式的RC滤波电路或者一阶形式的LC滤波电路；通过滤波处理，改变PWM控制器输出端所输出的矩形波的波形上升时间区间或者下降时间区间的斜率，使得滤波电路所输出的电压波形由矩形波变为上升时间区间、下降时间区间的斜率逐步变化的周期性波形结构，如若采用一阶形式的RC滤波电路，电压波形由矩形波变为在每一周期内均具有上升时间区间呈一定对数函数趋势分布、下降时间区间呈一定的指数函数趋势分布的有尖峰的海浪形状的第一锯齿波；如若采用一阶形式的LC滤波电路，电压波形由矩形波变为在每一周期内均具有正弦波形状的第一锯齿波。

(2)、波形截取电路，其分别与前述滤波电路、所述PWM控制器输出端相连接，并与前述滤波电路相互配合构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路；前述波形截取电路采用二极管，所述二极管与前述一阶RC滤波电路中的电阻元件或者一阶LC滤波电路的电感元件并联连接，并构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路；所述功能电路的作用旨在于使得PWM控制器输出端所输出的电流流出时，仅存在正向经过滤波电路进行滤波处理、反向经过波形截取电路导通的两种可能以将滤波电路所输出的第一锯齿波下降时间区间波形滤除，若依然采用一阶RC滤波电路，且前述波形截取电路采用二极管，则电压波形变成了仅上升时间区间存在波形且为对数函数的第二锯齿波，此时的脉宽依然保持原有宽度t₁，周期依然为T。

(3)驱动电路，与前述功能电路的输出端相连接，对前述功能电路的输出端所输出的波形进行放大恢复，生成脉宽小于PWM控制器输出端所输出的矩形波脉宽的矩形波。前述驱动电路采用驱动放大器，所述驱动放大器存在一个跳变电压u，当输入电压高于跳变电压u时，则其为最大输出(高电平)，当输入电压小于跳变电压u时，则其为零输出(低电平)；以使得前述第二锯齿波上升时间区间波形放大成高电平、下降时间区间波形拉回低电平，恢复为周期依然为T，脉宽为t₂的矩形波，且t₂<t₁，所以t₂/T<t₁/T，因此占空比减小了。

(4)由于PWM控制器在开启和关断过程中会对电路造成冲击，产生杂波，因此需要在电路中添加起到保护电路作用的保护电路，所述保护电路一端与前述功能电路的输出端相连接，另一端接地。优选的，所述保护电路包括瞬态电压抑制器即TVS(TransientVoltageSuppresser)管。

进一步的，为了满足多种类型或者起调点不同的PWM控制器使用需要，滤波电路中的各电子元件可采用可调元件，即RC滤波电路采用可调RC滤波电路；LC滤波电路中电子元件采用可调LC滤波电路；通过调节前述RC滤波电路或者LC滤波电路中的至少一个电子元件，来改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比；若仍以RC滤波电路为例进行说明，通过改变电阻R和或电容C的值，改变前述第二锯齿波上升时间区间的斜率，同时由于驱动电路的跳变电压u一定，因此前述第二锯齿波被放大部分也会随之改变，使得驱动电路所输出的矩形波的脉宽t₃，t₃/T<t₂/T，，调节t₃时间，即可调节占空比t₃/T<t₂/T。

本发明的另一目的是要提供一种基于前述控制电路的开关电源装置，前述装置包括：

前述任意一种电路结构的控制电路；前述控制电路输入端与PWM控制器输出端相连接；驱动电路输出端与开关电源装置的变压器相连接。

下面以RC滤波电路为例对上述方案作以详细说明：

如图4所示电路组成，所述控制电路具备：一阶RC滤波电路、与所述一阶RC滤波电路中的电阻R2并联构成功能电路的二极管D4、驱动器M5以及TVS管6；所述一阶RC滤波电路包括电阻R2以及电容C3；PWM控制器1矩形波输出引脚与电阻R2相连，电阻R2的另一端与电容C3相连，电容C3另一端接地，这样，波形输出引脚发出的矩形波，就会被RC电路变得圆滑；同时，二极管D4与电阻R2并联，且二极管D4的负极端与矩形波输出端相连；在电阻R2与电容C3之间取一点A作为功能电路的输出端，在A点连接驱动器M5，驱动器M5另一端用作输出；且在A点连接TVS管6，该TVS管的另一端接地，用作保护。同时，如图5，本发明所述控制电路具备一阶形式的LC滤波电路原理与具备一阶形式的RC滤波电路原理相似，此处不再赘述。

具体原理为：

1)PWM控制器U，根据***需要发出矩形波，其脉宽时间为t₁，单个周期为T，则占空比为t₁/T。(如图6.1，例如占空比在2％-48％之间，在一个周期T内，单个脉宽也占其周期的2％-48％)

2)矩形波经过一阶RC滤波电路(阻容滤波电路)，矩形波被阻容电路，滤成上升时间区间为对数函数、下降时间区间为指数函数的有尖峰的海浪形状的第一锯齿波，如图6.2。

3)二极管D配合电阻R，PWM控制器M和RC滤波电路发出异形波时，会出现以下现象：电流流出时只经过电阻R；电流回流时只经过二极管D，即二极管D和电阻R能够实现正向滤波，反向直接导通的效果，即波形截取电路可将异形波的下降时间区间截去，形成上升时间区间为对数函数的第二锯齿波，周期不变，且此时的脉宽依然为t₁，如图6.3。

4)在前述第二锯齿波进入驱动器M，所述驱动器M的存在一个跳变电压u，当输入电压高于跳变电压u时，驱动器M最大输出(高电平)，当输入电压小于跳变电压u时，驱动器M为零输出(低电平)；从而前述第二锯齿波上升时间区间放大成高电平、下降时间区间拉回低电平，即重新变为矩形波。但是该矩形波此时的脉宽t₂，已经明显小于PWM控制器U发出矩形波的脉宽t₁，但整个波形周期T未变，所以占空比减小了，即t₂/T<t₁/T，如图6.4。

5)通过改变电阻R，电容C的值，来实现定差减小占空比的目的，即通过改变第二锯齿波上升时间区间的斜率实现，由于驱动器M跳变电压u值一定，因此前述第二锯齿波被放大部分也会增大或者缩小，最终改变功驱动器M的矩形波的脉宽t₃，从而调节占空比t₃/T<t₂/T，如图6.5。

6)保护电路：PWM控制器的开启和关断，会对电路造成冲击，产生杂波，所以在输出端A点连接一个TVS管，该TVS管的另一端接地，起到保护电路的作用。

本发明的另一目的是要提供一种能够减小PWM控制器最小脉宽的控制方法，其特征在于：包括如下步骤

S1、通过滤波电路对PWM控制器输出端所输出的矩形波进行滤波处理，以生成上升时间区间及下降时间区间内波形对应的斜率逐步变化的第一周期性波形，前述滤波电路与PWM控制器输出端相连接；

S2、通过波形截取电路滤除各前述周期性波形结构下降时间区间内波形，生成被滤除前述第一周期性波形下降时间区间内的波形的第二周期性波形，前述形截取电路分别与前述滤波电路、所述PWM控制器输出端相连接并与前述滤波电路相互配合构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路；

S3、对前述第二周期性波形进行放大恢复，并生成脉宽小于PWM控制器输出端所输出的矩形波脉宽的矩形波。

进一步的，所述滤波电路包括但不限于能够生成在每一周期内均具有上升时间区间呈一定对数函数趋势分布、下降时间区间呈一定的指数函数趋势分布的第一锯齿波的RC滤波电路以及能够生成在每一周期内均为正弦波趋势分布的第一锯齿波的LC滤波电路任意一种滤波电路。

优选的，所述RC滤波电路或者LC滤波电路均采用一阶形式的滤波电路。

进一步的，所述波形截取电路包括二极管，所述二极管与前述一阶RC滤波电路中的电阻元件或者与前述一阶LC滤波电路中的电感元件并联连接，并构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路，以滤除各前述第一锯齿波下降时间区间内波形，生成在每一周期内仅具有呈一定对数函数趋势分布上升时间区间的第二锯齿波。

进一步的，所述RC滤波电路采用可调RC滤波电路；通过调节前述RC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比；所述LC滤波电路采用可调LC滤波电路；通过调节前述LC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比。

综上所述，本发明通过滤波、截取、再放大的方式将PWM控制器发出的矩形波脉宽减去一个定值，进而达到定差减小占空比的目的，且通过调节滤波电路中的元件值，改变任意改变占空比减小的定值，电路简单可靠，方便计算，适用于多种PWM驱动器或者控制器，方便用于工程实践(比如：初始占空比2％-48％,经过处理后，变为0％-46％，定值减少了2％)，因此本控制电路适用于全范围占空比调节，即使占空比小于2％，该电路依然有效，可以说本电路可以消除PWM控制器初始的2％占空比起点，从而达到占空比从0％起调的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能够减小PWM控制器最小脉宽的控制电路，前述控制电路输入端与PWM控制器输出端相连接，其特征在于：所述控制电路具备

与前述PWM控制器输出端相连接，对PWM控制器输出端所输出的矩形波进行滤波处理的滤波电路，以输出上升时间区间及下降时间区间内波形对应的斜率逐步变化的第一周期性波形；

分别与前述滤波电路、所述PWM控制器输出端相连接，并与前述滤波电路相互配合构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路的波形截取电路，该功能电路能够输出被滤除前述第一周期性波形下降时间区间内的波形的第二周期性波形；

与前述功能电路的输出端相连接，对前述功能电路的输出端所输出的第二周期性波形进行放大恢复并输出脉宽小于PWM控制器输出端所输出的矩形波脉宽的矩形波的驱动电路。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：

所述滤波电路包括但不限于能够生成在每一周期内均具有上升时间区间呈一定对数函数趋势分布、下降时间区间呈一定的指数函数趋势分布的第一锯齿波的RC滤波电路以及能够生成在每一周期内均为正弦波趋势分布的第一锯齿波的LC滤波电路任意一种滤波电路。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于：

所述RC滤波电路或者LC滤波电路均采用一阶形式的滤波电路。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于：

所述波形截取电路包括二极管，所述二极管与前述一阶RC滤波电路中的电阻元件或者与前述一阶LC滤波电路中的电感元件并联连接，并构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路，以滤除各前述第一锯齿波下降时间区间内波形，生成在每一周期内仅具有呈一定对数函数趋势分布上升时间区间的第二锯齿波。

5.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于：

所述RC滤波电路采用可调RC滤波电路；通过调节前述RC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比；所述LC滤波电路采用可调LC滤波电路；通过调节前述LC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：

前述控制电路还具备保护电路，所述保护电路一端与前述功能电路的输出端相连接，另一端接地。

7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于：

所述保护电路包括TVS管。

8.一种开关电源装置，其特征在于：包括权利要求1-7任意一项权利要求所述的控制电路。

9.一种能够减小PWM控制器最小脉宽的控制方法，其特征在于：包括如下步骤

S1、通过滤波电路对PWM控制器输出端所输出的矩形波进行滤波处理，以生成上升时间区间及下降时间区间内波形对应的斜率逐步变化的第一周期性波形，前述滤波电路与PWM控制器输出端相连接；

S2、通过波形截取电路滤除各前述周期性波形结构下降时间区间内波形，生成被滤除前述第一周期性波形下降时间区间内的波形的第二周期性波形，前述形截取电路分别与前述滤波电路、所述PWM控制器输出端相连接并与前述滤波电路相互配合构成具有正向滤波处理、反向导通的功能电路；

S3、对前述第二周期性波形进行放大恢复，并生成脉宽小于PWM控制器输出端所输出的矩形波脉宽的矩形波。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：

所述RC滤波电路采用可调RC滤波电路；通过调节前述RC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比；所述LC滤波电路采用可调LC滤波电路；通过调节前述LC滤波电路中的至少一个电子元件，以改变前述功能电路的输出端所输出的波形的脉宽进而调节其占空比。