CN107769532A - 单电感双输出开关变换器电容电流纹波控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单电感双输出开关变换器电容电流纹波控制方法及装置。电容电流纹波控制器CTR₁检测所述单电感双输出开关变换器输出电压V_oa,并通过检测电路检测电容电流I_c1和电容电流I_c2，产生控制脉冲Vgs₁,用以控制单电感双输出开关变换器中支路开关管S₁的导通与关断；电容电流纹波控制器CTR₂检测所述单电感双输出开关变换器输出电压V_ob，并通过检测电路检测电容电流I_c1和电容电流I_c2，产生控制脉冲Vgs₂,用以控制单电感双输出开关变换器中主开关管S₂的导通与关断。本发明的有益效果在于，单电感双输出开关变换器在负载发生变化时，能快速调节开关管的控制脉冲，输出电压超调量小，调节时间短，变换器的负载瞬态性能较好。

Description

单电感双输出开关变换器电容电流纹波控制方法及装置

技术领域

本发明涉及开关变换器技术领域，特别是一种单电感双输出开关变换器电容电流纹波控制方法及装置。

背景技术

随着智能手机、平板电脑等便携式电子产品的广泛普及，用户对其供电电源的体积、成本及效率的要求越来越高。研究表明，单电感双输出开关变换器能为智能手机、平板电脑等便携式电子产品提供两路独立的供电电源，减少了电感及控制芯片的数量，有效地减小了电源体积，降低了制作成本，提高了转换效率，从而受到学术界和工业界越来越多的关注。

传统的峰值电流控制，其控制思想是：控制电路包括电压外环和电流内环，电压外环将检测的输出电压与基准电压进行比较，得到的误差信号经过误差放大器补偿后作为电流内环的参考电流，电流内环检测的电感电流与参考电流进行比较，比较结果用来控制开关管的关断；时钟信号控制开关管的导通；从而实现对开关变换器输出电压的调节。该方法用于单电感双输出变换器，具有输出支路间交叉影响严重，负载瞬态响应速度慢的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种单电感双输出开关变换器的控制方法及装置，使之同时具有较好的负载瞬态性能和较小的输出交叉影响，并适用于单电感双输出开关变换器的多种拓扑结构。

实现本发明目的的技术方案如下：

单电感双输出开关变换器电容电流纹波控制方法，电容电流纹波控制器CTR₁检测所述单电感双输出开关变换器输出电压V_oa,并通过检测电路检测电容电流I_c1和电容电流I_c2，产生控制脉冲Vgs₁,用以控制单电感双输出开关变换器中支路开关管S₁的导通与关断；电容电流纹波控制器CTR₂检测所述单电感双输出开关变换器输出电压V_ob，并通过检测电路检测电容电流I_c1和电容电流I_c2，产生控制脉冲Vgs₂,用以控制单电感双输出开关变换器中主开关管S₂的导通与关断。

进一步地，所述控制脉冲Vgs₁的生成方法为：输出电压V_oa和电压基准值V_ref1经过误差放大器EAP₁产生放大的误差信号V_c1送入比较器CMP₁的负输入端，电容电流I_c1和电容电流I_c2经过加法器ADD得到总的电容电流I_c送入比较器CMP₁的正输入端；I_c和V_c1的比较结果送入RS触发器TGR₁的R端，控制支路开关管S₁的关断；时钟信号CLK送入RS触发器TGR₁的S端，控制支路开关管S₁的导通；所述控制脉冲Vgs₂的生成方法为：输出电压V_ob和电压基准值V_ref2经过误差放大器EAP₂产生放大的误差信号V_c2送入比较器CMP₂的负输入端，电容电流I_c1和电容电流I_c2经过加法器ADD得到总的电容电流I_c送入比较器CMP₂的正输入端；I_c和V_c2的比较结果送入RS触发器TGR₂的R端，控制主开关管S₂的关断；时钟信号CLK送入RS触发器TGR₂的S端，控制主开关管S₂的导通。

单电感双输出开关变换器电容电流纹波控制装置，包括电容电流纹波控制器CTR₁、电容电流纹波控制器CTR₂和检测电路；所述电容电流纹波控制器CTR₁包括依次相连的电压检测电路VS₁、误差放大器EAP₁、比较器CMP₁、RS触发器TGR₁和驱动电路DR₁；EAP₁还连接基准电压V_ref1，TGR₁还连接时钟信号CLK；所述电容电流纹波控制器CTR₂包括依次相连的电压检测电路VS₂、误差放大器EAP₂、比较器CMP₂、RS触发器TGR₂和驱动电路DR₂；EAP₂还连接基准电压V_ref2，TGR₂还连接时钟信号CLK；所述检测电路包括电容电流检测电路IS₁、电容电流检测电路IS₂和加法器ADD，IS₁和IS₂分别连接到ADD，ADD还分别连接到CMP₁和CMP₂；所述VS₁、VS₂、IS₁、IS₂、DR₁和DR₂分别连接到所述单电感双输出开关变换器。

进一步地，所述单电感双输出开关变换器为Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器或Bipolar变换器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、与现有的峰值电流控制单电感双输出开关变换器相比，本发明的单电感双输出开关变换器在负载发生变化时，能快速调节开关管的控制脉冲，输出电压超调量小，调节时间短，变换器的负载瞬态性能较好。

二、与现有峰值电流控制单电感双输出开关变换器相比，本发明的单电感双输出开关变换器在输出支路负载发生变化时，能有效地减小输出支路间的交叉影响，***稳定性好。

附图说明

图1为本发明的***结构图。

图2为本发明采用Buck变换器时的电路结构框图。

图3为本发明采用Buck变换器时的电感电流和开关器件控制脉冲的波形图。

图4为本发明控制装置的控制时序图。

图5为本发明和峰值电流控制单电感双输出开关变换器分别在输出支路a和b负载变化时的瞬态时域仿真波形。其中，图5a为峰值电流控制单电感双输出开关变换器在输出支路a负载变化时的瞬态响应波形,图5b为本发明在输出支路a负载变化时的瞬态响应波形；图5c为峰值电流控制单电感双输出开关变换器在输出支路b负载变化时的瞬态响应波形,图5d为本发明在输出支路b负载变化时的瞬态响应波形。

具体实施方式

电容电流纹波控制，其基本思想是：控制电路同样包括电压外环和电流内环，电压外环将检测的输出电压与基准电压进行比较，得到的误差信号经过误差放大器补偿后作为电流内环的参考电流，电流内环检测电容电流并与参考电流进行比较，比较结果用来控制开关管的关断；时钟信号控制开关管的导通。电容电流可以直接反映负载电流的变化，当负载电流变化时，控制电路能够快速调节，因此电容电流纹波控制单电感双输出变换器具有输出交叉影响小，负载瞬态性能好的优点。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的一种具体实施方式为：单电感双输出开关变换器电容电流纹波控制方法及其装置，由变换器TD和开关管S₁、S₂的控制装置组成。其控制装置主要由电容电流纹波控制器CTR₁和CTR₂组成。电容电流纹波控制器CTR₁由电压检测电路VS₁、电容电流检测电路IS₁、电容电流检测电路IS₂、加法器ADD、基准电压V_ref1、误差放大器EAP₁、比较器CMP₁、RS触发器TGR₁、驱动电路DR₁、时钟信号CLK组成；电容电流纹波控制器CTR₂由电压检测电路VS₂、电容电流检测电路IS₁、电容电流检测电路IS₂、加法器ADD、基准电压V_ref2、误差放大器EAP₂、比较器CMP₂、RS触发器TGR₂、驱动电路DR₂、时钟信号CLK组成。其中，电压检测电路VS₁、VS₂分别用于获取输出电压V_oa、V_ob，电容电流检测电路IS₁、IS₂分别用于获取电容电流I_c1、I_c2，加法器ADD用于获取总的电容电流，误差放大器EAP₁、EAP₂分别用于获取参考电流V_c1、V_c2，比较器CMP₁、CMP₂分别用于获取RS触发器TGR₁、TGR₂的R端输入信号，时钟信号CLK作为RS触发器TGR₁、TGR₂的S端输入信号，RS触发器TGR₁、TGR₂的Q端输出信号用于得到开关管S₁和S₂的控制信号，经由驱动电路DR₁、DR₂控制开关变换器TD开关管的导通与关断。

本例的变换器TD为Buck变换器，其工作过程和原理是：

控制装置采用电容电流纹波控制的工作过程和原理是：图2示出，在任意一个周期起始时刻，时钟信号CLK使RS触发器TGR₁、TGR₂置位，RS触发器TGR₁、TGR₂的Q端信号通过驱动电路DR₁、DR₂分别控制主开关管S₁和支路开关管S₂的导通。控制电路采样输出电压V_oa和电容电流I_c1、I_c2；输出电压V_oa与基准电压V_ref1的比较结果通过误差放大器EAP₁后得到参考电流V_c1；电容电流I_c1、I_c2通过加法器ADD得到总的电容电流I_c；I_c与V_c1通过比较器CMP₁比较得到RS触发器TGR₁的R端输入信号，生成支路开关管S₁的关断信号连接至驱动电路DR₁的输入端，DR₁的输出端连接至支路开关管S₁的门极控制端,控制开关管S₁的关断。控制电路采样输出电压V_ob和电容电流I_c1、I_c2；输出电压V_ob与基准电压V_ref2的比较结果通过误差放大器EAP₂后得到参考电流V_c2；电容电流I_c1、I_c2通过加法器ADD得到总的电容电流I_c；I_c与V_c2通过比较器CMP₂比较得到RS触发器TGR₂的R端输入信号，生成主开关管S₂的关断信号连接至驱动电路DR₂的输入端，DR₂的输出端连接至主开关管S₂的门极控制端,控制开关管S₂的关断。

图3所示为图2电路工作于电感电流连续导电模式的工作时序和电感电流波形图。在d₁T_s时间内，S₁和S₂导通，D₁和D₂关断，电感电流通过输出支路a以充电斜率(V_in-V_oa)/L上升。在(d₂-d₁)T_s时间内，S₂和D₂导通，S₁和D₁关断，电感电流通过输出支路b以充电斜率(V_in-V_ob)/L继续上升。在(1-d₂)T_s时间内，D₁和D₂导通，S₁和S₂关断，电感电流通过输出支路b以放电斜率-V_ob/L下降，直至电路进入下一个开关周期。

图4所示为控制装置的控制时序图。在每个开关周期的起始时刻，时钟信号CLK使触发器RS-trigger1、RS-trigger2置位，控制信号d₁、d₂为高电平，开关管S₁、S₂导通，二极管D₂关断；电容电流I_C线性上升。当电容电流I_C上升至误差电压V_c1时，控制信号d₁为低电平，开关管S₁关断，二极管D₂导通，开关管S₂保持导通，电容电流I_C继续线性上升。当电容电流I_C上升至误差电压V_c2时，控制信号d₂为低电平，开关管S₂关断，开关管S₁保持关断，二极管D₂保持导通，电容电流I_C线性下降。

用PSIM仿真软件对本发明的方法进行时域仿真分析，结果如下。

图5为采用峰值电流控制和本发明实施于单电感双输出Buck变换器在输出支路负载突变时输出电压和输出电流的时域仿真波形图，图5a、图5b分别对应峰值电流控制和电容电流纹波控制单电感双输出Buck变换器输出支路a负载变化时输出电压和输出电流的时域仿真波形，图5c、图5d分别对应峰值电流控制和电容电流纹波控制单电感双输出Buck变换器输出支路b负载变化时输出电压和输出电流的时域仿真波形。图5a、图5b中，峰值电流控制单电感双输出Buck变换器和电容电流纹波控制单电感双输出Buck变换器输出支路a的输出电流I_oa从60mA突变到90mA，输出支路b的输出电流I_ob为3.3A时，峰值电流控制单电感双输出Buck变换器输出支路a的输出电压V_oa经过约3ms后进入新的稳态，超调量为80mV，输出支路a对输出支路b的交叉影响为100mV；而采用本发明的电容电流纹波控制单电感双输出Buck开关变换器进入新的稳态的调整时间约为2ms，超调量为40mV，输出支路a对输出支路b的交叉影响很小。图5c、图5d中，峰值电流控制单电感双输出Buck变换器和电容电流纹波控制单电感双输出Buck变换器输出支路b的输出电流I_ob从3.3A突变到3.6A，输出支路b的输出电流I_ob为60mA时，峰值电流控制单电感双输出Buck变换器输出支路a的输出电压V_oa经过约3ms后进入新的稳态，超调量为90mV，输出支路b对输出支路a的交叉影响为50mV；而采用本发明的电容电流纹波控制单电感双输出Buck变换器几乎没有调节过程便进入新的稳态，输出支路b对输出支路a的交叉影响极小。可见本发明的开关变换器输出电压瞬态超调量小，调节时间短，负载瞬态性能好,且输出支路间的交叉影响小。图4的仿真条件为输入电压V_in＝10V，电压基准值V_ref1＝1.8V、V_ref2＝3.3V，电感L＝100μH，电容C₁＝470μF、C₂＝220μF，负载电阻R_a＝3Ω、R_b＝1Ω。

本发明中，变换器TD也可以为Boost变换器、Buck-Boost变换器或Bipolar变换器。

Claims (4)

1.单电感双输出开关变换器电容电流纹波控制方法，其特征在于，

电容电流纹波控制器CTR₁检测所述单电感双输出开关变换器输出电压V_oa,并通过检测电路检测电容电流I_c1和电容电流I_c2，产生控制脉冲Vgs₁,用以控制单电感双输出开关变换器中支路开关管S₁的导通与关断；

电容电流纹波控制器CTR₂检测所述单电感双输出开关变换器输出电压V_ob，并通过检测电路检测电容电流I_c1和电容电流I_c2，产生控制脉冲Vgs₂,用以控制单电感双输出开关变换器中主开关管S₂的导通与关断。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述控制脉冲Vgs₁的生成方法为：输出电压V_oa和电压基准值V_ref1经过误差放大器EAP₁产生放大的误差信号V_c1送入比较器CMP₁的负输入端，电容电流I_c1和电容电流I_c2经过加法器ADD得到总的电容电流I_c送入比较器CMP₁的正输入端；I_c和V_c1的比较结果送入RS触发器TGR₁的R端，控制支路开关管S₁的关断；时钟信号CLK送入RS触发器TGR₁的S端，控制支路开关管S₁的导通；所述控制脉冲Vgs₂的生成方法为：输出电压V_ob和电压基准值V_ref2经过误差放大器EAP₂产生放大的误差信号V_c2送入比较器CMP₂的负输入端，电容电流I_c1和电容电流I_c2经过加法器ADD得到总的电容电流I_c送入比较器CMP₂的正输入端；I_c和V_c2的比较结果送入RS触发器TGR₂的R端，控制主开关管S₂的关断；时钟信号CLK送入RS触发器TGR₂的S端，控制主开关管S₂的导通。

3.单电感双输出开关变换器电容电流纹波控制装置，其特征在于：包括电容电流纹波控制器CTR₁、电容电流纹波控制器CTR₂和检测电路；

所述电容电流纹波控制器CTR₁包括依次相连的电压检测电路VS₁、误差放大器EAP₁、比较器CMP₁、RS触发器TGR₁和驱动电路DR₁；EAP₁还连接基准电压V_ref1，TGR₁还连接时钟信号CLK；

所述电容电流纹波控制器CTR₂包括依次相连的电压检测电路VS₂、误差放大器EAP₂、比较器CMP₂、RS触发器TGR₂和驱动电路DR₂；EAP₂还连接基准电压V_ref2，TGR₂还连接时钟信号CLK；

所述检测电路包括电容电流检测电路IS₁、电容电流检测电路IS₂和加法器ADD，IS₁和IS₂分别连接到ADD，ADD还分别连接到CMP₁和CMP₂；

所述VS₁、VS₂、IS₁、IS₂、DR₁和DR₂分别连接到所述单电感双输出开关变换器。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述单电感双输出开关变换器为Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器或Bipolar变换器。