CN109995234A - 采用电容电流反馈的平均电流控制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用电容电流反馈的平均电流控制装置和方法，检测的输出电压与基准电压经电压环误差放大器作用后产生电压环误差信号，该误差信号与检测的电感电流信号经电流环误差放大器作用产生电流环误差信号，该电流环误差信号与检测的电容电流信号经脉冲宽度调制器，产生驱动脉冲信号，再通过驱动电路控制开关装置调节输出电压与输出电流。其特征在于采用电容电流反馈信号作为电流内环控制信号。该发明突出优点是：与传统平均电流型控制相比，本发明提高了开关变换器的电流瞬态响应速度。

Description

采用电容电流反馈的平均电流控制装置和方法
技术领域
本发明涉及开关电源设备技术领域，特别是涉及一种采用电容电流反馈的平均电流控制装置和方法。
背景技术
随着电子产品的不断普及，作为各种电子设备的动力来源，电源是一个十分重要的组成部件。传统线性电源已无法满足高性能电子产品的需求，特别是通讯、微电子、航天等高新科技行业对电源技术的要求越来越高，开关电源因具有体积小、重量轻和效率高等优点，得到了学术界和工程界的很大关注，并且成为电力电子领域中一个最为活跃的分支。然而，随着电子产品的功能越来越强大，其对开关电源的工作性能，尤其是瞬态性能，提出了越来越高的要求。
开关电源主要由开关功率变换器和控制电路两部分组成，其中开关功率变换器利用功率开关器件实现电能的传递和变换，控制电路根据目标要求对控制变量的控制。常见的开关功率变换器拓扑结构有Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、正激变换器、反激变换器等。控制电路能够检测开关功率变换器控制量(如电感电流、输出电压)的变化，并据此产生相应的脉冲信号控制开关功率变换器功率开关器件的工作状态，从而调节传递给负载的能量，实现开关功率变换器的稳定输出。控制电路的结构和工作原理由开关功率变换器所采用的控制方法决定。对于给定的开关变换器拓扑，采用不同的控制方法对***的稳态精度和动态性能等产生不同的影响。对于给定的应用场合，开关功率变换器的拓扑结构往往是固定，因此，控制电路的设计在很大程度上决定着开关电源的工作性能。
传统平均电流控制技术是一种常见的开关变换器控制方法，具有电流控制精度高、抗干扰能力强等优点，并因此被应用于各种电子产品中。然而，传统平均电流控制技术控制开关功率变换器的瞬态性能较差。因此，有必要对传统平均电流控制技术进行改进。
电容电流反馈控制是一种新颖的控制技术，其采用开关变换器的输出电容电流信号作为控制信号，具有固有的负载电流前馈功能，可实现快速的负载响应速度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种采用电容电流反馈的平均电流控制装置和方法，提高了传统平均电流控制技术的瞬态响应速度。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种采用电容电流反馈的平均电流控制装置，包括用于开关电源的功率电路和控制器，其中，
功率电路包括依次连接的输入装置、开关装置、滤波装置和输出装置，输入装置连接到开关装置，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装置；
控制器包括电压检测装置、基准电压、电压环误差放大器、电感电流采样装置、电流环误差放大器、电容电流采样装置、脉冲宽度调制器和驱动电路，电压检测装置输入端连接在输出装置上，电压检测装置的输出端和基准电压分别连接电压环误差放大器的两个输入端；电感电流采样装置输入端和电容电流采样装置输入端连接在滤波装置上，电感电流采样装置的输出端与电压环误差放大器的输出端分别连接电流环误差放大器的两个输入端，电流环误差放大器的输出端和电容电流采样装置的输出端连接脉冲宽度调制器的两个输入端，脉冲宽度调制器的输出端连接驱动电路，经驱动电路后，连接至开关装置，用于控制开关装置的导通与关断，开关装置的输入端连接输入装置。
电压检测装置检测输出电压，与基准电压通过电压环误差放大器进行误差放大，获得电压误差信号；电感电流检测装置检测电感电流，与电压环提供的电压误差信号通过电流环误差放大器进行误差放大，获得电流环误差信号；电流环误差信号与电电容电流检测装置检测的电感电流通过脉冲宽度调制器，产生驱动脉冲信号，驱动脉冲信号通过驱动电路控制主电路工作。
一种采用电容电流反馈的平均电流控制方法，包括上述电路，还包括以下步骤：
当开关电源的输入连接至输入装置的电压Vin时，即开关电源上电时，由电压检测装置检测输出装置的输出电压vo，并将检测到的输出电压vo与基准电压Vref经电压环误差放大器作用产生电压环误差信号vcon_v；同时，电感电流采样装置采集滤波装置的电感电流信号RSiL；检测到的电感电流信号RSiL与电压环误差信号vcon_v经电流环误差放大器作用产生电流环误差信号vcon_i；同时，电容电流采样装置采集滤波装置的电容电流信号RCiC；然后，电流环误差信号vcon_i和电容电流信号RCiC通过脉冲宽度调制器产生驱动脉冲信号，经过驱动电路，控制开关装置的导通和关断。从而调节开关功率变换器的输出电压和输出电流。
当采样电容电流信号小于电流环误差信号时，脉冲宽度调制器输出并保持高电平信号，经过驱动电路，导通功率开关管；反之，脉冲宽度调制器输出并保持低电平信号，关断功率开关管。
本发明的有益效果是：与传统平均电流控制相比，本发明提高了开关功率变换器在电流环误差信号发生突变时的电流瞬态响应速度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
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为本发明实施例和传统平均电流控制的Buck变换器在电流控制信号正跳变时的时域仿真波形图；其中，(a)电流控制信号波形；(b)传统平均电流控制Buck变换器的输电感电流波形；(c)本发明方法控制Buck变换器的电感电流波形。
图4为本发明实施例和传统平均电流控制的Buck变换器在电流控制信号负跳变时的时域仿真波形图；其中，(d)电流控制信号波形；(e)传统平均电流控制Buck变换器的输电感电流波形；(f)本发明方法控制Buck变换器的电感电流波形。
图中：1、输入装置，2、开关装置，3、滤波装置，4、输出装置，5、电压检测装置，6、基准电压，7、电压环误差放大器，8、电感电流采样装置，9、电流环误差放大器，10、电容电流采样装置，11、脉冲宽度调制器，12、驱动电路。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的一种采用电容电流反馈的平均电流控制装置，虚线框外为功率电路，包括：输入装置1、开关装置2、滤波装置3和输出装置4；连接关系：输入装置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的作用后进入输出装置4。
其中，输入装置1是用于提供输入电压的装置，可以采用锂电池或蓄电池等；开关装置2可以采用场效应管、三极管等；滤波装置3可以采用电感和电容组成的低通滤波器或单独电感组成的滤波器；输出装置4可采用功率电阻、超级电容、微处理器或LED等。
虚线框内为控制器，包括：电压检测装置5、基准电压6、电压环误差放大器7、电感电流采样装置8、电流环误差放大器9、电容电流采样装置10、脉冲宽度调制器11和驱动电路12；连接关系：连接在输出4上的电压检测装置5和基准电压6分别连接电压环误差放大器7的两个输入端；连接在滤波装置3上的电感电流采样装置8与电压环误差放大器7的输出端分别连接电流环误差放大器9的两个输入端，电流环误差放大器9的输出端和连接在滤波装置3上的电容电流采样装置10的输出端连接脉冲宽度调制器11，脉冲宽度调制器11的输出端连接驱动电路12，经驱动电路12后，用于控制开关装置2的导通与关断。
其中，电压检测装置5可以采用由运算放大器搭建的电压跟随器；基准电压6可以由辅助电源提供或稳压芯片提供；电压环误差放大器7可以采用由运算放大器搭建的PI补偿器或PID补偿器；电感电流采样装置8和电容电流采样装置10可以采用由运算放大器搭建的差分放大电路实现；电流环误差放大器9可以采用由运算放大器搭建的积分器或PI补偿器；脉冲宽度调制器111可以由比较器、时钟发生器和RS触发器构成；驱动电路12可以采用IR2125或IR2110等驱动芯片。
图2给出了本发明在Buck变换器中的应用，本实施例中输入装置1采用电池作为输入信号，输入电压为Vin的范围可以选10V-20V；采用场效应管S作为开关装置2，优选型号IRF540；采用电感和电容构成的低通滤波器作为滤波装置3；采用功率电阻R作为输出装置4，功率电阻R的范围为0.5Ω-10Ω；采用由运算放大器搭建的电压跟随器作为电压检测装置5；采用稳压芯片提供基准电压6，优选型号78L05；采用由运算放大器搭建的PI补偿器作为电压环误差放大器7；采用由运算放大器搭建的差分放大电路作为电感/电容电流采样装置8和10；采用由运算放大器搭建的积分器作为电流环误差放大器9；采用由比较器、时钟发生器和RS触发器构成的脉冲宽度调制器作为脉冲宽度调制器11；采用集成驱动芯片作为驱动电路12，优选型号IR2125。
其具体的工作过程与原理为：在采样时刻，由电压检测装置将检测到的输出电压vo与基准电压Vref经电压环误差放大器产生电压环误差信号vcon_v。同时，电感电流检测装置将检测到的电感电流信号RSiL与电压环误差信号vcon_v经电流环误差放大器产生电流环误差信号vcon_i，电容电流检测装置采集滤波装置的电容电流信号RCiC。然后，电流环误差信号vcon_i和电容电流信号RCiC通过脉冲宽度调制器进行比较，输出驱动脉冲信号。当采样电容电流信号RCiC小于电流环误差信号vcon_i时，脉冲宽度调制器输出并保持高电平，使功率开关管导通；反之，脉冲宽度调制器输出并保持低电平，使功率开关管关断，从而调节开关功率变换器稳定工作。
图3为采用PSIM软件分别对传统平均电流控制及本发明方法控制的Buck变换器在电流环误差信号正跳变时的仿真波形图，仿真条件：输入电压Vin＝15V、输出电压vo＝Vref＝5V、电感L＝50μH、电容C＝330μF、电容等效串联电阻r＝20mΩ、负载R＝1Ω、电流检测系数RS＝1V/A、开关周期TS＝10μs、锯齿波周期Tsaw＝10μs、锯齿波幅值Vm＝3V。
图3分图(a)、(b)、(c)分别对应电流环误差信号、传统平均电流控制的Buck变换器的电感电流、本发明方法控制的Buck变换器的电感电流。分图(a)、(b)、(c)的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为电流环误差信号电压(V)，(b)和(c)的纵轴为电感电流(A)。图3中，在分图(a)中，在8.5ms时，电流环误差信号从5V跳变至7V；从分图(b)可以看出，传统平均电流控制的Buck变换器电感电流的上冲为2.57A，下冲为1.26A，从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间约为0.188ms；从分图(c)可以看出，本发明方法控制的Buck变换器电感电流的上冲和下冲很小，几乎为零，从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间也很短，几乎可以忽略。由此可以看出，当电流环误差信号发生正跳变时，本发明方法的瞬态响应速度明显优于传统平均电流控制技术。
图4为传统平均电流控制及本发明方法控制的Buck变换器在电流环误差信号负跳变时的仿真波形图。分图(d)、(e)、(f)的横轴均为时间(ms)，(d)的纵轴为电流环误差信号电压(V)、(e)和(f)的纵轴为电感电流(A)。图4中，在分图(a)中，在8.5ms时，电流环误差信号从5V跳变至3V；从分图(b)可以看出，传统平均电流控制的Buck变换器电感电流的下冲为2.218A，上冲为0.67A，从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间约为0.17ms；从分图(c)可以看出，本发明方法控制的Buck变换器电感电流的上冲和下冲很小，几乎为零，从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间也很短，几乎可以忽略。由此可以看出，当电流环误差信号发生负跳变时，本发明方法的瞬态响应速度明显优于传统平均电流控制技术。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种采用电容电流反馈的平均电流控制装置，其特征在于：包括用于开关电源的功率电路和控制器，其中，
功率电路包括依次连接的输入装置、开关装置、滤波装置和输出装置，输入装置连接到开关装置，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装置；
控制器包括电压检测装置、基准电压、电压环误差放大器、电感电流采样装置、电流环误差放大器、电容电流采样装置、脉冲宽度调制器和驱动电路，电压检测装置输入端连接在输出装置上，电压检测装置的输出端和基准电压分别连接电压环误差放大器的两个输入端；电感电流采样装置输入端和电容电流采样装置输入端连接在滤波装置上，电感电流采样装置的输出端与电压环误差放大器的输出端分别连接电流环误差放大器的两个输入端，电流环误差放大器的输出端和电容电流采样装置的输出端连接脉冲宽度调制器的两个输入端，脉冲宽度调制器的输出端连接驱动电路，经驱动电路后，连接至开关装置，用于控制开关装置的导通与关断，开关装置的输入端连接输入装置。
2.一种采用电容电流反馈的平均电流控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
当开关电源的输入连接至输入装置时，即开关电源上电时，电压检测装置检测输出装置的输出电压vo，并将检测到的输出电压vo与基准电压Vref经电压环误差放大器产生电压环误差信号vcon_v；同时，电感电流采样装置采集滤波装置的电感电流信号RSiL；检测到的电感电流信号RSiL与电压环误差信号vcon_v经电流环误差放大器产生电流环误差信号vcon_i；同时，电容电流采样装置采集滤波装置的电容电流信号RCiC；然后，电流环误差信号vcon_i和电容电流信号RCiC通过脉冲宽度调制器产生驱动脉冲信号，经过驱动电路，控制开关装置的导通和关断。
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