CN110739845B - 一种改进变频电流型控制瞬态性能的开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改进变频电流型控制瞬态性能的开关变换器，检测输出电压信号与基准电压信号经有源积分电压外环误差放大器产生电压环误差信号，再取此电压环误差信号与开关变换器的电容电流通过比较器比较得RS触发器的一路控制信号，RS触发器的另一路控制信号由固定导通时间的定时器提供，通过控制驱动电路，控制开关变换器的功率开关管，调节开关变换器的输出电压和输出电流。其控制思想在于，利用有源积分电路替换传统比例积分(PI)中的无源积分电容作为变频电流型控制技术的电压外环，解决了传统线性补偿网络对变频电流型控制技术动态响应速度的限制，从而提高负载的瞬态响应速度。

Description

一种改进变频电流型控制瞬态性能的开关变换器
技术领域
本发明涉及开关电源设备技术领域，尤其是涉及一种改进变频电流型控制瞬态性能的开关变换器。
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。
传统的变频电流型控制技术是一种应用广泛、研究深入的开关变换器控制方式，易于实现过电流保护以及多个开关变换器并联的均流等优点，并因此被应用于各种电子产品中。此外，与传统的电压型控制相比，电流型控制虽具有更好的瞬态性能，但无法适应一些要求更高的场合。因此，有必要对传统的变频电流型控制技术进行改进。
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，本发明提供一种改进变频电流型控制瞬态性能的开关变换器，具有有源积分电压外环的新型变频电流型控制技术的控制思想是：利用有源积分电路替换传统比例积分(PI)中的无源积分电容作为变频电流型控制技术的电压外环，解决了传统线性补偿网络对变频电流型控制技术动态响应速度的限制，从而提高负载的瞬态响应速度。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种改进变频电流型控制瞬态性能的开关变换器，包括用于开关电源的功率电路和控制器，其中，功率电路包括开关功率变换器；控制器包括电压检测装置、基准电压、有源积分电压外环误差放大器、电感电流采样装置、比较器、RS触发器、导通定时器和驱动电路，电压检测装置检测开关功率变换器的输出电压信号，检测的输出电压信号与基准电压信号经有源积分电压外环误差放大器产生电压环误差信号，电压环误差信号与电感电流采样装置采集的开关功率变换器的电容电流通过比较器比较，比较器输出作为RS触发器的一路控制信号，导通定时器为RS触发器提供另一路控制信号，RS触发器通过驱动电路控制开关功率变换器的功率开关管，调节开关变换器的输出电压和输出电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：提高了开关变换器负载的瞬态响应性能。利用有源积分电路替换传统比例积分(PI)中的无源积分电容作为变频电流型控制技术的电压外环，解决了传统线性补偿网络对变频电流型控制技术动态响应速度的限制，从而提高负载的瞬态响应速度。
附图说明
下面结合附图和实施例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为本发明实施例和传统的变频电流型控制Buck变换器在输出电流发生跳变时的时域仿真波形图；其中，(a)输出电流波形；(b)传统的变频电流型控制Buck变换器的输出电压波形；(c)本发明方法控制Buck变换器的输出电压波形。
图4为本发明实施例和传统的变频电流型控制Buck变换器在输出电流负跳变时的时域仿真波形图；其中，(a)输出电流波形；(b)传统的变频电流型控制Buck变换器的输出电压波形；(c)本发明方法控制Buck变换器的输出电压波形。
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、有源积分电压外环误差放大器，8、电感电流采样装置，9、比较器，10、RS触发器，11、导通定时器，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，本发明的一种改进变频电流型控制瞬态性能的开关变换器，包括用于开关变换器的功率电路和控制器。图中，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。虚线框内为控制器，包括：电压检测装置5、基准电压6、有源积分电压外环误差放大器7、电感电流采样装置8、比较器9、RS触发器10、导通定时器11和驱动电路12；连接关系：连接在输出装置4上的电压检测装置5和基准电压6分别连接有源积分电压外环误差放大器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与有源积分电压外环误差放大器7的输出端分别连接比较器9的两个输入端，比较器9的输出端连接RS触发器10的一个输入端，RS触发器10的另一个输入端与导通定时器11连接；RS触发器10的Q输出端连接驱动电路12，驱动电路12用于控制开关装置2的导通与关断。优选导通定时器11的导通时间为固定导通时间。
图2给出了本发明实施例的电路结构示意图，其中，输入装置1是用于提供输入电压的装置，采用电池作为输入信号，输入电压为Vin的范围可以选10V-20V，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，本实施例中采用开关管S作为开关装置2，优选型号IRF540；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，本实施例中采用电感和电容组成的低通滤波器作为滤波装置3；输出装置4可采用功率电阻、超级电容、微处理器或LED等，本实施例中采用功率电阻R作为输出装置4，功率电阻R的范围为0.5Ω-10Ω；电压检测装置5用于检测输出电压，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；基准电压6可以由辅助电源提供或稳压芯片提供，本实施例中采用稳压芯片提供基准电压6，优选型号78L05；有源积分电压外环误差放大器7用于改善输出电压信号，提高稳定性和瞬态性能，本实施例中采用两个运算放大器、电容CM1以及电阻RM1、RM2和Rin搭建的积分补偿器作为有源积分电压外环误差放大器7；采用由运算放大器搭建的差分放大电路作为电感电流采样装置8；比较器9采用芯片LM319；变频控制器是由导通定时器11和RS触发器10两部分构成，其中，导通定时器11采用开关电源中常用的定时电路；RS触发器10采用4路2输入或非门，优选型号74HC02；驱动电路12可以采用IR2125或IR2110等驱动芯片，本实施例中采用集成驱动芯片作为驱动电路12，优选型号IR2125。
当开关管S导通时，电感电流采样信号RsiL开始上升。经过固定导通时间TON后，导通定时器11关断，RsiL开始下降。在采样时刻，由电压检测装置5将检测到的输出电压vo与基准电压Vref经有源积分电压外环误差放大器7产生控制信号vcon。当电流采样信号RsiL下降到控制信号vcon时，比较器9输出高电平，置位RS触发器10，RS触发器10的Q端输出高电平，使开关管S再次导通，并进入到下一个开关周期。
仿真结果分析：
图3为采用PSIM软件分别对传统的变频电流型控制及本发明方法控制的Buck变换器在输出电流发生跳变时的时域仿真波形图，仿真条件：输入电压Vin＝12V、输出电压vo＝Vref＝5V、电感L＝50μH、电容C＝470μF、电容等效串联电阻r＝15mΩ、负载R＝4Ω、电流检测系数Rs＝1V/A、固定导通时间TON＝2.5μs。
图3分图(a)、(b)、(c)分别对应输出电流信号、传统的变频电流型控制Buck变换器的输出电压、本发明方法控制Buck变换器的输出电压。分图(a)、(b)、(c)的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为输出电流信号(A)、(b)和(c)的纵轴为输出电压(V)。图3中，在分图(a)中，在14.5ms时，输出电流信号从1.25V跳变至3.25V；从分图(b)可以看出，传统的变频电流型控制Buck变换器输出电压的冲量为0.085V，从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间约为0.25ms；从分图(c)可以看出，本发明方法控制的Buck变换器的冲量很小，为0.043V，从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间很短，几乎可以忽略。由此可以看出，当输出电流信号发生正跳变时，本发明方法的瞬态性能明显优于传统的变频电流型控制技术。
图4为对传统的变频电流型控制及本发明方法控制的Buck变换器在输出电流负跳变时的时域仿真波形图。分图(a)、(b)、(c)的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为输出电流信号(A)、(b)和(c)的纵轴为输出电压(V)。图4中，在分图(a)中，在14.5ms时，输出电流信号从1.25V跳变至0.25V；从分图(b)可以看出，传统的变频电流型控制Buck变换器输出电压的冲量为0.044V，从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间约为0.29ms；从分图(c)可以看出，本发明方法控制的Buck变换器的冲量很小，为0.014V，从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间很短，几乎可以忽略。由此可以看出，当输出电流信号发生负跳变时，本发明方法的瞬态性能明显优于传统的变频电流型控制技术。
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 (1)

1.一种改进变频电流型控制瞬态性能的开关变换器，其特征在于：包括用于开关电源的功率电路和控制器，其中，功率电路包括开关功率变换器；控制器包括电压检测装置、基准电压、有源积分电压外环误差放大器、电感电流采样装置、比较器、RS触发器、导通定时器和驱动电路，所述的有源积分电压外环误差放大器包括两个运算放大器、电容CM1以及电阻RM1、RM2和Rin，其中电阻Rin的一端连接输出电压信号，另一端连接RM1的一端和第一运算放大器的负输入端，第一运算放大器的正输入端接参考信号Vref，电阻RM1的另一端连接第二运算放大器的负输入端和电容CM1的一端，第二运算放大器的正输入端接地，电容CM1的另一端接第二运算放大器的输出端和电阻RM2的一端，RM2的另一端接第一运算放大器的输出端，第一运算放大器的输出端产生电压环误差信号，电压检测装置检测开关功率变换器的输出电压信号，检测的输出电压信号与基准电压信号经有源积分电压外环误差放大器产生电压环误差信号，电压环误差信号与电感电流采样装置采集的开关功率变换器的电容电流通过比较器比较，比较器输出作为RS触发器的一路控制信号，导通定时器为RS触发器提供另一路控制信号，RS触发器通过驱动电路控制开关功率变换器的功率开关管，调节开关变换器的输出电压和输出电流。
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Assignee: Changzhou Ruixinteng Microelectronics Co.,Ltd.

Assignor: CHANGZHOU University

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Denomination of invention: A Switching Converter for Improving Transient Performance of Variable Frequency Current Mode Control

Granted publication date: 20210129

License type: Common License

Record date: 20231227

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