CN111431388B - 一种可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置,包括功率电路和控制器,其通过在传统变频纹波控制的控制电路中增加比较器和或门,由采样的电容电流达到阈值电流所产生的信号与导通/关断定时器产生的信号经过或门得到RS触发器的一路控制信号;采样电容电流与输出电压叠加后与电压外环提供的控制信号通过比较器比较作为RS触发器的另一路控制信号,然后通过驱动电路控制开关装置的功率开关管,调节开关装置的输出电压。本发明在传统变频纹波控制的控制电路中增加第二比较器和或门,当负载跳变发生在固定导通时间内或固定关断时间内,可使导通/关断定时器立即失效,并对负载跳变做出响应,从而提高开关变换器的瞬态性能。

Description

一种可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域,尤其是一种可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置。
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进行控制。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。
变频纹波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,其具有的多条控制回路可以提高开关变换器的瞬态响应,因此被应用于各种工程中。但是,传统变频纹波控制技术在负载跳变发生在固定导通时间内或固定关断时间内,开关变换器不能立即响应且会产生较大的输出电压冲量。因此,有必要对传统变频纹波控制技术进行改进,提高其瞬态性能以适应一些要求更高的场合。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:为了克服现有技术中之不足,本发明提供一种可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置,以便对负载跳变作出快速响应而提高传统变频纹波控制的瞬态性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置,包括功率电路和控制器,所述的功率电路具有输入、开关装置、滤波装置和输出,输入经开关装置传输到滤波装置并由滤波装置滤波处理后进入输出,所述的控制器具有:分别与输出连接的电压检测装置和基准电压、与滤波装置连接的电容电流采样装置、分别与电压检测装置和基准电压连接的电压外环误差放大器、与开关装置连接的驱动电路以及阈值电流,还具有第二比较器和或门,第二比较器的两个输入端分别与电容电流采样装置、阈值电流连接,或门的一个输入端连接有导通/关断定时器,或门的另一个输入端与第二比较器的输出端连接,或门的输出端连接有RS触发器,RS触发器的输出端与驱动电路输入端连接。
优选地,所述的开关装置采用开关管S,滤波装置为采用电感和电容组成的低通滤波器,输出装置采用功率电阻R,功率电阻R的范围为0.5Ω~10Ω。
进一步地,所述的电压检测装置采用由运算放大器搭建的电压跟随器,基准电压采用稳压芯片提供,电压外环误差放大器采用运算放大器、电容和电阻搭建的PI补偿器,电容电流采样装置采用由运算放大器搭建的差分放大电路,所述的导通/关断定时器和RS触发器构成变频控制器,驱动电路采用集成驱动芯片。
本发明的有益效果是:本发明通过在传统变频纹波控制的控制电路中增加第二比较器和或门,当负载跳变发生在固定导通时间内或固定关断时间内时,可使导通/关断定时器立即失效,并对负载跳变做出快速响应,从而提高了开关变换器的瞬态性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的电路结构原理图。
图3是本发明负载跳变发生在固定导通时间内输出电压的时域仿真波形图。
图4是本发明负载跳变发生在固定关断时间内输出电压的时域仿真波形图。
图1中:1.输入,2.开关装置,3.滤波装置,4.输出,5.电压检测装置,6.基准电压,7.电压外环误差放大器,8.电容电流采样装置,9.阈值电流,10.第二比较器,11.第一比较器,12.或门,13.导通/关断定时器,14.RS触发器,15.驱动电路。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图,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,一种可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置,包括功率电路和控制器。
图1中,虚线框外为功率电路,其包括:输入1、开关装置2、滤波装置3和输出4,输入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,再经过滤波装置3的滤波作用后进入输出4。
虚线框内为控制器,其包括:电压检测装置5、基准电压6、电压外环误差放大器7、电容电流采样装置8、阈值电流9、第二比较器10、第一比较器11、或门12、导通/关断定时器13、RS触发器14及驱动电路15。
电压检测装置5和基准电压6分别与输出4连接,电压检测装置5和基准电压6的输出端各自连接至电压外环误差放大器7的两个输入端;电容电流采样装置8输入端与滤波装置3输出端连接,电容电流采样装置8与电压外环误差放大器7的输出端各自连接至第一比较器11的两个输入端,第一比较器11的输出端连接RS触发器14的一个输入端;同时,电容电流采样装置8与阈值电流9通过第二比较器10连接到或门12的一个输入端,或门12的另一个输入端与导通/关断定时器13相连;或门12的输出端与RS触发器14的另一个输入端相连;RS触发器14的Q输出端连接驱动电路15,驱动电路15输出端连接开关装置2用于控制开关装置2的导通与关断。
图2给出了本发明改进后的Buck变换器的电路结构原理图,其中,图2(a)为本发明控制固定导通时间Buck变换器的电路结构示意图;图2(b)为本发明控制固定关断时间Buck变换器的电路结构示意图。
以图2(a)为例说明,虚线框部分就是相比于固定导通时间控制Buck变换器的改进方案。输入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的范围可选范围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;所述滤波装置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。
所述的电压检测装置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;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,采用运算放大器、电容和电阻搭建的PI补偿器作为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容电流采样装置8;第二比较器10和第一比较器11均采用芯片LM319;变频控制器是由导通/关断定时器13和RS触发器14两部分构成,其中,导通/关断定时器13采用开关电源中常用的定时电路;RS触发器14采用四路二输入或非门,优选型号74HC02;驱动电路15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15,优选型号IR2125。
当采样的电容电流达到阈值电流9所产生的信号与导通/关断定时器13产生的信号经过或门12得到RS触发器14的一路控制信号;采样电容电流采样装置8与输出电压叠加后与电压外环误差放大器7提供的控制信号通过比较器比较作为RS触发器14的另一路控制信号,然后通过驱动电路15控制开关装置2的开关管S,调节开关装置2的输出电压。
仿真结果分析:
图3为采用PSIM软件分别对传统固定导通时间及本发明改进后的Buck变换器在负载发生跳变时输出电压的时域仿真波形图,仿真参数:输入电压Vin=12V、输出电压Vo=Vref=5V、电感L=10μH、电容C=94μF、电容等效串联电阻r=0.5mΩ、负载R=1Ω、固定导通时间TON=2.5μs。
图3(c)、图3(d)、图3(e)分别对应输出电流信号、传统固定导通时间Buck变换器的输出电压、本发明方法改进后的Buck变换器的输出电压。图3(c)、图3(d)、图3(e)的横轴均为时间(ms),图3(c)的纵轴为输出电流信号(A)、图3(d)和图3(e)的纵轴为输出电压(V)。图3(c)中,在6.03ms时,负载由重载状态(5A)改变到轻载状态(2A);从图3(d)可以看出,传统固定导通时间Buck变换器输出电压的上冲量为0.2V,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;从图3(e)可以看出,本发明方法改进后的Buck变换器输出电压的上冲量很小,仅为0.05V,从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间很短,仅为0.04ms。
图4为传统固定关断时间及本发明改进后的Buck变换器在负载发生跳变时输出电压的时域仿真波形图,其中,固定关断时间TOFF=2.5μs,其余仿真参数与图3的仿真参数一致。图4(f)、图4(g)、图4(h)的横轴均为时间(ms)、图4(f)的纵轴为输出电流信号(A)、图4(g)和图4(h)的纵轴为输出电压(V)。图4(f)中,在6.03ms时,负载由轻载状态(5A)改变到重载状态(8A);从图4(g)可以看出,传统固定关断时间Buck变换器输出电压的下冲量为0.16V,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;从图4(h)可以看出,本发明方法改进后的Buck变换器输出电压的冲量很小,仅为0.05V,从原来的稳态进入到新的稳态所需要的恢复时间为0.1ms。
由图3和图4的仿真分析,可以明显看出本发明改进后的Buck变换器的瞬态性能明显优于传统变频纹波控制Buck变换器。
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,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性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 (3)

1.一种可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置,包括功率电路和控制器,所述的功率电路具有输入、开关装置、滤波装置和输出,输入经开关装置传输到滤波装置并由滤波装置滤波处理后进入输出,所述的控制器具有:分别与输出连接的电压检测装置和基准电压、与滤波装置连接的电容电流采样装置、分别与电压检测装置和基准电压连接的电压外环误差放大器、与开关装置连接的驱动电路以及阈值电流,其特征是:还具有第二比较器和或门,第二比较器的两个输入端分别与电容电流采样装置、阈值电流连接,或门的一个输入端连接有导通/关断定时器,或门的另一个输入端与第二比较器的输出端连接,或门的输出端连接RS触发器的一个输入端,基准电压和电压检测装置的输出端与电压外环误差放大器的输入端连接,电压外环误差放大器的输出端与第一比较器的输入端连接,第一比较器的输出端与RS触发器另一输入端连接,RS触发器的输出端与驱动电路输入端连接;第二比较器和或门的作用是当负载跳变发生在固定导通时间内或固定关断时间内,使导通/关断定时器立即失效,并对负载跳变做出快速响应,提高开关变换器的瞬态性能。
2.如权利要求1所述的可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置,其特征是:所述的开关装置采用开关管S,滤波装置为采用电感和电容组成的低通滤波器,输出装置采用功率电阻R,功率电阻R的范围为0.5Ω~10Ω。
3.如权利要求1所述的可提高变频纹波控制瞬态性能的控制装置,其特征是:所述的电压检测装置采用由运算放大器搭建的电压跟随器,基准电压采用稳压芯片提供,电压外环误差放大器采用运算放大器、电容和电阻搭建的PI补偿器,电容电流采样装置采用由运算放大器搭建的差分放大电路,所述的导通/关断定时器和RS触发器构成变频控制器,驱动电路采用集成驱动芯片。
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Assignee: Changzhou Ruixinteng Microelectronics Co.,Ltd.

Assignor: CHANGZHOU University

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Denomination of invention: A control device that can improve the transient performance of variable frequency ripple control

Granted publication date: 20220520

License type: Common License

Record date: 20231227

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