CN203352442U

CN203352442U - 动态调节开关变换器定频恒定通断时间控制装置

Info

Publication number: CN203352442U
Application number: CN 201320388198
Authority: CN
Inventors: 许建平; 徐杨军; 何圣仲; 王金平; 陈利
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2023-07-02

Abstract

本实用新型公开了一种动态调节开关变换器定频恒定通断时间控制装置，根据输出电压与输出参考电压比较产生比较信号，与通断定时器产生的定时信号一起控制RS触发器，再由RS触发器产生控制信号，以实现对开关变换器的控制，设置的通断定时器是受输入电压和输出参考电压控制，因而恒定通断定时器通断时间自动跟随输入电压、输出参考电压变化时，保持开关频率恒定。本实用新型突出优点是具有快速的瞬态响应速度，良好的稳态性能且开关频率不因输入电压、输出参考电压、负载电流变化而变化。

Description

动态调节开关变换器定频恒定通断时间控制装置

技术领域

本实用新型涉及开关电源设备，尤其是动态电压调节开关变换器的定频恒定通断时间控制技术及其实现装置。

背景技术

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。开关电源由于具有体积小、效率高和重量轻的优点，已经在多个领域取代了线性电源，开关电源技术已经成为电力电子领域一个最为活跃的分支，并引起了电源技术研究人员的高度重视。随着科学技术日新月异的发展，电子产品的功能越来越强大，其对电源的需求也越来越高。在保证电子产品性能和功能的前提下，为了降低电子产品的功率消耗，需要根据电子产品的工作模态动态调节其工作电压。

开关电源主要由开关变换器和控制装置两部分组成。变换器又称为功率电路，主要包括起开关作用的开关装置，变压器装置和整流滤波电路。常见的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。控制器能够检测功率变换器输入或输出电压的变化，并据此产生相应开关信号控制功率变换器开关装置的工作状态，从而调节传递给负载的能量以稳定开关变换器的输出。控制器的结构和工作原理由开关变换器所采用的控制方法决定。对于某一变换器拓扑，采用不同的控制方法会对***稳态精度和动态性能等方面产生影响，所以控制方法显得日益重要。

传统脉冲宽度调制（PWM）技术是一种常见的开关变换器控制方法，其思想是：用误差放大器对开关变换器的输出电压与基准电压进行比较后获得误差放大信号，再与固定频率的锯齿波信号进行比较获得脉冲宽调制信号，经过驱动电路控制功率电路开关管的导通、关断，从而调整输出电压。这种控制的优点是频率恒定，便于输出滤波器的设计；但是当输入电压波动，或者负载电流突变，或者参考电压突变，由于误差放大器的存在，误差信号变化相对缓慢，因而脉冲宽度的变化也较为缓慢，这使得开关变换器的瞬态响应速度较慢。

传统的脉冲频率调制（PFM）技术是另外一种常见的开关变换器调制方法，包括恒定导通时间（COT）控制和恒定关断时间(CFT)控制，通过改变脉冲频率来改变驱动信号，控制功率电路开关管的导通、关断，从而调整输出电压。这种控制的优点是没有误差放大器，其瞬态响应速度相对较快；但是这种控制在输入电压、输出参考电压发生改变时，开关频率会发生较大变化，从而很难设计输出滤波器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种动态电压调节开关变换器的控制装置——定频恒定通断时间控制。本控制技术综合PWM和PFM控制方法的优点，采用该控制技术时，开关频率恒定，不需要误差放大器及其补偿网络，瞬态响应速度快。

本实用新型为解决其技术问题，所采用的技术方案为：

一种动态调节开关变换器定频恒定通断时间控制装置，由输入电压检测装置、输出电压检测装置、输出参考电压检测装置、比较器、触发器、通断定时器，以及驱动电路组成；其特征在于，输出电压检测装置、比较器、RS触发器一个输入端顺序连接；输入电压检测装置输出端、输出参考电压检测装置输出端及RS触发器一个输出端与通断定时器输入端相连，通断定时器输出端与RS触发器另一个输入端相连；RS触发器另一输出端与驱动电路顺序连接。

采用本实用新型的结构，通断定时器根据输入电压和输出参考电压产生定时信号，与由输出电压与输出参考电压比较产生的比较信号共同作用于RS触发器，产生驱动信号，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。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、与传统电压型PWM控制相比，控制器没有误差放大器及其补偿网络，控制环路设计简单，输出参考电压突变时，本实用新型具有更快地瞬态响应速度。

二、与传统电压型PWM控制相比，输入电压、负载电流突变时，本实用新型具有更快地瞬态响应速度，更小的电压超调量和更小的电压跌落量和更好的稳态性能。

三、与传统电压型COT控制相比，输出参考电压减小时，本实用新型具有更小的输出电压纹波和更快瞬态响应速度，且开关频率与输出参考电压无关。

四、与传统电压型COT控制相比，输入电压增加时，本实用新型具有更小的输出电压纹波，开关频率不受输入电压波动的影响。

在实际实施中,采用本实用新型,依对通断定时器的不同设置,可选用恒定导通时间模式(方案1)和恒定关断时间模式(方案2),其相应的输入信号为输入电压与输出参考电压的相应组合，主电路为Buck变换器时恒定导通时间模式与恒定关断时间模式相应的电路结构图分别为图2和图10,对比该二图可看到:通断定时器内部电路结构基本一致，区别在于通断定时器的输入信号；图2所示的恒定导通时间控制Buck变换器的电流受控源输入的信号为输入电压，电压受控源输入的信号为输出参考电压；图10所示的恒定关断时间控制Buck变换器的电流受控源输入的信号为输入电压，电压受控源输入的信号为输入电压与输出电压之差。

图1为本实用新型控制***实现装置结构框图。

图2为本实用新型实施例一采用技术方案①的电路结构示意图。

图3为本实用新型实施例一输出稳态电压仿真波形图。

图4为本实用新型实施例一和传统电压型COT控制具有相同主电路参数的Buck变换器在输入电压波动时瞬态响应仿真波形图。

图5为本实用新型实施例一和传统电压型PWM控制具有相同主电路参数的Buck变换器在输入电压波动时瞬态响应仿真波形图。

图6为本实用新型实施例一和传统电压型COT控制具有相同主电路参数的Buck变换器在输出参考电压突变时瞬态响应仿真波形图。

图7为本实用新型实施例一和传统电压型PWM控制具有相同主电路参数的Buck变换器在输出参考电压突变时瞬态响应仿真波形图。

图8为为本实用新型实施例一和传统电压型COT控制具有相同主电路参数的Buck变换器在负载电流突变时瞬态响应仿真波形图。

图9为为本实用新型实施例一和传统电压型PWM控制具有相同主电路参数的Buck变换器在负载电流突变时瞬态响应仿真波形图。

图10为本实用新型的控制***实施例一采用技术方案②的电路结构示意图。

图11为本实用新型实施例二采用技术方案①的电路结构示意图。

图3中：（a）为变换器输出电压波形；（b）为控制器输出的驱动信号波形。

图4中：（a）为输出参考电压；（b）为本实用新型的动态电压调节Buck变换器在输出参考电压突变时的输出电压波形；（c）为传统电压型COT控制动态电压调节Buck变换器在输出参考电压突变时的输出电压波形；（d）为PWM控制的输出参考电压（e）为PWM控制动态电压调节Buck变换器在输出参考电压突变时的输出电压波形。

图5中：（d）为输出参考电压；（e）为本实用新型的动态电压调节Buck变换器在输出参考电压突变时的输出电压波形；（f）为传统电压型PWM控制动态电压调节Buck变换器在输出参考电压突变时的输出电压波形。

图6中：（a）为输入电压（b）为本实用新型的动态电压调节开关变换器在输入电压突变时的输出电压波形；（c）为传统电压型COT控制动态电压调节开关变换器在输入电压突变时的输出电压波形。

图7中：（d）为输入电压波形；（e）为本实用新型的动态电压调节开关变换器在输入电压突变时的输出电压波形；（f）为传统电压型PWM控制动态电压调节Buck变换器在输入电压突变时的输出电压波形。

图8中：（a）为负载电流；（b）为本实用新型的动态电压调节开关变换器在负载电流突变时的输出电压波形；（c）为传统电压型COT控制动态电压调节开关变换器在负载电流突变时的输出电压波形。

图9中：（d）为负载电流；（e）为本实用新型的动态电压调节开关变换器在负载电流突变时的输出电压波形；（f）为传统电压型PWM控制动态电压调节Buck变换器在负载电流突变时的输出电压波形。

具体实施方式

下面通过具体的实例并结合附图对本实用新型做进一步详细的描述。

实施例一，

图1示出，本实用新型的具体实施方式为：动态电压调节开关变换器定频恒定通断时间控制装置，动态电压调节开关变换器定频恒定通断时间控制技术的装置，其控制器主要由输入电压检测装置、输出电压检测装置、输出参考电压检测装置、比较器、触发器、通断定时器，以及驱动电路组成。输出电压经检测装置后与基准电压比较产生比较信号；输入电压和输出参考电压经检测后，与RS触发器共同作用于通断定时器，产生定时信号；比较信号与定时信号共同作用于RS触发器，RS触发器的输出经输出驱动电路后作用于控制变换器的开关装置，由此得到期望的稳定输出电压值。

技术方案①采用恒定导通时间模式：

图2给出了动态电压调节Buck变换器定频恒定导通时间控制装置的电路结构图。

其具体的工作过程与原理为：当输出电压降至输出参考电压时，RS触发器置位，主功率开关管导通，通断定时器中开关管断开，定时电容端电压从零开始线性上升，当上升至定时器门限电压时，RS触发器复位，功率开关管关断，输出电压下降，定时器开关管闭合，定时器电容电压降为零；当输出电压下降到输出参考电压时，进入下一个开关周期。

仿真结果分析：

图3为采用PSIM软件对本实用新型的控制方法进行仿真的结果，图3分图（a）、（b）的横轴均为时间（ms）,（a）的纵轴为驱动信号幅值（V），（b）的纵轴为稳态输出电压（V）。从图3中可以看出，开关周期为10μs，输出电压文波为0.065V。仿真条件：输入电压Vin=3V，输出电压Vo=Vref=1V，电感L=10μH，电容C=60μF,电容等效串联电阻ESR=100mΩ，负载R=0.5Ω，频率f=100kHz。

图4为本实用新型和采用传统电压型COT控制Buck变换器在输出参考电压出现突变情况下的输出电压动态响应仿真波形图，分图（a）、（b）和（c）分别对应输出参考电压、本实用新型输出电压和传统电压型COT控制输出电压，横轴均为时间(ms)，纵横为参考及输出电压（V）。图4中，在5ms时输出参考电压由1V阶跃变化至0.25V和在5.2ms时输出参考电压由0.25V阶跃变化至1V，本实用新型瞬态响应速度与传统电压型COT控制瞬态响应速度一样快；但是本实用新型在输出参考电压变化前后，开关频率保持不变，而传统电压型COT控制开关频率变化明显，且输出参考电压减小时，本实用新型的输出电压纹波更小。

图5为本实用新型和采用传统电压型PWM控制Buck变换器在输出参考电压出现突变情况下的输出电压动态响应仿真波形图，分图（d）、（e）和（f）分别对应输出参考电压、本实用新型输出电压、传统电压型PWM控制输出电压，横轴均为时间(ms)，纵横为参考及输出电压（V）。图5中，在12ms时输出参考电压由1V阶跃变化至0.25V和在14ms时输出参考电压由0.25V阶跃变化至1V，本实用新型响应速度比传统电压型PWM控制的瞬态响应速度快得多。

图6为本实用新型和采用传统电压型COT控制Buck变换器在输入电压出现波动情况下的输出电压瞬态响应仿真波形图，分图（a）、（b）和（c）分别对应输入电压波动、本实用新型输出电压和传统电压型COT控制输出电压，横轴均为时间(ms)，纵横为参考及输出电压（V）。图6中，在3ms时输入电压3V阶跃变化至8V和在3.15ms时输入电压由8V阶跃变化至3V，本实用新型瞬态响应速度比传统电压型COT控制瞬态响应速度更快;当输入电压增加时，本实用新型输出电压纹波比传统电压型COT控制要小；无论输入电压如何变化，本实用新型开关频率保持不变，而传统电压型COT控制的开关频率是变化的。可见采用本实用新型开关频率与输入电压也无关。

图7为本实用新型和采用传统电压型PWM控制Buck变换器在输入电压出现波动情况下的输出电压瞬态响应仿真波形图，分图（a）、（b）和（c）分别对应输入电压波动、本实用新型输出电压和传统电压型PWM控制输出电压，横轴均为时间(ms)，纵横为参考及输出电压（V）。图7中，在21ms时输入电压3V阶跃变化至8V和在26ms时输入电压由8V阶跃变化至3V，本实用新型的瞬态响应速度比传统电压型PWM控制的瞬态响应速度要快很多，输出电压有更小的电压超调量和更小的电压跌落量，且稳定性更好。

图8为本实用新型和采用传统电压型COT控制Buck变换器在负载电流出现突变情况下的输出电压动态响应仿真波形图，分图（a）、（b）和（c）分别对应负载电流突变、本实用新型输出电压和传统电压型COT控制输出电压，横轴均为时间(ms)，纵横为参考及输出电压（V）。图8中，在7ms时负载由0.5A阶跃变化至2.5A和在7.1ms时负载由2.5A阶跃变化至0.5A，说明本实用新型具有传统电压型COT控制快速的瞬态响应速度。

图9为本实用新型和采用传统电压型PWM控制Buck变换器在负载电流出现突变情况下的输出电压动态响应仿真波形图，分图（d）、（e）和（f）分别对应负载电流突变、本实用新型输出电压和传统电压型PWM控制输出电压，横轴均为时间(ms)，纵横为参考及输出电压（V）。图9中，在7ms时负载由0.5A阶跃变化至2.5A和在7.1ms时负载由2.5A阶跃变化至0.5A，与传统电压型PWM控制相比，本实用新型具有非常好的动态响应特性，更小的电压超调量和更小的电压跌落量。

技术方案②采用恒定关断时间模式：

图10给出了动态电压调节Buck变换器本实用新型采用技术方案②的电路结构图。其具体的工作过程与原理为：当输出电压上升至输出参考电压时，RS触发器复位，主功率开关管关断，输出电压下降，关断定时器中开关管断开，定时电容端电压从零开始线性上升，当上升至定时器门限电压时，RS触发器置位，功率开关管导通，输出电压上升，定时器开关管闭合，定时器电容电压降为零；当输出电压上升到输出参考电压时，进入下一个开关周期。

实施例二

图11示出，本例与实施例一相比，功率变换器为Boost变换器，采用技术方案①恒定导通时间模式，控制装置与实施例一大致相同,，此时通断定时器的受控电流源输入信号为输出参考电压，受控电压源输入信号为输出参考电压与输入电压之差。同样通过***明，采用本实用新型的输出电压稳定，动态响应速度快，开关频率恒定。

本实用新型除了可用于控制上述实施例中的Buck变换器、Boost变换器外，也可以用于Buck-Boost变换器等功率电路组成的开关电源。

Claims

1.一种动态调节开关变换器定频恒定通断时间控制装置，由输入电压检测装置、输出电压检测装置、输出参考电压检测装置、比较器、RS触发器、通断定时器，以及驱动电路组成；其特征在于，输出电压检测装置、比较器、RS触发器一个输入端顺序连接；输入电压检测装置输出端、输出参考电压检测装置输出端及RS触发器一个输出端与通断定时器输入端相连，通断定时器输出端与RS触发器另一个输入端相连；RS触发器另一输出端与驱动电路顺序连接。