CN204465341U - 一种单电感双输出开关变换器双环电压型pfm控制装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种单电感双输出开关变换器双环电压型PFM控制装置，由第一电压检测电路VS1、第二电压检测电路VS2、第一电压控制器VCM1、第二电压控制器VCM2、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、减法器SUB、触发器RS、定时器CT、反相器NOR、第一驱动电路DR1、第二驱动电路DR2和第三驱动电路DR3组成。本实用新型可用于控制单电感双输出拓扑结构的多种变换器，诸如：Buck变换器、Boost变换器、Buck-boost变换器、Bipolar变换器等，相对于传统电压型PWM控制单电感双输出变换器，其优点是：具有输出电压纹波小，稳态性能好，输入瞬态响应和负载瞬态响应速度快，变换器输出支路间的交叉影响小等优点。

Description

一种单电感双输出开关变换器双环电压型PFM控制装置
技术领域
本实用新型涉及电力电子设备，尤其是一种单电感双输出开关变换器的控制装置。
背景技术
随着智能手机、平板电脑等电子产品的广泛普及，用户对为电子产品供电电源的体积、负载范围以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、平板电脑等电子产品提供两路独立的供电电源，减少电感及控制芯片的数量，有效地减小电源体积，降低电源成本，提高转换效率，从而受到学术界和工业界越来越多的关注。对于同一个单电感双输出开关变换器，不同的控制方法使得变换器具有不同的瞬态和稳态性能。
基于脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)的控制是最为常见的单电感双输出开关变换器控制方法，如传统的电压型控制单电感双输出开关变换器、差模-共模电压型PWM控制单电感双输出开关变换器和平均电流控制单电感双输出变换器等。上述基于PWM的控制思想是：将变换器输出电压或电流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生成控制电压，并将控制电压与固定频率的锯齿波进行比较，获得高、低电平的脉冲控制信号，再通过驱动电路控制开关管的导通和关断，实现开关变换器输出电压的调节。基于脉冲宽度调制的控制，实现简单，但因采用固定频率的锯齿波作为调制波，具有输入瞬态响应慢、负载瞬态响应慢、输出支路之间的交叉影响严重等缺点。
与含有固定频率锯齿波的PWM控制相比，采用脉冲频率调制(pulsefrequency modulation，PFM)控制的开关变换器开关频率可调节，具有输入瞬态响应快，负载瞬态响应快等特点。电压型恒定导通时间控制和电压型恒定关断时间控制是两种较为常见的电压型PFM控制方法，其中电压型恒定导通时间控制的基本思想是：开关周期开始时，开关管导通，变换器输出电压上升；经过恒定导通时间后，开关管关断，输出电压下降，当其下降至基准电压时，开关管再次导通，开始新的开关周期。传统的PFM方法直接运用到单电感双输出开关变换器时，由于变换器中存在两条输出支路和多个开关管，使得变换器输出支路之间的交叉影响严重，负载跳变时变换器易失稳，不能正常工作。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种单电感双输出开关变换器的控制装置，使之同时具有很好的瞬态响应和较低的交叉影响，适用于多种拓扑结构的单电感双输出开关变换器。
本实用新型的目的是通过如下的手段实现的。
一种单电感双输出开关变换器双环电压型PFM控制装置，由第一电压检测电路VS1、第二电压检测电路VS2、第一电压控制器VCM1、第二电压控制器VCM2、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、减法器SUB、触发器RS、定时器CT、反相器NOR以及第一驱动电路DR1、第二驱动电路DR2、第三驱动电路DR3组成，其中：第一电压检测电路VS1、第一比较器CMP1、第一驱动电路DR1依次相连；第二电压检测电路VS2、减法器SUB、第二比较器CMP2、触发器RS、第二驱动电路DR2依次相连；触发器RS、反相器NOR以及第三驱动电路DR3依次相连；第一电压检测电路VS1的输出端与第一电压控制器VCM1连接，且VS1与VCM1均连接在第一比较器CMP1输入端；减法器SUB的输出端与第二电压控制器VCM2相连，且SUB与VCM2均连接在第二比较器CMP2输入端，第二比较器CMP2输出端与触发器RS相连；定时器CT与触发器RS相连。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
一、与现有的基于脉冲宽度调制的单电感双输出开关变换器相比，本实用新型的单电感双输出开关变换器在稳态时，输出电压纹波小。
二、与现有的基于脉冲宽度调制的单电感双输出开关变换器相比，本实用新型的单电感双输出开关变换器在输入电压发生改变时，能够快速调节主开关管和支路开关管的导通和关断，输出电压超调量小，调节时间短，提高了变换器的瞬态性能。
三、与现有的基于脉冲宽度调制的单电感双输出开关变换器相比，本实用新型的单电感双输出开关变换器在负载发生改变时，能够快速调节主开关管和支路开关管的导通和关断，输出电压和电感电流超调量小，调节时间短，变换器的瞬态响应性能高，两输出支路之间的交叉影响小，***稳定性好。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本实用新型实施例一的电路结构框图。
图2为本实用新型实施例一的电压控制器的电路结构框图。
图3为本实用新型实施例一的电路结构框图。
图4为本实用新型实施例一的主要工作波形示意图。
图5为本实用新型实施例一和差模-共模电压型PWM控制的单电感双输出开关变换器在a输出支路负载突变时的瞬态时域仿真波形。
图6为本实用新型实施例一和差模-共模电压型PWM控制的单电感双输出开关变换器在b输出支路负载突变时的瞬态时域仿真波形。
图7为本实用新型实施例一和差模-共模电压型PWM控制的单电感双输出开关变换器在输入电压突变时的瞬态时域仿真波形。
图8为本实用新型实施例二的电压控制器的电路结构框图。
图9为本实用新型实施例三的电路结构框图。
图2中：(a)为本实用新型实施例一的第一电压控制器VCM1的电路结构框图；(b)为本发明实施例一的第二电压控制器VCM2的电路结构框图。
图5中：(a)为本实用新型实施例一在a输出支路负载突变时的瞬态响应波形；(b)为差模-共模电压型PWM控制单电感双输出开关变换器在a输出支路负载突变时的瞬态响应波形。
图6中：(a)为本实用新型实施例一在b输出支路负载突变时的瞬态响应波形；(b)为差模-共模电压型PWM控制单电感双输出开关变换器在b输出支路负载突变时的瞬态响应波形。
图7中：(a)为本实用新型实施例一在输入电压突变时的瞬态响应波形；(b)为差模-共模电压型PWM控制单电感双输出开关变换器在输入电压突变时的瞬态响应波形。
图8中：(a)为本实用新型实施例二的第一电压控制器VCM1的信号流图；(b)为本发明实施例二的第二电压控制器VCM2的信号流图。
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，本实用新型的一种具体实施方式为：单电感双输出开关变换器双环电压型PFM控制装置，主要由第一电压检测电路VS1、第二电压检测电路VS2、第一电压控制器VCM1、第二电压控制器VCM2、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、减法器SUB、触发器RS、导通定时器CT、反相器NOR以及第一驱动电路DR1、第二驱动电路DR2、第三驱动电路DR3组成。第一电压检测电路VS1用于检测输出电压Voa的值，第二电压检测电路VS2用于检测输出电压Vob的值；第一电压控制器VCM1用于获取电压控制信号Vc1，第二电压控制器VCM2用于获取电压控制信号Vc2；减法器SUB用于得到两输出电压的差模信号；第一比较器CMP1用于得到控制主开关管导通和关断的脉冲信号Vp1，脉冲信号Vp1经由第一驱动电路DR1控制主开关管的导通和关断，第二比较器CMP2用于得到控制支路开关管导通的窄脉冲信号Vs；定时器CT的输出端信号与Vs经过触发器RS产生固定时间间隔的控制脉冲信号，经由第二驱动电路DR2控制支路开关管的导通与关断，其中两输出支路开关管的控制时序是互补的。
图2示出，本例的第一电压控制器VCM1为：存在误差放大器EA1，参考电压Vref1与信号Voa分别作为误差放大器EA1的输入，误差放大器EA1的输出即为电压控制信号Vc1；本例的第二电压控制器VCM2为：存在误差放大器EA2，参考电压Vref2与信号Vdif分别作为误差放大器EA2的输入，误差放大器EA2的输出即为电压控制信号Vc2。
本例采用图3的装置，可方便、快速地实现上述控制方法。图3示出，本例的单电感双输出开关变换器双环电压型PFM控制装置，由变换器TD和开关管S1、Sa、Sb的控制装置组成。图4为输出电压Voa、输出电压Vob、信号Vdif、控制信号Vc1、控制信号Vc2、时间t、电感电流信号iL及驱动信号之间的关系示意图。
本例的装置其工作过程和原理是：
控制装置采用双环电压型PFM控制的工作过程和原理是：图3、图4示出，在任意一个周期开始时刻检测输出电压信号Voa和输出电压信号Vob，同时第一电压控制器VCM1产生电压控制信号Vc1，第二电压控制器VCM2产生电压控制信号Vc2；检测得到的输出电压信号Voa连接至第一比较器CMP1的一个输入端，与电压控制信号Vc1经过比较产生控制主开关管S1导通和关断的脉冲信号Vp1。检测得到的输出电压信号Voa和输出电压Vob连接到减法器SUB，生成两路输出电压的差模信号Vdif，差模信号Vdif同时连接至第二比较器CMP2的一个输入端，与电压控制信号Vc2的比较结果作为触发器RS的S端输入信号；定时器CT的输出信号作为触发器RS的R端输入信号，触发器RS的输出端Q连接至所述第二驱动电路DR2的输入端，第二驱动电路DR2的输出端连接至开关管Sa的门极控制端，且触发器RS的输出端Q连接至反相器NOR的输入端，反相器的输出端连接至第三驱动电路DR3的输入端,同时第三驱动电路DR3的输出端连接至开关管Sb的门极控制端。触发器RS通过置位、复位动作控制开关管Sa和Sb的导通与关断。
本例的变换器TD为单电感双输出Buck变换器。
用PSIM仿真软件对本例的方法进行时域仿真分析，结果如下。
图5为采用本实用新型和差模-共模电压型控制的单电感双输出开关变换器在输出支路a负载突变时(输出支路a的输出电流Ioa从1A→2A→1A变化)，两输出支路输出电压的时域仿真波形图，分图(a)、(b)分别对应本实用新型和差模-共模电压型控制。在13ms时a支路负载加重，负载电流由1A阶跃变化至2A；在15ms时a支路负载减轻，负载电流由2A阶跃变化至1A。从图5中可以看出：采用本实用新型时输出支路a、b的输出电压Voa、Vob，最大调节时间仅为0.06ms；输出支路a的输出电压Voa在调整过程中的最大电压波动量为0.12V，输出支路b的输出电压Vob在调整过程中的最大电压波动量为0.06V,稳态工作时输出电压纹波最大值为0.14V。而差模-共模电压型控制的变换器(开关频率为100kHz)输出支路a、b的输出电压Voa、Vob分别经过约1.74ms和1.87ms的调整时间，重新进入稳态；输出支路a的输出电压Voa在调整过程中的最大电压波动量为0.47V，输出支路b的输出电压Vob在调整过程中的最大电压波动量为0.44V,稳态工作时输出电压纹波最大值为0.41V。其调节时间和最大电压波动量明显大于本实用新型的开关变换器，可见a支路负载变化时，本实用新型的单电感双输出开关变换器具有更好的负载瞬态响应性能。仿真条件：输入电压Vin＝20V，电压基准值Vref1＝12V、Vref2＝5V，电感L＝100μH，电容C1＝C2＝220μF(其等效串联电阻为50mΩ)、负载电阻Roa＝12Ω、Rob＝5Ω、固定时间间隔t＝5μs。
图6为采用本实用新型和差模-共模电压型控制的开关变换器在输出支路b负载突变时(输出支路b的输出电流Iob从1A→2A→1A变化)，两输出支路输出电压的时域仿真波形图，分图(a)、(b)分别对应本实用新型和差模-共模电压型控制。对比可知：本实用新型控制的单电感双输出开关变换器输出支路a、b的输出电压Voa、Vob，最大调节时间仅为0.06ms；输出支路a的输出电压Voa在调整过程中的最大电压波动量仅为0.1V，输出支路b的输出电压Vob在调整过程中的最大电压波动量仅为0.11V,稳态工作时输出电压纹波最大值为0.18V。而差模-共模电压型控制单电感双输出开关变换器输出支路a、b的输出电压Voa、Vob分别经过约1ms和1.12ms的调整时间，重新进入稳态；输出支路a的输出电压Voa在调整过程中的最大电压波动量约为0.47V，输出支路b的输出电压Vob在调整过程中的最大电压波动量约为0.44V,稳态工作时输出电压纹波最大值为0.41V。由此可见本实用新型的单电感双输出开关变换器在b支路负载突变时，输出电压的调节时间和最大电压波动量明显优于差模-共模电压型PWM控制，负载瞬态响应性能更好。仿真条件与图5一致。
由图5和图6可见，本实用新型的单电感双输出开关变换器在稳态时的输出电压纹波小，而在负载突变时，输出电压瞬态变化量小，调节时间短，负载瞬态性能好，并且本实用新型的单电感双输出开关变换器在一条输出支路负载突变时对另一条输出支路的交叉影响小。
图7为采用本实用新型和差模-共模电压型PWM控制的单电感双输出开关变换器在输入电压突变时(输入电压Vin从20V→40V→20V变化)，两输出支路输出电压的瞬态时域仿真波形，分图(a)、(b)分别对应本实用新型和差模-共模电压型控制。在13ms时输入电压由20V阶跃变化至40V；在15ms时输入电压又由40V阶跃变化至20V。从图中可以看出：采用本实用新型的开关变换器输出支路a、b的输出电压Voa、Vob，几乎没有调整过程便重新进入稳态，仅纹波量发生了微小变化；输出支路a的输出电压Voa在调整过程中的最大电压波动量仅为0.05V，输出支路b的输出电压Vob几乎没有变化。而差模-共模电压型控制单电感双输出开关变换器输出支路a、b的输出电压Voa、Vob经过约1ms的调整时间，重新进入稳态；输出支路a的输出电压Voa在调整过程中的最大电压波动量约为3.6V，输出支路b的输出电压Vob在调整过程中的最大电压波动量约为3.45V，且在输入电压突变之后，输出电压无法达到预先设定值，整个变换器失稳。由此可见，本实用新型的单电感双输出开关变换器输入瞬态性能好，调节时间短，输出电压瞬态变化量小，抗输入波动能力强。仿真条件与图5一致。
实施例二
本实用新型采用实施例二的信号流程图亦如图1所示，实施方式与实施例一基本一致，不同之处是：本实施例中电压控制器VCM没有误差放大器EA，电压控制器VCM仅为产生参考电压信号Vref的装置，参考电压信号Vref即为电压控制信号Vc。
图8示出：本例的第一电压控制器VCM1为：参考电压Vref1即为电压控制信号Vc1；本例的第二电压控制器VCM2为：参考电压Vref2即为电压控制信号Vc2。实施例三
如图9所示，本实用新型实施例三与实施例一基本相同，不同之处是：本例控制的变换器TD为单电感双输出Boost变换器。
本实用新型除可用于以上实施例中的开关变换器外，也可用于单电感双输出Buck-Boost变换器、单电感双输出Bioplor变换器等多种多输出电路拓扑中。

Claims (1)

1.一种单电感双输出开关变换器双环电压型PFM控制装置，其特征在于：由第一电压检测电路VS1、第二电压检测电路VS2、第一电压控制器VCM1、第二电压控制器VCM2、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、减法器SUB、触发器RS、定时器CT、反相器NOR、第一驱动电路DR1、第二驱动电路DR2和第三驱动电路DR3组成；所述的第一电压检测电路VS1的输出端与第一电压控制器VCM1连接，且VS1与VCM1均连接在第一比较器CMP1的输入端，第一比较器CMP1的输出端与第一驱动电路DR1相连，控制变换器主开关管的导通和关断；所述的第二电压检测电路VS2、减法器SUB、第二比较器CMP2、触发器RS与第二驱动电路DR2依次相连；定时器CT与触发器RS相连，以确定固定时间间隔t；减法器SUB的输出端与第二电压控制器VCM2相连，且SUB与VCM2均连接在第二比较器CMP2的输入端，第二比较器CMP2的输出端与触发器RS相连；触发器RS输出端连接第二驱动电路DR2，触发器RS、反相器NOR以及第三驱动电路DR3依次相连，控制变换器支路开关管的导通和关断。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104638913A (zh) * 2015-02-27 2015-05-20 西南交通大学 单电感双输出开关变换器双环电压型pfm控制方法及其装置
CN116581962A (zh) * 2023-07-13 2023-08-11 四川大学 单电感双输出开关变换器的混沌镇定控制方法及其装置
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