CN2744056Y - 一种开关电源的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种开关电源的控制装置，它的输出端电压检测电路与开关电源中的电流检测电路在比较器的输入端相连迭加，从而在电压检测信号中迭加上开关电源中的电流检测信号。其优点是：控制的动态响应速度快，抗干扰能力强，并能自动实现电路的过流保护，便于电源并联使用，输出电压稳定。

Description

一种开关电源的控制装置
所属技术领域
本实用新型涉及一种开关电源的控制装置。
背景技术
随着电力电子技术的迅速发展，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。进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源的构成中主要包括变换器和控制装置两部分。变换器又称为功率电路，主要包括起开关作用的开关装置，它控制电源向负载提供能量的时间；变压器装置储存能量，在开关导通时，储存在变压器装置中的能量释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量；整流滤波电路，使负载的输出稳定。现有技术的变换器有Buck变换器(降压变换器)、Boost变换器(升压变换器)、正激变换器、反激变换器等多种。开关电源的另一个主要部分是控制装置，它能检测出电源输入电压和/或负载发生的变化，并据以产生控制输出信号去控制开关装置，改变其频率或脉宽并进而控制输出给负载的电量，实现输出稳定。控制装置是确定开关电源性能的关键，目前动态反映特性最好的控制装置是：
双电压反馈控制装置也即V2控制装置。这种控制装置用误差放大器对开关电源的输出电压和一基准电压进行比较获得误差信号；用比较器对误差信号与电感纹波在输出滤波电容的等效串联电阻上的压降作为输出端的电压检测信号进行比较获得控制信号。输出电压形成的反馈构成外反馈环，输出端电压检测信号的反馈构成内反馈环。其缺点是：利用输出电压的纹波作为比较器的电压检测信号，而输出电压的纹波通常很小，因此该控制装置的抗干扰性差；当控制脉宽的占空比大。于50％时，会产生次谐波振荡，电源的稳定性变差，虽可引入斜坡补偿的方法提高稳定性，但又会明显降低控制的瞬态特性；而且对输入、输出电流都没有直接控制，电源直接并联使用时，不能进行均流，可能造成电源的过流损坏，不便于电源并联使用。确需并联时，必须采用额外电路进行过流保护。并且对于Boost变换器(升压变换器)等电感不在输出部分的功率电路，在输出电压的纹波中没有电感电流纹波的上升沿部分，因此V2控制不能实现。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种开关电源的控制装置，该种控制装置的动态响应速度快，抗干扰能力强，适用范围广，并能自动实现电路的过流保护，便于电源并联使用，输出电压稳定。
本实用新型解决其技术问题，所采用的技术方案是：一种开关电源的控制装置，包括用误差放大器对开关电源的输出电压和一基准电压进行比较获得误差信号；再由比较器对该误差信号与输出端电压检测电路检测出的电压检测信号进行比较获得控制信号，以控制开关电源的脉宽产生电路产生脉宽信号，并进而控制开关装置的通、断，其结构特点为：输出端电压检测电路与开关电源中的电流检测电路在比较器的输入端相连迭加，从而在电压检测信号中迭加上开关电源中的电流检测信号。
上述的开关电源中的电流检测电路为负载电流的检测电路或开关装置的开关电流的检测电路或变压器装置电流的的检测电路。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1、内反馈环采用输出电压的电压检测信号和取自于开关电源中的电流检测信号的迭加，在内反馈环中引入了电流反馈，因此它比现有技术具有更快的响应速度，更好的抗干扰能力；2、对于输出电压的纹波中没有电感电流纹波上升沿部分的Boost变换器(升压变换器)，由于叠加了电感电流的上升沿信号，故仍然能对其进行控制，使得本实用新型适用性更广，可用于各种变换器构成的开关电源。并且引入电流检测反馈信号，电路可以自动实现过流保护，便于开关电源的并联使用。
时域仿真结果也证明：本实用新型比现有技术的输出阻抗更低，对负载电流的扰动具有更强的抑制能力；低频时，本实用新型的装置“输入—输出”增益比现有技术低，而高频时的增益与现有技术相似，因此对输入电压的波动具有较好的抑制能力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的装置的结构框图。
图2为本实用新型实施例一的电路示意图。
图3为本实用新型实施例和V2控制的开关电源的时域仿真波形图。
图4为本实用新型实施例二的电路示意图。
图5为本实用新型实施例三的电路示意图。
图3中：(a)为输出电流随时间变化的波形；(b)为本实用新型实施例的输出电压随时间变化的波形；(c)为V2控制装置的输出电压随时间变化的波形。
具体实施方式
实施例一
图1、图2示出，本实用新型的一种具体实施方式为：一种开关电源的控制装置，包括用误差放大器C1对开关电源的输出电压和一基准电压Vref进行比较获得误差信号Ve；再由比较器C2对该误差信号Ve与输出端电压检测电路检测出的电压检测信号进行比较获得控制信号，以控制开关电源的脉宽产生电路DA产生脉宽信号Vp，并进而控制开关装置S的通、断。输出端电压检测电路与开关电源中的电流检测电路在比较器C2的输入端相连迭加，从而在电压检测信号中迭加开关电源中的电流检测信号。
本例中：脉宽产生电路DA为锁存器。输出端电压检测电路的具体组成是：分压电阻R1、R2接于开关电源的两输出端；电压检测电阻R3的一端接于两分压电阻R1、R2的相连处，另一端与比较器C2的输入端相连。开关电源中的电流检测电路是：电流检测电阻Rs的一端接于输入信号负极性端，另一端与输出电压负极性端相接的，同时该端还与输出端电压检测电路在比较器C2的输入端相连迭加。电阻Rs上的电压与开关装置S的电流成正比。
本例的装置的具体工作过程与原理为：在每个周期开始时时钟信号CP使锁存器DA复位输出高电平、开关装置S也即开关管S导通，输入电路的输入信号Vi经导通的开关管S送入变压器装置L，变压器装置L的电流iL由初始值线性增大，由于在开关频率下滤波电容C支路的阻抗远远小于负载R的阻抗，所以该变化的电感纹波电流ΔiL完全流经滤波电容C，通过滤波电容C的串连寄生电阻RE给滤波电容C充电，从而在RE上产生与电感电流斜率相同的压降ΔiLRE，由于滤波电容C的容量很大，其电压Vcap可认为恒定不变，则输出电压V可以写为：
V＝ΔiLRE+Vcap                                         (1)
内环的检测电压为：
Vs＝KVV+RSΔiL                                       (2)
其中 K V = R 2 R 1 + R 2 为输出电压的分压比例。
(1)代入(2)可以得到：
Vs＝(KVRE+RS)ΔiL+KVVcap                          (3)
当Vs增大到误差电压Ve时，比较器C2翻转，从而使锁存器DA输出低电平，开关装置S关断。变压器装置L的电感电流线性下降，直到下一个时钟脉冲信号到来，开始一个新的周期。
由(3)式可知：利用本实用新型的控制装置，引入电流检测后增加了内反馈环对输出电压变化的增益，即提高了整个反馈环的增益，从而使得电路对负载变化具有更快的响应速度。
仿真分析结果：
图3为用Pspice软件分别对本实用新型的控制装置和V2型控制装置进行时域仿真分析结果。图3各分图(a)、(b)、(c)横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为负载电流，(b)的纵轴分别为本实用新型对应的输出电压，(c)的纵轴为V2控制装置对应的输出电压。图示出，8.0ms时，负载由10A阶跃变化到20A，本实用新型响应速度明显加快，响应时间只有0.15ms，并且没有超调；V2控制需要0.20ms，有35mV的超调。可见本实用新型具有更好的负载动态特性。
频域分析仿真结果也表明，本实用新型比现有技术的输出阻抗更低，对负载电流的扰动具有更强的抑制能力；低频时，本实用新型“输入—输出”增益比现有技术低，而高频时的增益与现有技术相似，因此本实用新型的输入电压的波动具有较好的抑制能力。
本例中，开关装置S与变压器装置L串联，所以在开关S导通时，开关装置S的电流就是变压器装置L的电流。
实施例二
图4示出，本例与实施例一相比，只是变换器部份改成了正激变换器，控制装置与实施例一相同。同样能通过仿真结果证明，它能实现本实用新型的目的。
实施例三
图5示出，本例与实施例一相比，不同的是：开关电源的变换器为Boost变换器(升压变换变换器)，电流检测信号取自开关电源中开关装置的开关电流，开关电源中的电流检测电路则为开关装置S的开关电流的检测电路，其构成为：电流检测电阻Rs的一端接于输入信号负极性端；另一端与开关装置(实际为开关管)S的接地端相接，同时该端还与输出端电压检测电路在比较器C2的输入端相连迭加。电阻Rs上的电压与开关装置S的电流成正比。其余的结构、组成与实施例一相同。
本实用新型的电流检测信号既可以采用上述实施例的电流检测电路，当然也可采用其它现有结构的电流检测电路，只要能从开关电源中的开关装置或变压器装置检测取出电流信号即可。图1中的两条带箭头的虚线即是表示电流检测信号可以来自于开关电源中的开关装置、变压器装置两处中的一处位置而不是同时来自两处位置。
本实用新型的装置除可用于上述实施例中三种变换器组成的开关电源外，也可直接或作简单改变用于Buck-boost(升降压变换器)、Cuk变换器、反激变换器、半桥变换器、全桥变换器等功率电路组成的开关电源。
本实用新型的脉宽产生电路也可以由定时器等其它电路构成。例如用定时器作脉宽电路的“定开通时间”控制电路，由反馈确定的比较器的输出控制定时器的开启时间，定时器的输出使开关装置关断，定时器开始计时；经过定时时间以后，定时器输出再次翻转，控制开关装置又重新开启。
当然，本实用新型的装置也可在内反馈环的电压检测信号中再迭加上斜坡补偿信号，采用斜坡补偿的方法提高开关电源的稳定性，使开关电源的稳定性和动态响应特性达到良好的匹配。

Claims (2)

1、一种开关电源的控制装置，包括用误差放大器对开关电源的输出电压和一基准电压进行比较获得误差信号；再由比较器对该误差信号与输出端电压检测电路检测出的电压检测信号进行比较获得控制信号，以控制开关电源的脉宽产生电路产生脉宽信号，并进而控制开关装置的通、断，其特征在于：所述的输出端电压检测电路与开关电源中的电流检测电路在比较器的输入端相连迭加，从而在电压检测信号中迭加上开关电源中的电流检测信号。
2、根据权利要求1所述的开关电源的控制装置，其特征在于：所述的开关电源中的电流检测电路为开关装置的开关电流的检测电路或变压器装置电流的检测电路。
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