改進的開關電源脈衝寬度調製技術實現裝置的製作方法
2023-06-11 05:06:41
專利名稱：改進的開關電源脈衝寬度調製技術實現裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及開關電源設備，尤其是開關電源脈衝寬度調製技 術及其實現裝置製造領域。
背景技術：
開關電源是在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等 領域應用非常廣泛的一種電力電子裝置。它具有電能轉換效率高、體積小、 重量輕、控制精度高和快速性好等優點，在小功率範圍內基本上取代了線 性調整電源，並迅速向中大功率範圍推進，在很大程度上取代了晶閘管相 近整流電源。可以說，開關電源技術是目前中小功率直流電能變換裝置的 主流技術。開關電源主要由功率變換器和控制器兩部分構成。功率變換器 又稱為功率電路，主要包括開關裝置、變壓器裝置和整流濾波電路。常見
的功率變換器拓撲結構有Buck降壓變換器、Boost升壓變換器、Buck-Boost 升降壓變換器、正激變換器、反激變換器等。控制器能夠檢測功率變換電 路輸出電壓或電路其它狀態，並據此產生相應開關信號控制功率變換電路 開關裝置的工作，從而調節開關電源的輸出以得到期望的輸出值。控制器 的結構和工作原理由開關電源所採用的控制方法決定。對於同一功率電路 拓撲，採用不同的控制方法會對系統的穩態精度及動態性能等方面產生影 響，因而控制方法的研究顯得日益重要。
傳統的脈衝寬度調製(PWM)技術是很為廣泛採用的一種開關電源調製技術，它能滿足一般控制要求。其控制思想是用誤差放大器對開關電源 的輸出電壓和基準電壓進行比較獲得誤差信號，再由比較器對該誤差信號 與鋸齒波信號進行比較獲得脈寬信號，以控制開關裝置的導通、關斷，使 輸出電壓達到期望值。當輸入電壓或負載出現波動時，由於誤差放大器放 大係數有限以及補償網絡的存在，導致誤差信號變化相對緩慢，因而脈衝 寬度的變化也較為緩慢，這使得開關電源的動態響應速度較慢。因而隨著 某些應用場合對於開關電源在瞬態響應速度方面性能要求的提高，脈衝寬 度調製技術已很難滿足這一要求，這就迫切的需要採用新的控制方法來提 升開關電源的瞬態響應速度。
實用新型內容
本實用新型的目的是提供一種改進的開關電源脈衝寬度調製技術，以 改善開關電源在瞬態響應方面的性能。
本實用新型為解決其技術問題，所採用的技術方案是改進的開關電 源脈衝寬度調製技術實現裝置，由電壓檢測裝置、誤差放大器、模擬多路 選擇器、電壓區間判斷器、比較器及驅動電路組成；電壓檢測裝置、誤差 放大器、模擬多路選擇器、比較器及驅動電路順序連接；電壓區間判斷器 輸入端與誤差放大器的輸出端相連，其輸出端與模擬多路選擇器相連。
與現有技術相比，本實用新型的有益效果是與現有的脈衝寬度調製 技術相比，採用本實用新型的開關電源在輸入電壓或負載發生改變時，控 制器能夠立即調節開關裝置動作，使開關電源迅速達到穩態，大大提升了 開關電源的瞬態響應速度。
圖1為本實用新型控制系統實現裝置結構框圖。 圖2為本實用新型實施例一的電路結構示意圖。
圖3為本實用新型控制器中模擬多路選擇器輸出與誤差信號關係示意圖。
圖4為本實用新型實施例一和傳統電壓型P麗調製的開關電源在輸入電壓突變時輸出電壓仿真波形圖。(a)輸入電壓波形(b)為傳統電壓型PWM
調製的開關電源在輸入電壓突變時的輸出電壓；(c)為本實用新型實施例
一的開關電源在輸入電壓突變時的輸出電壓。
圖5為本實用新型實施例一和傳統電壓型PWM調製的開關電源在輸入
電壓突變時輸出電壓仿真波形圖。(a)負載電流波形(b)為傳統電壓型P麗
調製的開關電源在負載突變時的輸出電壓；(c)為本實用新型實施例一的
開關電源在負載突變時的輸出電壓。
圖6為本實用新型實施例二的電路結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。 實施例一
圖1示出，本實用新型的具體實施方式
為 一種改進的開關電源脈衝 寬度調製技術，其控制器(Controller)主要由電壓檢測裝置VD、誤差放 大器EA、模擬多路選擇器AM、電壓區間判斷器VIJ、比較器COM及驅動電 路DC組成。功率變換器PTD輸出電壓經電壓檢測裝置VD後與基準電壓相 比較，然後經誤差放大器EA及補償網絡CN後得到誤差信號；電壓區間判 斷器VIJ根據誤差信號電壓的大小，產生相應的信號去控制模擬多路選擇 器AM工作；模擬多路選擇器AM根據電壓區間判斷器VIJ生成的控制信號 選擇相應的電壓信號作為輸出，然後與載波信號CS進行比較得到最終的控 制脈衝；最後，控制脈衝經驅動電路DC後用於控制功率變換器PTD的開關 裝置，由此得到期望的穩定輸出電壓。
圖2給出了本實用新型在Buck變換器中的應用。輸出電壓(F。)與基準 電壓(F^)經誤差放大器EA及補償網絡CN後得到誤差信號(Ke)，電壓區間判斷器viJ根據誤差信號電壓大小產生相應的信號來控制模擬多路選擇器
AM工作。圖3示出了模擬多路選擇器AM輸出與誤差信號關係示意圖。電壓 區間判斷器VIJ將電壓分為三個區間，即電壓小於K的區間、電壓大於^ 的區間以及電壓區間(K， F+)。當誤差信號處於電壓區間(K.， F+)時，電壓 區間判斷器VIJ控制模擬多路選擇器AM選擇誤差信號作為其輸出(K);當 誤差信號小於F.時，控制器選擇事先設定好的固定電壓K,作為其輸出；而 當誤差信號大於h時，模擬多路選擇器AM的輸出則為r^。 ^及K的關係 可以很清晰的通過式(1)來表示
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這一關係的實現則通過電壓區間判斷器VIJ及模擬多路選擇器AM來完 成。K再和載波信號CS進行比較得到最終的控制脈衝，控制脈衝再通過驅
動電路DC控制主功率開關管的工作，調節開關電源輸出以維持恆定。當輸
入電壓或負載出現變化時，會引起誤差信號的相應變化。 一旦誤差信號偏
離區間(K-， F+)，模擬多路選擇器AM將指定一電壓做為新的控制信號與載 波信號相比較，從而引起驅動脈衝佔空比的較大變化來獲得快的動態響應 速度。若K恆等於K，則控制方式即為傳統的電壓型脈衝寬度調製技術， 這也是本實用新型與傳統電壓型脈衝寬度調製技術的唯一區別，也正是由 於對誤差信號進行了處理，從而改善了開關電源的瞬態響應速度。因而K 和^的差值不宜較大，否則動態響應速度將得不到明顯的提升。另外，K 及^的值應根據載波信號的最小及最大值來進行選取，^及F^的值分別 決定了最小及最大佔空比。仿真結果分析
圖4為採用Pspice軟體對分別採用傳統電壓型脈衝寬度調製技術及本 實用新型方法的Buck變換器在輸入電壓突變時的輸出電壓波形，圖4分圖
(a) 、 (b)、 (c)的橫軸均為時間(ms)，縱軸均為電壓(V)。在圖4中可 以看出，當輸入電壓突變時，採用本實用新型的Buck變換器具有更快的瞬 態響應速度，輸出電壓波動小，且很快進行新的穩態。仿真條件輸出電 壓K-^屍6V，電感Z-5. 6uH，電容6M000uF，負載W-5Q，開關周期為27us。
圖5為採用傳統電壓型P麵調製和本實用新型的開關電源在負載出現 突變情況下的輸出電壓動態響應時域仿真波形圖，分圖(a)為負載電流，
(b) 和(c)分別對應採用傳統電壓型脈衝寬度調製和本實用新型的輸出 電壓，橫軸均為時間(ms)， (a)縱橫為電流(A)， (b)禾口 (c)縱軸均為電 壓(V)。圖5中，在17ms時負載電流由1. 2A階躍變化至3. 2A，而在19ms 時負載電流由3. 2A突變至1.2A，即模擬瞬間加載及減載過程。圖由可見， 當開關電源突然加載或減載時，對於傳統電壓型PWM調製，系統響應時間 長，並且會產生較高的的電壓偏移量；而採用本實用新型的開關電源瞬態 響應速度很快，系統立即進入新的穩態。由此可見採用本實用新型的開關 電源具有很好的負載動態特性。仿真條件輸出電壓K,14V， F,乙產6V， 電感^5.6uH，電容^1000uF，開關周期為27us。
實施例二
圖6示出，本例與實施例一相比，功率變換器為反激變換器，控制裝 置與實施例一相同。同樣通過仿真證明，採用本實用新型的反激變換器的 輸出電壓穩定，動態響應速度快。本實用新型除了可用於控制上述實施例中的兩種功率變換器外，也可 用於Boost變換器、Buck-boost變換器、正激變換器、半橋變換器、全橋 變換器等功率電路組成的開關電源。
權利要求1、一種改進的開關電源脈衝寬度調製技術實現裝置，由電壓檢測裝置、誤差放大器、模擬多路選擇器、電壓區間判斷器、比較器及驅動電路組成；其特徵在於電壓檢測裝置、誤差放大器、模擬多路選擇器、比較器及驅動電路順序連接；電壓區間判斷器輸入端與誤差放大器的輸出端相連，其輸出端與模擬多路選擇器相連。
專利摘要本實用新型公開了一種改進的開關電源脈衝寬度調製技術實現裝置，電壓檢測裝置、誤差放大器、模擬多路選擇器、比較器及驅動電路順序連接；電壓區間判斷器輸入端與誤差放大器的輸出端相連，其輸出端與模擬多路選擇器相連。根據誤差信號所處區間的不同，選擇不同的電壓信號在比較器中與載波進行比較，其比較輸出作為驅動信號，用以控制主功率開關管工作調節開關電源輸出電壓。該實用新型可用於控制多種拓撲結構的開關電源，其突出優點是採用這種控制方案的開關電源具有快速的瞬態響應速度。
文檔編號H02M7/5395GK201403054SQ20092008052
公開日2010年2月10日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者周國華, 王金平, 明 秦, 許建平 申請人:西南交通大學