連續工作模式開關電源的多谷值電流型脈衝序列控制裝置製造方法
2023-06-03 00:13:01 5
連續工作模式開關電源的多谷值電流型脈衝序列控制裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於連續工作模式開關電源的多谷值電流型脈衝序列控制裝置：在每個開關周期起始時刻，根據負載電流Io選擇合適的電感電流谷值Iv，根據開關變換器輸出電壓Vo與基準電壓Vref之間的關係選擇該開關周期內的有效控制脈衝。該方法可用於控制工作於連續模式的大功率開關變換器，其控制穩定性和抗幹擾能力強，動態性能良好，且適用於各種拓撲結構的開關變換器。
【專利說明】連續工作模式開關電源的多谷值電流型脈衝序列控制裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及開關電源，尤其是一種開關變換器的控制方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]開關電源是一種通過控制主功率開關管的導通、關斷時間來維持輸出電壓穩定的電源。它具有功耗小、電能轉換效率高，體積小、穩壓範圍寬等優點，在各類電子產品中都有廣泛的應用。隨著電力電子技術的發展和電池供電的可攜式電子設備的普及，對開關電源的性能要求越來越高。為改善傳統的脈衝寬度調製(PWM)技術存在瞬態響應速度較慢、補償網絡設計困難等缺點，近年來提出了一些新型的控制方法，以改善開關電源的性能，使其滿足電子設備對開關電源的要求。
[0003]脈衝序列(PT)控制技術是一種針對開關變換器工作在電感電流斷續模式(DCM)提出的新型定頻控制方法，它通過調整兩組預先設定的控制脈衝的組合方式實現對輸出電壓的調節。由於脈衝序列控制開關變換器具有電路實現簡單、不需要補償網絡、瞬態響應速度快和魯棒性強的優點，非常適用於對可靠性要求較高的開關電源控制系統。但當脈衝序列控制開關變換器工作在電感電流連續模式(CCM)時，由於脈衝序列控制器通過調節電感電流間接調節輸出電壓，使控制器對輸出電壓的調節具有滯後性，導致開關變換器出現低頻波動現象，穩態及瞬態性能變差。目前的研究表明，谷值電流型脈衝序列(VCM-PT)控制方法，能有效地解決低頻波動現象，但由於其只有一個預設的電感電流谷值，使得負載功率範圍較小，在負載變化較大時，無法有效地控制開關變換器。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的是提供一種開關電源的控制裝置，使之克服現有谷值電流型脈衝序列(VCM-PT)控制變換器負載範圍較窄的技術缺點。該裝置可用於控制工作於連續模式的大功率開關變換器，其控制技術簡單易行，穩定性和抗幹擾能力強，動態性能良好，適用於各種拓撲結構的開關變換器。
[0005]本實用新型的技術方案是:一種連續工作模式開關電源的多谷值電流型脈衝序列控制裝置，其特徵在於由變換器TD和控制器組，控制器包括電壓檢測電路VD、負載電流檢測與比較電路IDCl、谷值電流選擇器IS、電感電流檢測與比較電路IDC2、脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、單觸發計時器OOTl、單觸發計時器00T2、驅動電路DR ；負載電流檢測與比較電路IDCl與谷值電流選擇器相連；電感電流檢測與比較電路、脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、單觸發計時器0TT1、單觸發計時器0TT2相連；電壓檢測電路VD、脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、驅動電路依次相連至DR ;脈衝產生器PG與電感電流檢測與比較電路IDC2、單觸發計時器00T1、單觸發計時器00T2相連。
[0006]其工作方式包括:在每個開關周期起始時刻，根據開關變換器負載電流選取相應的電感電流谷值，根據開關變換器輸出電壓選擇該開關周期內的有效控制脈衝，從而實現對連續工作模式開關變換器的控制；其電感電流谷值選擇規則為:若輸出電流I。較小，選取較小電感電流谷值Iv，若輸出電流I。較大，則選取較大的電感電流谷值Iv。其控制脈衝選擇規則為:若輸出電壓V。低於輸出電壓基準值VMf，採用高功率脈衝Ph控制開關變換器中的開關管S ;反之,若輸出電壓V。高於輸出電壓基準值,米用低功率脈衝Pli控制開關管S。
[0007]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0008]一、本實用新型為連續工作模式開關變換器提供了一種簡單可靠的控制方法。該控制方法通過在每個開關周期的起始時刻檢測一次輸出電壓、負載電流和電感電流並簡單判斷其大小，即可完成對變換器中主開關管S的控制。克服了傳統的連續模式變換器控制方法難以避免的檢測和處理反饋量複雜、補償環節設計繁瑣等缺點。
[0009]二、本實用新型所提供的控制方法可抑制脈衝序列控制連續工作模式開關變換器的低頻波動現象。
[0010]三、在變換器負載發生跳變時，能快速地更換合適的電感電流谷值Iv和脈衝序列組合方式，以適應負載的變化，使變換器穩定工作，拓寬了應用範圍。
[0011]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步詳細的說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型實施例一方法的信號流程圖。
[0013]圖2為本實用新型實施例一的電路結構框圖。
[0014]圖3為本實用新型實施例一的負載電流檢測與比較電路的電路結構圖。
[0015]圖4為本實用新型實施例一的谷值電流選擇器的電路結構圖。
[0016]圖5為本實用新型實施例一的電感電流檢測與比較電路的電路結構圖
[0017]圖6為本實用新型實施例一的脈衝選擇器的電路結構圖。
[0018]圖7為本實用新型實施例一的脈衝產生器的電路結構圖
[0019]圖8a為本實用新型實施例一在穩態條件下負載從8.5W跳變到16.5W時輸出電壓
V。、電感電流和負載電流10的時域仿真波形圖。
[0020]圖8b為本實用新型實施例一在穩態條件下負載從8.5W跳變到24.5W時輸出電壓Vo、電感電流L和負載電流I。的時域仿真波形圖。
[0021]圖8c為本實用新型實施例一在穩態條件下負載從8.5W跳變到32.5W時輸出電壓Vo、電感電流L和負載電流I。的時域仿真波形圖。
[0022]圖8d為本實用新型實施例一在穩態條件下負載從8.5W連續跳變到32.5W時輸出電壓Vo、電感電流L和負載電流I。的時域仿真波形圖。
[0023]圖9為採用上述控制方法及其裝置的變換器在穩定工作狀態下，負載從32.5W連續跳變到24.5WU6.5W、8.5W的仿真波形。
[0024]圖8、9仿真條件如下:輸入電壓Vin = 5V、輸出基準電壓Vref = 8V、電感L= 10 μ H、電容C = 470 μ F、控制脈衝高電平的持續時間為Tmih= 10 μ S、控制脈衝PL的高電平的持續時間為τ on—L = 4 μ S、預設負載電流基準值I1 = 3.75Α、I2 = 2.815Α、I3 = 1.875Α，預設電感電流谷值 Ivl = 5Α, Iv2 = 3.5, Iv3 = 2Α, Iv4 = 0.5Α。
[0025]圖10(a)為現有的谷值電流型脈衝序列控制Boost變換器在穩態條件下負載從16.5W跳變增大到24.5W時的域仿真波形圖；圖10(b)為現有的谷值電流型脈衝序列控制Boost變換器在穩態條件下負載從16.5W跳變減小到8.5W時的域仿真波形圖
[0026]圖10的仿真條件如下:輸入電壓Vin = 5V、輸出基準電壓VMf = 8V、電感L =10 μ H、電容C = 470 μ F、控制脈衝Ph的高電平的持續時間為τ onJI = 10 μ S、控制脈衝的高電平的持續時間為τ onL = 4μ S、預設谷值電流Iv = 2Α。
[0027]圖11為本實用新型實施例二的電路結構框圖。
[0028]圖12為本實用新型實施例三的電路結構框圖。
【具體實施方式】
[0029]實施例一
[0030]圖1示出，本實用新型的一種【具體實施方式】:
[0031]在每個開關周期起始時刻，控制器根據開關變換器TD的負載電流I。與負載基準電流^^進行比較，並根據比較的結果選擇合適的電感電流谷值Iv，其谷值電流選擇規則為:若I。較大，則選擇較大的Iv值，若I。較小，則選擇較小的Iv值。同時，控制器根據開關變換器TD的輸出電壓V。與基準電壓Vm之間的關係選擇該開關周期內的有效控制脈衝，從而實現對開關變換器TD的控制。其控制脈衝選擇規則為:若V。低於VMf，採用控制脈衝Ph控制開關變換器中的開關管S ;反之，若V。高於VMf，採用控制脈衝控制開關管S。控制器產生控制脈衝Ph的方法是:在某個開關周期起始的h時刻，單觸發計時器開始計時，控制脈衝Ph由低電平變為高電平，變換器TD中的開關管S開通，電感電流L上升；在tf τ οη_Η時刻，單觸發計時器結束計時，控制脈衝Ph在保持為高電平固定時間^⑶後變為低電平，開關管S關斷，二極體D開通，電感電流下降；在電感電流下降到預設的谷值電流Iv時刻，控制脈衝Ph在保持為低電平時間τ offJI後變為高電平，變換器進入下一個開關周期。
[0032]控制器產生控制脈衝匕的方法與上述過程類似，區別在於在一個開關周期內控制脈衝Pl為低電平的持續時間分別為τ on L( τ on L< τ onJI)。
[0033]圖2示出，本例的開關電源的控制方法的裝置，由變換器TD和控制器組成，控制器包括電壓檢測電路VD、負載電流檢測與比較電路IDC1、電感電流檢測與比較電路IDC2、谷值電流選擇器IS、脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、單觸發計時器00T1、單觸發計時器00T2、驅動電路DR，其結構特點是:負載電流檢測與比較電路IDCl與谷值電流選擇器IS相連，電感電流檢測與比較電路IDC2與脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、單觸發計時器0TT1、單觸發計時器0TT2相連；電壓檢測電路VD、脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、驅動電路依次相連DR ；脈衝產生器PG與電流檢測與比較電路IDC、單觸發計時器00T1、單觸發計時器00T2相連。
[0034]圖3示出，本例的負載電流檢測與比較電路IDCl的具體組成為:由負載電流檢測電路IDl和比較器AC1、AC2、AC3組成；所有比較器的正極性端均接負載電流I。，負極性端接預設的負載電流基準值I1, I2, 13。
[0035]圖4示出:本例的谷值電流選擇器的具體組成為:由與門AG1、AG2、AG3、AG4和開關S1、S2、S3、S4組成。AGl的輸入端接負載電流檢測與比較電路IDCl的輸出信號
Vci> vc2, Vc3O AG2的輸入端接％、VC2, VC3, AG3的輸入端接％ V- vc3, AG4的輸入端接
^cI >^。六61、六62、六63、六64的輸出端分別與開關31、52、53、54相接。
[0036]圖5示出，本例的電感電流檢測與比較電路IDC2的具體組成為:由電感電流檢測電路ID2和比較器AC4組成；比較器AC4的正極性端接選擇谷值電流Iv，負極性端接電流檢測電路ID2輸出的電感電流L ；比較器AC4的輸出端與脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、單觸發計時器OTTl、單觸發計時器0TT2相連。
[0037]圖6示出，本例的脈衝選擇器PS的具體組成為:由比較器AC5和D觸發器DFF組成；比較器AC5的正極性端接電壓檢測電路VD輸出的變換器輸出電壓V。，負極性端接基準電壓VMf，AC5的輸出端與D觸發器DFF的D端相連；D觸發器DFF的輸出端Q和^與脈衝產生器PG相連。
[0038]圖7示出，本例的脈衝產生器PG的具體組成為:由RS觸發器RSFFl、RSFF2，與門AG5、AG6，以及或門OG組成；RS觸發器RSFFl和RSFF2的S端均接電流檢測與比較電路的輸出信號U端分別接單觸發計時器OOTl和00T2的輸出信號\和Vth ;與門AG5的輸入端接RS觸發器RSFFl的Q端和觸發器DFF的Q端，與門AG6的輸入端接RS觸發器RSFF2
的Q端和觸發器DFF的^端；或門OG的輸入端接與門AG5和AG6的輸出端，OG的輸出端接開關管S的驅動電路DR。
[0039]本例的裝置其工作過程和原理是:
[0040]圖1-7示出，負載電流檢測與比較電路IDCl將此時的負載電流I。與負載電流基準值相比較，並將比較的信號輸出到谷值電流選擇器IS ;谷值電流選擇器根據負載電流檢測與比較電路IDCl的輸出信號選擇合適的谷值電流值Iv ;電感電流檢測與比較電路IDC2產生開關管周期開始的時鐘脈衝信號Vm ;當時鐘脈衝信號Vm來臨時刻，脈衝選擇器PS比較此時輸出電壓V。與基準電壓VMf的大小關係，並將代表比較結果的邏輯信號輸出至脈衝產生器PG ;於此同時，單觸發計時器OOTl或00T2開始計時；脈衝產生器PG根據單觸發計時器OOTl或00T2的記時信號Vi或Vth、時鐘脈衝信號Vw產生頻率和佔空比均不同的控制脈衝PH、Pl實現對變換器開關管S的控制。
[0041]負載電流檢測與比較電路IDCl完成負載電流檢測和比較，並將比較結果輸出到谷值電流選擇IS的輸入端:如圖2、3示出，負載電流檢測電路IDl檢測負載電流10 ；比較器ACU AC2、AC3將負載電流10與負載電流基準值I1' 12、I3進行比較，當負載電流10高於I1時，三個比較器的輸出信號Va、Ve2、Vra均為高電平；當負載電流I。低於I1高於I2時，Va為低電平，Vc2和Vc3為高電平；當負載電流I。低於I2高於I3時，比較器的輸出信號Va和Vc2為低電平，Vc3為高電平；當負載電流I。低於預設負載電流基準值I3時，三個比較器的輸出信號Va、Vc2、Vra均為低電平。
[0042]谷值電流選擇器IS根據負載電流檢測與比較電路IDCl的輸出信號選取合適的谷值電流值:圖2、4示出:AG1的輸入端接負載電流檢測與比較電路的輸出信號Va、
Vc2> Vc3O AG2的輸入端接％、VC2, VC3, AG3的輸入端接&、^AG4的輸入端接
νο?> VC2^ 。當AGl輸出高電平時，開關SI導通，輸出電感電流谷值為Ivl，當AG2輸出高電平時，開關S2導通，輸出電感電流谷值為Ιν2，當AG3輸出高電平時，開關S3導通，輸出電感電流谷值為Iv3，當AG4輸出高電平時，輸出電感電流谷值為Ιν4。
[0043]電感電流檢測與比較電路IDC2完成電感電流檢測和比較產生開關周期開始時刻的時鐘脈衝信號Vc4:圖2、5示出，電感電流檢測電路ID2檢測電感電流I。比較器AC4將選擇的谷值電流Iv與電感電流込進行比較；當電感電流低於預設谷值電流Iv時，比較器ACl的輸出信號Vc4為高電平，反之，當Ilj低於Iv時，Vc4為低電平；由於電感電流Ilj低於預設谷值電流Iv時刻，變換器開關管S開通，Ilj開始上升，比較器AC4的輸出信號Ve4為一系列窄脈衝信號。脈衝選擇器PS完成輸出電壓的比較和控制脈衝的選擇:圖2、6示出，比較器AC5將輸出電壓V。同基準電壓VMf進行比較，當輸出電壓V。低於基準電壓VMf時，比較器AC5的輸出信號Ve5為低電平，反之，當V。低於Vref時，Vra為高電平；當Vw上升沿來臨時，D觸發器DFF將此時比較器AC5的輸出信號Vra輸出至Q端,產生脈衝選擇信號Vq,根據觸發器的工作原理:VQ在Vw的下一個上升沿來臨之前保持不變，且^的電平高低始終與Vq相反。
[0044]脈衝產生器PG完成控制脈衝的產生和輸出:圖2、7示出，當Vc4上升沿來臨時，RS觸發器RSFFl的S端輸入高電平，RSFFl輸出的控制脈衝信號為高電平，當單觸發計時器OOTl記時結束時，RS觸發器RSFFl的R端輸入高電平，RSFFl輸出的控制脈衝信號變為低電平；RS觸發器RSFF2的工作過程與上述RSFFl類似，但由於RSFF2的R端接單觸發計時器00T2，單觸發計時器00T2的記時時長大於單觸發計時器OOTl的記時時長，RSFF2輸出的控制脈衝信號Ph的高電平持續時間大於匕；當脈衝選擇信號Vq為高電平，力低電平時，
與門AG5開通，AG6被封鎖，或門OG輸出控制脈衝匕至驅動電路；反之，當脈衝選擇信號Vq
為低電平，^力高電平時，與門AG6開通，AG5被封鎖，或門OG輸出控制脈衝Ph至驅動電路。
[0045]本例的變換器為Boost變換器。
[0046]用PSIM軟體對本例的方法進行時域仿真分析，結果如下。
[0047]圖8為採用上述控制方法及其控制裝置的變換器在穩定工作狀態下的仿真波形。如圖8a所示，為負載從8.5W跳變到16.5W時輸出電壓V。、電感電流込和負載電流10的仿真波形，從圖8a中可以看出，負載電流發生跳變增大後，谷值電流從0.5A變為2A，輸出電壓仍然穩定在電壓基準值8V。圖8b、圖8c分別為負載從8.5W跳變到24.5W和從8.5W跳變到32.5W時的仿真波形。圖8d為負載從8.5W連續跳變到32.5W時的仿真波形。從圖8可以看出，採用本實用新型控制方法及其裝置的變換器在負載發生跳變增大時，能迅速地選擇較大的谷值電流，改變其脈衝序列組合，使變換器穩定工作。
[0048]圖9為採用上述控制方法及其裝置的變換器在穩定工作狀態下，負載從32.5W連續跳變到24.5W、16.5W、8.5W的仿真波形。從圖9可以看出，採用本實用新型控制方法及其裝置的變換器在負載發生跳變減小時，能迅速地選擇較小的谷值電流，改變其脈衝序列組合，使變換器穩定工作。
[0049]圖10為現有的谷值電流型脈衝序列控制變換器在負載發生跳變時輸出電壓V。、電感電流L和負載電流10的仿真波形。從圖10(a)可以看出，當負載發生跳變從16.5W增大到24.5W時，負載電流1增大，負載功率已超出了變換器能達到的最大功率，輸出電壓Vo出現跌落，變換器不能再穩定工作。從圖10(b)可以看出，當負載發生跳變從16.5W減小到8.5W時，負載電流1減小，負載功率已超出了變換器能達到的最小功率，輸出電壓Vo出現上衝，變換器不能再穩定工作。故採用本實用新型的變換器不僅能抑制脈衝序列控制連續工作模式開關變換器的低頻波動現象，而且能根據負載電流大小調節電感的谷值電流，以適應負載的變化，有效地拓寬了變換器的負載範圍。
[0050]實施例二
[0051]圖11示出，本例與實施例一基本相同，不同之處是:本例控制的開關電源的變換器TD為Buck變換器。
[0052]實施例三
[0053]圖12示出，本例與實施例一基本相同，不同之處是:本例控制的開關電源的變換器TD為Buck-Boost變換器。
[0054]本實用新型方法可方便地用模擬器件或數字器件實現；除可用於以上實施例中的變換器組成的開關電源外，也可用於Cuk變換器、BIFRED變換器、反激變換器、半橋變換器、全橋變換器等多種功率電路組成開關電源。
【權利要求】
1.一種連續工作模式開關電源的多谷值電流型脈衝序列控制裝置，其特徵在於由變換器TD和控制器組，控制器包括電壓檢測電路VD、負載電流檢測與比較電路IDC1、谷值電流選擇器IS、電感電流檢測與比較電路IDC2、脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、單觸發計時器00T1、單觸發計時器00T2、驅動電路DR ;其特徵在於:負載電流檢測與比較電路IDCl與谷值電流選擇器相連；電感電流檢測與比較電路、脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、單觸發計時器OTTl、單觸發計時器0TT2相連；電壓檢測電路VD、脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、驅動電路依次相連至DR ;脈衝產生器PG與電感電流檢測與比較電路IDC2、單觸發計時器OOTl、單觸發計時器00T2相連。
【文檔編號】H02M3/156GK203933397SQ201420317161
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年6月15日 優先權日:2014年6月15日
【發明者】許建平, 劉姝晗, 沙金 申請人:西南交通大學