準連續工作模式開關電源的雙頻率控制裝置的製作方法

2023-06-20 17:49:56 3

專利名稱：準連續工作模式開關電源的雙頻率控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及準連續工作模式開關電源雙頻率控制方法及其裝置。
背景技術：
隨著電力電子技術及電力電子器件的快速發展，開關電源的優勢越來越明顯，在 很多應用領域都使用開關電源作為供電電源，更加促進了開關電源技術的迅速發展。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變換器、Boost變 換器、Buck-Boost變換器、正激變換器、反激變換器等。控制器用來控制功率變換器工作， 其結構和工作原理由開關電源所採用的控制方法決定。由於常見的功率變換器拓撲已能滿 足基本需要，並且對於同一功率電路拓撲而言，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。 傳統的電壓型脈衝寬度調製技術是最為常見的一種開關電源控制方法。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 器對該誤差信號與固定頻率鋸齒波信號進行比較獲得脈寬信號，以控制開關裝置的通、斷， 使輸出電壓達到期望值。採用傳統電壓型脈衝寬度調製技術的開關電源瞬態響應速度較 慢，另外補償網絡設計較為繁瑣。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種開關電源的控制方法——工作於電感電流準連續 工作模式的開關電源雙頻率控制。採用該控制方法時，控制器穩定可靠，無需補償網絡，輸 出功率範圍大，動態響應速度快，適用於多種變換器拓撲結構。 本實用新型的目的是提供實現上述準連續工作模式開關電源的雙頻率控制方法 的裝置。整個裝置由功率變換器和控制器組成，控制器中的驅動電路與功率變換器中的開 關裝置相連；在控制器中的準連續模式控制器與功率變換器中的濾波裝置之間設置有續流 開關。對應於實現準連續工作模式開關電源的雙頻率控制方法所採用的兩種技術方案，相 應的提供了兩種實現準連續工作模式開關電源的雙頻率控制方法的裝置方案①由設置在 控制器內的電壓檢測裝置、比較器、脈衝生成器、脈衝選擇器、驅動電路及準連續模式控制 器組成；比較器連接在電壓檢測裝置與脈衝選擇器之間；受電壓比較器控制的脈衝選擇器 連接在脈衝生成器與驅動電路之間。電壓檢測裝置檢測輸出電壓，然後與基準電壓相比較 用於控制脈衝選擇器；脈衝生成器生成兩組頻率不同的脈衝供選擇，最後控制脈衝通過驅 動電路控制主電路工作；準連續模式控制器用於控制電感兩端的續流開關，使變換器工作 在電感電流準連續模式。方案②由電壓檢測裝置、電流比較器、電壓比較器、脈衝周期選擇 器、電流檢測裝置、脈衝生成器、驅動電路及準連續模式控制器組成；電流比較器連接在電 流檢測裝置與脈衝生成器之間；電壓比較器連接在電壓檢測裝置與脈衝周期選擇器之間； 受電壓比較器控制的脈衝生成器連接在電流比較器與驅動電路之間；脈衝周期選擇器連接在電壓比較器與脈衝生成器之間。電壓檢測裝置檢測輸出電壓，然後與基準電壓相比較，比 較器輸出用於控制脈衝周期選擇器；電流檢測裝置檢測電感電流，再和峰值電流相比較，比 較輸出與脈衝周期選擇器共同作用於脈衝生成器生成控制脈衝，最後控制脈衝通過驅動電 路控制主電路工作；準連續模式控制器用於控制電感兩端的續流開關，使變換器工作在電 感電流準連續模式。 與現有技術相比，本實用新型的有益效果是 1、相對於已有的傳統電壓型脈衝寬度調製技術，採用本實用新型的開關電源在負 載突變時，控制器能夠快速調整兩頻率脈衝所佔的比例，使開關電源迅速恢復穩態，具有更 快的瞬態響應速度； 2、相對於雙頻率控制方法，採用本實用新型的開關電源在具有快速瞬態響應速度 的同時擴大了輸出功率範圍。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明。
圖1為本實用新型的控制系統採用技術方案①的實現裝置結構框圖。 圖2為本實用新型實施例一的電路結構示意圖。 圖3為本實用新型實施例一電路的主要工作波形示意圖。 圖4為本實用新型實施例一中，開關電源的時域仿真波形圖。 圖5為具有相同主電路參數的Buck變換器採用不同控制方法在負載突變時輸出 電壓仿真波形圖。 圖6為本實用新型的控制系統採用技術方案②的實現裝置結構框圖。 圖7為本實用新型採用技術方案②的電路結構示意圖。 圖8為圖7所示電路主要工作波形示意圖。 圖9為本實用新型實施例二的電路結構示意圖。 圖4中(a)為控制器輸出的主開關管的驅動信號波形；(b)為變換器電感電流波 形；(c)為變換器輸出電壓波形。 圖5中(a)採用傳統電壓型P麗調製；(b)採用雙頻率控制；(C)採用本實用新型 實施例一。
具體實施方式實施例一 採用技術方案① 圖1示出，本實用新型的具體實施方式
為準連續工作模式開關電源的雙頻率控 制方法及其裝置，其控制器主要由比較器、脈衝生成電路、脈衝選擇器、驅動電路及準連續 模式控制器組成。輸出電壓經檢測裝置後與基準電壓比較，比較結果用於控制脈衝選擇器 的工作；脈衝生成電路產生兩組具有相同導通時間但頻率不同的脈衝供脈衝選擇器選擇； 脈衝選擇器輸出經驅動電路後用於控制功率變換器的主開關管；準連續模式控制器用來控 制續流開關以確保變換器工作在電感電流準連續模式。 圖2給出了準連續工作模式開關變換器的雙頻率控制技術在Buck變換器中的應用。主電路較常見的Buck的唯一區別是在電感兩端增加了一個續流開關管SW2，用來控 制電感電流(ij ，當其導通時，電感電流維持不變，以使變換器工作在電感電流準連續模式 下。 本例中，具體的工作過程與原理為在每個工作脈衝的結束時刻，邏輯控制電路負 責產生一窄脈衝用於使能採樣保持電路並復位RS觸發器，採樣到的輸出電壓(V。)與基準 電壓(VMf)相比較，比較器輸出作為主開關管下一驅動脈衝選擇低頻或高頻脈衝工作的依 據。當輸出電壓低於基準電壓時，控制器選擇高頻脈衝工作來提升輸出電壓；反之，當輸出 電壓高於基準電壓時，控制器選擇低頻脈衝工作以降低輸出電壓。主功率開關管SW1導通 時，電感充電，電感電流上升；SW1關斷時電感電流下降，當電感電流下降到此時的電流基 準(IMf)時，用於控制續流開關管的RS觸發器置位，續流開關SW2導通，電感電流維持不變。 在當前脈衝的結束時刻，邏輯控制電路產生的窄脈衝在使能採樣保持電路的同時復位RS 觸發器，SW2關斷，SW1導通，電感電流再次上升，進入下一次循環。電流基準值與輸出功率 緊密相關，輸出功率越大，電流基準值也越大，通過實時檢測輸出電流來獲得電流基準值。 圖3為開關管SW1、 SW2的驅動波形以及電感電流波形。圖3示出，主功率開關管 SW1導通時，電感電流從IMf處開始上升；然後SW1關斷，電感電流下降。當電感電流下降到 Iref時，開關管SW2導通，此時電感電流維持Iref不變，直到下一個工作脈衝SW1再次導通。 因為Im的存在，電源輸入端可以向負載傳遞更多的能量，從而使得準連續工作模式開關變 換器的雙頻率控制能應用於更寬廣的輸出功率範圍。 仿真結果分析 圖4為採用Pspice軟體對本實用新型的控制方法進行時域仿真的結果，圖4分 圖(a)、 (b)、 (c)的橫軸均為時間(ms)， (a)的縱軸為驅動信號幅值(V) ， (b)的縱軸為電流 (A)， (c)的縱軸為電壓(V)。由圖4可見，變換器工作在電感電流準連續模式，主開關管的 驅動為兩不同頻率脈衝信號的組合。 圖5為分別採用(a)傳統電壓型P麗調製、(b)雙頻率控制、(c)本實用新型的具 有相同主電路參數的Buck變換器在負載突變時的輸出電壓仿真波形圖，負載在8ms時均由 9W突變至33W。從圖5中可以看出，採用傳統電壓型P麗調製的變換器在負載突變時，輸出 電壓波動較大，調整時間較長；雙頻率控制與本實用新型具有相同的頻率脈衝，但雙頻率控 制在負載突變時，由於提供不了 33W的負載功率，因而輸出電壓比基準電壓小很多；而採用 本實用新型的變換器由於工作在電感電流準連續模式，輸出端可以向負載端傳遞更多的能 量，因而負載突變時輸出電壓穩定，並且從圖中可以看出，當負載突變時，採用本實用新型 的變換器具有非常快的瞬態響應速度。 採用技術方案② 圖6示出，本實用新型採用技術方案②的具體實施方式
為準連續工作模式開關 電源的雙頻率控制方法及其裝置，其控制器主要由比較器、脈衝周期選擇器、脈衝生成器、 驅動電路及準連續模式控制器組成。輸出電壓經檢測裝置後與基準電壓比較，脈衝周期選 擇器根據比較結果選擇高或低頻率脈衝；電流傳感器檢測電感電流，並與峰值電流相比較， 比較輸出與脈衝周期選擇器輸出一起用於控制脈衝生成器；脈衝生成器輸出經驅動電路後 用於控制功率變換器的主開關管；準連續模式控制器用來控制續流開關以確保變換器工作 在電感電流準連續模式。[0032] 圖7、圖8給出了準連續工作模式開關變換器的雙頻率控制技術方案②在Buck變 換器中的應用。與技術方案①的區別在於技術方案②主開關管的驅動脈衝不再像技術 方案①一樣事先生成，只需要根據規則來選擇，技術方案②通過事先設定好電感電流峰值 (IpMk)及電感電流基準值(Irrf)來產生驅動脈衝，具體的工作過程及原理為在前一個脈衝 的結束時刻，也即當前脈衝的開始時刻，控制器產生一窄脈衝(NP)使能採樣/保持電路， 並使主開關管SW1導通及關斷續流開關SW2，採樣到的輸出電壓(V。)與基準電壓(Vref)相 比較，比較輸出決定當前工作脈衝周期為TH或IY。 fH，、^，為與fH、^同頻率的窄脈衝，用以 使能採樣/保持電路及置、復位RS觸發器。若當前脈衝開始時刻採樣到的輸出電壓小於基 準電壓，選擇f^作為窄脈衝，即當前工作脈衝為高頻脈衝fH ;當採樣到的輸出電壓大於基 準電壓時，選擇作為窄脈衝，當前工作脈衝為低頻脈衝^。開關管SW1導通時，電感電 流(ij從基準電流開始線性上升。電流檢測裝置檢測到的電感電流與峰值電流比較，當電 感電流上升到峰值電流時，主開關管關斷，電感電流下降。當電感電流下降到基準電流時， 續流開關SW2導通，電感電流維持Iref不變，直到下一工作脈衝來臨主開關管導通，電感電 流再次從基準電流值開始上升。當變換器穩定工作後，在任意一個頻率脈衝內，電感電流均 是以一固定斜率從基準電流值開始線性上升，由於峰值電流是固定不變的，所以兩頻率脈 衝具有相同的導通時間，從而高頻脈衝可以向負載端傳遞更多的能量。也正是由於峰值電 流的存在，使得電感電流一旦達到峰值電流時，開關管就自動關斷，從而實現電路的過流保 護。 實施例二 圖9示出，本例與實施例一相比，只是功率變換器部分改成了 Buck-Boost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Buck-Boost變換器的輸 出電壓穩定，動態響應速度快，輸出功率範圍較大。 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、Cuk變換器等功率電路組成的開關電源。
權利要求一種準連續工作模式開關電源的雙頻率控制裝置，由功率變換器和控制器組成，控制器中的驅動電路與功率變換器中的開關裝置相連，其特徵在於，在控制器中的準連續模式控制器與功率變換器中的濾波裝置之間設置有續流開關。
2. 根據權利要求1所述之準連續工作模式開關電源的雙頻率控制裝置，其特徵在於， 所述控制器由設置在控制器內的電壓檢測裝置、比較器、脈衝生成器、脈衝選擇器、驅動電 路及準連續模式控制器組成；比較器連接在電壓檢測裝置與脈衝選擇器之間；受電壓比較 器控制的脈衝選擇器連接在脈衝生成器與驅動電路之間。
3. 根據權利要求1所述之準連續工作模式開關電源的雙頻率控制裝置，其特徵在於， 所述控制器由電壓檢測裝置、電流比較器、電壓比較器、脈衝周期選擇器、電流檢測裝置、脈 衝生成器、驅動電路及準連續模式控制器組成；電流比較器連接在電流檢測裝置與脈衝生 成器之間；電壓比較器連接在電壓檢測裝置與脈衝周期選擇器之間；受電壓比較器控制的 脈衝生成器連接在電流比較器與驅動電路之間；脈衝周期選擇器連接在電壓比較器與脈衝 生成器之間。
專利摘要本實用新型公開了一種準連續工作模式開關電源的雙頻率控制裝置，由控制器控制功率變換器的功率輸出，功率變換器工作在電感電流準連續模式；控制器根據功率變換器的輸出狀態，選用兩組頻率不同的脈衝進行組合，以此實現對變換器功率輸出的控制。主功率開關管的驅動為兩組不同頻率脈衝的組合。本實用新型可用於開關變換器的多種拓撲結構，其優點是控制穩定可靠，無需補償網絡，輸出功率範圍大，瞬態響應速度快。
文檔編號H02M3/156GK201466973SQ20092007923
公開日2010年5月12日 申請日期2009年2月25日 優先權日2009年2月25日
發明者吳松榮, 周國華, 王金平, 秦明, 許建平 申請人:西南交通大學