連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列控制方法及其裝置的製作方法

2023-05-25 15:39:06

專利名稱：連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列控制方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關電源，尤其是一種開關變換器的控制方法及其裝置。
背景技術：
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。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，通過增大輸出濾波電容的等效串聯電阻(ESR)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，但增大輸出濾波電容的等效串聯電阻會使輸出電壓紋波增大。

發明內容
本發明的 目的是提供一種開關電源的控制方法，使之克服現有脈衝序列控制工作在電感電流連續模式時的技術缺點。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。本發明實現其發明目的，所採用的技術方案是:連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列控制方法，由變換器TD和控制器組成連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列調節系統，其工作方式包括:在每個開關周期起始時刻，根據開關變換器輸出電壓控制脈衝選擇規則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Nref,採用控制脈衝控制開關管S。上述的產生控制脈衝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，電感電流込上升；在to+ 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τ onJ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電感電流谷值Iv時刻，控制脈衝Ph在保持為低電平時間τ M11後變為高電平，單觸發計時器再次開始計時，開關管S再次開通，變換器進入下一個開關周期。上述的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為τ on L ( τ on L< τ 0nJI)o與現有技術相比，本發明的有益效果是:一、本發明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並簡單判斷其大小，和檢測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。二、本發明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，使被控變換器的工作範圍不受脈衝序列控制變換器電感電流臨界條件的限制，拓寬了應用範圍。本發明的另一目的是提供一種實現以上開關電源的控制方法的裝置。本發明實現該發明目的所採用的技術方案是:一種實現以上開關電源的控制方法的裝置，由變換器和控制器組成，控制器包括電壓檢測電路、電流檢測與比較電路、脈衝選擇器、脈衝產生器、單觸發計時器1、單觸發計時器2、驅動電路，其結構特點是:電流檢測與比較電路與脈衝選擇器、脈衝產生器、單觸發計時器1、單觸發計時器2相連；電壓檢測電路、脈衝選擇器、脈衝產生器、驅動電路依次相連；脈衝產生器與電流檢測與比較電路、單觸發計時器1、單觸發計時器2相 連。該裝置的工作過程和原理是:電流檢測與比較電路檢測電感電流Iy並將電感電流込與預設的電感電流谷值Iv比較，在電感電流込下降到預設的電感電流谷值Iv時刻，產生時鐘脈衝信號Va ;當時鐘脈衝來臨時刻，脈衝選擇器比較此時輸出電壓V。與基準電壓Vref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；脈衝產生器根據單觸發計時器記時和電流檢測與比較電路的比較結果，產生頻率和佔空比均不同的控制脈衝PH、Pl,並根據輸出電壓V。與基準電壓Vref的大小關係輸出對應的控制脈衝實現對變換器開關管S的控制。可見，採用以上裝置可以方便可靠地實現本發明以上方法。上述的電流檢測與比較電路的具體組成為:由電流檢測電路ID和比較器ACl組成；比較器ACl的正極性端接預設谷值電流Iv，負極性端接電流檢測電路ID輸出的電感電流Il。這樣，比較器ACl將電感電流込同預設谷值電流Iv進行比較，當電感電流込低於預設谷值電流Iv時，比較器ACl的輸出信號Va為高電平，反之，當L低於Iv時，Va為低電平。上述的脈衝選擇器的具體組成為:由比較器AC2和D觸發器DFF組成；比較器AC2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Vref，AC2的輸出端與D觸發器DFF的D端相連。這樣，比較器AC2將輸出電壓V。同基準電壓Vief進行比較，當輸出電壓V。低於基準電壓\#時，比較器AC2的輸出信號Vc2為低電平，反之，當V。低於Vref時，Vc2為高電平；當Va上升沿來臨時，D觸發器DFF將此時比較器AC2的輸出信號Vc2輸出至Q端，產生脈衝選擇信號Vq，根據觸發器的工作原理:V々VC1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。上述的脈衝產生器的具體組成為:由RS觸發器RSFF1、RSFF2，與門AG1、AG2，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VC1，R端分別接單觸發計時器OOTl和00T2的輸出信號\和Vth ;與門AGl的輸入端接RS觸發器RSFFl的Q端和觸發器DFF的Q端，與門AG2的輸入端接RS觸發器RSFF2的Q端和觸發器DFF的豆端；或門OG的輸入端接與門AGl和AG2的輸出端，OGl的輸出端接開關管S的驅動電路DR。這樣，在電感電流込下降到預設的電感電流谷值Iv時刻，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Pj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當脈衝選擇信號Vq為高電平，％為低電平時，與門AGl開通，AG2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，%為高電平時，與門AG2開通，AGl被封鎖，或門OG輸出控制脈衝Ph至驅動電路。以上的脈衝選擇器和脈衝產生器結構簡單，性能穩定，能夠可靠地實現本發明方法中的相關功能。上述控制裝置中，控制脈衝的選擇和產生也可以採用現有的其他結構的電路實現。下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。


圖1為本發明實施例一方法的信號流程圖。

圖2為本發明實施例一的電路結構框圖。圖3為本發明實施例一的電流檢測與比較電路的電路結構圖。圖4為本發明實施例一的脈衝選擇器的電路結構圖。圖5為本發明實施例一的脈衝產生器的電路結構圖。圖6a為本發明實施例一在穩態條件下某一時段電感電流込的時域仿真波形圖。圖6b為與圖6a同一時段電流檢測與比較電路產生的開關周期開始時刻的時鐘脈衝信號Va的時域仿真波形圖。圖6c為與圖6a同一時段控制脈衝信號Ph的時域仿真波形圖。圖6d為與圖6a同一時段控制脈衝信號Plj的時域仿真波形圖。圖6e為與圖6a同一時段有效控制脈衝信號Vp的時域仿真波形圖。圖6f為與圖6a同一時段變換器輸出電壓V。的時域仿真波形圖。圖6仿真條件如下:輸入電壓Vin=50V、輸出基準電壓VMf=20V、電感L=400yH、電容C=200 μ F、負載阻值R=IO Ω、控制脈衝Ph的高電平的持續時間為τ onJI=8 μ S、控制脈衝的高電平的持續時間為τ on L=l μ S、預設谷值電流Iv=L 8Α。圖7a為現有的脈衝序列控制變換器在穩態條件下某一時段，有效控制脈衝信號中Ph脈衝的時域仿真波形圖。圖7b為現有的脈衝序列控制變換器在與圖7a同一時段，有效控制脈衝信號中匕脈衝的時域仿真波形圖。圖7c為現有的脈衝序列控制變換器在與圖7a同一時段，變換器輸出電壓V。的時域仿真波形圖。圖7仿真條件如下:輸入電壓Vin=50V、輸出基準電壓VMf=20V、電感L=400yH、電容C=200 μ F、負載阻值R=IO Ω、控制脈衝Ph的佔空比為Dh=0.8、控制脈衝Pl的佔空比為Dl=0.1、變換器的開關頻率為f=100kHz。圖8為本發明實施例二的電路結構框圖。圖9為本發明實施例三的電路結構框圖。
具體實施例方式實施例一圖1示出，本發明的一種具體實施方式
為，一種開關電源的控制方法，其具體作法是:在每個開關周期起始時刻，控制器根據開關變換器TD的輸出電壓V。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，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，電感電流込上升；在to+ 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τ onJ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 offJ後變為高電平，變換器進入下一個開關周期。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 0nJI)o本例採用以下的裝置，可使上述控制方法得以方便快捷地實現。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、電流檢測與比較電路IDC、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:電流檢測與比較電路IDC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。圖3示出，本例的電流檢測與比較電路IDC的具體組成為:由電流檢測電路ID和比較器ACl組成；比較器ACl的正極性端接預設谷值電流Iv，負極性端接電流檢測電路ID輸出的電感電流L ；比較器ACl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。圖4示出，本例的脈衝選擇器PS的具體組成為:由比較器AC2和D觸發器DFF組成；比較器AC2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，AC2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和豆與脈衝產生器PG相連。圖5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AGU AG2，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Va，R端分別接單觸發計時器OOTl和00Τ2的輸出信號\和Vth ;與門AGl的輸入端接RS觸發器RSFFl的Q端和觸發器DFF的Q端，與門AG2的輸入端接RS觸發器RSFF2的Q端和觸發器DFF的0端；或門OG的輸入端接與門AGl和AG2的輸出端，OGl的輸出端接開關管S的驅動電路DR。本例的裝置其工作過程和原理是:圖1-5示出，電流檢測與比較電路IDC產生開關管周期開始的時鐘脈衝信號Va ；當時鐘脈衝信號Va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00Τ2開始計時；脈衝產生器PG根據單觸發計時器OOTl或00Τ2的記時信號Vtl或VTH、時鐘脈衝信號Va產生頻率和佔空比均不同的控制脈衝ΡΗ、&實現對變換器開關管S的控制。電流檢測與比較電路IDC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Va:圖2、3示出，電流檢測電路ID檢測電感電流I。比較器ACl將預設谷值電流Iv與電感電流込進行比較；當電感電流込低於預設谷值電流Iv時，比較器ACl的輸出信號Va為高電平，反之，當込低於Iv時，Vci為低電平；由於電感電流込低於預設谷值電流Iv時刻，變換器開關管S開通，Il開始上升，比較器ACl的輸出信號Va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、4示出，比較器AC2將輸出電壓V。同基準電壓Nrei進行比較，當輸出電壓V。低於基準電壓Vref時，比較器AC2的輸出信號Ve2為低電平，反之，當V。低於VMf時，Ve2為高電平；當Va上升沿來臨時，D觸發器DFF將此時比較器AC2的輸出信號Vc2輸出至Q端，產生脈衝選擇信號Vq,根據觸發器的
工作原理:％在Va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。脈衝產生器PG完成控制脈衝的產生和輸出:圖2、5示出，當Va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，％為低電平時，
與門AGl開通，AG2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，K力高電平時，與門AG2開通，AGl被封鎖，或門OG輸出控制脈衝Ph至驅動電路。本例的變換器為Buck變換器。用PSIM軟體對本例的方法進行時域仿真分析，結果如下。圖6為仿真得到的採用上述控制方法及其控制裝置的變換器在額定工作狀態下的工作波形。圖6a、圖6b、圖6c、圖6d、圖6e、圖6f分別為變換器電感電流Ip開關周期開始時刻的時鐘脈衝信號Va、控制脈衝信號PH、控制脈衝信號匕、效控制脈衝信號VP、變換器輸出電壓V。。從圖6可看出，13個開關周期組成循環周期，開關管S的控制脈衝組成的脈衝序列為:1PH — 5Pl — IPh — 6Pl。變換器不存在低頻波動現象，變換器輸出電壓紋波約17mV。圖7為現有的脈衝序列控制變換器在額定工作狀態下的工作波形。圖7a、圖7b、圖7c分別為變換器有效控制脈衝信號中Ph脈衝、有效控制脈衝信號中匕脈衝、變換器輸出電壓V。的時域仿真波形圖。從圖6可看出，當變換器工作在連續模式時，控制脈衝信號Ph和控制脈衝信號連續作為有效控制脈衝，變換器輸出出現低頻波動現象，變換器輸出電壓紋波約0.85V，遠大於本發明實施例一中變換器輸出電壓紋波17mV。故採用本發明的變換器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，使被控變換器的工作範圍不受脈衝序列控制變換器電感電流臨界條件的限制。實施例二圖8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Boost變換器。

實施例三圖9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。本發明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.連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列控制方法，由變換器TD和控制器組成連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列調節系統，其工作方式包括:在每個開關周期起始時刻，根據開關變換器輸出電壓控制脈衝選擇規則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S0
2.如權利要求1所述的連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列控制方法，其特徵在於:所述的產生控制脈衝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τ onJ時刻，單觸發計時器結束計時，控制脈衝Ph在保持高電平固定時間τ m H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電感電流谷值Iv時刻，控制脈衝Ph在保持低電平時間τ M11後變為高電平，單觸發計時器再次開始計時，開關管S再次開通，變換器進入下一個開關周期； 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匕為低電平的持續時間為τ on L, τ on L< τ m H。
3.如權利要求1所述的連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列控制方法，其特徵在於，所述預設的電感電流谷值Iv為直接設定的電感電流谷值或由輸入、輸出反饋量產生，與輸入量或輸出量有關的電感電流谷值。
4.如權利要求2所述的連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列控制方法，其特徵在於，所述預設的高電平的持續時間Tmi h和低電平的持續時間τ。。為直接設定的恆定導通時間，或由輸入、輸出反饋量產生，與輸入量或輸出量有關的恆定導通時間。
5.一種實現權利要求1或2或3或4所述的實現連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列的裝置，由變換器TD和控制器組成，控制器包括電壓檢測電路VD、電流檢測與比較電路IDC、脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、單觸發計時器00Τ1、單觸發計時器00Τ2、驅動電路DR，其特徵在於:電流檢測與比較電路IDC與脈衝選擇器PS、脈衝產生器PG、單觸發計時器0ΤΤ1、單觸發計時器0ΤΤ2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與電流檢測與比較電路IDC、單觸發計時器OOTl、單觸發計時器00Τ2相連。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於:所述的電流檢測與比較電路IDC的具體組成為:比較器ACl的正極性端接預設谷值電流Iv，負極性端接電流檢測電路ID輸出的電感電流Il。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於:所述的脈衝選擇器的具體組成為:由比較器AC2和D觸發器DFF組成；比較器AC2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，AC2的輸出端與D觸發器DFF的D端相連。
8.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於:所述的脈衝產生器的具體組成為:由RS觸發器RSFFl和RS觸發器RSFF2，與門AGl和與門AG2，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Va，R端分別接單觸發計時器OOTl和00T2的輸出信號ντ 和Vth ;與門AGl的輸入端接RS觸發器RSFFl的Q端和觸發器DFF的Q端，與門AG2的輸入端接RS觸發器RSFF2的Q端和觸發器DFF的0端；或門OG的輸入端接與門AGl和AG2的輸出端，OGl的輸出`端接開關管S的驅動電路DR。
全文摘要
本發明公開了一種用於連續工作模式開關電源的半滯環脈衝序列控制方法及其裝置在每個開關周期起始時刻，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。其控制脈衝選擇規則為若Vo低於Vref，採用控制脈衝PH控制開關變換器中的開關管S；反之，若Vo高於Vref，採用控制脈衝PL控制開關管S。各控制脈衝的高電平持續時間為預設的固定值，低電平持續時間根據電感電流IL與預設的估值電流IV比較獲得。該方法可用於控制工作於連續模式的大功率開關變換器，其控制技術簡單易行，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。
文檔編號H02M3/157GK103236790SQ20131010455
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月28日 優先權日2013年3月28日
發明者許建平, 沙金, 王金平, 劉姝晗 申請人:西南交通大學