基於電感電流自校準無損檢測的平均電流模式控制器的製作方法

2024-03-08 01:38:15

專利名稱：：基於電感電流自校準無損檢測的平均電流模式控制器的製作方法
技術領域：
：本發明涉及電力電子領域，特別涉及一種電感型變換器中電感電流自校準無損檢測的平均電流模式控制器。
背景技術：
：在電感型變換器中，基本上大多數的直流_直流或交流_直流變換器都需要檢測電感電流作為l.電流型環路控制；2.過流檢測保護；3.反向電流檢測，以實現斷續電流控制模式(DCM)。其中電感電流檢測的方法有很多，且各有優缺點。下表例舉了常用的幾種電感電流檢測的方法及其優缺點tableseeoriginaldocumentpage3
發明內容本發明提供一種電感電流自校準無損檢測的平均電流模式控制器，採用電感固有的串聯等效電阻(ESR)實現在電感型的直流-直流變換器中對不同阻值的ESR電阻進行自校準和電感電流的無損檢測，並基於這種電流檢測實現電感電流的平均電流控制。—種電感電流自校準無損檢測的平均電流模式控制器，包括電感型直流變換器、功率開關和與電感型直流變換器串聯的負載，所述的平均電流模式控制器還包括驅動器，連接所述的功率開關，用於控制功率開關的閉合；電流環控制電路，連接所述的電感型直流變換器的輸入輸出端，用於檢測流經電感的電流，並輸出穩定的直流檢測信號；電壓環控制電路，連接所述的電感型直流變換器的輸出端，用於對輸出電壓進行採樣，並為電流環控制電路輸出基準控制信號；斜坡補償電路，連接電流環控制電路的輸出端，用於向電流環控制電路輸出的直流檢測信號疊加一個斜坡信號；佔空比比校電路，接收直流檢測信號和電壓環控制電路輸出的基準控制信號，用於比較兩種信號並輸出佔空比信號控制所述的驅動器的工作。其中，所述的電流環控制電路包括低通濾波器、可變電阻、電容器，功率電壓基準源和低通濾波器直流增益自校準電路，其中所述的功率電壓基準源通過並聯的可變電阻和電容器連接低通濾波器的輸出端，用於為所述的低通濾波器的輸出提供直流偏置信號。所述的低通濾波器直流增益自校準電路，用於對可變電阻的阻值進行調節，從而改變低通濾波器的直流增益。其中，所述的電壓環控制電路包括誤差放大器、若干反饋分壓電阻、第一電壓基準源、補償電阻和補償電容器；所述的誤差放大器一輸入端通過反饋分壓電阻連接到變換器輸出端，另一輸入端連第一接電壓基準源，用於將反饋信號與所述的第一電壓基準源提供的基準電壓做誤差放大；所述的補償電阻和補償電容器連接誤差放大器的輸出端，用於構成電壓環控制電路的積分型滯後頻率補償網絡。其中，所述的低通濾波器直流增益自校準電路包括前置放大器、比較器，計數器和第二電壓基準源；前置放大器，連接所述的低通濾波器的輸出，用於將低通濾波器輸出的檢測信號放大；比較器，連接所述的前置放大器的輸出端和所述的第二電壓基準源，用於將前置放大器輸出的放大後的監測信號和第二電壓基準源輸出的基準信號進行比較；計數器，接收比較器輸出的比較信號，用於根據接收的比較信號控制所述的可變電阻的阻值。本發明的平均電流模式控制器，在電流環的設計中不需要再額外引入積分器，不存在複雜的補償問題。另外，電流環的反饋級是低通濾波器，其傳遞函數帶一個左半平面極點，當電流環控制電路閉環後，反饋級傳遞函數中的極點在閉環傳遞函數中分解成了一個左半平面零點和一個高頻極點，有助於增大帶寬和提高相位裕度。本發明的平均電流模式控制器以及採用本控制器進行平均電流控制方法的優點是適應性強，適用於任何帶電感的變換器拓撲和多種型號及系列的電感，應用工程師不需要事先測得電感的阻值，在控制器可校準範圍內的值均可以應用。採用本控制器進行平均電流控制，沒有在功率級引入額外的耗能原件，尤其在大功率應用的拓撲當中，轉換效率有相當明顯的提高。本發明的控制器有很多擴展應用，能夠對功率開關的導通電阻進行校準檢測。圖1為本發明的電路結構示意圖2為圖1中電路工作時關鍵信號的波形圖；圖3為本發明低通濾波器直流增益自校準電路結構示意圖；圖4為圖3中自校準過程中電路中各節點的信號波形圖。具體實施例方式圖1是發明的的電路結構示意圖，以降壓型buck拓撲進行說明，其他升壓型boost拓撲，升降壓型buck-boost拓撲的控制類似。—種電感電流自校準無損檢測的平均電流模式控制器，包括電感型直流變換器，其中L是電感，帶有一個未知的ESR電阻，電阻R。和電容器C。組成輸出負載；功率開關，由P溝道功率開關MP和N溝道功率開關麗構成，控制電感型直流變換器的輸出電壓；驅動器，連接功率開關，控制功率開關的閉合；電流環控制電路，包括跨導型運放gm、可變電阻Rs、電容器Cs細成的的低通一階gm-c濾波器，功率電壓基準源DC和低通濾波器直流增益自校準電路，低通濾波器輸入端連接電感型直流變換器的電感L兩端，檢測流經電感L的電流，並輸出穩定的直流檢測信號Vs，功率電壓基準源DC通過並聯的可變電阻Rs和電容器Cs連接低通濾波器的輸出端。低通濾波器直流增益自校準電路連接低通濾波器的輸出，並控制可變電阻Rs的阻值。電壓環控制電路，包括誤差放大器EA、兩個輸出電壓反饋分壓電阻R1和R2、第一電壓基準源、補償電阻Rc和補償電容器Ce，電壓環控制電路通過誤差放大器EA—輸入端連接反饋分壓電阻Rl和R2採樣得到反饋信號V^，其中，輸出反饋分壓電阻Rl和R2串聯後與電感型直流變換器的輸出端負載並連，誤差放大器EA由反饋信號VFB與基準電壓做誤差放大並為電流環控制電路輸出基準控制信號Vc。補償電阻Re和補償電容器Ce連接誤差放大器EA的輸出端，構成電壓環控制電路的積分型滯後頻率補償網絡。斜坡補償電路RAMP是一個峰峰值為VM的斜坡，連接電流環控制電路的輸出端，向電流環控制電路輸出的直流檢測信號疊加一個斜坡信號得到信號V^，；佔空比比較電路P麗，接收疊加斜坡信號後的信號V，和電壓環控制電路輸出的基準控制信號Vc，比校兩種信號並輸出佔空比信號控制驅動器的工作。產生佔空比信號d。電流環控制電路中的低通濾波器為一階gm-c濾波器，由跨導型運放gm和可變電阻Rs、電容器Cs組成。其傳遞函數表示為Gr^fe(1)其中，gm為跨導型運放gm的跨導值，Rs是可變電阻Rs的阻值，(；是電容器Cs的電容值，s表示復變量。由公式(1)可知，當運放的跨導確定後，只要改變可變電阻Rs的阻值就可以改變低通濾波器的直流增益。當低通濾波器的帶寬小於變換器工作頻率時，其輸出信號就能精確地表示電感電流的平均值，檢測到的電感電流平均值為formulaseeoriginaldocumentpage6RESK是電感ESR電阻的阻值，^是流過電感的電流當電流環閉環後，其閉環傳遞函數為formulaseeoriginaldocumentpage6VIN是變換器的輸入電壓，VM是斜坡的峰峰值，L是電感的感值。可見，其閉環傳遞函數有一低頻零點和兩個高頻極點，有助於改善閉環幅頻特性。電流環控制電路輸出信號疊加一個斜坡後VKMP與基準控制信號Vc。比較產生佔空比信號d去控制功率開關的工作。由於電流環設計的特殊性，電流環控制電路本身不需要補償，電壓環控制電路也只需要簡單的補償就可以實現理想的幅頻特性。這裡採用一個跨導型運放實現積分型滯後頻率補償。特別注意gm-c濾波器下面的功率電壓基準源DC，其作用是為濾波器的輸出提供一個合適的直流偏置，即濾波器的輸出信號是在這個功率電壓基準源上疊加而成的。若電感電流信號減小並靠近零，濾波器的輸出也減小並靠近DC基準值。這樣可以保證即使在很小的電流下，濾波器的輸出仍在合理的範圍之內，而避免進入飽和狀態。圖2是系統環路正常工作關鍵信號的波形圖。電感電流L為三角波，通過低通濾波器後檢測信號也為三角波，其高頻增益很小，所以基準控制信號Vs可以近似當成直流信號。疊加上一個斜坡後信號V皿p仍為斜坡信號。電壓環輸出信號Vc由於積分型滯後頻率補償網絡的影響也可以當成直流信號。V,與VJ言號通過P麗比較器後，可以得到佔空比信號d去控制功率開關的工作。圖3是電流檢測自校準電路的工作原理圖。其中，低通濾波器直流增益自校準電路包括前置放大器、比較器，計數器和第二電壓基準源；前置放大器，連接低通濾波器的輸出，將低通濾波器輸出的檢測信號Vs放大；比較器，連接前置放大器的輸出端和第二電壓基準源，將前置放大器輸出的放大後的監測信號VOTP和第二電壓基準源輸出的基準信號VKEF進行比較；計數器，接收比較器輸出的比較信號，用於根據接收的比較信號控制可變電阻Rs的阻值。其中可變電阻Rs是由Rmini、R。、2XR。、4XR。、8XR。、16XR。、32XR。、64XR。和128XR。組成串聯組成，R。、2XR。、4XR。、8XR。、16XR。、32XR。、64XR。和128XR。各並聯一個開關。一般電感的ESR阻值在幾十毫歐到幾歐姆不等，當採用8為計數器時，電流檢測自校準電路中可變電阻Rs可調整的範圍是Rmini<RsI>—^fi"Fi己a=.Ks.="(5)代入式(2)得=aTE(6)其中，K為前置放大器的增益。由式(5)(6)的分析可知，當系統參數確定後，經過自校準後的a值為一個恆定值，即電流檢測模塊的檢測比例是一恆定比值，符合控制系統設計的需要。權利要求一種電感電流自校準無損檢測的平均電流模式控制器，包括電感型直流變換器、功率開關和與電感型直流變換器串聯的負載，其特徵在於所述的平均電流模式控制器還包括驅動器，連接所述的功率開關，用於控制功率開關的閉合；電流環控制電路，連接所述的電感型直流變換器的輸入輸出端，用於檢測流經電感的電流，並輸出穩定的直流檢測信號；電壓環控制電路，連接所述的電感型直流變換器的輸出端，用於對輸出電壓進行採樣，並為電流環控制電路輸出基準控制信號；斜坡補償電路，連接電流環控制電路的輸出端，用於向電流環控制電路輸出的直流檢測信號疊加一個斜坡信號；佔空比比較電路，接收直流檢測信號和電壓環控制電路輸出的基準控制信號，用於比較兩種信號並輸出佔空比信號控制所述的驅動器的工作。2.如權利要求1所述的平均電流模式控制器，其特徵在於所述的電流環控制電路包括低通濾波器、可變電阻、電容器，功率電壓基準源和低通濾波器直流增益自校準電路，其中所述的功率電壓基準源通過並聯的可變電阻和電容器連接低通濾波器的輸出端，用於為所述的低通濾波器的輸出提供直流偏置信號；所述的低通濾波器直流增益自校準電路，用於對可變電阻的阻值進行調節，從而改變低通濾波器的直流增益。3.如權利要求2所述的平均電流模式控制器，其特徵在於所述的低通濾波器直流增益自校準電路包括前置放大器、比較器，計數器和第二電壓基準源，其中，所述的前置放大器，連接所述的低通濾波器的輸出，用於將低通濾波器輸出的檢測信號放大；所述的比較器，連接所述的前置放大器的輸出端和所述的第二電壓基準源，用於將前置放大器輸出的放大後的監測信號和第二電壓基準源輸出的基準信號進行比較；所述的計數器，接收比較器輸出的比較信號，用於根據接收的比較信號控制所述的可變電阻的阻值。4.如權利要求1所述的平均電流模式控制器，其特徵在於所述的電壓環控制電路包括誤差放大器、若干反饋分壓電阻、第一電壓基準源、補償電阻和補償電容器，其中所述的誤差放大器一輸入端通過反饋分壓電阻連接到變換器輸出端，另一輸入端連接第一電壓基準源，用於將反饋信號與所述的第一電壓基準源提供的基準電壓做誤差放大；所述的補償電阻和補償電容器連接誤差放大器的輸出端，用於構成電壓環控制電路的積分型滯後頻率補償網絡。全文摘要本發明公開了一種基於電感電流自校準無損檢測的平均電流模式控制器，包括電感型直流變換器、功率開關和與平均電流模式控制器串聯的負載，驅動器，具有電感電流自校準功能的電流環控制電路，電壓環控制電路，斜坡補償電路，佔空比比較電路。本發明的平均電流模式控制器適應性強，適用於任何帶電感的變換器拓撲和多種型號及系列的電感，應用工程師不需要事先測得電感的阻值，在控制器可校準範圍內的值均可以應用。採用本發明的控制器進行平均電流控制，沒有在功率級引入額外的耗能原件，尤其在大功率應用的拓撲當中，轉換效率有相當明顯的提高。本發明的控制器有很多擴展應用，能夠對功率開關的導通電阻進行校準檢測。文檔編號H02M3/06GK101789687SQ201010130920公開日2010年7月28日申請日期2010年3月23日優先權日2010年3月23日發明者吳曉波,婁佳娜,趙夢戀申請人:浙江大學