CN101018021A - 用于开关电源变换器的准平均输出电流控制方案 - Google Patents

用于开关电源变换器的准平均输出电流控制方案 Download PDF

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Abstract

提供一种准平均输出电流控制方案，该控制方案允许仅仅检测一部分开关电源变换器的电感电流来控制输出电流。而使得平均输出电流跟随参考电流。控制方案对干扰噪声不敏感，并使整个控制系统以低成本实现。

Description

用于开关电源变换器的准平均输出电流控制方案
技术领域
本发明涉及开关电源变换器拓扑结构输出控制。更具体地说，本发明涉及一种新的控制方案用于控制开关电源变换器的输出电流。这开关电源变换器可用做可控电流源在各种应用场合中使用。
背景技术
在已有的开关控制方案中有多种控制方法。他们可以分成电流+电压型控制和平均输出电流控制。
为了简化实现的成本，电流+电压型控制方案已广泛的用于开关电源之中。在开关电源中仅部分电感电流的信息被检测而用于调整相应的峰值电流的等效电流源。借助电压环路的调节，开关电源变换器具有非常好的调节特性。
平均输出电流控制是主要用于可控电流源应用，如电池充电器，发光二极管驱动器。在这类应用场合，由于可变负载没有迅速响应的电压环路来调节输出电流。要用平均输出电流控制来满足这要求。
平均输出电流控制需要收集所有电感和输出电流的信息。这在在线应用中，这一要求还是比较容易实现的。但在离线应用中由于绝缘隔离要求。要满足这一要求将是十分艰难。对离线应用而言，是否有一种控制方案对不同开关电源变换器拓扑结构，仅仅检测部分电感电流信息而使其控制型能非常接近平均输出电流控制性能。本发明提供一种准平均输出电流控制方案，它仅需检测部分电感电流，并且其控制性能非常接近平均输出电流控制性能。
发明内容
本发明呈现一种新的准平均输出电流控制方案。它用于控制开关电源变换器。它使得开关电源变换器的输出电流跟随参考电流变化。这使得开关电源变换器的输出为一电流源用于各种应用中。
准平均输出电流控制方案是有如下功能块组成，参考功能块将通常的参考信号变换成一种合适形式的信号；
在参考运算块中，根据不同开关电源变换器拓扑结构，按照预定算法进行运算；状态检测功能块，检测开关电源变换器的状态变量并将其变换成与参考功能块输出的信号相同形式的信号；
误差发生器用于检测从参考运算块和状态检测功能块输出信号的差值；误差放大器用于放大校正误差发生器检测出的差值，而形成脉宽调制器的调制信号；
脉宽调制器将调制信号转换成一系列脉宽调制脉冲。
参考功能块有可能是简单到为由一个开关组成并复杂到由各种操作功能组成。
参考运算块根据被控开关电源变换器拓扑结构，运算功能块有相应的运算有可能是简单到为由连接线组成并复杂到由各种操作功能组成。
状态检测功能块可以是简单到由一检测电阻组成并复杂到由各种操作功能组成。
误差发生器可以是简单到一加法器组成并复杂到由各种操作功能组成。
误差发生器可以与误差放大器合并。
脉宽调制器输出是用来同步参考功能块，参考运算块和状态检测功能块。在参考功能块和参考运算块中的参考信号已与状态检测功能块处理系统状态变量相同的方法和时间间隔处理。
本发明控制方案使用包含在部分电感电流中所有的信息，如变化速率，谷值，峰值以及瞬时平均电流。最容易检测部分输出电流的方法是检测功率开关电流。本控制方案是由若干功能块组成。如图一所示，它们是参考源块，参考源运算功能块，状态检测块，误差放大块，和脉冲调制块。
为了比较参考电流和平均输出电流，因为仅仅功率开关导通电流被检测作为部分输出电流，并且当功率开关关断时，检测电流为零。所以这参考电流必须处理成与从功率开关处检测出来的电流相同的格式。在参考源块中参考电流处理成一合适的格式输出。同时在状态检测块中检测的功率开关电流也产生一与参考电流相类似的格式输出，即当功率开关导通时这参考电流与功率开关电流的瞬时值可被检测出。当功率开关截止时，这参考电流与功率开关电流均为零。
在参考源运算块中，根据不同开关电源变换器拓扑结构，参考源块的输出信号按照预定算法进行运算以使这输出信号是相应开关电源变换器的控制信号。当功率开关截止时，这控制信号与功率开关电流均为零。
这控制信号与功率开关检测电流信号的误差在误差产生器中被检测出来。
在误差放大块中，这误差信号被采样，保持，放大或积累起来。这检测的误差能相当接近参考电流与平均输出电流的误差。这个误差可以在误差放大器中放大及补偿。这放大和补偿的误差信号可以经脉宽调制器产生一系列脉宽调制脉冲。由于开关电源变换器的整个环路的调节作用这误差可以被减小，这平均输出电流可以跟随参考电流变化。
附图说明
图1是用于开关电源变换器基本的平均输出电流控制方案方框图。
图2是本发明平均输出电流控制方案具体实例方框图。
具体实施方式
图2为一具体本发明方案的方框图。在方框图中有若干个功能块，多路开关MUX，运算功能块，加法器，PID校正器，LIM限幅器，比较器，R-S触发器，以及锯齿波和时钟FS。
时钟是用于设置开关电源变换器的开关频率并同步复位各需要复位的功能块，如多路开关MUX和运算功能块。脉宽调制器的斜坡信号是由时钟FS和简单电路产生。它可以是一锯齿波或三角波。
参考信号，或参考电流，被多路开关MUX斩波然后作为运算功能块的输入。同时，开关电源变换器的状态变量，或电感电流，通过功率开关被检测并作为加法器的输入之一。
根据被控开关电源变换器拓扑结构，运算功能块有相应的运算使其输出信号是相应开关电源变换器的控制信号。这输出信号是作为加法器的另一输入。
这点是清楚的，即当脉宽调制脉冲是高电平“1”时加法器的两个输入信号各具有相应的幅值，而当脉宽调制脉冲是低电平“0”时，这两个输入信号是零。
两个输入信号在加法器中相减而产生一个差值。这差值是非常接近参考电流与平均输出电流差值的微分。当脉宽调制脉冲是低电平“0”时，由于加法器的两个输入信号均为零，故加法器输出也为零。
加法器的输出作为PID校正器输入。这输出经PID校正器积分为参考电流与平均输出电流差值。这差值经校正放大为脉宽调制器的调制信号。由于整个环路的调节作用，这差值可以被校正而可忽略不计。
脉宽调制器是由LIM限幅器，比较器，R-S触发器，以及锯齿波和时钟FS组成。PID校正器输出的调制信号经脉宽调制器产生一系列脉宽调制脉冲。
脉宽调制器的输出脉宽调制脉冲控制相应开关电源变换器的功率开关。这使得相应开关电源变换器的输出电流跟随参考电流变化。
要应用这一控制方案，最容易的状态变量检测方法是检测功率开关电流，这功率开关电流可以是主开关也可以是其他开关，如在升压，降压，升降压电路中续流二极关只要电感电流流过这功率器件，并且这功率器件的电流可以被检测和这功率器件电流可以表征一部分输出电流。
使用准平均输出电流控制技术的好处是以最简单最低成本检测方法来完成等效的平均输出电流控制。由于在控制方案中有积分功能，本控制方案对干扰噪音不敏感。这是有利简化开关电源变换器印刷电路板的布线设计。

Claims (8)

1.准平均输出电流控制方案是有如下功能块组成，参考功能块将通常的参考信号变换成一种合适形式的信号；
在参考运算块中，根据不同开关电源变换器拓扑结构，按照预定算法进行运算；状态检测功能块，检测开关电源变换器的状态变量并将其变换成与参考功能块输出的信号相同形式的信号；
误差发生器用于检测从参考运算块和状态检测功能块输出信号的差值；
误差放大器用于放大校正误差发生器检测出的差值，而形成脉宽调制器的调制信号；
脉宽调制器将调制信号转换成一系列脉宽调制脉冲。
2.如权力要求一所述的准平均输出电流控制，其特征在于参考功能块有可能是简单到为由一个开关组成并复杂到由各种操作功能组成。
3.如权力要求一所述的准平均输出电流控制，其特征在于参考运算块根据被控开关电源变换器拓扑结构，运算功能块有相应的运算有可能是简单到为由连接线组成并复杂到由各种操作功能组成。
4.如权力要求一所述的准平均输出电流控制，其特征在于状态检测功能块可以是简单到由一检测电阻组成并复杂到由各种操作功能组成。
5.如权力要求一所述的准平均输出电流控制，其特征在于误差发生器可以是简单到一加法器组成并复杂到由各种操作功能组成。
6.如权力要求一所述的准平均输出电流控制，其特征在于误差发生器可以与误差放大器合并。
7.脉宽调制器输出是用来同步参考功能块，参考运算块和状态检测功能块。
8.在参考功能块和参考运算块中的参考信号已与状态检测功能块处理系统状态变量相同的方法和时间间隔处理。
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