CN101505098A

CN101505098A - 伪连续工作模式开关电源的多级脉冲序列控制方法及其装置

Info

Publication number: CN101505098A
Application number: CNA2008101481376A
Authority: CN
Inventors: 许建平; 秦明; 王金平; 周国华; 吴松荣
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2009-08-12

Abstract

用于工作于伪连续模式的开关电源多级脉冲序列控制方法：电压检测电路(VCC)检测变换器的输出电压V_O送误差放大器(VA)，误差放大器(VA)在每个开关周期起始时刻用输出基准电压V_ref与输出电压V₀进行比较产生误差电压值ΔV；误差区间判断器(VC)对该误差电压值ΔV与设定的N(N≥1)个输出电压的误差区间值δ_n，n＝1，2，…N，进行比较，根据比较结果输出控制脉冲选择信号使多级脉冲产生器(MPG)产生占空比不同的控制脉冲P_n1和P_n2，n＝1，2，…N，N+1分别对变换器TD的开关管S₁和S₂进行控制。可实现伪连续工作模式开关电源的多级脉冲序列控制。采用该种控制方法变换器输出功率不受电流临界条件限制，输出电压纹波较小，动态响应好，抗干扰能力强，适用于各种拓扑结构的变换器。

Description

伪连续工作模式开关电源的多级脉冲序列控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种开关电源的控制方法及其装置。

背景技术

近年来，电力电子技术迅速发展，作为电力电子领域重要组成部分的电源技术成为应用和研究的热点。随着电力电子器件制造技术和变流技术的进步，开关电源确立了其在直流-直流变换中的主流地位。计算机、通讯设备、电子检测设备、控制设备等都广泛采用开关电源作为供电装置。开关电源主要由变换器和控制器两部分构成。变换器又称为功率电路，主要包括开关装置、变压器装置和整流滤波电路；变换器有Buck、Boost、正激、反激等多种拓扑结构。控制器用于检测变换器电路的工作状态，并产生控制脉冲信号控制开关装置，调节传递给负载的电量以稳定输出。控制器的结构和工作原理由电源采用的控制方法决定。目前变换器技术已经较为成熟，控制方法及控制方法涉及的控制电路成为影响开关电源性能的关键因素。现有的控制方法有电压型、电流型等传统的PWM控制，也有近年出现的脉冲序列控制等新型控制方法。

脉冲序列控制方法是用控制器产生高能量控制脉冲或者低能量控制脉冲对开关管进行控制。其具体控制方法是：在每个开关周期起始时刻判断输出电压V_o与基准电压V_ref间的关系，若输出电压V_o低于基准电压V_ref，控制器将选择占空比大的高能量控制脉冲作为变换器的控制信号，使开关管的导通时间长，电感电流上升至对应的电流峰值后开关管关断并结束该周期，输出电压升高；反之将会选择占空比小的低能量控制脉冲，其工作情况与上述相似。脉冲序列技术根据输出电压瞬时值的相对大小选择高能量或低能量控制脉冲，具有较好的快速响应能力。其不足之处是：仅能用于控制工作在电感电流断续模式(DCM)的开关变换器，工作范围受电感电流临界条件的限制，因此不适用于大功率场合；稳态工作时变换器输出电压波动幅度较大。另一种新型的多级脉冲序列控制方法较好地解决了纹波较大的问题，但也是用于DCM变换器。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电源的控制方法，采用该方法可用于控制工作于伪连续模式的大功率开关变换器，并且其动态响应好，抗干扰能力强，适用于各种拓扑结构的变换器。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：伪连续工作模式开关电源的多级脉冲序列控制方法，其具体作法是：

电压检测电路检测变换器的输出电压V₀送误差放大器，误差放大器在每个开关周期起始时刻用输出基准电压V_ref与输出电压V₀进行比较产生误差电压值ΔV；误差区间判断器对该误差电压值ΔV与设定的N(N≥1)个输出电压的误差区间值δ_n，n＝1，2，...N，进行比较，根据比较结果向多级脉冲产生器输出控制脉冲选择信号，其比较与选择的规则是：当ΔV>δ₁时，控制脉冲选择信号使多级脉冲产生器产生开关管S₁的控制脉冲P₁₁和S₂的控制脉冲P₁₂；当δ_n-1≥ΔV>δ_n，N≥n>1时，控制脉冲选择信号使多级脉冲产生器产生开关管S₁的控制脉冲P_n1和S₂的控制脉冲P_n2；当ΔV≤δ_N时，控制脉冲选择信号使多级脉冲产生器产生开关管S₁的控制脉冲P_N+1 1和S₂的控制脉冲P_N+1 2。再由多级脉冲产生器MPG产生的控制脉冲P_n1和P_n2分别通过驱动电路DR₁和DR₂对变换器TD的开关管S₁和S₂进行控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、该方法用于控制工作于电感电流伪连续模式(PCCM)的开关变换器。控制器通过控制每个开关周期电感电流的峰值和谷值(或每个开关周期开关管S₁的导通时间和电感电流谷值，或每个开关周期V_ESR的峰值和谷值)实现调节，控制参数可以根据变换器的工作范围进行设置。在保持脉冲序列控制和多级脉冲序列控制优点的同时，该控制方法可使被控变换器的工作范围不受电感电流临界条件的限制，从而拓宽了应用范围。

二、开关周期起始时刻基准电压V_ref与变换器输出电压V₀的差值ΔV决定该周期变换器向负载传递能量的多少。在开关周期的起始时刻，当ΔV大于最高区间值δ₁时，表明此时输出电压V₀跌落幅度很大，需要尽快使其回升，本发明方法即选用控制脉冲P₁₁和P₁₂对变换器的开关管S₁和S₂进行控制，使开关管S₁的导通时间最长，以传递尽可能多的能量，使输出电压能够尽快回升；相反，当ΔV小于最低区间值δ_N时，表明此时输出电压V₀高于基准电压V_ref且幅度很大，需要尽快使其回落，本发明方法即选用控制脉冲P_N+1 1和P_N+1 2对开关管S₁和S₂进行控制，使开关管S₁的导通时间最短，以传递尽可能少的能量，使输出电压能够尽快回落。可见本发明的控制方法能够在变换器受到较大扰动时，将输出电压迅速重新调节至基准电压附近，响应时间短，抗干扰能力强。

三、输出电压在基准电压附近波动时，本发明方法将采用对应的适当占空比的中间级控制脉冲P_n1和P_n2对开关管进行控制，传递能量适当，使输出电压保持在基准电压附近的小范围内波动在稳态工作状态时，本发明大多数工作时间将会选择占空比适当且相互差值较小的中间级控制脉冲P_n1和P_n2控制开关管的状态，各开关周期向负载传递的能量差异较小，使输出电压保持在基准电压附近的小范围内波动，即电压纹波较小。

上述的多级脉冲产生器产生控制脉冲P_n1和P_n2，n＝1，2，...N+1的方法是：多级脉冲产生器在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器中的电感电流I_L开始上升；电流检测电路则同步检测电感电流I_L，多级脉冲产生器将该电流信号I_L与该周期的控制脉冲P_n1，n＝1，2，...N+1，所对应的电感电流峰值I_n，n＝1，2，...N+1，进行比较，当电流I_L上升至对应的峰值I_n时，控制脉冲P_n1由高电平变为低电平；电流I_L随即开始下降，当I_L下降至直至电流谷值I_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至本开关周期结束。

扰动出现时，电感电流信号会受到影响，故电感电流I_L上升至当前的控制脉冲P_n1所对应的电流峰值I_n所用的时间也会相应的延长或缩短，使得该开关周期P_n1信号的占空比升高或降低以抑制扰动对变换器的影响。类似地也会对P_n2信号的占空比产生影响。可见，这种方式除通过在扰动出现后的开关周期选择恰当的脉冲这一途径抑制扰动外，还能通过开关周期内电感电流信号的反馈抑制扰动，因此对变换器输入端出现的扰动有很快的响应速度。这种方式还同时实现了变换器的过流保护及多个电源并联工作时的均流功能。

上述的多级脉冲产生器产生控制脉冲P_n1和P_n2，n＝1，2，...N+1的另一种方法是：多级脉冲产生器在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器中的电感电流I_L开始上升；P_n1持续高电平固定时间D_nT后变为低电平；电流I_L随即开始下降，当I_L下降至直至电流谷值I_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至开关周期结束。

这样产生的控制脉冲P_n1的占空比为预设的固定值，可利用现有任何可以产生多个固定占空比脉冲的电路实现控制。固定的占空比也使系统抗干扰性更强。

上述的多级脉冲产生器产生控制脉冲P_n1和P_n2，n＝1，2，...N+1的第三种方法是：多级脉冲产生器在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器中电容的等效串联电阻(ESR)上的电压V_ESR开始上升；电压检测电路则同步检测电压V_ESR，多级脉冲产生器将该电压信号V_ESR与该周期的控制脉冲P_n1，n＝1，2，...N+1，所对应的电压峰值V_n，n＝1，2，...N+1，进行比较，当电压V_ESR上升至对应的电压峰值V_n时，控制脉冲P_n1由高电平变为低电平；电压V_ESR随即开始下降，当V_ESR下降至直至电压谷值V_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至本开关周期结束。

这种多级脉冲的产生方法，多级脉冲的占空比由输出滤波电容的等效串联电阻电压及其预设的基准值决定。在每个开关周期对输出滤波电容等效串联电阻上的纹波电压V_ESR进行检测，当变换器负载端出现扰动时，该扰动会影响到纹波电压V_ESR，故V_ESR上升至当前的控制脉冲P_n所对应的输出滤波电容的等效串联电阻电压基准值

所用的时间也会相应的延长或缩短，使得该开关周期的占空比升高或降低以抑制扰动对变换器的影响。因此利用本方法产生多级控制脉冲，除通过在扰动出现后的开关周期选择恰当的脉冲这一途径抑制扰动外，还能通过输出滤波电容等效串联电阻上的纹波电压信号的反馈抑制扰动，因此对变换器负载端出现的扰动有很快的响应速度。

本发明的另一目的是提供一种实现以上开关电源的控制方法的装置。

本发明实现该发明目的所采用的技术方案是：一种实现以上开关电源的控制方法的装置，由变换器和控制器组成，控制器包括电压检测电路、电流检测电路、驱动电路、时钟信号产生器，其结构特点是：电压检测电路、误差放大器、误差区间判断器、多级脉冲产生器、驱动电路依次相连；时钟信号产生器与误差区间判断器及多级脉冲产生器相连；电流检测电路与多级脉冲产生器相连。

该装置的工作过程和原理是：

输出电压检测电路检测变换器的输出电压V₀，误差放大器在每个开关周期起始时刻用输出基准电压V_ref与输出电压V₀进行比较产生误差电压值ΔV；误差区间判断器对该误差电压值ΔV与设定的N个输出电压的误差区间值δ_n，n＝1，2，...N，进行比较，根据比较结果向多级脉冲产生器输出相应的控制脉冲选择信号；再由多级脉冲产生器产生控制脉冲P_n1和P_n2对变换器开关管S₁、S₂进行控制。

可见，采用以上装置可以方便可靠地实现本发明以上方法。

上述的误差区间判断器的具体组成为：由N个比较器DC_nn＝1，2，...N以及N个触发器D_n n＝1，2，...N组成；比较器DC_n的正极性端均与误差放大器的输出端相连，负极性端分别接对应的误差区间值δ_n信号，输出端与触发器D_n的数据输入端相连；触发器D_n的时钟输入端与时钟信号产生器相连，触发器D_n的输出端与多级脉冲产生器相连。

以上的误差区间判断器和多级脉冲产生器构造简单，性能稳定，能够可靠地实现本发明方法中的误差判断与多级控制脉冲产生的功能。

上述的多级脉冲产生器的具体组成为：产生P_n1脉冲的电路由N+1个比较器PC_n n＝1，2，...N+1以及N+1个触发器RS_n，n＝1，2，...N+1及N+1选1数据选择器(DS)组成；比较器PC_n的正极性端均与变换器电感电流检测电路(IC)的输出端相连，比较器PC_n的负极性端接对应的变换器电感电流基准值

，其输出端接触发器RS_n的复位端(R)，触发器RS_n的置位端(S)与时钟信号产生器(CPG)相连，其输出端(Q)接N+1选1数据选择器(DS)的数据输入端，N+1选1数据选择器(DS)输出端接开关管S₁的驱动电路(DR₁)。产生P_n2脉冲的电路由1个比较器PC_V和1个触发器RS_V组成；比较器PC_V的负极性端与变换器电感电流检测电路(IC)的输出端相连，比较器PC_V的正极性端接电感电流谷值K_V，其输出端接触发器RS_V的复位端(R)，触发器RS_n的置位端(S)与上述N+1选1数据选择器(DS)输出端相连，触发器RS_n的输出端(Q)接开关管S₂的驱动电路(DR₂)。

这样，多级脉冲产生器在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器中的电感电流I_L开始上升；电流检测电路则同步检测电感电流I_L，多级脉冲产生器将该电流信号I_L与该周期的控制脉冲P_n1，n＝1，2，...N+1，所对应的电感电流峰值I_n，n＝1，2，...N+1，进行比较，当电流I_L上升至对应的峰值I_n时，控制脉冲P_n1由高电平变为低电平；电流I_L随即开始下降，当I_L下降至直至电流谷值I_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至本开关周期结束。

这样，控制信号的占空比由电感电流决定。这种结构的控制装置，除通过在扰动出现后的开关周期选择恰当占空比的脉冲这一途径抑制扰动外，还能通过开关周期内反馈的电感电流信号抑制扰动，因此对变换器输入端出现的扰动有很快的响应速度。这种方式还同时实现了变换器的过流保护及多个电源并联工作时的均流功能。

这种结构的控制装置经过简单改动还可以用于上述的多级脉冲产生器产生控制脉冲的第二种方法和第三种方法。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例一方法的信号流程图。

图2为本发明实施例一的电路结构框图。

图3为本发明实施例一的误差区间判断器的电路结构图。

图4为本发明实施例一的多级脉冲产生器的电路结构图。

图5a为本发明实施例一在稳态条件下某一时段控制脉冲P_n1的时域仿真波形图。

图5b为与图5a同一时段控制脉冲P_n2的时域仿真波形图。

图5c为与图5a同一时段变换器电感电流的时域仿真波形图。

图5d为与图5a同一时段变换器输出电压的时域仿真波形图。

图5仿真条件如下：输入电压V_in＝15V、输出电压参考值V_ref＝8V、电感L＝100uH、电容C＝1410uF、负载阻值R＝5Ω、开关周期T＝50μs、P₁₁对应的电感电流峰值为3.8A、P₂₁对应的电感电流峰值为3.55A、P₃₁对应的电感电流峰值为2.9A、P₄₁对应的电感电流峰值为2.5A、电感电流谷值为2A、设定的三级误差电压区间值δ₁＝20mV、δ₂＝0mV、δ₃＝-20mV。

图6a为实施例一在负载变化(负载在20ms时刻由8W跃变至20W)时变换器输出电压的仿真波形图。

图6b为现有的PWM控制变换器在同样的负载变化时，输出电压的仿真波形图。图6仿真条件与图5相同。

图7a为实施例一在负载变化(负载在20ms时刻由6.4W跃变至12.8W)时变换器输出电压的仿真波形图。

图7b为现有的脉冲序列控制DCM变换器在同样的负载变化时，输出电压的仿真波形图。图7仿真条件与图5相同。

图8为本发明实施例二的电路结构框图。

图9为本发明实施例三的电路结构框图。

具体实施方式

实施例一

图1示出，本发明的一种具体实施方式为，一种开关电源的控制方法，其具体作法是：

电压检测电路VCC检测变换器TD的输出电压V₀，误差放大器VA在每个开关周期起始时刻用输出基准电压V_ref与输出电压V₀进行比较产生误差电压值ΔV；误差区间判断器VC对该误差电压值ΔV与设定的N＝3个输出电压的误差区间值δ_n，n＝1，2，3，进行比较，根据比较结果向多级脉冲产生器MPG输出相应的控制脉冲选择信号，其比较与选择的规则是：当ΔV>δ₁时，误差区间判断器VC的输出信号使多级脉冲产生器MPG产生控制脉冲P₁₁和P₁₂；当δ₁≥ΔV>δ₂时，输出信号使多级脉冲产生器MPG产生控制脉冲P₂₁和P₂₂；当δ₂≥ΔV>δ₃时，输出信号使多级脉冲产生器MPG产生控制脉冲P₃₁和P₃₂；当ΔV≤δ₃时，输出信号使多级脉冲产生器MPG产生控制脉冲P₄₁和P₄₂；再由多级脉冲产生器MPG产生的控制脉冲P_n1和P_n2，n＝1，2，3，4分别通过驱动电路DR₁和DR₂对变换器TD的开关管S₁和S₂进行控制。

图1还示出，多级控制脉冲P_n1和P_n2的具体产生方式是：多级脉冲产生器MPG在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器TD中的电感电流I_L开始上升；电流检测电路IC则同步检测变换器电流I_L，多级脉冲产生器MPG将该电流I_L信号与该周期的控制脉冲P_n1所对应的电感电流峰值I_n，n＝1，2，3，4，进行比较，当电流I_L上升至对应的峰值I_n时，控制脉冲P_n1由高电平变为低电平；电流I_L随即开始下降，当I_L下降至直至电流谷值I_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至开关周期结束。

本例采用以下的装置，可使上述控制方法得以方便快捷地实现。图2示出，本例的开关电源的控制方法的装置，由变换器TD和控制器组成，控制器包括电压检测电路VCC、电流检测电路IC、驱动电路DR、时钟信号产生器CPG。电压检测电路VCC、误差放大器VA、误差区间判断器VC、多级脉冲产生器MPG、驱动电路DR依次相连；时钟信号产生器CPG与误差区间判断器VC及多级脉冲产生器MPG相连；电流检测电路IC与多级脉冲产生器MPG相连。

图3示出，本例的误差区间判断器VC的具体组成为：由N＝3个比较器DC_nn＝1，2，3以及N＝3个触发器D_nn＝1，2，3组成；3个比较器DC_n的正极性端均与误差放大器VA的输出端相连，负极性端分别设定为相应的误差区间值δ_n，输出端与相应的触发器D_n的数据输入端相连；触发器D_n的时钟输入端与时钟信号产生器CPG相连，触发器D_n的输出端Q_n/Q_n与多级脉冲产生器MPG相连。

图4示出，本例的多级脉冲产生器MPG为四级脉冲产生器，其具体组成为：由N+1＝4个比较器PC_n，n＝1，2，3，4以及N+1＝4个触发器RS_n n＝1，2，3，4及4选1数据选择器DS组成；比较器PC_n的正极性端均与电流检测电路IC的输出端相连，比较器PC_n的负极性端分别接相应的电感电流峰值I_n(即PC₁的负极端接电流峰值I₁，PC₂的负极端接电流峰值I₂……)；其输出端接触发器RS_n的复位端R；触发器RS_n的置位端S与时钟信号产生器CPG相连，输出端Q接4选1数据选择器DS的数据输入端，数据选择器DS输出端接驱动电路DR₁。

本例的4选1数据选择器由两级逻辑门组成，第一级为四个与门G1、G2、G3、G4，第二级为或门G5。多级脉冲产生器MPG中的四个触发器RS₁、RS₂、RS₃、RS₄的输出端Q，分别相应地与G1、G2、G3、G4门相连，误差区间判断器VC的输出Q₁，Q₂，Q₃与G1门相连，Q₁，Q₂，Q₃与G2门相连，Q₁，

，Q₃与G3门相连，Q₁，

与G4门相连。误差区间判断器VC的输出Q₁，Q₂，Q₃，Q₁，

，实际上也就是三个触发器D₁、D₂、D₃对应的输出端Q，Q。四个与门的输出端均接或门G5的输入端，或门G5的输出端与驱动电路DR相连。在实际实施时，也可以选用其它任何现有的数据选择器。以上为多级脉冲产生器MPG中产生P_n1的电路。

图4还示出多级脉冲产生器MPG中产生P_n2的电路：比较器PC₅的负极性端均与电流检测电路IC的输出端相连，正极性端接电感电流谷值I_V；其输出端接触发器RS_n的复位端R；触发器RS_n的置位端S与数据选择器DS输出端相连，输出端Q接驱动电路DR₂。

本例的装置其工作过程和原理是：

图1-4示出，4级脉冲发生器在每个开关周期内均产生设定的N+1＝4个占空比依次下降的控制脉冲P_n1，n＝1，2，3，4，其产生方式为：在每个开关周期起始时刻，控制器的时钟信号产生器CPG产生的时钟信号，使每个控制脉冲P_n1均为高电平；电流检测电路IC则同步检测变换器TD中的电感电流I_L，该电流I_L进入4级脉冲发生器中的四个比较器PC_n，由PC_n将该电流I_L与分别设定的控制脉冲P_n1所对应的电感电流峰值I_n，n＝1，2，3，4(I₁，I₂，I₃，I₄)进行比较；比较的具体过程是：当I_L上升至峰值I_n时，对应的控制脉冲P_n1由高电平变为低电平，直至开关周期结束。这样，即在多级脉冲产生器的4个RS_n n＝1，2，3，4触发器的输出端Q分别输出对应占空比依次递减的四个(四级)控制脉冲P₁₁、P₂₁、P₃₁、P₄₁。

控制脉冲P_n1的选择：图2-4示出，任一开关周期起始时刻，电压检测电路VCC检测变换器TD的输出电压V₀，误差放大器VA用基准电压V_ref与输出电压V₀进行比较产生误差电压值ΔV。误差区间判断器VC对该误差电压值与设定的N＝3个输出电压的误差区间值δ_n，n＝1，2，3，进行比较，误差区间判断器VC的触发器D_n输出端输出控制脉冲选择信号Q_n/Q_n，由4选1数据选择器DS选择出对应的控制脉冲P_n1。本例中，其选择控制脉冲P_n更详细的工作过程为：当ΔV>δ₁时，则误差区间判断器VC的输出信号Q₁，Q₂，Q₃均为高电平，此时4选1数据选择器的与门G2、G3、G4均被封锁，仅有G1开通，与G1相连的触发器RS₁输出端Q上的控制脉冲P₁₁经或门G5输出至驱动电路DR₁。当ΔV<δ₃时，Q₁，Q₂，Q₃均输出为低电平，G1、G2、G3均被封锁，仅有G4开通，与G4相连的触发器RS₄输出端Q上的控制脉冲P₄₁经或门G5输出至驱动电路DR₁。同理，当δ₁≥ΔV>δ₂或者δ₂≥ΔV>δ₃时，由控制脉冲选择信号Q_n/Q_n选通控制脉冲P₂₁或P₃₁。这样，多级脉冲产生器MPG即完成了产生相应控制脉冲P_n1控制变换器工作的过程。

控制脉冲P_n2的产生方式为：在每个开关周期起始时刻，P_n1为高电平，触发器RS₅被置位，输出端Q为低电平；当P_n1变为低电平后，电感电流I_L开始下降，同时PC₅的输出信号可通过触发器RS₅输出至驱动电路DR₂；当I_L下降至谷值I_V时，P_n2由低电平变为高电平，直至开关周期结束。这样，触发器RS₅的输出端Q输出控制脉冲P_n2。

本例的变换器为Buck变换器。

用Matlab/Simulink软件对本例的方法进行时域仿真分析，结果如下。

图5a、图5b、图5c和图5d分别为仿真得到的控制脉冲信号P_n1、控制脉冲信号P_n2、电感电流I_L和输出电压V₀波形。从图5可看出，3个开关周期组成循环周期，P_n1控制脉冲序列为：P₂₁—P₃₁—P₃₁。

图6a为实施例一在负载突变(负载在20ms时刻由8W跃变至20W)时变换器输出电压的仿真波形图。图6b为现有的PWM控制变换器在同样的负载变化时，输出电压的仿真波形图。可见，PWM控制变换器在扰动出现后，经过约1.5ms后才能基本恢复稳态，输出电压跌落近0.2V；而同样的条件下，采用本发明方法进行控制时，开关电源可迅速进入新的稳态，没有出现明显的电压跌落。故本发明方法的瞬态响应能力远优于PWM控制。

图7a为实施例一在负载突变(负载在20ms时刻由6.4W跃变至12.8W)时变换器输出电压的仿真波形图。图7b为现有的脉冲序列控制DCM变换器在同样的负载变化时，输出电压的仿真波形图。可见，加载后变换器所带的负载已经超过了脉冲序列控制变换器的负载上限，输出电压出现持续下降，变换器无法正常工作；而同样的条件下，采用本发明方法进行控制时，变换器仍能稳定工作。故本发明方法控制的开关变换器工作范围更大。

实施例二

图8示出，本例与实施例一基本相同，不同之处是：设定的输出电压的误差区间值的个数N为4个，δ_n，n＝1，2，3，4，相应的控制脉冲P_n1为五个，即P₁₁、P₂₁、P₃₁、P₄₁、P₅₁。多级脉冲产生器MPG产生控制脉冲P_n，n＝1，2，3，4，5的方法是：多级脉冲产生器(MPG)在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器(TD)中的电感电流I_L开始上升；P_n1持续高电平固定时间D_nT后变为低电平；电流I_L随即开始下降，当I_L下降至直至电流谷值I_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至开关周期结束。

本例控制的开关电源的变换器TD为Boost变换器，如图8所示。

实施例三

图9示出，本例与实施例一基本相同，不同之处是：设定的输出电压的误差区间值的个数N为5个，δ_n，n＝1，2，3，4，5，相应的控制脉冲P_n1为六个，即P₁₁、P₂₁、P₃₁、P₄₁、P₅₁、P₆₁。多级脉冲产生器MPG产生控制脉冲P_n，n＝1，2，3，4，5，6的方法是：多级脉冲产生器(MPG)在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器(TD)中电容的等效串联电阻(ESR)上的电压V_ESR开始上升；电压检测电路(VCC′)则同步检测电压V_ESR，多级脉冲产生器(MPG)将该电压信号V_ESR与该周期的控制脉冲P_n1，n＝1，2，...N+1，所对应的电压峰值V_n，n＝1，2，...N+1，进行比较，当电压V_ESR上升至对应的峰值V_n时，控制脉冲P_n1由高电平变为低电平；电压V_ESR随即开始下降，当V_ESR下降至直至电流谷值V_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至本开关周期结束。

本例控制的开关电源的变换器TD为Buck-Boost变换器，如图9所示。

显然，本发明在实施时，可根据开关电源的实际工作状态以及性能要求设置控制脉冲级别的数量。设置更多可供选择的控制脉冲级别，一般可获得更好的控制效果，但同时会在一定程度上增加控制器的复杂程度。

本发明方法是一种定频控制方法，开关电源的开关频率由外部时钟脉冲决定。它可方便地用模拟器件或数字器件实现；除可用于以上实施例中的变换器组成的开关电源外，也可用于Cuk变换器、BIFRED变换器、反激变换器、半桥变换器、全桥变换器等多种功率电路组成开关电源。

Claims

1、伪连续工作模式开关电源的多级脉冲序列控制方法，其具体作法是：

电压检测电路VCC检测变换器TD的输出电压V₀送误差放大器VA，误差放大器VA在每个开关周期起始时刻用输出基准电压V_ref与输出电压V₀进行比较产生误差电压值ΔV；误差区间判断器VC对该误差电压值ΔV与设定的N(N≥1)个输出电压的误差区间值δ_n，n＝1，2，...N，进行比较，根据比较结果向多级脉冲产生器MPG输出控制脉冲选择信号，其比较与选择的规则是：当ΔV>δ₁时，控制脉冲选择信号使多级脉冲产生器MPG产生开关管S₁的控制脉冲P₁₁和S₂的控制脉冲P₁₂；当δ_n-1≥ΔV>δ_n，N≥n>1时，控制脉冲选择信号使多级脉冲产生器MPG产生开关管S₁的控制脉冲P_n1和S₂的控制脉冲P_n2；当ΔV≤δ_N时，控制脉冲选择信号使多级脉冲产生器MPG产生开关管S₁的控制脉冲P_N+1 1和S₂的控制脉冲P_N+1 2，再由多级脉冲产生器MPG产生的控制脉冲P_n1和P_n2分别通过驱动电路DR₁和DR₂对变换器TD的开关管S₁和S₂进行控制。

2、如权利要求1所述的伪连续工作模式开关电源的多级脉冲序列控制方法，其特征在于：所述的多级脉冲产生器MPG产生控制脉冲P_n1和P_n2，n＝1，2，...N+1的方法是：

多级脉冲产生器MPG在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器TD中的电感电流I_L开始上升；电流检测电路IC则同步检测电感电流IL，多级脉冲产生器MPG将该电流信号I_L与该周期的控制脉冲P_n1，n＝1，2，...N+1，所对应的电感电流峰值I_n，n＝1，2，...N+1，进行比较，当电流I_L上升至对应的峰值I_n时，控制脉冲P_n1由高电平变为低电平；电流I_L随即开始下降，当I_L下降至直至电流谷值I_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至本开关周期结束。

3、如权利要求1所述的伪连续工作模式开关电源的多级脉冲序列控制方法，其特征在于：所述的多级脉冲产生器MPG产生控制脉冲P_n1和P_n2，n＝1，2，...N+1的方法是：

多级脉冲产生器MPG在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器TD中的电感电流I_L开始上升；P_n1保持高电平固定时间D_nT后变为低电平；电流I_L随即开始下降，当I_L下降至直至电流谷值I_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至开关周期结束。

4、如权利要求1所述的伪连续工作模式开关电源的多级脉冲序列控制方法，其特征在于：所述的多级脉冲产生器MPG产生控制脉冲P_n1和P_n2，n＝1，2，...N+1的方法是：

多级脉冲产生器MPG在每个开关周期起始时刻，输出P_n1为高电平，P_n2为低电平，变换器TD中电容的等效串联电阻ESR上的电压V_ESR开始上升；电压检测电路VCC′则同步检测电压V_ESR，多级脉冲产生器MPG将该电压信号V_ESR与该周期的控制脉冲P_n1，n＝1，2，...N+1，所对应的电压峰值V_n，n＝1，2，...N+1，进行比较，当电压V_ESR上升至对应的峰值V_n时，控制脉冲P_n1由高电平变为低电平；电压V_ESR随即开始下降，当V_ESR下降至直至电压谷值V_V时，控制脉冲P_n2由低电平变为高电平，二极管关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至本开关周期结束。

5、一种实现权利要求1或2或3或4所述的伪连续工作模式开关电源的多级脉冲序列控制方法的装置，由变换器TD和控制器组成，控制器包括电压检测电路VCC、电流检测电路IC、驱动电路DR、时钟信号产生器CPG，其特征在于：所述的电压检测电路VCC、误差放大器VA、误差区间判断器VC、多级脉冲产生器MPG、驱动电路DR依次相连；时钟信号产生器CPG与误差区间判断器VC及多级脉冲产生器MPG相连；电流检测电路IC与多级脉冲产生器MPG相连。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的误差区间判断器VC的具体组成为：由N个比较器DC_n，n＝1，2，...N以及N个触发器D_nn＝1，2，...N组成；比较器DC_n的正极性端均与误差放大器VA的输出端相连，负极性端分别接对应的误差区间值δ_n信号，输出端与触发器D_n的数据输入端相连；触发器D_n的时钟输入端与时钟信号产生器CPG相连，触发器D_n的输出端与多级脉冲产生器MPG相连。

7、根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的多级脉冲产生器MPG的具体组成为：产生P_n1脉冲的电路由N+1个比较器PC_nn＝1，2，...N+1以及N+1个触发器RS_nn＝1，2，...N+1及N+1选1数据选择器DS组成；比较器PC_n的正极性端均与变换器电感电流检测电路IC的输出端相连，比较器PC_n的负极性端接对应的变换器电感电流基准值I_n，其输出端接触发器RS_n的复位端R，触发器RS_n的置位端S与时钟信号产生器CPG相连，其输出端Q接N+1选1数据选择器DS的数据输入端，N+1选1数据选择器DS输出端接开关管S₁的驱动电路DR₁；产生P_n2脉冲的电路由1个比较器PC_V和1个触发器RS_V组成；比较器PC_V的负极性端与变换器电感电流检测电路IC的输出端相连，比较器PC_V的正极性端接电感电流谷值I_V，其输出端接触发器RS_V的复位端R，触发器RS_n的置位端S与上述N+1选1数据选择器DS输出端相连，触发器RS_n的输出端Q接开关管S₂的驱动电路DR₂。