CN101546958A

CN101546958A - 改进的开关电源脉冲宽度调制技术及其实现装置

Info

Publication number: CN101546958A
Application number: CN200910059156A
Authority: CN
Inventors: 王金平; 许建平; 周国华; 秦明
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: CN101546958B

Abstract

本发明公开了一种改进的开关电源脉冲宽度调制技术及其实现装置，根据开关电源输出电压与基准电压产生的误差信号，再由比较器对该误差信号相关的电压信号与载波信号进行比较得到控制信号，以实现对开关电源的控制，其特征在于，设置电压区间判断器，对所述误差信号的电压区间进行判断，根据误差信号所处区间的不同，选择不同的电压信号在比较器中与载波进行比较，其比较输出作为驱动信号，用以控制主功率开关管工作调节开关电源输出电压。该发明可用于控制多种拓扑结构的开关电源，其突出优点是采用这种控制方案的开关电源具有快速的瞬态响应速度。

Description

改进的开关电源脉冲宽度调制技术及其实现装置

技术领域

本发明涉及开关电源设备，尤其是开关电源脉冲宽度调制技术及其实现装置制造领域。

背景技术

开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。它具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，在小功率范围内基本上取代了线性调整电源，并迅速向中大功率范围推进，在很大程度上取代了晶闸管相近整流电源。可以说，开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术。开关电源主要由功率变换器和控制器两部分构成。功率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。常见的功率变换器拓扑结构有Buck降压变换器、Boost升压变换器、Buck-Boost升降压变换器、正激变换器、反激变换器等。控制器能够检测功率变换电路输出电压或电路其它状态，并据此产生相应开关信号控制功率变换电路开关装置的工作，从而调节开关电源的输出以得到期望的输出值。控制器的结构和工作原理由开关电源所采用的控制方法决定。对于同一功率电路拓扑，采用不同的控制方法会对系统的稳态精度及动态性能等方面产生影响，因而控制方法的研究显得日益重要。

传统的脉冲宽度调制(PWM)技术是很为广泛采用的一种开关电源调制技术，它能满足一般控制要求。其控制思想是：用误差放大器对开关电源的输出电压和基准电压进行比较获得误差信号，再由比较器对该误差信号与锯齿波信号进行比较获得脉宽信号，以控制开关装置的导通、关断，使输出电压达到期望值。当输入电压或负载出现波动时，由于误差放大器放大系数有限以及补偿网络的存在，导致误差信号变化相对缓慢，因而脉冲宽度的变化也较为缓慢，这使得开关电源的动态响应速度较慢。因而随着某些应用场合对于开关电源在瞬态响应速度方面性能要求的提高，脉冲宽度调制技术已很难满足这一要求，这就迫切的需要采用新的控制方法来提升开关电源的瞬态响应速度。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的开关电源脉冲宽度调制技术，以改善开关电源在瞬态响应方面的性能。

本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案是：根据开关电源输出电压与基准电压产生的误差信号，再由比较器对该误差信号相关的电压信号与载波信号进行比较得到控制信号，以实现对开关电源的控制，其特征在于，设置电压区间判断器，对所述误差信号的电压区间进行判断，根据误差信号所处区间的不同，选择不同的电压信号在比较器中与载波进行比较，其比较输出作为驱动信号，用以控制主功率开关管工作调节开关电源输出电压。

本发明的另一目的是提供一种实现以上开关电源脉冲宽度调制技术的装置，采用：电压检测装置、误差放大器、模拟多路选择器、比较器及驱动电路顺序连接；电压区间判断器输入端与误差放大器的输出端相连，其输出端与模拟多路选择器相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：与现有的脉冲宽度调制技术相比，采用本发明的开关电源在输入电压或负载发生改变时，控制器能够立即调节开关装置动作，使开关电源迅速达到稳态，大大提升了开关电源的瞬态响应速度。

附图说明

图1为本发明控制系统实现装置结构框图。

图2为本发明实施例一的电路结构示意图。

图3为本发明控制器中模拟多路选择器输出与误差信号关系示意图。

图4为本发明实施例一和传统电压型PWM调制的开关电源在输入电压突变时输出电压仿真波形图。(a)输入电压波形(b)为传统电压型PWM调制的开关电源在输入电压突变时的输出电压；(c)为本发明实施例一的开关电源在输入电压突变时的输出电压。

图5为本发明实施例一和传统电压型PWM调制的开关电源在输入电压突变时输出电压仿真波形图。(a)负载电流波形(b)为传统电压型PWM调制的开关电源在负载突变时的输出电压；(c)为本发明实施例一的开关电源在负载突变时的输出电压。

图6为本发明实施例二的电路结构示意图。

具体实施方式

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。

实施例一

图1示出，本发明的具体实施方式为：一种改进的开关电源脉冲宽度调制技术，其控制器(Controller)主要由电压检测装置VD、误差放大器EA、模拟多路选择器AM、电压区间判断器VIJ、比较器COM及驱动电路DC组成。功率变换器PTD输出电压经电压检测装置VD后与基准电压相比较，然后经误差放大器EA及补偿网络CN后得到误差信号；电压区间判断器VIJ根据误差信号电压的大小，产生相应的信号去控制模拟多路选择器AM工作；模拟多路选择器AM根据电压区间判断器VIJ生成的控制信号选择相应的电压信号作为输出，然后与载波信号CS进行比较得到最终的控制脉冲；最后，控制脉冲经驱动电路DC后用于控制功率变换器PTD的开关装置，由此得到期望的稳定输出电压。

图2给出了本发明在Buck变换器中的应用。输出电压(V_o)与基准电压(V_ref)经误差放大器EA及补偿网络CN后得到误差信号(V_e)，电压区间判断器VIJ根据误差信号电压大小产生相应的信号来控制模拟多路选择器AM工作。图3示出了模拟多路选择器AM输出与误差信号关系示意图。电压区间判断器VIJ将电压分为三个区间，即电压小于V_-的区间、电压大于V₊的区间以及电压区间(V_-，V₊)。当误差信号处于电压区间(V_-，V₊)时，电压区间判断器VIJ控制模拟多路选择器AM选择误差信号作为其输出(V_c)；当误差信号小于V_-时，控制器选择事先设定好的固定电压V_L作为其输出；而当误差信号大于V₊时，模拟多路选择器AM的输出则为V_H。V_c及V_e的关系可以很清晰的通过式(1)来表示：

V_{c} = \{\begin{matrix} V_{L} & V_{e} < V_{-} \\ V_{e} & V_{-} \leq V_{e} \leq V_{+} \\ V_{H} & V_{e} > V_{+} \end{matrix} - - - (1)

这一关系的实现则通过电压区间判断器VIJ及模拟多路选择器AM来完成。V_c再和载波信号CS进行比较得到最终的控制脉冲，控制脉冲再通过驱动电路DC控制主功率开关管的工作，调节开关电源输出以维持恒定。当输入电压或负载出现变化时，会引起误差信号的相应变化。一旦误差信号偏离区间(V_-，V₊)，模拟多路选择器AM将指定一电压做为新的控制信号与载波信号相比较，从而引起驱动脉冲占空比的较大变化来获得快的动态响应速度。若V_c恒等于V_e，则控制方式即为传统的电压型脉冲宽度调制技术，这也是本发明与传统电压型脉冲宽度调制技术的唯一区别，也正是由于对误差信号进行了处理，从而改善了开关电源的瞬态响应速度。因而V_-和V₊的差值不宜较大，否则动态响应速度将得不到明显的提升。另外，V_L及V_H的值应根据载波信号的最小及最大值来进行选取，V_L及V_H的值分别决定了最小及最大占空比。

仿真结果分析：

图4为采用Pspice软件对分别采用传统电压型脉冲宽度调制技术及本发明方法的Buck变换器在输入电压突变时的输出电压波形，图4分图(a)、(b)、(c)的横轴均为时间(ms)，纵轴均为电压(V)。在图4中可以看出，当输入电压突变时，采用本发明的Buck变换器具有更快的瞬态响应速度，输出电压波动小，且很快进行新的稳态。仿真条件：输出电压V_o＝V_ref＝6V，电感L＝5.6uH，电容C＝1000uF，负载R＝5Ω，开关周期为27us。

图5为采用传统电压型PWM调制和本发明的开关电源在负载出现突变情况下的输出电压动态响应时域仿真波形图，分图(a)为负载电流，(b)和(c)分别对应采用传统电压型脉冲宽度调制和本发明的输出电压，横轴均为时间(ms)，(a)纵横为电流(A)，(b)和(c)纵轴均为电压(V)。图5中，在17ms时负载电流由1.2A阶跃变化至3.2A，而在19ms时负载电流由3.2A突变至1.2A，即模拟瞬间加载及减载过程。图由可见，当开关电源突然加载或减载时，对于传统电压型PWM调制，系统响应时间长，并且会产生较高的的电压偏移量；而采用本发明的开关电源瞬态响应速度很快，系统立即进入新的稳态。由此可见采用本发明的开关电源具有很好的负载动态特性。仿真条件：输出电压V_in＝14V，V_o＝V_ref＝6V，电感L＝5.6uH，电容C＝1000uF，开关周期为27us。

实施例二

图6示出，本例与实施例一相比，功率变换器为反激变换器，控制装置与实施例一相同。同样通过仿真证明，采用本发明的反激变换器的输出电压稳定，动态响应速度快。

本发明除了可用于控制上述实施例中的两种功率变换器外，也可用于Boost变换器、Buck-boost变换器、正激变换器、半桥变换器、全桥变换器等功率电路组成的开关电源。

Claims

1、改进的电源脉冲宽度调制技术，根据开关电源输出电压与基准电压产生的误差信号，再由比较器对该误差信号相关的电压信号与载波信号进行比较得到控制信号，以实现对开关电源的控制，其特征在于，设置电压区间判断器，对所述误差信号的电压区间进行判断，根据误差信号所处区间的不同，选择不同的电压信号在比较器中与载波进行比较，其比较输出作为驱动信号，用以控制主功率开关管工作调节开关电源输出电压。

2、根据权利要求1所述的改进的电源脉冲宽度调制技术，其特征在于，电压区间判断器对误差信号进行判断，当误差信号处于电压区间(V_-，V₊)，电压区间判断器控制模拟多路选择器选择误差信号与载波信号进行比较；当误差信号小于V_-时，电压区间判断器控制模拟多路选择器选择V_L与载波信号相比较；而当误差信号大于V₊时，多路模拟选择器将选择V_H作为其输出。

3、一种实现权利要求1或2所述的改进的开关电源脉冲宽度调制技术的装置，由电压检测装置、误差放大器、模拟多路选择器、电压区间判断器、比较器及驱动电路组成；其特征在于：电压检测装置、误差放大器、模拟多路选择器、比较器及驱动电路顺序连接；电压区间判断器输入端与误差放大器的输出端相连，其输出端与模拟多路选择器相连。