CN101557168B

CN101557168B - 准连续工作模式开关电源的多频率控制方法及其装置

Info

Publication number: CN101557168B
Application number: CN2009100584191A
Authority: CN
Inventors: 许建平; 王金平; 秦明; 周国华; 吴松荣; 牟清波
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: CN101557168A

Abstract

本发明公开了一种准连续工作模式开关电源的多频率控制方法及其装置：开关变换器工作在电感电流准连续模式，控制器根据开关变换器的输出状态，采用多组不同频率的脉冲进行组合，以此实现对开关变换器的控制。采用本发明方案的开关变换器工作在电感电流准连续模式下，主功率开关管的驱动为多组不同频率脉冲的组合，可用于开关变换器的多种拓扑结构，其优点是：控制稳定可靠，无需补偿网络，输出电压纹波小，输出功率范围大，瞬态响应速度快。

Description

准连续工作模式开关电源的多频率控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及准连续工作模式开关电源的多频率控制方法及其装置。

背景技术

随着现代电子类科学技术的快速发展，电子设备与人们日常的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。开关电源由于其效率高、体积小、功率密度大等方面的优势，越来越受到人们的关注。80年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了计算机的电源换代。进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源常见的拓扑结构已能满足基本变换需要，并且对于同一拓扑结构而言，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。目前，开关电源控制广泛采用脉冲宽度调制(PWM)技术。

传统的电压型脉冲宽度调制技术是最为常见的一种开关电源控制方法。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固定频率锯齿波信号进行比较获得脉宽信号，以控制开关装置的通、断，使输出电压达到期望值。采用传统电压型脉冲宽度调制技术的开关电源瞬态响应速度较慢，另外补偿网络设计较为繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电源的控制方法，使之克服现有技术的以上缺点，具有控制器稳定可靠，无需补偿网络，输出电压纹波小，输出功率范围大，动态响应速度快，适用于多种变换器拓扑结构的优点。

本发明准连续工作模式开关电源的多频率控制方法，开关变换器工作在电感电流准连续模式，控制器根据开关变换器的输出状态，采用多组不同频率的脉冲进行组合，以此实现对开关变换器的控制。

所采用的技术方案是：①在任意一个脉冲信号的结束时刻反馈输出电压信号入误差放大器，并以该电压与基准电压间误差所处的误差区间在多组频率脉冲中选择与此误差区间相对应的频率脉冲作为下一工作周期的驱动脉冲；同时检测电感电流，当其下降到基准电流时，电感两端的续流开关导通，电感电流保持不变，从而实现准连续工作模式开关电源的多频率控制。其优点为：控制稳定可靠，无需补偿网络，输出电压纹波小，输出功率范围大，瞬态响应速度快。②在任意一个脉冲信号的开始时刻导通主开关管，电感电流上升，同时检测电感电流，当电感电流上升到峰值电流时，主开关管关断，电感电流下降，当电感电流下降到基准电流时，电感两端的续流开关导通，电感电流保持不变，当前脉冲开始时刻输出电压与基准电压间的误差大小决定当前工作脉冲的频率，从而实现准连续工作模式开关电源的多频率控制。其优点为，控制稳定可靠，无需补偿网络，输出电压纹波小，输出功率范围大，瞬态响应速度快，并能自动实现电路的过流保护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相对于已有的传统电压型脉冲宽度调制技术，采用本发明的开关电源在负载突变时，控制器能够快速调整各频率脉冲所占的比例，使开关电源迅速恢复稳态，具有更快的瞬态响应速度；

2、相对于双频率控制方法，采用本发明的开关电源在具有快速瞬态响应速度的同时减小了输出电压纹波并扩大了输出功率范围。

本发明的另一目的是提供实现上述准连续工作模式开关电源的多频率控制方法的装置。本发明装置由功率变换器和控制器组成，控制器中的驱动电路与功率变换器中的开关装置相连；在控制器中的准连续模式控制器与功率变换器中的滤波装置之间设置有续流开关。

对应于实现准连续工作模式开关电源的多频率控制方法所采用的两种技术方案，相应的提供了两种实现准连续工作模式开关电源的多频率控制方法的装置。装置①控制器由设置在控制器内的由电压检测装置、误差放大器、误差区间判断器、脉冲周期选择器、电流检测装置、脉冲生成器、驱动电路及准连续模式控制器组成；受误差区间判断器控制的脉冲选择器连接在脉冲生成器与驱动电路之间。电压检测装置检测输出电压，然后通过误差放大器及误差区间判断器用于控制脉冲选择器，脉冲生成器生成多组频率不同的脉冲供选择，最后控制脉冲通过驱动电路控制主电路工作；准连续模式控制器用于控制电感两端的续流开关，使变换器工作在电感电流准连续模式。装置②控制器由电压检测装置、电流比较器、误差放大器、误差区间判断器、脉冲周期选择器、电流检测装置、脉冲生成器、驱动电路及准连续模式控制器组成；电流比较器连接在电流检测装置与脉冲生成器之间；受脉冲周期选择器控制的脉冲生成器连接在电流比较器与驱动电路之间。电压检测装置检测输出电压，然后通过误差放大器及误差区间判断器用于控制脉冲周期选择器；电流检测装置检测电感电流，再和峰值电流相比较，比较输出与脉冲周期选择器共同作用于脉冲生成器生成控制脉冲，最后控制脉冲通过驱动电路控制主电路工作；准连续模式控制器用于控制电感两端的续流开关，使变换器工作在电感电流准连续模式。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的控制系统采用技术方案①的实现装置结构框图。

图2为本发明实施例一的电路结构示意图。

图3为本发明实施例一电路的主要工作波形示意图。；

图4为本发明实施例一中，开关电源的时域仿真波形图。

图5为具有相同主电路参数的Buck变换器采用不同控制方法时的输出电压仿真波形图。

图6为具有相同主电路参数的Buck变换器采用不同控制方法在负载突变时输出电压仿真波形图。

图7为本发明的控制系统采用技术方案②的实现装置结构框图。

图8为本发明采用技术方案②的电路结构示意图。

图9为图8所示电路主要工作波形示意图。

图10为本发明实施例二的电路结构示意图。

图4中：(a)为控制器输出的主开关管的驱动信号波形；(b)为变换器电感电流波形；(c)为变换器输出电压波形。

图5中：(a)采用传统电压型PWM调制；(b)采用双频率控制；(c)采用本发明实施例一。

图6中：(a)采用传统电压型PWM调制；(b)采用双频率控制；(c)采用本发明实施例一。

具体实施方式

实施例一

采用技术方案①：

图1示出，本发明的具体实施方式为：准连续工作模式开关电源的多频率控制方法及其装置，其控制器主要由误差放大器、误差区间判断器、脉冲生成器、脉冲选择器、驱动电路及准连续模式控制器组成。输出电压经电压检测装置后与基准电压作差，由误差放大器对差值进行放大，再由误差区间判断器得知所处的误差区间，然后用于控制脉冲选择器的工作；脉冲生成器产生多组不同频率的脉冲供脉冲选择器选择；脉冲选择器输出经驱动电路后用于控制功率变换器的主开关管；准连续模式控制器用来控制续流开关以确保变换器工作在电感电流准连续模式。

图2给出了准连续工作模式开关变换器的多频率控制技术在Buck变换器中的应用。主电路较常见的Buck的唯一区别是在电感两端增加了一个续流开关管SW2，用来控制电感电流(i_L)，当其导通时，电感电流维持不变，以使变换器工作在电感电流准连续模式下。

本例中，具体的工作过程与原理为：在每个工作脉冲的结束时刻，也即下一个工作脉冲的开始时刻，控制器产生一窄脉冲(NP)用于使能采样保持电路并复位RS触发器，采样到的输出电压(V_o)与基准电压(V_ref)经误差放大器后，由误差区间判断器得知当前所处的误差区间，从而控制脉冲选择器选择相应频率的脉冲，此脉冲经过驱动电路后作为主功率开关管SW1的驱动脉冲。当主功率开关管SW1导通时，电感充电，电感电流上升；SW1关断时电感电流下降，当电感电流下降到此时的电流基准(I_ref)时，用于控制续流开关管的RS触发器置位，续流开关SW2导通，电感电流维持不变。在当前脉冲的结束时刻，控制器再次产生一窄脉冲用以使能采样保持电路并复位RS触发器，SW2关断，进入下一次循环。电流基准值与输出功率紧密相关，输出功率越大，电流基准值也越大，通过实时检测输出电流来获得电流基准值。

图3为给出了图2所示电路的主要工作波形示意图。图3示出，当输出电压低于V_ref-E_ref时，脉冲选择器选择最高频率脉冲f_HH工作，用以提升输出电压；当输出电压处于区间(V_ref-E_ref，V_ref)时，脉冲选择器选择次高频率脉冲f_HL工作；当输出电压处于区间(V_ref，V_ref+E_ref)时，脉冲选择器选择次低频率脉冲f_LH工作；当输出电压大于V_ref+E_ref时，脉冲选择器选择最低频率脉冲f_LL工作，用以降低输出电压。在稳态时，控制器可以根据输出电压状态选择其中两组频率脉冲工作，相对于双频率控制，控制脉冲间频率差值缩小，因而采用多频率控制时，开关变换器具有较小的输出电压纹波。在任意一个脉冲工作中，当主功率开关管SW1导通时，电感电流从I_ref处开始上升，SW1关断后，电感电流下降；当电感电流下降到I_ref时，续流开关SW2导通，电感电流维持I_ref不变，直到下一个工作脉冲SW1再次导通。因为I_ref的存在，电源输入端可以向负载传递更多的能量，从而使得准连续工作模式开关变换器的多频率控制能应用于更宽广的输出功率范围。

仿真结果分析：

图4为采用Pspice软件对本发明实施例一进行时域仿真的结果，图4分图(a)、(b)、(c)的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为驱动信号幅值(V)，(b)的纵轴为电流(A)，(c)的纵轴为电压(V)。由图4可见，稳态时，变换器工作在电感电流准连续模式，主开关管的驱动为其中两组频率脉冲的组合，输出电压纹波较小。

图5为分别采用(a)传统电压型PWM调制、(b)双频率控制、(c)本发明的具有相同主电路参数的Buck变换器在稳态时的输出电压仿真波形图。从图5中可以看出，采用传统电压型PWM调制的变换器输出电压纹波最小，本发明次之，双频率控制最差。本发明之所以比双频率控制具有更小的输出电压纹波，这是因为在稳态时，本发明可以选择多组频率脉冲中的其中两组来工作，相对于双频率控制，控制脉冲间频率差值缩小，因而具有更小的输出电压纹波。

图6为分别采用(a)传统电压型PWM调制、(b)双频率控制、(c)本发明的具有相同主电路参数的Buck变换器在负载突变时的输出电压仿真波形图，负载在5.3ms时均由9W突变至33W。从图6中可以看出，采用传统电压型PWM调制的变换器在负载突变时，输出电压波动较大，调整时间较长；采用双频率控制在负载突变时，由于提供不了33W的负载功率，因而输出电压直接被拉低至比基准电压小很多；而采用本发明的Buck变换器由于工作在电感电流准连续模式，输出端可以向负载端传递更多的能量，因而负载突变时输出电压稳定，并且从图中可以看出，当负载突变时，采用本发明的变换器具有非常快的瞬态响应速度。

采用技术方案②：

图7示出，本发明采用技术方案②的具体实施方式为：准连续工作模式开关电源的多频率控制方法及其装置，其控制器主要由误差放大器、误差区间判断器、脉冲周期选择器、比较器、脉冲生成器、驱动电路及准连续模式控制器组成。输出电压经检测装置后与基准电压作差，由误差放大器对差值进行放大，再由误差区间判断器得知所处的误差区间，然后控制脉冲周期选择器工作，用于选择工作脉冲的频率；电流检测装置检测电感电流，并与峰值电流相比较，比较输出与脉冲周期选择器输出一同作用于脉冲生成器生成控制脉冲；控制脉冲经驱动电路后用于控制功率变换器的主开关管；准连续模式控制器用来控制续流开关以确保变换器工作在电感电流准连续模式。

图8、图9给出了准连续工作模式开关变换器的多频率控制技术方案②在Buck变换器中的应用。与技术方案①的区别在于：技术方案②主开关管的驱动脉冲不再像技术方案①一样事先生成，只需要根据控制规律来选择，技术方案②通过事先设定好电感峰值电流(I_peak)及基准电流(I_ref)来产生驱动脉冲，具体的工作过程及原理为：在前一个脉冲的结束时刻，也即当前脉冲的开始时刻，脉冲周期选择器产生一窄脉冲(NP)使能采样/保持电路，并使主功率开关管SW1导通及关断续流开关SW2，采样到的输出电压(V_o)与基准电压(V_ref)经误差放大器后，再由误差区间判断器得知所处的误差区间，然后用于控制脉冲周期选择器工作。当输出电压低于V_ref-E_ref时，脉冲周期选择器选择当前工作脉冲周期为T_HH；当输出电压处于区间(V_ref-E_ref，V_ref)时，脉冲周期选择器选择当前工作脉冲周期为T_HL；当输出电压处于区间(V_ref，V_ref+E_ref)时，脉冲周期选择器选择T_LH作为当前工作脉冲周期；当输出电压大于V_ref+E_ref时，脉冲周期选择器选择T_LL作为当前工作脉冲周期。在任意一个工作脉冲周期内，当主功率开关管SW1导通时，电感电流(i_L)从基准电流开始线性上升；电流检测装置检测到的电感电流与峰值电流比较，当电感电流上升到峰值电流时，SW1关断，电感电流下降；当电感电流下降到基准电流时，续流开关SW2导通，电感电流维持I_ref不变，直到下一工作脉冲来临主功率开关管导通，电感电流再次从基准电流开始上升。在当前脉冲的结束时刻，也即下一工作脉冲的开始时刻，脉冲周期选择器再次产生一窄脉冲用以使能采样/保持电路，并导通主功率开关管SW1及关断续流开关SW2，进入下一次循环。正是由于峰值电流的存在，使得电感电流一旦达到峰值电流时，开关管就关断，从而自动实现电路的过流保护。

实施例二

图10示出，本例与实施例一相比，只是功率变换器部分改成了Buck-Boost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Buck-Boost变换器稳定可靠，无需补偿网络、输出电压纹波小，输出功率范围较大，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、Cuk变换器等功率电路组成的开关电源。

Claims

1.准连续工作模式开关电源的多频率控制方法，其特征在于，开关变换器工作在电感电流准连续模式，控制器根据开关变换器的输出状态，采用多组不同频率的脉冲进行组合，以此实现对开关变换器的控制；在任意一个脉冲信号的结束时刻反馈输出电压信号入误差放大器，并以该电压与基准电压间误差所处的误差区间在多组频率脉冲中选择与此误差区间相对应的频率脉冲作为下一工作周期的驱动脉冲；同时检测电感电流，当其下降到基准电流时，电感两端的续流开关导通，电感电流保持不变，从而实现准连续工作模式开关电源的多频率控制。

2.准连续工作模式开关电源的多频率控制方法，其特征在于，开关变换器工作在电感电流准连续模式，控制器根据开关变换器的输出状态，采用多组不同频率的脉冲进行组合，以此实现对开关变换器的控制；在任意一个脉冲信号的开始时刻导通主开关管，电感电流上升，同时检测电感电流，当电感电流上升到峰值电流时，主开关管关断，电感电流下降，当电感电流下降到基准电流时，电感两端的续流开关导通，电感电流保持不变，当前脉冲开始时刻输出电压与基准电压间的误差大小决定当前工作脉冲的频率，从而实现准连续工作模式开关电源的多频率控制。

3.一种实现权利要求1所述的准连续工作模式开关电源的多频率控制方法的装置，由功率变换器和控制器组成，控制器中的驱动电路与功率变换器中的开关装置相连，其特征在于，在控制器中的准连续模式控制器与功率变换器中的滤波装置之间设置有续流开关；所述控制器由设置在控制器内的电压检测装置、误差放大器、误差区间判断器、脉冲周期选择器、电流检测装置、脉冲生成器、驱动电路及准连续模式控制器组成；受误差区间判断器控制的脉冲选择器连接在脉冲生成器与驱动电路之间。

4.一种实现权利要求2所述的准连续工作模式开关电源的多频率控制方法的装置，由功率变换器和控制器组成，控制器中的驱动电路与功率变换器中的开关装置相连，其特征在于，在控制器中的准连续模式控制器与功率变换器中的滤波装置之间设置有续流开关；所述控制器由电压检测装置、电流比较器、误差放大器、误差区间判断器、脉冲周期选择器、电流检测装置、脉冲生成器、驱动电路及准连续模式控制器组成；电流比较器连接在电流检测装置与脉冲生成器之间；受脉冲周期选择器控制的脉冲生成器连接在电流比较器与驱动电路之间。