CN101686020A

CN101686020A - 开关电源多频率控制方法及其装置

Info

Publication number: CN101686020A
Application number: CN200910058417A
Authority: CN
Inventors: 许建平; 王金平; 周国华; 秦明; 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: 2010-03-31

Abstract

本发明公开了一种应用于开关电源多频率控制方法及其装置，采用多组频率不同的脉冲进行组合作为开关变换器的控制信号。该发明可用于控制各种拓扑结构的开关变换器，其优点是：控制稳定可靠，无需补偿网络，输出电压纹波小，瞬态响应速度快，电磁干扰(EMI)噪声小。

Description

开关电源多频率控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及开关电源多频率控制方法及其装置。

背景技术

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。相对于线性稳压电源，开关电源具有效率高、体积小、功率密度大等方面的优势，使得开关电源技术逐渐成为人们应用和研究的热点。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变换器、Boost变换器、Buck-Boost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入或输出电压的变化，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状态，从而调节传递给负载的能量以稳定开关电源输出。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。目前，很多应用场合需要开关电源具有很好的瞬态响应速度及稳态性能，而采用传统的脉冲宽度调制(PWM)技术和双频率控制(Bi-FrequencyControl)技术很难做到两者兼顾；另外，高频化是开关电源的重要发展趋势，这使得开关电源更加小型化，但同时也带来了较为严重的电磁干扰问题，这就迫切的需要新的控制方法的出现。

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，以控制开关装置的导通、关断，使输出电压达到期望值。当负载出现波动时，由于补偿网络的存在，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。另一方面，补偿网络设计不当会造成系统不稳定，并且设计过程十分繁琐。

脉冲频率调制(PFM)技术是另外一种常见的开关电源调制方法，和脉冲宽度调制技术不一样，它通过改变脉冲频率而不是脉冲宽度来调整占空比，从而调整输出电压值。但这种调制方法在输入电压或负载发生改变时，工作频率会发生较大的波动，从而很难设计EMI滤波器。在某些对于电磁干扰噪声敏感的电子设备的应用场合，PFM技术将不适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电源的控制方法——多频率控制(Multi-Frequency Control)。采用该控制方法时，控制器稳定可靠、无需补偿网络，输出电压纹波小，动态响应速度快，电磁干扰噪声小。此外，多频率控制器抗干扰能力强，且适用于各种拓扑结构的变换器。

本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案是：开关电源多频率控制方法，根据开关变换器的输出状态，采用多组频率不同的脉冲进行组合，以此实现对开关变换器的控制。其具体实施可采用的技术方案：

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，从而实现开关电源的多频率控制②在任意一个脉冲信号的开始时刻导通开关管，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，开关管关断，关断时间由当前脉冲开始时刻输出电压与基准电压间的误差信号大小决定，当前工作脉冲为多级频率脉冲中的一个，从而实现开关电源多频率控制。其优点是：无需补偿网络，输出电压纹波小，瞬态响应速度快，电磁干扰噪声小，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、与现有的单一恒定频率控制相比，本发明采用多组恒定频率脉冲信号作为开关装置的驱动，开关信号频谱在多个工作频率上拓展，系统产生更小的电磁干扰噪声，有利于EMI滤波器的设计；

2、与现有的脉冲频率调制技术相比，本发明在输入电压及负载发生改变时，开关装置的驱动脉冲始终在多组恒定频率脉冲间切换，也即是开关信号的频谱不会随着输入电压或负载的变化而在频率轴上移动，从而降低了电磁干扰噪声滤波器的设计难度；

3、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；

4、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降低了输出电压纹波，具有更好的稳态性能。

本发明的另一目的是提供实现上述开关电源多频率控制方法的装置。对应于实现开关电源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开关电源多频率控制方法的装置。装置①由电压检测装置、误差放大器、误差区间判断器、脉冲生成器、脉冲选择器及驱动电路共同组成。其中：电压检测装置、误差放大器、误差区间判断器、脉冲选择器及驱动电路顺序连接；脉冲生成器连接在脉冲选择器上。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。装置②与装置①的主要差别另外设置有由电流检测装置和比较器构成的电流比较支路与脉冲生成器相连。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控制脉冲周期选择器；电流检测装置检测电感电流，再通过比较器后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。

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为本发明实施例一中，电压误差区间与对应频率脉冲的示意图。

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稳态输出电压的仿真波形图。

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为本发明实施例一和传统电压型PWM调制的具有相同主电路参数的Buck变换器功率开关管漏极和源极间电压信号频域仿真波形图。

图8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9为本发明采用技术方案②的电路结构示意图。

图10为图8所示电路主要工作波形示意图。

图11为本发明实施例二的电路结构示意图。

图4中：(a)为控制器输出的驱动信号波形；(b)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。

图7中：(a)采用传统电压型PWM调制；(b)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：开关电源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、脉冲生成电路、脉冲选择器及驱动电路组成。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当前所处的误差区间，然后用于控制脉冲选择器的工作；脉冲生成电路产生多组不同频率的脉冲供脉冲选择器选择；脉冲选择器的输出经驱动电路后用于控制功率变换器的开关装置，由此得到期望的稳定输出电压值。

图2、图3给出了多频率控制技术在工作于电感电流断续模式下的Buck变换器中的应用。脉冲生成电路产生四组具有相同导通时间但频率不同的脉冲信号(f_HH、f_HL、f_LH、f_LL)，它们分别对应于相应的误差区间；当误差放大器的输出处于某一个误差区间时，控制器采用与这个误差区间对应的频率脉冲作为变换器的驱动脉冲。例如，当采样到的输出电压(V_o)与基准电压(V_ref)经误差放大器后处于误差区间判断器的(V_ref-E_ref，V_ref)区间时，控制器选用f_HL作为驱动脉冲。在电感电流断续模式下，由于各频率脉冲均具有相同的导通时间，所以在一个工作周期内，控制环路采用频率较高的脉冲工作可以向输出端传递更多的能量。控制器根据变换器的输出状态选择相应的频率脉冲作为驱动信号，从而维持输出电压稳定。

本例中，具体的工作过程与原理为：在任意一个脉冲信号的结束时刻，控制器产生一个窄脉冲信号用以使能采样/保持电路，此刻采样到的输出电压立即与基准电压经误差放大器作差并放大，得到的误差值经误差区间判断器后，得知其当前所处的误差区间，从而控制脉冲选择器选择对应的频率脉冲作为变换器下一工作周期的驱动脉冲。在下一工作周期的结束时刻，控制器再次产生一个窄脉冲使能采样/保持电路，检测输出电压，并得知输出电压与基准电压差值所处的误差区间，从而选择再下一个工作周期的驱动脉冲，如此循环。

仿真结果分析：

图4为采用Pspice软件对本发明的控制方法进行时域仿真的结果，图4分图(a)、(b)的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为驱动信号幅值(V)，(b)的纵轴为输出电压(V)。由图4可见，稳态时，开关变换器的驱动脉冲是其中两组频率脉冲的组合，输出电压纹波较小。仿真条件：输入电压V_in＝14V，输出电压V_o＝V_ref＝6V，电感L＝5.6uH，电容C＝1000uF，负载R＝5Ω，f_HH＝67KHz、f_HL＝33KHz、f_LH＝17KHz、f_LL＝11KHz，固定导通时间为6us，±E_ref＝±30mV。

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，变换器采用传统电压型PWM调制的输出电压纹波最小，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，这是因为在具有相同的输出功率范围时，多频率控制在稳态时可以选择其中两组频率相差较小的频率脉冲作为驱动脉冲，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变换器在负载突变情况下的输出电压仿真波形图，横轴均为时间(ms)，纵横均为输出电压(V)。图6中，在7ms时负载均由1.2A阶跃变化至2.2A，采用传统电压型PWM调制，系统响应时间需要约1.5ms，并且会产生高达0.17V的偏移量；而采用双频率控制及本发明，瞬态响应速度很快，几乎没有响应时间及偏移量，系统立即进入稳态。可见本发明具有很好的负载动态特性。另外，很明显，负载发生突变后，采用多频率控制的输出电压纹波比双频率控制小得多。

图7为采用传统电压型PWM调制和本发明的具有相同主电路参数的Buck变换器功率开关管漏极和源极间电压信号频域仿真图，分图(a)、(b)分别对应传统电压型PWM调制、本发明，横轴均为频率(KHz)，纵轴均为功率开关管漏、源极间电压信号经傅立叶变换(FFT)后的幅值(V)。从图6中可见，采用本发明，功率开关管漏、源极间电压信号在相应频率处具有更小的幅值，因而系统将产生更小的电磁干扰(EMI)噪声，有利于EMI滤波器的设计。

采用技术方案②：

图8示出，本发明采用技术方案②的具体实施方式为：开关电源多频率控制方法及其装置，其控制器主要由比较器、误差放大器、误差区间判断器、脉冲周期选择器、脉冲生成器及驱动电路组成。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当前所处的误差区间，然后控制脉冲周期选择器工作，用于选择当前工作脉冲的持续时间；电流检测装置检测到的电流信号与峰值电流相比较，比较输出与脉冲周期选择器共同作用于脉冲生成器，产生的脉冲信号经驱动电路后用于控制功率变换器的开关装置，由此得到稳定的输出电压。

图9、图10给出了多频率控制技术方案②在工作于电感电流断续模式下的Buck变换器中的应用。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个窄脉冲使能采样/保持电路电路，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，从而得知当前工作脉冲需持续的时间；当前工作脉冲结束时，脉冲周期选择器又产生一个窄脉冲再次使能采样/保持电路及置位RS触发器，进入下一个工作周期。f_HH’、f_HL’、f_LH’、f_LL’为与f_HH、f_HL、f_LH、f_LL同频率的窄脉冲，用以使能采样/保持电路及置位RS触发器。假定误差放大器的放大系数为1，也即为减法器时，当输出电压低于V_ref-E_ref，控制器选用最高频率脉冲f_HH作为驱动脉冲用以迅速提升输出电压；当输出电压处于区间V_ref-E_ref到V_ref时，控制器选用f_HL工作；当输出电压处于误差区间V_ref到V_ref+E_ref时，控制器选用f_LH作为驱动脉冲；而当输出电压高于V_ref+E_ref时，f_LL作为驱动脉冲用以降低输出电压值。在任意一个脉冲信号的开始时刻，控制器根据采样到的输出电压与基准电压经误差放大器后所处的误差区间确定当前工作脉冲持续的时间，并置位RS触发器，使Q端输出高电平，开关管SW导通，电感电流(i_L)从零开始线性上升。电流检测装置检测到的电感电流与峰值电流(I_peak)进行比较，当电感电流上升到峰值电流时，比较器输出电平发生改变并迅速复位RS触发器，使Q端输出低电平，开关管SW关断，电感电流下降，直到当前脉冲结束时刻，脉冲周期选择器产生一个窄脉冲再次置位RS触发器，开关管再一次导通，进入下一个工作周期。当开关变换器稳定工作后，在任意一个开关周期内，电感电流均是以一固定斜率从零开始线性上升，由于峰值电流是固定不变的，所以各工作脉冲具有相同的导通时间。也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，开关管就自动关断，从而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，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控制稳定可靠，无需补偿网络，输出电压纹波小，动态响应速度快，电磁干扰(EMI)噪声小。

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、Cuk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、开关电源多频率控制方法，其特征在于，根据开关变换器的输出状态，控制器采用多组频率不同的脉冲进行组合，以实现对开关变换器的控制。

2、根据权利要求1所述的开关电源多频率控制方法，其特征在于，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，从而实现开关电源的多频率控制。

3、根据权利要求1所述的开关电源控制方法，其特征在于，在任意一个脉冲信号的开始时刻导通开关管，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，开关管关断，关断时间由当前脉冲开始时刻输出电压与基准电压间的误差信号大小决定，当前工作脉冲为多级频率脉冲中的一个，从而实现开关电源多频率控制。

4、一种实现权利要求1-3所述开关电源多频率控制方法的装置，由电压检测装置、误差放大器、误差区间判断器、脉冲生成器、脉冲选择器及驱动电路组成，其特征在于，电压检测装置、误差放大器、误差区间判断器、脉冲选择器及驱动电路顺序连接；脉冲生成器连接在脉冲选择器上。

5、根据权利要求4所述之开关电源多频率控制装置，其特征在于，设置有由电流检测装置和比较器构成的电流比较支路与脉冲生成器相连。