CN101702577A - 开关变换器瞬态响应速度提升方法及其装置 - Google Patents

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王金平
许建平
周国华
张斐
秦明
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Abstract

本发明公开了一种开关变换器瞬态响应速度提升方法及其装置，采用迟滞比较器对开关变换器的输出电压进行监控，迟滞比较器输出控制电流注入或电流抽取装置工作，以提升开关变换器瞬态响应速度。瞬态响应速度提升装置在稳态时不工作，因而不影响开关变换器稳态时的转换效率。该发明可用于控制各种拓扑结构的开关变换器，其优点是：控制环路简单可靠，无需补偿网络，瞬态响应速度快，电磁干扰(EMI)噪声小。

Description

开关变换器瞬态响应速度提升方法及其装置
技术领域
本发明涉及电气控制设备，尤其是开关变换器瞬态响应速度提升方法及其装置。
背景技术
开关变换器是一种能量变换装置，它通过检测输入或输出电压的变化，并据此产生相应开关信号控制开关装置的通断，从而调节向负载端传递的能量以维持稳定的输出。开关变换器具有体积小、重量轻、效率高、功率密度大等突出优点，其应用越来越广泛。在我们的日常生活中，开关变换器普遍存在，如电脑适配器、电池充电器等。近年来，越来越多的应用场合要求其供电电源具有快速的瞬态响应速度，如一些微处理器从睡眠模式到工作状态时，瞬态电流速率达50A/us，这就要求其供电电源具有快速的瞬态响应速度以满足负载的需求。传统的脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)技术实现方式简单，但其动态响应速度较慢，已很难满足负载这一需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关变换器瞬态响应速度提升方法，使之具有快速的瞬态响应速度。
本发明为解决其技术所采取的方法是：采用迟滞比较器对开关变换器的输出电压进行监控，迟滞比较器输出控制电流注入或电流抽取装置工作。开关变换器工作在稳态时，迟滞比较器输出为零，瞬态响应速度提升装置不工作，不影响变换器效率。在瞬态时，当开关变换器输出电压低于迟滞比较器输入电压下限时，迟滞比较器输出置高，瞬态响应速度提升装置工作，其为开关变换器输出端提供额外的电流注入或电流抽取，以此提升开关变换器瞬态响应速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现方式简单可靠，并能快速地提升开关变换器的瞬态响应速度。
本发明的另一目的是提供实现上述开关变换器瞬态响应速度提升方法的装置。其特征在于，迟滞比较器HC输出直接连接驱动电路DR，驱动电路接开关管S1和S1以控制开关通断；辅助电压源与开关管S1漏极相连，开关管S1源极与开关管S2漏极相连后与电感La的一端相连，电感La另一端与开关变换器输出端正端相连，开关管S2源极接开关变换器输出端地端。
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主要工作波形示意图。
图4为不采用和采用本发明装置的传统电压型PWM调制Buck开关变换器在负载突变时输出电压时域仿真波形图。
图5为本发明实施例二的电路结构示意图。
图4中：(a)不采用本发明装置时的输出电压波形；(b)为采用本发明装置时的输出电压波形；(c)为负载电流波形。
具体实施方式
实施例一
图1示出，本发明的具体实施方式为：开关变换器瞬态响应速度提升方法及其装置，由迟滞比较器、电流注入及电流抽取装置组成。迟滞比较器对开关变换器的输出电压进行监控，迟滞比较器输出控制电流注入及电流抽取装置的工作，从而为开关变换器输出端提供额外的电流注入或抽取，以此提升开关变换器瞬态响应速度。
图2给出了本发明在Buck开关变换器中的应用，具体工作原理及主要工作波形可参考图3。由图2可知，瞬态响应速度提升装置由迟滞比较器、辅助电压源Va、电感La、开关管S1和S2、以及驱动电路组成。对于输入电压大于输出电压的开关变换器，辅助电压源可直接采用输入电源替代；而对于输入电压小于输出电压的开关变换器，辅助电压源则需采用电压大于输出电压的电源。
由图2、图3可知本发明的具体工作原理及过程为：在稳态时，迟滞比较器输出信号PL和NL均为低电平，瞬态响应速度提升装置不工作，因此本发明装置不影响开关变换器稳态下的系统效率。负载瞬态加载时，输出电压下降，当输出电压跌落至低于Vth1-，迟滞比较器输出信号PL置高，经驱动电路后控制开关管S1导通，此时，瞬态响应速度提升装置为开关变换器输出端提供斜率为(Va-Vo)/La的额外注入电流iLa。在电路参数选择时，La远远小于开关变换器主功率电感L，因而额外注入电流iLa的上升速度远远大于主功率电感电流iL的上升速率，从而可以迅速为输出电容补充能量，减小输出电压跌落量，缩短调整时间，提升开关变换器瞬态响应速度。直到输出电压回升到高于Vth1+时，PL翻转为低电平，开关管S1关断，流经电感La的电流经开关管S2体二极管续流。开关管S1经过若干次开关动作后，主功率电感电流iL上升到新的负载电流Io，开关变换器再次回到稳态，瞬态响应速度提升装置不再工作。类似的，当负载瞬态减载时，输出电压上升，当输出电压上升至Vth2+，迟滞比较器输出信号NL置高，经驱动电路后控制开关管S2导通，此时，瞬态响应速度提升装置为开关变换器输出端提供斜率为-Vo/La的额外抽取电流iLa，iLa方向与图2中所示方向相反。此时，多余的主功率电感电流(iL-Io)经电感La流至地回路，由此避免了电感电流对输出电容过充电，造成输出电压过度上升。当输出电压回落到低于Vth2-时，迟滞比较器输出信号NL翻转为低电平，开关管S2关断，电感电流经开关管S1体二极管及辅助电源续流，电感储能回馈到辅助电源。同样，开关管S2经过若干次开关动作后，主功率电感电流iL下降至新的负载电流Io，开关变换器再次回到稳态，PL与NL均为低电平，瞬态响应速度提升装置不再工作。
仿真结果分析：
图4为采用Psim软件对不采用和采用本发明装置的传统电压型PWM调制Buck开关变换器在负载突变时输出电压时域仿真波形图。图4分图(a)、(b)、(c)的横轴均为时间(ms)，(a)、(b)的纵轴为电压幅值(V)，(c)的纵轴为负载电流幅值(A)。在图4中可以看出，面对相同的负载突变，采用本发明装置时Buck变换器瞬态响应速度提升很快。在1ms时负载由1A突变至10A，图(a)中输出电压跌落量达到将近500mV，调整时间接近1ms，而图(b)中输出电压跌落量仅为负载突变瞬间输出电容等效串联电阻造成的跌落180mV，其后输出电压迅速上升，在迟滞比较器端电压5.90V至5.95V之间波动，大约经过0.3ms变换器进入稳态。在3ms时负载由10A突变至1A，图(a)中输出电压超调量达到将近650mV，调整时间接近1.4ms，而图(b)中输出电压超调量仅为180mV，其后输出电压迅速下降，在迟滞比较器端电压6.05V至6.10V之间波动，大约经过0.5ms变换器进入稳态。从图4示出了本发明装置在提升开关变换器瞬态响应速度方面的明显优势。仿真条件：输入电压Vin＝15V，输出电压Vo＝6V，电感L＝200uH，电容C＝1000uF，电容等效串联电阻ESR＝20mΩ，PWM调制开关频率fs＝100KHz，辅助电源电压Va＝Vin＝15V，电感La＝20uH，迟滞比较器端电压(Vth1-＝5.90V，Vth1+＝5.95V)，(Vth2-＝6.05V，Vth2+＝6.10V)。
实施例二
图5示出，本例与实施例一相比，功率变换器为反激变换器，瞬态响应速度提升装置与实施例一相同。同样通过仿真证明，采用本发明装置可以提升反激变换器的瞬态响应速度。
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变换器。

Claims (2)

1.开关变换器瞬态响应速度提升方法，其特征在于，采用迟滞比较器对开关变换器的输出电压进行监控，迟滞比较器输出控制电流注入或电流抽取装置工作；开关变换器工作在稳态时，迟滞比较器输出为零，瞬态响应速度提升装置不工作；开关变换器工作在瞬态时，当开关变换器输出电压低于迟滞比较器输入电压下限时，迟滞比较器输出置高，瞬态响应速度提升装置工作，所述提升装置为开关变换器输出端提供额外的电流注入或电流抽取，以提升开关变换器瞬态响应速度。
2.一种实现权利要求1所述开关变换器瞬态响应速度提升方法的装置，其特征在于，迟滞比较器HC输出直接连接驱动电路DR，驱动电路接开关管S1和S1以控制开关通断；辅助电压源与开关管S1漏极相连，开关管S1源极与开关管S2漏极相连后与电感La的一端相连，电感La另一端与开关变换器输出端正端相连，开关管S2源极接开关变换器输出端地端。
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