CN101777832B - 伪连续模式开关电源的单环脉冲调节控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工作于伪连续模式的开关电源单环脉冲调节控制方法及其装置：在每个开关周期起始时刻，根据开关变换器输出电压V_o与基准电压V_ref之间的关系选择该开关周期内的有效控制脉冲。其控制脉冲选择规则为：若V_o低于V_ref，采用控制脉冲P_H1和P_H2分别控制伪连续开关变换器中的开关管S₁和S₂；反之，若V_o高于V_ref，采用控制脉冲P_L1和P_L2分别控制开关管S₁和S₂。各控制脉冲的占空比和时序均为预设的固定值。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，其控制技术简单易行，稳定性和抗干扰能力强，变换器工作范围大，动态性能良好，且适用于各种拓扑结构的开关变换器。

Description

伪连续模式开关电源的单环脉冲调节控制方法及其装置

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

大多数用电设备(如计算机、通讯设备、电动机械、工业控制设备、高效照明装置等)都要求将一般电力(如市电)进行转化后才能符合其使用需要。近年来，开关电源技术一直是电气工程领域应用和研究的热点。

开关电源主要由DC-DC变换器和控制器两部分构成。DC-DC变换器用于电能转换，一般由开关装置和整流滤波电路等组成，电路结构有Buck、Boost、反激、全桥等等。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变换器中的开关装置，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。近年来，变换器和控制方法方面的新技术不断推进着开关电源的发展。

伪连续工作模式开关变换器在传统变换器的基础上，增加了一个与电感并联的续流开关管，从而通过改变电路的工作状态提高电源的瞬态响应能力。但是，实现对伪连续工作模式开关变换器的闭环控制通常较为复杂，控制器需要检测和处理多个状态变量，补偿网络的设计和实现比较繁琐。此外，之前出现的伪连续工作模式开关变换器的工作范围受限于预设的电感电流基准值。

脉冲调节控制方法是一种新型的开关变换器控制方法。其控制过程是：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；反之将会选择占空比小的低能量控制脉冲。脉冲调节技术简单可靠，且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。

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，其控制技术简单易行，稳定性和抗干扰能力强，变换器工作范围大，动态性能良好，适用于各种拓扑结构的开关变换器。

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单环脉冲调节控制方法，其具体作法是：

在每个开关周期起始时刻，根据开关变换器输出电压V_o与基准电压V_ref之间的关系选择该开关周期内的有效控制脉冲，从而实现对伪连续工作模式开关变换器的控制。其控制脉冲选择规则为：若V_o低于V_ref，采用控制脉冲P_H1和P_H2分别控制伪连续开关变换器中的开关管S₁和S₂；反之，若V_o高于V_ref，采用控制脉冲P_L1和P_L2分别控制开关管S₁和S₂。

上述的产生控制脉冲P_H1和P_H2的方法是：在某个开关周期起始的t₀时刻，控制脉冲P_H1由低电平变为高电平，控制脉冲P_H2由高电平变为低电平，变换器TD中的开关管S₁开通、S₂关断，电感电流I_L上升；在t₀+D_H1T时刻，控制脉冲P_H1在保持为高电平固定时间D_H1T后变为低电平，开关管S₁关断，二极管D开通，电感电流下降；在t₀+(1-D_H2)T时刻，控制脉冲P_H2在保持为低电平固定时间(1-D_H2)T后变为高电平，开关管S₂开通，二极管D关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至开关周期结束时刻t₀+T。

上述的产生控制脉冲P_L1和P_L2的方法与上述过程类似，区别在于在一个开关周期内控制脉冲P_L1和P_L2为高电平的持续时间分别为D_L1T(D_L1＜D_H1)和D_L2T(D_L2＞D_H2)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明为伪连续工作模式开关变换器提供了一种简单可靠的控制方法。该控制方法仅在每个开关周期的起始时刻检测一次输出电压并简单判断其大小，即可完成对伪连续模式变换器中主开关管S₁和续流开关管S₂的控制。克服了传统的伪连续模式变换器控制方法难以避免的检测和处理反馈量复杂、补偿环节设计繁琐等缺点。

二、本发明所提供的控制方法可使被控变换器的工作范围不受脉冲调节控制变换器电感电流临界条件的限制，也不受传统伪连续模式变换器电感电流基准值的限制，从而拓宽了应用范围。

三、该控制方法采用占空比固定的控制脉冲，使得变换器具有良好的抗干扰能力。并且用于控制开关管S₁和S₂的两组控制脉冲信号可预设时序，因此该控制方法直接提供了开关管S₁和S₂交替开通、关断所需的死区时间，无须设计附加电路提供保护。

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、脉冲选择器、脉冲产生器、锯齿波信号产生器、驱动电路，其结构特点是：电压检测电路、脉冲选择器、脉冲产生器、驱动电路依次相连；锯齿波信号产生器与脉冲选择器及脉冲产生器相连。

该装置的工作过程和原理是：锯齿波信号产生器产生频率固定的锯齿波信号V_saw，脉冲选择器根据锯齿波信号V_saw产生频率固定的时钟脉冲信号V_clk；当时钟脉冲来临时刻，脉冲选择器比较此时输出电压V_o与基准电压V_ref的大小关系，并将代表比较结果的逻辑信号输出至脉冲产生器；脉冲产生器根据锯齿波信号V_saw产生频率均相同但占空比不同的控制脉冲P_H1、P_L1、P_H2、P_L2，并根据输出电压V_o与基准电压V_ref的大小关系输出对应的控制脉冲实现对变换器开关管S₁和S₂的控制。

可见，采用以上装置可以方便可靠地实现本发明以上方法。

上述的脉冲选择器的具体组成为：由比较器AC1、AC2和触发器DFF组成；比较器AC1的正极性端接基准电压V_ref，负极性端接电压检测电路VCC输出的变换器输出电压V_o，AC1的输出端与触发器DFF的D端相连；比较器AC2的正极性端接固定电压V_rc，负极性端接锯齿波信号产生器SG的输出信号V_saw，AC2的输出端与触发器DFF的CLK端相连；触发器DFF的输出端Q和Q与脉冲产生器PG相连。

这样，比较器AC1将输出电压V_o同基准电压V_ref进行比较，当输出电压V_o低于基准电压V_ref时，比较器AC1的输出信号V_C为高电平，反之，当V_o低于V_ref时，V_C为低电平；比较器AC2将锯齿波信号产生器SG输出的上三角形锯齿波V_saw同固定电压V_rc进行比较，在上三角形锯齿波的每个周期起始时，V_saw低于V_rc，比较器AC2的输出信号V_clk为高电平，当V_saw上升至V_rc后，V_clk为低电平，由于V_rc的电压幅值较低，V_clk为高电平持续时间很短的时钟脉冲；当V_clk上升沿来临时，触发器DFF将此时比较器AC1的输出信号V_C输出至Q端，产生脉冲选择信号V_Q，根据触发器的工作原理：V_Q在V_clk的下一个上升沿来临之前保持不变，且V_Q的电平高低始终与V_Q相反。

上述的脉冲产生器的具体组成为：由比较器AC3、AC4、AC5、AC6，与门AG1、AG2、AG3、AG4，以及或门OG1、OG2组成；比较器AC3和AC4的正极性端分别接固定电压V_rH1和V_rL1，负极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出信号V_saw；与门AG1的输入端接比较器AC3的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接比较器AC4的输出端和触发器DFF的Q端；或门OG1的输入端接与门AG1和AG2的输出端，OG1的输出端接开关管S₁的驱动电路DR1；比较器AC5和AC6的负极性端分别接固定电压V_rH2和V_rL2，正极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出信号V_saw；与门AG3的输入端接比较器AC5的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接比较器AC6的输出端和触发器DFF的Q端；或门OG2的输入端接与门AG 3和AG4的输出端，OG2的输出端接开关管S₂的驱动电路DR2。

这样，比较器AC3将上三角形锯齿波V_saw同固定电压V_rH1进行比较，在上三角形锯齿波的每个周期起始时，V_saw低于V_rH1，比较器AC3输出的控制脉冲信号P_H1为高电平，当V_saw上升至V_rh1后，P_H1变为低电平，直到锯齿波信号的下一个周期开始；比较器AC4的工作过程与上述AC3类似，但由于V_rL1＜V_rH1，P_L1的高电平持续时间小于P_H1；比较器AC5将V_saw同固定电压V_rH2进行比较，在锯齿波的每个周期起始时，V_saw低于V_rH2，比较器AC5输出的控制脉冲信号P_H2为低电平，当V_saw上升至V_rH2后，P_H2变为高电平，直到锯齿波信号的下一个周期开始；比较器AC6的工作过程与上述AC5类似，但由于V_rL2＜V_rH2，P_L2的高电平持续时间大于P_H2；当脉冲选择信号V_Q为高电平，V_Q为低电平时，与门AG1和AG3开通，AG2和AG4被封锁，或门OG1和OG2分别输出控制脉冲P_H1和P_H2至驱动电路；反之，当脉冲选择信号V_Q为低电平，V_Q为高电平时，与门AG2和AG4开通，AG1和AG3被封锁，或门OG1和OG2分别输出控制脉冲P_L1和P_L2至驱动电路。

以上的脉冲选择器和脉冲产生器结构简单，性能稳定，能够可靠地实现本发明方法中的相关功能。上述控制装置中，锯齿波信号产生器可由三角波信号产生器等其他装置代替，控制脉冲的选择和产生也可以采用现有的其他结构的电路实现。

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脉冲选择器的电路结构图。

图4为本发明实施例一的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锯齿波信号V_saw的时域仿真波形图。

图5b为与图5a同一时段时钟脉冲信号V_clk的时域仿真波形图。

图5c为与图5a同一时段控制脉冲信号V_P1的时域仿真波形图。

图5d为与图5a同一时段控制脉冲信号V_P2的时域仿真波形图。

图5e为与图5a同一时段变换器电感电流I_L的时域仿真波形图。

图5f为与图5a同一时段变换器输出电压V_o的时域仿真波形图。

图5仿真条件如下：输入电压V_in＝50V、输出基准电压V_ref＝18V、电感L＝800μH、电容C＝2000μF、负载阻值R＝10Ω、开关周期T＝50μs、控制脉冲P_H1的占空比D_H1＝0.48、控制脉冲P_L1的占空比D_L1＝0.18、控制脉冲P_H2的占空比D_H2＝0.03、控制脉冲P_L2的占空比D_L2＝0.34。

图6a为实施例一在负载变化(负载电流在20ms时刻由1.8A跃变至3.6A)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7为本发明实施例二的电路结构框图。

图8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：

在每个开关周期起始时刻，控制器根据开关变换器TD的输出电压V_o与基准电压V_ref之间的关系选择该开关周期内的有效控制脉冲，从而实现对开关变换器TD的控制。其控制脉冲选择规则为：若V_o低于V_ref，采用控制脉冲P_H1和P_H2分别控制伪连续开关变换器中的开关管S₁和S₂；反之，若V_o高于V_ref，采用控制脉冲P_L1和P_L2分别控制开关管S₁和S₂。

控制器产生控制脉冲P_H1和P_H2的方法是：在某个开关周期起始的t₀时刻，控制脉冲P_H1由低电平变为高电平，控制脉冲P_H2由高电平变为低电平，变换器TD中的开关管S₁开通、S₂关断，电感电流I_L上升；在t₀+D_H1T时刻，控制脉冲P_H1在保持为高电平固定时间D_H1T后变为低电平，开关管S₁关断，二极管D开通，电感电流下降；在t₀+(1-D_H2)T时刻，控制脉冲P_H2在保持为低电平固定时间(1-D_H2)T后变为高电平，开关管S₂开通，二极管D关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至开关周期结束时刻t₀+T。

控制器产生控制脉冲P_L1和P_L2的方法与上述过程类似，区别在于在一个开关周期内控制脉冲P_L1和P_L2为高电平的持续时间分别为D_L1T(D_L1＜D_H1)和D_L2T(D_L2＞D_H2)。

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、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、锯齿波信号产生器SG和驱动电路DR。其特征在于：电压检测电路VCC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、驱动电路DR依次相连；锯齿波信号产生器SG与脉冲选择器PS及脉冲产生器PG相连。

图3示出，本例的脉冲选择器PS的具体组成为：由比较器AC1、AC2和触发器DFF组成；比较器AC1的正极性端接基准电压V_ref，负极性端接电压检测电路VCC输出的变换器输出电压V_o，AC1的输出端与触发器DFF的D端相连；比较器AC2的正极性端接固定电压V_rc，负极性端接锯齿波信号产生器SG的输出信号V_saw，AC2的输出端与触发器DFF的CLK端相连；触发器DFF的输出端Q和Q与脉冲产生器PG相连。

图4示出，本例的脉冲产生器PG的具体组成为：由比较器AC3、AC4、AC5、AC6，与门AG1、AG2、AG3、AG4，以及或门OG1、OG2组成；比较器AC3和AC4的正极性端分别接固定电压V_rH1和V_rL1，负极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出信号V_saw；与门AG1的输入端接比较器AC3的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接比较器AC4的输出端和触发器DFF的Q端；或门OG1的输入端接与门AG1和AG2的输出端，OG1的输出端接开关管S₁的驱动电路DR1；比较器AC5和AC6的负极性端分别接固定电压V_rH2和V_rL2，正极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出信号V_saw；与门AG3的输入端接比较器AC5的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接比较器AC6的输出端和触发器DFF的Q端；或门OG2的输入端接与门AG3和AG4的输出端，OG2的输出端接开关管S₂的驱动电路DR2。

本例的装置其工作过程和原理是：

图1-4示出，锯齿波信号产生器SG产生频率固定的锯齿波信号V_saw，脉冲选择器PS根据锯齿波信号V_saw产生频率固定的时钟脉冲信号V_clk；当时钟脉冲来临时刻，脉冲选择器PS比较此时输出电压V_o与基准电压V_ref的大小关系，并将代表比较结果的逻辑信号输出至脉冲产生器PG；脉冲产生器PG根据锯齿波信号V_saw产生频率均相同但占空比不同的控制脉冲P_H1、P_L1、P_H2、P_L2，并根据输出电压V_o与基准电压V_ref的大小关系输出对应的控制脉冲实现对变换器开关管S₁和S₂的控制。

脉冲选择器PS完成输出电压的比较和控制脉冲的选择：图2、3示出，比较器AC1将输出电压V_o同基准电压V_ref进行比较，当输出电压V_o低于基准电压V_ref时，比较器AC1的输出信号V_C为高电平，反之，当V_o低于V_ref时，V_C为低电平；比较器AC2将锯齿波信号产生器SG输出的上三角形锯齿波V_saw同固定电压V_rc进行比较，在上三角形锯齿波的每个周期起始时，V_saw低于V_rc，比较器AC2的输出信号V_clk为高电平，当V_saw上升至V_rc后，V_clk为低电平，由于V_rc的电压幅值较低，V_clk为高电平持续时间很短的时钟脉冲；当V_clk上升沿来临时，触发器DFF将此时比较器AC1的输出信号V_C输出至Q端，产生脉冲选择信号V_Q，根据触发器的工作原理：V_Q在V_clk的下一个上升沿来临之前保持不变，且V_Q的电平高低始终与V_Q相反。

脉冲产生器PG完成控制脉冲的产生和输出：图2、4示出，比较器AC3将上三角形锯齿波V_saw同固定电压V_rH1进行比较，在上三角形锯齿波的每个周期起始时，V_saw低于V_rH1，比较器AC3输出的控制脉冲信号P_H1为高电平，当V_saw上升至V_rH1后，P_H1变为低电平，直到锯齿波信号的下一个周期开始；比较器AC4的工作过程与上述AC3类似，但由于V_rL1＜V_rH1，P_L1的高电平持续时间小于P_H1；比较器AC5将V_saw同固定电压V_rH2进行比较，在锯齿波的每个周期起始时，V_saw低于V_rH2，比较器AC5输出的控制脉冲信号P_H2为低电平，当V_saw上升至V_rH2后，P_H2变为高电平，直到锯齿波信号的下一个周期开始；比较器AC6的工作过程与上述AC5类似，但由于V_rL2＜V_rH2，P_L2的高电平持续时间大于P_H2；当脉冲选择信号V_Q为高电平，V_Q为低电平时，与门AG1和AG3开通，AG2和AG4被封锁，或门OG1和OG2分别输出控制脉冲P_H1和P_H2至驱动电路；反之，当脉冲选择信号V_Q为低电平，V_Q为高电平时，与门AG2和AG4开通，AG1和AG3被封锁，或门OG1和OG2分别输出控制脉冲P_L1和P_L2至驱动电路。

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5为仿真得到的采用上述控制方法及其控制装置的变换器在额定工作状态下的工作波形。图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f分别为锯齿波信号V_saw、时钟脉冲信号V_clk、控制脉冲信号V_P1、控制脉冲信号V_P2、变换器电感电流I_L、变换器输出电压V_o。从图5可看出，3个开关周期组成循环周期，开关管S₁的控制脉冲组成的脉冲序列为：P_H1-P_L1-P_L1，相应地，开关管S₂的控制脉冲组成的脉冲序列为：P_H2-P_L2-P_L2。

图6a为实施例一在负载突变(负载电流在20ms时刻由1.8A跃变至3.6A)时变换器输出电压的仿真波形图。图6b为采用现有PWM控制的常规变换器在同样的负载变化时，输出电压的仿真波形图。可见，实施例一的变换器在扰动出现后，经过约0.9ms后进入稳态，而同样的条件下，现有PWM控制的常规变换器需要约2ms才能恢复稳态。故采用本发明的变换器具有良好的瞬态响应能力。

实施例二

图7示出，本例与实施例一基本相同，不同之处是：本例控制的开关电源的变换器TD为Boost变换器。

实施例三

图8示出，本例与实施例一基本相同，不同之处是：本例控制的开关电源的变换器TD为Buck-Boost变换器。

本发明方法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 (2)

1.伪连续工作模式开关电源的单环脉冲调节控制方法，由变换器和控制器组成伪连续工作模式开关电源的单环脉冲调节系统，其工作方式包括：在每个开关周期起始时刻，根据变换器输出电压V_o与基准电压V_ref之间的关系选择该开关周期内的有效控制脉冲，从而实现对变换器的控制，其控制脉冲选择规则为：若V_o低于V_ref，采用控制脉冲P_H1和P_H2分别控制变换器中的开关管S₁和S₂；反之，若V_o高于V_ref，采用控制脉冲P_L1和P_L2分别控制开关管S₁和S₂；

所述的控制脉冲P_H1和P_H2的产生方法是：在某个开关周期起始的t₀时刻，控制脉冲P_H1由低电平变为高电平，控制脉冲P_H2由高电平变为低电平，变换器中的开关管S₁开通、S₂关断，电感电流I_L上升；在t₀+D_H1T时刻，控制脉冲P_H1在保持为高电平固定时间D_H1T后变为低电平，开关管S₁关断，二极管D开通，电感电流下降；在t₀+(1-D_H2)T时刻，控制脉冲P_H2在保持为低电平固定时间(1-D_H2)T后变为高电平，开关管S₂开通，二极管D关断，电感电流通过开关管S₂续流，直至开关周期结束时刻t₀+T；

所述的控制脉冲P_L1和P_L2的产生方法与产生控制脉冲P_L1和P_L2的过程类似，区别在于在一个开关周期内控制脉冲P_L1和P_L2为高电平的持续时间分别为D_L1T和D_L2T，其中：D_L1＜D_H1，D_L2＞D_H2。

2.一种实现权利要求1所述的伪连续工作模式开关电源的单环脉冲调节控制方法的装置，由变换器和控制器组成，控制器包括电压检测电路VCC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、锯齿波信号产生器SG和驱动电路DR，其特征在于：电压检测电路VCC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、驱动电路DR依次相连；锯齿波信号产生器SG与脉冲选择器PS及脉冲产生器PG相连；

脉冲选择器PS由比较器AC1、AC2和触发器DFF组成；比较器AC1的正极性端接基准电压V_ref，负极性端接电压检测电路VCC输出的变换器输出电压V_o，AC1的输出端与触发器DFF的D端相连；比较器AC2的正极性端接固定电压V_rc，负极性端接锯齿波信号产生器SG的输出信号V_saw，AC2的输出端与触发器DFF的CLK端相连；触发器DFF的输出端Q和

与脉冲产生器PG相连；

脉冲产生器PG由比较器AC3、AC4、AC5、AC6，与门AG1、AG2、AG3、AG4，以及或门OG1、OG2和触发器DFF组成；比较器AC3和AC4的正极性端分别接固定电压V_rH1和V_rL1，负极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出信号V_saw；与门AG1的输入端接比较器AC3的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接比较器AC4的输出端和触发器DFF的

端；或门OG1的输入端接与门AG1和AG2的输出端，OG1的输出端接开关管S₁的驱动电路DR1；比较器AC5和AC6的负极性端分别接固定电压V_rH2和V_rL2，正极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出信号V_saw；与门AG 3的输入端接比较器AC5的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG4的输入端接比较器AC6的输出端和触发器DFF的

端；或门OG2的输入端接与门AG3和AG4的输出端，OG2的输出端接开关管S₂的驱动电路DR2；驱动电路DR1和驱动电路DR2构成驱动电路DR。

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