CN101944849A - 一种低emi升压电路及应用该电路的装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电力领域，提供了一种低EMI升压电路及应用该电路的装置。在本发明的实施例中，直接控制升压电感中电流，从而间接控制输出电压。由于采用特殊的电流环，控制信号的开周期和关周期都会根据负载的变化而变化，导致控制频率发生抖动，因此极大地减少了EMI噪音。并且，电流上升时的斜率、以及下降时的斜率不发生变化，因此，不需要进行斜率补偿，不仅简化了电路，也降低了成本。

Description

一种低EMI升压电路及应用该电路的装置

技术领域

本发明属于电力领域，尤其涉及一种低EMI升压电路及应用该电路的装置。

背景技术

升压电路应用非常广泛，特别是在使用电池供电，但目标电压却高于电源电压的场合。目前，升压技术主要有两种：1、用低压电源对多个电容逐个充电，再用电子开关将其串联输出较高的电压。通过对电子开关的控制，让充电和放电有规律地交替执行，从而将电能源源不断地送到负载。这种控制方法通常被称作电荷泵方法。它的主要缺点是：仅限于小功率应用，比如RS232驱动电路中；电路噪音多，源于对电容充电极短的瞬间有很大的注入电流，产生强烈的电路噪音。2、用电感升压，当开关开通时，输入电能以磁能的方式储存在电感中，当开关断开时，电感中的电流继续流动，以高于输入电压的方式将磁能转换成电能通过负载释放。这种控制方法被广泛使用，基于这种控制原理的控制芯片层出不穷。

参阅图1，示出了现有技术提供的使用电感升压的电路原理，该升压电路包括电源、电容Ci、电感L，开关S、二极管D、电容Co，负载R。当开关S闭合时，电流流过路径1，电能被储存在电感L中；当开关S分断时，电流流过路径2，储存在电感L中的能量通过二极管D对负载R释放。在能量释放过程中，电感L两端始终出现左负右正的电压，该电压跟电源电压叠加后对负载R放电，所以负载R的电压总是高于输入电压，达到升压目的。

在使用电感升压的方法中，根据控制方法，可再细分为电压模控制器、电流模控制器。电压模控制器直接以电压为控制目标，控制环路中只有电压环，缺点是电流不被控制，容易出现过电流和电路不稳定等缺陷。电流模控制器直接以电流为控制目标，间接控制输出电压，控制环中存在电流环和电压环两个环路。相对电压模控制来说，电流模控制器存在一些优点，例如控制环路数学模型更易建立、动态响应快、电流受控制、不过流等，但是，由于电流模控制大多采用固定频率的PWM控制方法来对电流进行控制，该方法属于单边过流比较方法，所产生的EMI噪音分布相对集中，难以通过EMC测试。并且，存在电流次震荡问题，虽然可以采用斜率补偿的方法来消除这种震荡，但斜率补偿调试非常麻烦，全功率范围做到最优补偿更难，而且对它的调整会影响参考电流的有效值，这种关联性极大地延长研发周期，此类芯片内部结构复杂，价格昂贵、交货周期长。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种低EMI升压电路，旨在解决现有的升压电路的EMI噪声较大，需要进行斜率补偿，从而不仅结构复杂，而且成本较高的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种低EMI升压电路，所述升压电路包括输入电源Vin、连接输入电源Vin的电压环、电流环，所述电压环根据参考电压Vref和实际输入电压，生成电流控制指令Iref；

所述电流环包括迟滞比较器CP，所述迟滞比较器CP的同相输入端与所述电流控制指令Iref相连，其反相输入端通过采样电阻Rs连接到输入电源Vin，其输出端连接到MOS管S，所述MOS管S与二极管D的输入端相连，以及通过电感L连接到输入电源Vin。

进一步地，所述电压环包括负载RL，与所述负载RL并联的电容Co，分压电阻Rp、Rd串联后与所述负载RL并联，所述电压环还包括由运算放大器A、补偿电容Cc、补偿电阻Rc组成的PI调节器，所述运算放大器A的同相输入端与参考电压Vref相连，其反相输入端连接于分压电阻RP、RD之间，其输出端生成电流控制指令Iref，与电流环相连。

进一步地，在所输入电源Vin两端还连接有电容Ci。

本发明实施例的另一目的在于提供一种升压装置，所述升压装置采用上述的低EMI升压电路。

在本发明的实施例中，直接控制升压电感中电流，从而间接控制输出电压。由于采用特殊的电流环，控制信号的开周期和关周期都会根据负载的变化而变化，导致控制频率发生抖动，因此极大地减少了EMI噪音。并且，电流上升时的斜率、以及下降时的斜率不发生变化，因此，不需要进行斜率补偿，不仅简化了电路，也降低了成本。

附图说明

图1是现有技术提供的使用电感升压的电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的低EMI升压电路的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的电流环的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的电流、电压变化情形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的低EMI升压电路主要应用于将输入直流电压进行提升，输出功率较大，并且对EMI要求较高的场合。本电路采用bang-bang控制原理，直接控制升压电感中电流，从而间接控制输出电压。由于控制环路的软特性，控制信号的开周期和关周期都会根据负载的变化而变化，导致控制频率，发生抖动，因此极大地减少了EMI噪音。

图2示出了本发明实施例提供的低EMI升压电路的结构，该低EMI升压电路可以应用到各种升压装置中。

该升压电路包括输入电源Vin、连接输入电源Vin的电压环(实线框)、电流环(虚线框)，所述电压环根据参考电压Vref和实际输入电压，生成电流控制指令Iref。

所述电流环包括迟滞比较器CP，所述迟滞比较器CP的同相输入端与所述电流控制指令Iref相连，其反相输入端通过采样电阻Rs连接到输入电源Vin，其输出端连接到MOS管S，所述MOS管S与二极管D的输入端相连，以及通过电感L连接到输入电源Vin。

作为本发明的实施例，电压环可以采用经典PI控制器。即所述电压环包括负载RL，与所述负载RL并联的电容Co，分压电阻Rp、Rd串联后与所述负载RL并联，所述电压环还包括由运算放大器A、补偿电容Cc、补偿电阻Rc组成的PI调节器，所述运算放大器A的同相输入端与参考电压Vref相连，其反相输入端连接于分压电阻RP、RD之间，其输出端生成电流控制指令Iref，与电流环相连。

在本实施例中，运算放大器A与补偿电容Cc、补偿电阻Rc共同组成PI调节器，构成电压环的主要部件。电压环输入量有两个，分别是参考电压Vref和反馈电压Vfbk；输出量一个即电流环参考电流指令Iref。参考电压减去反馈电压作为电压环误差输入，误差输入分别被送往比例放大器和积分放大器，两者的合成输出即电流环参考电流指令。调整Cc和Rc的值可以分别调整积分增益和比例增益。输出电压为Vref*(Rp+Rd)/Rd。

在本实施例中，在所输入电源Vin两端还连接有电容Ci。

在本实施例中，电压环的功能是：比较参考电压Vref和实际输出电压，生成电流控制指令Iref，并将此指令输送给电流环。电流环的功能是：简单地响应电流控制指令Iref，控制流入负载侧的电流。电压环和电流环组合形成一个完整的控制环路，始终维持输出电压稳定，它的动态调整过程是：当负载变重时，输出电压下降，电压环生成较大电流指令，电流环则控制输出更大电流，导致负载电压上升；当负载变轻时，输出电压上升，电压环生成较小电流指令，电流环则控制输出更小电流，导致负载电压下降，这一负反馈过程使输出电压趋于稳定。

在本发明中，电压环采用经典PI控制器。而电流环的设计不是采用经典的PID控制器，也不是采用常用的电流模控制器。

本发明的电流环采用bang-bang控制技术，对电流进行精确、稳定、快速的控制。

参看图2、3、4，Vi为输入直流电压，Vo为输出直流电压，这两个电压值在一个控制开关周期里可以认为基本不变。Vset为参考电流的电压表示形式，Vr为电流采样电阻Rs端电压(通过电阻Rs的电流等于升压电感中电流)，CP为一迟滞比较器，迟滞比较上限为Vset+Vdelta/2，迟滞比较下限为Vset-Vdelta/2，当Vr大于Vset+Vdelta/2时比较器输出低电平，关闭MOS管S；当Vr小于Vset-Vdelta/2时比较器输出高电平，打开MOS管S。

系统加电后，迟滞比较器CP立即输出高电平，控制MOS管开通，电流通过路径1流动，电感L中电流线性上升，斜率为Vi/L，当Vr到达控制边界上限Vset+Vdelta/2(即电感中电流向上到达(Vset+Vdelta/2)/Rs)时，迟滞比较器CP输出低电平，关闭MOS管S，此时，电感L电流通过路径2流动，电感L中电流线性下降，斜率为(Vi-Vo)/L，当Vr到达控制边界下限Vset-Vdelta/2(即电感中电流向下到达(Vset+Vdelta/2)/Rs)时，迟滞比较器CP输出高电平，再次开通MOS管S，电流又再次上升(如图4所示)。如此重复，那么电感中电流始终在Vset+Vdelta/2)/Rs与Vset-Vdelta/2)/Rs之间线性变化，平均值为[(Vset+Vdelta/2)/Rs+Vset-Vdelta/2)/Rs)]/2＝Vset/Rs。在确定Rs之后，电感中电流完全由Vset决定，Vset即参考电流的电压表现形式，只要改变Vset的大小，即可调整电感中电流平均值。

综上所述，在本发明的实施例中，直接控制升压电感中电流，从而间接控制输出电压。由于采用特殊的电流环，控制信号的开周期和关周期都会根据负载的变化而变化，导致控制频率发生抖动，因此极大地减少了EMI噪音。并且，电流上升时的斜率、以及下降时的斜率不发生变化，因此，不需要进行斜率补偿，不仅简化了电路，也降低了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低EMI升压电路，其特征在于，所述升压电路包括输入电源Vin、连接输入电源Vin的电压环、电流环，所述电压环根据参考电压Vref和实际输入电压，生成电流控制指令Iref；

所述电流环包括迟滞比较器CP，所述迟滞比较器CP的同相输入端与所述电流控制指令Iref相连，其反相输入端通过采样电阻Rs连接到输入电源Vin，其输出端连接到MOS管S，所述MOS管S与二极管D的输入端相连，以及通过电感L连接到输入电源Vin。

2.根据权利要求1所述的低EMI升压电路，其特征在于，所述电压环包括负载RL，与所述负载RL并联的电容Co，分压电阻Rp、Rd串联后与所述负载RL并联，所述电压环还包括由运算放大器A、补偿电容Cc、补偿电阻Rc组成的PI调节器，所述运算放大器A的同相输入端与参考电压Vref相连，其反相输入端连接于分压电阻RP、RD之间，其输出端生成电流控制指令Iref，与电流环相连。

3.根据权利要求1所述的低EMI升压电路，其特征在于，在所输入电源Vin两端还连接有电容Ci。

4.一种升压装置，其特征在于，所述升压装置采用权利要求1-3中任一项所述的低EMI升压电路。

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