CN102263505A - 一种用于dc-dc转换器的平均电感电流的控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路，包括电流检测电阻R1、信号检测放大器、数据采集与存储器、时钟、加法器、除法器、比较器、脉冲调制控制器PWM、开关管V1、电感L1、二极管D1与电容C1。本发明所述用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路，可以克服现有技术中平均电流时检测速度慢、以及恒流控制和限流保护的精确性及可靠性低等缺陷，以实现电流检测速度快、以及恒流控制和限流保护的精确性及可靠性高的优点。

Description

一种用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路

技术领域

本发明涉及开关型DC-DC转换器，具体地，涉及一种用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路。

背景技术

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。

目前，开关型DC-DC转换器（即转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器），以小型、轻量和高效率的特点，被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关型DC-DC转换器的电路拓扑，分为电流模式控制和电压模式控制。

图1是电压模式的DC-DC转换器控制电路实例，由图1可知，该电压模式的DC-DC转换器控制电路，是由单一的归返回路所构成，它的输出电压归返至输入端，误差增幅器可将基准电压与分压后的输出电压差分增幅；再将误差增幅器的输出输入到脉宽调制器（PWM），PWM比较器可将增幅后的差分成分信号，与内部产生的锯齿状信号作比较，最后再输出PWM信号。具体地，图1的时钟波形如图1a所示，图1的输入电压波形如图1b所示，图1的锁存器输出波形如图1c所示。

图2是电流模式控制的DC-DC转换器电路实例，由图2可知，该电流模式控制的DC-DC转换器电路，是在电压归返端追加设置可使电感电流归返的回路。在电流模式控制的DC-DC转换器，流入电感的电流与流入PWM比较器的电流都被当作控制信号输入，换句话说除了输出电压之外电感电流也能归返，这是它与电压模式最主要的结构差异。具体地，图2的时钟波形如图2a所示，图2的电压误差信号和所采集电感电流的关系图如图2b所示，图2的峰值电流控制模式的驱动波形如图2c所示。

由于电流模式控制具有动态反应快、补偿电路简化、增益带宽大、输出电感小、易于均流等优点，取得了越来越广的应用。在电流模式的控制电路中，需要准确、高效地测量电流值，故电流检测电路的实现就成为一个重要的问题。

目前，常用的电流模式控制的DC-DC转换器的电感电流检测方法，有以下两大类：

⑴峰值电流控制模式的电感电流检测方法（简称峰值电流法）：

峰值电流法是将实际检测的电感电流和电压外环设定的电流值输入PWM比较器进行比较，如图2所示；峰值电流法的电流环增益较低。峰值电流控制模式与平均电流控制模式相比较，有以下几个缺点：易受噪声干扰、需斜坡补偿、具有峰值/平均值误差。在峰值电流法中，峰值电流控制模式电流控制回路如图4所示。

在上述峰值电流控制模式电流控制回路中，峰值电路模式波形如图4a所示，峰值和均值中间出现误差值I_ΔE的波形如图4b所示。

⑵平均电流控制模式的电感电流检测方法（简称平均电流法）：

平均电流法是将实际电感电流和电压外环设定的理想电流接到一个高增益的电流误差放大器，通过电流误差放大器将电流误差放大再接到PWM比较器，和一个大幅值的锯齿波（即振荡器的坡度）比较，如图3所示。此方法弥补了峰值电流控制模式的缺点，具有噪声抑制，无需斜坡补偿，减少误差等优点，是目前最常用的平均电流流控制法；但其缺点在于实现均流功能的操作比较繁杂、不能实现每周期的平均电流，瞬态平均电流无法控制。具体地，图3的输入输出电压波形如图3a所示，图3的驱动波形如图3b所示。

综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在平均电流时检测速度慢、以及恒流控制和限流保护的精确性及可靠性低等缺陷。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路，以实现电流检测速度快、以及恒流控制和限流保护的精确性及可靠性高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路，包括电流检测电阻R1、信号检测放大器、数据采集与存储器、时钟、加法器、除法器、比较器、脉冲调制控制器PWM、开关管V1、电感L1、二极管D1与电容C1，其中：

所述电流检测电阻R1的第一连接端Vin与信号检测放大器的第一输入端连接，第二连接端与信号检测放大器的第二输入端及开关管V1的源极连接；所述信号检测放大器的输出端，与加法器的第一输入端、以及数据采集和存储器的第一输入端连接；所述数据采集和存储器的第二输入端与时钟连接，输出端与加法器的第二输入端连接；

所述加法器的输出端与除法器的输入端连接，除法器的输出端Isam与比较器的第二输入端连接，比较器的第一输入端为参考电压输入端Ve，比较器的输出端与PWM的第一输入端连接；PWM的第二输入端与时钟连接，输出端与开关管V1的栅极连接；开关管V1的漏极与二极管D1的阴极及电感L1的第一连接端连接，电感L1的第二连接端经电容C1后接地、且为输出端Vout，二极管D1的阳极接地。

进一步地，所述开关管V1包括金属氧化物半导体场效应MOS管、三极管。

本发明各实施例的用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路，由于包括电流检测电阻R1、信号检测放大器、数据采集与存储器、时钟、加法器、除法器、比较器、脉冲调制控制器PWM、开关管V1、电感L1、二极管D1与电容C1；可以实现平均电感电流的控制电路，减少误差，无论是静态还是动态，都能很好的实现每周期的平均电流快速检测，可靠地实现快速恒流控制和限流保护；从而可以克服现有技术中平均电流时检测速度慢、以及恒流控制和限流保护的精确性及可靠性低的缺陷，以实现电流检测速度快、以及恒流控制和限流保护的精确性及可靠性高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中电压模式的DC-DC转换器控制电路的工作原理示意图；

图1a为图1的时钟波形示意图；

图1b为图1的输入电压波形示意图；

图1c为图1的锁存器输出波形示意图；

图2为现有技术中电流模式的DC-DC转换器控制电路的工作原理示意图；

图2a为图2的时钟波形示意图；

图2b为图2中电压误差信号和所采集电感电流的关系图；

图2c为图2的峰值电流控制模式的驱动波形示意图；

图3为现有技术中平均电流控制模式的电感电流检测方法的工作原理示意图；

图3a为图3的输入输出电压波形示意图；

图3b为图3的驱动波形示意图；

图4为现有技术中峰值电流控制模式电流控制回路的工作原理示意图；

图4a为图4的峰值电路模式波形示意图；

图4b为图4中在峰值和均值中间出现误差值I_ΔE的波形示意图;

图5为根据本发明用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路的工作原理示意图； 

图5a为图5的电感电流波形示意图；

图5b为图5的开关管电流波形示意图；

图5c为图5的Is波形示意图；

图5d为图5的Isam波形示意图；

图5e为图5的Is与Isam的波形关系示意图；图5f为图5的整个电感电流的波形示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-信号检测放大器；2-数据采集和存储器；3-加法器；4-除法器；5-比较器；6-PWM。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，提供了一种用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路。如图5-图5f所示，本实施例包括电流检测电阻R1、信号检测放大器1、数据采集与存储器、时钟、加法器3、除法器4、比较器5、脉冲调制控制器PWM 6、开关管V1、电感L1、二极管D1与电容C1，通过组合，能够实现平均电感电流的控制电路，减少误差，无论是静态还是动态都可以实现良好的每周期的快速均流，达到快速精确控制电流的目地。这里，开关管V1包括MOS管。

其中，在上述实施例中，各器件功能及工作原理如下：

电流检测电阻R1：通过对电流检测电阻R1两端的电压信号采集，采集到一个小的电压信号；信号检测放大器1：将检测采集到的小电压信号转换成较强的电压信号；数据采集和存储器2：根据时钟控制设定的周期对电流数据进行采集并存储，然后进行相加和相除运算，得到平均电流值；加法器3：将两端的电流进行相加运算；除法器4：将相加的电流再进行除2运算；比较器5：将测量到的电压信号与设置的电压信号进行比较；PWM 6：通过比较，得到PWM脉冲信号，来调节开关管V1的关断和导通，当瞬态电流超过或等于设定数据时，功率管V1关断；电感L1：通过电感L1，可以输出电流。

在上述实施例中，电流检测电阻R1的第一连接端Vin与信号检测放大器1的第一输入端连接，第二连接端与信号检测放大器1的第二输入端及开关管V1的源极连接；所述信号检测放大器1的输出端，与加法器3的第一输入端、以及数据采集和存储器2的第一输入端连接；所述数据采集和存储器2的第二输入端与时钟连接，输出端与加法器3的第二输入端连接；所述加法器3的输出端与除法器4的输入端连接，除法器4的输出端Isam与比较器5的第二输入端连接，比较器5的第一输入端为参考电压输入端Ve，比较器5的输出端与PWM 6的第一输入端连接；PWM 6的第二输入端与时钟连接，输出端与开关管V1的栅极连接；开关管V1的漏极与二极管D1的阴极及电感L1的第一连接端连接，电感L1的第二连接端经电容C1后接地、且为输出端Vout，二极管D1的阳极接地。

在上述实施例中，用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路的控制方式，属于开关型DC-DC转换器的电路拓扑的控制方式，通过数据采集和存储器2采集电流数据并存储，然后进行相加和相除运算，得到每个周期的平均电流值，将电感电流与设定的平均电流值进行比较器5比较，得到PWM脉冲信号，来调节开关管V1的关断和导通，使电感L1电流输出电流与平均电流相等，实现每周期的电感平均电流快速检测与控制，能更精确且可靠地实现快速恒流控制和限流保护；具有以下优点：⑴实现均值功能简单；⑵能实现每周期的平均电流，瞬态速度快，实现每周期的平均电流快速控制，更精确可靠地实现快速恒流控制和限流保护。

在上述实施例中，电感L1的电流波形如图5a所示，此为通过电流检测电阻R1的电流，它形成的是锯齿波形；开关管V1的电流波形如图5b所示，当开关管V1处于接通状态，电流就上升，反之，开关管V1处于断开状态，电流就会下降；电流Is波形如图5d所示，当开关管V1处于接通状态，电流Is就上升，反之，开关管V1处于断开状态，电流Is就会下降。

在上述实施例中，用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路的波形如图5c所示，当开关管V1处于接通状态，Isam的电流就处于上升阶段，直到到达Ve时，开关管就会自动关断，Isam的电流就会下降，而当时钟指令再次到达，开关管V1再次处于接通状态，Isam的电流就处于上升阶段，直到到达Ve时，开关管V1就会自动关断，Isam的电流就会下降，形成一个控制均值的电流周期。

上述实施例通过对Isam进行一系列的方法处理，使得Is与Isam的关系变成倍数的关系，即Is是Isam的两倍，电流波形如图5e所示，从而使得整个电感L1的电流波形如图5f所示。

上述实施例的用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路，使用数据采集和存储器2和一系列的运算，得到平均电流值并且精确的跟踪平均电流设定值，从而实现平均电感电流控制，实现每周期的平均电流快速控制；更精确可靠地实现快速恒流控制和限流保护。

综上所述，本发明各实施例的用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路，由于包括电流检测电阻R1、信号检测放大器、数据采集与存储器、时钟、加法器、除法器、比较器、脉冲调制控制器PWM、开关管V1、电感L1、二极管D1与电容C1；可以实现平均电感电流的控制电路，减少误差，无论是静态还是动态，都能很好的实现每周期的平均电流快速检测，可靠地实现快速恒流控制和限流保护；从而可以克服现有技术中平均电流时检测速度慢、以及恒流控制和限流保护的精确性及可靠性低的缺陷，以实现电流检测速度快、以及恒流控制和限流保护的精确性及可靠性高的优点。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路，其特征在于，包括电流检测电阻R1、信号检测放大器、数据采集与存储器、时钟、加法器、除法器、比较器、脉冲调制控制器PWM、开关管V1、电感L1、二极管D1与电容C1，其中：

所述电流检测电阻R1的第一连接端Vin与信号检测放大器的第一输入端连接，第二连接端与信号检测放大器的第二输入端及开关管V1的源极连接；所述信号检测放大器的输出端，与加法器的第一输入端、以及数据采集和存储器的第一输入端连接；所述数据采集和存储器的第二输入端与时钟连接，输出端与加法器的第二输入端连接；

所述加法器的输出端与除法器的输入端连接，除法器的输出端Isam与比较器的第二输入端连接，比较器的第一输入端为参考电压输入端Ve，比较器的输出端与PWM的第一输入端连接；PWM的第二输入端与时钟连接，输出端与开关管V1的栅极连接；开关管V1的漏极与二极管D1的阴极及电感L1的第一连接端连接，电感L1的第二连接端经电容C1后接地、且为输出端Vout，二极管D1的阳极接地。

2.根据权利要求1所述的用于DC-DC转换器的平均电感电流的控制电路，其特征在于，所述开关管V1包括金属氧化物半导体场效应MOS管、三极管。

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