CN102751879A - 恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法 - Google Patents

恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法，即参考源块、参考源运算功能块、误差检测块和功率驱动器块依次相连接，在参考源运算功能块上连接过零检测块，在误差检测块上连接状态检测块，在功率驱动器块上连接内部时钟；参考源块产生预定的控制信号；参考源运算功能块产生参考控制信号；状态检测块检测功率电流变换器的状态变量，并转化状态变量变；误差检测块用于检测从参考源运算功能块和状态检测块输出的信号的差值，并控制功率驱动器块；过零检测块用于电流变换器的状态变量检测，并当电流变换器的状态变量过零时，反馈信号到参考源运算功能块中；功率驱动器块用于驱动功率开关；内部时钟控制功率驱动器块。

Description

恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法
技术领域
本发明涉及功率电流变换器拓扑结构及控制；更具体地说，本发明涉及一种用于控制功率电流变换器的平均输出电流的高精度控制方案，即一种恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法。
背景技术
在已有的功率电流变换器控制方法中，当功率电流变换器的电感电流运作于断续模式时，有一种恒功率控制的方法，也就是说，如果电感的峰值电流能得以控制，输出功率就可以得到控制。这种方法是用于产生功率电流变换器的一系列脉宽调制脉冲控制信号并用于控制功率电流变换器的功率开关。这种方法使得功率电流变换器的平均输出电流能跟随预定的控制信号。但这种方法使得功率电流变换器的平均输出电流精度依赖于功率电流变换器的输入输出电压，电路器件的精度及开关频率的精度。在一些低精度输出要求场合，这种这种方法已广泛使用。但如果要拓宽这种控制方法的使用范围，提高控制精度是前提。
发明内容
本发明提供一种用于功率电流变换器恒定开关频率断续电流模式的高精度平均输出电流控制方法，它使得功率电流变换器的平均输出电流可独立于功率电流变换器的输入输出电压，电路器件和相应开关频率的精度。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法，有如下功能块组成：参考源块、参考源运算功能块、状态检测块、误差检测块、过零检测块、功率驱动器块和内部时钟；所述的参考源块产生预定的控制信号；所述的参考源运算功能块根据不同功率电流变换器的拓扑结构，并按照预定算法进行运算产生相应的参考控制信号；所述的状态检测块检测功率电流变换器的状态变量，并将功率电流变换器的状态变量变换成与参考源运算功能块输出的信号相同形式信号；所述的误差检测块用于检测从参考源运算功能块和状态检测块输出的信号的差值，并当信号的差值过零时，输出反馈信号到参考源运算功能块中，并控制功率驱动器块，使得功率开关关断；所述的过零检测块用于电流变换器状态变量的检测，并当电流变换器的状态变量过零时，反馈信号到参考源运算功能块中；所述的功率驱动器块用于驱动功率开关；所述的内部时钟输出信号控制功率驱动器块驱动功率开关；所述的参考源块、参考源运算功能块、误差检测块和功率驱动器块依次相连接，在参考源运算功能块上连接过零检测块，在误差检测块上连接状态检测块，在功率驱动器块上连接内部时钟。
作为对恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法的改进：误差检测块是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。
作为对恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法的进一步改进：状态检测块是简单到由一检测电阻组成并复杂到由各种操作功能组成。
作为对恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法的进一步改进：参考源块是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。
作为对恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法的进一步改进：参考源运算功能块是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。
作为对恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法的进一步改进：在参考源运算功能块中按照预定算法实施方案，功率电流变换器的输入输出电压不参于预定算法进行运算产生的相应参考控制信号。
根据不同功率电流变换器拓扑结构, 参考源块的输出信号在参考源运算功能块中按照预定算法进行运算，使得参考源块的输出信号为相应功率电流变换器的参考控制信号。为了在功率开关开通期间，将参考控制信号和状态变量进行比较，将状态检测块输出的功率电流变换器的状态变量ViL与参考源运算功能块2输出的参考控制信号VREF 在误差检测块中检测；当差值（即状态检测块输出的功率电流变换器的状态变量ViL与参考源运算功能块输出的参考控制信号VREF 在误差检测块中检测后得出的差值）过零时，误差检测块输出信号反馈到参考源运算功能块中，并控制功率驱动器块，使得功率驱动器块控制的相应功率开关关断。
过零检测块继续检测功率电流变换器的状态变量，当功率电流变换器的状态变量过零时，过零检测块将功率电流变换器的状态变量过零的信息反馈到参考源运算功能块中。
内部时钟控制功率驱动器块，使得与功率驱动器块相连接的功率开关的开通和关断能周而复始的进行。
在本发明控制方案中，电感电流是一高频周期三角波；因为电感电流是断续，其谷点电流是零，所以其电感电流的平均电流小于其电感峰值电流（电感峰值电流的一半）。
电感峰值电流跟随着与参考源运算功能块输出的相应预定控制信号VREF的功率电流变换器的参考控制信号（即参考源运算功能块的输出），并使得功率电流变换器的平均输出电流跟随着相应的预定的控制信号VREF。
这种方案实现比较简单，不需要附加的补偿电路。本发明的控制方案可以使恒定开关频率的功率电流变换器的平均输出电流精度独立于功率电流变换器的输入输出电压、电路器件和相应开关频率的精度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1 是本发明用于功率电流变换器基本的平均输出电流控制方案方框图；
图2是本发明用于反激功率电流变换器的平均输出电流控制方案具体实例方框图；
图3是本发明用于升降压功率电流变换器的平均输出电流控制方案具体实例方框图；
图4是本发明用于升压功率电流变换器的平均输出电流控制方案具体实例方框图；
图5是本发明用于降压功率电流变换器的平均输出电流控制方案具体实例方框图。
具体实施方式
实施例1、如图1所示，给出一种恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法：包括参考源块1、参考源运算功能块2、状态检测块3、误差检测块4、过零检测块5、功率驱动器块6和内部时钟；以上所述的参考源块1、参考源运算功能块2、误差检测块4和功率驱动器块6依次相连接，在参考源运算功能块2上连接过零检测块5（实际运用时，过零检测块5还与功率电流变换器相连接），在误差检测块4上连接状态检测块3，在功率驱动器块6上连接内部时钟。
以上所述的参考源块1产生预定的控制信号；以上所述的参考源运算功能块2根据不同功率电流变换器的拓扑结构，并按照预定算法进行运算产生相应的参考控制信号；以上所述的状态检测块3检测功率电流变换器的状态变量并将其变换成与参考源运算功能块输出的信号相同形式信号；以上所述的误差检测块4用于检测从参考源运算功能块1和状态检测块3输出的信号差值，并且当差值过零时，能将输出信号反馈到参考源运算功能块1，并输出信号控制功率驱动器块6驱动功率开关关断，使得功率开关关断；以上所述的过零检测块5用于检测功率电流变换器的状态变量过零，并将检测到的功率电流变换器的状态变量过零的信息反馈到参考源运算功能块2；以上所述的功率驱动器块6用于驱动功率开关；内部时钟输出信号控制功率驱动器块6驱动功率开关开通。以上所述的参考源块1、参考源运算功能块2、状态检测块3、误差检测块4、过零检测块5、功率驱动器块6和内部时钟均为现有技术。
以上所述的参考源块1是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。以上所述的参考源运算功能块2是根据不同功率电流变换器的拓扑结构，并按照预定算法进行运算以使得这输出信号是相应功率电流变换器的参考控制信号，它是简单到为由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成；在参考源运算功能块2中，按照预定算法实施方案, 由于误差检测4的反馈信号和过零检测块5的反馈信号，功率电流变换器的输入输出电压不参于预定算法进行运算而产生的相应参考控制信号。以上所述的误差检测块4是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。以上所述的状态检测块3是简单到由一检测电阻组成和复杂到由各种操作功能组成。以上所述的过零检测块5是简单到为由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。以上所述的功率驱动器块6是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。
根据不同功率电流变换器拓扑结构, 参考源块1的输出信号在参考源运算功能块2中按照预定算法进行运算，使得参考源块1的输出信号为相应功率电流变换器的参考控制信号。为了在功率开关开通期间，将参考控制信号和状态变量进行比较，将状态检测块3输出的功率电流变换器的状态变量ViL与参考源运算功能块2输出的参考控制信号VREF 在误差检测块4中检测；当差值（即状态检测块3输出的功率电流变换器的状态变量ViL与参考源运算功能块2输出的参考控制信号VREF 在误差检测块4中检测后得出的差值）过零时，误差检测块4输出信号反馈到参考源运算功能块2中，并控制功率驱动器块6，使得功率驱动器块6控制的相应功率开关关断。
过零检测块5继续检测功率电流变换器的状态变量，当功率电流变换器的状态变量过零时，过零检测块5将功率电流变换器的状态变量过零的信息反馈到参考源运算功能块2中。
内部时钟控制功率驱动器块6，使得与功率驱动器块6相连接的功率开关的开通和关断能周而复始的进行。
在本发明控制方案中，电感电流是一高频周期三角波；因为电感电流是断续，其谷点电流是零，所以其电感电流的平均电流小于其电感峰值电流（电感峰值电流的一半）。
电感峰值电流跟随着与参考源运算功能块2输出的相应预定控制信号VREF的功率电流变换器的参考控制信号（即参考源运算功能块2的输出），并使得功率电流变换器的平均输出电流跟随着相应的预定的控制信号VREF。
这种方案实现比较简单，不需要附加的补偿电路。本发明的控制方案可以使恒定开关频率的功率电流变换器的平均输出电流精度独立于功率电流变换器的输入输出电压、电路器件和相应开关频率的精度。
如图2所示的用于反激功率电流变换器的平均输出电流控制方案作为具体实施例：有若干个功能块，分别为预定的控制信号VREF(即参考源块1)、参考源运算功能块11（即参考源运算功能块2）、检测电阻15（即状态检测块3）、比较器12（即误差检测块4）、状态过零检测器13（即过零检测块5）、功率开关的功率驱动器14（即功率驱动器块6）和内部时钟16（即上文中的内部时钟）。
参考源运算功能块11分别与功率开关的功率驱动器14、状态过零检测器13、预定的控制信号VREF和比较器12相连接，以上所述的状态过零检测器13还和反激功率电流变换器相连接（为保持图面整洁，在所有附图中，均省略状态过零检测器13和反激功率电流变换器的连接关系），以上所述的比较器12还分别和功率开关的功率驱动器14和检测电阻15相连接，以上所述的功率开关的功率驱动器14还和内部时钟16相连接。内部时钟16用于功率驱动器14控制功率开关周期导通。
具体的实施步骤如下：
1、内部时钟16控制功率开关的功率驱动器14导通功率开关，电感电流增加，电感电流经检测电阻15后输出相应的检测电压；
2、预定控制信号VREF经参考源运算功能块11（参考源运算功能块11即参考源运算功能块2，参考源运算功能块2根据不同功率电流变换器的拓扑结构，并按照预定算法进行运算后，能产生相应的参考控制信号，即预定控制信号VREF的参考控制信号）输出参考控制信号；
3、预定控制信号VREF的参考控制信号（步骤2产生）与检测电压（步骤1产生）经比较器12比较，当比较器12的输出由“1”变 “0”（即差值过零），比较器2动作（即产生差值过零信号），并将差值过零信号反馈到参考源运算功能块11中；
同时，比较器12控制功率开关的功率驱动器14关断功率开关；
4、状态过零检测器13检测反激功率电流变换器的电感电流；当电感电流衰减并过零时，状态过零检测器13动作（即产生电感电流过零的信号），并将电感电流过零的信号反馈到参考源运算功能块11中；
5、由内部时钟16内置的功率开关导通时间，当到达功率开关导通时间时，内部时钟16控制功率开关的功率驱动器14，使得功率开关导通，即内部时钟16控制功率开关的功率驱动器14，使得功率开关重复进行开关的过程，开始重复步骤1到步骤4。
如图2所示的反激功率电流变换器中的参考源运算功能块11是根据反激功率电流变换器的拓扑结构，由于比较器12的反馈信号，过零检测器13的反馈信号，反激功率电流变换器的输入输出电压不参于预定算法进行运算，以使得输出信号是相应反激功率电流变换器的参考控制信号。反激功率电流变换器的峰值电感电流跟随参考源运算功能块输出相应的参考控制信号，使反激功率电流变换器的平均输出电流跟随预定的控制信号VREF，并使反激功率电流变换器的平均输出电流独立于反激功率电流变换器的输入输出电压、电路器件和相应开关频率的精度。
实施例2、图3为本发明用于升降压功率电流变换器的具体示意图：有若干个功能块，分别为预定的控制信号VREF(即参考源块1)、参考源运算功能块11（即参考源运算功能块2）、检测电阻15（即状态检测块3）、比较器12（即误差检测块4）、状态过零检测器13（即过零检测块5）、功率开关的功率驱动器14（即功率驱动器块6）和内部时钟16。其工作原理与连接方式与图2所述的用于反激功率电流变换器相同。
实施例3、图4为用于升压功率电流变换器的方框图。有若干个功能块，分别为预定的控制信号VREF(即参考源块1)、参考源运算功能块11（即参考源运算功能块2）、检测电阻15（即状态检测块3）、比较器12（即误差检测块4）、状态过零检测器13（即过零检测块5）、功率开关的功率驱动器14（即功率驱动器块6）和内部时钟16。其工作原理与连接方式与图2所述的用于反激功率电流变换器相同。
实施例4、图5为用于降压功率电流变换器的方框图。有若干个功能块，分别为预定的控制信号VREF(即参考源块1)、参考源运算功能块11（即参考源运算功能块2）、检测电阻15（即状态检测块3）、比较器12（即误差检测块4）、状态过零检测器13（即过零检测块5）、功率开关的功率驱动器14（即功率驱动器块6）和内部时钟16。其工作原理与连接方式与图2所述的用于反激功率电流变换器相同。
当功率电流变换器的电感电流是断续时，意味著功率电流变换器的续流二极管中电流衰减到零，这可避免二极管的反向恢复电流，从而使功率电流变换器的开关损耗降低。
使用恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制技术的好处如下：
1、以最简单的构造来完成功率电流变换器的平均输出电流精确地控制；
2、以最低的成本来完成功率电流变换器的平均输出电流精确地控制；
3、使整个系统成为高精度和高效率相结合的系统。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法，其特征在于有如下功能块组成：参考源块（1）、参考源运算功能块（2）、状态检测块（3）、误差检测块（4）、过零检测块（5）、功率驱动器块（6）和内部时钟；
所述的参考源块（1）产生预定的控制信号；
所述的参考源运算功能块（2）根据不同功率电流变换器的拓扑结构，并按照预定算法进行运算产生相应的参考控制信号；
所述的状态检测块（3）检测功率电流变换器的状态变量，并将功率电流变换器的状态变量变换成与参考源运算功能块输出的信号相同形式信号；
所述的误差检测块（4）用于检测从参考源运算功能块（2）和状态检测块（3）输出的信号的差值，并当信号的差值过零时，输出反馈信号到参考源运算功能块（2）中，并控制功率驱动器块（6），使得功率开关关断；
所述的过零检测块（5）用于电流变换器状态变量的检测，并当电流变换器的状态变量过零时，反馈信号到参考源运算功能块（2）中；
所述的功率驱动器块（6）用于驱动功率开关；
所述的内部时钟输出信号控制功率驱动器块（6）驱动功率开关；
所述的参考源块（1）、参考源运算功能块（2）、误差检测块（4）和功率驱动器块（6）依次相连接，在参考源运算功能块（2）上连接过零检测块（5），在误差检测块（4）上连接状态检测块（3），在功率驱动器块（6）上连接内部时钟。
2.如权利要求1所述恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法，其特征在于：误差检测块（4）是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。
3.如权利要求1所述恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法，其特征在于：状态检测块（3）是简单到由一检测电阻组成并复杂到由各种操作功能组成。
4.如权利要求1所述恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法，其特征在于：参考源块（1）是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。
5.如权利要求1所述恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法，其特征在于：参考源运算功能块（2）是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。
6.如权利要求5所述用于恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法，其特征在于：在参考源运算功能块（2）中按照预定算法实施方案，功率电流变换器的输入输出电压不参于预定算法进行运算产生的相应参考控制信号。
7.如权利要求1所述用于恒定开关频率断续电流模式平均输出电流控制的方法，其特征在于：功率驱动器块（6）是简单到由一个基本操作组成并复杂到由各种操作功能组成。
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