CN103078475A

CN103078475A - 开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法及其装置

Info

Publication number: CN103078475A
Application number: CN2013100051812A
Authority: CN
Inventors: 周国华; 金艳艳; 杨平; 许建平; 张斐
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: CN103078475B

Abstract

本发明公开了一种开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法及其装置，根据输出电压与电压基准值的关系，采用恒定关断、导通、恒定关断组成的控制时序，或导通、恒定关断、导通组成的控制时序，控制开关变换器开关管的关断与导通。本发明可用于控制Buck变换器、Buck²变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、单管正激变换器、双管正激变换器、推挽变换器、推挽正激变换器、半桥变换器和全桥变换器等多种拓扑结构的开关变换器，其优点是：无需补偿网络，控制简单，瞬态响应速度快，稳压精度高。

Description

开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及电力电子设备，尤其是一种开关变换器的控制方法及其装置。

背景技术

近年来，电力电子器件技术和电力电子变流技术不断发展，作为电力电子重要领域的开关电源技术成为应用和研究的热点。开关电源主要由开关变换器和控制器两部分构成。开关变换器又称为功率主电路，主要有降压(Buck)、升压(Boost)、升降压(Buck-Boost)、正激、反激、半桥、全桥等多种拓扑结构。控制器用于监测开关变换器的工作状态，并产生控制脉冲信号控制开关管，调节供给负载的能量以稳定输出。对于同一个开关变换器，不同的控制方法使得变换器具有不同的瞬态和稳态性能。

传统的脉冲宽度调制(PWM)电压型控制是最为常见的开关变换器控制方法，其控制思想是：将变换器输出电压与基准电压进行比较得到的误差信号经过误差放大器补偿后生成控制电压，并将控制电压与固定频率的锯齿波进行比较，获得脉冲控制信号，再通过驱动电路控制开关管的导通和关断，实现开关变换器输出电压的调节。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，如一些微处理器在待机、休眠、正常运行之间切换时，瞬态电流速率高达130A/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PWM电压型控制方法实现简单，但因采用误差放大器，具有瞬态性能差、补偿网络设计复杂等缺点，已很难满足负载这一需求。传统的恒定关断时间调制电压型控制是较为常见的开关变换器脉冲频率调制(PFM)电压型控制方法之一，其基本思想是：每个开关周期开始时，开关管关断，变换器输出电压下降；经过恒定关断时间后，开关管导通，输出电压上升，当其上升至基准电压时，开关管再次关断，开始新的一个开关周期。与PWM电压型控制相比，采用PFM电压型控制方法的开关变换器瞬态性能好，但是稳态精度差。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关变换器的控制方法，使之同时具有快速的瞬态响应速度和较高的稳态精度，适用于多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：开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法，在任意一个采样脉冲信号的开始时刻检测输出电压，将电压基准值和输出电压值相减，并乘以系数K，得到信号y；预设一个或两个恒定关断时间T₁，T₂，并将关断时间相加，再乘以系数K’，得到信号y’；将信号y和信号y’相加之后，生成可变导通时间，采用恒定关断时间和可变导通时间组成的控制时序，控制开关变换器开关管的关断与导通。

其具体的技术方案有二：

①在任意一个采样脉冲信号的开始时刻关断开关管，同时检测变换器的输出电压，将电压基准值和输出电压值相减，并乘以系数K₁，得到信号y₁；预设两个恒定关断时间，并将两者相加，再乘以系数K₂，得到信号y₂；将信号y₁和信号y₂相加之后，生成可变导通时间。根据两个恒定的关断时间和一个可变的导通时间，每个周期依次采用恒定关断、导通、恒定关断组成的控制时序，控制开关变换器开关管的关断与导通。

②在任意一个采样脉冲信号的开始时刻导通开关管，同时检测变换器的输出电压，将电压基准值和输出电压值相减，并乘以系数K₃，得到信号y₃；预设一个恒定关断时间，并乘以系数K₄，得到信号y₄；将信号y₃和信号y₄相加之后，生成可变导通时间，再将其分解成两个导通时间。根据一个恒定的关断时间和两个导通时间，每个周期依次采用导通、恒定关断、导通组成的控制时序，控制开关变换器开关管的导通与关断。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、与现有的PWM电压型开关变换器相比，本发明的开关变换器在负载发生改变时，输出电压的变化立即改变导通时间的大小，从而快速调节开关变换器开关管导通时间的长短，提高了变换器的瞬态性能。

二、与现有的PFM电压型开关变换器相比，本发明的开关变换器稳压精度高，稳态性能好；在大负载范围变化时，输出电压和电感电流瞬态超调量小，调节时间短，瞬态性能好。

三、控制器无需误差放大器，简化了控制环路的设计，控制简单，增强了系统稳定性和瞬态响应能力。

本发明的另一目的是提供一种实现上述开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法的装置：由电压检测电路VS、导通时间产生器ONG、锯齿波产生器SG、脉冲调制器PM以及驱动电路DR组成；所述的电压检测电路VS、导通时间产生器ONG、锯齿波产生器SG、脉冲调制器PM、驱动电路DR依次相连；锯齿波产生器SG与电压检测电路VS相连；导通时间产生器ONG与脉冲调制器PM相连。

在同一发明构思下，对应于实现开关变换器双缘关断导通时间调制电压型控制方法提出了两种具体的实现装置：

装置①的导通时间产生器ONG由减法器SUB1、乘法器MU1、乘法器MU2、加法器ADD1以及加法器ADD2组成，其中：减法器SUB1、乘法器MU1、加法器ADD1依次相连；加法器ADD2、乘法器MU2、加法器ADD1依次相连。电压基准值V_ref和输出电压值分别输入到减法器SUB1的正端和负端；减法器SUB1的输出和系数K₁作为乘法器MU1的输入；两个恒定关断时间作为加法器ADD2的输入；加法器ADD2的输出和系数K₂作为乘法器MU2的输入。装置①的脉冲调制器PM1由加法器ADD3、减法器SUB2、减法器SUB3、比较器CMP1、比较器CMP2以及与门AG组成，其中：加法器ADD3、减法器SUB2、比较器CMP1、与门AG依次相连；减法器SUB3、比较器CMP2、与门AG依次相连；外部锯齿波产生器SG分别与减法器SUB2和减法器SUB3相连。

装置②的导通时间产生器ONG由减法器SUB4、减法器SUB5、乘法器MU3、乘法器MU4、乘法器MU5、加法器ADD4以及加法器ADD5组成，其中：减法器SUB4、乘法器MU3、加法器ADD4、乘法器MU5、加法器ADD5、减法器SUB5依次相连；乘法器MU4、加法器ADD4、减法器SUB5依次相连。电压基准值V_ref和输出电压值分别输入到减法器SUB4的正端和负端；减法器SUB4的输出和系数K₃作为乘法器MU3的输入；恒定关断时间和系数K₄作为乘法器MU4的输入；加法器ADD4的输出和系数K₅作为乘法器MU5的输入；乘法器MU5的输出和常数C₁作为加法器ADD5的输入；加法器ADD4和加法器ADD5的输出分别输入到减法器SUB5的正端和负端。装置②的脉冲调制器PM2由加法器ADD6、减法器SUB6、减法器SUB7、比较器CMP3、比较器CMP4以及或门OR组成，其中：加法器ADD6、减法器SUB6、比较器CMP3、或门OR依次相连；减法器SUB7、比较器CMP4、或门OR依次相连；外部锯齿波产生器SG分别与减法器SUB6和减法器SUB7相连。

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为本发明采用技术方案的信号流程图。

图2为本发明实施例一采用技术方案①的信号流程图。

图3为本发明实施例一的导通时间产生器ONG1的信号流程图。

图4为本发明实施例一的脉冲调制器PM1的信号流程图。

图5为本发明实施例一的电路结构框图。

图6为本发明实施例一中，输出电压、电压基准值、恒定关断时间、导通时间、采样脉冲信号与驱动信号之间的关系示意图。

图7为本发明实施例一和传统恒定关断时间调制电压型控制的开关变换器在稳态条件下输出电压的时域仿真波形图。

图8为本发明实施例一和传统PWM调制电压型控制、传统恒定关断时间调制电压型控制的开关变换器在负载突变时输出电压的时域仿真波形图。

图9为本发明实施例二采用技术方案②的信号流程图。

图10为本发明实施例二的导通时间产生器ONG2的信号流程图。

图11为本发明实施例二的脉冲调制器PM2的信号流程图。

图12为本发明实施例二中，输出电压、电压基准值、恒定关断时间、导通、采样脉冲信号及驱动信号之间的关系示意图。

图13为本发明实施例二的电路结构框图。

图7中：a为传统恒定关断时间调制电压型控制开关变换器在稳态时的输出电压波形；b为本发明实施例一在稳态时的输出电压波形。

图8中：a为传统PWM调制电压型控制开关变换器在负载突变时的输出电压波形；b为传统恒定关断时间调制电压型控制开关变换器在负载突变时的输出电压波形；c为本发明实施例一在负载突变时的输出电压波形。

具体实施方式

下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步详细的描述。

实施例一

采用技术方案①：

图2示出，本发明的一种具体实施方式为：开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法及其装置CFT1，其CFT1装置主要由电压检测电路VS1、导通时间产生器ONG1、锯齿波产生器SG1、脉冲调制器PM1以及驱动电路DR1组成。电压检测电路VS1用于获取输出电压信息，导通时间产生器OFG1用于产生可变导通时间，锯齿波产生器SG1用于产生频率可变的锯齿波和采样脉冲信号，脉冲调制器PM1用于产生恒定关断、导通、恒定关断的控制脉冲信号，经由驱动电路DR1，控制开关变换器TD开关管的关断与导通。

图3示出，本例的导通时间产生器ONG1由减法器SUB1、乘法器MU1、乘法器MU2、加法器ADD1以及加法器ADD2组成。减法器SUB1、乘法器MU1、加法器ADD1依次相连；加法器ADD2、乘法器MU2、加法器ADD1依次相连。电压基准值V_ref和输出电压值分别输入到减法器SUB1的正端和负端；减法器SUB1的输出和系数K₁作为乘法器MU1的输入，乘法器MU1的输出为信号y₁；两个恒定关断时间T_OFF1和T_OFF2作为加法器ADD2的输入；加法器ADD2的输出和系数K₂作为乘法器MU2的输入，乘法器MU2的输出为信号y₂；加法器ADD1的输出即为可变导通时间t_on=y₁+y₂。

图4示出，本例的脉冲调制器PM1由加法器ADD3、减法器SUB2、减法器SUB3、比较器CMP1、比较器CMP2以及与门AG组成。加法器ADD3、减法器SUB2、比较器CMP1、与门AG依次相连；减法器SUB3、比较器CMP2、与门AG依次相连；外部锯齿波产生器SG1分别与减法器SUB2和减法器SUB3相连。

本例采用图5的装置，可方便、快速地实现上述控制方法。图5示出，本例的开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法的装置，由变换器TD和开关管S的控制装置CFT1组成。图6为本例输出电压、电压基准值、恒定关断时间、导通时间、采样脉冲信号及驱动信号之间的关系示意图。

本例的装置其工作过程和原理是：

控制装置CFT1采用双缘恒定关断时间调制电压型控制的工作过程和原理是：图5、图6示出，在任意一个采样脉冲信号的开始时刻关断开关管，这个采样脉冲信号由锯齿波产生器SG1产生；同时，电压检测电路VS1检测变换器TD的输出电压V_O，将基准电压V_ref与输出电压V_O相减，其结果乘以系数K₁，得到信号y₁=K₁(V_ref-V_O)，作为加法器ADD1的一个输入。两个恒定关断时间T_OFF1和T_OFF2相加，其结果乘以系数K₂，得到信号y₂=K₂(T_OFF1+T_OFF2)，作为加法器ADD1的另一个输入。加法器ADD1的输出为可变导通时间t_on，即t_on=y₁+y₂。根据两个恒定关断时间T_OFF1、T_OFF2和一个可变关断时间t_on，控制锯齿波产生器SG1的频率，产生频率可变的锯齿波V_saw。在锯齿波产生器SG1中，将一个很小的常数与锯齿波V_saw进行比较，根据比较结果产生采样脉冲信号，用于确定开关周期和采样输出电压。在脉冲调制器PM1中，将锯齿波V_saw、恒定关断时间T_OFF1、可变导通时间t_on进行比较，根据比较结果产生恒定关断、导通、恒定关断的控制脉冲信号，经由驱动电路DR1，控制变换器TD开关管S的关断与导通。

本例中，开关管S的控制脉冲在脉冲调制器PM1中产生，具体产生方式为：在每个周期开始时，开关管S关断、二极管D导通，电感电流由初始值开始下降，相应地输出电压也开始下降；开关管S关断恒定时间T_OFF1后导通同时二极管D关断，电感电流随即开始上升，相应地输出电压也开始上升。经过导通时间t_on后，脉冲调制器PM1使控制脉冲由高电平变为低电平，开关管S再次关断、二极管D再次导通，开关管S关断恒定时间T_OFF2后当前周期结束。恒定关断时间T_OFF1由T_OFF1同锯齿波V_saw比较产生，若V_saw<T_OFF1，脉冲调制器PM1输出低电平，否则输出高电平；恒定关断时间T_OFF2由T_OFF1与t_on之和同锯齿波V_saw比较产生，若V_saw>(T_OFF1+t_on)，脉冲调制器PM1输出低电平，否则输出高电平。

本例的变换器TD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7为采用传统恒定关断时间调制电压型控制和本发明的开关变换器在稳态条件下输出电压的时域仿真波形图，分图a、b分别对应传统恒定关断时间调制电压型控制和本发明。在图7中可以看出，采用传统恒定关断时间调制电压型控制(恒定关断时间为14us)开关变换器的平均输出电压稳定在小于1.5V处，而采用本发明的平均输出电压稳定在1.5V。可见采用本发明具有更高的稳压精度、更好的稳态性能。仿真条件：输入电压V_in＝5V、输出电压基准值V_ref=1.5V、电感L=20uH、电容C=1420uF(其等效串联电阻为30mΩ)、负载电流I_o=1A、恒定关断时间T_OFF1=T_OFF2=7μs；系数K₁=1.905*10^-4，系数K₂=3/7。

图8为采用传统PWM调制电压型控制、传统恒定关断时间调制电压型控制和本发明的开关变换器在负载突变时输出电压的时域仿真波形图，分图a、b、c分别对应传统PWM调制电压型控制、传统恒定关断时间调制电压型控制和本发明。图8中，在6ms时负载由1A阶跃变化至10A，采用传统PWM调制电压型控制(开关频率为50KHz)经过约1.82ms后才能进入新的稳态，输出电压峰峰值波动654mV；采用传统恒定关断时间调制电压型控制(恒定关断时间为14us)经过约0.57ms后进入新的稳态，输出电压峰峰值波动757mV；而采用本发明的开关变换器可迅速进入新的稳态，调整时间为0.46ms，输出电压峰峰值波动604mV。可见本发明的开关变换器具有很好的负载瞬态性能。

采用技术方案②：

图9示出，本发明采用技术方案②的具体实施方式为：开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法及其装置CFT2，其CFT2装置主要由电压检测电路VS2、导通时间产生器ONG2、锯齿波产生器SG2、脉冲调制器PM2以及驱动电路DR2组成。图9与图2基本相同，不同之处是：图9中导通时间产生器ONG2和脉冲调制器PM2的功能与图2中导通时间产生器ONG1和脉冲调制器PM1的功能不同。导通时间产生器ONG2用于产生总的可变导通时间，并将其分解成两个导通时间；脉冲调制器PM2用于产生导通、恒定关断、导通的控制脉冲信号。

图10示出，采用技术方案②的导通时间产生器ONG2由减法器SUB4、减法器SUB5、乘法器MU3、乘法器MU4、乘法器MU5、加法器ADD4以及加法器ADD5组成。减法器SUB4、乘法器MU3、加法器ADD4、乘法器MU5、加法器ADD5、减法器SUB5依次相连；乘法器MU4、加法器ADD4、减法器SUB5依次相连。电压基准值V_ref和输出电压值分别输入到减法器SUB4的正端和负端；减法器SUB4的输出和系数K₃作为乘法器MU3的输入；恒定关断时间T_OFF和系数K₄作为乘法器MU4的输入；加法器ADD4的输出即为总的可变导通时间t_on。加法器ADD4的输出和系数K₅作为乘法器MU5的输入；乘法器MU5的输出和常数C₁作为加法器ADD5的输入，加法器ADD5的输出即为一个导通时间t_on2。加法器ADD4和加法器ADD5的输出分别输入到减法器SUB5的正端和负端，减法器SUB5的输出即为另一个导通时间t_on1。

图11示出，采用技术方案②的脉冲调制器PM2由加法器ADD6、减法器SUB6、减法器SUB7、比较器CMP3、比较器CMP4以及或门OR组成。加法器ADD6、减法器SUB6、比较器CMP3、或门OR依次相连；减法器SUB7、比较器CMP4、或门OR依次相连；外部锯齿波产生器SG2分别与减法器SUB6和减法器SUB7相连。

图12为本发明采用技术方案②时输出电压、电压基准值、恒定关断时间、导通时间、采样脉冲信号及驱动信号之间的关系示意图。具体的工作过程及原理为：图12示出，在任意一个采样脉冲信号的开始时刻导通开关管，同时，电压检测电路VS2检测变换器输出电压V_O，将基准电压V_ref与输出电压V_O相减，其结果乘以系数K₃，得到信号y₃＝K₃(V_ref-V_O)，作为加法器ADD4的一个输入。将恒定关断时间T_OFF乘以系数K₄，得到信号y₄=K₄T_OFF，作为加法器ADD4的另一个输入。加法器ADD4的输出为总的可变导通时间t_on，即t_on=y₃+y₄。根据总的可变导通时间t_on，设置系数K₅和常数C₁，将其分解成两个导通时间t_on2=K₅t_on+C₁、t_on1=t_on-t_on2。根据两个导通时间t_on1、t_on2和一个恒定关断时间T_OFF，控制锯齿波产生器SG2的频率，产生频率可变的锯齿波V_saw，再将锯齿波V_saw与一个很小的常数进行比较，产生采样脉冲信号，用于确定开关周期和采样输出电压。在脉冲调制器PM2中，将锯齿波V_saw、恒定关断时间T_OFF、导通时间t_on1进行比较，根据比较结果产生导通、恒定关断、导通的控制脉冲信号，经由驱动电路DR2，控制变换器开关管的导通与关断。

实施例二

图13示出，本例控制的变换器TD为单管正激变换器，开关管S的控制装置采用CFT2。同样通过仿真证明，采用本发明的单管正激变换器输出电压稳定，稳态精度高，负载瞬态性能好。

本发明方法除可用于以上实施例中的开关变换器外，也可用于Buck²变换器、双管正激变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、推挽变换器、推挽正激变换器、半桥变换器、全桥变换器等多种电路拓扑。

Claims

1.一种开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法，其特征在于：在任意一个采样脉冲信号的开始时刻检测输出电压，将电压基准值和输出电压值相减，并乘以系数K，得到信号y；预设一个或两个恒定关断时间T₁，T₂，并将关断时间相加，再乘以系数K’，得到信号y’；将信号y和信号y’相加之后，生成可变导通时间，采用恒定关断时间和可变导通时间组成的控制时序，控制开关变换器开关管的关断与导通。

2.根据权利要求1所述之开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法，其特征在于：在任意一个采样脉冲信号的开始时刻关断开关管，同时检测输出电压，将电压基准值和输出电压值相减，并乘以系数K₁，得到信号y₁；预设两个恒定关断时间，并将两者相加，再乘以系数K₂，得到信号y₂；将信号y₁和信号y₂相加之后，生成可变导通时间；根据两个恒定的关断时间和一个可变的导通时间，每个周期依次采用恒定关断、导通、恒定关断组成的控制时序，控制开关变换器开关管的关断与导通。

3.根据权利要求1所述之开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法，其特征在于：在任意一个采样脉冲信号的开始时刻导通开关管，同时检测输出电压，将电压基准值和输出电压值相减，并乘以系数K₃，得到信号y₃；预设一个恒定关断时间，并乘以系数K₄，得到信号y₄；将信号y₃和信号y₄相加之后，生成可变导通时间，再将其分解成两个导通时间；根据一个恒定的关断时间和两个导通时间，每个周期依次采用导通、恒定关断、导通组成的控制时序，控制开关变换器开关管的导通与关断。

4.一种实现权利要求1或2或3所述的开关变换器双缘恒定关断时间调制电压型控制方法的装置，其特征在于：由电压检测电路VS、导通时间产生器ONG、锯齿波产生器SG、脉冲调制器PM以及驱动电路DR组成；所述的电压检测电路VS、导通时间产生器ONG、锯齿波产生器SG、脉冲调制器PM、驱动电路DR依次相连；锯齿波产生器SG与电压检测电路VS相连；导通时间产生器ONG与脉冲调制器PM相连。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：导通时间产生器ONG由减法器SUB1、乘法器MU1、乘法器MU2、加法器ADD1以及加法器ADD2组成；减法器SUB1、乘法器MU1、加法器ADD1依次相连；加法器ADD2、乘法器MU2、加法器ADD1依次相连；电压基准值V_ref和输出电压值分别输入到减法器SUB1的正端和负端；减法器SUB1的输出和系数K₁作为乘法器MU1的输入；两个恒定关断时间作为加法器ADD2的输入；加法器ADD2的输出和系数K₂作为乘法器MU2的输入。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：脉冲调制器PM由加法器ADD3、减法器SUB2、减法器SUB3、比较器CMP1、比较器CMP2以及与门AG组成；加法器ADD3、减法器SUB2、比较器CMP1、与门AG依次相连；减法器SUB3、比较器CMP2、与门AG依次相连；外部锯齿波产生器SG分别与减法器SUB2和减法器SUB3相连。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：导通时间产生器ONG由减法器SUB4、减法器SUB5、乘法器MU3、乘法器MU4、乘法器MU5、加法器ADD4以及加法器ADD5组成；减法器SUB4、乘法器MU3、加法器ADD4、乘法器MU5、加法器ADD5、减法器SUB5依次相连；乘法器MU4、加法器ADD4、减法器SUB5依次相连；电压基准值V_ref和输出电压值分别输入到减法器SUB4的正端和负端；减法器SUB4的输出和系数K₃作为乘法器MU3的输入；恒定关断时间和系数K₄作为乘法器MU4的输入；加法器ADD4的输出和系数K₅作为乘法器MU5的输入；乘法器MU5的输出和常数C₁作为加法器ADD5的输入；加法器ADD4和加法器ADD5的输出分别输入到减法器SUB5的正端和负端。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：脉冲调制器PM由加法器ADD6、减法器SUB6、减法器SUB7、比较器CMP3、比较器CMP4以及或门OR组成；加法器ADD6、减法器SUB6、比较器CMP3、或门OR依次相连；减法器SUB7、比较器CMP4、或门OR依次相连；外部锯齿波产生器SG分别与减法器SUB6和减法器SUB7相连。

9.如权利要求4所述的装置，所述开关变换器为Buck变换器、Buck²变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、单管正激变换器、双管正激变换器、推挽变换器、推挽正激变换器、半桥变换器和全桥变换器拓扑结构的变换器。