CN103078488B - 一种快速瞬态响应的数字功率因数校正控制器 - Google Patents

Abstract

一种快速瞬态响应的数字功率因数校正控制器，包括Boost型开关变换器功率级主拓扑结构、A/D采样转换器、PID控制器、限流单元，数字脉冲宽度调制器和驱动单元，其特征是增设快速响应回路，其输入端连接关变换器的输出电压，输出端连接数字脉冲宽度调制器的输出端；快速响应回路包括选频网络、误差放大器和输出级，选频网络的输入端连接关变换器的输出电压，选频网络的输出端连接误差放大器，误差放大器的输出端连接输出级的输入端，输出级的输出端连接数字脉冲宽度调制器的输出端。

Description

一种快速瞬态响应的数字功率因数校正控制器

技术领域

本发明涉及功率因数校正技术，尤其涉及一种快速瞬态响应的数字功率因数校正控制器，它能够提高开关变换器输出电压的瞬态响应速度，属于微电子技术领域。

背景技术

功率因数校正技术是减小用电设备对电网造成的谐波污染，提高用电效率的一项有力措施。用电设备的功率因数是衡量其性能的一项重要指标，而提高功率因数的最根本途径就是采用有源功率因数校正技术。近年来，由于对智能化电源的需求，数字功率因数校正控制器得到了迅速的发展和广泛的实际应用。

在传统的数字功率因数校正控制器的设计中，为了避免输出电压的纹波对系统稳定性产生影响，通常将带宽设计的很低，而且数字变换器还存在时延效应和非线性效应，严重影响负载瞬态响应。传统数字功率因数校正变换器只包含一个稳压回路，这个回路限于系统稳定性要求、算法执行时间、A/D采样时间、信号传输延迟等原因，瞬态响应速度很慢。

发明内容

本发明的目的是为了提高数字功率因数校正变换器的负载瞬态响应速度，减小输出电压过冲和欠冲。本发明在传统的稳压慢环路的基础上，增加了快速瞬态响应回路，可以大大加快负载响应速度并且不影响系统的稳定性。其技术方案如下：

一种快速瞬态响应的数字功率因数校正控制器，包括整流桥Br、Boost型开关变换器功率级主拓扑结构、A/D采样转换器、PID控制器、含有与非门、比较器和电流检测电阻的限流比较单元、数字脉冲宽度调制器（DPWM）和驱动单元，A/D转换器采样开关变换器的输出电压并将其转化为数字量送入PID控制器，PID控制器根据开关变换器的输出电压值与基准电压值的差异执行PID控制算法，计算得出二进制占空比d，数字脉冲宽度调制器将二进制占空比转换为实际模拟量占空比，与限流比较单元一起控制驱动单元，驱动单元输出控制主拓扑结构中场效应管的打开和关闭的时间，控制主拓扑结构中电感电流流向，保证开关变换器输出电压稳定在一个固定值上；其特征在于：增设快速瞬态响应回路，其输入端检测开关变换器的输出电压，输出端连接数字脉冲宽度调制器的输出端；快速瞬态响应回路包括选频网络、误差放大器和输出级，选频网络的输入端检测开关变换器的输出电压，选频网络的输出端连接误差放大器，误差放大器的输出端连接输出级的输入端，输出级的输出端连接数字脉冲宽度调制器的输出端。快速瞬态响应回路的具体结构及电路连接关系如下：

选频网络包括一个电容Ct与一个电阻Rt的串联，电容Ct的另一端连接关变换器的输出电压V_f，电阻Rt的另一端连接偏置电压V_B1；

误差放大器采用折叠共源共栅结构，包括PMOS管M1～M7、NMOS管M8～M10共11个MOS管，PMOS管M2的栅极连接选频电路中电容C与电阻R的串接端，PMOS管M2和M3源极与PMOS管M1的漏极连接，PMOS管M1的栅极连接偏置电压V_B4，PMOS管M3的栅极连接偏置电压V_B1，PMOS管M2的漏极与NMOS管M8的源极及NMOS管M10的漏极连接，PMOS管M3的漏极与NMOS管M9的源极及NMOS管M11的漏极连接，NMOS管M10和M11的源极接地，NMOS管M10与M11的栅极互连并连接偏置电压V_B3，NMOS管M8与M9的栅极互连并连接偏置电压V_B2，NMOS管M8的漏极与PMOS管M6的漏极和栅极连接，NMOS管M9的漏极与PMOS管M7的漏极连接，PMOS管M6的栅极与M7的栅极互连，PMOS管M6的源极与PMOS管M4的漏极和栅极连接，PMOS管M7的源极与PMOS管M5的漏极，PMOS管M4的栅极与M5的栅极互连，PMOS管M4和M5的源极以及PMOS管M1的源极均连接电源VDD；

输出级包括PMOS管M12及M13、NMOS管M14及M15，PMOS管M12的源极连接电源VDD，PMOS管M12的栅极和漏极连接PMOS管M13的源极，PMOS管M13的栅极与NMOS管M14的栅极互连并连接误差放大器中NMOS管M9的漏极和PMOS管M7的漏极，PMOS管M13的漏极与NMOS管M14的漏极互连，作为输出端与数字脉冲宽度调制器的输出端连接，NMOS管M14的源极与NMOS管M15的漏极和栅极连接，NMOS管M15的源极接地。

本发明的优点及显著效果：

（1）采用快速瞬态响应回路，大大提高了系统瞬态响应能力，减小输出电压波动。

（2）快速瞬态响应回路具有高阻态输出能力，保证系统稳定性不受影响。

附图说明

图1为本发明的整体原理框图；

图2为本发明快速瞬态响应回路原理框图；

图3为本发明的一种具体实现电路图；

图4为本发明中快速瞬态响应回路和稳态回路带宽示意图。

具体实施方式

如图1，本发明具有快速瞬态响应性能的数字功率因数校正控制器包括Boost型开关变换器功率级主拓扑结构、A/D采样转换器、PID（比例-积分-微分）控制器、含有与非门、比较器和电流检测电阻的限流比较单元，数字脉冲宽度调制器（DPWM）和驱动单元。其中主拓扑结构包括场效应管Q₂、电感L、二极管D、电容C、电阻ESR、电阻R，AC交流电源输出连接整流器的输入端，整流器的输出端的一个输出端连接电感L的一端，整流器的输出端的另一个输出端连接检测电阻R_S、电阻ESR及电阻R的一端，电阻R_S的另一端连接场效应管Q₂的源极和比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端连接基准电压V_REF，场效应管Q₂的漏极连接电感L的另一端和二极管D的正极，电阻ESR的另一端串联电容C后连接二极管D的负极，电阻R的另一端亦连接二极管D的负极。由电阻R₁和R₂串联组成的分压器跨接在电阻R的两端（即主拓扑结构的输出电压端V₀），电阻R₁和R₂的串接点为分压输出，也是开关变换器的输出电压V_f。A/D采样转换器采样开关变换器的输出电压并将其转化为数字量送入PID控制器及快速瞬态响应回路的输入端，PID控制器输出至数字脉冲宽度调制器，数字脉冲宽度调制器的输出与快速瞬态响应回路的输出一起连接与非门（NAND）的一个输入端，与非门的另一个输入端连接比较器（Comp）的输出端，与非门的输出通过驱动单元连接场效应管Q₂的栅极控制场效应管Q₂的打开和关闭的时间。

A/D采样转换器将模拟信号转化为数字信号，是模拟电路和数字电路的接口。PID控制器是数字功率因数校正控制器的核心单元，通过复杂的计算决定输出占空比。数字PWM的主要作用是将由二进制标准的占空比信号转变为模拟量表示的占空比信号。限流比较单元在流过场效应管的电流超过预设值时将占空比置零。驱动单元能够更好的驱动场效应管。常见功率因数校正变换器主拓扑中，由场效应管Q₂和二极管D控制电感电流i_L的流向，从而达到控制输出电压的目的。当场效应管Q₂打开时，电流流经电感L、场效应管Q₂到地，电感电流逐渐增加，将能量储存在电感L中；当场效应管Q₂关闭时，电流流经电感L、二极管D到输出电容C和负载R，电感电流逐渐下降，电感L中的能量释放到负载R中。通过控制场效应管Q₂打开和关闭的时间，就可以控制输出电压V_f。

如图2所示，快速瞬态响应回路包括三部分：选频网络、误差放大器、驱动级。选频网络滤除了低频噪声的影响，误差放大器放大由选频网络送进来的高频信号，并将放大后的信号送到驱动级。驱动级根据误差放大器送来的信号决定输出状态。快速响应回路输出具有三种输出状态，分别为高电平，低电平和髙阻态。高电平和低电平分别代表输出电压有了欠冲和过冲，而髙阻态则表示既没有欠冲又没有过冲。快速响应回路没有A/D转换器，也没有PID控制算法，所以本身的延迟很小。而且可以通过增大偏置电流，使得快速响应回路具有非常大的带宽和非常高的摆率，所以可以对输出电压的变化有非常快的响应，绕过了响应速度很慢的主回路。快速响应回路还具有选频功能，以防止输出电压纹波和开关纹波进入快速响应回路，输出电压纹波和开关纹波的频率都比较低，过冲和欠冲都在高频，所以快速响应回路可以很好的工作。

图3为快速瞬态响应回路的一种具体实现电路，包括选频网络1、误差放大器2和输出级3。选频网络1包含电阻Rt（选频电阻），电容Ct（选频电容），偏置电压V_B1。该选频网络1由RC电路构成高通回路，允许高频信号通过。偏置电压V_B1固定选频网络输出共模电平，强制选频网络在瞬态过程后回到稳态点。误差放大器2采用折叠共源共栅结构，一方面有很大增益，可以很好的放大过冲和欠冲信号，使整个电路工作更加灵敏；另一方面输出摆幅很大，容易设置输出共模电平，保证输出级3在稳态时输出髙阻。输出级3具有很高的摆率，在瞬态时能够迅速的将输出端（OUT）拉高或拉低，而在稳态时输出髙阻，相当于从环路中断开，对系统稳定性不产生影响。

快速瞬态响应回路的连接关系如下：选频电容Ct的一端，选频电阻Rt的一端和PMOS管M2的栅极相连。选频电容Ct的另一端接输出采样电压V_f，此电压是由主拓扑输出电压分压后得到。选频电阻Rt的另一端和PMOS管M3的栅极都接偏置电压V_B1。PMOS管M1、M4、M5、M12的源极与电源VDD接在一起。NMOS管M10、M11、M15的源极与地连在一起。PMOS管M1的栅极接偏置电压V_B4。PMOS管M1的漏极和PMOS管M2、M3的源极相接。PMOS管M4的栅极、漏极相接并且接到PMOS管M6的源级和PMOS管M5栅极。PMOS管M5漏极与PMOS管M7的源极相接。PMOS管M6的栅极、漏极相接并且接到NMOS管M8的漏极和PMOS管M7栅极。PMOS管M7漏极、NMOS管M9的漏极、PMOS管M13的栅极、NMOS管M14的栅极相接。NMOS管M8、M9的栅极都接到偏置电压V_B2。PMOS管M2的漏极、NMOS管M8的源极、NMOS管M10的漏极接在一起。PMOS管M3的漏极、NMOS管M9的源极、NMOS管M11的漏极相连。NMOS管M10、M11的栅极都接到偏置电压V_B3。PMOS管M12的栅极、漏极相连并且接到PMOS管M13的源极。NMOS管M15的栅极、漏极相连并且接到NMOS管M14的源极。PMOS管M13、NMOS管M14漏极接在一起，作为输出OUT。

图3所示电路的工作过程如下：

当电压V_f保持稳定时，M2、M3栅极电压相等，则M9、M7的漏极输出共模电平，即误差放大器输入相等，那么它的输出就为共模电平。这个共模电平是经过精心设计的，与接成二极管形式的M12、M15一起，保证在稳态时PMOS管M13、NMOS管M14都截止。其中，PMOS管M12、NMOS管M15并不限于一个，也可以用两个或者更多。这样，在稳态时，PMOS管M13、NMOS管M14都截止，输出髙阻。

当电压V_f有过冲（或欠冲）时，由于电容Ct两端电压不能突变，这个电压波动会传到PMOS管M2的栅极，而PMOS管M3的栅极还是偏置电压，所以这个波动就被误差放大器放大了。但是在电压有过冲（或欠冲）的同时，偏置电压V_B1也在通过电阻Rt对电容Ct放电（或充电），也就是说如果电压波动频率太低，这个波动就会被抵消。这个由电阻Rt、电容Ct和偏置电压V_B1构成的选频网络只允许高频通过，有效的阻止了输出电压纹波和开关纹波对快速响应回路的影响。电压V_f的过冲（或欠冲）被折叠共源共栅误差放大器放大，然后输入驱动级，将驱动级从髙阻态转变为低电平（或高电平）。这个低电平（或高电平）与数字PWM输出接到一起，由于驱动级的驱动能力非常强，所以就强制输出端输出低电平（或高电平），避开了响应慢的主回路，达到快速瞬态响应的目的。

图4所示显示了稳态回路带宽、快速瞬态响应回路带宽、输出电压纹波频率、开关纹波频率位置关系。可以看出开关频率和输出电压纹波频率被排除在整个系统带宽之外，不会对系统稳定性造成影响。稳态回路带宽在低频，快速瞬态响应回路带宽在高频，他们分别起到稳定输出电压和加快瞬态响应的功能。

Claims (1)

1.一种快速瞬态响应的数字功率因数校正控制器，包括整流桥Br、Boost型开关变换器功率级主拓扑结构、A/D采样转换器、PID控制器、含有与非门、比较器和电流检测电阻的限流比较单元、数字脉冲宽度调制器和驱动单元，A/D转换器采样开关变换器的输出电压并将其转化为数字量送入PID控制器，PID控制器根据开关变换器的输出电压值与基准电压值的差异执行PID控制算法，计算得出二进制占空比d，数字脉冲宽度调制器将二进制占空比d转换为实际模拟量占空比，与限流比较单元一起控制驱动单元，驱动单元输出控制主拓扑结构中场效应管的打开和关闭的时间，控制主拓扑结构中电感电流流向，保证开关变换器输出电压稳定在一个固定值上；其特征在于：增设快速瞬态响应回路，其输入端检测开关变换器的输出电压，输出端连接数字脉冲宽度调制器的输出端；快速瞬态响应回路包括选频网络、误差放大器和输出级，选频网络的输入端检测开关变换器的输出电压，选频网络的输出端连接误差放大器，误差放大器的输出端连接输出级的输入端，输出级的输出端连接数字脉冲宽度调制器的输出端，快速瞬态响应回路的具体结构及电路连接关系如下：

选频网络包括一个电容Ct与一个电阻Rt的串联，电容Ct的一端连接电阻Rt的一端，电容Ct的另一端连接开关变换器的输出电压V_f，电阻Rt的另一端连接偏置电压V_B1；

误差放大器采用折叠共源共栅结构，包括PMOS管M1～M7、NMOS管M8～M11共11个MOS管，PMOS管M2的栅极连接选频网络中电容Ct与电阻Rt的串接端，PMOS管M2和M3源极与PMOS管M1的漏极连接，PMOS管M1的栅极连接偏置电压V_B4，PMOS管M3的栅极连接偏置电压V_B1，PMOS管M2的漏极与NMOS管M8的源极及NMOS管M10的漏极连接，PMOS管M3的漏极与NMOS管M9的源极及NMOS管M11的漏极连接，NMOS管M10和NMOS管M11的源极接地，NMOS管M10与NMOS管M11的栅极互连并连接偏置电压V_B3，NMOS管M8与NMOS管M9的栅极互连并连接偏置电压V_B2，NMOS管M8的漏极与PMOS管M6的漏极和栅极连接，NMOS管M9的漏极与PMOS管M7的漏极连接，PMOS管M6的栅极与PMOS管M7的栅极互连，PMOS管M6的源极与PMOS管M4的漏极和栅极连接，PMOS管M7的源极与PMOS管M5的漏极连接，PMOS管M4的栅极与PMOS管M5的栅极互连，PMOS管M4和PMOS管M5的源极以及PMOS管M1的源极均连接电源VDD；

输出级包括PMOS管M12及M13、NMOS管M14及M15，PMOS管M12的源极连接电源VDD，PMOS管M12的栅极和漏极连接PMOS管M13的源极，PMOS管M13的栅极与NMOS管M14的栅极互连并连接误差放大器中NMOS管M9的漏极和PMOS管M7的漏极，PMOS管M13的漏极与NMOS管M14的漏极互连，作为输出端与数字脉冲宽度调制器的输出端连接，NMOS管M14的源极与NMOS管M15的漏极和栅极连接，NMOS管M15的源极接地。