CN103294091B - 一种适用于dc-dc变换器的电压型反馈电路 - Google Patents

一种适用于dc-dc变换器的电压型反馈电路 Download PDF

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Abstract

一种适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路，属于电子技术领域。本发明在常规电压型反馈电路的基础上加入比较器和切换选择模块，在0或1的占空比边界，通过切换选择模块将占空比人为地偏离0和1，从根本上杜绝了边界碰撞的产生，从而避免由于边界碰撞所产生的非线性现象，最终达到提高DC-DC变换器稳定性的目的。

Description

一种适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及开关电源，尤其是DC-DC变换器中的反馈电路。
技术背景
开关电源在电力电子电路中是一种典型的非线性动力学系统。同时由于系统中功率开关管的高频导通和关断，使得其中存在着丰富的分岔、混沌等非线性现象，而这些非线性现象将影响DC-DC变换器的整体性能(输出稳定性)。实际工程当中，应当尽量避免这些分岔、混沌现象的发生。近年来，非线性系统理论在电路与系统研究中的广泛应用，为非线性电路的研究提出了新的科学问题，快速的促进了非线性电路理论的发展。由于一切实际存在的电路系统都具有非线性特性，所以采用非线性电路的分析方法对电路进行分析，解决一些长期困扰电子工程师的问题，具有重要的理论意义和实用价值。电力电子电路中的开关电源(变换器)中功率开关管的导通或关断使系统在不同的结构中周期性地切换，这样会导致开关变换器具有复杂的非线性行为，例如倍周期分岔、Hopf分岔、Flip分岔、边界碰撞分岔等多种通向混沌的分岔道路、次谐波振荡、降频和低频波动现象等等。
电压型反馈模式是开关电源变换器中的一种典型反馈方式。电压控制型反馈电路只有一个控制环，因而设计和分析相对简单，并且由于锯齿波的幅值较大，因而抗干扰能力较强。中国专利《用于开关电源的斜坡补偿电路》(专利文献号：CN202798455U)提供了一种用于开关电源的斜坡补偿电路，对于提高开关电源的稳定性具有一定的作用，但该斜坡补偿电路没有从混沌控制的角度提高开关电源的稳定性。
包伯成、许建平在文章《具有两个边界的变换器分岔行为和斜坡补偿的镇定控制》(见《物理学报》2009年第5期2949-2956页)中提到，在开关电路中，0和1是开关管栅极控制信号的占空比边界，随着参数变化时，占空比会接近0或1，这会引起边界碰撞而产生大量的非线性现象。
发明内容
本发明提供一种适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路，该反馈电路在常规电压型反馈电路的基础上加入比较器和切换选择模块，在0或1的占空比边界，通过切换选择模块将占空比人为地偏离0和1，从根本上杜绝了边界碰撞的产生，从而避免由于边界碰撞所产生的非线性现象，最终达到提高DC-DC变换器稳定性的目的。
本发明技术方案如下：
一种适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路，如图1所示，包括一个误差放大器、一个加法器、一个信号比较与选择切换单元和一个比较器；DC-DC变换器的输出信号Vo与参考信号Vref通过所述误差放大器后的输出信号与补偿信号VD通过加法器相叠加后输出到所述信号比较与选择切换单元中；开关控制信号Vramp与所述信号比较与选择切换单元的输出信号通过所述比较器比较后的逻辑脉冲控制信号接DC-DC变换器中开关管的栅极。所述信号比较与选择切换单元的结构如图2所述，由一个二选一切换开关和第二比较器构成，当误差放大器的输出信号与补偿信号VD的叠加信号Vs大于边界控制信号Vlimit时，第二比较器的输出信号Vres控制二选一切换开关选择叠加信号Vs作为信号比较与选择切换单元的输出信号VCON；当误差放大器的输出信号与补偿信号VD的叠加信号Vs小于边界控制信号Vlimit时，第二比较器的输出信号Vres控制二选一切换开关选择补偿信号VD作为信号比较与选择切换单元的输出信号VCON。
进一步的，所述边界控制信号Vlimit＝Dn *(VH-VL)+VL其中Dn为DC-DC变换器中的开关管栅极控制信号占空比的下边界值，VH为开关控制信号Vramp的最大值，VL为开关控制信号Vramp信号的最小值。
在DC-DC变换器中，随着误差放大器的增益k的增加，系统的栅极控制信号的占空比会左右抖动，从而触碰到占空比的下边界值而导致系统中发生强烈的由边界碰撞引发的不稳定非线性现象。本发明提供的电压型反馈电路应用于DC-DC变换器时，当栅极控制信号的占空比触碰到其下边界值时，通过在反馈电路中加入信号比较与选择切换单元，人为的将占空比拉离其下边界值，这样就可以使系统不发生边界碰撞引发的非线性现象，从而提高系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路结构框图。
图2为本发明提供的适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路的具体实施电路图。
图3为本发明提供的适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路的仿真结果。其中(a)是电压反馈BUCK电路(典型的DC-DC变换器)在不加入信号比较和切换选择单元时的输出电压Vc和相应的李雅普若夫指数与误差放大器放大倍数K的关系；(b)是电压反馈BUCK电路(典型的DC-DC变换器)在加入信号比较和切换选择单元后的输出电压Vc和相应的李雅普若夫指数与误差放大器放大倍数K的关系。
具体实施方式
一种适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路，如图1所示，包括一个误差放大器、一个加法器、一个信号比较与选择切换单元和一个比较器；DC-DC变换器的输出信号Vo与参考信号Vref通过所述误差放大器后的输出信号与补偿信号VD通过加法器相叠加后输出到所述信号比较与选择切换单元中；开关控制信号Vramp与所述信号比较与选择切换单元的输出信号通过所述比较器比较后的逻辑脉冲控制信号接DC-DC变换器中开关管的栅极。所述信号比较与选择切换单元的结构如图2所述，由一个二选一切换开关和第二比较器构成，当误差放大器的输出信号与补偿信号VD的叠加信号Vs大于边界控制信号Vlimit时，第二比较器的输出信号Vres控制二选一切换开关选择叠加信号Vs作为信号比较与选择切换单元的输出信号VCON；当误差放大器的输出信号与补偿信号VD的叠加信号Vs小于边界控制信号Vlimit时，第二比较器的输出信号Vres控制二选一切换开关选择补偿信号VD作为信号比较与选择切换单元的输出信号VCON。
进一步的，所述边界控制信号Vlimit＝Dn *(VH-VL)+VL，其中Dn为DC-DC变换器中的开关管栅极控制信号占空比的下边界值，VH为开关控制信号Vramp的最大值，VL为开关控制信号Vramp信号的最小值。
比较器输入由加法器输出VS和边界控制信号Vlimit提供。当VS大于Vlimit时，比较器输出为1；当VS小于Vlimit时，比较器输出为0。比较器输出来控制切换选择模块来选择VCON为VD或者VS。VCON再和锯齿波比较产生一定序列的占空比信号。当占空比信号的值接近0时，VS的值小于Vlimit，比较器输出Vres从1变为0，切换选择由VS输入变为VD输入，使得占空比信号的值从VS输入的值变为VD输入的值。选择切换模块的目的在于人为的将占空比信号的值拉离0，从而避免边界碰撞产生的大量非线性现象。
在电压反馈型BUCK电路中，以反馈回路中的放大增益K为分岔参数，可以看到加入比较器和切换选择模块前后系统分岔图和李雅普洛夫指数图。如图3所示。根据分岔图可以看出输出电压在不同放大增益K时对应的值的个数，对应的值只有一个时表明系统处于稳定状态，对应的值不只一个时表明系统处于分岔或混沌的不稳定状态。李雅普洛夫指数可以明确的看出系统所处的状态。若李雅普若夫指数小于0时，系统处于周期态；若李雅普若夫指数等于0时，系统处于分岔点；若李雅普若夫指数大于0时，系统处于混沌态。可以根据李雅普若夫指数的值来确定系统稳定状态的范围。

Claims (2)

1.一种适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路，包括一个误差放大器、一个加法器、一个信号比较与选择切换单元和一个比较器；DC-DC变换器的输出信号Vo与参考信号Vref通过所述误差放大器后的输出信号与补偿信号VD通过加法器相叠加后输出到所述信号比较与选择切换单元中；开关控制信号Vramp与所述信号比较与选择切换单元的输出信号通过所述比较器比较后的逻辑脉冲控制信号接DC-DC变换器中开关管的栅极；
所述信号比较与选择切换单元由一个二选一切换开关和第二比较器构成，当误差放大器的输出信号与补偿信号VD的叠加信号Vs大于边界控制信号Vlimit时，第二比较器的输出信号Vres控制二选一切换开关选择叠加信号Vs作为信号比较与选择切换单元的输出信号VCON；当误差放大器的输出信号与补偿信号VD的叠加信号Vs小于边界控制信号Vlimit时，第二比较器的输出信号Vres控制二选一切换开关选择补偿信号VD作为信号比较与选择切换单元的输出信号VCON。
2.根据权利要求1所述的适用于DC-DC变换器的电压型反馈电路，其特征在于，所述边界控制信号Vlimit=Dn *(VH-VL)+VL其中Dn为DC-DC变换器中的开关管栅极控制信号占空比的下边界值，VH为开关控制信号Vramp的最大值，VL为开关控制信号Vramp信号的最小值。
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