CN103326546B - 固定关断时间峰值电流型脉冲序列控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关变换器固定关断时间峰值电流型脉冲序列控制方法及其装置，开关周期开始时刻检测的输出电压值决定该开关周期内关断时间长短，而开关管导通时间由电感电流与电感电流限定值共同决定。该发明可以应用于DCM和CCM开关变换器，其优点是：控制稳定可靠，具有电流限定功能，且能从根源上消除脉冲序列控制可能存在的低频波动现象。

Description

固定关断时间峰值电流型脉冲序列控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及电子开关器件，尤其是开关变换器控制方法及其装置。

背景技术

开关变换器是一种能量变换装置，它将输入能量经过适当变换，转换为适合输出要求的能量。开关变换器因其具有体积小、重量轻、转换效率高、功率密度大等突出优点，而在现实生活中得到广泛应用。在人们的日常生活中，开关变换器普遍存在，如电脑适配器、电池充电器等。开关变换器由功率变换器主电路及其控制电路两部分构成，主电路完成能量变换及传输，而控制电路则保证主电路的稳定运行以及能量变换能够符合输出要求。对于同一主电路而言，采用不同的控制电路会对系统的稳态及瞬态性能等方面产生影响，因而对于控制方法的研究显得日益重要。

脉冲序列控制是近年来提出的一种新型控制技术，它具有电路实现简单、无需误差放大器及其相应的补偿网络、瞬态响应速度快和鲁棒性强的突出优点，非常适用于对可靠性要求较高的开关变换器控制系统。目前，脉冲序列控制主要应用于开关变换器电感电流断续导电模式（DCM）应用场合。对于DCM应用场合，开关变换器输出功率严重受限。因此，有必要将脉冲序列控制技术拓展到电感电流连续导电模式（CCM）。当脉冲序列控制应用于CCM开关变换器时，已有研究表明，由于脉冲序列控制通过电感电流间接调节输出电压，因而使控制器对输出电压的调节具有滞后性，导致输出电压出现低频波动现象，稳态性能变差。产生这一现象的根本原因是，在每一开关周期内，电感储能变化量不为零，它将参与能量传递过程，从而引起输出电压振荡。增大输出电容等效串联电阻（ESR）可以抑制这一振荡现象，但随着输出电容ESR值的增大，输出电压纹波同样增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关变换器控制方法，使之克服现有脉冲序列控制在CCM开关变换器应用时的技术缺点。该方法可以应用于DCM和CCM开关变换器。

本发明为解决其技术所采取的方法是：

一种固定关断时间峰值电流型脉冲序列控制方法，根据输出电压与参考电压的接近程度，将输出电压与参考电压的差值划分为若干电压区间，在任意开关周期开始时刻采样输出电压，并判断输出电压与参考电压差值所处的电压区间，选取不同的固定关断时间作为该开关周期的关断时间;在固定关断时间结束后，开关管导通，电感电流上升，当电感电流上升至电感电流限定值时，该开关周期结束。

采用本发明方法，在任意开关周期开始时刻采样输出电压，并对输出电压与参考电压的差值所处的电压区间进行判断，并根据判断结果选用相应的固定时间作为该开关周期的关断时间，在固定关断时间结束后，开关管开通，电感电流开始上升，当电感电流上升至电感电流限定值时，开关管关断，开始下一个开关周期。采用这一工作方式后，电感电流在开关周期开始和结束时刻的均相等，即电感储能在一个开关周期内的变化量为零，因而可避免脉冲序列控制CCM开关变换器低频波动现象的发生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：控制稳定可靠，具有电流限定功能，能工作于DCM和CCM应用场合，且能从根源上消除脉冲序列控制可能存在的低频波动现象。

本发明的另一目的是提供实现上述固定关断时间峰值电流型脉冲序列控制方法的装置。该装置由电压区间判断器QJ、关断时间定时器GD、电感电流传感器DG、比较器、RS触发器及驱动电路组成；其特征在于，电压区间判断器与关断时间定时器相连，以确定相应关断时间，电感电流传感器和电感电流限定值连接在比较器输入端，比较器输出端与RS触发器相连，RS触发器输出驱动电路连接开关管，控制开关通断。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实现装置结构框图。

图2为本发明实施应用的电路结构示意图。

图3为本发明实施应用电路的主要工作波形示意图。

图4为采用双频率脉冲序列控制和本发明装置的具有相同电路参数的Buck变换器稳态仿真结果。

图4中：（a）采用双频率脉冲序列控制时的输出电压和电感电流波形；（b）为采用本发明装置时的输出电压和电感电流波形。

具体实施方式

图1示出，本发明的具体实施方式为：开关变换器固定关断时间峰值电流型脉冲序列控制方法及其装置，由电压区间判断器、关断时间定时器、电感电流传感器、比较器、RS触发器及驱动电路组成。电压区间判断器对输出电压与参考电压的差值所处的电压区间进行判断，以控制关断时间定时器，从而决定当前控制脉冲周期内的关断时间，当固定关断时间结束后，RS触发器置位，RS触发器输出信号经驱动电路后控制开关管导通，电感电流传感器检测电感电流，当电感电流上升至电感电流限定值时，比较器输出电平翻转，RS触发器复位，开关管关断。

图2给出了本发明在Buck开关变换器中的应用，具体工作原理及主要工作波形可参考图3。由图2、图3可知本发明的具体工作原理及过程为：在任意开关周期开始时刻，电压区间判断器对输出电压V_o所处电压区间进行判断（图3示例仅给出了四个电压区间，实际应用时可按照实际情形适当增加或减小电压区间数量）。当输出电压处于电压区间（0，V_ref-V_e）时，关断时间定时器定时时间为T_off1，当输出电压处于电压区间（V_ref-V_e，V_ref）时，关断时间定时器定时时间为T_off2，当输出电压处于电压区间（V_ref，V_ref+V_e）时，关断时间定时器定时时间为T_off3，而当输出电压处于电压区间（V_ref+V_e，+∞）时，关断时间定时器定时时间为T_off4，其中为V_ref参考电压，V_e为电压区间划分边界值，而各固定关断时间满足T_off1<T_off2<T_off3<T_off4。在开关管SW关断时，电感电流i_L下降，当固定关断时间结束后，RS触发器置位端S端电平有效，RS触发器置位，开关管SW导通，电感电流上升，当电感电流上升至电感电流限定值I_lim时，RS触发器复位端R端电平有效，RS触发器复位，开关管SW再次关断，下一开关周期开始。

仿真结果分析：

图4为采用Psim软件对采用双频率脉冲序列控制和本发明装置的具有相同电路参数的Buck变换器稳态输出电压和电感电流仿真结果。仔细对比图4(a)和(b)时间横轴及电压电流纵轴可以看出，当采用双频率脉冲序列控制时，高、低频率控制脉冲成团出现，输出电压和电感电流出现大的振荡，即变换器出现低频波动现象，而采用本发明控制方法时，如图4(a)所示的低频波动现象消失，输出电压及电感电流具有非常小的纹波，变换器能够稳定工作。由图4(a)和(b)可以看出本发明控制方法相比于双频率脉冲序列控制存在的优势。仿真条件：输入电压V_in=15V，输出电压V_o=5V，电感L=100μH，电容C=470μF，电容等效串联电阻ESR=5mΩ，负载电阻R=1Ω，双频率脉冲序列控制高低频率控制脉冲周期分别为7.5μs和15μs，而导通时间均为3.5μs，而采用本发明装置时，固定关断时间分别为5μs和10μs，电感电流限定值I_lim=5.2A，为了简化，仿真示例中只将输出电压划分为大于和小于参考电压的两个电压区间。

Claims (2)

1.一种固定关断时间峰值电流型脉冲序列控制方法，其特征在于，根据输出电压与参考电压的接近程度，将输出电压与参考电压的差值划分为若干电压区间，在任意开关周期开始时刻采样输出电压，并判断输出电压与参考电压差值所处的电压区间，选取不同的固定关断时间作为该开关周期的关断时间；在固定关断时间结束后，开关管导通，电感电流上升，当电感电流上升至电感电流限定值时，该开关周期结束；所述电感电流限定值是事先直接设定的固定值或与开关变换器输出反馈信息相关的值。

2.一种实现权利要求1所述固定关断时间峰值电流型脉冲序列控制方法的装置，由电压区间判断器QJ、关断时间定时器GD、电感电流传感器DG、比较器、RS触发器及驱动电路组成；其特征在于，电压区间判断器与关断时间定时器相连，以确定相应关断时间，电感电流传感器和电感电流限定值连接在比较器输入端，比较器输出端与RS触发器相连，RS触发器输出驱动电路连接开关管，控制开关通断。