CN103326575A - 一种开关电源稳压限流双闭环控制电路及其超调抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源稳压限流双闭环控制电路及其超调抑制方法，该电路包括连接于主电路的电压控制环、与电压控制环的输出端相连的电流控制环、分别与电压控制环和电流控制环的输出端相连的箝位电路、与电流控制环的输出端相连的三角载波比较电路，三角载波比较电路输出PWM信号，输送至后级的驱动电路，还包括与电压控制环和电流控制环相并联的比例控制电路。本发明提出的开关电源稳压限流双闭环控制电路，可以克服传统的单电压环控制的不足，通过双闭环控制，同时实现稳压和限流的功能；本发明提出的超调抑制方法，采用与双闭环控制电路并联一个比例控制电路来实现，对于电路轻载起动、以及满载突变为空载情况出现超调时的抑制非常有效。

Description

一种开关电源稳压限流双闭环控制电路及其超调抑制方法

技术领域

本发明涉及一种开关电源稳压限流双闭环控制电路及其超调抑制方法，属于电力电子应用技术领域。 

背景技术

电源变换技术目前已广泛应用到工业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、国防、教育、文化等领域。过去，线性电源由于技术非常成熟，具有输出纹波电压小、瞬态响应速度快、电压调整率及负载调整率好、没有高频干扰、电路简单便于维修等优点得到了广泛应用，但由于其自身电路结构和工作方式等原因，线性电源也存在一些致命的缺点，如功耗大、效率低、体积大、重量大等，因而将逐步被开关电源所取代。开关电源具有频率高、体积小、效率高、输出电压范围宽、易于模块化等优点，是现代社会生活必不可少的电力电子装置，其在电子、通信、电气、能源、照明、航空航天、军事以及家电等领域都有着非常广泛的应用。

开关电源的核心技术之一是其控制方法。传统的电压控制型开关电源会对开关电流失控，不便于过流保护，并且响应慢、稳定性差。与之相比，电流控制型开关电源是一个电压、电流双闭环控制系统，能克服电流失控的缺点，并且性能可靠、电路简单。电流型控制是针对电压型控制的缺点而发展起来的，在保留了电压控制型的输出电压反馈控制部分外，又增加了一个电流反馈环节。电流控制型开关电源是一个电压、电流双闭环控制系统，内环为电流控制环，外环为电压控制环。不论是输出电压变化，或输出电流变化，都会使控制电路的输出脉冲占空比发生变化，从而达到输出电压稳定的目的。传统的开关电源稳压、限流双闭环控制电路在调节过程中会存在超调现象，导致电路工作出现不稳定情况。 

发明内容

本发明针对现有开关电源控制电路存在的上述不足，提出一种开关电源稳压限流双闭环控制电路及其超调抑制方法，使得开关电源在控制性能上得到很大的优化。

本发明的技术方案是：

一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，包括连接于主电路的电压控制环、与电压控制环的输出端相连的电流控制环、分别与电压控制环和电流控制环的输出端相连的箝位电路、与电流控制环的输出端相连的三角载波比较电路，三角载波比较电路输出PWM信号，输送至后级的驱动电路。

进一步，所述开关电源稳压限流双闭环控制电路还包括与所述电压控制环和电流控制环相并联的比例控制电路。

进一步，所述电压控制环包括电阻R ₁和R ₂、电容C ₁、输出电压采样信号V _of、参考电压V _ref、运算放大器OP1；参考电压V _ref的正极与运算放大器OP1的同向输入端相连，负极接地，电阻R ₁的一端与输出电压采样信号V _of相连，另一端与运算放大器OP1的反向输入端相连，电阻R ₂的一端与运算放大器OP1的反向输入端相连，R ₂的另一端与电容C ₁的一端相连，C ₁的另一端与运算放大器OP1的输出端相连，运算放大器OP1的输出端为电压控制环的输出端。

进一步，所述与电压控制环的输出端相连的箝位电路包括二极管D ₁和参考电压V _ref1；二极管D ₁的阳极与电压控制环的输出端相连，二极管D ₁阴极与参考电压V _ref1的正极相连，参考电压V _ref1的负极接地；所述与电流控制环的输出端相连的箝位电路包括二极管D ₂和参考电压V _ref2；二极管D ₂的阳极与电流控制环的输出端相连，阴极与参考电压V _ref2的正极相连，参考电压V _ref2的负极接地。

进一步，所述电流控制环包括电阻R ₃、R ₄和R ₅，电容C ₂，电感电流I _Lf，运算放大器OP2；电阻R ₃的一端与电压控制环的输出端相连，另一端与运算放大器OP2的同向输入端相连，电阻R ₄的一端与电感电流I _Lf相连，另一端与运算放大器OP2的反向输入端相连，电阻R ₅的一端与运算放大器OP2的反向输入端相连，另一端与电容C ₂的一端相连，电容C ₂的另一端与运算放大器OP2的输出端相连，运算放大器OP2的输出端为电流控制环的输出端。

进一步，所述三角载波比较电路包括比较器COM和三角载波信号V _Tr；比较器COM的同向输入端与电流控制环的输出端相连，COM的反向输入端与三角载波信号V _Tr相连，比较器COM输出PWM信号，连至后级的驱动电路。

进一步，所述比例控制电路包括电阻R ₆和R ₇、运算放大器OP3、二极管D ₃；电阻R ₆的一端与输出电压采样信号V _of 相连，另一端与运算放大器OP3的反向输入端相连，运算放大器OP3的正向输入端与运算放大器OP1的正向输入端相连，电阻R ₇的一端与运算放大器OP3的反向输入端相连，另一端与运算放大器OP3的输出端相连，二极管D ₃的阴极与运算放大器OP3的输出端相连，阳极与电流控制环的输出端相连。

进一步，所述与电压控制环的输出端相连的箝位电路为3.3V箝位电路，所述与电流控制环的输出端相连的箝位电路为3V箝位电路。

进一步，所述主电路为降压式主电路，包括输入电压V _in、功率MOSFET管、续流二极管D、电感L、输出滤波电容C、为电流控制环提供电流采样输入信号的电感电流I _Lf、负载电阻R _LD、为电压控制环提供输出电压采样信号V _of的输出电压V _o；输入电压V _in的正极与功率MOSFET管的集电极相连，功率MOSFET管的发射极分别与续流二极管D的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端分别与电容C的一端和负载电阻R _LD的一端相连，电容C和负载电阻R _LD的另一端分别与输入电压V _in的负极相连，续流二极管D的阳极与输入电压V _in的负极相连，从电感L流出的电感电流为电压控制环提供电感电流I _Lf，负载电阻R _LD两端的输出电压V _o为电压控制环提供输出电压采样信号V _of。

一种开关电源稳压限流双闭环控制电路的超调抑制方法，该方法为：主电路采用稳压限流双闭环控制方法，超调抑制电路采用与双闭环并联的比例控制电路实现超调抑制；

所述超调抑制方法包括以下步骤：

（1）选取电阻R ₆和R ₇、运算放大器OP3、二极管D ₃；

（2）将电阻R ₆的一端连接到输出电压采样信号V _of ，另一端连接到运算放大器OP3的反向输入端；

（3）将运算放大器OP3的正向输入端连接到运算放大器OP1的正向输入端；

（4）将电阻R ₇的一端连接到运算放大器OP3的反向输入端相连，另一端连接到运算放大器OP3的输出端；

（5）将二极管D ₃的阴极连接到运算放大器OP3的输出端，阳极连接到电流控制环的输出端；

（6）由此构成与双闭环控制电路相并联的比例控制电路。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的开关电源稳压限流双闭环控制电路，可以克服传统的单电压环控制的不足，通过双闭环控制，同时实现稳压和限流的功能；

2、本发明提出的超调抑制方法，采用与双闭环控制电路并联一个比例控制电路来实现，对于电路轻载起动、以及满载突变为空载情况出现超调时的抑制非常有效。

附图说明

图1是本发明中所采用的一种降压式主电路；

图2是本发明一种开关电源稳压限流双闭环控制电路的电路图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种开关电源稳压限流双闭环控制电路包括负载输出电压采样信号V _of、电感电流I _Lf采样输入信号、电压控制环、3.3V箝位电路、电流控制环、3V箝位电路、三角载波比较电路、PWM输出信号。电压控制环由电阻R ₁，R ₂，C ₁，V _of，V _ref组成，参考电压V _ref的正极与运算放大器OP1的同向输入端相连，V _ref的负极接地，电阻R ₁的一端与输出电压采样信号V _of相连，R ₁的另一端与运算放大器OP1的反向输入端相连，电阻R ₂的一端与运算放大OP1的反向输入端相连，R ₂的另一端与电容C ₁的一端相连，C ₁的另一端与运算放大器OP1的输出端相连。3.3V箝位电路由二极管D ₁和参考电压V _ref1组成，D ₁阳极与OP1的输出端相连，D ₁阴极与参考电压V _ref1的正极相连，V _ref1的负极与地相连。电流控制环由电阻R ₃，R ₄，R ₅，C ₂，I _Lf组成，电阻R ₃的一端与OP1的输出端相连，R ₃的另一端与运算放大器OP2的同向输入端相连，电阻R ₄的一端与电感电流I _Lf相连，R ₄的另一端与运算放大器OP2的反向输入端相连，电阻R ₅的一端与OP2的反向输入端相连，R ₅的另一端与电容C ₂的一端相连，C ₂的另一端与运算放大器OP2的输出端相连。3V箝位电路由二极管D ₂和参考电压V _ref2组成，D ₂的阳极与OP2的输出端相连，D ₂的阴极与参考电压V _ref2的正极相连，V _ref2的负极与地相连。比较器COM的同向输入端与OP2的输出端相连，COM的反向输入端与三角载波信号V _Tr相连，比较器COM输出PWM信号，连至后级的驱动电路。

本发明中采用的主电路为降压式主电路，其电路图如图1所示，其中：V _in为输入电压；Q为功率MOSFET管；D为续流二极管；L为电感；C为输出滤波电容；I _Lf为电感电流；R _LD为负载电阻；V _o为输出电压。该主电路包括输入电压V _in、功率MOSFET管、续流二极管D、电感L、输出滤波电容C、为电流控制环提供电流采样输入信号的电感电流I _Lf、负载电阻R _LD、为电压控制环提供输出电压采样信号V _of的输出电压V _o；输入电压V _in的正极与功率MOSFET管的集电极相连，功率MOSFET管的发射极分别与续流二极管D的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端分别与电容C的一端和负载电阻R _LD的一端相连，电容C和负载电阻R _LD的另一端分别与输入电压V _in的负极相连，续流二极管D的阳极与输入电压V _in的负极相连，从电感L流出的电感电流为电压控制环提供电感电流I _Lf，负载电阻R _LD两端的输出电压V _o为电压控制环提供输出电压采样信号V _of。

本发明中主电路采用稳压限流双闭环控制方法，工作原理如下：

（1）图1所示的主电路起动时，电压控制环突加给定参考电压V _ref ，此时主电路输出电压V _o =0，相应的输出电压采样信号V _of =0，电压控制环的输出必然进入饱和状态，通过箝位电路将电压控制环运算放大器OP1的输出值箝位在3.3V。同时，由于此时电路输出电流还没有建立，I _Lf=0，所以电流控制环运算放大器OP2的输出值也很高，可以设计使其也进入饱和状态，，通过箝位电路将电流控制环的输出值也箝位在3V，也即比较器COM输入端电压箝在3V，该值与三角载波信号V _Tr通过COM比较后，比较器输出的PWM信号为满占空比，而此时电路输出电压V _o 很小，故电感电流上升的斜率很大，下降的斜率很小，也即电感电流上升的速度很快。

（2）当电感电流上升到某一定值后，电流控制环输出开始下降，PWM信号占空比随之减小，但由于V _o 仍然不大，故下降斜率仍然很小，电感电流会继续上升，此时将出现超调。直到电流控制环的输出下降至零，占空比减小到零为止，电感电流才开始下降，下降到一定阶段，可能会出现振荡，最后稳定在一个恒值，此时电路处于恒流充电阶段。

（3）在恒流充电过程中，由于电感电流大于负载电流，因此电路输出电压V _o 是不断上升的，电感电流在上升的过程中斜率变低，下降过程中，斜率增加，所以电感电流的平均值会下降，电流控制环输出会上一直上升，电压控制环保持开环状态，电路输出电压V _o 逐渐上升，直到电路输出电压上升到所要求的设定值为止。

（4）电路输出电压V _o 一旦大于所要求的设定值，电压控制环积分环节开始放电，电压控制环运算放大器OP1开始退饱和，输出基本呈线性下降。在下降到箝位值3.3V以前，电感电流I _Lf值保持不变，仍然给电容继续充电，于是电路输出电压V _o 继续增加，开始出现超调。直到电压控制环输出电压下降3.3V以下时，电感电流I _Lf值开始跟随电压控制环的输出一起下降，但下降速度要比电压控制环输出的下降速度慢，于是电流控制环积分环节开始放电，电流控制环运算放大器OP2开始退饱和，电流控制环输出降低，占空比变小，电感电流I _Lf随之减小，直到小于输出负载电流I _o 时，输出滤波电容C才开始放电，输出电压V _o 开始缓慢下降，此时电压控制环与电流控制环的输出均在下降。当输出电压V _o 下降到一定值时，电压控制环输出又开始上升，占空比增大，I _Lf跟随电压环增加，此时电感电流I _Lf仍然小于I _o ，故电容继续放电，直到I _Lf大于I _o 为止，电路输出电压V _o 才慢慢回升，逐渐达到平衡，最终电感电流I _Lf应该和输出负载I _o 相等。

综上所述，该双闭环调压系统的起动过程有两个特点：

（一）饱和非线性控制

随着电压控制环的饱和与不饱和，整个电路系统处于完全不同的两种状态。当电压控制环饱合时，电压控制环处于开环状态，系统表现为恒值电流调节的单闭环控制系统；当电压控制环不饱和时，电压环处于闭环状态，整个系统是一个无静差调压系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现出为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。分析过渡过程时，还必须注意初始状态，前一阶段的终了状态是后一阶段的初始状态。如果初始状态不同，即使控制系统的结构和参数都不变，过渡过程也是不一样的。

（二）电压超调

由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入电压调节阶段后，必须是电压控制环退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使电压超调，电压控制环的输入偏差电压                                               

为负值，才能使电压控制环退出饱和。也就是说，采用PI调节器的双闭环调压控制系统的电压动态响应必然有超调。在一般情况下，电压略有超调对实际运行影响不大。

如果工程上超调的部分大大高于所要求的范围时，这就必须要求采取一定的措施去抑制超调。所述的抑制超调方法如下：

该超调抑制方法采用与双闭环控制电路相并联的一个比例控制电路来实现，器电路图如图2所示，图中：V _of为输出电压采样信号；R ₁，R ₂，R ₃，R ₄，R ₅，R ₆，R ₇为电阻；C ₁，C ₂为电容；D ₁，D ₂，D ₃为二极管；OP1，OP2，OP3为三个运算放大器；COM为比较器；V _ref为参考电压；V _ref1为3.3V箝位电路的参考电压；V _ref2为3V箝位电路的参考电压；I _Lf为电感电流；V _Tr为三角载波信号。

该比例控制电路由电阻R ₆，电阻R ₇，运算放大器OP3，二极管D ₃组成，电阻R ₆的一端与输出电压采样信号V _of 相连，R ₆的另一端与运算放大器OP3的反向输入端相连，OP3的正向输入端与OP1的正向输入端相连，电阻R ₇的一端与OP3的反向输入端相连，R ₇的另一端与OP3的输出端相连，D ₃的阴极与OP3的输出端相连，D ₃的阳极与OP2的输出端相连。图2所示的改进双闭环控制电路，在实现稳压、限流功能的同时，对于电路轻载起动、以及满载突变为空载情况出现超调时的抑制非常有效。

在双闭环控制电路的基础上，并联一个比例控制环节，如图2下面虚线部分的超调抑制电路。其主要思想是当电压上升到某一个值时，该比例控制环节的输出为零，将占空比迅速拉下来，从而抑制了超调。设计时首先设定V _omax，即当电压上升到V _omax时，比例部分输出马上下降到零。假定二极管的通态压降为零，V _omax通常略高于V _o，大约0.5V左右，

                  （1）

式（1）可简化为

                           （2）

因此只要选定了电阻R ₆和R ₇的值，就可以达到所要求的输出特性。图2控制电路在轻载起动时，最初阶段的工作原理与没有增加比例控制环节时的双闭环工作原理是一致的。当电压上升到V _omax时，比例控制环节输出下降，当降到低于电流控制环的输出时，比例控制环的二极管导通，PWM比较器的输入就是比例控制环的输出，此时由于电压刚刚上升到V _omax就开始下降，故电压控制环积分环节的放电速度很慢（放电电流i小），因此电流控制环的给定一直保持在V _ref ，而由于此时占空比很快被拉了下来，所以电感电流迅速下降，在下降到负载电流以前，输出电压仍旧会上升，并且略高于V _omax。这时电流控制环的一个输入端是V _ref ，另一个输入端是输出电流反馈回来的电压。由于是轻载起动，所以反馈回来的电压很低，于是电流控制环的输出也逐渐升至饱和，此时电压控制环与电流控制环均处于开环工作状态，占空比由比例控制环调节。当电感电流小于负载电流时，电路输出电压V _o开始下降，在下降到V _omax以前，比例控制环输出会略有上升，但上升幅度不会太大，直到输出电压小于V _omax以后，比例控制环的输出才会逐渐上升，电感电流也会随之上升，最后二者达到稳定。

本发明提出的开关电源稳压限流双闭环控制电路，可以克服传统的单电压环控制的不足，通过双闭环控制，同时实现稳压和限流的功能；本发明提出的超调抑制方法，采用与双闭环控制电路并联一个比例控制电路来实现，对于电路轻载起动、以及满载突变为空载情况出现超调时的抑制非常有效。本发明提出的控制电路适用于各种开关电源应用场合，具有良好的工程借鉴价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，其特征在于：包括连接于主电路的电压控制环、与电压控制环的输出端相连的电流控制环、分别与电压控制环和电流控制环的输出端相连的箝位电路、与电流控制环的输出端相连的三角载波比较电路，三角载波比较电路输出PWM信号，输送至后级的驱动电路。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，其特征在于：还包括与所述电压控制环和电流控制环相并联的比例控制电路。

3.根据权利要求1或2所述的一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，其特征在于：所述电压控制环包括电阻R ₁和R ₂、电容C ₁、输出电压采样信号V _of、参考电压V _ref、运算放大器OP1；参考电压V _ref的正极与运算放大器OP1的同向输入端相连，负极接地，电阻R ₁的一端与输出电压采样信号V _of相连，另一端与运算放大器OP1的反向输入端相连，电阻R ₂的一端与运算放大器OP1的反向输入端相连，R ₂的另一端与电容C ₁的一端相连，C ₁的另一端与运算放大器OP1的输出端相连，运算放大器OP1的输出端为电压控制环的输出端。

4.根据权利要求1或2所述的一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，其特征在于：所述与电压控制环的输出端相连的箝位电路包括二极管D ₁和参考电压V _ref1；二极管D ₁的阳极与电压控制环的输出端相连，二极管D ₁阴极与参考电压V _ref1的正极相连，参考电压V _ref1的负极接地；所述与电流控制环的输出端相连的箝位电路包括二极管D ₂和参考电压V _ref2；二极管D ₂的阳极与电流控制环的输出端相连，阴极与参考电压V _ref2的正极相连，参考电压V _ref2的负极接地。

5.根据权利要求1或2所述的一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，其特征在于：所述电流控制环包括电阻R ₃、R ₄和R ₅，电容C ₂，电感电流I _Lf，运算放大器OP2；电阻R ₃的一端与电压控制环的输出端相连，另一端与运算放大器OP2的同向输入端相连，电阻R ₄的一端与电感电流I _Lf相连，另一端与运算放大器OP2的反向输入端相连，电阻R ₅的一端与运算放大器OP2的反向输入端相连，另一端与电容C ₂的一端相连，电容C ₂的另一端与运算放大器OP2的输出端相连，运算放大器OP2的输出端为电流控制环的输出端。

6.根据权利要求1或2所述的一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，其特征在于：所述三角载波比较电路包括比较器COM和三角载波信号V _Tr；比较器COM的同向输入端与电流控制环的输出端相连，COM的反向输入端与三角载波信号V _Tr相连，比较器COM输出PWM信号，连至后级的驱动电路。

7.根据权利要求3所述的一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，其特征在于：所述比例控制电路包括电阻R ₆和R ₇、运算放大器OP3、二极管D ₃；电阻R ₆的一端与输出电压采样信号V _of 相连，另一端与运算放大器OP3的反向输入端相连，运算放大器OP3的正向输入端与运算放大器OP1的正向输入端相连，电阻R ₇的一端与运算放大器OP3的反向输入端相连，另一端与运算放大器OP3的输出端相连，二极管D ₃的阴极与运算放大器OP3的输出端相连，阳极与电流控制环的输出端相连。

8.根据权利要求1或2所述的一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，其特征在于：所述与电压控制环的输出端相连的箝位电路为3.3V箝位电路，所述与电流控制环的输出端相连的箝位电路为3V箝位电路。

9.根据权利要求1或2所述的一种开关电源稳压限流双闭环控制电路，其特征在于：所述主电路为降压式主电路，包括输入电压V _in、功率MOSFET管、续流二极管D、电感L、输出滤波电容C、为电流控制环提供电感电流I _Lf的电感电流、负载电阻R _LD、为电压控制环提供输出电压采样信号V _of的输出电压V _o；输入电压V _in的正极与功率MOSFET管的集电极相连，功率MOSFET管的发射极分别与续流二极管D的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端分别与电容C的一端和负载电阻R _LD的一端相连，电容C和负载电阻R _LD的另一端分别与输入电压V _in的负极相连，续流二极管D的阳极与输入电压V _in的负极相连，从电感L流出的电感电流为电压控制环提供电感电流I _Lf，负载电阻R _LD两端的输出电压V _o为电压控制环提供输出电压采样信号V _of。

10.一种开关电源稳压限流双闭环控制电路的超调抑制方法，其特征在于：主电路采用稳压限流双闭环控制方法，超调抑制电路采用与双闭环并联的比例控制电路实现超调抑制；

所述超调抑制方法包括以下步骤：

（1）选取电阻R ₆和R ₇、运算放大器OP3、二极管D ₃；

（2）将电阻R ₆的一端连接到输出电压采样信号V _of ，另一端连接到运算放大器OP3的反向输入端；

（3）将运算放大器OP3的正向输入端连接到运算放大器OP1的正向输入端；

（4）将电阻R ₇的一端连接到运算放大器OP3的反向输入端相连，另一端连接到运算放大器OP3的输出端；

（5）将二极管D ₃的阴极连接到运算放大器OP3的输出端，阳极连接到电流控制环的输出端；

（6）由此构成与双闭环控制电路相并联的比例控制电路。

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