CN104038064A - 一种III型补偿Cuk型开关变换器的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种III型补偿Cuk型开关变换器的控制系统，Cuk型开关变换器包括第一、第二两级功率级电路，控制级包括反馈电路、比较器、RS触发器、驱动电路和BUCK型开关变换器的III型补偿网络构成的闭环系统，其特征在于，将BUCK型开关变换器的III型补偿网络的补偿方式加以改进，用于Cuk型开关变换器的控制，改进后的III型补偿网络的输出与斜坡电压进入比较器进行比较，比较结果产生的占空比控制Cuk型开关变换器中功率管的通断。

Description

一种III型补偿Cuk型开关变换器的控制系统

技术领域

本发明涉及DC-DC开关电源变换器，特别涉及一种III型补偿Cuk(丘克)型开关变换器的控制方法，属于微电子技术领域。

背景技术：

有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)具有柔软透明、画质清晰、节能环保等特点，被视作最具潜力的下一代新型平面显示技术。OLED显示面板需要一个正电源电压和一个负电源电压对其进行供电，从而负压芯片的设计成为这一领域的主流趋势。Cuk型电路具有低的输出电压电流纹波和高效率的优点，同时，Cuk电路还兼备非常好的抗噪声能力和抗干扰能力。所以，Cuk型电路将会逐渐成为研究的热点。然而，与Buck型开关电源转换器的功率级不同，Cuk型电路结构的功率级存在两个电感和电容，从而产生两对共轭极点和一对共轭零点(如图4)，如果将传统电压模式BUCK型开关变换器的III型补偿网络(如图1)直接用于Cuk型开关变换器，会使电路不稳定。

发明内容：

本发明提供一种Cuk型开关变换器III型补偿控制系统，将传统电压模式BUCK型开关变换器的III型补偿网络的补偿方式加以改进用于Cuk型开关变换器，使得环路构成一个新的闭环控制系统，通过补偿功率级的零极点，从而使得Cuk型开关变换器保持稳定。

本发明采用的技术方案是：一种III型补偿Cuk型开关变换器的控制系统，Cuk型开关变换器包括第一、第二两级功率级电路，控制级包括反馈电路、比较器、RS触发器、驱动电路和BUCK型开关变换器的III型补偿网络构成的闭环系统，其特征在于，将BUCK型开关变换器的III型补偿网络的补偿方式加以改进，用于Cuk型开关变换器的控制，改进后的III型补偿网络的输出与斜坡电压进入比较器进行比较，比较结果产生的占空比控制Cuk型开关变换器中功率管的通断；

第一功率级电路包括电感L1、电容C1、功率管Sn和寄生电阻R_l1，电感L1的一端与通过寄生电阻R_l1连接电源电压VDD正端，电源电压VDD负端接地，电感L1的另一端连接电容C1的一端和功率管Sn的漏极，功率管Sn的源极接地，功率管Sn的栅极连接驱动电路的输出端；

第二功率级电路包括电感L2、电容C2、续流二极管D1和负载电阻Ro，电感L2的一端与续流二极管D1的正端以及第一功率级电路中电容C1的另一端连接，续流二极管D1的负端接地，电感L2的另一端连接电容C2的一端和负载电阻Ro的一端并作为输出电压Vo，电容C2的另一端和负载电阻Ro的另一端均接地；

反馈电路包括两个相同的串联的电阻R，两个电阻R的非串联端分别连接输出电压Vo和电源电压VDD正端，两个电阻R的串联端分压输出反馈信号VFB；

改进后的III补偿网络包括误差放大器EA、电阻R1、R2、R3和电容C4、C5、C6，误差放大器EA的同相端连接反馈电路输出的反馈信号VFB，误差放大器EA的反相端通过电阻R1连接基准电压V_REF，电阻R3与电容C4串联后跨接在电阻R1的两端，电容C4的非串联端连接误差放大器EA的反相端，电阻R3的非串联端连接基准电压V_REF，电阻R2与电容C6串联后与电容C5并联，电容C6的非串联端连接误差放大器EA的输出端VEA，电阻R2的非串联端连接连接误差放大器EA的反相端，误差放大器EA的输出端为改进后的III补偿网络的输出端VEA；

比较器的同相端连接斜坡电压VRAMP，比较器的反相端连接改进后的III补偿网络的输出端VEA；

RS触发器的复位端R连接比较器的输出端，RS触发器的置位端S连接时钟信号，RS触发器的输出端Q通过驱动电路连接第一功率级电路中功率管Sn的栅极。

本发明的优点及显著效果：

(1)本发明控制系统将功率级的第一级和第二级分隔开，用III型补偿的零极点去补偿功率级的共轭极点，保持环路的稳定。

(2)本发明控制环路简单，采用III型补偿使系统成为新的闭环控制系统，增强了电路的负载调整率。

附图说明

图1 为传统电压模式BUCK型开关变换器加III型补偿网络原理图；

图2 为改进后的III型补偿网络加Cuk电路原理图；

图3 为BUCK型电路功率级的幅频特性曲线图；

图4 为CuK电路功率级的幅频特性曲线图；

图5a 为传统BUCK型电路III型补偿的零极点效果图；

图5b 为本发明Cuk型III型补偿的零极点效果图；

图6 为本发明补偿后环路系统的幅频特性曲线图。

具体实施方式

如图1，BUCK型电路及控制系统包括功率级和控制级。功率级由电感L，电容C，电容C的寄生电阻Rc以及功率管Sp、Sn组成，电感L的一端与Sp的漏极以及Sn的漏极相连，Sn的源极接地，Sp的源极与电源电压VDD正端相连，电感L另一端作为输出电压Vo连接寄生电阻Rc，Rc的另一端连接到电容C，电容C的另一端接到地，电阻Rl连接在Vo端与地端之间作为负载电阻。

控制级包括III型补偿网络，比较器、RS触发器、驱动和死区控制电路以及两个相同电阻R串联分压构成的反馈电路。III型补偿电路包括误差放大器、电阻R1、R2、R3以及电容C4、C5、C6。具体连接方式：参考电压VREF通过R1接到误差放大器的反相端，电阻R3与电容C4串联，跨接在电阻R1两端，电阻R2与电容C6串联，再与C5并联，跨接在误差放大器反相端和输出端。以及电阻电容网络组成，输出电压Vo的反馈信号VFB连接到误差放大器的反相端。VFB是这样产生的：输出电压Vo通过两个电阻R连接到地，两个电阻产生的分压VFB作为反馈信号。电阻电容网络跨接到误差放大器的反相端和输出端，基准电压V_REF通过补偿电阻R1接到误差放大器的正相端。III型补偿网络的输出VEA连接到比较器的反相端，比较器的同相端接斜坡电压VRAMP，输出接到RS触发器的复位端R端，RS触发器的置位端S端接时钟信号，RS触发器的输出端Q端通过驱动和死区控制电路连接到功率管Sp、Sn的栅极，控制功率管Sp、Sn的通断。

如图2，Cuk型电路包括第一、第二两级功率级电路，控制级包括反馈电路、比较器、RS触发器、驱动电路和改进后的III型补偿网络构成的闭环系统。其中，功率级包括电感L1，L2，电容C1，C2、负载电阻Ro以及功率管Sn和续流二极管D1。电感L1的一端与寄生电阻R_l1相连，R_l1再与电源电压VDD相连，电感L1另一端连接电容C1的一端和功率管Sn的漏极；电容C1的另一端连接电感L2的一端和续流二极管D1的正向端，D1的负端接地；电感L2的另一端接滤波电容C2的一端作为输出电压Vo，C2的另一端接地；电阻Ro连接在Vo端与地端作为负载电阻。在整个功率级中L1，C1和Sn组成功率级的第一级；L2，C2以及续流二极管D1和负载电阻Ro组成功率级的第二级。改进后的III型补偿电路包括误差放大器，以及电阻电容网络，输出电压Vo的反馈信号VFB连接到误差放大器的正相端。VFB是这样产生的：输出电压Vo通过两个相同的串联电阻R连接到VDD，两个电阻产生的分压VFB作为反馈信号。基准电压V_REF通过补偿电阻R1接到误差放大器的反相端。误差放大器的输出(即改进后的III型补偿网络的输出)VEA连接到比较器的反相端，比较器的同相端接斜坡电压VRAMP(与图1参数相同)，输出接到RS触发器的复位端R，RS触发器的置位端S接时钟信号，RS触发器的输出端Q通过驱动电路连接到功率管Sn的栅极，控制功率管Sn的通断。III型补偿电路中电阻电容网络组成与连接关系与图1相同。

Cuk型开关变换器在每个时钟开始时功率管导通，此时输出电压下降，补偿网络的输出与斜坡电压进行比较产生占空比，从而将功率管Sn关断。电路的具体工作过程如下：当时钟的上升沿到来时，RS触发器的输出端Q置位为“1”，此时功率管Sn闭合，当斜坡电压与III型补偿器的输出VEA相交时，比较器输出将发生反转，RS触发器的输出端Q复位为“0”，此时，MOS管Sn断开，直到下一个时钟上升沿到来，如此往复，电路产生稳定的占空比和输出电压。

Cuk型电路结构的功率级存在两个电感和电容，从而产生两对共轭极点fc1、fc2和一对共轭零点fz1，fc1、fc2表达式如下：

$f_{c1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_e{C}_e}},f_{c2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_2{C}_2}}$

当满足条件时，fz1表达式如下：

$f_{z1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_e{C}_e{D}^{\′}}}$

其中，L1，L2分别为功率级电路第一级和第二级电感；C1，C2分别为功率级电路第一级和第二级滤波电容；D为占空比；D'为1-D；Ro为负载电阻；R_l1为电感L1的寄生电阻。

图3为BUCK型电路功率级的幅频特性曲线图，从图中可以看出，功率级有一对共轭极点，从而带来180°的相位下降。

如图4所示，从幅度曲线中可以看出，功率级共有两对共轭极点和一对共轭零点，而且，共轭极点fc1和共轭零点fz1比较靠近，带来接近180°的相位下降，相位下降到-180°附近，但是不会超过-180°，在fc2之前又回升到0°。

传统III型补偿引入一个低频极点，两个零点，以及两个高频极点，零极点补偿效果图如图5a所示。但是，低频极点会带来90°的相位下降，从而环路整体相位会下降到-180°以下，此时，环路非条件稳定。因此必须采用新的III型补偿方式用于Cuk型开关变换器的控制电路。

为了避免电路相位掉到-180°以下，在本发明中，将传统III型补偿中引入的两个零点分开，一个零点位于低频极点附近，另一个零点位置如如图5b所示，消除低频极点带来的90°相位下降对整体电路相位的影响。

图5a为传统III型补偿的零极点效果图。传统III型补偿在低频引入一个极点，作为系统的主极点；在共轭极点fc2附近引入两个零点，用来补偿共轭极点fc2；再引入两个高频极点，主要用来抑制高频噪声。

图5b为本发明III型补偿的零极点效果图。从图中可以看出，将传统III型补偿引入的两个零点分开，一个零点位于低频极点附近，消除低频极点带来的90°相位下降对整体电路相位的影响，另一个零点位置如图所示，图中虚线为传统III型补偿零极点曲线图。从而保证了整个补偿的效果不变。

图6为补偿后环路系统的波特图。从图中可以看出，补偿的零点消除了主极点带来的90°的相位下降，对整个系统的稳定性没有影响。

本专利的特点及内容已揭示如上，然而本领域的技术人员可能基于本发明的说明而做种种不背离发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不局限于上述的实施方案，而应包含各种不背离本发明的替换和修改，并为权利要求书所涵盖。

Claims (1)

1.一种III型补偿Cuk型开关变换器的控制系统，Cuk型开关变换器包括第一、第二两级功率级电路，控制级包括反馈电路、比较器、RS触发器、驱动电路和BUCK型开关变换器的III型补偿网络构成的闭环系统，其特征在于，将BUCK型开关变换器的III型补偿网络的补偿方式加以改进，用于Cuk型开关变换器的控制，改进后的III型补偿网络的输出与斜坡电压进入比较器进行比较，比较结果产生的占空比控制Cuk型开关变换器中功率管的通断；

第一功率级电路包括电感L1、电容C1、功率管Sn和寄生电阻R_l1，电感L1的一端与通过寄生电阻R_l1连接电源电压VDD正端，电源电压VDD负端接地，电感L1的另一端连接电容C1的一端和功率管Sn的漏极，功率管Sn的源极接地，功率管Sn的栅极连接驱动电路的输出端；

第二功率级电路包括电感L2、电容C2、续流二极管D1和负载电阻Ro，电感L2的一端与续流二极管D1的正端以及第一功率级电路中电容C1的另一端连接，续流二极管D1的负端接地，电感L2的另一端连接电容C2的一端和负载电阻Ro的一端并作为输出电压Vo，电容C2的另一端和负载电阻Ro的另一端均接地；

反馈电路包括两个相同的串联的电阻R，两个电阻R的非串联端分别连接输出电压Vo和电源电压VDD正端，两个电阻R的串联端分压输出反馈信号VFB；

改进后的III补偿网络包括误差放大器EA、电阻R1、R2、R3和电容C4、C5、C6，误差放大器EA的同相端连接反馈电路输出的反馈信号VFB，误差放大器EA的反相端通过电阻R1连接基准电压V_REF，电阻R3与电容C4串联后跨接在电阻R1的两端，电容C4的非串联端连接误差放大器EA的反相端，电阻R3的非串联端连接基准电压V_REF，电阻R2与电容C6串联后与电容C5并联，电容C6的非串联端连接误差放大器EA的输出端VEA，电阻R2的非串联端连接连接误差放大器EA的反相端，误差放大器EA的输出端为改进后的III补偿网络的输出端VEA；

比较器的同相端连接斜坡电压VRAMP，比较器的反相端连接改进后的III补偿网络的输出端VEA；

RS触发器的复位端R连接比较器的输出端，RS触发器的置位端S连接时钟信号，RS触发器的输出端Q通过驱动电路连接第一功率级电路中功率管Sn的栅极。