CN104052266A

CN104052266A - 电容电流型恒定导通时间控制技术及其装置

Info

Publication number: CN104052266A
Application number: CN201410265451.8A
Authority: CN
Inventors: 许建平; 徐杨军; 陈利; 钟曙; 许丽君
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2014-06-15
Filing date: 2014-06-15
Publication date: 2014-09-17

Abstract

本发明公开了一种电容电流型恒定导通时间控制技术及其装置，根据输出电压与参考电压经误差放大器作用后产生的误差信号，与电容电流信号比较产生RS触发器的一路输入控制信号，进而调节输出电压。其特征在于在传统电压型COT控制上增加了一个电容电流控制环路。该发明突出优点是：这种控制技术控制的开关变换器不仅具有快速的输入瞬态和负载瞬态响应速度，提高了输出电压的稳态精度，降低了电压调整率，并且输出电压稳定性不受输出电压等效串联电阻ESR的影响。

Description

电容电流型恒定导通时间控制技术及其装置

技术领域

本发明涉及开关电源设备，尤其是电容电流型恒定导通时间控制技术及其实现装置制造领域。

背景技术

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。开关电源由于具有体积小、效率高和重量轻的优点，已经在多个领域取代了线性电源，开关电源技术已经成为电力电子领域一个最为活跃的分支，并引起了电源技术研究人员的高度重视。随着科学技术日新月异的发展，电子产品的功能越来越强大，其对电源的需求也越来越高。

开关电源主要由开关变换器和控制装置两部分组成。变换器又称为功率电路，主要包括起开关作用的开关装置，变压器装置和整流滤波电路。常见的功率变换器拓扑结构有Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、正激变换器、反激变换器等。控制器能够检测功率变换器输入或输出电压的变化，并据此产生相应开关信号控制功率变换器开关装置的工作状态，从而调节传递给负载的能量以稳定开关变换器的输出。控制器的结构和工作原理由开关变换器所采用的控制方法决定。对于某一变换器拓扑，采用不同的控制方法会对系统稳态精度和动态性能等方面产生影响，所以控制方法显得日益重要。

传统脉冲频率调制(PFM)技术是一种常见的开关变换器调制方法，包括恒定导通时间(COT)控制和恒定关断时间(CFT)控制，通过改变脉冲频率来控制功率电路开关管的导通、关断，从而调整输出电压。PFM调制具有轻载效率高，瞬态响应速度快的优点，已经广泛运用于各工业制造领域。但传统电压型恒定导通时间控制开关变换器的输出电压存在稳态精度不高，电压调整率差，稳定性受输出电容等效串联电阻ESR影响的缺点，因而迫切需要对传统电压型恒定导通时间控制技术进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容电流型恒定导通时间控制技术，在具有快速瞬态响应速度的同时，消除恒定导通时间控制开关变换器等效串联电阻ESR对输出电压稳定性的影响，提高输出电压稳态精度，并降低电压调整率。

本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案是：根据开关变换器输出电压与基准电压经误差放大器作用产生误差信号，再由比较器对该误差信号与电容电流信号进行比较得到RS触发器的一路控制信号，由RS触发器和导通定时器作用，产生驱动控制信号，控制开关变换器的功率开关管，调节开关变换器的输出电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、与传统电压型恒定导通时间控制相比，该控制是双环控制，提高了输出电压稳态精度，降低了电压调整率，消除了输出电容等效串联电阻ESR对输出电压稳定性的影响。

二、与传统电感电流型恒定导通时间控制相比，具有更快的负载响应速度，拓宽变换器的负载范围。

本发明的另一目的是提供一种实现电容电流型恒定导通时间控制技术的装置。其具体构造采用：电压检测装置1、误差放大器2、比较器3、RS触发器4，驱动电路5顺序连接；电容电流检测装置6与比较器3另一输入端相连；RS触发器一输出端与导通定时器7输入端相连，导通定时器输出端与RS触发器另一输入端相连。

附图说明

图1为本发明控制系统实现装置结构框图。

图2为本发明实施例一的电路结构示意图。

图3为本发明实施例一和传统电压型恒定导通时间控制Buck变换器的输出电压仿真波形图。

图4为本发明实施例一和电感电流型恒定导通时间控制Buck变换器的输出电压仿真波形图。

图5为本发明实施例二的电路结构示意图。

图3中：(a)ESR为200mΩ时传统电压型恒定导通时间控制Buck变换器的输出电压波形和驱动脉冲波形；(b)ESR为200mΩ时本发明方法控制Buck变换器的输出电压波形和驱动脉冲波形；(c)ESR为50mΩ时传统电压型恒定导通时间控制Buck变换器的输出电压波形和驱动脉冲波形；(d)ESR为50mΩ时本发明方法控制Buck变换器的输出电压波形和驱动脉冲波形；(e)ESR为1mΩ时传统电压型恒定导通时间控制Buck变换器的输出电压波形和驱动脉冲波形；(f)ESR为1mΩ时本发明方法控制Buck变换器的输出电压波形和驱动脉冲波形。

图4中：(a)负载电流突变时，电感电流型恒定导通时间控制Buck变换器的输出电压波形、负载电流波形、驱动脉冲波形、电感电流波形和电容电容电流波形；(b)负载电流突变时，本发明方法控制Buck变换器的负输出电压波形、负载电流波形、驱动脉冲波形、电感电流波形和电容电容电流波形；(c)输入电压突变时，电感电流型恒定导通时间控制Buck变换器的输出电压波形、输入电压波形、驱动脉冲波形、电感电流波形和电容电容电流波形；(d)输入电压突变时，本发明方法控制Buck变换器的输出电压波形、输入电压波形、驱动脉冲波形、电感电流波形和电容电容电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

实施例一

图1示出，本发明的具体实施方式为：电容电流型恒定导通时间控制技术，其控制器主要由电压检测装置、误差放大器、电容电流检测装置、比较器、触发器、导通定时器，以及驱动电路组成。电压检测装置检测的开关变换器输出电压与基准电压经误差放大器作用产生误差信号，再由比较器对该误差信号与电容电流检测装置检测的电容电流信号进行比较得到RS触发器的一路控制信号，由RS触发器和导通定时器作用，产生驱动控制信号，控制开关变换器的功率开关管，调节开关变换器的输出电压。

图2给出了本发明在Buck变换器中的应用。其具体的工作过程与原理为：由输出电压与参考电压经误差放大器产生慢变化的误差信号，当电容电流信号降至误差信号时，RS触发器置位，主功率开关管导通，电容电流线性上升，主功率开关管导通一段由导通定时器产生的恒定导通时间间隙后，RS触发器复位，功率开关管关断，电容电流线性下降；当电容电流信号下降至误差信号时，变换器进入下一个开关周期。

仿真结果分析：

图3为采用PSIM软件分别对传统电压型恒定导通时间控制技术及本发明方法的Buck变换器的仿真波形图，仿真条件：输入电压V_in＝15V，输出电压V_o＝V_ref＝5V，电感L＝20μH，电容C＝20μF，电容等效串联电阻ESR₁＝200mΩ，ESR₂＝50mΩ，ESR₃＝1mΩ，负载R＝0.5Ω，恒定导通时间T_ON＝2.5μs。

图3分图(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的横轴均为时间(s)，纵轴为电压幅值(V)。当输出等效串联电阻ESR为200mΩ时，在两种控制方法下Buck变换器输出电压波形如分图(a)、(b)所示，传统电压型恒定导通时间控制的Buck变换器的输出电压有约为0.1V的稳态误差，本发明控制的Buck变换器输出电压没有稳态误差；当输出等效串联电阻ESR为50mΩ时，在两种控制方法下Buck变换器输出电压波形如分图(c)、(d)所示，传统电压型恒定导通时间控制的Buck变换器的输出电压失稳，开关脉冲紊乱，本发明控制的Buck变换器输出电压保持常工作；当输出等效串联电阻ESR为1mΩ时，在两种控制方法下Buck变换器输出电压波形如分图(e)、(f)所示，传统电压型恒定导通时间控制的Buck变换器的输出电压仍然失稳，开关脉冲异常，而本发明控制的Buck变换器仍常正常工作，且纹波更小。

图4为电感电流型恒定导通时间控制Buck变换器及本发明方法控制Buck变换器的仿真波形图，除输出等效串联电阻ESR₄为10mΩ外，仿真条件同上。图4分图(a)、(b)、(c)、(d)的横轴均为时间(s)，纵轴为电压幅值(V)、电流幅值(A)。分图(a)、(b)分别对应负载电流突变时电感电流型恒定导通时间控制技术与本发明方法控制技术控制Buck变换器的输出电压波形。从图(a)可知，当负载电流突变时，电感电流型恒定导通时间控制的Buck变换器的的电感电流不会立刻变化，所以开关管动作有延迟；而从图(b)可知，当负载电流突变时，本发明方法的Buck变换器的电容电流立刻变化，开关管立刻动作。对比图(a)与图(b)可知，本发明方法的Buck变换器具有更快的负载瞬态响应速度。从图(a)与图(b)中还可以看到，负载突变时，本发明方法的Buck变换器具有更小的电压超调量和跌落量。图(c)、(d)分别对应输入电压突变时电感电流型恒定导通时间控制技术与本发明方法的Buck变换器输出电压的波形。对比图(c)和(d)可知，与电感电流恒定导通时间控制技术类似，本发明控制Buck变换器具有快速的输入瞬态响应，因为一旦输入电压变化，电感电流斜率变化，电容电流的变化与电感电流变化保持一致，两种控制下的开关管动作一致，具有同样的输入电压瞬态响应速度。

实施例二

图5示出，本例与实施例一相比，功率变换器为Boost变换器，控制装置与实施例一相同。同样通过仿真证明，采用本发明的Boost变换器，输出电压稳态精度高，电压调整率小，动态响应速度快，且输出电压稳定性不受等效串联电阻ESR的影响。

本发明除了可用于控制上述实施例中的两种变换器外，也可以用于Buck-boost变换器、正激变换器、半桥变换器、全桥变换器等功率电路组成的开关电源。

Claims

1.电容电流型恒定导通时间控制技术，根据开关变换器输出电压与基准电压经误差放大器作用产生误差信号，该误差信号与电容电流信号再经比较器比较得到RS触发器的一路控制信号，由RS触发器和导通定时器作用，产生驱动控制信号，控制开关变换器的功率开关管，调节开关变换器的输出电压。

2.根据权利要求1所述的电容电流型恒定导通时间控制技术，其特征在于，在传统电压型恒定导通时间控制基础上，引入了电容电流信号环路，电容电流型恒定导通时间控制技术呈现出更优异的控制性能。

3.实现权利要求1或2所述的电容电流型恒定导通时间控制技术的装置，由电压检测装置、误差放大器、电容电流检测装置、比较器、触发器、导通定时器，以及驱动电路组成；其特征在于，电压检测装置(1)、误差放大器(2)、比较器(3)、RS触发器(4)，驱动电路(5)顺序连接；电容电流检测装置(6)与比较器(3)另一输入端相连；RS触发器一输出端与导通定时器(7)输入端相连，导通定时器输出端与RS触发器另一输入端相连。