CN104393744B - 数字化峰值电流控制装置 - Google Patents
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Abstract
数字化峰值电流控制装置包括采样电路、给定电路、单片机、数模转换电路、整流电路和峰值电流控制电路，所述峰值电流控制电路包括第一比较器、第一锁存器和第一与门，单片机具有用于输出第一PWM信号的第一输出端以及用于输出第二PWM信号的第二输出端；单片机，用于根据采样电路采集的输出电压、输出电流以及给定电路输出的参考信号运算得到一数字信号；数模转换电路，用于将数字信号转换为模拟信号，并将其输出至第一比较器；整流电路，用于将采样电路采集的输入电流进行整流处理，并通过其输出端将整流处理后的输入电流输出至第一比较器；第一与门的输出端输出的电平信号用于控制开关电源的开关管的启闭状态。本发明具有成本低、可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及应用于开关电源的数字化峰值电流控制装置。
背景技术
在电压型控制技术中，为了解决变压器的偏磁问题，一种行之有效的解决方案是隔直电容技术。隔直电容技术虽可解决变压器的偏磁问题，但应用于此处的电容，工作频率高、电流大，存在可靠性的问题。峰值电流控制技术控制流过变压器正反两个方向的电流，保证峰值相等，也就是保证两个方向的磁平衡，从源头上解决变压器的偏磁问题。峰值电流控制技术在降低成本的同时更提高了系统的可靠性。所以峰值电流技术在开关电源上获得了广泛的应用。
数字化技术相对于模拟方案具有体积小、成本低、实现方法灵活以及通过加密实现技术保密等优点。但峰值电流控制技术对电流采样要求极高，所以该技术在模拟电源上获得极广应用的同时在数字化电源中却难有建树，即使采用价位昂贵的高速处理器在速度上也难于达到与模拟方案同等的效果。
发明内容
本发明的目的在于提出一种数字化峰值电流控制装置，其能解决现有技术的技术缺陷。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
数字化峰值电流控制装置，其包括采样电路、给定电路、单片机、数模转换电路、整流电路和峰值电流控制电路，所述峰值电流控制电路包括第一比较器、第一锁存器和第一与门，所述单片机具有用于输出第一PWM信号的第一输出端以及用于输出第二PWM信号的第二输出端；
采样电路，用于采集开关电源的输出电压、输出电流以及所述开关电源的原边变压器上的输入电流；
单片机，用于根据所述输出电压、输出电流以及给定电路输出的参考信号运算得到一数字信号；
数模转换电路，用于将所述数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号输出至所述第一比较器的第一输入端；
整流电路，用于将所述输入电流进行整流处理，并通过其输出端将整流处理后的输入电流输出至所述第一比较器的第二输入端；
第一比较器的输出端与锁存器的第二输入端连接，单片机的第一输出端与第一与门的第一输入端连接，单片机的第二输出端与锁存器的第一输入端连接，锁存器的输出端与第一与门的第二输入端连接；
第一与门的输出端输出的电平信号用于控制所述开关电源相应的开关管的启闭状态。
优选的，所述峰值电流控制电路还包括用于将矩形波转换为三角波的第一波形转换电路和第一加法器，所述整流电路的输出端通过第一加法器与第一比较器的第二输入端连接，所述第一波形转换电路的输出端也通过所述第一加法器与第一比较器的第二输入端连接，单片机的第一输出端还与所述第一波形转换电路的输入端连接。
优选的，所述峰值电流控制电路还包括第二加法器、第二锁存器、第二比较器、第二与门以及用于将矩形波转换为三角波的第二波形转换电路；所述单片机还具有用于输出第三PWM信号的第三输出端以及用于输出第四PWM信号的第四输出端；所述整流电路的输出端通过第二加法器与第二比较器的第二输入端连接，所述第二波形转换电路的输出端也通过所述第二加法器与第二比较器的第二输入端连接，第二波形转换电路的输入端和第二与门的第一输入端均与单片机的第三输出端连接，数模转换电路的模拟信号还输出至所述第二比较器的第一输入端，单片机的第四输出端与第二锁存器的第一输入端连接，第二比较器的输出端与第二锁存器的第二输入端连接，第二锁存器的输出端与第二与门的第二输入端连接；第二与门的输出端输出的电平信号用于控制所述开关电源相应的开关管的启闭状态。
优选的，第三PWM信号比第一PWM信号滞后二分之一周期，第四PWM信号比第二PWM信号滞后二分之一周期。
优选的，所述峰值电流控制电路还包括第二与门、第三与门和二分频器，单片机的第二输出端还与二分频器的输入端连接，二分频器的第一输出端与第二与门的第一输入端连接，二分频器的第二输出端与第三与门的第二输入端连接，第二与门的第二输入端和第三与门的第一输入端均与第一与门的输出端连接，以使第一与门的输出端输出的电平信号用于通过第二与门和第三与门控制所述开关电源相应的开关管的启闭状态。
优选的，第一PWM信号的脉冲宽度大于第二PWM信号的脉冲宽度。
本发明具有如下有益效果：
在保持了模拟电路的速度优势同时，最大程度的降低了数字控制器的成本。数字化相对于模拟方案具有易保密、体积小、成本低、实现方法灵活等优点；而峰值电流型控制相对于电压型控制则具有成本低、可靠性高等优点。本发明同时具备数字化和峰值电流控制双重优点。
附图说明
图1为本发明实施例一的数字化峰值电流控制装置的峰值电流控制电路的结构示意图；
图2为本发明实施例二的数字化峰值电流控制装置的峰值电流控制电路的结构示意图；
图3为本发明实施例三的数字化峰值电流控制装置的峰值电流控制电路的结构示意图；
图4为本发明实施例四的数字化峰值电流控制装置的峰值电流控制电路的结构示意图；
图5为本发明实施例五的数字化峰值电流控制装置的峰值电流控制电路的结构示意图；
图6为全桥变换器的电路图；
图7为本发明实施例五的数字化峰值电流控制装置应用于图6的全桥变换器的连接关系图；
图8为本发明实施例六的数字化峰值电流控制装置的峰值电流控制电路的结构示意图；
图9为连续模式流过开关管的理想电流及导通瞬间存在电流尖峰真实电流波形。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。
实施例一
如图1所示，本实施例的数字化峰值电流控制装置可适用于降压变换器、升压变换器、单端正激变换器和单端反激变换器等仅具有一个开关管的开关电源中，并且本实施例适用于断续模式中。其包括采样电路、给定电路、单片机、数模转换电路(D/A)、整流电路和峰值电流控制电路。所述峰值电流控制电路包括第一比较器、第一锁存器和第一与门。所述单片机具有用于输出第一PWM信号(PWM1)的第一输出端以及用于输出第二PWM信号(PWM2)的第二输出端。其中，第一PWM信号的脉冲宽度大于第二PWM信号的脉冲宽度，即第一PWM信号定义了脉冲的最大宽度。
采样电路，用于采集开关电源的输出电压、输出电流以及所述开关电源的原边变压器上的输入电流(即峰值电流采样)。
单片机，用于根据所述输出电压、输出电流以及给定电路输出的参考信号运算得到一数字信号。所述参考信号包括参考电压、参考电流、工艺控制信号以及其他需要控制的量。
数模转换电路，用于将所述数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号输出至所述第一比较器的反相输入端。
整流电路，用于将所述输入电流进行整流处理，并通过其输出端将整流处理后的输入电流输出至所述第一比较器的正相输入端。
第一比较器的输出端与锁存器的R输入端连接，单片机的第一输出端与第一与门的第一输入端连接，单片机的第二输出端与锁存器的S输入端连接，锁存器的输出端与第一与门的第二输入端连接。
第一与门的输出端与一开关管驱动电路连接，第一与门输出的电平信号通过所述开关管驱动电路用于控制所述开关电源的开关管的启闭状态，从而最终控制开关电源输出所需的电流、电压或一定的工艺控制信号。
当第一PWM信号的脉宽小于50％，并且系统始终处于断续模式时可用本实施例的电路。电压、电流/工艺控制为单片机依据给定值和电流、电压反馈值计算并经D/A转化而得到的一个模拟值。第一PWM信号、第二PWM信号直接由单片机发出。由于第一PWM信号定义了输出脉冲的最大宽度，在一个PWM周期开始时，脉冲为正，开关管导通，流过开关管的电流增加。当该电流值大到与电压、电流/工艺控制相等的模拟量值时关断开关管。下一个周期重复该过程。
实施例二
如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于峰值电流控制电路还包括有用于将矩形波转换为三角波的第一波形转换电路和第一加法器。具体的，所述整流电路的输出端通过第一加法器与第一比较器的正相输入端连接，所述第一波形转换电路的输出端也通过所述第一加法器与第一比较器的正相输入端连接，单片机的第一输出端还与所述第一波形转换电路的输入端连接。
本实施例也适用于降压变换器、升压变换器、单端正激变换器和单端反激变换器等仅具有一个开关管的开关电源中，但本实施例适用于连续模式中。
当第一PWM信号的脉宽大于50％或者系统处于连续模式时，需用本实施例的电路进行控制。此时如继续沿用实施例一的断续模式控制方式，系统极易进入次谐波震荡。连续模式与断续模式相比，多出了波形转换电路以及将三角波与整流电路输出的信号叠加的加法器。该多出部分实现了连续模式中的斜坡补偿功能。
实施例三
如图3所示，本实施例与实施例二的区别在于增加了一个加法器、一个比较器、一个锁存器和一个波形转换电路。因此，本实施例适用于半桥变换器和推挽变换器等具有两个开关管的开关电源中。
具体的，峰值电流控制电路还包括第二加法器、第二锁存器、第二比较器、第二与门以及用于将矩形波转换为三角波的第二波形转换电路。所述单片机还具有用于输出第三PWM信号(PWM3)的第三输出端以及用于输出第四PWM信号(PWM4)的第四输出端。所述整流电路的输出端通过第二加法器与第二比较器的正相输入端连接，所述第二波形转换电路的输出端也通过所述第二加法器与第二比较器的正相输入端连接，第二波形转换电路的输入端和第二与门的第一输入端均与单片机的第三输出端连接，数模转换电路的模拟信号还输出至所述第二比较器的反相输入端，单片机的第四输出端与第二锁存器的S输入端连接，第二比较器的输出端与第二锁存器的R输入端连接，第二锁存器的输出端与第二与门的第二输入端连接。第一与门的输出端与一个开关管驱动电路连接，第二与门的输出端与另一个开关管驱动电路连接，第一与门和第二与门的输出端输出的电平信号分别用于控制所述开关电源的两个开关管的启闭状态。
第三PWM信号比第一PWM信号滞后二分之一周期，第四PWM信号比第二PWM信号滞后二分之一周期，即第三PWM信号和第四PWM信号分别是第一PWM信号和第二PWM信号平移二分之一周期得到。本实施例的第一PWM信号至第四PWM信号的频率与开关管的开关频率一致。
实施例四
如图4所示，本实施例与实施例二的区别在于增加了一个二分频器和二个与门。因此，本实施例适用于半桥变换器和推挽变换器等具有两个开关管的开关电源中。
具体的，峰值电流控制电路还包括第二与门、第三与门和二分频器，单片机的第二输出端还与二分频器的输入端连接，二分频器的正相输出端与第二与门的第一输入端连接，二分频器的反相输出端与第三与门的第二输入端连接，第二与门的第二输入端和第三与门的第一输入端均与第一与门的输出端连接，第二与门的输出端与一个开关管驱动电路连接，第三与门的输出端与另一个开关管驱动电路连接，以使第一与门的输出端输出的电平信号用于通过第二与门和第三与门控制开关电源的两个开关管的启闭状态。
本实施例的第一PWM信号和第二PWM信号的频率均为开关管的开关频率的两倍。
实施例五
如图5所示，本实施例与实施例三的区别仅在于：第一与门的输出端与两个开关管驱动电路连接，第二与门的输出端与另外两个开关管驱动电路连接，第一与门和第二与门的输出端输出的电平信号分别用于控制所述开关电源的四个开关管的启闭状态。因此本实施例适用于具有四个开关管的全桥变换器中。
为了便于理解本实施例，请结合图6和图7所示，现有的全桥变换器由整流桥、逆变器(包括四个开关管)、变压器、二次整流器和电抗器构成。采样电路采集全桥变换器的输出电压Uo+、Uo-，输出电流Io+、Io-以及变压器原边上的输入电流Ip1、Ip2。给定电路给单片机提供运算所需的参考信号，单片机根据采样量与参考量运算出需要的数字信号，该数字信号经D/A转换为模拟信号，并输出给峰值电流控制电路。输入电流经整流电路处理后进入峰值电流控制电路，峰值电流控制电路根据单片机输出的PWM1至PWM4、模拟信号和输入电流，通过开关管驱动电路1至开关管驱动电路4控制逆变器中的四个开关管的通断。GU1+、GU2+、GL1+、GL2+均表示对应的开关管的基极，GU1-、GU2-、GL1-、GL2-均表示对应的开关管的发射极，OUT+、OUT-表示全桥变换器的总输出。
实施例六
如图8所示，本实施例与实施例四的区别仅在于：第二与门的输出端与两个开关管驱动电路连接，第三与门的输出端与另外两个开关管驱动电路连接，第二与门和第三与门的输出端输出的电平信号分别用于控制所述开关电源的四个开关管的启闭状态。因此本实施例适用于具有四个开关管的全桥变换器中。
上述各实施例都具备前端消隐功能：由于变压器存在匝间、层间电容，和二极管的反向恢复，开关管在导通瞬间突然有个大电流(图9所示)。如果不做处理，有时该大电流尖峰达到足够直接关断开关管的程度。由于第二PWM信号定义了脉冲的最小宽度，在第二PWM信号宽度内不可关断开关管，所以第二PWM信号起到了前端消隐的作用，可防止导通瞬间的大电流误关断开关管。但是，第二PWM信号的脉冲宽度不能太窄，如果太窄可能引起开关管误动作，也不能太宽，太宽时在开关真正短路时不能有效保护，需折中取值。
对于实施例三至实施例六，还具有死区生成功能：通过设置第一PWM信号的脉宽同时设置死区时间(50％-Dmax)*T。Dmax为最大占空比，T为开关管的开关周期。
本发明具有如下特点：
1、具有数字化控制的各项优点，比如易保密、体积少、成本低、控制灵活。
2、具备模拟控制的速度优势。
3、在桥式及推挽结构中可从根源上解决变压器的偏磁问题，大大提高系统的可靠性。
4、具有独创的数字化前端消隐功能。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.数字化峰值电流控制装置，其特征在于，包括采样电路、给定电路、单片机、数模转换电路、整流电路和峰值电流控制电路，所述峰值电流控制电路包括第一比较器、第一锁存器和第一与门，所述单片机具有用于输出第一PWM信号的第一输出端以及用于输出第二PWM信号的第二输出端；所述峰值电流控制电路还包括用于将矩形波转换为三角波的第一波形转换电路和第一加法器；
采样电路，用于采集开关电源的输出电压、输出电流以及所述开关电源的原边变压器上的输入电流；
单片机，用于根据所述输出电压、输出电流以及给定电路输出的参考信号运算得到一数字信号；
数模转换电路，用于将所述数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号输出至所述第一比较器的第一输入端；
整流电路，用于将所述输入电流进行整流处理，并通过其输出端将整流处理后的输入电流输出至所述第一比较器的第二输入端；所述整流电路的输出端通过第一加法器与第一比较器的第二输入端连接，所述第一波形转换电路的输出端也通过所述第一加法器与第一比较器的第二输入端连接，单片机的第一输出端还与所述第一波形转换电路的输入端连接；
第一比较器的输出端与锁存器的第二输入端连接，单片机的第一输出端与第一与门的第一输入端连接，单片机的第二输出端与锁存器的第一输入端连接，锁存器的输出端与第一与门的第二输入端连接；
第一与门的输出端输出的电平信号用于控制所述开关电源相应的开关管的启闭状态。
2.如权利要求1所述的数字化峰值电流控制装置，其特征在于，所述峰值电流控制电路还包括第二加法器、第二锁存器、第二比较器、第二与门以及用于将矩形波转换为三角波的第二波形转换电路；所述单片机还具有用于输出第三PWM信号的第三输出端以及用于输出第四PWM信号的第四输出端；所述整流电路的输出端通过第二加法器与第二比较器的第二输入端连接，所述第二波形转换电路的输出端也通过所述第二加法器与第二比较器的第二输入端连接，第二波形转换电路的输入端和第二与门的第一输入端均与单片机的第三输出端连接，数模转换电路的模拟信号还输出至所述第二比较器的第一输入端，单片机的第四输出端与第二锁存器的第一输入端连接，第二比较器的输出端与第二锁存器的第二输入端连接，第二锁存器的输出端与第二与门的第二输入端连接；第二与门的输出端输出的电平信号用于控制所述开关电源相应的开关管的启闭状态。
3.如权利要求2所述的数字化峰值电流控制装置，其特征在于，第三PWM信号比第一PWM信号滞后二分之一周期，第四PWM信号比第二PWM信号滞后二分之一周期。
4.如权利要求1所述的数字化峰值电流控制装置，其特征在于，所述峰值电流控制电路还包括第二与门、第三与门和二分频器，单片机的第二输出端还与二分频器的输入端连接，二分频器的第一输出端与第二与门的第一输入端连接，二分频器的第二输出端与第三与门的第二输入端连接，第二与门的第二输入端和第三与门的第一输入端均与第一与门的输出端连接，以使第一与门的输出端输出的电平信号用于通过第二与门和第三与门控制所述开关电源相应的开关管的启闭状态。
5.如权利要求1-4任一项所述的数字化峰值电流控制装置，其特征在于，第一PWM信号的脉冲宽度大于第二PWM信号的脉冲宽度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
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|
| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
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