CN104638885A

CN104638885A - 动态负载快速响应电路

Info

Publication number: CN104638885A
Application number: CN201410840432.3A
Authority: CN
Inventors: 乔宗标
Original assignee: SHANGHAI YINGLIAN ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI YINGLIAN ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2034-12-30
Also published as: CN104638885B

Abstract

本发明涉及Buck类DC/DC转换器实现快速动态负载响应的一种电路，能快速响应负载电流变化、减小输出电压偏差幅度，从而降低外部电容总需求容量。由电流采样、信号处理和信号注入电路构成。电流采样电路用采样电阻或与输出电感并联的电阻电容串联电路构成，对于后一种方案，电容另一端连接到输出电压端。电容两端电压信号与负载电流成正比，信号处理电路对此电压信号中直流分量进行放大、交流分量进行抑制，其输出通过信号注入电路以交流耦合方式注入到PWM控制器的负反馈输入端，迫其快速调整输出占空比，达到响应快和偏离幅度小的目标、而又不影响系统稳态工作的稳定性。此电路同样适用多相Buck、正激、半桥和全桥等转换器。

Description

动态负载快速响应电路

技术领域

本专利涉及BUCK类DC/DC转换器实现快速动态负载响应的一种电路，该电路快速响应负载电流变化、减小输出电压的偏差幅度，同时能够降低外部储能电容的总需求容量。

背景技术

BUCK类DC/DC转换器的拓扑结构通常分为非隔离BUCK、正激、半桥和全桥等类型，被广泛应用于各种系统中。不论哪一种类型，BUCK类DC/DC转换器拓扑结构的都包含输出滤波电路和脉宽调制器(PWM-Pulse Width Modulator)控制环路，输出滤波电路由电感和电容构成。通常在负载电流快速变化时，由于输出滤波电感和控制环路的滞后效应，使得输出电压产生很大偏离幅度、并且需要较长时间才能恢复到初始设定值。为了解决这个问题，传统方案是将很多个滤波电容并联使用，这种方法虽然能够有效地控制输出电压的偏离幅度，但是反应速度很慢，而且由于使用了大量的滤波电容，导致体积增大，成本增加。因此，如何使得输出电压能够快速响应负载电流的变化，并且有效的控制输出电压的偏离幅度，成为重要的课题。

本发明电路，在有效地控制体积和成本的前提下很好地解决了这一课题。

图1为非隔离电压控制型Buck转换器原理框图，采用Type3型补偿电路。输出滤波电感Lo(104)等效为理想电感与直流内阻(DCR)构成的串联电路，输出电容Co(105)等效为理想电容和等效串联电阻(ESR)构成的串联电路，ESR大小与电容的材料特性密切相关。由于输出为L/C二阶滤波器，导致电压控制型Buck转换器整体响应速度比较慢；而输出电压采样电路提供给PWM控制环路的是输出电压经过分压网络之后的信号，实际变化幅度已被相应线性衰减，导致控制环路不可能对所需调整进行预先强化。补偿电路构成多个零极点组合用于补偿Lo/Co构成的二阶极点和输出电容与其串联等效电阻构成的零点，通过仔细设计各个参数确保电路有合理的相位裕度和增益裕度，以维持整个变换器的稳定工作。针对特定的负载快速变化要求和输出电容组合的应用，通过选择与Rf1(106)并联的Rs(111)/Cs(112)参数优化Rs/Cs/Rf1零极点组合，可以加快响应速度、降低输出电压偏离幅度。但是当输入/输出电压、电容容量及其材料类型改变之后必须重新调整Rs/Cs甚至Rp(106)/Ci(109)/Cd(110)参数，以确保电路有足够的相位裕度和增益裕度，从而满足电路稳定工作条件。

为改善Rs/Cs参数的选择会受外部输出电容容量及其材料类型的约束，在图1的基础上加上输出电压变化量采样电路形成图2的方案。通过Rco(202)/Cco(203)采样到输出电压变化量，在将其缓冲(201)后再通过电容Rcf(204)/Ccf(205)将变化量耦合到输出电压采样电路的分压点。由于稳定状态下Rcf/Ccf不会参与到电路的控制环节，所以当输出电压、电容容量及其材料类型改变之后，调整Rco/Cco不会影响到电路的控制环节。这种方案能够有效地加快响应速度、降低输出电压偏差幅度，但是针对不同的出电压、不同的输出电容容量/材料类型组合条件仍需对Rco/Cco进行优化；由于采样的是输出电压变化信号而不是直接的负载电流变化信号，响应速度仍然有待改进。

发明内容

本发明通过采样电阻或者输出滤波电感对输出电流进行采样，得到与负载电流变化量成正比关系的电压信号，再对其进行处理、然后通过交流耦合方式注入到PWM控制器的误差放大器的反相输入端，进而调整脉宽调制器(PWM-Pulse Width Modulator)输出占空比，达到快速响应和减小偏离幅度的目标，而在稳态工作时又不会影响系统控制的稳定性。通过电流采样、信号处理和信号注入三个环节，达到目标。使用采样电阻对输出电流进行采样，会带来额外的功率损耗，为一种有损采样方法；利用输出滤波电感进行采样，不会增加额外的功率损耗，是一种无损采样方法。

图3所示为利用输出滤波电感作为输出电流(I_L)采样方案。实际输出滤波电感104(Lo)等效为理想电感L和直流电阻DCR串联而成，采样电路302(R_C1)和303(C1)串联之后并联在输出滤波电感两端，其中C1的另一端连接到输出电压端。C1两端的电压可以计算得到，如下：

C_{C 1} = I_{L} \times DCR \times \frac{1 + sL / DCR}{1 + s R_{C 1} \times C_{1}}

当电阻采样电路中R_C1和C1、输出滤波电感的电感量L和直流电阻DCR满足如下条件时：

R_C1×C₁＝L/DCR

电容C1两端的电压信号只与负载电流I_L和输出滤波电感DCR相关：

V_C1＝I_L×DCR

但考虑到元器件的制造误差，不可能每一个实际电路都满足以上条件，所以输出信号中必然会含有PWM控制器工作频率相关的交流分量。

C1两端的信号是以输出电压作为共模信号，因此信号处理电路需要足够的共模抑制能力。

C1两端的信号馈入信号处理电路，由运放和相应的电阻和电容构成。其中C1靠近Vout的一端通过电阻304(Rb)连接到运算放大器的同相端，C1与R1相连的一端通过电阻305(R_G)连接到反相端，反馈电路306(Rf)与307(Cf)并联且连接在输出端与反相端之间，301(运算放大器)的传递函数如下：

V_{CS} = Vout - V_{C 1} \times \frac{Rf}{Rg} \times \frac{1}{1 + sRf \times Cf}

电路中电容Cf用于抑制PWM控制器的工作频率所引起的交流信号，信号频率越高，其增益越低。而Rf、Rg则决定了运算放大器的直流增益。当负载电流快速增加时V_C1相应增加，运算放大器的输出信号V_CS将快速减小；而当负载电流快速减小时，运算放大器的输出信号V_CS将快速增加。

从传递函数表达式可以看出，信号处理电路的输出以输出电压为中心值，这一方面有效处理了C1两端的共模信号问题，另一方面要求在使用这个信号时需要注意处理此直流分量，以免引起整体电路工作状态的不确定性。

信号处理电路的输出信号V_CS的变化量将通过串联电路308(Ci)、309(Ri)构成的信号注入电路注入到PWM控制电路负反馈输入端。信号注入电路中的电容隔离了信号处理电路输出中的直流分量，保证了注入到控制电路时只有与负载电流变化量相关的部分。信号注入电路中的电阻和输出电压采样电路的下分压电阻进行分压，决定了注入量的幅度。

当负载电流瞬间快速增加时，反相输入端将被叠加一个负向的电压变化信号，从而强迫PWM控制器的占空比迅速增加，使得变换器输出电压的下降幅度最小，且能够快速恢复到设定值；当负载电流瞬间快速减小时，误差放大器的反相输入端被叠加一个正向的电压变化信号，从而强迫PWM控制器的占空比迅速减小，使得变换器输出电压的上冲幅度最小，且能够快速恢复到设定值。

在稳态工作时，由于V_CS没有变化量，因为阻容串联电路对直流信号隔离的作用，因此不会影响PWM控制器工作状态，所以此发明电路不会对系统的原有环路稳定性产生影响。

以上电路结构简单、元件数量少，效果好、成本低。

如图4，此发明同样可以适用于多相Buck电路，同样采用输出滤波电感作为输出电流(I_L)采样手段时，相应的电路变化是将图3的一个采样电阻R_C1变化由N个采样电阻R_C1、R_C2、R_CN构成，N表示为并联电路数量，采样电容维持不变。采样电容一端连接到输出电压端、另一端与所有的采样电阻相连，而每一个采样电路的另一端连到本相电感的电压变化一侧。采样电容两端将得到所有滤波电感电流的平均值，交流分量的频率是单相工作频率乘以相数N，电路其它部分工作原理与图3一样。

这个方案同样可以容易的扩展到正激、半桥和全桥等Buck类电路。图5就是一个正激电路的应用示意图。功率变换部分为各类正激电路，利用输出滤波电感506对输出电流进行采样，516和517串联电路并联在输出滤波电感两端，得到与输出电流成正比的采样信号。由518～524构成的信号处理和信号注入电路与图3中301～309构成的电路工作原理和效果一样。

采用电阻对输出电流的采样，电路基本结构参见图6。采样电阻串联在输出滤波电感和输出电容之间，确保对输出电流变化及时响应。后续处理仍然是信号处理和信号注入电路，具体工作过程参见图3描述。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

图1为传统的电压控制型BUCK转换器；

图2为使用输出电压变化量改善动态负载响应的电压控制型BUCK转换器；

图3为使用输出滤波电感进行电流采样的负载电流变化量改善动态负载响应的电压控制型BUCK转换器；

图4为使用输出滤波电感进行电流采样的负载电流变化量改善动态负载响应的电压控制型、多相BUCK转换器；

图5为使用输出滤波电感进行电流采样的负载电流变化量改善动态负载响应的电压控制型、正激转换器。

图6为使用采样电阻进行电流采样的负载电流变化量改善动态负载响应的电压控制型BUCK转换器；

具体实施方式

图1为基本电压控制型Buck转换器；101为PWM控制电路，通常内部集成有误差放大器、PWM发生器、MOSFET驱动电路以及其它诸如基准电压源、软启动、振荡器等等辅助功能电路；102、103分别为控制开关管和续流开关管，通常为MOSFET；104为输出滤波电感，可以等效为理想电感和等效直流电阻串联；105为输出滤波电容，可以等效由理想电容和等效串联电阻构成；106和107为设置输出电压的分压电阻，106通常称之为上分压电阻、107为下分压电阻；108～112与PWM控制器内部的误差放大器构成补偿回路，可以适当调整补偿回路，得到Type-I、Type-II和Type-III等满足不同要求的控制特性。

图2是在基本电压控制型Buck转换器基础上增加了对输出电压的变化量采集电路，由201、202、203和204、205构成。202和203将电源瞬间变化量耦合到201的同相输入端，经过201的缓冲后由204、205耦合到PWM控制器的反馈端。由于电压变化量没有经过分压电阻而被减小，所以其幅度几乎与输出电压变化量相同，控制回路从而能够以超调的方式快速调节。但是由于电压的变化滞后于负载电流的变化，所以相比于电流控制型电路，速度仍然有待提高。

图3是在基本电压控制型Buck转换器基础上增加了负载电流变化量采集电路，由301～309构成。302和303与输出滤波电感一起构成负载电流采样电路，301和304～307一起将输入差分信号转换为单端信号，其中307用于滤除PWM信号引起的干扰。301的输出通过308和309耦合到PWM控制器的反馈端。当负载电流恒定或者变化非常小的时候，由于308的隔直作用，PWM控制器的反馈端只受输出电压控制，就是标准的基本电压控制型Buck转换器；但是当负载电流有较大变化时，301输出的变化量通过308和309直接驱使PWM控制回路立即响应，电路瞬间的表现就像电流型Buck控制器那样。

图4是在基本两相电压控制型Buck转换器基础上增加了负载电流变化量采集电路，由411～413和419～423构成。411、412和413与输出滤波电感一起构成负载电流采样电路，419～423将输入差分信号转换为单端信号。419的输出通过424和425耦合到PWM控制器的反馈端。当负载电流恒定或者变化非常小的时候，由于424的隔直作用，PWM控制器的反馈端只受输出电压控制，就是标准的两相电压控制型Buck转换器；但是当负载电流有较大变化时，419输出的变化量通过414和425直接驱使PWM控制回路立即响应，电路瞬间的表现就像电流型Buck控制器那样。这个电路容易扩展到更多相位的应用，只要针对每相增加一个与411、412功能一致的采样电阻即可。

图5是在基本隔离正激变换器基础上增加了负载电流变化量采集电路，正激变换器转换器由501～517构成，负载电流变化量采集电路由518～526构成。其中518、519与输出滤波电感一起构成负载电流采样电路，520～524将输入差分信号转换为单端信号。522的输出通过525和526耦合到PWM控制器的反馈端。当负载电流恒定或者变化非常小的时候，由于525的隔直作用，PWM控制器的反馈端只受输出电压控制，就是标准的负载电流变化量采集电路；但是当负载电流有较大变化时，522输出的变化量通过524和525直接驱使PWM控制回路立即响应，电路瞬间的表现就像电流型Buck控制器那样。这个电路容易扩展到其它如半桥、全桥等应用。

图6是在图3基础上将电流采样元件改变为采样电阻601。负载电流变化量采集电路由301、304～309构成。除了负载电流采样电路由601完成外，其余部分的工作原理参见图3的描述。

Claims

1.动态负载快速响应电路，

a)包含电流采样、信号处理和信号注入电路；

b)电流采样电路使用并联在输出滤波电感两端的电阻和电容串联网络构成无损采样；

c)电流采样电路使用串联在输出电路中的采样电阻构成有损采样；

d)信号处理电路放大电流采样信号并对与开关频率相关的信号进行抑制；

e)注入电路将信号处理电路的输出瞬间变化量耦合到PWM控制器中负反馈输入端，强制PWM发生器对瞬间变化的负载快速响应。

f)适用于多相BUCK电路。

g)很容易扩展到其它Buck类电路，包括正激、半桥和全桥等电路。

2.根据动态负载快速响应电路权利1所述的使用并联在输出滤波电感两端的电阻和电容串联网络构成无损电流采样电路，串联电容的另一端连接到输出电压Vout端。

3.根据动态负载快速响应电路权利1所述的使用并联在输出滤波电感两端的电阻和电容串联网络构成无损电流采样电路，串联电容两端的电压信号正比于输出电流。

4.根据动态负载快速响应电路权利1所述的使用并联在输出滤波电感两端的电阻和电容串联网络构成无损电流采样电路，当电阻值和电容值的乘积等于输出滤波电感量除以其直流电阻值时，电容两端的电压信号将不包含与开关频率相关交流分量。但由于批量制造误差的原因，实际状态中无法满足这一条件，因此电容两端的电压值将一定会包含与开关频率相关信号。

5.根据动态负载快速响应电路权利1所述的使用串联在输出电路中的采样电阻构成电流采样电路，采样电阻位于输出滤波电感与输出电容之间。

6.根据动态负载快速响应电路权利1所述的信号处理电路的运放反相端通过电阻连接到采样电阻和电容相连的一端；同相端通过电阻连接到采样电容靠近Vout的一端；一个电阻和电容的构成并联网络连接在运放电路的输出端和反相端之间。

7.根据动态负载快速响应电路权利6所述的信号处理电路，并联在运放电路的输出端和反相端之间的电容衰减了电流采样电路输出中所包含的与开关频率相关的信号。

8.根据动态负载快速响应电路权利6所述的信号处理电路，并联在运放电路的输出端和反相端之间的电阻和连接在运放反相端的电阻决定了信号处理电路的直流增益。

9.根据动态负载快速响应电路权利6所述的信号处理电路的输出在当输出电流增大时，其输出减小；而当输出电流减小时，输出增加。

10.根据动态负载快速响应电路权利1所述的信号注入电路有电阻和电容串联网络构成。

11.根据动态负载快速响应电路权利10所述的信号注入电路电容将信号处理电路的直流分量进行隔离，从而不会影响模块的稳态工作。

12.根据动态负载快速响应电路权利10所述的信号注入电路电阻电压采样电路的下分压电阻一起决定了在负载动态调整时注入到PWM负反馈端的信号幅度。

13.根据动态负载快速响应电路权利1所述的电路，当负载电流变化时，PWM负反馈输入端得到一个被强化的、与负载电流变化方向相反的瞬变信号，从而迫使PWM控制器提高响应速度。

14.根据动态负载快速响应电路权利1所述的电路，这个电路适用于多相Buck电路。

15.根据动态负载快速响应电路权利14所述的电路，在多相Buck电路中应用时，电流采样电路由一个采样电容和多个采样电阻构成。其中采样电容一端连接到输出电压端、采样电容的另一端与所有采样的电阻一端相连接，每一相的采样电阻另一端连接到每一相电感电压变化端。

16.根据动态负载快速响应电路权利14所述的电路，采样电容两端将得到所有滤波电感电流的平均值，交流分量的频率是单相工作频率乘以相数N。

17.根据动态负载快速响应电路权利1和14所述，信号处理和信号注入电路工作原理在多相Buck电路中与单相时一样。

18.根据动态负载快速响应电路权利1所述的电路，在所有Buck类电路中可以采用同样的电流采样电路、信号处理和信号注入电路，达到动态负载快速相应的目的。