CN104821718A - 基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路及其控制方法，本发明采用输入电压前馈的控制方式，将与输入电压成正比例的输入电压采样信号与三角波信号进行叠加，再与误差放大信号进行比较，以得到用于关断主功率开关管的关断信号，正常工作时，误差放大信号与第一三角波信号的峰值基本相等，因此输入电压的波动对输出电压影响较小，提高了系统的动态响应，同时降低了输出电压动态波动幅值。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路及其控制方法。
背景技术
在Boost型电路中，一般包括功率级电路和控制电路，所述的控制电路控制功率级电路主功率开关管的开关状态，以调节输出电压，输出电压高于输入电压。控制电路需要根据输出电压的变化，反馈控制主功率开关管的开关状态。
如图1所示，为现有技术的输出电压控制模式，即采样输出电压，并将其与参考信号进行误差放大处理，得到误差放大信号VE，将误差放大信号VE与三角波信号进行比较，从而得到控制功率级电路主功率开关管的占空比信号。其缺点是对输入电压的变化动态响应较慢，当输入电压突变时，由于电路中较大的输出电容和电感的延时作用，输出电压变化本身需要延时滞后，而其改变的信息还要通过电压误差电路延时滞后，才能形成控制信号，进行输出电压的调节。
如图2所示，为一种输入电压前馈的控制模式，将输入电压取样后与已有的三角波信号相加，该信号再和输出电压误差放大信号VE(由输出电压与参考信号误差放大处理得到)进行比较，当该信号大于误差放大信号时，比较器输出为高电平，相应的后端RS触发器输出为低电平，即关断控制信号，当时钟周期再次到来时，RS触发器输出为高电平，从而产生电路所需的控制信号。这种方案所采用的输入电压前馈技术能够提高系统的动态响应，当输入电压跳变时，闭环系统能够较快地响应调节，但动态波动幅值较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于输入电压前馈控制的Boost型电路及其控制方法，用以解决现有技术存在的动态响应慢、动态波动幅值较大的技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的基于输入电压前馈控制的Boost型电路，包括功率级电路和控制电路，所述的功率级电路包括主功率开关管，所述的控制电路控制功率级电路主功率开关管的开关状态，以使功率级电路输出高于输入电压的输出电压；
所述的控制电路包括输出电压反馈电路和三角波产生电路，所述的输出电压反馈电路采样功率级电路的输出电压并与参考信号进行误差放大处理，得到误差放大信号；所述的三角波产生电路产生第一三角波信号，采样输入电压得到与输入电压成正比例的输入电压采样信号，将第一三角波信号与输入电压采样信号叠加后得到第二三角波信号；
所述的控制电路接收脉冲信号用于开通主功率开关管；所述的误差放大信号与第二三角波信号进行比较，得到用于关断主功率开关管的关断信号。
优选地，正常工作时，误差放大信号与第一三角波信号的峰值基本相等，以降低输出电压动态波动幅值。
优选地，所述的三角波产生电路包括第一开关以及相互并联的第一电流源和第一电容，所述第一开关的两端分别连接在第一电容的两端，以对第一电容放电；在一个开关周期内，主功率开关管开始导通时刻，第一开关瞬时导通对第一电容放电，再由第一电流源对第一电容充电，直至第一三角波信号达到峰值。
优选地，当误差放大信号与第一三角波信号的峰值基本相等时，二者达到期望值，则第一电流源的大小等于第一电容的容值与期望值之积除以主功率开关管的开关周期。
本发明另一技术解决方案是，提供另一种以下结构的基于输入电压前馈控制的Boost型电路的控制方法，所述的Boost型电路包括功率级电路和控制电路，所述的功率级电路包括主功率开关管，所述的控制电路控制功率级电路主功率开关管的开关状态，以使功率级电路输出高于输入电压的输出电压；
采样功率级电路的输出电压并与参考信号进行误差放大处理，得到误差放大信号；
产生第一三角波信号，采样输入电压得到与输入电压成正比例的输入电压采样信号，将第一三角波信号与输入电压采样信号叠加后得到第二三角波信号；
所述的误差放大信号与第二三角波信号进行比较，得到用于关断主功率开关管的关断信号；当误差放大信号小于第二三角波信号期间，主功率开关管处于关断状态。
优选地，正常工作时，误差放大信号与第一三角波信号的峰值基本相等，以降低输出电压动态波动幅值。
采用本发明的电路结构，与现有技术相比，具有以下优点：本发明采用输入电压前馈的控制方式，将与输入电压成正比例的输入电压采样信号与三角波信号进行叠加，再与误差放大信号进行比较，以得到用于关断主功率开关管的关断信号，正常工作时，误差放大信号与第一三角波信号的峰值基本相等，因此输入电压的波动对输出电压影响较小，提高了系统的动态响应，同时降低了输出电压动态波动幅值。
附图说明
图1为现有技术输出电压反馈控制的工作波形图；
图2为现有技术输入电压前馈控制的工作波形图；
图3为本发明基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路的电路结构图；
图4为图3相应的工作波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参考图1所示，示意了现有技术输出电压反馈控制的工作波形，图中示意了两个开关周期，VE为输出电压与相应的参考信号进行误差处理后得到了误差放大信号；将误差放大信号VE与三角波信号VR比较产生相应的PWM信号，用于控制主功率开关管的通断。以第一个开关周期为参照，误差放大信号发生变化，并进行输出电压反馈，使得第二个开关周期的占空比相对于第一个开关周期变化，开关周期的时间不变。D1为第一个开关周期的占空比，D2为第二个开关周期的占空比，TS为整个开关周期的时间。
正如背景技术所述，以上现有技术的输出电压反馈，由于电路中较大的输出电容和电感的延时作用，输出电压变化本身需要延时滞后，因此动态响应较慢。
参考图2所示，示意了现有技术输入电压前馈控制的工作波形，图中示意了两个开关周期，VE为输出电压与相应的参考信号进行误差处理后得到了误差放大信号；VR为三角波信号，采样输入电压并将其与三角波信号VR叠加后，再与误差放大信号VE比较产生相应的PWM信号，用于控制主功率开关管的通断。
由于在三角波信号上叠加了输入电压的采样信号，在输入电压变化时，以第一个开关周期为参照，使得第二个开关周期的占空比相对于第一个开关周期变化，开关周期的时间不变。D1为第一个开关周期的占空比，D2为第二个开关周期的占空比，TS为整个开关周期的时间。该现有技术虽然能在输入电压跳变时吗，能够较快地响应调节，但动态波动幅值较大。
参考图3所示，示意了本发明基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路的电路结构，包括功率级电路和控制电路，所述的功率级电路包括主功率开关管M、电感L和续流二极管D，所述的控制电路控制功率级电路主功率开关管M的开关状态，以使功率级电路输出高于输入电压Vin的输出电压Vout。
所述的控制电路包括一个RS触发器，在RS触发器的置位端(S端)接收脉冲信号VP用于开通主功率开关管M；所述的控制电路还包括包括输出电压反馈电路和三角波产生电路，所述的输出电压反馈电路采样(通过由R1和R2组成的分压电路实现)功率级电路的输出电压Vout并与参考信号Vref进行误差放大处理，即分别输入误差放大器A的两个输入端，由误差放大器A输出误差放大信号VE。
所述的三角波产生电路产生第一三角波信号VR1，采样输入电压Vin(通过采样电路进行采样)得到与输入电压Vin成正比例的输入电压采样信号KVin，将第一三角波信号VR1与输入电压采样信号KVin叠加后得到第二三角波信号VR2；
所述的误差放大信号VE与第二三角波信号VR2进行比较(通过比较器COMP实现)，得到用于关断主功率开关管的关断信号VC(由比较器COMP输出)，关断信号VC输入RS触发器的复位端(R端)；当误差放大信号VE小于第二三角波VR2信号期间，主功率开关管M处于关断状态。
脉冲信号VP和关断信号VC分别输入RS触发器，RS触发器对其进行逻辑改造后输出PWM信号Vg至主功率开关管M的控制端。
所述的三角波产生电路包括第一开关Q1以及相互并联的第一电流源I1和第一电容C1，所述第一开关Q1的两端分别连接在第一电容C1的两端，以对第一电容C1放电；在一个开关周期内，主功率开关管M开始导通时刻，第一开关Q1瞬时导通对第一电容C1放电，再由第一电流源I1对第一电容C1充电，直至第一三角波信号VR1达到峰值。
所述的第一开关Q1控制信号由脉冲采样电路对Vg进行脉冲采样，即采样PWM信号Vg的上升沿，得到第一开关Q1的控制信号的脉宽较窄，用于瞬时导通并对第一电容C1放电。
正常工作时，误差放大信号与第一三角波信号的峰值基本相等，以降低输出电压动态波动幅值。在连续工作模式下，Boost型电路输出电压Vout与输入电压Vin之间的关系为Vout＝Vin/(1-D)。在输入电压跳变时，要使输出电压不变，需满足Vin正比于1-D这样的条件。本发明中，由于在第一三角波信号VR1上叠加了一个与输入电压成正比的输入电压采样信号KVin，其比例系数为K。
参考图4所示，示意了图3中Boost型电路相应的工作波形图。在正常工作时，设VE的值保持在V1，第一三角波信号的峰值Vh也设置在V1，所述的峰值是指三角波的最高点和最低点之差，第二三角波信号的峰值也为V1，则占空比与Vin输入电压的关系为D＝(V1-KVin)/V1。在本发明输入电压前馈方式下，输出电压Vout与输入电压Vin的关系为Vout＝V1/K，也就是说，输出电压Vout只与输入电压Vin的采样系数K相关，而与输入电压Vin之间无直接的关联。即保持三角波信号的峰值Vh与误差放大信号VE相等，就能实现输出电压Vout与输入电压Vin无关(由于实践中难以做到精确相等，故严格意义上说是减小了输出电压与输入电压的关联度)，在输入电压跳变时输出电压Vout保持基本不变，因此能将输出电压动态波动幅值控制在很小的范围内。
对于上述就似乎方案，举例说明如下：
假设Vin＝12V，Vout＝60V，D＝1-Vin/Vout＝0.8，取K＝0.02，则KVin＝0.24V，D＝(V1-KVin)/V1，则V1＝VE＝Vh＝KVin/(1-D)＝1.2V，设定开关频率Fs＝500kHz，开关周期Ts＝2uS，则三角波信号的斜率k1＝Vh/Ts＝V1/Ts＝1.2/2×10-6＝0.6×106取C1＝400pF，则电流源I1＝C1×V1/Ts＝C1×k1＝C1×KVin/(1-D)Ts＝C1×KVin/(1-D)Ts＝Vout×(C1×K/Ts)＝Vout×K’＝240×10-6A，K’＝C1×K/Ts；I1可通过输出电压以及元件参数(得到比例K’)控制调节实现，这种控制方法可以同时实现输出负载变化快速响应，而不至于波动幅值过大。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路，包括功率级电路和控制电路，所述的功率级电路包括主功率开关管，所述的控制电路控制功率级电路主功率开关管的开关状态，以使功率级电路输出高于输入电压的输出电压；
其特征在于：所述的控制电路包括输出电压反馈电路和三角波产生电路，所述的输出电压反馈电路采样功率级电路的输出电压并与参考信号进行误差放大处理，得到误差放大信号；所述的三角波产生电路产生第一三角波信号，采样输入电压得到与输入电压成正比例的输入电压采样信号，将第一三角波信号与输入电压采样信号叠加后得到第二三角波信号；
所述的控制电路接收脉冲信号用于开通主功率开关管；所述的误差放大信号与第二三角波信号进行比较，得到用于关断主功率开关管的关断信号。
2.根据权利要求1所述的基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路，其特征在于：正常工作时，误差放大信号与第一三角波信号的峰值基本相等，以降低输出电压动态波动幅值。
3.根据权利要求2所述的基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路，其特征在于：所述的三角波产生电路包括第一开关以及相互并联的第一电流源和第一电容，所述第一开关的两端分别连接在第一电容的两端，以对第一电容放电；在一个开关周期内，主功率开关管开始导通时刻，第一开关瞬时导通对第一电容放电，再由第一电流源对第一电容充电，直至第一三角波信号达到峰值。
4.根据权利要求2或3所述的基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路，其特征在于：当误差放大信号与第一三角波信号的峰值基本相等时，二者达到期望值，则第一电流源的大小等于第一电容的容值与期望值之积除以主功率开关管的开关周期。
5.一种基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路的控制方法，其特征在于：所述的Boost升压型电路包括功率级电路和控制电路，所述的功率级电路包括主功率开关管，所述的控制电路控制功率级电路主功率开关管的开关状态，以使功率级电路输出高于输入电压的输出电压；
采样功率级电路的输出电压并与参考信号进行误差放大处理，得到误差放大信号；
产生第一三角波信号，采样输入电压得到与输入电压成正比例的输入电压采样信号，将第一三角波信号与输入电压采样信号叠加后得到第二三角波信号；
所述的误差放大信号与第二三角波信号进行比较，得到用于关断主功率开关管的关断信号；当误差放大信号小于第二三角波信号期间，主功率开关管处于关断状态。
6.根据权利要求5所述的基于输入电压前馈控制的Boost升压型电路的控制方法，其特征在于：正常工作时，误差放大信号与第一三角波信号的峰值基本相等，以降低输出电压动态波动幅值。
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