CN105119492B - 一种提高开关电源输出响应速度的方法及控制单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高开关电源输出响应速度的方法，采用数字控制方式，采样输出端电压和电感电流，估算输出端电容电流，利用负载电流与输出端电感电流、电容电流的关系得到负载电流，并将得到的负载电流作为电流环输入。本发明减小了开关电源输出电容电流对电流环影响，提高输出电压响应速度，适用于多种工作模式（CV、CC）采样电感电流的开关电源，抗噪声能力强，在提高电压响应速度同时仍能够保证精度。

Description

一种提高开关电源输出响应速度的方法及控制单元

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，具体涉及一种提高输出响应速度的方法及相应的控制单元。

背景技术

传统大功率开关电源一般使用模拟电路实现，采用运放补偿电路实现CV(电压模式)、CC(电流模式)。电流采样通常为电感电流，利用电感电流不能突变，近似把电感电流作为一个恒流源，从而使二阶系统变为一阶，使其更容易控制。然而这种电流采样方式存在一个问题，因为电感电流等于负载电流加输出电容电流，而输出电容电流与其电压对时间的变化率成比例，当输出电压变化时，电容电流的变化远大于负载电流，这导致总的采样电流远大电流环设定电流，而误触发电流环，以恒流方式给输出电容充电，直到输出电压建立或者退出电流环。当CC电流设定很小，就意味着需要很长时间才能达到设定电压。也就是说传统方案输出电压的建立时间受限于设定电流。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提高开关电源输出响应速度。

为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种提高开关电源输出响应速度的方法，其特征在于采用数字控制方式，采样输出电压和输出电感电流，估算输出电容电流，利用负载电流与输出电感电流和输出电容电流的关系得到负载电流，并将得到的负载电流作为电流环输入，所述输出电容电流利用如下方法进行估算：

根据输出电容电流和输出电压关系，其连续系统微分方程为：

ICo(t)＝Co×dVo(t)/dt

将微分方程转换为离散差分方程，得

ICo(K)≈Co×(Vo(K)–Vo(K-1))/T (1)

其中，ICo(t)为输出电容电流瞬时值，Co为输出电容，Vo(t)为输出电压瞬时值，ICo(K)为当前周期输出电容电流，Vo(K)为当前周期采样电压，Vo(K-1)为上一个周期采样电压，T为采样周期。

优选地，将估算的输出电容电流输入一低通滤波器，利用公式IL＝Ic+Io计算负载电流，其中IL表示输出电感电流，Ic表示滤波后的输出电容电流，Io表示负载电流。

优选地，将估算的当前周期输出电容电流与一阈值进行比较，如果大于该设定阈值则估算有效，否则无效。

本发明还公开一种开关电源的控制单元，包括

一第一比较器，用于输出端电压与设定电压值的比较；

一第一误差控制器，输入第一比较器的比较结果，实现电压误差控制，输出第一误差信号；

一第二比较器，用于负载电流与设定电流值的比较；

一第二误差控制器，输入第二比较器的比较结果，实现电流误差控制，输出第二误差信号；

一误差信号选择单元，输入第一、第二误差信号，取两者中较小值输出；

一PWM单元，输入误差信号选择单元的输出结果，产生PWM驱动信号；

其特征在于还包括

一电容电流估算单元，输入一电流阈值及采样的输出端电压，估算并输出有效的电容电流；

一减法器，用采样的输出端电感电流减去有效的电容电流，输出负载电流。

本发明利用数字控制技术，通过对输出电容电流的估算，利用负载电流与输出电感电流和输出电容电流的关系得到负载电流，并将其作为电流环输入，减小了开关电源输出电容电流对电流环影响，提高输出电压响应速度，适用于多种工作模式(CV、CC)采样电感电流的开关电源。

在本发明一具体实施例中，估算的输出电容电流需与一设定阈值进行比较，满足一定条件后输出到低通滤波器进行滤波后得到有效的电容电流值，使电容电流估算只响应大于一定门槛的电流，从而解决采样扰动、计算误差对输出电流精度的影响，避免电容电流误触发电流环工作，抗噪声能力强，在提高电压响应速度同时仍能够保证精度。

附图说明

图1开关电源控制原理图

图2为图1中数字控制部分的原理框图

图3是电容电流估算原理框图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。

如图1所示为开关电源控制原理图，采样的输出端电压及电感电流输入数字控制单元，生成驱动开关管的PWM信号。

图2为图1中数字控制部分的原理框图。

数字控制单元包括：

第一比较器1，用于输出端电压与设定电压值的比较；

第一误差控制器2，输入第一比较器1的比较结果，实现电压误差控制，输出第一误差信号；

第二比较器3，用于负载电流与设定电流值的比较；

第二误差控制器4，输入第二比较器3的比较结果，实现电流误差控制，输出第二误差信号；

误差信号选择单元5，输入第一、第二误差信号，取两者中较小值输出；

PWM单元6，输入误差信号选择单元5的输出结果，产生PWM驱动信号；

电容电流估算单元7输入一电流阈值及采样的输出端电压，估算并输出有效的电容电流；

减法器8，用采样的输出端电感电流减去有效的电容电流，输出负载电流。

本发明提高开关电源输出响应速度方法是，采用数字控制方式，采样输出端电压Vo和电感电流IL，估算输出端电容电流Ic，利用负载电流Io与输出端电感电流IL、电容电流Ic的关系得到负载电流，并将得到的负载电流Ic作为电流环输入，从而减小输出电容电流对电流环影响，提高输出电压响应速度。

电容电流利用如下方法进行估算：

根据输出端电容电流和电压关系，其连续系统微分方程为：

ICo(t)＝Co×dVo(t)/dt

将微分方程转换为离散差分方程，得

ICo(K)≈Co×(Vo(K)–Vo(K-1))/T (1)

其中，ICo(t)为电容电流瞬时值，Co为输出端电容，Vo(t)为输出端电压瞬时值，ICo(K)为当前周期输出端电容电流，Vo(K)为当前周期采样的输出端电压，Vo(K-1)为上一个周期采样的输出端电压，T为采样周期。

如图3，电容电流估算单元包括：

电容电流计算单元71，输入采样的输出端电压，根据输出端电容电流和电压关系估算输出端电容电流；

第三比较器72，用于估算的输出端电容电流与电流阈值的比较，当大于电流阈值时输出估算的电容电流，否则输出0；

低通滤波器73，输入第三比较器72的比较结果，滤波后输出有效的电容电流。

经公式(1)后得到电容电流的估算值Ic1，Ic1与一电流阈值Ith输入第三比较器72进行比较，如果Ic1＞Ith，则Ic2＝Ic1,否则Ic2＝0，使电容电流估算只响应大于一定门槛的电流，从而解决采样扰动、计算误差对输出电流精度的影响。Ic2经过低通滤波器73，使其频域特性与采样IL信号一致，然后直接根据IL＝Ic+Io计算出负载电流Io，并把计算出来的Io作为电流环输入，从而减小输出电容电流对电流环影响，提高输出电压响应速度。

Claims (3)

1.一种提高开关电源输出响应速度的方法，其特征在于采用数字控制方式，采样输出端电压和输出端电感电流，估算输出端电容电流，利用负载电流与输出端电感电流、输出端电容电流的关系得到负载电流，并将得到的负载电流作为电流环输入，所述输出端电容电流利用如下方法进行估算：

根据输出端电容电流和电压关系，其连续系统微分方程为：

ICo(t)＝Co×dVo(t)/dt

将微分方程转换为离散差分方程，得

ICo(K)＝Co×(Vo(K)–Vo(K-1))/T (1)

其中，ICo(t)为输出端电容电流瞬时值，Co为输出端电容值，Vo(t)为输出端电压瞬时值，ICo(K)为当前周期输出端电容电流，Vo(K)为当前周期采样的输出端电压，Vo(K-1)为上一个周期采样的输出端电压，T为采样周期；

将估算的当前周期输出端电容电流与一电流阈值进行比较，如果大于该电流阈值则输出估算的输出端电容电流，否则输出0。

2.如权利要求1所述的提高开关电源输出响应速度的方法，其特征在于将估算的输出端电容电流输入一低通滤波器，使其频域特性与采样的输出端电感电流一致，利用公式IL＝Ic+Io计算负载电流，其中IL表示输出端电感电流，Ic表示滤波后的输出端电容电流，Io表示负载电流。

3.一种开关电源的控制单元，包括

一第一比较器(1)，用于输出端电压与设定电压值的比较；

一第一误差控制器(2)，输入第一比较器的比较结果，实现电压误差控制，输出第一误差信号；

一第二比较器(3)，用于负载电流与设定电流值的比较；

一第二误差控制器(4)，输入第二比较器的比较结果，实现电流误差控制，输出第二误差信号；

一误差信号选择单元(5)，输入第一、第二误差信号，取两者中较小值输出；

一PWM单元(6)，输入误差信号选择单元的输出结果，产生PWM驱动信号；

其特征在于还包括

一输出端电容电流估算单元(7)，输入一电流阈值及采样的输出端电压，估算并输出有效的输出端电容电流；

一减法器(8)，用采样的输出端电感电流减去有效的输出端电容电流，输出负载电流；

所述输出端电容电流估算单元包括：

一输出端电容电流计算单元(71)，输入采样的输出端电压，根据输出端电容电流和输出端电压关系估算输出端电容电流；

一第三比较器(72)，用于估算的输出端电容电流与电流阈值的比较，当大于电流阈值时输出估算的输出端电容电流，否则输出0；

一低通滤波器(73)，输入第三比较器的比较结果，滤波后输出有效的输出端电容电流。