CN105529928A - 应用于dc-dc变换器的电压峰值控制电路 - Google Patents

应用于dc-dc变换器的电压峰值控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于DC-DC变换器的电压峰值控制电路，包括：直流电源、DC-DC斩波电路、滤波电容、RS触发器、时钟模块、驱动模块、比较器、分压模块；该电路为一种闭环控制方案，通过检测输出电压，将输出电压和给定参考进行比较，并采用RS触发器控制DC-DC斩波电路中开关管的通断，实现电压峰值的控制。本发明的电压峰值控制电路结构简单明了，控制方便，较PID控制而言，不需要繁琐的参数计算过程；且电压动态特性好，响应速度快，调整时间短；此外还具有过电压保护功能。

Description

应用于DC-DC变换器的电压峰值控制电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种电压峰值控制电路，尤其涉及一种应用于DC-DC变换器的电压峰值控制电路。
背景技术
直流—直流变换器(简称DC-DC变换器)是一种电压等级的直流电转变为其它电压等级的直流电的电力电子电路拓扑。直流电源有着极为广泛的应用市场和应用领域。目前的DC-DC变换器主要有以下几种主要拓扑：Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同；Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同；Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反；Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反；还有Sepic、Zeta电路。上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。对于目前各种各样的DC-DC变换器，基本都是由以上拓扑组合或演变而来。
在DC-DC变换器的控制中，如果采用简单的开环控制，将存在输出精度低，调整时间长，动态响应慢等问题，因此必须采用闭环反馈控制，闭环控制的方式目前主要有电压反馈PID控制，滞环控制，电流峰值控制等方式。电压反馈PID控制需要对变换器进行精确建模，而且设计合理最优的PID参数较为繁琐；滞环控制主要是利用电路中的电压或电流跟踪一个给定的电压电流滞环范围，开关管的频率不固定，受负载的影响比较大，滤波器设计困难，电磁干扰问题比较严重；电流峰值控制具备一定的限流保护功能，提高了可靠性，但是电流峰值控制对电路噪声十分敏感，而且没有直接控制输出电压，所以输出电压的动态特性不好。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种电压峰值控制策略，应用于DC-DC变换器的反馈控制。
本发明应用于DC-DC变换器的电压峰值控制电路，包括：直流电源、DC-DC斩波电路、滤波电容、RS触发器、时钟模块、驱动模块、比较器、分压模块；直流电源为DC-DC斩波电路供电，DC-DC斩波电路的接地端与滤波电容的一端、负载的一端相连并接地，DC-DC斩波电路的PWM输出端与滤波电容的另一端、负载的另一端以及分压模块输入端相连，分压模块的输出端连接比较器的信号输入端，比较器的输出端及时钟模块的输出端分别连接RS触发器的两个输入端，RS触发器的输出端与驱动模块输入端相连，驱动模块用于驱动DC-DC斩波电路中的开关器件。
此外，在分压模块输出端与比较器的信号输入端之间还可以设有用于向比较器中加入锯齿波的模拟电路或数字电路，模拟电路可采用运放电路实现，数字电路可采用DSP实现。
本发明的有益效果是：
1)本发明的电压峰值控制电路结构简单明了，控制方便，较PID控制而言，不需要繁琐的参数计算过程；
2)电压动态特性好，因为电压峰值控制是关于电压的直接反馈比较，因此不需要借助电流，实现了电压的直接控制，响应速度快，调整时间短；
3)具有过电压保护功能，因为电压峰值控制是检测输出电压来实现控制，因此具有过电压保护功能。
附图说明
图1为一种应用于DC-DC变换器的电压峰值控制电路图；
图2为以buck电路为例的电压峰值控制电路图；
图3为电压峰值控制下电容电压波形图；
图4为存在扰动时的电容电压波形图；
图5为加入锯齿波补偿的电压峰值控制框图；
图6为加入锯齿波补偿的电压峰值控制电容电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1为应用于DC-DC斩波电路的电压峰值控制电路的示意图，以Buck斩波电路为例，应用于Buck电路的电压峰值控制电路，如图2所示，包括1个直流电源DC，1个自带反并联二极管的MOSFET开关管Q1，1个二极管VD1，1个电感L，1个电容C，还有负载电阻R，构成主功率电路；以及1个比例环节(一般可由电阻分压得到，即分压模块)，一个比较器，一个RS触发器，一个时钟模块，一个驱动模块，构成电压峰值控制回路。主功率电路Buck实现降压的功能，而且连续工作(CCM)模式稳态下输入输出电压关系为：
V o u t V i n = D
其中Vout表示CCM模式稳态工作时负载电阻上的电压，Vin表示输入直流电源DC的电压，D表示占空比。
加入电压峰值控制以后，输出电压v(t)经过比例环节变成一个反馈信号Vb，该信号和输出电压成比例，将该信号与设定的参考电压Vref进行比较，比较器输出只有高电平和低电平两种状态，当Vb大于Vref时，比较器输出高电平；当Vb小于Vref时，比较器输出低电平。这种比较如果是模拟芯片实现的话，可以做到实时采样比较，如果是数字芯片实现，可以通过设置采样频率来设置它的比较速度。比较器的输出给RS触发器的复位端R作为输入，并向RS触发器的置位端S输入一个时钟信号，这个信号每隔时间Ts就高电平触发一下，将触发器置位，Q输出高电平，经过驱动将MOSFET开关管Q1导通，则Buck电路进入充电模式，电感电流上升，电容电压上升。当上升到使得Vb大于Vref时，比较器输出高电平，RS触发器复位，Q端输出低电平，经过驱动将MOSFET关断，则Buck电路进入续流模式，电容电压下降，直到下一个周期时钟脉冲触发导通MOSFET。从而实现电压的最大值不超过设定的Vref，在Vref以下有小的波动，该波动大小和电感、电容大小有关。即实现了电压峰值控制。
如图3所示，为控制电容电压波形图，当时间为0时，时钟脉冲触发RS触发器的置位端，电容电压开始上升，而且根据电容特性方程知道，电感电流与电容电压满足：
i L ( t ) = C d v ( t ) d t + v ( t ) R
其中iL(t)表示电感电流，v(t)表示电容电压即输出电压，C为电容值，R为负载电阻值。
当MOSFET导通时候，电感充磁，电流上升，电容充电，电压上升。电容充电电压的上升率k1满足：
k 1 = d v ( t ) d t = i L ( t ) C - v ( t ) C R
当MOSFET关断时候，电感放磁，电流下降，电容放电，电压下降。电压的下降率的绝对值k2满足：
k 2 = v ( t ) C R - i L ( t ) C
当参考电压Vref给定以后，电容电压将在0-dTs区间上升，dTs-Ts范围内下降，在dTs时刻电压上升到Vref。在稳定工作下有v(t)＝v(Ts)，如果忽略电容电压波动，则输出电压近似等于Vref。即实现了电压的峰值控制。
如图4所示，表示存在扰动下电容电压在一个周期的始末，扰动量的变化。根据几何关系不难导出0时刻扰动量△Vc(0)和Ts时刻的扰动量△Vc(Ts)的关系为：
| Δ V c ( T s ) Δ V c ( 0 ) | = | k 2 k 1 |
于是一段时间以后如果要使电容电压达到稳态，即v(t)＝v(Ts)。必须要保证小于1，即扰动小量随着时间收敛，这等价于占空比小于0.5。对于DC-DC变化器来说，这就相当于限定了变换器的工作范围。为了解决上述稳态问题，可以在比较器输入端加入锯齿波信号补偿，即：在分压模块输出端与比较器的信号输入端之间加入用于向比较器中注入锯齿波的模拟电路或数字电路。
如图5所示，在Vb中加入了一个斜率为-ma的锯齿波，该锯齿波和经过比例环节的输出电压采样相加，作为新的输入信号Vb。锯齿波的周期为Ts，和时钟周期相同。
加入锯齿波补偿以后的电容电压波形图如图6所示，从该波形图可以看出，在dTs时刻，输出电压变为Vs-ma*dTs。在此补偿下，使得在存在扰动的情况下，根据简单的几何关系不难导出，一个周期始末的扰动分量关系变为：
| Δ V c ( T s ) Δ V c ( 0 ) | = | k 2 - m a k 1 + m a |
这对于扰动的收敛是有好处的，因此可以通过选择补偿锯齿波斜率的大小，实现DC-DC变换器在宽范围占空比下工作。比如当ma＝k2时，这意味着存在扰动的情况下，一个周期就可以回到稳态运行。
本发明的电压峰值控制电路主要有以下优点：控制简单，整个结构简单明了，便于理解，较PID控制而言，不需要繁琐的参数计算过程；电压动态特性好，因为电压峰值控制是关于电压的直接反馈比较，因此不需要借助电流进行控制，实现了电压的直接控制，响应速度快，调整时间短；具有过电压保护功能，因为电压峰值控制是检测输出电压来实现控制，因此具有过电压保护功能，一旦输出电压超过给定参考电压，开关管立马关断，实现了电压保护功能。本专利还分析了在不加锯齿波补偿情况下的稳定占空比范围，并给出了加入锯齿波的补偿结果，对于扰动收敛问题进行了分析。

Claims (2)

1.一种应用于DC-DC变换器的电压峰值控制电路，其特征在于，包括：直流电源、DC-DC斩波电路、滤波电容、RS触发器、时钟模块、驱动模块、比较器、分压模块；直流电源为DC-DC斩波电路供电，DC-DC斩波电路的接地端与滤波电容的一端、负载的一端相连并接地，DC-DC斩波电路的PWM输出端与滤波电容的另一端、负载的另一端以及分压模块输入端相连，分压模块的输出端连接比较器的信号输入端，比较器的输出端及时钟模块的输出端分别连接RS触发器的两个输入端，RS触发器的输出端与驱动模块输入端相连，驱动模块用于驱动DC-DC斩波电路中的开关器件。
2.根据权利要求1所述的应用于DC-DC变换器的电压峰值控制电路，其特征在于，在分压模块输出端与比较器的信号输入端之间还设有用于向比较器中加入锯齿波的模拟电路或数字电路。
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