CN105978344A - 一种提高原边反馈反激电源在ccm下输出恒压稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明在现有原边反馈式反激电源CCM恒压控制的基础上，提供了一种提高原边反馈反激电源在CCM下输出恒压稳定性的方法，该方法结合数字反馈技术，提出了一种带有数字逼近式模式检测策略和自适应参数调整策略的恒压控制。通过引入逼近式模式检测，有效区分DCM与CCM两种模式，提高不同模式下采样的稳定性；通过自适应调整参考电压和PI参数，大负载变化时，充分利用目前CCM稳态恒压的优势，阶梯式修正CCM采样误差，消除了CCM参考电压硬调节所造成的恒压不稳定。本发明能够让PSR反激电源在大功率全负载范围内满足恒压精度为±1％，并实现大功率CCM应用的稳定负载调整，进一步扩大了原边反馈反激式开关电源的普适性。

Description

一种提高原边反馈反激电源在CCM下输出恒压稳定性的方法

技术领域

本发明属于隔离式开关电源变换器技术领域，特别涉及一种提高原边反馈反激电源在CCM(电流连续模式)下输出恒压稳定性的方法。

背景技术

近年来，随着互联移动电子设备的更新进步，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。电源作为各种电子设备必备的组成部分，直接影响到电子设备的技术性能指标和工作的可靠性。电子产品以及其充电适配器的的高功率、小型化、便携性要求成为了行业关注点。产业的带动存在相互性，共通性。目前，电池产业的科技进步、新材料的使用让现有电源适配器的需求和目标逐步扩展到大功率快速充电的范围。在众多电源拓扑中，反激式变换器的电路结构简单、成本低廉。近些年来，结合原边反馈控制(PSR)技术，十分满足小型化需求。扩展到大功率应用中，反激结构为避免电流应力，提高变压器效率，多采用带电流连续模式(CCM)的电流模反馈控制。但是反激结构工作在CCM，利用原边反馈很难得到输出电压的精确信息。并且CCM的电流模反馈控制容易产生次谐波振荡，影响恒压稳定性。因此需要优化PSR反激电源CCM采样策略和反馈控制方式，提高恒压稳定性。

目前比较主流的CCM恒压策略是采用CCM中间歇插入电流断续模式(DCM)，利用原边辅助绕组在DCM的拐点信息，对CCM下的参考电压进行调整补偿，实现CCM下的高精度恒压。

参看图1，所示为现有技术中一种带CCM参考电压调整的原边反馈反激式变换器的电路图。所述的开关电源主要通过原边反馈控制电路101输出的duty占空比信号去控制开关电源主开关MOS管来实现恒压输出。具体的，通过原边辅助绕组处采样电阻分压，得到采样波形Vsense，经过102得到DCM工作的拐点电压值或者CCM工作的某个固定点电压值。当前状态由103进行粗略判断。再由104结合当前的状态Mode以及采样的电压值Vc，去判断是否进行参考电压调整并在CCM工作时进行调整，最终由105利用电流采样Isense进行电流模反馈调节，输出驱动信号duty，来实现恒压输出Vo的目的。

由以上描述可知，现有的带CCM参考电压调整的恒压控制电路框架为101，其中包括：原边反馈采样电路102，模式选择电路103，参考电压调整电路104和电流模反馈电路105。

然而，在实际运用中，该电路结构的输出恒压稳定性是不理想的。一方面，轻载DCM工作和重载CCM工作中间歇插入DCM，两种情况采样策略迥然不同。而该电路对DCM与CCM的模式并没有进行有效区分，这将影响采样的稳定性。另一方面，目前针对CCM的参考电压调整方案不够成熟。负载突变时，参考电压调节过大，容易造成PI补偿漂移，产生CCM次谐波振荡，大大影响CCM恒压稳定性。

发明内容

针对现有原边反馈反激式电源CCM恒压策略的缺陷，结合数字控制易补偿的优势，本发明提供了一种提高原边反馈反激电源在CCM下输出恒压稳定性的方法，该方法利用逼近式模式检测和自适应参数调整，结合DCM与CCM两种不同的采样机制，提高了PSR反激电源在CCM工作以及大负载切换下的恒压稳定性。最终通过仿真和测试，能够实现全负载范围内恒压精度为±1％，保证模式切换纹波小、无次谐波振荡。本发明优化了大功率反激变换器在CCM下恒压稳定性。实现了大功率情况下低成本、结构简单的反激PSR结构的沿用，进一步扩大了原边反馈反激式开关电源的普适性。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种提高原边反馈反激电源在CCM下输出恒压稳定性的方法，基于原边反馈主拓扑结构下反激式电源CCM恒压控制方法，通过对原边辅助绕组进行采样得到过零比较信号Vzvs_comp和反映输出电压信息的Vsense信号进行模式判断，在DCM下利用拐点实现恒压输出，在CCM通过电压偏离误差限进行自适应参考电压调整和PI参数调整，实现恒压输出；

其特征在于：通过引入数字逼近式模式检测，有效区分DCM与CCM两种状态，配合DCM与CCM的采样策略，在CCM中通过间歇插入DCM得到电压偏离误差限，根据电压偏离误差限大小，采用自适应查表的方式，进行参考电压调整和PI参数调整，以消除CCM参考电压硬调节所造成的恒压不稳定；包括逼近式状态检测模块、采样模块、自适应参考电压调整模块和自适应PI调节模块；其中：

逼近式模式检测模块包括峰值电流锁定模块和电流零点检测模块两个部分，逼近式状态检测模块接受原边辅助绕组输出电压信息Vsense和自适应PI调节模块输出的峰值电流限定信号信息Vpeak_PI，在接近临界模式BCM的情况下，参考原边辅助绕组输出电压信息Vsense波形和电流零点检测模块采样到过零比较信号Vzvs_comp波形。通过峰值电流限定信号信息Vpeak_PI的大小调整，使过零比较信号Vzvs_comp接近BCM临界值，利用状态判断锁定临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM，以此作为模式的分界点，区分当前是DCM还是CCM工作，并切换到相应的模式Mode，将该模式信息Mode传递给采样模块，使采样模块能够方便地调整采样策略，将临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM传递给自适应PI调节模块，使自适应PI调节模块能够减缓临界BCM附近的PI变化量，以共同提高模式切换恒压稳定性；

采样模块包括DCM拐点采样模块和CCM定点采样模块两个部分，当接收到逼近式模式检测模块输出的模式信息Mode后，根据工作模式，在DCM下调用DCM拐点采样模块得到拐点电压信息Vknee，在CCM下同时调用DCM拐点采样模块和CCM定点采样模块得到定点电压信息Vc，将拐点电压信息Vknee和定点电压信息Vc分别传递给自适应参考电压调整模块和自适应PI调节模块；

自适应参考电压调整模块包括误差限判断模块和参考电压调整模块两个部分，当接收到采样模块得到的电压信息后，对采样模块在CCM下插入DCM得到的拐点电压信息Vknee进行分析，得到其与理想参考电压Vref的误差限大小，通过误差限判断模块判断出偏离最终参考电压值的误差限大小del_V，根据误差限大小del_V，采用自适应查表的方式，自适应的调整参考电压，以防止参考电压硬调节所产生的瞬时PI参数动荡，从而在电流模反馈控制时引起CCM下的次谐波振荡，自适应参考电压调整模块将误差限大小del_V传递给自适应PI调节模块；

自适应PI调节模块，接收到的信息包括原边峰值电流采样信息Isense、自适应参考电压调整模块输出的误差限信息del_V、采样模块输出的电压信息Vknee和Vc以及逼近式状态检测模块输出的临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM，根据临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM以及误差限信息del_V，通过自适应查表的方式进行PI参数调整，减缓临界PI变化量，实现更精确的临界峰值捕捉，配合反馈通路调节电流模限定值，得到占空比duty信号输出给开关管，控制其通断实现CCM恒压稳定性。

本发明的优点及显著效果：针对现有原边反馈反激式电源CCM恒压策略的缺陷，本发明在现有原边反馈反激式电源CCM恒压控制的基础上结合数字控制易补偿的优势，提供了一种带有数字逼近式模式检测方案的自适应参考电压调整策略，结合DCM与CCM两种不同的采样机制，提高了PSR反激电源在CCM以及DCM与CCM之间模式切换时的恒压稳定性。最终通过仿真和测试，能够实现全负载范围内恒压精度为±1％，保证模式切换纹波小、无次谐波振荡。本发明优化了大功率反激变换器在CCM下恒压稳定性，实现了大功率情况下低成本、结构简单的反激PSR结构的沿用，进一步扩大了原边反馈反激式开关电源的普适性。

附图说明

图1为带CCM参考电压调整的原边反馈反激式变换器的电路图；

图2为本发明反激PSR电源在CCM下提高恒压稳定性的整体控制电路图；

图3为图2中所示恒压控制系统在DCM与CCM切换的处理波形图；

图4为图3中所示模式切换处理策略的控制状态转移图；

图5为图1中所示恒压控制系统在CCM下负载突变出现不稳定的描述波形图；

图6(a)(b)为图2中所示恒压控制系统自适应参考电压调整的策略描述图；

图7为本发明恒压稳定算法的整体流程图；

图8为本发明实施方案在实际测试中不用稳定性方案与使用稳定性方案恒压效果对比图。

具体实施方式

从以下讨论应当注意的是，这里所公开的结构和方法的可替换实施例将容易被识别为在不背离本公开的原则的情况下可能被利用的可行的替换物。

现在将详细参考本公开的若干实施例，其示例在附图中进行图示。注意到，只要可行，可以在图中使用相似或相同附图标记并且其可以指示相似或相同的功能。附图仅出于说明的目的描绘本公开的实施例。本领域技术人员从以下描述将会容易地认识到，并不背离这里所描述实施例的原则的情况下可以采用这里所图示的结构和方法的可替换实施例。

下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1所示为现有主流方案带CCM参考电压调整的原边反馈反激式变换器的电路图。图中给出了恒压策略的基本结构。可以看到，交流信号经过整流器整流和滤波电容滤波后，经过变压器传到副边，开关电源变换器通过原边辅助绕组经过电阻分压得到Vsense，传至反馈控制模块101采集输出信号。环路进入CCM之前，通常工作在PWM(脉冲宽度调制)的DCM情况下，通过模式判断模块103，结合电流采样电阻上得到的原边峰值限定电压信息Isense，能够粗略判断DCM或者CCM工作模式。使用采样模块对Vsense波形的拐点或者某个定点进行采样，得到的电压误差量再传递给参考电压调整模块104，将调整后的参考电压送到反馈调节模块105，输出占空比duty信号，从而z控制开关管的通断，将原边能量传递到副边，实现DCM或CCM下恒压输出Vo的目的。

参看图2，本发明基于原边反馈主拓扑结构下反激式电源CCM下恒压控制方法，包括逼近式状态检测模块、采样模块、自适应参考电压调整模块和自适应PI调节模块；其中：

逼近式状态检测模块，包括峰值电流锁定模块和电流零点检测模块两个部分。在接近临界模式BCM的情况下，通过Vpeak_PI的上下移动，电流零点检测模块采样到过零比较信号Vzvs_comp波形，利用状态转换不断调节峰值电流限定值Vpeak_BCM的大小，使Vzvs_comp到达BCM临界值，锁定峰值电流，判断当前状态Mode是DCM还是CCM，并切换到相应的模式。将模式信息Mode和临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM分别传递给采样模块和自适应PI调节模块。

采样模块，包括DCM拐点采样模块和CCM定点采样模块两个部分。当接收到状态检测模块得到的模式信息Mode后。根据工作模式，在DCM下调用DCM拐点采样模块得到输出电压信息；在CCM下同时调用DCM拐点采样模块和CCM定点采样模块得到输出电压信息。将拐点电压信息Vknee和定点电压信息Vc传递给自适应参考电压调整模块和自适应PI调节模块。

自适应参考电压调整模块，包括误差限判断模块和参考电压调整模块两个部分。当接收到采样模块得到的电压信息后，通过误差限判断偏离最终参考值的误差限大小del_V。根据del_V，采用自适应查表的方式，进行参考电压调整。将误差限大小del_V传递给自适应PI调节模块。

自适应PI调节模块，接收由自适应参考电压调整模块得到的误差限信息del_V、采样模块得到的电压信息Vknee和Vc，以及逼近式状态检测模块得到的临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM，利用del_V通过自适应查表的方式，进行PI参数调整。结合电压信息和峰值电流信息控制占空比duty。最终输出开关管，控制其通断实现恒压效果。

参看图3，与现有具有CCM的恒压方案相比，本发明使用了易补偿的数字PI反馈恒压方案，主要通过对采样得到的原边峰值电流信息Isense和辅助绕组Vsense波形进行零点检测、峰值电流Vpeak_PI移位逼近处理，从而锁定不同输入电压、不同负载情况下，临界模式(BCM)的峰值电流信息。从而有效的区分DCM和CCM两种不同模式，避免了因它们迥然不同采样策略，进行切换时造成的恒压不稳定性。同时本发明结合采样得到的信号去自适应调节参考电压信息，再辅助上自适应PI调节，有效防止CCM次谐波振荡的发生，提高了CCM工作时以及DCM与CCM间模式切换时的恒压稳定性。

本发明对现有具有CCM的恒压方案进行了如下改进：

引入逼近式模式检测模块，通过对Vsense和PI调节模块中的峰值电流限定信号Vpeak_PI加以利用，通过Vpeak_PI的大小调整，参考Vsense波形进行电流零点检测，从而得到临界BCM时峰值电流限定值Vpeak_BCM。最终得到DCM和CCM的模式分界点，有效区分两种模式并方便之后操作。

将模式信息Mode传递给采样模块，方便其调整采样策略。将临界BCM峰值电流限定值Vpeak_BCM传递给自适应PI调节模块，方便进入CCM或者从CCM返回DCM后PI调节。从这两方面共同提高了模式切换恒压稳定性。

引入自适应参考电压调整模块，通过对采样模块在CCM下插入DCM得到的拐点电压信息Vknee进行分析，得到其与理想参考电压Vref的误差限大小，根据误差限去自适应的调整参考电压。防止参考电压硬调节所产生的瞬时PI参数动荡，从而在电流模反馈控制时引起CCM下的次谐波振荡。

引入自适应PI调节模块，根据状态检测模块得到的Vpeak_BCM信息，以及参考电压调整模块的参考电压调整信息del_V，修改PI参数，减缓临界处反馈变化量，实现更精确的临界峰值Vpeak_BCM捕捉。配合反馈通路调节电流模限定值Vpeak_PI，得到占空比duty信号，减缓PI动荡，实现CCM恒压稳定性。

如图3，采样波形Vsense通过过零比较器得到一个方波信号，根据时序可以将信号分成5种不同状态，分别是：输出电流未降到0为状态1，输出电流降到0的四分之一谐振周期内为状态2，输出电流降到0后Vsense低于0的二分之一谐振周期内为状态3，输出电流降到0后Vsense高于0的二分之一谐振周期内为状态4，之后的状态统一为状态5。

当DCM将切换到CCM时，由于控制流峰值限定值Vpeak_PI很低(图中Vpeak_DCM2)，使Vsense初始状态为5。Vpeak_PI升高，Vsense将从状态5进入其他状态。根据Vpeak_PI的限定，可以锁定状态的值，阻碍其进入更低的状态。因此，需要得到临界BCM的峰值电流信息Vpeak_BCM，只需再调整Vpeak_PI的上下位置，通过采样Vsense波形的状态，控制其进入状态2则能实现。

当CCM将切换到DCM时，由于控制流峰值限定值Vpeak_PI很高(图中Vpeak_CCM)，使Vsense初始状态为1。Vpeak_PI下降，Vsense将从状态1进入其他状态。同理，根据Vpeak_PI的限定，可以锁定状态的值。调整Vpeak_PI的上下位置，通过采样Vsense波形的状态，控制其进入状态2则能得到临界BCM的峰值电流信息Vpeak_BCM。

图4是本发明所示模式切换处理策略的控制状态转移图。如图所示，如果是从CCM切换到DCM工作，则初始状态为state1，若是从DCM切换到CCM工作，则初始状态为state5。状态state2则为最终要到达的临界模式BCM，如果电源反馈的能量稳定，则不需要进行峰值电流的上下调整，若在高状态state3，state4，state5时能量不够(Power_weak)，或者在低状态state1时能量过多(Power_over)，则需要峰值电流的上下调整，到达BCM。

在BCM期间，锁定当前峰值电流信息Vpeak_BCM，同时给出状态标志Mode信号，则能配合不同模式的采样策略进行输出采样，并且限定的峰值电流信息可以配合PI调节，实现更加稳定的反馈闭环控制。

图5是现有恒压控制系统在CCM下负载突变出现不稳定的描述波形图。如图所示，峰值电流模控制的环路中，如果从DCM切换到CCM，或者在CCM内部出现大的负载波动，由于参考电压的硬调节，同时叠加上原有PI补偿的峰值限定波动，此时的峰值限定量Vpeak_PI会相较之前的Vpeak_PI’有一个很大的突变。如果不对大的突变进行处理，由CCM电流模控制的双极点不稳定性，会出现如图所示的次谐波振荡的现象。

目前反激PSR的CCM工作，通过修改参考电压的方式实现CCM恒压。原CCM方案常用的斜坡补偿策略消除次谐波振荡的方法，若叠加上参考的漂移，仍然会出现振荡。因此硬调节的方案实际不可行。

图6(a)(b)是本发明所示恒压控制系统自适应参考电压调整的策略描述图。如图6(a)所示，当从极轻载切换到重载CCM时，输入电压有个较大的偏移。进入CCM的第一个采样周期内会得到很大参考电压的误差限。此时通过量化锁定这个较大的误差限，通过查表的方式，去自适应修改参考电压的允许修改量以及PI参数的减小量，将误差限分为几次(图中为3次)执行，去多步减缓恢复最终的参考值。避免了硬调节PI调节过大而产生的振荡。

图6(b)说明了使能自适应修改参考电压和PI参数的条件。CCM下的采样是在N个CCM中插入1个DCM，通过采样DCM拐点配合CCM的某个定点采样来实现的。刚进入CCM时参考调整使能。插入的DCM采样到误差限很大时，先固定一个变化不大的初始参考值，同时关闭参考调整，通过CCM去稳压到此参考值附近。在N-1个CCM周期内通过前后3个CCM定点采样值的稳定性和误差值来判断是否到达第一个参考值附近。具体的，若前后3个采样值的均值误差不大并且之后的采样值在目前参考值附近，则说明已经稳定恒压，使能参考调整。再重复DCM误差限判断，设定新的CCM参考值，逐次逼近准确采样值，使DCM误差限逐渐缩小。最终实现负载切换剧烈时CCM恒压的稳定性。

图7是本发明恒压稳定算法的整体流程图。如图所示，根据当前的状态(DCM或CCM)，采样到的过零比较信号Vzvs_comp波形，以及Vpeak_PI的大小调整，通过状态逼近BCM得到临界状态的限定峰值电流信息Vpeak_BCM。同时判断当前状态Mode是DCM或者CCM。在DCM结合Vsense波形进行拐点采样，在CCM通过间歇插入DCM结合Vsense波形进行拐点采样和定点采样。采样得到的电压信息分开两路传递给自适应PI调节模块。若是DCM工作则直接进行PI反馈补偿。若是CCM则利用插入的DCM拐点信息判断偏离最终参考值的误差限大小。根据误差限大小，采用自适应查表的方式，进行参考电压调整和PI参数调整。最终传递峰值电流限定结合Isense波形通过比较器输出PWM信号给驱动模块产生控制开关管通断的duty信号，实现输出电压的恒压稳定性。

图8是本发明实施方案在实际测试中不用稳定性方案与使用稳定性方案恒压效果对比图。对本发明的理论分析和仿真结果进行了验证，原方案如图8(a)所示，参考电平设计为20V，从轻载0.1A切到满载5A时，由于CCM工作反馈系统不稳定，切换点无法合理区分，出现了次谐波振荡，最终引起长短。图中由于反馈不理想导致约5％左右的恒压误差，同时由于长短波效应，导致电压纹波很大，出现图中偏离参考大约1％波动。稳定性方案如图8(b)所示，轻载0.1A切到满载5A，参考电压调整了3次，每次调整的量不大，但调整后都能稳定。经过3个稳定态，最终在3ms左右到达标准参考电平左右。相比之前的方案，基本消除了纹波的抖动，同时恒压精度与稳定性显著提高。

Claims (1)

1.一种提高原边反馈反激电源在CCM下输出恒压稳定性的方法，基于原边反馈主拓扑结构下反激式电源CCM恒压控制方法，通过对原边辅助绕组进行采样得到过零比较信号Vzvs_comp和反映输出电压信息的Vsense信号进行模式判断，在DCM下利用拐点实现恒压输出，在CCM下通过电压偏离误差限进行自适应参考电压调整和PI参数调整，实现恒压输出；

其特征在于：通过引入数字逼近式模式检测，有效区分DCM与CCM两种模式，配合DCM与CCM的采样策略，在CCM中通过间歇插入DCM得到电压偏离误差限，根据电压偏离误差限大小，采用自适应查表的方式，进行参考电压调整和PI参数调整，以消除CCM参考电压硬调节所造成的恒压不稳定；包括逼近式状态检测模块、采样模块、自适应参考电压调整模块和自适应PI调节模块；其中：

逼近式模式检测模块包括峰值电流锁定模块和电流零点检测模块两个部分，逼近式状态检测模块接受原边辅助绕组输出电压信息Vsense和自适应PI调节模块输出的峰值电流限定信号信息Vpeak_PI，在接近临界模式BCM的情况下，参考原边辅助绕组输出电压信息Vsense波形和电流零点检测模块采样到过零比较信号Vzvs_comp波形，通过峰值电流限定信号信息Vpeak_PI的大小调整，使过零比较信号Vzvs_comp接近BCM临界值，利用状态判断锁定临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM，以此作为模式的分界点，区分当前是DCM还是CCM工作，并切换到相应的模式Mode，将该模式信息Mode传递给采样模块，使采样模块能够方便地调整采样策略，将临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM传递给自适应PI调节模块，使自适应PI调节模块能够减缓临界BCM附近的PI变化量，以共同提高模式切换恒压稳定性；

采样模块包括DCM拐点采样模块和CCM定点采样模块两个部分，当接收到逼近式模式检测模块输出的模式信息Mode后，根据工作模式，在DCM下调用DCM拐点采样模块得到拐点电压信息Vknee，在CCM下同时调用DCM拐点采样模块和CCM定点采样模块得到定点电压信息Vc，将拐点电压信息Vknee和定点电压信息Vc分别传递给自适应参考电压调整模块和自适应PI调节模块；

自适应参考电压调整模块包括误差限判断模块和参考电压调整模块两个部分，当接收到采样模块得到的电压信息后，对采样模块在CCM下插入DCM得到的拐点电压信息Vknee进行分析，得到其与理想参考电压Vref的误差限大小，通过误差限判断模块判断出偏离最终参考电压值的误差限大小del_V，根据误差限大小del_V，采用自适应查表的方式，自适应的调整参考电压，以防止参考电压硬调节所产生的瞬时PI参数动荡，从而在电流模反馈控制时引起CCM下的次谐波振荡，自适应参考电压调整模块将误差限大小del_V传递给自适应PI调节模块；

自适应PI调节模块，接收到的信息包括原边峰值电流采样信息Isense、自适应参考电压调整模块输出的误差限信息del_V、采样模块输出的电压信息Vknee和Vc以及逼近式状态检测模块输出的临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM，根据临界模式峰值电流限定值Vpeak_BCM以及误差限信息del_V，通过自适应查表的方式进行PI参数调整，减缓临界PI变化量，实现更精确的临界峰值捕捉，配合反馈通路调节电流模限定值，得到占空比duty信号输出给开关管，控制其通断实现CCM恒压稳定性。