CN106787734B - 一种适用于提高级联变换器系统稳定性的控制电路 - Google Patents

一种适用于提高级联变换器系统稳定性的控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于提高级联DC‑DC变换器系统稳定性的控制电路，包括前后两级电源模块，前后两个电压控制模块以及交流扰动小信号采样模块，前后两级电源模块均采用Buck变换器，前级Buck变换器包括开关电源V in 、开关管Q F 、二级管D F 、电感L F 以及电感等效串联电阻r LF 、电容C F 以及电容等效串联电阻r CF 。所述前后两级变换器的电压控制模块均包括输出电压采样单元、补偿单元和比较器，所述交流扰动小信号采样模块由差分放大器组成，所述差分放大器的同相输入端通过电阻与直流参考信号V ref 相连，反相输入端与通过电阻与CR串联低通滤波网络相连。该发明结构简单，不需要添加额外的功率器件，同时不会影响级联变换器的效率和功率密度，具有较强的实用性。

Description

一种适用于提高级联变换器系统稳定性的控制电路
技术领域
本发明涉及一种开关电源控制电路，尤其涉及实现提高级联DC-DC变换器系统的稳定性的控制电路。
背景技术
传统的DC/DC级联变换器系统中，为了提高系统的稳定性，通常采用在中间直流母线上添加有源或者无源滤波器模块，来改变前后变换器模块的阻抗比值，但是这样会带来系统的功率密度以及整体效率降低等问题。因此为了平衡级联系统的实用性与成本，亟需一种基于交流扰动反馈信号的控制电路。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于交流扰动反馈信号的控制电路。
一种适用于提高级联DC-DC变换器系统稳定性的控制电路，包括前后两级电源模块、前后两个电压控制模块以及交流扰动小信号采样模块；所述前后两级电源模块均采用Buck变换器，前级Buck变换器包括开关电源、开关管QF、二级管DF、电感LF以及电感等效串联电阻rLF、电容CF以及电容等效串联电阻rCF，后级变换器包括开关管QS、二级管DS、电感LS以及电感等效串联电阻rLS、电容CS以及电容等效串联电阻rCS；所述前后两级变换器的电压控制模块均包括输出电压采样单元、电压补偿单元和比较器；所述交流扰动小信号采样模块由差分放大器组成，所述差分放大器同相输入端通过电阻与直流参考信号相连，反相输入端与通过电阻与CR串联低通滤波网络相连。
进一步地，所述前后两级变换器电压控制电路相同，区别在于控制参数不同，输出分别连接开关管QF、QS的栅极，且相互独立。
进一步地，前后两个Buck变换器组成级联系统，所述开关管QF的漏极接开关电源Vin正极，所述开关管QF的源极接二极管DF的阴极以及电感LF的一端，所述开关管QS的漏极接电容CF的一端，所述开关管QS的源极接二极管DS的阴极以及电感LS的一端。
进一步地，所述电压补偿单元为type III补偿器，包括运算放大器、电阻R1、R2、R3，电容C1、C2、C3，所述运算放大器的同相输入端连接交流扰动小信号采样模块的输出，所述运算放大器的反相输入端与电阻R1和电容C2相连接，电阻R2与电容C1串联后与电阻R1并联，并设置在所述运算放大器的反相输入端和电压采样单元输出之间，电阻R3和电容C2串联后与电容C3并联设置在所述运算放大器反相输入端和输出端之间。
进一步地，所述电压采样单元由采样电阻Ra、Rb分压组成，前后级采样电阻大小取决于其所需输出电压稳定值。
进一步地，交流扰动小信号模块包括运算放大器、电阻R4、R5、R6、R7、R8和电容C4，所述运算放大器的同相输入端与电阻R6、R8的一端相连，电阻R6、R8的另一端分别接直流参考信号Vref和地，所述运算放大器的反相输入端连接电阻R5，电阻R5的另一端连接电阻R4和电容C4，电阻R4和电容C4的另一端分别连接输出电压和地，所述运算放大器的输出端与反相输入端之间设有电阻R7。
进一步地，所述交流扰动小信号模块中的电阻R4的取值为零时，所述电压补偿单元运算放大器的同相输入端与直流参考信号Vref相连，此时电压控制回路等效于传统的电压控制方法。
本发明的有益效果是：在传统的电压调节控制电路中额外引入了交流扰动变化量，既不会影响电源系统的功率密度，同时也不会降低整体的工作效率。结构简单，不需要添加额外的功率器件，具有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明的前后级电源变换器模块电路图；
图2是本发明的电压采样以及补偿单元、交流扰动小信号采样模块电路图。
具体实施方案
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
如附图1所示，本发明的适用于提高级联DC-DC变换器稳定性能的控制电路及其控制方法，其包括前后两级电源变换器模块(前级变换器称为源变换器，后级变换器称为负载变换器)、前后两级电压控制模块以及交流扰动小信号采样模块。当单独能够稳定工作的两级DC-DC变换器组成的级联系统针对相同的负载供电发生不稳定现象时，在前级或者后级传统的电压闭环控制中加入交流扰动电压小信号，通过控制调节交流扰动信号的大小来实现级联系统的稳定性能的有效提高。
所述的级联DC-DC变换器系统由前后Buck变换器组成，前级Buck变换器包括开关电源、开关管QF、二级管DF、电感LF以及电感等效串联电阻rLF、电容CF以及电容等效串联电阻rCF，后级变换器包括开关管QS、二级管DS、电感LS以及电感等效串联电阻rLS、电容CS以及电容等效串联电阻rCS，所述前级开关管QF的漏极接开关电源，所述开关管QF的源极接二极管DF的阴极以及电感LF的一端，所述二极管DF的阳极接地，所述电感LF的另一端与电感等效串联电阻rLF相连，所述开关管QS的漏极接电容CF的一端，所述开关管QS的源极接二极管DS的阴极以及电感LS的一端，所述二极管DS的阳极接地，所述电感LS的另一端与电感等效串联电阻rLS相连，开关管可以是MOSFET管。
所述交流扰动小信号模块，如附图2所示(图中的AC signal部分)，包括运算放大器、电阻R4、R5、R6、R7、R8和电容C4，所述运算放大器的同相输入端与电阻R6、R8的一端相连，电阻R6、R8的另一端分别接直流参考电压信号Vref和地，所述运算放大器的反相输入端连接电阻R5，电阻R5的另一端连接电阻R4和电容C4，电阻R4和电容C4的另一端分别连接前级输出电压和地，所述运算放大器的输出端与反相输入端之间设有电阻R7。
所述电压补偿单元为type III补偿器，如附图2所示(图中的Type III部分)，包括运算放大器、电阻R1、R2、R3，电容C1、C2、C3，所述运算放大器的同相输入端连接交流扰动小信号采样模块的输出，所述运算放大器的反相输入端与电阻R1和电容C2相连接，电阻R2与电容C1串联后与电阻R1并联，并设置在所述运算放大器的反相输入端和电压采样单元输出之间，电阻R3和电容C2串联后与电容C3并联设置在所述运算放大器反相输入端和输出端之间。
工作原理如下：当级联DC-DC变换器系统产生级联震荡现象时，前后两级的交流扰动小信号模块可以将中间级或者后级的输出电压的交流扰动信号引入到电压补偿单元的直流参考电压信号当中，从而改变控制回路，加入交流扰动小信号后的电压补偿单元的传递函数Gc2(s)为：
其中，
当R4＝0时，交流扰动小信号采样模块的输出为零，此时的控制环路即等效于传统的电压控制模块，电压补偿单元的传递函数为Gc1(s)，H(s)为交流扰动小信号模块的传递函数。通过调节R4的值来改变引入交流的扰动信号的大小，达到使源变换器输入阻抗减小，负载变换器输入阻抗增大的效果，从而使前后两级变换器的阻抗比满足稳定性判据，实现提高级联系统稳定性的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于提高级联DC-DC变换器系统稳定性的控制电路，其特征在于：所述控制电路包括前后两级电源模块、前后两个电压控制模块以及交流扰动小信号采样模块；所述前后两级电源模块均采用Buck变换器，前级Buck变换器包括开关电源、开关管QF、二级管DF、电感LF以及电感等效串联电阻rLF、电容CF以及电容等效串联电阻rCF，后级变换器包括开关管QS、二级管DS、电感LS以及电感等效串联电阻rLS、电容CS以及电容等效串联电阻rCS；所述前后两级变换器的电压控制模块均包括输出电压采样单元、电压补偿单元和比较器；所述交流扰动小信号采样模块由差分放大器组成，所述差分放大器同相输入端通过电阻与直流参考信号相连，反相输入端与通过电阻与CR串联低通滤波网络相连；
其中，所述交流扰动小信号模块包括第一运算放大器、电阻R4、R5、R6、R7、R8和电容C4，所述第一运算放大器的同相输入端与电阻R6、R8的一端相连，电阻R6、R8的另一端分别接直流参考信号Vref和地，所述第一运算放大器的反相输入端连接电阻R5，电阻R5的另一端连接电阻R4和电容C4，电阻R4和电容C4的另一端分别连接输出电压和地，所述第一运算放大器的输出端与反相输入端之间设有电阻R7。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述前后两级变换器电压控制模块相同，区别在于控制参数不同，输出分别连接开关管QF、QS的栅极，且相互独立。
3.根据权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于：所述前后两个Buck变换器组成级联系统，所述开关管QF的漏极接开关电源Vin正极，所述开关管QF的源极接二极管DF的阴极以及电感LF的一端，所述开关管QS的漏极接电容CF的一端，所述开关管QS的源极接二极管DS的阴极以及电感LS的一端。
4.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于：所述电压补偿单元为type III补偿器，包括第二运算放大器、电阻R1、R2、R3，电容C1、C2、C3，所述第二运算放大器的同相输入端连接交流扰动小信号采样模块的输出，所述第二运算放大器的反相输入端与电阻R1和电容C2相连接，电阻R2与电容C1串联后与电阻R1并联，并设置在所述第二运算放大器的反相输入端和电压采样单元输出之间，电阻R3和电容C2串联后与电容C3并联设置在所述第二运算放大器反相输入端和输出端之间。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于：所述电压采样单元由采样电阻Ra、Rb分压组成，前后级采样电阻大小取决于其所需输出电压稳定值。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述交流扰动小信号模块中的电阻R4的取值为零时，所述电压补偿单元运算放大器的同相输入端与直流参考信号Vref相连，此时电压控制回路等效于传统的电压控制方法。
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