CN107124094A - 一种减小控制电压纹波的平均电流控制电路及方法 - Google Patents

一种减小控制电压纹波的平均电流控制电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种减小控制电压纹波的平均电流控制电路及方法，该电路包括单位增益差分放大电路、低通滤波器、同相比例放大电路、误差放大电路和占空比信号发生电路，其中单位增益差分放大电路用于采样功率变换器的电感电流；低通滤波器用于滤除电感电流信号的高频纹波分量；同相比例放大电路用于对滤波后信号的幅值进行同相放大；误差放大电路用于产生电流基准信号，将电流基准信号与放大后的信号做差后进行比例‑积分运算得到控制电压信号；占空比信号发生电路用于产生锯齿波信号，并将锯齿波信号与控制电压信号进行比较产生开关管的导通占空比，以控制功率变换器的电感电流。本发明提高了电路的控制精度和抗干扰能力，降低了电流纹波和功率损耗。

Description

一种减小控制电压纹波的平均电流控制电路及方法
技术领域
本发明属于电力电子应用技术领域，特别涉及一种减小控制电压纹波的平均电流控制电路及方法。
背景技术
为了实现输出电压电流均可控，高频开关电源通常采用电流模式控制。常用的电流模式控制有峰值电流控制和平均电流控制，其中平均电流控制直接控制电感电流的平均值，由于具有控制精度高，电流纹波小，抗干扰性能好、系统稳定性强等优点，在Boost功率因数校正、电池充电控制、太阳能发电等领域有着重要的应用。
传统的平均电流控制电路通过设计电流误差放大器的补偿网络使得电流环增益带宽达到最佳性能，但是通常会引起电感电流锯齿纹波状分量被比例放大，因此，由电流误差放大器的补偿网络调理得到的控制电压也将包含较大的纹波分量值，那么控制电压的斜率有可能超过锯齿波信号的斜坡斜率，从而有可能导致每个开关期间控制电压与锯齿波相交次数不止一次，进而导致功率管在一个开关周期内多次开通。显然，此时的电路工作在不稳定状态。目前的平均电流控制研究中，主要采用传统的控制电路对其电流环补偿网络进行折中地设计，设计效果难以维持系统稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减小控制电压纹波的平均电流控制电路及方法，通过引入低通滤波器和同相比例放大电路，使电流环增益带宽达到最佳性能，同时最大程度地减小电流采样信号中的高频分量。
实现本发明目的的技术解决方案为：本发明提出一种减小控制电压纹波的平均电流控制电路，用于控制功率变换器的电感电流，包括单位增益差分放大电路、低通滤波器、同相比例放大电路、误差放大电路和占空比信号发生电路，其中：
单位增益差分放大电路用于采样功率变换器的电感电流，并将电感电流传输给低通滤波器；
低通滤波器用于滤除电感电流信号的高频纹波分量，并将滤波后的信号传输给同相比例放大电路；
同相比例放大电路用于对滤波后信号的幅值进行同相放大，并将放大后的信号传输给误差放大电路；
误差放大电路用于产生电流基准信号，将电流基准信号与放大后的信号做差后进行比例-积分运算得到控制电压信号，并将控制电压信号传输给比较器的正相输入端；
占空比信号发生电路用于产生锯齿波信号，并将锯齿波信号与控制电压信号进行比较产生开关管的导通占空比，以控制功率变换器的电感电流。
本发明还提出一种减小控制电压纹波的平均电流控制方法，包括如下步骤：
步骤1、单位增益差分放大电路采样功率变换器的电感电流；
步骤2、低通滤波器滤除电感电流信号的高频纹波分量；
步骤3、同相比例放大电路对滤波后信号的幅值进行同相放大；
步骤4、误差放大电路产生电流基准信号，与放大后的信号做差后，进行比例-积分运算得到控制电压信号；
步骤5、占空比信号发生电路产生锯齿波信号，与控制电压信号进行比较产生开关管的导通占空比，以控制功率变换器的电感电流，当控制电压信号值高于锯齿波信号值时，输出高电平导通功率开关；当控制电压信号值低于锯齿波信号值时，输出低电平断开功率开关。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明优化了电流反馈环路，滤除了电流采样信号中的高频纹波，使得电流采样信号近乎直流，进而提高了电流控制精度和电路的抗干扰能力，降低了电流纹波、功率损耗和电路设计的复杂度。
附图说明
图1是本发明的平均电流控制电路的结构示意图。
图2本发明的平均电流控制电路图。
图3是降压型功率变换器的结构示意图。
图4是本发明的平均电流控制电路稳定运行时的波形示意图，其中图(a)为降压型功率变换器电感电流的波形图，图(b)为经过低通滤波器和同相比例放大器后的输出信号的波形图，图(c)为控制电压信号和锯齿波信号的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明方案。
如图1-2所示，减小控制电压纹波的平均电流控制电路包括：单位增益差分放大电路1、低通滤波器2、同相比例放大电路3、误差放大电路4和占空比信号发生电路5，其中：单位增益差分放大电路1用于采样功率变换器的电感电流，并将电感电流传输给低通滤波器2；低通滤波器2用于滤除电感电流信号的高频纹波分量，并将滤波后的信号传输给同相比例放大电路3；同相比例放大电路3用于对滤波后信号的幅值进行同相放大，并将放大后的信号传输给误差放大电路4；误差放大电路4用于产生电流基准信号，将电流基准信号与放大后的信号做差后进行比例-积分运算得到控制电压信号，并将控制电压信号传输给比较器的正相输入端；占空比信号发生电路5用于产生锯齿波信号，并将锯齿波信号与控制电压信号进行比较产生开关管的导通占空比，以控制功率变换器的电感电流。
单位增益差分放大电路1包括第一电阻Rd1、第二电阻Rd2、第三电阻Rdf1、第四电阻Rdf2和差分放大器A1；第一电阻Rd1一端连接差分放大器A1的正相输入端，另一端连接电流采样电阻Rs的输入端，第二电阻Rd2一端连接差分放大器A1的反相输入端，另一端连接电流采样电阻Rs的输出端，第三电阻Rdf1一端连接差分放大器A1的正相输入端，另一端连接电路参考地，第四电阻Rdf2一端连接差分放大器A1的反相输入端，另一端连接差分放大器A1的输出端。
低通滤波器2包括第五电阻Rf和滤波电容Cf；第五电阻Rf的一端连接差分放大器A1的输出端，另一端连接滤波电容Cf的一端，滤波电容Cf的另一端连接电路参考地。
同相比例放大电路3包括第六电阻Raf1、第七电阻Raf2和第一运算放大器A2；第一运算放大器A2的正相输入端与连接第五电阻Rf的输出端，第一运算放大器A2的反相输入端连接第六电阻Raf1的一端，第六电阻Raf1的另一端连接电路参考地，第七电阻Raf2的一端连接第一运算放大器A2的反相输入端，另一端连接第一运算放大器A2的输出端。
所述误差放大电路4包括第八电阻Ref1、第九电阻Ref2、积分电容Cef、电流基准信号发生器VRI和第二运算放大器A3；电流基准信号发生器VRI的正极连接第二运算放大器A3的正相输入端，电流基准信号发生器VRI的负极连接电路参考地，第八电阻Ref1的一端连接第二运算放大器A3的反相输入端，另一端连接第九电阻Ref2的一端，第九电阻Ref2的另一端连接积分电容Cef的一端，积分电容Cef的另一端连接第二运算放大器A3的输出端。所述第二运算放大器A3用于通过负反馈控制使正、反相输入端电压一致。
所述占空比信号发生电路5包括锯齿波信号源Vsaw和比较器A4；锯齿波信号源Vsaw的正极与比较器A4的反相输入端连接，锯齿波信号源Vsaw的负极与电路参考地连接，比较器A4的正相输入端与第二运算放大器A3的输出端连接，比较器A4的输出端连接功率变换器功率开关S，输出控制开关管S导通的占空比信号VGS。
基于上述平均电流控制电路的平均电流控制方法，包括如下步骤：
步骤1、单位增益差分放大电路1采样功率变换器的电感电流，将；
步骤2、低通滤波器2滤除电感电流信号的高频纹波分量；
步骤3、同相比例放大电路3对滤波后信号的幅值进行同相放大；
步骤4、误差放大电路4产生电流基准信号，与放大后的信号做差后，进行比例-积分运算得到控制电压信号；
步骤5、占空比信号发生电路5产生锯齿波信号，与控制电压信号进行比较产生开关管的导通占空比，以控制功率变换器的电感电流，当控制电压信号值高于锯齿波信号值时，输出高电平导通功率开关；当控制电压信号值低于锯齿波信号值时，输出低电平断开功率开关。
工作原理分析如下：
单位增益差分放大电路检测功率变换器的电感电流，电感电流的大小能够通过采样电阻电压RsiL反映，采样电阻电压表示为：
VRs＝RsiL＝Rs(IL+ΔiL+il)
其中，IL为电感电流直流分量，ΔiL为电感电流高频交流分量，il为电感电流低频交流分量。
低通滤波器具有通低频阻高频的特性，采样电阻电压VRs经过低通滤波器，得到的信号其高频交流分量RsΔiL已被滤除，且除了少量的低频交流分量外，其余均为直流分量，即输出一个含较少低频交流分量的直流信号VCf，表示为：
VCf＝Rs(IL+il)≈RsIL
同相比例放大电路通过电阻网络值将直流分量RsIL放大相应倍数得到电流反馈信号Vfi，以匹配后级误差放大器正负相输入信号的幅值大小，即稳态运行时该电流反馈信号Vfi将跟踪电流参考电压信号Vri，Vfi表示如下：
至此来自电感电流的高频交流分量已经被最大程度上衰减，因此可以将Vfi看作直流信号。电流误差放大电路将同相比例放大电路输出的直流电压信号与电流参考电压信号做差后进行比例-积分运算，所得控制电压信号Vci的高频交流分量已被低通滤波器和电流误差放大电路衰减的所剩无几。
控制电压信号送入比较器正相输入端，比较器对正相输入端和负相输入端的信号进行比较：当控制电压信号值高于锯齿波信号值时，比较器翻转输出高电平，产生功率开关导通脉冲信号；当控制电压信号值低于锯齿波信号值时，比较器翻转输出低电平，产生功率开关关断脉冲信号。如此往复可得到稳定或可调的负载电流值。
上述平均电流控制电路和方法可广泛应用于直-直功率变换器，本发明以一个降压型功率变换器作为实例说明。图3所示的降压型功率变换器，包括：输入直流电源Vin、功率开关S、功率二极管D、滤波电感L、电流采样电阻Rs、滤波电容C和负载电阻RL。基于所述的平均电流控制电路和方法，该功率变换器的电感电流可以被有效控制在恒流状态或可调整状态。
图4为将本发明电路和方法应用到图3降压型功率变换器后，稳态时控制回路的主要波形图。如图4(a)所示，功率变换器电感电流iL含有的高频纹波量幅值较大，若采样后直接引入电流误差放大器势必不能兼顾系统稳定性和环路最优带宽。如图4(b)所示，由于低通滤波器的存在，同相比例放大器输出信号Vfi信号近乎直流，这使得来自电感电流的高频纹波分量不再馈入电流误差放大器，保证了电流环增益带宽能够设计在最佳状态。如图4(c)所示，控制电压信号Vci高频纹波分量大大减小，其斜坡斜率与锯齿波斜率相比十分微小，整个开关周期内Vci近似恒值。显然，将滤除高频纹波分量与增益带宽设计进行解耦处理，电流控制精度提高，电流纹波减小，控制电路的抗干扰能力大大增强，即本发明可以达到减小控制电压纹波大小的目的。

Claims (7)

1.一种减小控制电压纹波的平均电流控制电路，用于控制功率变换器的电感电流，其特征在于，包括单位增益差分放大电路(1)、低通滤波器(2)、同相比例放大电路(3)、误差放大电路(4)和占空比信号发生电路(5)，其中：
单位增益差分放大电路(1)用于采样功率变换器的电感电流，并将电感电流传输给低通滤波器(2)；
低通滤波器(2)用于滤除电感电流信号的高频纹波分量，并将滤波后的信号传输给同相比例放大电路(3)；
同相比例放大电路(3)用于对滤波后信号的幅值进行同相放大，并将放大后的信号传输给误差放大电路(4)；
误差放大电路(4)用于产生电流基准信号，将电流基准信号与放大后的信号做差后进行比例-积分运算得到控制电压信号，并将控制电压信号传输给比较器的正相输入端；
占空比信号发生电路(5)用于产生锯齿波信号，并将锯齿波信号与控制电压信号进行比较产生开关管的导通占空比，以控制功率变换器的电感电流。
2.根据权利要求1所述的减小控制电压纹波的平均电流控制电路，其特征在于，所述单位增益差分放大电路(1)包括第一电阻(Rd1)、第二电阻(Rd2)、第三电阻(Rdf1)、第四电阻(Rdf2)和差分放大器(A1)；第一电阻(Rd1)一端连接差分放大器(A1)的正相输入端，另一端连接电流采样电阻(Rs)的输入端，第二电阻(Rd2)一端连接差分放大器(A1)的反相输入端，另一端连接电流采样电阻(Rs)的输出端，第三电阻(Rdf1)一端连接差分放大器(A1)的正相输入端，另一端连接电路参考地，第四电阻(Rdf2)一端连接差分放大器(A1)的反相输入端，另一端连接差分放大器(A1)的输出端。
3.根据权利要求1所述的减小控制电压纹波的平均电流控制电路，其特征在于，所述低通滤波器(2)包括第五电阻(Rf)和滤波电容(Cf)；第五电阻(Rf)的一端连接差分放大器(A1)的输出端，另一端连接滤波电容(Cf)的一端，滤波电容(Cf)的另一端连接电路参考地。
4.根据权利要求书1所述的减小控制电压纹波的平均电流控制电路，其特征在于，所述同相比例放大电路(3)包括第六电阻(Raf1)、第七电阻(Raf2)和第一运算放大器(A2)；第一运算放大器(A2)的正相输入端与连接第五电阻(Rf)的输出端，第一运算放大器(A2)的反相输入端连接第六电阻(Raf1)的一端，第六电阻(Raf1)的另一端连接电路参考地，第七电阻(Raf2)的一端连接第一运算放大器(A2)的反相输入端，另一端连接第一运算放大器(A2)的输出端。
5.根据权利要求书1所述的减小控制电压纹波的平均电流控制电路，其特征在于，所述误差放大电路(4)包括第八电阻(Ref1)、第九电阻(Ref2)、积分电容(Cef)、电流基准信号发生器(VRI)和第二运算放大器(A3)；电流基准信号发生器(VRI)的正极连接第二运算放大器(A3)的正相输入端，电流基准信号发生器(VRI)的负极连接电路参考地，第八电阻(Ref1)的一端连接第二运算放大器(A3)的反相输入端，另一端连接第九电阻(Ref2)的一端，第九电阻(Ref2)的另一端连接积分电容(Cef)的一端，积分电容(Cef)的另一端连接第二运算放大器(A3)的输出端。
6.根据权利要求书1所述的减小控制电压纹波的平均电流控制电路，其特征在于，所述占空比信号发生电路(5)包括锯齿波信号源(Vsaw)和比较器(A4)；锯齿波信号源(Vsaw)的正极与比较器(A4)的反相输入端连接，锯齿波信号源(Vsaw)的负极与电路参考地连接，比较器(A4)的正相输入端与第二运算放大器(A3)的输出端连接，比较器(A4)的输出端连接功率变换器功率开关(S)。
7.一种减小控制电压纹波的平均电流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、单位增益差分放大电路(1)采样功率变换器的电感电流，将；
步骤2、低通滤波器(2)滤除电感电流信号的高频纹波分量；
步骤3、同相比例放大电路(3)对滤波后信号的幅值进行同相放大；
步骤4、误差放大电路(4)产生电流基准信号，与放大后的信号做差后，进行比例-积分运算得到控制电压信号；
步骤5、占空比信号发生电路(5)产生锯齿波信号，与控制电压信号进行比较产生开关管的导通占空比，以控制功率变换器的电感电流，当控制电压信号值高于锯齿波信号值时，输出高电平导通功率开关；当控制电压信号值低于锯齿波信号值时，输出低电平断开功率开关。
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