CN107154723A - 一种反激式电源ccm与dcm模式的恒流控制系统 - Google Patents

Abstract

一种反激式电源CCM与DCM模式的恒流控制系统，该控制系统包括电流检测模块，输出反馈模块，电流计算模块，误差计算模块，PID模块、PWM模块以及驱动模块，并与受控的开关电源连接起来构成一个闭环，电流检测模块、输出反馈模块采集实现恒流算法的基本参数，电流计算模块主要计算输出电流平均值,该输出值在PID模块中执行补偿算法，补偿值递交给PWM控制模块，经驱动模块输出合适的占空比，从而控制数字电源的高精度恒流。

Description

一种反激式电源CCM与DCM模式的恒流控制系统

技术领域

本发明涉及用于开关电源领域，尤其涉及一种原边反馈反激式电源CCM(电流连续模式)与DCM(电流断续模式)模式的恒流控制系统。

背景技术

原边反馈反激式电源在数码产品的锂电子电池充电器、计算机(PC)辅助电源及LED驱动等方面应用广泛，其在变压器原边检测输出信息，消除了次级的采样电路，无须使用光耦合器，减少组件数目，降低了整体电路的复杂性，更为的高效和优化。为了提高原边反馈反激式开关电源的功率应用范围，必然要求开关电源有一个更高的功率输出。DCM的控制环路比较稳定，但其主要应用于小功率情况。在大功率情况CCM应用较多，所以如何实现CCM模式下的高精度电流稳定性，便是难点所在。

为了实现输出电流的稳定性，已有采用的方式是，通过Pout/Vo＝Io的方式实现恒流输出，其中Pout是副边的输出功率，Vo是副边的输出电压，Io是副边的输出电流。其缺点是实现恒流的代价过大，由于副边的输出功率Pout未知，用原边输入功率Pin代替副边的输出功率Pout，但是Pin的计算往往过于复杂，此外要得到副边的输出功率Vout需要额外构建采样电路，这种算法的恒流效果与效率相关，效率受输入电压与负载大小的影响较大，难以实现高精度电流稳定性。

通过ADC实现恒流也是一种较为通用的方式，方法之一就是采样电流的最大最小值，然后求出平均值，或者利用ADC采样导通中点的电流电压值。但是这两种方法的缺点就是，若需要提高恒流精度，需要提高采样频率，为此的实现成本往往比较高。

通过DAC是另一种实现恒流的方式，其方法之一就是采用峰值电流控制方法，控制开关管导通阶段的峰值电流，得出导通阶段的平均电流，从而控制输出电流恒定，该控制方法恒流精度较高，但控制环路较为复杂。

上述技术难点的存在，需要建立更高效的计算模型，从而实现更高精度的恒流特性。

发明内容

为了解决现有技术的局限性，本发明提出了一种原边反馈反激式电源CCM与DCM模式的恒流控制系统，该方法采用平均电流控制方法，控制开关管的导通时间，实现输出电流恒定，并且在DCM模式和CCM模式都可以使用，在提高恒流精度的同时，可以提高电路的功率应用范围。

本发明采用的技术方案是：一种原边反馈反激式电源CCM与DCM模式的恒流控制系统，其特征在于：包括电流检测模块、输出反馈模块、电流计算模块、误差计算模块、PID模块、PWM模块以及驱动模块，并与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；采用平均电流控制方法控制开关管的导通时间，实现输出电流恒定；

电流检测模块用于采集实现恒流算法的基本参数，电流检测模块的输入信号包括PWM模块给定的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量Vav_dig以及驱动模块输出的开关控制信号duty和原边采样电阻电压Vs；电流检测模块的输出信号包括一个输出给PWM模块的半个开关周期Ton_half和开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav；电流检测模块包括一个DAC单元、一个比较器COMP1以及一个时间计算单元，DAC单元的输入是PWM模块给定的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量Vav_dig，DAC单元的输出为对应的开关导通阶段采样电阻电压Vs的平均值Vav，其输出给电流计算模块，并连接到比较器COMP1的负端，比较器COMP1的正端连接原边采样电阻的电压Vs，时间计算单元的输入信号分别为驱动模块输出的开关控制信号duty和比较器COMP1的输出信号Vcomp1，时间计算单元根据内部时钟信号计算Vcomp1＝0，duty＝1时间段的时间长度，该时间段的时间长度即为半个开关周期Ton_half，当开关导通时间Ton设置为Ton_half的两倍时，Vav即为开关管导通时原边采样电阻电压Vs的平均值，原边导通阶段平均电流Iav_p得以设定，从而单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr的平均电流Iav_s及输出电流平均值Io得以设定；

输出反馈模块用于采集实现恒流算法的基本参数、计算单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr和模式识别信号flag；输出反馈模块的输入信号包括辅助绕组采样电压Vsense和驱动模块输出的开关控制信号duty，输出反馈模块的输出信号包括单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag，输出反馈模块包括一个比较器COMP2，比较器COMP2的正端连接辅助绕组采样电压Vsense，比较器COMP2的负端接地，根据比较器COMP2的输出Vcomp2得到单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag，并输出给电流计算模块；因为对于DCM模式，当副边电流为0的时候，辅助绕组上的电压会出现谐振现象，所以在单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值的计算上DCM模式和CCM模式不同，flag＝1表示CCM工作模式，flag＝0表示DCM工作模式，其判断的依据就是在次边电流恢复到0后，辅助绕组上分压电阻上的电压是否出现谐振，如果出现谐振，表示处于DCM工作模式，如果没有出现谐振，表示处于CCM工作模式；

电流计算模块用于计算输出电流平均值Io，该模块的输入信号是输出反馈模块的输出的单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag、电流检测模块中DAC模块输出的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav以及PWM的输出的正常控制时开关周期Ts，输出信号是输出电流平均值Io，计算公式如式(1)所示：

其中，Vav是开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值，Rs是采样电阻的阻值，Np是原边绕组的匝数，Ns是副边绕组的匝数，Tr是单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间，Ts是正常控制时开关周期；

误差计算模块包括精确数值给定单元、减法器、偏差计算及偏差变化率计算单元，减法器正端连接精确数值给定单元输出的模拟数值常量Iref，该值根据系统的设计指标而给定，减法器负端连接电流计算模块输出的电路输出电流平均值Io，减法器的输出通过偏差计算单元得到二进制的当前采样周期的电压偏差数字量ε_μ(t_n)，将其通过偏差变化率计算单元与上一个采样周期二进制电压偏差数字量ε_μ(t_n-1)相减得到二进制数字量的偏差变化率△ε_μ(t_n)；

PID模块包括微分、比例、积分及求和四个运算单元，积分与比例单元的输入为偏差计算单元输出的二进制的电压偏差量ε_μ(t_n)，微分单元的输入为偏差变化率计算单元输出的二进制的偏差变化率△ε_μ(t_n)，将微分、比例、积分三个运算单元的输出在求和运算单元中求和，输出补偿结果为二进制的数字量V_PI；

PWM模块的输入为PID模块输出的补偿结果V_PI以及电流检测模块输出的半个开关导通时间Ton_half；通过PID模块补偿结果V_PI值和输出信号Vav_dig，其为开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量，用于电流检测模块的信息处理并计算得到正常控制时开关周期Ts以及开关导通时间Ton，开关导通时间Ton的计算公式如式(2)所示：

Ton＝2×Ton_half (2)

其中，Ton_half是电流检测模块设定的半个开关周期，当开关导通时间Ton设置为Ton_half的两倍，原边电感电流平均值等于设定值Vav对应的电流，实现平均电流控制，并将开关导通时间Ton输出给驱动模块，正常控制时开关周期Ts值是PWM模块根据输入信号计算得到的下一个开关周期的长度，而开关导通时间Ton则限定了功率管的导通时间；

驱动模块的输入为PWM模块输出的正常控制时开关周期Ts及开关导通时间Ton，Ton值限定了功率管的导通时间，而原边采样电阻上的最大电流是正比于功率管的导通时间的，因此Ton也就限定了原边采样电阻上的最大电流，结合上述正常控制时开关周期Ts和开关导通时间Ton两个输入信号，驱动模块输出占空比波形，即开关控制信号duty，该开关控制信号duty控制功率管的栅极，实现对环路的控制；同时开关控制duty也是电流检测模块以及输出反馈模块进行信息处理的一个输入信号；重复上述过程进行循环控制开关电源功率管的开通和关断，以使系统更加稳定，从而获得更高的恒流精度。

本发明的优点及显著效果：

1、通过简单的DAC单元与比较器，精确控制开关管的导通时间，可以应用于CCM与DCM，本发明的控制实现方法上简单，灵活，易于实现，免去了对于输出电压的采样电路，降低了电源开发成本。

2、本发明能适用于隔离式或者非隔离开关电源电路结构，具备通用性，可复用性和可移植性。

附图说明

图1a是本发明控制方法的系统结构框图；

图1b是电流检测模块的结构框图；

图2a是DCM模式下输出反馈模块工作原理的示意图；

图2b是CCM模式下输出反馈模块工作原理的示意图；

图3a是DCM模式下电流计算模块计算模型的示意图；

图3b是CCM模式下电流计算模块计算模型的示意图；

图4是具有本发明的多模式控制反激变换器的闭环电路结构图实例。

具体实施方式

本发明提高开关电源恒流精度的控制系统如图1a及图4，基于包括电流检测模块、输出反馈模块、电流计算模块、误差计算模块、PID模块、PWM模块以及驱动模块构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环。

如图1b所示，电流检测模块包括一个DAC单元，一个比较器COMP1，以及一个时间计算单元。DAC单元的输入是PWM模块给定的Vav_dig(其为原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量),输出为对应的开关管导通阶段采样电阻电压Vs的平均值Vav。比较器COMP1的正端接原边采样电流电阻的电压Vs，负端接开关管导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav，输出信号Vcomp1输入到时间计算单元。时间计算单元的输入信号分别为驱动模块输出的开关控制信号duty，比较器的输出信号Vcomp1，该模块根据内部时钟信号计算Vcomp1＝0，duty＝1时间段Ton_half的时间长度，其设置为半个开关导通时间，当开关导通时间Ton设置为Ton_half的两倍时，Vav即为开关管导通阶段采样电阻电压Vs的平均值。电流检测模块的输出结果是控制开关导通时间Ton的重要参数。

如图1a及图4所示，输出反馈模块用于采集实现恒流算法的基本参数、计算次级电感电流的占空比，包括一个比较器COMP2，比较器COMP2的正端连接辅助绕组采样电压Vsense，比较器COMP2的负端接地，根据比较器COMP2的输出Vcomp2得到单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag。在Tr值的计算上DCM模式和CCM模式不同，下面结合图例分别介绍DCM模式和CCM模式下的Tr计算原理和模式识别信号flag判断原理。对于DCM模式，如图2a所示，当副边电流为0的时候，辅助绕组上的电压会出现谐振现象，为了更为精确的计算Tr值，运用以下计算模型。在一个完整开关周期内，根据Vsense的波形，一个开关周期可以分为三个工作区域，当duty＝1即为第一工作区域，用enable＝0来表示；当enable＝0，Vcomp2＝1时，进入第二工作区域，用enable＝1来表示；当enable＝1,Vcomp2＝0时，进入第三工作区域，用enable＝2来表示。首先计算enable＝1的时间长度，记为Tr_tempDCM,并引入一个临时变量Temp来计算enable＝2后第一个谐振半周期T_half,当duty＝1时，Temp为0；当Temp＝0，Vcomp2＝1时，Temp变为1；当Temp＝1，Vcomp2＝0时，Temp变为2；当Temp＝2，Vcomp2＝1时，Temp变为3；如此一来，Temp＝2的时间长度即为enable＝2后第一个谐振半周期T_half，所以得到DCM模式下Tr如(3)式

Tr＝Tr_tempDCM-T_half/2 (3)

对于CCM模式，如图2b所示，根据内部时钟信号计算enable＝1的时间长度,记为Tr_tempCCM，Tr_tempCCM即是Tr值，如(4)式

Tr＝Tr_tempCCM (4)

flag＝1表示CCM工作模式，flag＝0表示DCM工作模式，flag的初值设为1，即默认为CCM模式，如果开关控制信号duty为0期间，出现Vcomp2＝0,则把flag设为0，表明电路进入了DCM工作模式。

电流计算模块主要计算电路输出电流平均值Io。该模块的输入信号是输出反馈模块输出的单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr，电流检测模块中DAC模块输出的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav以及PWM模块输出的正常控制时开关周期Ts,输出信号是电路输出电流平均值Io。DCM模式下的计算模型如图3a所示，CCM模式下的计算模型如图3b所示,两种模式采用相同的计算模型，所以无论DCM模式还是CCM模式，当开关管导通时间Ton设置为电流检测模块输出的Ton_half的两倍时，易得(5)式

其中，Iav_p是原边导通阶段的平均电流,Vav是开关管导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值。Rs是采样电阻的阻值。

在得到原边导通阶段的平均电流Iav_p后，Tr阶段的平均电流Iav_s与Iav_p的关系如(6)式

Iav_p×N_p＝Iav_s×N_s (6)

其中Np是原边绕组的匝数，Ns是副边绕组的匝数。

次级电流在时间上取平均可以得到输出电流平均值Io，如(7)式

电流计算模块的输出为电路输出电流平均值Io。

误差计算模块包括精确数值给定单元、减法器、偏差计算及偏差变化率计算单元，减法器正端连接精确数值给定单元输出的模拟数值常量Iref，该值根据系统的设计指标而给定，减法器负端连接电流计算模块输出的电路输出电流平均值Io，减法器的输出通过偏差计算单元得到二进制的当前采样周期的电压偏差数字量ε_μ(t_n)，将其通过偏差变化率计算单元与上一个采样周期二进制电压偏差数字量ε_μ(t_n-1)相减得到二进制数字量的偏差变化率△ε_μ(t_n)。

PID模块包括微分、比例、积分及求和四个运算单元，积分与比例单元的输入为二进制的电压偏差ε_μ(t_n)，微分单元的输入为二进制的偏差变化率△ε_μ(t_n)，将微分、比例、积分三个运算单元的输出在求和运算单元中求和，求和运算模块输出补偿结果为二进制的数字量V_PI。

PWM模块的输入为PID模块的补偿结果V_PI以及电流检测模块输出的半个开关导通时间Ton_half。通过PID模块补偿结果V_PI值，输出信号Vav_dig，其为开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量，并用于电流检测模块的信息处理；并计算得到正常控制时开关周期Ts以及开关导通时间Ton，并将其输出给驱动模块。其中正常控制时开关周期Ts值是PWM模块根据输入信号计算得到的下一个开关周期的长度，而开关导通时间Ton则限定了功率管的导通时间。开关导通时间Ton的计算如(8)式

Ton＝2×Ton_half (8)

当开关导通时间Ton设置为Ton_half的两倍，原边导通阶段的平均电流Iav_p得以设定，从而单个开关周期中电感电流流向输出端口Tr阶段的平均电流Iav_s及输出电流平均值Io得以设定，电路实现高精度恒流。

驱动模块包括一个RS触发器和两个时间计数单元。当电路启动时，时间计数单元1开始计数，当其计数值等于正常控制时开关周期Ts时，产生一个CLK_SET脉冲，置位RS触发器，开关管打开，时间计数单元1复0并开始重新计数，与此同时时间计数器2开始计数，当其计数值等于开关导通时间Ton时，产生一个CLK_RESET脉冲，复位RS触发器，开关管关断，时间计数单元2复0并等待下一次计数。RS触发器的输出的占空比信号即为开关控制信号duty,该信号接功率管的栅极，实现对环路的控制。同时开关控制信号duty也是电流检测模块以及输出反馈模块进行信息处理不可或缺的一个重要输入信号。重复上述过程进行循环控制开关电源功率管的开通和关断，以使系统更加稳定，从而获得更高的恒流精度。

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，在此描述的本发明可以有许多变化(在其他开关电源中都可以使用恒流算法控制)，这种变化不能人为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都应包括在本权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种反激式电源CCM与DCM模式的恒流控制系统，其特征在于：包括电流检测模块、输出反馈模块、电流计算模块、误差计算模块、PID模块、PWM模块以及驱动模块，并与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；采用平均电流控制方法控制开关管的导通时间，实现输出电流恒定；

电流检测模块用于采集实现恒流算法的基本参数，电流检测模块的输入信号包括PWM模块给定的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量Vav_dig以及驱动模块输出的开关控制信号duty和原边采样电阻电压Vs；电流检测模块的输出信号包括一个输出给PWM模块的半个开关周期Ton_half和开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav；电流检测模块包括一个DAC单元、一个比较器COMP1以及一个时间计算单元，DAC单元的输入是PWM模块给定的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量Vav_dig，DAC单元的输出为对应的开关导通阶段采样电阻电压Vs的平均值Vav，其输出给电流计算模块，并连接到比较器COMP1的负端，比较器COMP1的正端连接原边采样电阻的电压Vs，时间计算单元的输入信号分别为驱动模块输出的开关控制信号duty和比较器COMP1的输出信号Vcomp1，时间计算单元根据内部时钟信号计算Vcomp1＝0，duty＝1时间段的时间长度，该时间段的时间长度即为半个开关周期Ton_half，当开关导通时间Ton设置为Ton_half的两倍时，Vav即为开关管导通时原边采样电阻电压Vs的平均值，原边导通阶段平均电流Iav_p得以设定，从而单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr的平均电流Iav_s及输出电流平均值Io得以设定；

输出反馈模块用于采集实现恒流算法的基本参数、计算单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr和模式识别信号flag；输出反馈模块的输入信号包括辅助绕组采样电压Vsense和驱动模块输出的开关控制信号duty，输出反馈模块的输出信号包括单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag，输出反馈模块包括一个比较器COMP2，比较器COMP2的正端连接辅助绕组采样电压Vsense，比较器COMP2的负端接地，根据比较器COMP2的输出Vcomp2得到单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag，并输出给电流计算模块；因为对于DCM模式，当副边电流为0的时候，辅助绕组上的电压会出现谐振现象，所以在单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值的计算上DCM模式和CCM模式不同，flag＝1表示CCM工作模式，flag＝0表示DCM工作模式，其判断的依据就是在次边电流恢复到0后，辅助绕组上分压电阻上的电压是否出现谐振，如果出现谐振，表示处于DCM工作模式，如果没有出现谐振，表示处于CCM工作模式；

电流计算模块用于计算输出电流平均值Io，该模块的输入信号是输出反馈模块的输出的单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag、电流检测模块中DAC模块输出的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav以及PWM的输出的正常控制时开关周期Ts，输出信号是输出电流平均值Io，计算公式如式(1)所示：

<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>o</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>V</mi> <mi>a</mi> <mi>v</mi> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>N</mi> <mi>p</mi> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>T</mi> <mi>r</mi> </mrow> <mrow> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，Vav是开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值，Rs是采样电阻的阻值，Np是原边绕组的匝数，Ns是副边绕组的匝数，Tr是单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间，Ts是正常控制时开关周期；

误差计算模块包括精确数值给定单元、减法器、偏差计算及偏差变化率计算单元，减法器正端连接精确数值给定单元输出的模拟数值常量Iref，该值根据系统的设计指标而给定，减法器负端连接电流计算模块输出的电路输出电流平均值Io，减法器的输出通过偏差计算单元得到二进制的当前采样周期的电压偏差数字量ε_μ(t_n)，将其通过偏差变化率计算单元与上一个采样周期二进制电压偏差数字量ε_μ(t_n-1)相减得到二进制数字量的偏差变化率△ε_μ(t_n)；

PID模块包括微分、比例、积分及求和四个运算单元，积分与比例单元的输入为偏差计算单元输出的二进制的电压偏差量ε_μ(t_n)，微分单元的输入为偏差变化率计算单元输出的二进制的偏差变化率△ε_μ(t_n)，将微分、比例、积分三个运算单元的输出在求和运算单元中求和，输出补偿结果为二进制的数字量V_PI；

PWM模块的输入为PID模块输出的补偿结果V_PI以及电流检测模块输出的半个开关导通时间Ton_half；通过PID模块补偿结果V_PI值和输出信号Vav_dig，其为开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量，用于电流检测模块的信息处理并计算得到正常控制时开关周期Ts以及开关导通时间Ton，开关导通时间Ton的计算公式如式(2)所示：

Ton＝2×Ton_half (2)

其中，Ton_half是电流检测模块设定的半个开关周期，当开关导通时间Ton设置为Ton_half的两倍，原边电感电流平均值等于设定值Vav对应的电流，实现平均电流控制，并将开关导通时间Ton输出给驱动模块，正常控制时开关周期Ts值是PWM模块根据输入信号计算得到的下一个开关周期的长度，而开关导通时间Ton则限定了功率管的导通时间；

驱动模块的输入为PWM模块输出的正常控制时开关周期Ts及开关导通时间Ton，Ton值限定了功率管的导通时间，而原边采样电阻上的最大电流是正比于功率管的导通时间的，因此Ton也就限定了原边采样电阻上的最大电流，结合上述正常控制时开关周期Ts和开关导通时间Ton两个输入信号，驱动模块输出占空比波形，即开关控制信号duty，该开关控制信号duty控制功率管的栅极，实现对环路的控制；同时开关控制duty也是电流检测模块以及输出反馈模块进行信息处理的一个输入信号；重复上述过程进行循环控制开关电源功率管的开通和关断，以使系统更加稳定，从而获得更高的恒流精度。