CN112366940B - 一种电压、电流准定频控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压、电流准定频控制装置，包括电压检测电路、电流检测电路、误差放大器、第一比较器、第二比较器、与门、触发器以及驱动电路，电压检测电路与误差放大器连接；电流检测电路与第一比较器的输入端连接；误差放大器的输出端与第一比较器、第二比较器的输入端连接；预设误差信号基准值与第二比较器的输入端连接；第二比较器的输出端和时钟信号与与门的输入端连接；与门和第一比较器的输出端与触发器相连；触发器输出端与驱动电路连接。还公开了一种控制方法。本发明具有输出电压纹波小，负载瞬态响应速度快，开关频率变化范围小，稳定性和抗干扰能力强等优点；适用于多种拓扑结构的开关变换器。

Description

一种电压、电流准定频控制装置及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体的说，是一种电压、电流准定频控制装置及方法。

背景技术

工业中，开关变换器常采用脉冲宽度调制或脉冲频率调制技术实现对输出功率的控制。脉冲宽度调制技术通过调整控制脉冲的宽度以实现对输出电压的控制，是一种恒定频率的控制方法，具有反馈控制环路设计简单的优点，但存在轻载效率低、动态响应速度慢、电磁干扰严重等缺点；脉冲频率调制技术因具有输入瞬态响应速度和负载瞬态响应速度快，轻载效率高等优异性能在工业界得到广泛应用，其控制思想是：通过改变控制脉冲的频率实现对输出电压的控制，因此其开关频率会随着输入电压或负载的改变而变化，导致频率变化范围宽，使得电磁干扰滤波器的设计难度增加。根据控制量的类型，脉冲频率调制技术可以分为：电压型脉冲频率调制、电流型脉冲频率调制、电荷型脉冲频率调制和磁通型脉冲频率调制四种。这四种脉冲频率调制技术中，电压型脉冲频率调制的瞬态响应速度最快，但其稳定性受输出电容等效串联电阻的影响，当输出电容等效串联电阻为零或较低时，变换器存在低频振荡等不稳定现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电压、电流准定频控制装置及方法，用于解决现有技术中电压型脉冲频率调制技术存在的开关频率变化范围宽、输出电容等效串联电阻影响其稳定性的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种电压、电流准定频控制装置，包括电压检测电路VS、电流检测电路IS、误差放大器EA、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、与门AND、触发器RS以及驱动电路DR，电压检测电路VS、电流检测电路IS和驱动电路DR分别与变换器的电压输出端、变换器的电流输出端、变换器的开关管连接，电压检测电路VS与误差放大器EA连接；电流检测电路IS与第一比较器CMP1的输入端连接；误差放大器EA的输出端与第一比较器CMP1的输入端、第二比较器CMP2的输入端连接；预设误差信号基准值V_m与第二比较器CMP2的输入端连接；第二比较器CMP2的输出端和时钟信号clk与与门AND的输入端连接；与门AND的输出端和第一比较器CMP1的输出端分别与触发器RS的S端和R端相连；触发器RS的输出端与驱动电路DR连接。

一种电压、电流准定频控制方法，包括电压、电流准定频控制装置，在每个周期的开始时刻，电压检测电路VS、电流检测电路IS检测变换器的输出电压V_o和电感电流i_L，输出电压V_o与参考电压V_ref1经过误差放大器EA产生电压控制信号V_c，电压控制信号V_c与电感电流i_L经过第一比较器CMP1生成信号RR，电压控制信号V_c与预设误差信号基准值V_m经过第二比较器CMP2生成脉冲选择信号f_c，脉冲选择信号f_c与时钟信号clk经过与门AND生成信号SS，信号SS和信号RR经过RS触发器生成变换器开关管的脉冲控制信号V_p，用于控制变换器开关管的导通和关断。其中，预设误差信号基准值V_m为直接设定的误差放大器输出信号的峰值或谷值。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明具有输出电压纹波小，负载瞬态响应速度快，开关频率变化范围小，稳定性和抗干扰能力强等优点；克服了传统的脉冲宽度调制技术存在轻载效率低、负载瞬态响应速度慢等问题；适用于多种拓扑结构的开关变换器。

（2）本发明在负载发生变化时，能够快速调节开关管的导通和关断，输出电压的变化量小，变化时间短。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式的电路连接图；

图2为控制装置与同步整流Buck变换器连接的电路连接图；

图3为本发明的同步整流Buck变换器稳态时的波形示意图；

图4为本发明与电流型恒频控制的同步整流Buck变换器在负载突变时的瞬态时域仿真波形对照图；

图5为本发明与电流型恒频控制的同步整流Buck变换器在输入电压突变时的瞬态时域仿真波形对照图；

图6为同步整流Buck变换器在负载电流I_o为1A时的稳态时域仿真波形；

图7为同步整流Buck变换器在负载电流I_o为0.5A时的稳态时域仿真波形；

图8为同步整流Buck变换器在负载电流I_o为0.1A时的稳态时域仿真波形；

图9为本发明第三种实施方式的电路连接图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1所示，一种电压、电流准定频控制装置，包括电压检测电路VS、电流检测电路IS、误差放大器EA、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、与门AND、触发器RS以及驱动电路DR，电压检测电路VS、电流检测电路IS和驱动电路DR分别与变换器TD的电压输出端、变换器的电流输出端、变换器的开关管连接，电压检测电路VS与误差放大器EA连接；电流检测电路IS与第一比较器CMP1的输入端连接；误差放大器EA的输出端与第一比较器CMP1的输入端、第二比较器CMP2的输入端连接；预设误差信号基准值V_m与第二比较器CMP2的输入端连接；第二比较器CMP2的输出端和时钟信号clk与与门AND的输入端连接；与门AND的输出端和第一比较器CMP1的输出端分别与触发器RS的S端和R端相连；触发器RS的输出端与驱动电路DR连接。

工作原理：

在每个开关周期开始时刻，检测输出电压和电感电流，得到检测信号V_o、i_L；输出电压V_o与参考电压V_ref1经过误差放大器EA产生电压控制信号V_c，V_c与电感电流i_L经过第一比较器CMP1生成信号RR，电压控制信号V_c与预设误差信号基准值V_m经过第二比较器CMP2生成脉冲选择信号f_c，f_c与时钟信号clk经过与门AND生成信号SS，信号SS和信号RR经过触发器RS生成开关管的脉冲控制信号V_p，用以控制变换器开关管的导通和关断。

实施例2：

一种电压、电流准定频控制方法，基于上述控制装置实现，本发明实施例将上述实施例中的变换器TD替换为同步整流Buck变换器，如图2所示，控制方法为：

在任意一个周期开始时刻，变换器TD输出电压V_o和电感电流i_L，输出电压V_o与参考电压V_ref1经过误差放大器EA产生电压控制信号V_c；电感电流i_L连接至第一比较器CMP1的一个输入端，与电压控制信号V_c经过比较产生信号RR，作为触发器RS的R端输入信号；预设误差信号基准值V_m与电压控制信号V_c同时连接至第二比较器CMP2的输入端，预设误差信号基准值V_m与电压控制信号V_c经过比较产生脉冲选择信号f_c；脉冲选择信号f_c与时钟信号clk同时连接至与门AND，生成信号SS作为触发器RS的S端输入信号；触发器RS的输出端Q连接至所述驱动电路DR的输入端，驱动电路DR包括第一驱动电路DR1和第二驱动电路DR2，第一驱动电路DR1和第二驱动电路DR2的输入端分别连接触发器RS的Q1端和Q端，第一驱动电路DR1和第二驱动电路DR2的输出端分别控制连接变换器TD的开关管S₁和开关管S₂的门极控制端，触发器RS通过置位、复位动作控制开关管S₁和S₂的导通与关断。图2中，V_in为输入电压、L为功率电感、C_o为输出电容、R_o为负载电阻、VS为输出电压检测电路、IS为电感电流检测电路、V_p1为开关管S₁的脉冲控制信号、V_p2为开关管S₂的脉冲控制信号。

图3为输出电压V_o、电感电流i_L、时钟信号clk、脉冲选择信号f_c及驱动信号即脉冲控制信号V_p之间的关系示意图，横坐标为时间坐标Time。

用PSIM仿真软件对本例的方法进行时域仿真分析，结果如下：

图4为采用本发明和电流型恒频控制的同步整流Buck变换器在输出支路负载突变时（负载电流I_o从0.1A→0.4A→0.1A变化），输出电压的时域仿真波形图。仿真条件：输入电压V_in=100V，电压基准值V_ref=40V、电感L=220μH，电容C1=1000μF（其等效串联电阻为10mΩ）、负载电阻Ro=400Ω、时钟周期T_s=5μs、预设误差信号基准值V_m=4V。

可以看出，在50ms时负载加重，负载电流由0.1A阶跃变化至0.4A；在80ms时负载减轻，负载电流由0.4A阶跃变化至0.1A。从图4中可以看出：采用本发明时输出电压V_o，最大调节时间仅为0.06ms，输出电压V_o在调整过程中的最大电压波动量为0.12V，稳态工作时输出电压纹波最大值为0.015V。而电流型恒频控制同步整流Buck变换器(开关频率为200kHz)，输出电压V_o’经过约20ms的调整时间，重新进入稳态；输出电压V_o’在调整过程中的最大电压波动量为0.06V，其调节时间和最大电压波动量明显大于本发明的开关变换器，可见负载变化时，本发明的开关变换器具有更好的负载瞬态响应性能。

由图4可见，本发明的开关变换器在负载突变时，输出电压瞬态变化量小，调节时间短，负载瞬态性能好。

图5为采用本发明和电流型恒频控制的同步整流Buck变换器在输入电压突变时（输入电压V_in从100V→150V变化），输出电压的时域仿真波形。在80ms时输入电压由100V阶跃变化至150V。从图中可以看出：采用本发明的开关变换器输出电压V_o，经过很短的调整过程便重新进入稳态。而电流型恒频控制的同步整流Buck变换器的输出电压V_o’经过约10ms的调整时间，重新进入稳态；输出电压V_o’在调整过程中的最大电压波动量约为0.085V。由此可见，本发明的Buck同步整流变换器输入瞬态性能好，调节时间短，输出电压瞬态变化量小，抗输入波动能力强。仿真条件与图4一致。

图6、图7和图8分别为采用本发明控制的同步整流Buck变换器在负载电流I_o分别为1A、0.5A、0.1A时，输出电压和开关管驱动信号的稳态时域仿真波形。从图中可以看出：采用本发明的开关变换器负载在较大范围内变化时，变换器的开关频率变化范围小，输出电压纹波小，负载瞬态响应速度快、稳定性和抗干扰能力强等优点；在负载发生变化时，能够快速调节开关管的导通和关断，输出电压的变化量小，变化时间短。图6~图8中，T_s为开关周期、V_p为开关管S₁的脉冲控制信号。

实施例3：

如图9所示，本发明实施例将上述实施例中的变换器TD替换为Boost变换器。图中，V_in为输入电压、L为功率电感、S为功率开关管、C_o为输出电容、R_o为负载电阻、VS为输出电压检测电路、IS为电感电流检测电路、V_p1为开关管S的脉冲控制信号。

本发明还可用于Buck-Boost变换器、Flyback变换器、Forward变换器等多种电路拓扑中，适用于多种拓扑结构的开关变换器。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (2)

1.一种电压、电流准定频控制装置，其特征在于，包括电压检测电路VS、电流检测电路IS、误差放大器EA、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、与门AND、触发器RS以及驱动电路DR，电压检测电路VS、电流检测电路IS和驱动电路DR分别与变换器的电压输出端、变换器的电流输出端、变换器的开关管连接，电压检测电路VS与误差放大器EA连接；电流检测电路IS与第一比较器CMP1的输入端连接；误差放大器EA的输出端与第一比较器CMP1的输入端、第二比较器CMP2的输入端连接；预设误差信号基准值V_m与第二比较器CMP2的输入端连接；第二比较器CMP2的输出端和时钟信号clk与与门AND的输入端连接；与门AND的输出端和第一比较器CMP1的输出端分别与触发器RS的S端和R端相连；触发器RS的输出端与驱动电路DR连接。

2.一种电压、电流准定频控制方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的电压、电流准定频控制装置实现，在每个周期的开始时刻，电压检测电路VS、电流检测电路IS检测变换器的输出电压V_o和电感电流i_L，输出电压V_o与参考电压V_ref1经过误差放大器EA产生电压控制信号V_c，电压控制信号V_c与电感电流i_L经过第一比较器CMP1生成信号RR，电压控制信号V_c与预设误差信号基准值Vm经过第二比较器CMP2生成脉冲选择信号f_c，脉冲选择信号f_c与时钟信号clk经过与门AND生成信号SS，信号SS和信号RR经过RS触发器生成变换器开关管的脉冲控制信号V_p，用于控制变换器开关管的导通和关断。

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