CN1841902A - 用于控制脉冲电源的电路装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于控制脉冲电源的电路装置，与传统的“电流模式”控制器相比具有改进的动态特性。依据本发明，开关(S1)的选通信号被积分。这个积分值一超过控制放大器(CCL)的输出信号，就再次切断开关(S1)。该电路装置非常适合于经济地分配类似的开关元件以及由微控制器(uC)所实现的功能。

Description

用于控制脉冲电源的电路装置和方法

技术领域

本发明涉及用于控制脉冲电源的电路装置。本发明还涉及用于控制脉冲电源的方法。

背景技术

脉冲电源(pulsed power supply)是广泛公知的。它们用来与提供给负载要求的电能相匹配。即，例如与电压电平或提供的可控电压或电流源相匹配。脉冲电源基本上包括至少一个电子开关和例如电感和电容器的能量存储器。

普遍使用的是所谓的降压变换器，它采用其它变换器的典型方式用作描述本发明的基础。降压变换器通常用于提供电压源，该电压源具有比馈送源(feed source)的电压要低的电压。然而，降压变换器还用来对来自电压源的负载进行操作，其中负载需要恒定的电流或恒定的功率。这是具有放电灯的情况。特别是，高压放电灯通常由降压变换器来馈送。

该降压变换器有电子开关，该电子开关在导通时间的期间内一直接通或闭合以及在关断时间的期间内一直切断或断开。在导通时间的期间内，能量从馈送源流向降压电感(buck inductor)。在关断时间的期间内，存储在降压电感内的能量流向负载。导通时间与关断时间之间的比率定义成所谓的占空比，通过占空比可控制能量的流向，从而控制负载电压或负载电流。所以需要提供一种用于控制脉冲电源的电路装置，在降压变换器情况下，该电路装置产生用于将电子开关接通的控制信号，占空比取决于可控变量。

这种控制电路一个典型的需求是控制速度，该控制速度尽可能高，以便负载中的变化不能在可控输出变量中被察觉到。如果可控输出变量要以尽可能的无故障的方式遵循所需的时间分布(temporal profile)，那么控制速度尽可能高也是必须的。特别是在规划的应用中高压放电灯的电流分布(current profile)的情况。关于这种应用，控制振荡尽可能低也是必须的。

根据现有技术用于控制脉冲电源的电路装置是已知的，它在所谓的“平均电流模式”下运行。在这种情况下，电子开关的控制信号由比较器产生，该比较器将锯齿波产生器的锯齿电压与依靠可控变量的阈值进行比较。该阈值是由积分差动放大器提供，该积分差动放大器检测通过降压电感的电流。一个所需的电流值能够作为参考值输入到差动放大器。脉冲电源则起到电流源的作用，例如用于放电灯。脉冲电源的输出电压也能够作为参考值输入到差动放大器。在这种情况下，脉冲电源作为电压源。

依据现有技术描述的用于控制脉冲电源的电路装置的实现具有以下缺点：

-控制速度不能随意增加，因为不然的话就难以保证该控制的稳定性。例如通过增加所谓的闭环增益，控制速度的增加总是不利于现有技术中的稳定性，并且导致增加的控制振荡。

-当达到阈值时，由于不可避免的响应时间，电子开关不能立即运行，而是只有在一段延迟之后才能运行。在这个延迟期间内，降压电感电流的改变取决于降压电感电流中梯度的改变。这又取决于能量馈送源的电压。由于能量馈送源的不同电压，降压电感电流得到不同的峰值结果。因此在现有技术中，能量馈送源的电压中的变化通常导致在可控变量中的变化，也就是，在能量馈送源的电压中的变化不能被完全补偿。更好的补偿反过来只能产生对稳定性的破坏。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于控制脉冲电源的电路装置，它可以避免以上所提到的现有技术中的缺点，也就是，本发明提高了控制速度的增长，而不会有控制振荡的任何放大。

本发明的另一方面是提供一种用于控制脉冲电源的电路装置，它使有利地使用微控制器或数字逻辑单元成为可能。

本发明的另一个方面是提供一种用于控制脉冲电源的电路装置，其既适合所谓的“持续模式”，在该模式中降压电感电流不会变成零；又适合所谓的“非持续模式”，在该模式中降压电感电流在其间变成零。

依据本发明实现这些目的，通过电路装置形成用于电子开关的控制信号的时间积分，并且如果该时间积分比加权的可控变量要大，那么结束导通时间。

用依据本发明的电路装置，优点是可以省却锯齿波产生器。作为代替，由于控制信号的积分，产生锯齿或三角波形电压。在现有技术中，锯齿波产生器独立于降压电感电流的时间分布而运行。在依据本发明的电路装置中，锯齿或三角波形电压由控制信号的积分所产生，当降压电感电流也开始上升时，锯齿或三焦波形电压开始精确地上升。因此锯齿或三角波形电压与降压电感电流同步。依据本发明的这个同步还能够采用对应于所描述的方案的方式由来自被控制信号所触发的现有技术中的锯齿波产生器来产生。

依据本发明的同步带来在控制速度上的提高，而不增加闭环增益并因此不增加控制振荡。

如果控制信号的时间积分超过了加权的可控变量，则导通时间结束并且关断时间开始，在关断时间该电子开关被切断。通过两个装置有利地确定关断时间的期间；首先由关断计时器来确定并且其次由检测器来确定，该检测器检测在例如降压电感的电感中的电流过零。这两个设备能够单独使用或组合使用。

关断计时器尤其适合于“持续模式”。一旦电子开关被切断，在电感中电流下降的时间由关断计时器来限制。关断计时器是控制单元的一部分，并且通过微控制器来有利地实现。当导通时间一结束，控制单元就启动关断计时器。由于该微控制器，通过关断计时器输入的最大关断时间以灵活的方式被编程并且甚至能在运行期间被改变。

检测器特别适合于该“非持续模式”。由于该检测器，关断时间被自动设定以便当电感电流、例如降压电感电流变成零时，控制单元将电子开关再次接通。检测器没有必要必须精确地检测电流“零”，它甚至可以响应在“零”之上或之下的电流，用于补偿运行时间的目的。

如果电路装置包含检测器和关断计时器，该脉冲电源能在“非持续模式”和“持续模式”中运行。如果该最大关断时间在电感电流达到零之前终止，那么脉冲电源在“持续模式”中运行。如果电感电流在最大关断时间终止之前变成零，那么脉冲电源在“非持续模式”中运行。通过关断计时器所调节的最大关断时间，微控制器甚至能在操作期间在该两个模式之间进行改变。所公开电路装置的结构使得可能在硬件和软件方面基本没有复杂性。

依据以上所描述的，导通时间由控制单元所限制，如果控制信号的时间积分超过了加权的可控变量，那么控制单元通过控制信号将电子开关切断。在某些情况中，可能方便的是在这种情况之前不等待，除非过早地中断导通时间。这可能是必要的，例如，如果脉冲电源的特定振荡频率是所需的，或者电感电流打算是向上限制。有利地由导通计时器来达到这个目的，该导通计时器在导通时间的初始启动，并且一旦由导通计时器所预定的最大导通时间终止，就中断该导通时间。以类似于关断计时器的方式，导通计时器还优选地由微控制器来实现。因此该最大导通时间能以灵活的方式被编程，并且还能够在运行期间被改变。

与控制信号的时间积分进行比较的加权的可控变量，基本上是与电感电流成比率并且由控制放大器所放大的信号。该控制放大器是采用动放大器的形式。差动放大器通过反馈接收积分分量。差动放大器形成实际变量“电感电流”和所需变量之间的差值。有利的是，微控制器预定该所需变量的值。在这种情况下，在微控制器中根据脉冲电源的输出变量计算所需变量是有可能的。这使实现例如运行高压放电灯时所需的功率控制成为可能。该电路装置所公开的设计使得在微控制器和类似的元件之间经济地分配功能成为可能。在速度方面实现决定性功能的差动放大器和比较器都能以类似的方式实现。计算上复杂的功能和能以灵活的方式被编程的功能由微控制器来承担。这些包括计时器功能和所需值的计算。以相似的方式，数字逻辑电路也能用来代替微控制器。例如，可以使用所谓的门阵列或FPGAs。

通过微控制器中软件的辅助，可以实现依据本发明用于控制具有电子开关(S1)的脉冲电源的方法，其特征在于以下的步骤：

·确定在导通计时器中的最大导通时间

·确定在关断计时器中的最大关断时间

·用控制信号将电子开关(S1)接通，并且启动导通计时器

·提供该控制信号的时间积分

·提供加权的可控变量

·提供由控制信号的时间积分和加权的控制变量之间的差值所形成的差动变量(differential variable)

·如果该差动变量达到一个阈值、例如零，则该导通计时器复位，该电子开关切断并且该关断计时器启动

·如果该导通计时器达到最大导通时间，则该导通计时器复位，该电子开关切断并且该关断计时器启动

·如果该关断计时器达到最大关断时间，则该关断计时器复位，该电子开关接通并且该导通计时器启动。

这个方法其特征在于：脉冲电源包括电感(L1)并且当通过电感(L1)的电流降到例如零的预定限制值之下时，该关断计时器复位，电子开关(S1)接通并且导通计时器启动。

附图说明

以下将使用参考附图的示范性实施例对本发明进行详细解释，其中：

图1示出依据本发明的电路装置的示范性实施例，

图2示出依据本发明的电路装置在“非持续模式”中电流和电压典型的时间分布，和

图3示出依据本发明的电路装置在“持续模式”中电流和电压典型的时间分布。

在下文中，电阻用字母R来表示，开关由字母S来表示，二极管由字母D来表示，电容器由字母C来表示，节点由字母N来表示，连接端由字母J来表示，并且电感由字母L来表示，在所有的情况下后面都有数字。

具体实施方式

图1示出依据本发明的电路装置的一个示范性实施例，其具有一个降压变换器。能量馈送源可以连接到连接端子J1和J2。这可以是例如所谓的“功率因数控制”级。

降压变换器根据微控制器uC的编程，在连接端J3和J4为负载提供有效的可控电压、可控电流或可控功率。例如，该负载可以是放电灯。

采用公知方式的降压变换器包括电子开关S1、二极管D1、降压电感L1和储能电容器C1。

S1和L1通过节点N1在J1和J3之间连接起来作为一个串联电路。S1在图1中采用MOSFET的形式。也可以使用其他的电子开关，例如IGBT或双极性晶体管。J2连接到地电位M。二极管D1连接在N1和地电位M之间。储能电容器C1连接在J3和J4之间。测量电阻R1连接在地电位M和J4之间。因此一个接地相关的信号可以在J4处被导出，它与通过L1的电感电流成比例。

这个信号与控制放大器CCL的反相输入端相关联。所述控制放大器CCL包括差动放大器Amp，它的输出端通过串联电路连接到该差动放大器Amp的反相输入端，该串联电路包括电容器C4和电阻R5。差动放大器Amp的反相输入端通过电阻R6连接到该控制放大器CCL的反相输入端。差动放大器Amp的非反相输入端形成该控制放大器CCL的非反相输入端，并且连接到控制单元SE中的微控制器uC的输出端SG。由于通过C4、R5的负反馈，该控制放大器CCL充当积分放大器，用于由测量电阻R1所产生的测量电流信号。同时，微控制器uC预定通过它的输出端SG的所需的变量，并且该所需的变量被额外叠加在该控制放大器CCL的输出端上。

控制放大器CCL的输出端连接到比较器Comp的非反相输入端。

微控制器uC在它的输出端GATE产生一个控制信号，用于控制电子开关S1。该控制信号通过驱动放大器GD馈送给S1的栅极连接端。该控制信号通过电阻R3连接到比较器Comp的反相输入端。所述比较器Comp通过并联电路连接到地电位M，该并联电路包括电阻R4和电容器C3。比较器Comp的输出端连接到微控制器uC的输入端ST ON。比较器Comp、R3、R4和C3形成了占空比控制器DCL。

微控制器uC还有一个输入ST OFF，其通过检测器DET连接到节点N1。该检测器DET包括一个串联电路，该串联电路包括电容器C2和电阻R2。

微控制器uC还有一个输入VS，其耦合到输出端J3。

下面将对图1中所显示的该示范性实施例运行方式进行解释：

在导通时间的初期，该微控制器uC通过它的输出端GATE将电子开关S1接通。同时，启动它内部的导通计时器，最大导通时间被存储在该导通计时器中。如果输入ST ON保持无效，那么达到最大导通时间。然后微控制器uC将S1切断，并且启动它的内部关断计时器，最大关断时间存储在该关断计时器中。如果输入ST OFF保持无效，那么达到最大关断时间。然后微控制器uC再次将S1接通，所描述的周期再次开始。该最大导通时间和最大关断时间由微控制器的软件所设定，并且可以根据输出电压来选择，该输出电压能够在脉冲电源的输入端VS处测得。因此能够实现可控电压源，在这种情况下脉冲电源不在所谓的“电流模式”中运行。

当微控制器设定最大导通和关断时间时，以上描述的周期仅以这样的方式运行，其中该导通和关断时间很短，在占空比控制器DCL或检测器DET变得有效之前，该导通和关断时间终止。

在较长的最大导通时间情况下，发生如下情况：将该控制信号在电容器C3中对时间积分。因此C3两端的电压线性地增加。只要这个电压变得比由控制放大器CCL所产生的电压大，占空比控制器DCL就会在微控制器的输入端ST ON处提供一个信号。于是，该微控制器中断该导通时间，切断S1并且启动关断计时器。由于控制放大器的输出取决于电感电流，因此电感电流判定切断S1的时刻，因此实现“电流模式”。

在目前的示范性实施例中，C3两端的电压在导通时间的期间内增加，并且控制放大器CCL输出端上的电压减少。这个电压的减少是因为电感电流的增加并且控制放大器CCL采用与该电感电流反相的方式运行。采用一种类似的方式，控制放大器CCL还能采用与该电感电流非反相的方式运行。然而，在这种情况下，反相的控制信号将需要被积分并且在比较器中与控制放大器CCL的输出进行比较。不过关键的是要比较的信号具有相反数学符号的梯度。

在目前的示范性实施例中，控制放大器CCL的输出端连接到比较器Comp的非反相输入端，并且积分电容器C3将它的电压馈送给反相输入端。只要C3两端的电压超过了控制放大器CCL的输出电压，就会在比较器Comp的输出端产生一个负沿。微控制器被设计成将该负沿识别为占空比控制器DCL的有效信号。以类似的方式，比较器Comp的输入信号也能被互换。在这种情况下，微控制器就必须响应正沿。

在该示范性实施例中，微控制器传送一个所需的信号给控制放大器的非反相输入。如果该所需的信号变大，则控制放大器CCL的输出信号就上升。那么积分电容器C3两端的电压在达到控制放大器CCL的输出电平之前花费了较长的时间。因此导通时间变长，并且电子开关S1保持导通较长的时间，因此通过电感L1的最大电流增加了。因此输出电流能够被设置或者能够经历该输出电流的所需的时间分布。

如果在电感L1中的电流变成零，那么在节点N1处会有一个短周期的寄生振荡产生。这些寄生振荡由检测器DET进行滤波，传给微控制器uC的输入端ST OFF。微控制器uC测试这个输入端的极性反转，从而识别电感电流变成零的时间点。也可以通过不断地测量电感电流来实现该功能。然而，在相同的速度上这更为复杂。微控制器一检测到输入端ST OFF的电流过零，就结束该关断时间，将S1接通并启动导通计时器。由于电感电流减少到零，在这种情况下，脉冲电源处于“非持续模式”。

如果在电感电流减少到零之前该最大关断时间终止，在这种情况下，脉冲电源运行在“持续模式”中。

就微控制器来说，类似的电路也能被集成。因此控制放大器CCL或占空比控制器DCL或它们的各个部分能被集成在微控制器中。

另一方面，由微控制器所执行的功能也可以由单独的电路元件来实现。例如，在输入端VS的实际值的估计和在输出端SG所需值的输出可以由一个电路元件来实现，而通过连接点ST ON、ST OFF和GATE所产生的PWM信号可以由另外的电路元件来实现。

而且，还有可能通过一个微控制器来控制多个变换器电路。例如，用于向不同颜色的发光二极管提供能量的三个降压变换器可以由一个共同的微控制器来控制，只要所述微控制器具有为此目的所需的输入端和输出端的数量。

图2示出依据本发明在“非持续模式”中的电路装置的电流和电压的典型时间分布。在图中，曲线1示出控制放大器CCL的输出端上的电压；曲线2示出电子开关S1的控制信号；曲线3示出积分电容器C3两端的电压；曲线4示出通过L1的电感电流。

在时间t1，响应该控制信号，S1被接通。于是，电感电流和C3两端的电压增加。曲线1，控制放大器CCL的输出端上的电压由于差动放大器Amp的反相功能而下降。在时间t2，曲线3比曲线1要大，于是微控制器uC的输入端ST ON接收一个负沿。导通时间结束。在微控制器uC的短延迟之后，对应于曲线2电子开关S1切断。电感电流和C3两端的电压再次下降，同时控制放大器CCL的输出端上的电压再次增加。在时间t3，电感电流变成零并且重复所描述的过程。

图3示出依据本发明在“持续模式”中的电路装置的电流和电压的典型时间分布。示出的曲线显示了与图2相同的信号。与图2的差别是电感电流还没有降低到零，然而电子开关S1在时间t1或t3再次被接通，这是因为最大关断时间已经终止。曲线1示出在时间t2之后，对电路装置的操作无意义的限制效果。

Claims (15)

1.一种用于控制脉冲电源的电路装置，具有加权的可控变量和电子开关(S1)，通过控制信号接通所述电子开关导通时间的持续时间，并且切断所述电子开关关断时间的持续时间，

其特征在于：

所述电路装置包括控制单元(SE)，如果所述控制信号的时间积分的值比所述加权的可控变量的值要高，那么所述控制单元结束所述导通时间。

2.如权利要求1所述的电路装置，其特征在于：

在所述导通时间的期间内，所述加权的可控变量是较低的值。

3.如权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于：

所述脉冲电源包含电感(L1)以及比较器(Comp)，通过所述电感(L1)的电流是可控变量，所述比较器将所述控制信号的时间积分与由控制放大器(CCL)所加权的所述可控变量进行比较。

4.如权利要求3所述的电路装置，其特征在于：

所述控制放大器(CCL)包含形成所述可控变量和所需变量之间的差值的积分差动放大器(Amp)。

5.如权利要求4所述的电路装置，其特征在于：

所述控制单元包含提供所述所需变量的微控制器(uC)。

6.如权利要求5所述的电路装置，其特征在于：

所述控制单元(SE)检测所述脉冲电源的输出变量，并对其进行评估以建立所需的变量。

7.如上述权利要求其中之一所述的电路装置，其特征在于：

所述控制单元在所述导通时间结束时启动关断计时器，并且这个关断计时器预定最大关断时间，在所述最大关断时间内，所述电子开关(S1)一直切断，所述控制单元(SE)在所述关断时间结束时接通所述电子开关(S1)。

8.如上述权利要求其中之一所述的电路装置，其特征在于：

所述控制单元包括预定最大导通时间的导通计时器，并且所述控制单元(SE)在达到所述最大导通时间时切断所述电子开关(S1)。

9.如权利要求7或8所述的电路装置，其特征在于：

所述导通计时器和所述关断计时器由微控制器(uC)实现。

10.如上述权利要求其中之一所述的电路装置，其特征在于：

所述脉冲电源包含电感(L1)和检测器(DET)，如果所述电感(L1)中的电流过零，则所述检测器将信号传送给所述控制单元(SE)的STOP-OFF(ST OFF)输入端，当在所述STOP-OFF输入端(ST OFF)接收到信号时，所述控制单元(SE)结束所述关断时间，并接通所述电子开关(S1)。

11.如上述权利要求其中之一所述的电路装置，其特征在于：

所述脉冲电源是降压变换器。

12.一种用于操作高压放电灯的操作设备，其特征在于：

具有如上述权利要求其中之一所述的电路装置。

13.一种脉冲电源，其特征在于：

具有如上述权利要求其中之一所述的电路装置。

14.一种用于控制具有电子开关(S1)的脉冲电源的方法，其特征在于具有以下步骤：

·确定在导通计时器中的最大导通时间

·确定在关断计时器中的最大关断时间

·用控制信号将所述电子开关(S1)接通，并且启动所述导通计时器

·提供所述控制信号的时间积分

·提供加权的可控变量

·提供由所述控制信号的时间积分和所述加权的控制变量之间的差值所形成的差动变量

·如果所述差动变量达到一个阈值、例如零，则所述导通计时器复位，所述电子开关切断并且所述关断计时器启动

·如果所述导通计时器达到所述最大导通时间，则所述导通计时器复位，所述电子开关切断并且所述关断计时器启动

·如果所述关断计时器达到所述最大关断时间，则所述关断计时器复位，所述电子开关接通并且所述导通计时器启动。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：

所述脉冲电源包括电感(L1)，当通过所述电感(L1)的电流下降到例如零的预定限制值之下时，所述关断计时器复位，所述电子开关(S1)接通并且所述导通计时器启动。

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