CN201383756Y

CN201383756Y - 开关电源的双频率控制装置

Info

Publication number: CN201383756Y
Application number: CN200920079220U
Authority: CN
Inventors: 许建平; 王金平; 秦明; 周国华; 吴松荣; 牟清波
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2019-02-25

Abstract

本实用新型公开了一种开关电源的双频率控制方法和装置，根据开关变换器的输出状态，控制器采用两组频率不同的脉冲进行组合，以实现对开关变换器的控制。该实用新型可用于控制各种拓扑结构的开关变换器，其优点是：控制环路简单可靠，无需补偿网络，瞬态响应速度快，电磁干扰(EMI)噪声小。

Description

开关电源的双频率控制装置

技术领域

本实用新型涉及开关电源的双频率控制方法及其装置。

背景技术

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。由于开关电源相对于传统线性稳压电源具有效率高、体积小等方面的优势，使得开关电源技术逐渐成为人们应用和研究的热点。电力电子器件的飞速发展更是给开关电源提供了一个很大的发展空间，使其朝着体积小，重量轻，效率高，功率密度大等方向发展，引起业内人士的广泛关注，应用前景广阔。80年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。90年代，各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备、控制设备等都已广泛地使用开关电源作为其供电电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源主要由功率变换器和控制器两部分构成。功率变换器又称为功率电路，主要包括开关装置、变压器装置和整流滤波电路。常见的功率变换器拓扑结构有Buck变换器(降压变换器)、Boost变换器(升压变换器)、Buck-Boost变换器(升降压变换器)、正激变换器、反激变换器等。控制器能够检测功率变换电路输入或输出电压的变化，并据此产生相应开关信号控制功率变换电路开关装置的工作状态，从而调节传递给负载的能量以稳定开关电源输出。控制器的结构和工作原理由开关电源所采用的控制方法决定。对于同一功率电路拓扑，采用不同的控制方法会对系统的稳态精度及动态性能等方面产生影响，因而控制方法的研究显得日益重要。目前，很多应用场合需要开关电源具有很好的瞬态响应速度，而采用传统的脉冲宽度调制(PWM)技术已很难满足这一要求；另外，高频化是开关电源的重要发展趋势，这使得开关电源更加小型化，但同时也带来了较为严重的电磁干扰问题，这就迫切的需要新的控制方法的出现。

传统的电压型脉冲宽度调制技术是最为常见的一种开关电源调制方法。其控制思想是：用误差放大器对开关电源的输出电压和基准电压进行比较获得误差信号，再由比较器对该误差信号与固定频率锯齿波信号进行比较获得脉宽信号，以控制开关装置的导通、关断，使输出电压达到期望值。当负载出现波动时，由于补偿网络的存在，误差信号变化相对缓慢，因而脉冲宽度的变化也较为缓慢，这使得开关电源的动态响应速度较慢。另一方面，补偿网络设计不当会造成系统不稳定，并且其设计过程十分繁琐，因而在很大程度上限制了控制电路的集成与推广。

脉冲频率调制(PFM)技术是另外一种常见形式的开关电源调制方法，和脉冲宽度调制技术不一样，它通过改变脉冲频率而不是脉冲宽度来调整占空比，从而调整输出电压值。但这种调制方法在输入电压或负载发生改变时，工作频率会发生较大的波动，从而很难设计EMI滤波器。在某些对于电磁干扰噪声敏感的电子设备的应用场合，PFM(脉冲宽度调制)技术将不适用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种开关电源的控制方法，使之克服现有技术的以上缺点。

本实用新型为解决其技术的方法是：根据开关变换器的输出状态，控制器采用两组频率不同的脉冲进行组合，以实现对开关变换器的控制，提供实现上述开关电源的双频率控制方法的装置。并在同一实用新型构思下对应于实现开关电源的双频率控制方法提出了两种具体的实现装置。

装置①由电压检测装置、比较器、脉冲生成器、脉冲选择器及驱动电路组成；其中：电压检测装置、比较器、脉冲选择器及驱动电路顺序连接；可产生两种不同频率脉冲的脉冲生成器连接在脉冲选择器上。装置②设置有由电流检测装置和比较器构成的电流比较支路与产生两种不同频率脉冲的脉冲生成器相连。电压检测装置检测输出电压，然后通过比较器控制脉冲周期选择器，电流检测装置检测电感电流，再通过比较器后与脉冲周期选择器共同作用于脉冲生成器生成控制脉冲，最后控制脉冲通过驱动电路控制主电路工作。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、与现有的单一恒定频率控制相比，本实用新型采用两组恒定频率(高频、低频)脉冲信号作为开关装置的驱动，开关信号频谱在两个工作频率上拓展，系统产生更小的电磁干扰噪声，有利于EMI滤波器的设计；

二、与现有的脉冲频率调制技术相比，本实用新型的开关电源在输入电压及负载发生改变时，开关装置的驱动始终是两组恒定频率脉冲的组合，也即是开关信号的频谱不会随着输入电压或负载的变化而在频率轴上移动，从而降低了电磁干扰噪声滤波器的设计难度；

三、相对于已有的传统电压型脉冲宽度调制技术，采用本实用新型的开关电源在负载突变时，控制器能够快速调整高频脉冲和低频脉冲所占的比例，使开关电源迅速恢复稳态；

四、控制器直接用输出电压与基准电压相比较，无需补偿网络，简化了控制环路设计，增强了系统稳定性，提高了瞬态响应速度。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型的控制系统采用技术方案①的实现装置结构框图。

图2为本实用新型实施例一的电路结构示意图。

图3为本实用新型实施例一中，输出电压与驱动信号对应关系示意图。

图4为本实用新型实施例一中，开关电源的时域仿真波形图。

图5为本实用新型实施例一和传统电压型PWM调制的开关电源在负载突变时输出电压时域仿真波形图。

图6为本实用新型实施例一和传统电压型PWM调制的开关电源功率开关管漏极和源极间电压信号频域仿真波形图。

图7为本实用新型的控制系统采用技术方案②的实现装置结构框图。

图8为本实用新型采用技术方案②的电路结构示意图。

图9为图8所示电路主要工作波形示意图。

图10为本实用新型实施例二的电路结构示意图。

图4中：(a)为控制器输出的驱动信号波形；(b)为变换器输出电压波形。

图5中：(a)为传统电压型PWM调制的开关电源在负载突变时的输出电压波形；(b)为本实用新型实施例一的开关电源在负载突变时的输出电压波形。

图6中：(a)为传统电压型PWM调制的开关电源功率开关管漏、源极间电压信号频谱图；(b)为本实用新型实施例一的开关电源功率开关管漏、源极间电压信号频谱图。

具体实施方式

实施例一

采用技术方案①：

图1示出，本实用新型的具体实施方式为：开关电源的双频率控制方法及其装置，其控制器主要由比较器、脉冲生成器、脉冲选择器及驱动电路组成。输出电压经检测装置后与基准电压相比较，比较器输出直接用于控制脉冲选择器的工作；脉冲生成器产生两组不同频率的脉冲供脉冲选择器选择；脉冲选择器的输出经驱动电路后用于控制变换器的开关装置，由此得到期望的稳定输出电压。

图2、图3给出了双频率控制技术在工作于电流断续模式下的Buck变换器中的应用。脉冲生成器产生两组具有相同导通时间但频率不同的脉冲信号(高频f_H、低频f_L)。在电流断续模式下，由于高频脉冲与低频脉冲具有相同的导通时间，所以在一个工作周期内，控制器采用高频脉冲工作可以向输出端传递更多的能量。因而，当采样到的输出电压(V_o)低于基准电压(V_ref)时，脉冲选择器选择高频脉冲作为驱动信号，输出电压上升；相反，当采样到的输出电压高于基准电压时，脉冲选择器采用低频脉冲作为驱动信号，输出电压下降。系统稳定工作后，驱动脉冲在一个大的循环周期内是高频脉冲与低频脉冲的一种组合，而各自所占的比重由输出功率决定。即负载加重时，控制器将在循环周期内选取较多的高频脉冲工作。

本例中，具体的工作过程与原理为：在任意一个脉冲信号的结束时刻，逻辑控制电路负责产生一个窄脉冲信号用以使能采样/保持电路，采样到的输出电压立即与基准电压相比较。当采样值大于基准电压时，比较器将输出低电平，表示输出电压超过了期望值，控制器将选用低频脉冲工作，使输出电压下降；反之，控制器将选用高频脉冲使输出电压上升。逻辑控制电路还负责记录控制器当前所选用的脉冲频率的高低，并相应的在这个脉冲的结束时刻产生一个窄脉冲再次使能采样/保持电路，进入下一次循环。在稳定工作状态下，输出电压将在基准电压附近的一个很小范围内波动。

仿真结果分析：

图4为采用Pspice软件对本实用新型的控制方法进行时域仿真的结果，图4分图(a)、(b)的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为驱动信号幅值(V)，(b)的纵轴为输出电压(V)。在图4中可以看出，驱动信号中低频脉冲占据了主要部分，说明负载较轻。仿真条件：输入电压V_in＝14V，输出电压V_o＝V_ref＝6V，电感L＝5.6uH，电容C＝1000uF，负载R＝5Ω，高频f_H＝56KHz、低频f_L＝18KHz，固定导通时间为6u s。

图5为采用传统电压型PWM调制和本实用新型的开关电源在负载出现突变情况下的输出电压动态响应时域仿真波形图，分图(a)、(b)分别对应传统电压型PWM调制和本实用新型，横轴均为时间(ms)，纵横均为输出电压(V)。图5中，在12ms时负载由1.2A阶跃变化至3.2A，采用传统电压型PWM调制(开关频率f_s＝37KHz)，系统响应时间需要1.6ms，并且会产生高达0.3V的偏移量；而采用本实用新型瞬态响应速度很快，几乎没有响应时间及偏移量，系统立即进入稳态。可见采用本实用新型的开关电源具有很好的负载动态特性。

图6为采用传统电压型PWM调制和本实用新型的开关电源功率开关管漏极和源极间电压信号仿真频谱图，分图(a)、(b)分别对应传统电压型控制和本实用新型，横轴均为频率(KHz)，纵轴均为功率开关管漏、源极间电压信号经傅立叶变换(FFT)后的幅值(V)。从图6中可见，采用本实用新型后，功率开关管漏、源极间电压信号在相应频率处具有更小的幅值，因而系统将产生更小的电磁干扰(EMI)噪声，有利于EMI滤波器的设计。采用技术方案②：

图7示出，本实用新型采用技术方案②的具体实施方式为：开关电源的双频率控制方法及其装置，其控制器主要由比较器、脉冲周期选择器、脉冲生成器及驱动电路组成。输出电压经检测装置后和基准电压相比较，比较的输出用于控制脉冲周期选择器工作；电流检测装置检测到的电流信号与峰值电流相比较，比较输出与脉冲周期选择器共同作用于脉冲产生器，产生的脉冲信号经驱动电路后用于控制功率变换器的开关装置，由此得到稳定的输出电压。

图8、图9给出了双频率控制技术方案②在工作于电流断续模式下的Buck变换器中的应用。具体的工作过程及原理为：在任意一个脉冲信号的开始时刻，一个窄脉冲使能采样/保持电路电路，采样到的输出电压(V_o)与基准电压(V_ref)相比较，比较的输出用于选择当前工作脉冲周期的长短。f_H’、f_L’为与f_H、f_L同频率的窄脉冲，用以使能采样/保持电路及置位RS触发器。当采样到的输出电压低于基准电压时，控制器选择f_H’工作，表明当前工作脉冲应该选用高频脉冲f_H用以提升输出电压；反之，当输出电压高于基准电压时，控制器选择f_L’工作，表明当前工作脉冲应该选用低频脉冲f_L用以降低输出电压。在任意一个脉冲信号的开始时刻，控制器已经通过采样到的电压与基准电压相比较确定了当前周期持续的长短，并置位RS触发器，使Q端输出高电平，开关管S导通，电感电流(i_L)从零开始线性上升。电流检测装置检测到的电感电流与峰值电流(I_peak)比较，当电感电流上升到峰值电流时，比较器输出电平发生改变并迅速复位RS触发器，使Q端输出低电平，开关管S关断，电感电流下降，直到下一个脉冲信号的来临再次置位RS触发器。当开关变换器稳定工作后，在任意一个开关周期内，电感电流均是以一固定斜率从零开始线性上升，由于峰值电流是固定不变的，所以高频脉冲和低频脉冲具有相同的导通时间，从而采用高频脉冲工作可向负载传递更多的能量。也正是由于峰值电流的存在，使得电感电流一旦达到峰值电流时，开关管就自动关断，从而自动实现电路的过流保护。当负载加重时，控制器将选用更多的高频脉冲f_H工作；反之，控制器将选用更多的低频脉冲f_L工作。总之，双频率控制器能根据输出状态自动调整高、低频脉冲的组合来维持输出电压恒定。

实施例二

图10示出，本例与实施例一相比，功率变换器为反激变换器，控制装置与实施例一相同。同样通过仿真证明，采用本实用新型的反激变换器的输出电压稳定，动态响应速度快，电磁干扰(EMI)噪声小。

本实用新型除了可用于控制上述实施例中的两种功率变换器外，也可用于Boost变换器、Buck-boost变换器、Cuk变换器、正激变换器、半桥变换器、全桥变换器等功率电路组成的开关电源。

Claims

1、一种开关电源的双频率控制装置，由电压检测装置、比较器、脉冲生成器、脉冲选择器及驱动电路组成，其特征在于：电压检测装置、比较器、脉冲选择器及驱动电路顺序连接；可产生两种不同频率脉冲的脉冲生成器连接在脉冲选择器上。

2、根据权利要求1所述的开关电源的双频率控制装置，其特征在于：设置有由电流检测装置和比较器构成的电流比较支路与产生两种不同频率脉冲的脉冲生成器相连。