CN202218159U - 应用双环四反馈控制环路的直流开关电源 - Google Patents

应用双环四反馈控制环路的直流开关电源 Download PDF

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汤承昭
张�浩
李传静
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Abstract

本实用新型公开了一种应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，包括主电路和控制电路，控制电路包括电压控制环路，其特征在于：还包括电流控制环路，其通过逻辑“or”自动与电压控制环路进行切换。本实用新型通过多个反馈点的信号的采集与内外环路的设计，实现了开关电源的多环路控制策略，得到了优良的控制精度与输出指标。

Description

应用双环四反馈控制环路的直流开关电源
技术领域
本实用新型涉及开关电源领域，尤其是应用双环四反馈控制环路的直流开关电源。
背景技术
直流开关电源是构建许多其他类型电能变换器的基本组成部分。然而为了有效实现各种电能变换功能，并使系统安全、平稳地运行，开关电源必须与其他功能模块相互配合，组成一个控制系统，共同完成电能的变换和调节。直流开关电源包含主电路和控制电路，两种电路相互配合，共同工作，构成完整的开关调节系统。
根据主电路的拓扑结构与直流开关电源静态性能指标和动态性能指标的要求，进行控制电路的设计。根据实现控制的采样信号的不同，直流开关控制系统可以分为：电压控制型开关调节系统、平均电流控制型开关调节系统和峰值电流控制型开关调节系统。
传统设计中为了达到恒压输出目的，根据主电路的不同，选择不同的控制器，比如：单极点、具有增益限制的单极点、单极点与单零点和双极点与双零点控制器等。应用这些控制器，可以实现直流源恒压输出的目的。但是随着技术的不断进步，不同的负载类型不断出现。在恒压源得到广泛应用的同时，对于恒流源的应用要求也越来越多，要求直流开关电源在恒压输出与恒流输出间可以进行无时差切换。同时对于直流开关电源瞬态特性的要求、过载运行、长时间可靠运行的要求也越来越高。
实用新型内容
本实用新型所要解决的问题是提供一种适应不同负载类型、适应恒流源要求的直流开关电源，该直流开关电源还满足电源瞬态特性好、过载运行、长时间可靠运行的要求。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，包括主电路和控制电路，控制电路包括电压控制环路，还包括电流控制环路，其通过逻辑“or”自动与电压控制环路进行切换。
所述电压控制环路包括电压环控制器                                                
Figure 2011203097053100002DEST_PATH_IMAGE001
、开关变换器传递函数模块、控制对象传递函数模块
Figure 2011203097053100002DEST_PATH_IMAGE003
、输出级阻抗传递函数模块
Figure 901733DEST_PATH_IMAGE004
与输出电压采样传递函数模块
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，输出电压给定
Figure 679196DEST_PATH_IMAGE006
给予电压环控制器
Figure 97539DEST_PATH_IMAGE001
，输出电压采样传递函数模块模块
Figure 348171DEST_PATH_IMAGE005
反馈回的电压重新输入到电压环控制器
Figure 205269DEST_PATH_IMAGE001
，形成电压反馈环路；所述电流控制环路包括电流环控制器
Figure DEST_PATH_IMAGE007
、开关变换器传递函数模块
Figure 837238DEST_PATH_IMAGE008
、控制对象传递函数模块
Figure 426483DEST_PATH_IMAGE003
、输出级阻抗传递函数模块与输出电流采样传递函数模块
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，输出电流给定
Figure 804692DEST_PATH_IMAGE010
给予电流环控制器，输出电流采样传递函数模块
Figure 379209DEST_PATH_IMAGE009
反馈回的电流重新输入到电流环控制器
Figure 583926DEST_PATH_IMAGE007
，形成电流反馈环路。
所述逻辑“or”电路包括：运算放大器一1，供对电压反馈与电压给定的差进行误差放大；运算放大器二2，供对电流反馈和电流给定的差进行误差放大；二极管D1、二极管D2，供实现电压控制环路和电流控制环路的切换；接地VCC、电阻R1，用于直流电源优先选择输出电压低的运算放大器的环路工作。
还包括快速电压反馈内环，所述快速电压反馈内环包括开关变换器传递函数模块
Figure DEST_PATH_IMAGE011
、控制对象传递函数模块
Figure 454930DEST_PATH_IMAGE012
、快速电压环电压采样传递函数模块
Figure DEST_PATH_IMAGE013
、快速电压环控制器
Figure 61492DEST_PATH_IMAGE014
，用于直接对直流开关电源的输出滤波电容前端电压进行采样控制，其信号输出直接与运算放大器一1或运算放大器而2的输出进行叠加；还包括原边电流反馈内环，所述原边电流反馈内环包括原边电流环控制器
Figure 320435DEST_PATH_IMAGE015
、开关变换器传递函数模块
Figure 743938DEST_PATH_IMAGE016
、原边电流环原边电流采样传递函数模块
Figure 684212DEST_PATH_IMAGE017
与控制对象传递函数模块
Figure 207598DEST_PATH_IMAGE003
，还包括直流开关电源的主变压器、电流互感器、电阻R238、比例误差放大器TLC2272，在直流开关电源的变压器原边安装电流互感器用于采集变压器原边电流，通过电阻R238将电流信号转换为电压信号，然后通过比例误差放大器TLC2272与原边电流内环给定信号求差，得到占空比控制误差信号。
快速电压环控制器
Figure 309546DEST_PATH_IMAGE018
为比例微分控制器，用于实现对电压信号的快速超前跟踪。
本实用新型在传统电压型控制系统上增加了实现恒流输出功能的电流控制环路，同时增加两个内部反馈环路：原边电流反馈环和快速电压反馈环。增加恒流环之后，可以实现直流源恒压输出与恒流输出的无时差切换。增加两个内部反馈环的好处是：原边电流反馈环的采样信号为开关模块的输出电流，采样后在环路的最内部对占空比进行控制，可以实现对模块过流的迅速保护；快速电压反馈环的采样信号为电容前端电压，并且其控制器设计为比例微分控制，可以实现对电压信号的快速超前跟踪，提高直流开关的基本指标如vpp，与瞬态特性指标等。本实用新型通过多个反馈点的信号的采集与内外环路的设计，实现了开关电源的多环路控制策略，得到了优良的控制精度与输出指标。
附图说明
图1为本实用新型主电路框图；
图2为本实用新型控制电路环路框图；
图3为两个控制环路切换电路原理图；
图4为快速电压反馈内环电路原理图；
图5为原边电流反馈内环电路原理图。
其中图中：
Figure 551171DEST_PATH_IMAGE006
：输出电压给定；
：输出电流给定；
Figure 407449DEST_PATH_IMAGE001
：电压环控制器；
Figure 945878DEST_PATH_IMAGE019
:电流环控制器；
Figure 409220DEST_PATH_IMAGE020
：快速电压环控制器；
Figure 691297DEST_PATH_IMAGE015
：原边电流环控制器；
Figure 189274DEST_PATH_IMAGE003
：控制对象传递函数模块；
Figure 633025DEST_PATH_IMAGE004
：输出级阻抗传递函数模块，用于恒流输出时，电流环控制器的设计；
Figure 786926DEST_PATH_IMAGE005
：输出电压采样传递函数模块；
Figure 669431DEST_PATH_IMAGE009
：输出电流采样传递函数模块；
Figure 956669DEST_PATH_IMAGE021
：快速电压环电压采样传递函数模块；
Figure 633638DEST_PATH_IMAGE022
：原边电流环原边电流采样传递函数模块；
Figure 9255DEST_PATH_IMAGE023
：开关变换器传递函数模块；
1：运算放大器一；2：运算放大器二；3：主变压器；4：输出滤波电容。
下面结合附图做进一步说明。
具体实施方式
如图1所示本实用新型主电路框图。
如图2所示。电压控制环路包括电压环控制器
Figure 633135DEST_PATH_IMAGE001
、开关变换器传递函数模块、控制对象传递函数模块
Figure 891258DEST_PATH_IMAGE003
、输出级阻抗传递函数模块
Figure 754171DEST_PATH_IMAGE004
与输出电压采样传递函数模块
Figure 978479DEST_PATH_IMAGE005
，输出电压给定
Figure 305556DEST_PATH_IMAGE006
给予电压环控制器
Figure 527589DEST_PATH_IMAGE001
，输出电压采样传递函数模块模块
Figure 674537DEST_PATH_IMAGE005
反馈回的电压重新输入到电压环控制器
Figure 640219DEST_PATH_IMAGE001
，形成电压反馈环路，实现电压的恒定输出；电流控制环路包括电流环控制器
Figure 821802DEST_PATH_IMAGE007
、开关变换器传递函数模块
Figure 214737DEST_PATH_IMAGE008
、控制对象传递函数模块
Figure 114560DEST_PATH_IMAGE003
、输出级阻抗传递函数模块
Figure 615424DEST_PATH_IMAGE004
与输出电流采样传递函数模块，输出电流给定
Figure 215349DEST_PATH_IMAGE010
给予电流环控制器
Figure 336889DEST_PATH_IMAGE007
，输出电流采样传递函数模块
Figure 644374DEST_PATH_IMAGE009
反馈回的电流重新输入到电流环控制器
Figure 800548DEST_PATH_IMAGE007
，形成电流反馈环路，实现电流的恒定输出。
根据负载大小与设置输出电压给定
Figure 535286DEST_PATH_IMAGE006
和输出电流给定
Figure 144122DEST_PATH_IMAGE010
的不同，两个环路通过“or”点自动进行切换。电源运行中，只能够在此两个环路中的一个中工作。本实用新型通过两个二极管，即二极管D1、二极管D2来实现此两个环路的切换工作，如图3所示。电路中的两个运算放大器，即运算放大器一1（TLE2082）、运算放大器二2（TLE2082），分别通过对电压反馈与电压给定的差和电流反馈和电流给定的差进行误差放大；由于VCC与电阻R1的存在，直流电源优先选择输出电压低的运算放大器的环路工作。
开关变换器传递函数模块、控制对象传递函数模块
Figure 400DEST_PATH_IMAGE003
、快速电压环电压采样传递函数模块
Figure 906039DEST_PATH_IMAGE021
、快速电压环控制器
Figure 2171DEST_PATH_IMAGE018
构成快速电压反馈内环，直接对直流电源的输出滤波电容4前端电压进行采样控制，其信号输出直接与电压或者电流外环误差运算放大器一1或运算放大器二2的输出进行叠加，如图4所示。
原边电流环控制器
Figure 651458DEST_PATH_IMAGE015
、开关变换器传递函数模块、原边电流环原边电流采样传递函数模块
Figure 921082DEST_PATH_IMAGE025
与控制对象传递函数模块
Figure 176614DEST_PATH_IMAGE003
构成原边电流反馈内环，通过在直流电源的主变压器3原边安装电流互感器采集变压器原边电流，此电流采样信号与原边电流内环给定信号，通过一个比例误差放大器TLC2272进行放大，产生占空比控制信号输入电源芯片UC3879，进行占空比的调制。若通过变压器原边的电流瞬间过大，即流过开关管的电流瞬间过大，则通过此处的电流反馈采样，迅速调整占空比，保证了电源的正常安全工作，如图5所示。CSample+与CSample-通过40A：20mA的电流互感器采集变压器原边电流，通过R238将电流信号转换为电压信号，然后通过比例误差放大器TLC2272与原边电流内环给定信号求差，得到占空比控制误差信号。
本实用新型在传统电压型控制系统上增加了实现恒流输出功能的电流控制环路，同时增加两个内部反馈环路：原边电流反馈环和快速电压反馈环。增加恒流环之后，可以实现直流源恒压输出与恒流输出的无时差切换。增加两个内部反馈环的好处是：原边电流反馈环的采样信号为开关模块的输出电流，采样后在环路的最内部对占空比进行控制，可以实现对模块过流的迅速保护；快速电压反馈环的采样信号为电容前端电压，并且其控制器设计为比例微分控制，可以实现对电压信号的快速超前跟踪，提高直流开关的基本指标如vpp，与瞬态特性指标等。本实用新型通过多个反馈点的信号的采集与内外环路的设计，实现了开关电源的多环路控制策略，得到了优良的控制精度与输出指标。

Claims (5)

1.一种应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，包括主电路和控制电路，控制电路包括电压控制环路，其特征在于：还包括电流控制环路，其通过逻辑“or” 自动与电压控制环路进行切换。
2.根据权利要求1所述的应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，其特征在于：所述电压控制环路包括电压环控制器（                                                
Figure 573156DEST_PATH_IMAGE001
）、开关变换器传递函数模块（）、控制对象传递函数模块（）、输出级阻抗传递函数模块（）与输出电压采样传递函数模块（
Figure 234896DEST_PATH_IMAGE005
），输出电压给定（
Figure 416479DEST_PATH_IMAGE006
）给予电压环控制器（
Figure 809414DEST_PATH_IMAGE001
），输出电压采样传递函数模块模块（
Figure 709237DEST_PATH_IMAGE005
）反馈回的电压重新输入到电压环控制器（
Figure 275347DEST_PATH_IMAGE001
），形成电压反馈环路；所述电流控制环路包括电流环控制器（
Figure 249119DEST_PATH_IMAGE007
）、开关变换器传递函数模块（
Figure 875273DEST_PATH_IMAGE008
）、控制对象传递函数模块（）、输出级阻抗传递函数模块（
Figure 304297DEST_PATH_IMAGE004
）与输出电流采样传递函数模块（），输出电流给定（
Figure 129963DEST_PATH_IMAGE011
）给予电流环控制器（
Figure 738799DEST_PATH_IMAGE007
），输出电流采样传递函数模块（）反馈回的电流重新输入到电流环控制器（
Figure 798339DEST_PATH_IMAGE007
），形成电流反馈环路。
3.根据权利要求1或2所述的应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，其特征在于：所述逻辑“or”电路包括：运算放大器一（1），供对电压反馈与电压给定的差进行误差放大；运算放大器二（2），供对电流反馈和电流给定的差进行误差放大；二极管（D1）、二极管（D2），供实现电压控制环路和电流控制环路的切换；接地（VCC）、电阻（R1），用于直流电源优先选择输出电压低的运算放大器的环路工作。
4.根据权利要求1或2所述的应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，其特征在于：还包括快速电压反馈内环，所述快速电压反馈内环包括开关变换器传递函数模块（
Figure 766295DEST_PATH_IMAGE002
）、控制对象传递函数模块（
Figure 800110DEST_PATH_IMAGE009
）、快速电压环电压采样传递函数模块（）、快速电压环控制器（
Figure 314585DEST_PATH_IMAGE013
），用于直接对直流开关电源的输出滤波电容（4）前端电压进行采样控制，其信号输出直接与运算放大器一（1）或运算放大器而（2）的输出进行叠加；还包括原边电流反馈内环，所述原边电流反馈内环包括原边电流环控制器（）、开关变换器传递函数模块（
Figure 974554DEST_PATH_IMAGE002
）、原边电流环原边电流采样传递函数模块（
Figure 161952DEST_PATH_IMAGE015
）与控制对象传递函数模块（
Figure 84909DEST_PATH_IMAGE009
），还包括直流开关电源的主变压器（3）、电流互感器、电阻（R238）、比例误差放大器（TLC2272），在直流开关电源的变压器原边安装电流互感器用于采集变压器原边电流，通过电阻（R238）将电流信号转换为电压信号，然后通过比例误差放大器TLC2272与原边电流内环给定信号求差，得到占空比控制误差信号。
5.根据权利要求4所述的应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，其特征在于：快速电压环控制器（）为比例微分控制器，用于实现对电压信号的快速超前跟踪。
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