CN203261226U - 连续工作模式开关电源的半滞环脉冲序列控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种工作于连续模式的开关电源半滞环脉冲序列控制装置：由变换器TD和控制器组成，控制器包括电压检测电路VD、电流检测与比较电路IDC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、单触发计时器OOT1、单触发计时器OOT2、驱动电路DR。其特征在于：电流检测与比较电路IDC与脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、单触发计时器OTT1、单触发计时器OTT2相连；电压检测电路VD、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、驱动电路依次相连DR；脉冲产生器PG与电流检测与比较电路IDC、单触发计时器OOT1、单触发计时器OOT2相连。本实用新型可用于控制工作于连续模式的大功率开关变换器，其控制技术简单易行，稳定性和抗干扰能力强，动态性能良好，且适用于各种拓扑结构的开关变换器。

Description

连续工作模式开关电源的半滞环脉冲序列控制装置

技术领域

本实用新型涉及开关电源,尤其是开关电源的控制装置。

背景技术

开关电源是一种通过控制主功率开关管的导通、关断时间来维持输出电压稳定的电源。它具有功耗小、电能转换效率高，体积小、稳压范围宽等优点，在各类电子产品中都有广泛的应用。随着电力电子技术的发展和电池供电的便携式电子设备的普及，对开关电源的性能要求越来越高。为改善传统的脉冲宽度调制（PWM）技术存在瞬态响应速度较慢、补偿网络设计困难等缺点，近年来提出了一些新型的控制方法，以改善开关电源的性能，使其满足电子设备对开关电源的要求。

脉冲序列（PT）控制技术是一种针对开关变换器工作在电感电流断续模式（DCM）提出的新型定频控制方法，它通过调整两组预先设定的控制脉冲的组合方式实现对输出电压的调节。由于脉冲序列控制开关变换器具有电路实现简单、不需要补偿网络、瞬态响应速度快和鲁棒性强的优点，非常适用于对可靠性要求较高的开关电源控制系统。但当脉冲序列控制开关变换器工作在电感电流连续模式（CCM）时，由于脉冲序列控制器通过调节电感电流间接调节输出电压，使控制器对输出电压的调节具有滞后性，导致开关变换器出现低频波动现象，稳态及瞬态性能变差。目前的研究表明，通过增大输出滤波电容的等效串联电阻（ESR）可抑制脉冲序列控制连续工作模式开关变换器的低频波动现象，但增大输出滤波电容的等效串联电阻会使输出电压纹波增大。

与本实用新型同时提交的专利申请提供一种开关电源的控制方法，采用该方法可用于控制工作于连续模式的大功率开关变换器，其控制技术简单易行，稳定性和抗干扰能力强，动态性能良好，适用于各种拓扑结构的开关变换器，其具体工作方式中包括：

在每个开关周期起始时刻，根据开关变换器输出电压V_o与基准电压V_ref之间的关系选择该开关周期内的有效控制脉冲，从而实现对连续工作模式开关变换器的控制。其控制脉冲选择规则为：若V_o低于V_ref，采用控制脉冲P_H控制开关变换器中的开关管S；反之，若V_o高于V_ref，采用控制脉冲P_L控制开关管S。

上述的产生控制脉冲P_H的方法是：在某个开关周期起始的t₀时刻，单触发计时器开始计时，控制脉冲P_H由低电平变为高电平，变换器TD中的开关管S开通，电感电流I_L上升；在t₀+τ_{on_H}时刻，单触发计时器结束计时，控制脉冲P_H在保持为高电平固定时间τ_{on_H}后变为低电平，开关管S关断，二极管D开通，电感电流下降；在电感电流下降到预设的电感电流谷值I_v时刻，控制脉冲P_H在保持为低电平时间τ_{off_H}后变为高电平，单触发计时器再次开始计时，开关管S再次开通，变换器进入下一个开关周期。

上述的产生控制脉冲P_L的方法与上述过程类似，区别在于在一个开关周期内控制脉冲P_L为低电平的持续时间为τ_{on_L}（τ_{on_L}<τ_{on_H}）。

与现有技术相比，上述方法的有益效果是：

一、本为连续工作模式开关变换器提供了一种简单可靠的控制方法。该控制方法通过在每个开关周期的起始时刻检测一次输出电压并简单判断其大小，和检测电感电流并简单判断其大小，即可完成对变换器中主开关管S的控制。克服了传统的连续模式变换器控制方法难以避免的检测和处理反馈量复杂、补偿环节设计繁琐等缺点。

二、本所提供的控制方法可抑制脉冲序列控制连续工作模式开关变换器的低频波动现象，使被控变换器的工作范围不受脉冲序列控制变换器电感电流临界条件的限制，拓宽了应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的是为上述开关电源的控制方法提供得以实现的装置。

由变换器TD和控制器组成，控制器包括电压检测电路VD、电流检测与比较电路IDC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、单触发计时器OOT1、单触发计时器OOT2、驱动电路DR，其结构特点是：电流检测与比较电路IDC与脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、单触发计时器OTT1、单触发计时器OTT2相连；电压检测电路VD、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、依次相连至驱动电路DR；脉冲产生器PG与电流检测与比较电路IDC、单触发计时器OOT1、单触发计时器OOT2相连。

该装置的工作过程和原理是：电流检测与比较电路检测电感电流I_L，并将电感电流I_L与预设的电感电流谷值I_v比较，在电感电流I_L下降到预设的电感电流谷值I_v时刻，产生时钟脉冲信号V_C1；当时钟脉冲来临时刻，脉冲选择器比较此时输出电压V_o与基准电压V_ref的大小关系，并将代表比较结果的逻辑信号输出至脉冲产生器；脉冲产生器根据单触发计时器记时和电流检测与比较电路的比较结果，产生频率和占空比均不同的控制脉冲P_H、P_L，并根据输出电压V_o与基准电压V_ref的大小关系输出对应的控制脉冲实现对变换器开关管S的控制。

可见，采用以上装置可以方便可靠地实现以上所述开关电源的控制方法。以上装置的脉冲选择器和脉冲产生器结构简单，性能稳定，能够可靠地实现上述方法中的相关功能。上述控制装置中，控制脉冲的选择和产生也可以采用现有的其他结构的电路实现。

上述的电流检测与比较电路的具体组成为：由电流检测电路ID和比较器AC1组成；比较器AC1的正极性端接预设谷值电流I_v，负极性端接电流检测电路ID输出的电感电流I_L。

这样，比较器AC1将电感电流I_L同预设谷值电流I_v进行比较，当电感电流I_L低于预设谷值电流I_v时，比较器AC1的输出信号V_C1为高电平，反之，当I_L低于I_v时，V_C1为低电平。

上述的脉冲选择器的具体组成为:由比较器AC2和D触发器DFF组成；比较器AC2的正极性端接电压检测电路VD输出的变换器输出电压V_o，负极性端接基准电压V_ref，AC2的输出端与D触发器DFF的D端相连。

这样，比较器AC2将输出电压V_o同基准电压V_ref进行比较，当输出电压V_o低于基准电压V_ref时，比较器AC2的输出信号V_C2为低电平，反之，当V_o低于V_ref时，V_C2为高电平；当V_C1上升沿来临时，D触发器DFF将此时比较器AC2的输出信号V_C2输出至Q端，产生脉冲选择信号V_Q，根据触发器的工作原理：V_Q在V_C1的下一个上升沿来临之前保持不变，且

的电平高低始终与V_Q相反。

上述的脉冲产生器的具体组成为:由RS触发器RSFF1、RSFF2，与门AG1、AG2，以及或门OG组成；RS触发器RSFF1和RSFF2的S端均接电流检测与比较电路的输出信号V_C1，R端分别接单触发计时器OOT1和OOT2的输出信号V_TL和V_TH；与门AG1的输入端接RS触发器RSFF1的Q端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接RS触发器RSFF2的Q端和触发器DFF的

端；或门OG的输入端接与门AG1和AG2的输出端，OG1的输出端接开关管S的驱动电路DR。

这样，在电感电流I_L下降到预设的电感电流谷值I_v时刻，RS触发器RSFF1的S端输入高电平，RSFF1输出的控制脉冲信号P_L为高电平，当单触发计时器OOT1记时结束时，RS触发器RSFF1的R端输入高电平，RSFF1输出的控制脉冲信号P_L变为低电平；RS触发器RSFF2的工作过程与上述RSFF1类似，但由于RSFF2的R端接单触发计时器OOT2，单触发计时器OOT2的记时时长大于单触发计时器OOT1的记时时长，RSFF2输出的控制脉冲信号P_H的高电平持续时间大于P_L；当脉冲选择信号V_Q为高电平，

为低电平时，与门AG1开通，AG2被封锁，或门OG输出控制脉冲P_L至驱动电路；反之，当脉冲选择信号V_Q为低电平，

为高电平时，与门AG2开通，AG1被封锁，或门OG输出控制脉冲P_H至驱动电路。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例一方法的信号流程图。

图2为本实用新型实施例一的电路结构框图。

图3为本实用新型实施例一的电流检测与比较电路的电路结构图。

图4为本实用新型实施例一的脉冲选择器的电路结构图。

图5为本实用新型实施例一的脉冲产生器的电路结构图。

图6a为本实用新型实施例一在稳态条件下某一时段电感电流I_L的时域仿真波形图。

图6b为与图6a同一时段电流检测与比较电路产生的开关周期开始时刻的时钟脉冲信号V_C1的时域仿真波形图。

图6c为与图6a同一时段控制脉冲信号P_H的时域仿真波形图。

图6d为与图6a同一时段控制脉冲信号P_L的时域仿真波形图。

图6e为与图6a同一时段有效控制脉冲信号V_P的时域仿真波形图。

图6f为与图6a同一时段变换器输出电压V_o的时域仿真波形图。

图6仿真条件如下：输入电压V_in=50V、输出基准电压V_ref=20V、电感L=400μH、电容C=200μF、负载阻值R=10Ω、控制脉冲P_H的高电平的持续时间为τ_{on_H}=8μs、控制脉冲P_L的高电平的持续时间为τ_{on_L}=1μs、预设谷值电流I_v=1.8A。

图7a为现有的脉冲序列控制变换器在稳态条件下某一时段，有效控制脉冲信号中P_H脉冲的时域仿真波形图。

图7b为现有的脉冲序列控制变换器在与图7a同一时段，有效控制脉冲信号中P_L脉冲的时域仿真波形图。

图7c为现有的脉冲序列控制变换器在与图7a同一时段，变换器输出电压V_o的时域仿真波形图。

图7仿真条件如下：输入电压V_in=50V、输出基准电压V_ref=20V、电感L=400μH、电容C=200μF、负载阻值R=10Ω、控制脉冲P_H的占空比为D_H=0.8、控制脉冲P_L的占空比为D_L=0.1、变换器的开关频率为f=100kHz。

图8为本实施例二的电路结构框图。

图9为本实施例三的电路结构框图。

具体实施方式

实施例一

在每个开关周期起始时刻，控制器根据开关变换器TD的输出电压V_o与基准电压V_ref之间的关系选择该开关周期内的有效控制脉冲，从而实现对开关变换器TD的控制。其控制脉冲选择规则为：若V_o低于V_ref，采用控制脉冲P_H控制开关变换器中的开关管S；反之，若V_o高于V_ref，采用控制脉冲P_L控制开关管S。

控制器产生控制脉冲P_H的方法是：在某个开关周期起始的t₀时刻，单触发计时器开始计时，控制脉冲P_H由低电平变为高电平，变换器TD中的开关管S开通，电感电流I_L上升；在t₀+τ_{on_H}时刻，单触发计时器结束计时，控制脉冲P_H在保持为高电平固定时间τ_{on_H}后变为低电平，开关管S关断，二极管D开通，电感电流下降；在电感电流下降到预设的谷值电流I_v时刻，控制脉冲P_H在保持为低电平时间τ_{off_H}后变为高电平，变换器进入下一个开关周期。

控制器产生控制脉冲P_L的方法与上述过程类似，区别在于在一个开关周期内控制脉冲P_L为低电平的持续时间分别为τ_{on_L}（τ_{on_L}<τ_{on_H}）。

本例采用以下的装置，可使上述控制方法得以方便快捷地实现。

图2示出，本例的开关电源的控制方法的装置，由变换器TD和控制器组成，控制器包括电压检测电路VD、电流检测与比较电路IDC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、单触发计时器OOT1、单触发计时器OOT2、驱动电路DR，其结构特点是：电流检测与比较电路IDC与脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、单触发计时器OTT1、单触发计时器OTT2相连；电压检测电路VD、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、驱动电路依次相连DR；脉冲产生器PG与电流检测与比较电路IDC、单触发计时器OOT1、单触发计时器OOT2相连。

图3示出，本例的电流检测与比较电路IDC的具体组成为:由电流检测电路ID和比较器AC1组成；比较器AC1的正极性端接预设谷值电流I_v，负极性端接电流检测电路ID输出的电感电流I_L；比较器AC1的输出端与脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、单触发计时器OTT1、单触发计时器OTT2相连。

图4示出，本例的脉冲选择器PS的具体组成为:由比较器AC2和D触发器DFF组成；比较器AC2的正极性端接电压检测电路VD输出的变换器输出电压V_o，负极性端接基准电压V_ref，AC2的输出端与D触发器DFF的D端相连；D触发器DFF的输出端Q和

与脉冲产生器PG相连。

图5示出，本例的脉冲产生器PG的具体组成为:由RS触发器RSFF1、RSFF2，与门AG1、AG2，以及或门OG组成；RS触发器RSFF1和RSFF2的S端均接电流检测与比较电路的输出信号V_C1，R端分别接单触发计时器OOT1和OOT2的输出信号V_TL和V_TH；与门AG1的输入端接RS触发器RSFF1的Q端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接RS触发器RSFF2的Q端和触发器DFF的

端；或门OG的输入端接与门AG1和AG2的输出端，OG1的输出端接开关管S的驱动电路DR。

本例的装置其工作过程和原理是：

图1-5示出，电流检测与比较电路IDC产生开关管周期开始的时钟脉冲信号V_C1；当时钟脉冲信号V_C1来临时刻，脉冲选择器PS比较此时输出电压V_o与基准电压V_ref的大小关系，并将代表比较结果的逻辑信号输出至脉冲产生器PG；于此同时，单触发计时器OOT1或OOT2开始计时；脉冲产生器PG根据单触发计时器OOT1或OOT2的记时信号V_TL或V_TH、时钟脉冲信号V_C1产生频率和占空比均不同的控制脉冲P_H、P_L实现对变换器开关管S的控制。

电流检测与比较电路IDC完成电感电流检测和比较产生开关周期开始时刻的时钟脉冲信号V_C1:图2、3示出，电流检测电路ID检测电感电流I_L；比较器AC1将预设谷值电流I_v与电感电流I_L进行比较；当电感电流I_L低于预设谷值电流I_v时，比较器AC1的输出信号V_C1为高电平，反之，当I_L低于I_v时，V_C1为低电平；由于电感电流I_L低于预设谷值电流I_v时刻，变换器开关管S开通，I_L开始上升，比较器AC1的输出信号V_C1为一系列窄脉冲信号。

脉冲选择器PS完成输出电压的比较和控制脉冲的选择：图2、4示出，比较器AC2将输出电压V_o同基准电压V_ref进行比较，当输出电压V_o低于基准电压V_ref时，比较器AC2的输出信号V_C2为低电平，反之，当V_o低于V_ref时，V_C2为高电平；当V_C1上升沿来临时，D触发器DFF将此时比较器AC2的输出信号V_C2输出至Q端，产生脉冲选择信号V_Q，根据触发器的工作原理：V_Q在V_C1的下一个上升沿来临之前保持不变，且

的电平高低始终与V_Q相反。

脉冲产生器PG完成控制脉冲的产生和输出：图2、5示出，当V_C1上升沿来临时，RS触发器RSFF1的S端输入高电平，RSFF1输出的控制脉冲信号P_L为高电平，当单触发计时器OOT1记时结束时，RS触发器RSFF1的R端输入高电平，RSFF1输出的控制脉冲信号P_L变为低电平；RS触发器RSFF2的工作过程与上述RSFF1类似，但由于RSFF2的R端接单触发计时器OOT2，单触发计时器OOT2的记时时长大于单触发计时器OOT1的记时时长，RSFF2输出的控制脉冲信号P_H的高电平持续时间大于P_L；当脉冲选择信号V_Q为高电平，

为低电平时，与门AG1开通，AG2被封锁，或门OG输出控制脉冲P_L至驱动电路；反之，当脉冲选择信号V_Q为低电平，

为高电平时，与门AG2开通，AG1被封锁，或门OG输出控制脉冲P_H至驱动电路。

本例的变换器为Buck变换器。

用PSIM软件对本例的方法进行时域仿真分析，结果如下。

图6为仿真得到的采用上述控制方法及其控制装置的变换器在额定工作状态下的工作波形。图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f分别为变换器电感电流I_L、开关周期开始时刻的时钟脉冲信号V_C1、控制脉冲信号P_H、控制脉冲信号P_L、效控制脉冲信号V_P、变换器输出电压V_o。从图6可看出，13个开关周期组成循环周期，开关管S的控制脉冲组成的脉冲序列为：1P_H—5P_L—1P_H—6P_L。变换器不存在低频波动现象，变换器输出电压纹波约17mV。

图7为现有的脉冲序列控制变换器在额定工作状态下的工作波形。图7a、图7b、图7c分别为变换器有效控制脉冲信号中P_H脉冲、有效控制脉冲信号中P_L脉冲、变换器输出电压V_o的时域仿真波形图。从图6可看出，当变换器工作在连续模式时，控制脉冲信号P_H和控制脉冲信号P_L连续作为有效控制脉冲，变换器输出出现低频波动现象，变换器输出电压纹波约0.85V，远大于本实施例一中变换器输出电压纹波17mV。故采用本的变换器可抑制脉冲序列控制连续工作模式开关变换器的低频波动现象，使被控变换器的工作范围不受脉冲序列控制变换器电感电流临界条件的限制。

实施例二

图8示出，本例与实施例一基本相同，不同之处是：本例控制的开关电源的变换器TD为Boost变换器。

实施例三

图9示出，本例与实施例一基本相同，不同之处是：本例控制的开关电源的变换器TD为Buck-Boost变换器。

本实用新型可方便地用模拟器件或数字器件实现；除可用于以上实施例中的变换器组成的开关电源外，也可用于Cuk变换器、BIFRED变换器、反激变换器、半桥变换器、全桥变换器等多种功率电路组成开关电源。

Claims (4)

1.一种连续工作模式开关电源的半滞环脉冲序列控制装置，其特征在于,由变换器TD和控制器组成，控制器包括电压检测电路VD、电流检测与比较电路IDC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、单触发计时器OOT1、单触发计时器OOT2、驱动电路DR，其结构特点是：电流检测与比较电路IDC与脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、单触发计时器OTT1、单触发计时器OTT2相连；电压检测电路VD、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、依次相连至驱动电路DR；脉冲产生器PG与电流检测与比较电路IDC、单触发计时器OOT1、单触发计时器OOT2相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电流检测与比较电路IDC的具体组成为:比较器AC1的正极性端接预设谷值电流I_v，负极性端接电流检测电路ID输出的电感电流I_L。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的脉冲选择器的具体组成为:由比较器AC2和D触发器DFF组成；比较器AC2的正极性端接电压检测电路VD输出的变换器输出电压V_o，负极性端接基准电压V_ref，AC2的输出端与D触发器DFF的D端相连。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的脉冲产生器的具体组成为:由RS触发器RSFF1、RSFF2，与门AG1、AG2，以及或门OG组成；RS触发器RSFF1和RSFF2的S端均接电流检测与比较电路的输出信号V_C1，R端分别接单触发计时器OOT1和OOT2的输出信号V_TL和V_TH；与门AG1的输入端接RS触发器RSFF1的Q端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接RS触发器RSFF2的Q端和触发器DFF的

端；或门OG的输入端接与门AG1和AG2的输出端，OG1的输出端接开关管S的驱动电路DR。

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