CN207994929U - 一种单电感双输出开关变换器的解耦补偿装置 - Google Patents
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Abstract
一种单电感双输出开关变换器的解耦补偿装置，第一电流检测电路的输出端通过第一解耦补偿网络连接到第二减法器的第一输入端，第二电流检测电路的输出端通过第四解耦补偿网络连接到第一减法器的第一输入端；第一补偿网络的输出端通过第三解耦补偿网络连接到第二减法器的第二输入端，第二补偿网络的输出端通过第二解耦补偿网络连接到第一减法器的第二输入端；第一补偿网络的输出端还连接到第一减法器的第三输入端，第二补偿网络的输出端还连接到第二减法器的第三输入端；第一减法器的输出端连接到第一控制网络的输入端，第二减法器的输出端连接到第二控制网络的输入端。使单电感双输出开关变换器的主功率电路和控制电路均实现完全解耦。
Description
技术领域
本实用新型涉及开关变换器技术领域，尤其是一种单电感双输出开关变换器的解耦补偿装置。
背景技术
随着便携式电子产品的快速发展，其供电电源朝着体积小、成本低、效率高、多输出的方向发展。单电感多输出开关变换器通过一个电感实现多路输出，有效减小了变换器的体积、降低了制作成本并且提高了转换效率，受到了学术界和工业界的广泛关注。
以单电感双输出开关变换器为例，根据电感电流的工作模式，单电感双输出开关变换器可以分为：断续导电模式(discontinuous conduction mode,DCM)、伪连续导电模式(pseudo continuous conduction mode,PCCM)和连续导电模式(continuous conductionmode,CCM)。工作在DCM模式的单电感双输出开关变换器输出支路间无交叉影响，但电感电流纹波大、带负载能力差；工作在PCCM模式的单电感双输出开关变换器改善了电感电流纹波大的缺点，但由于引入续流阶段，增加了额外的开关损耗和导通损耗，降低了变换器的效率；工作在CCM模式的单电感双输出开关变换器，输出电压以及电感电流纹波小、带负载能力强、转换效率高，但各个输出支路通过电感电流耦合在一起，当一条输出支路负载变化时，将通过电感电流影响到另一条输出支路，即输出支路间存在交叉影响。
另一方面，单电感双输出开关变换器输出支路的开关管采用时分复用技术，支路开关管互补导通。当一条输出支路负载变化时，通过反馈环路调节该输出支路开关管的导通占空比，而另一条输出支路开关管的导通占空比也将随之变化，这使得另一条输出支路的输出电压发生变化，即输出支路间存在交叉影响。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种抑制单电感双输出开关变换器输出支路间交叉影响的装置，以消除单电感双输出开关变换器工作在CCM模式时输出支路间存在交叉影响的缺点，同时适用于多种拓扑结构以及多种控制方法的单电感双输出开关变换器。
本实用新型实现其目的所采用的技术方案是：
一种单电感双输出开关变换器的解耦补偿装置，包括第一解耦补偿网络T11、第二解耦补偿网络T21、第三解耦补偿网络T12、第四解耦补偿网络T22、第一减法器SUB1和第二减法器SUB2；第一电流检测电路IS1的输出端通过T11连接到SUB2的第一输入端，第二电流检测电路IS2的输出端通过T22连接到SUB1的第一输入端；控制环路第一补偿网络Gc1的输出端通过T12连接到SUB2的第二输入端，控制环路第二补偿网络Gc2的输出端通过T21连接到SUB1的第二输入端；Gc1的输出端还连接到SUB1的第三输入端，Gc2的输出端还连接到SUB2的第三输入端；SUB1的输出端连接到第一控制网络Gm1的输入端，SUB2的输出端连接到第二控制网络Gm2的输入端。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
一、为单电感双输出开关变换器提供了一种简单可靠的解耦补偿装置，主电路和控制电路均实现了完全解耦。
二、克服了传统的单电感双输出开关变换器工作在CCM模式时输出支路间存在交叉影响的缺点。
三、在输入电压发生改变时，输出电压纹波变化量小、调节时间短，瞬态响应性能高。
附图说明
图1为本实用新型解耦补偿装置的电路结构框图。
图2a为传统的电压型控制单电感双输出buck变换器原理框图。
图2b为传统的电压型控制单电感双输出buck变换器的传递函数等效电路框图。
图3a为本实用新型实施例一的电压型控制单电感双输出buck变换器原理框图。
图3b为本实用新型实施例一的电压型控制单电感双输出buck变换器的传递函数等效电路框图。
图4a为传统电压型控制单电感双输出buck变换器在a输出支路负载跳变时，两输出支路输出电压的时域仿真波形。
图4b为本实用新型的单电感双输出buck变换器在a输出支路负载跳变时，两输出支路输出电压的时域仿真波形。
图5a为传统电压型控制单电感双输出buck变换器在b输出支路负载跳变时，两输出支路输出电压的时域仿真波形。
图5b为本实用新型的单电感双输出buck变换器在b输出支路负载跳变时，两输出支路输出电压的时域仿真波形。
图6a为传统电压型控制单电感双输出buck变换器在输入电压跳变时，两输出支路输出电压的时域仿真波形。
图6b为本实用新型的单电感双输出buck变换器在输入电压跳变时，两输出支路输出电压的时域仿真波形。
图7a为本实用新型实施例二的共模-差模电压型控制单电感双输出buck变换器的电路结构原理框图。
图7b为本实用新型实施例二的共模-差模电压型控制单电感双输出buck变换器的传递函数等效电路框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
实施例一：
图1示出，本实用新型的一种具体实施方式为：单电感双输出开关变换器的解耦补偿装置及方法，由第一电流检测电路IS1、第二电流检测电路IS2、第一解耦补偿网络T11、第二解耦补偿网络T21、第三解耦补偿网络T12、第四解耦补偿网络T22、第一减法器SUB1、第二减法器SUB2组成；在每个开关周期开始时刻，检测主功率电路输出支路的负载电流，得到信号Ia、Ib；检测控制环路补偿网络Gc1、Gc2的输出，得到信号Vgc1、Vgc2；将Ia送入到第一解耦补偿网络T11，得到信号Vt11；将Ib送入到第四解耦补偿网络T22，得到信号Vt22；将Vgc1送入到第三解耦补偿网络T12，得到信号Vt12；将Vgc2送入到第二解耦补偿网络T21(s)，得到信号Vt21；将信号Vgc1与信号Vt21、信号Vt22送入到第一减法器SUB1，得到信号Vc1；将信号Vgc2与信号Vt11、信号Vt12送入到第二减法器SUB2，得到信号Vc2；将信号Vc1、Vc2分别送入到控制网络Gm1、Gm2中，使单电感双输出开关变换器系统的主功率电路和控制电路均实现完全解耦，消除输出支路间的交叉影响。
第一解耦补偿网络T11、第二解耦补偿网络T21、第三解耦补偿网络T12和第四解耦补偿网络T22的传递函数T11(s)、T21(s)、T12(s)、T22(s)为理论计算所得。通过对单电感双输出开关变换器的主功率电路进行小信号建模，推导出主功率电路的交叉影响阻抗传递函数Z12(s)、Z21(s)，控制-输出传递函数G11(s)、G22(s)，以及控制-耦合传递函数G12(s)、G21(s)，则第一解耦补偿网络T11(s)、第二解耦补偿网络T21(s)、第三解耦补偿网络T12(s)、第四解耦补偿网络T22(s)的传递函数T11(s)、T21(s)、T12(s)、T22(s)分别为：
对于任意的单电感双输出开关变换器控制方法，其闭环控制电路均由第一电压检测电路VS1、第二电压检测电路VS2、第一补偿网络Gc1、第二补偿网络Gc2、第一控制网络Gm1和第二控制网络Gm2组成。
本实用新型所述之第一解耦补偿网络T11、第二解耦补偿网络T21、第三解耦补偿网络T12和第四解耦补偿网络T22均可通过数字电路编程实现。
图2a示出，传统的电压型控制单电感双输出buck变换器的电路结构原理框图。采样两输出支路的输出电压Va、Vb，将其分别依次经过误差放大器EA1、EA2和比较器CMP1、CMP2产生控制主开关管和支路开关管的控制信号Vp1、Vp2、Vp3。其中，闭环控制电路中的第一补偿网络Gc1由误差放大器EA1组成；第二补偿网络Gc2由误差放大器EA2组成；第一控制网络Gm1由第一比较器CMP1组成；第二控制网络Gm2由第二比较器CMP2和非门NOT组成。图2b示出，传统的电压型控制单电感双输出buck变换器的传递函数等效电路框图，图中主功率电路、闭环控制电路1和闭环控制电路2中的传递函数均为理论推导所得。其中：主功率电路中的传递函数分别为：G11(S)、G21(s)、G12(s)、G22(s)、Z11(s)、Z21(s)、Z12(s)、Z22(s)；闭环控制电路1中的传递函数分别为：Gm1(s)、Gc1(s)、Hv1(s)；闭环控制电路2中的传递函数分别为：Gm2(s)、Gc2(s)、Hv2(s)。
图3示出，本实用新型实施例一的电压型控制单电感双输出buck变换器的原理框图。图3a和图3b分别对应电路结构原理框图和传递函数等效电路框图(短虚线框为相比于传统的电压型控制单电感双输出buck变换器，本实用新型实施例一增加的解耦补偿装置)。其具体实施方式为：在每个开关周期开始时刻，检测主功率电路输出支路的负载电流，得到信号ia(s)、ib(s)；检测控制环路第一补偿网络Gc1(s)、第二补偿网络Gc2(s)的输出，得到信号vgc1(s)、vgc2(s)；将ia(s)送入到第一解耦补偿网络T11(s)，得到信号vt11(s)；将ib(s)送入到第四解耦补偿网络T22(s)，得到信号vt22(s)；将vgc1(s)送入到第三解耦补偿网络T12(s)，得到信号vt12(s)；将vgc2(s)送入到第二解耦补偿网络T21(s)，得到信号vt21(s)；将信号vgc1(s)与信号vt21(s)、信号vt22(s)相减，得到信号vc1(s)，即vc1(s)＝vgc1(s)-vt21(s)-vt22(s)；将信号vgc2(s)与信号vt11(s)、信号vt12(s)相减，得到信号vc2(s)，即vc2(s)＝vgc2(s)-vt11(s)-vt12(s)；将信号vc1(s)、vc2(s)分别送入到单电感双输出开关变换器的第一控制网络Gm1(s)、第二控制网络Gm2(s)中，使变换器系统的主功率电路和控制电路均实现完全解耦，消除输出支路间的交叉影响。
用MATLAB仿真软件对本例的方法进行时域分析，结果如下。
图4为采用本实用新型和传统的电压型控制单电感双输出开关变换器在a输出支路负载跳变时(a输出支路的输出电流ia从1A→2A→1A变化)，两输出支路输出电压的时域仿真波形图，图4a、图4b分别对应传统的电压型控制和本实用新型。在0.1s时a输出支路的负载加重，负载电流由1A阶跃变化至2A；在0.2s时a输出支路的负载减轻，负载电流由2A阶跃变化至1A。对比图4a、图4b可以看出：采用传统的电压型控制单电感双输出开关变换器，在a输出支路负载加载和减载时，a支路和b支路的输出电压均发生变化，即a输出支路负载变化不仅对本支路的输出电压有影响，而且对b输出支路的输出电压有影响，输出支路间存在交叉影响；采用本实用新型时，a输出支路负载跳变，a支路的输出电压发生变化，b支路的输出电压没有变化，即a输出支路负载变化仅对本支路的输出电压有影响，对b输出支路的输出电压无影响。由此可见：本实用新型的单电感双输出开关变换器在a支路负载变化时，对b支路无交叉影响。仿真条件：输入电压Vg＝20V，电压基准值Vref-a＝12V、Vref-b＝5V，a支路输出电流ia＝1A、b支路输出电流ib＝1A。
图5为采用本实用新型和传统的电压型控制单电感双输出开关变换器在b输出支路负载跳变时(b输出支路的输出电流ib从1A→2A→1A变化)，两输出支路输出电压的时域仿真波形图，图5a、图5b分别对应传统的电压型控制和本实用新型。在0.1s时b支路的负载加重，负载电流由1A阶跃变化至2A；在0.2s时b支路的负载减轻，负载电流由2A阶跃变化至1A。对比图5a、图5b可以看出：采用传统的电压型控制单电感双输出开关变换器，在b输出支路负载加载和减载时，b支路和a支路的输出电压均发生变化，即b输出支路负载变化不仅对本支路的输出电压有影响，而且对a输出支路的输出电压有影响，输出支路间存在交叉影响；采用本实用新型时，b输出支路负载跳变，b支路的输出电压发生变化，a支路的输出电压没有变化，即b输出支路负载变化仅对本支路的输出电压有影响，对a输出支路的输出电压无影响。由此可见：本实用新型的单电感双输出开关变换器在b支路负载变化时，对a支路无交叉影响。
由图4和图5可见，本实用新型的单电感双输出开关变换器在一条输出支路负载跳变时，对另一条输出支路的输出无影响，即输出支路间不存在交叉影响。
图6为采用本实用新型和传统的电压型控制单电感双输出开关变换器在输入电压跳变时(输入电压Vg从20V→30V→20V变化)，两输出支路输出电压的时域仿真波形图，图6a、图6b分别对应传统的电压型控制和本实用新型。在0.1s时输入电压增加，由20V阶跃变化至30V；在0.2s时输入电压减小，由30V阶跃变化至20V。对比图6a、图6b可以看出：输入电压增加和减小时，采用传统的电压型控制单电感双输出开关变换器a支路和b支路的输出电压Va、Vb经过一段时间才能重新进入稳态，输出电压的瞬态变化量大；而采用本实用新型的单电感双输出开关变换器a支路和b支路的输出电压Va、Vb均快速重新进入稳态，且输出电压的瞬态变化量小。由此可见：本实用新型的单电感双输出开关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。
实施例二：
本实用新型实施例二的原理框图如图7所示，图7a、图7b分别对应电路结构原理框图和传递函数等效电路框图(短虚线框为相比于传统的共模-差模电压型控制单电感双输出buck变换器，本实用新型实施例一增加的解耦补偿装置；长虚线框为相比于传统的电压型控制，共模-差模电压型控制增加的控制装置)。实施例二与实施例一基本相同，不同之处是：本例采用的控制方法为共模-差模电压型控制，采样两路输出的共模信号控制主开关管的导通和关断，采样两路输出的差模信号控制支路开关管的导通和关断；且理论推导得到的闭环控制电路中传递函数的具体表达式不同。
本实用新型除可用于以上实施例中的开关变换器和控制方法外，也可用于单电感双输出Boost变换器、单电感双输出Buck-Boost变换器、单电感双输出flyback变换器等多种多输出电路拓扑，以及电压型控制、电流型控制、V2控制等多种控制技术中。
Claims (1)
1.一种单电感双输出开关变换器的解耦补偿装置，其特征在于：包括第一解耦补偿网络T11、第二解耦补偿网络T21、第三解耦补偿网络T12、第四解耦补偿网络T22、第一减法器SUB1和第二减法器SUB2；第一电流检测电路IS1的输出端通过T11连接到SUB2的第一输入端，第二电流检测电路IS2的输出端通过T22连接到SUB1的第一输入端；控制环路第一补偿网络Gc1的输出端通过T12连接到SUB2的第二输入端，控制环路第二补偿网络Gc2的输出端通过T21连接到SUB1的第二输入端；Gc1的输出端还连接到SUB1的第三输入端，Gc2的输出端还连接到SUB2的第三输入端；SUB1的输出端连接到第一控制网络Gm1的输入端，SUB2的输出端连接到第二控制网络Gm2的输入端。
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| CN108233712A (zh) * | 2018-02-06 | 2018-06-29 | 西南交通大学 | 一种单电感双输出开关变换器的解耦补偿装置及方法 |
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