專利名稱：開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電源的控制方法及其裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，開關(guān)電源成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域 工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究的熱點，微處理器、通訊設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、醫(yī)療器械、電動車輛等都 廣泛采用高性能直流開關(guān)電源作為其供電設(shè)備。開關(guān)電源系統(tǒng)一般由功率主電路和控制電路組成。功率主電路(即開關(guān)變換器) 主要包括開關(guān)管、整流濾波電路、隔離變壓器等；開關(guān)變換器的拓?fù)漕愋陀蠦uck、Boost、 Flyback、Full-Bridge等。控制電路(即控制器)用于檢測功率主電路的工作狀態(tài)，并產(chǎn) 生控制脈沖信號控制開關(guān)管，調(diào)節(jié)傳遞給負(fù)載的電量以保證輸出穩(wěn)定。控制器的結(jié)構(gòu)和工 作原理由電源系統(tǒng)所采用的控制方法決定。目前，開關(guān)變換器電路部分經(jīng)過多年發(fā)展已日 趨成熟，控制方法和與控制方法相關(guān)的控制電路則成為影響電源性能的關(guān)鍵。高性能微處理器、超大規(guī)模集成電路等用電設(shè)備對開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力提出 了越來越高的要求，電壓型、電流型等傳統(tǒng)的控制技術(shù)由于控制環(huán)路中存在補償延遲環(huán)節(jié)， 瞬態(tài)性能難以進一步提高。滯環(huán)控制是一種將變換器輸出電壓V。限制在以基準(zhǔn)電壓Vref 為中心的滯環(huán)內(nèi)的電源控制方法，其控制原理是當(dāng)輸出電壓V。在某時刻下降到滯環(huán)下限 Vl(Vl < Vref)時，控制開關(guān)管導(dǎo)通，電感充電，輸出電壓上升；當(dāng)輸出電壓V。上升至滯環(huán)上限 Vh(VH > Vref)時，開關(guān)管關(guān)斷，電感放電，輸出電壓下降，這一狀態(tài)將保持到輸出電壓再次下 降到滯環(huán)下限，隨后開始下一個開關(guān)周期。滯環(huán)控制電路中沒有延遲環(huán)節(jié)，因此具有很快的 瞬態(tài)響應(yīng)速度。但是，滯環(huán)控制屬于變頻控制方法，變換器的工作狀態(tài)會影響開關(guān)頻率，這 會給變換器濾波電路設(shè)計、EMI抑制等方面帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種開關(guān)電源的控制方法，采用該控制方法的變換器開關(guān)頻 率固定，瞬態(tài)性能良好，控制電路僅需要檢測變換器輸出電壓且不需要補償環(huán)節(jié)，適用于各 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器。本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是開關(guān)電源的單環(huán)定頻滯環(huán)控制方法，由變換器TD和控制器組成的控制裝置實現(xiàn) 單環(huán)定頻滯環(huán)控制，控制器包括電壓檢測電路VCC、比較器AC、時鐘信號產(chǎn)生器CPG、觸發(fā)器 FF、驅(qū)動電路DR ；其控制方法包括在某一個開關(guān)周期起始的、時刻，開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)變換器輸出電壓V。上升；當(dāng)V。上升至基準(zhǔn)電壓時，開關(guān)管繼續(xù)保持開通狀態(tài)；當(dāng)V。上升至Vm+^吋(Ve為預(yù)設(shè)的固定 電壓值，Ve > 0)，開關(guān)管關(guān)斷，V0隨之下降；隨后，在、+Τ時刻，再次開通開關(guān)管，變換器進 入下一個開關(guān)周期進行工作。顯然，上面所述的控制方法(為敘述便利我們稱之第一種具體作法)中，控制器控制變換器輸出電壓紋波的峰值。與之對稱的是，當(dāng)控制器控制變換器輸出電壓紋波的谷值時，采用的方法與以上所述方法具有對等的邏輯順序，其具體的控制方法(稱之第二種具 體作法)可表達(dá)為在某一個開關(guān)周期起始的、時刻，開關(guān)管關(guān)斷，開關(guān)變換器輸出電壓V。下降；當(dāng)V。 下降至基準(zhǔn)電壓vMf時，開關(guān)管繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)V0下降至vref-vE時，開關(guān)管導(dǎo)通，V0 隨之上升；隨后，在、+τ時刻，再次關(guān)斷開關(guān)管，變換器進入下一個開關(guān)周期進行工作。本發(fā)明的第一種和第二種具體作法分別通過控制變換器輸出電壓紋波在每個開 關(guān)周期內(nèi)的峰值或谷值實現(xiàn)控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是一、該方法通過控制輸出電壓在每個開關(guān)周期內(nèi)的峰值或者谷值實現(xiàn)對變換器的 控制。與已有的開關(guān)變換器滯環(huán)控制方法相比，采用本發(fā)明進行控制的變換器開關(guān)周期的 持續(xù)時間為預(yù)設(shè)的固定值，工作頻率不受變換器工作狀態(tài)的影響。因此，該方法能夠有效解 決傳統(tǒng)滯環(huán)控制技術(shù)存在的濾波電路設(shè)計和EMI等方面的問題。二、該控制方法以輸出電壓紋波作為控制系統(tǒng)的反饋量，能夠?qū)⑤敵鲭妷汉碗姼?電流的信息直接用于對占空比的調(diào)節(jié)，且控制系統(tǒng)中不包含延遲環(huán)節(jié)。因此，該方法對于變 換器輸入端或者負(fù)載端出現(xiàn)的擾動能夠迅速做出調(diào)節(jié)，具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)能力。三、該控制方法簡便易行，采用非常簡單的模擬或數(shù)字電路即可將該方法應(yīng)用于 工程領(lǐng)域；控制環(huán)路中沒有傳統(tǒng)電壓型或電流型控制所需的的補償網(wǎng)絡(luò)(一般由運算放大 器及外圍電路構(gòu)成)，因此控制器易于集成、成本低廉，并且在應(yīng)用時不需要復(fù)雜的設(shè)計過 程。本發(fā)明的另一目的是提供一種實現(xiàn)以上開關(guān)電源控制方法的裝置。本發(fā)明實現(xiàn)該發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是一種實現(xiàn)以上開關(guān)電源的控制方法 的裝置，由變換器和控制器組成，控制器包括電壓檢測電路、比較器、時鐘信號產(chǎn)生器、觸發(fā) 器、驅(qū)動電路，其結(jié)構(gòu)特點是電壓檢測電路、比較器、觸發(fā)器、驅(qū)動電路依次相連；時鐘信 號產(chǎn)生器與觸發(fā)器相連。該裝置的工作過程和原理是在每個開關(guān)周期起始時刻，時鐘信號產(chǎn)生器發(fā)出一 個時鐘脈沖vcp，觸發(fā)器置位輸出高電平，通過驅(qū)動電路控制開關(guān)管導(dǎo)通，變換器輸出電壓V。 上升；電壓檢測電路檢測輸出電壓V。，并將V。電壓信號輸出至比較器；比較器將V。同預(yù)設(shè) 電壓值Vref+VE比較并輸出至觸發(fā)器，當(dāng)V。小于VMf+VE時，觸發(fā)器保持狀態(tài)不變，當(dāng)V。上升 至VMf+VE時，比較器輸出信號跳變，并使得觸發(fā)器復(fù)位輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷，變換器輸 出電壓V。隨之下降；觸發(fā)器輸出信號保持為低電平直至下一個時鐘脈沖v。P來臨，隨后控制 器重復(fù)上述工作過程，變換器進入下一開關(guān)周期進行工作?？梢?，采用以上控制裝置可以方便可靠地實現(xiàn)本發(fā)明的第一種具體作法。這種結(jié) 構(gòu)的控制裝置經(jīng)過簡單改動還可以用于上述本發(fā)明的第二種具體作法。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。


圖1為本發(fā)明實施例一方法的信號流程圖。圖2為本發(fā)明實施例一的電路結(jié)構(gòu)圖。
圖3a為本發(fā)明實施例一在穩(wěn)態(tài)條件下某一時段時鐘脈沖信號V。P的時域仿真波形圖。圖3b為與圖3a同一時段輸出電壓V。的時域仿真波形圖。圖3c為與圖3a同一時段控制脈沖信號Vp的時域仿真波形圖。圖3仿真條件如下輸入電壓Vin = 15V、輸出電壓基準(zhǔn)值Vref = 8V、電感L = 80 μ H、電容C = 470 μ F、負(fù)載阻值R = 16 Ω、開關(guān)周期T = 50 μ S、預(yù)設(shè)電SVe = 30mV。圖4a為實施例一在負(fù)載突變(負(fù)載電流在30ms時刻由0. 08A躍變至1A)時變換 器負(fù)載電流I。的仿真波形圖。圖4b為與圖4a同一時段輸出電壓V。的時域仿真波形圖。圖4c為與圖4a同一時段電感電流込的時域仿真波形圖。圖5a為實施例一在負(fù)載突變(負(fù)載電流在30ms時刻由0. 08A躍變至1A)時變換 器輸出電壓V。的仿真波形圖。圖5b為現(xiàn)有的電壓型PWM控制變換器在同樣的負(fù)載變化時，輸出電壓V。的仿真 波形圖。圖6為本發(fā)明實施例二的電路結(jié)構(gòu)框圖。圖7為本發(fā)明實施例三的電路結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式實施例一圖1示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為，開關(guān)電源的單環(huán)定頻滯環(huán)控制方法，其 具體作法是在每個開關(guān)周期起始時刻，時鐘信號產(chǎn)生器CPG發(fā)出一個時鐘脈沖Vcp,觸發(fā)器FF 置位輸出高電平，通過驅(qū)動電路DR控制變換器TD中的開關(guān)管S導(dǎo)通，變換器輸出電壓V。上 升；電壓檢測電路VCC檢測輸出電壓V。，并將V。電壓信號輸出至比較器AC ；比較器AC將V。 同預(yù)設(shè)電壓值Vref+VE比較并輸出至觸發(fā)器FF，當(dāng)V。小于Vref+VE時，觸發(fā)器FF保持狀態(tài)不 變，當(dāng)V。上升至V,rf+VE時，比較器AC輸出信號跳變，并使得觸發(fā)器FF復(fù)位輸出低電平，開 關(guān)管S關(guān)斷，變換器輸出電壓V。隨之下降；觸發(fā)器輸出信號保持為低電平直至下一個時鐘 脈沖Vep來臨，隨后控制器重復(fù)上述工作過程，變換器TD進入下一開關(guān)周期進行工作。本例對應(yīng)于上述本發(fā)明的控制方法的第一種具體作法，控制器控制變換器輸出電 壓紋波的峰值。本例采用以下的裝置，可使上述控制方法得以方便快捷地實現(xiàn)。圖2示出，本例的 開關(guān)電源控制方法的裝置，由變換器TD和控制器組成，控制器包括電壓檢測電路VCC、比較 器AC、時鐘信號產(chǎn)生器CPG、觸發(fā)器FFjga電路DR。電壓檢測電路VCC、比較器AC、觸發(fā)器 FF、驅(qū)動電路DR依次相連；時鐘信號產(chǎn)生器CPG與觸發(fā)器FF相連。本例中控制器的具體組成為電壓檢測電路VCC檢測變換器輸出端電壓；電壓檢 測電路VCC的輸出端與比較器AC的正極性端相連；比較器AC輸出端與觸發(fā)器FF的R端相 連(本例中的觸發(fā)器FF為RS觸發(fā)器)；時鐘信號產(chǎn)生器CPG輸出端與觸發(fā)器FF的S端相 連；觸發(fā)器FF的輸出端Q與驅(qū)動電路DR相連。本例的裝置其工作過程和原理是
在某個開關(guān)周期開始前，觸發(fā)器FF的Q端輸出為低電平，變換器TD中的開關(guān)管S 處于關(guān)斷狀態(tài)；隨后控制器進入該開關(guān)周期進行工作，時鐘信號產(chǎn)生器CPG發(fā)出一個高電 平窄脈沖作為時鐘信號，該時鐘脈沖將觸發(fā)器FF置位，即觸發(fā)器FF觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，Q端輸出高電 平；Q端輸出的高電平信號經(jīng)過驅(qū)動電路DR控制開關(guān)管S導(dǎo)通，變換器輸出電壓V。隨之上 升；電壓檢測電路VCC檢測輸出電壓V。，并將V。電壓信號輸出至比較器AC的正極性端；比 較器AC將V。同預(yù)設(shè)電壓值VMf+VE比較并輸出至觸發(fā)器FF的R端；在該開關(guān)周期的開始階 段，輸出電壓V。低于Vref+VE，比較器AC輸出低電平，觸發(fā)器FF保持輸出狀態(tài)不變，開關(guān)管S 持續(xù)導(dǎo)通；當(dāng)輸出電壓V。上升至Vref+Ve時，比較器AC輸出信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖?；?較器AC輸出的高電平信號將觸發(fā)器FF復(fù)位，即觸發(fā)器FF觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，Q端輸出低電平；Q端 輸出的低電平信號經(jīng)過驅(qū)動電路DR控制開關(guān)管S關(guān)斷，變換器輸出電壓V。隨之下降；觸發(fā) 器FF的Q端輸出信號保持為低電平直至下一個時鐘脈沖來臨，隨后控制器重復(fù)上述工作過 程，變換器TD進入下一開關(guān)周期進行工作。本例的變換器TD為Buck變換器。用Matlab/Simulink軟件對本例的方法進行時域仿真分析，結(jié)果如下。圖3為仿真得到的采用上述控制方法及其控制裝置的變換器在額定工作狀態(tài)下 的工作波形。圖3a、圖3b和圖3c分別為時鐘脈沖信號Vcp、輸出電壓V。和控制信號VP?？?見，此時變換器工作于穩(wěn)定狀態(tài)，控制信號頻率決定于固定的時鐘脈沖信號。圖4為實施例一在負(fù)載突變(負(fù)載電流在30ms時刻由0. 08A躍變至1A)時變換器 的瞬態(tài)工作波形。圖4a、圖4b和圖4c分別為負(fù)載電流I。、輸出電壓V。和電感電流込?？?見，變換器在負(fù)載突變后能夠迅速做出響應(yīng)，經(jīng)過約5個開關(guān)周期后即可重新恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)， 輸出電壓跌落不明顯。此外，負(fù)載變化后變換器開關(guān)頻率沒有出現(xiàn)變化。故本發(fā)明方法為 一種開關(guān)電源定頻控制方法。圖5a為實施例一在負(fù)載突變(負(fù)載電流在30ms時刻由0. 08A躍變至1A)時變換 器輸出電壓的仿真波形圖。圖6b為現(xiàn)有的電壓型PWM控制變換器在同樣的負(fù)載變化時，輸 出電壓的仿真波形圖?？梢?，現(xiàn)有的電壓型PWM控制變換器在擾動出現(xiàn)后，經(jīng)過約2ms后才 能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，輸出電壓跌落量接近200mV ；而同樣的條件下，采用本發(fā)明方法進行控制時， 開關(guān)電源可在0. 5ms以內(nèi)進入新的穩(wěn)態(tài)，輸出電壓跌落量約50mV。故本發(fā)明方法的瞬態(tài)響 應(yīng)能力優(yōu)于傳統(tǒng)的PWM控制。實施例二圖6示出，本例與實施例一基本相同，不同之處是實施例二采用上述本發(fā)明的控 制方法的第二種具體作法，控制器控制變換器輸出電壓紋波的谷值。因此與實施例一相比， 實施例二中的控制器結(jié)構(gòu)有以下不同之處電壓檢測電路VCC的輸出端與比較器AC的負(fù)極 性端相連；比較器AC輸出端與觸發(fā)器FF的S端相連；時鐘信號產(chǎn)生器CPG輸出端與觸發(fā)器 FF的R端相連。本例控制的開關(guān)電源的變換器TD為Boost變換器，如圖6所示。實施例三圖7示出，本例與實施例一基本相同，不同之處是本例控制的開關(guān)電源的變換器TD為單端正激變換器。本發(fā)明方法是一種定頻控制方法，開關(guān)電源的開關(guān)頻率由外部時鐘脈沖決定。其控制裝置可方便地用模擬器件或數(shù)字器件實現(xiàn)；除可用于以上實施例中的變換器組成的開關(guān)電源外，也可用于Buck-Boost變換器、Cuk變換器、BIFRED變換器、反激變換器、半橋變換 器、全橋變換器等多種功率電路組成開關(guān)電源。 另外需要再次提到的是，本發(fā)明的兩種具體控制方法和與之相對應(yīng)的具體控制裝置具有同構(gòu)性，是同一發(fā)明構(gòu)思下的兩種具體的平行處理方式。
權(quán)利要求
開關(guān)電源的單環(huán)定頻滯環(huán)控制方法，由變換器TD和控制器組成的控制裝置實現(xiàn)單環(huán)定頻滯環(huán)控制；控制器包括電壓檢測電路VCC、比較器AC、時鐘信號產(chǎn)生器CPG、觸發(fā)器FF、驅(qū)動電路DR；其控制方法包括在某一個開關(guān)周期起始的t0時刻，開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)變換器輸出電壓Vo上升；當(dāng)Vo上升至基準(zhǔn)電壓Vref時，開關(guān)管繼續(xù)保持開通狀態(tài)；當(dāng)Vo上升至Vref+VE時，開關(guān)管關(guān)斷，Vo隨之下降；隨后，在t0+T時刻，再次開通開關(guān)管，變換器進入下一個開關(guān)周期進行工作。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制方法的裝置，由變換器TD和 控制器組成，控制器包括電壓檢測電路VCC、比較器AC、時鐘信號產(chǎn)生器CPG、觸發(fā)器FFjg 動電路DR ；電壓檢測電路VCC、比較器AC、觸發(fā)器FFjga電路DR依次相連；時鐘信號產(chǎn)生 器CPG與觸發(fā)器FF相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制裝置，其特征在于用于檢測變 換器輸出端電壓的電壓檢測電路VCC的輸出端與比較器AC的正極性端相連；比較器AC輸 出端與觸發(fā)器FF的R端相連；時鐘信號產(chǎn)生器CPG輸出端與觸發(fā)器FF的S端相連；觸發(fā)器 FF的輸出端Q與驅(qū)動電路DR相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制方法及其裝置，通過控制變換器輸出電壓紋波在每個開關(guān)周期內(nèi)的峰值或谷值實現(xiàn)控制。在采用峰值控制時，在某一個開關(guān)周期起始的t0時刻，開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)變換器輸出電壓Vo上升；當(dāng)Vo上升至基準(zhǔn)電壓Vref時，開關(guān)管繼續(xù)保持開通狀態(tài)；當(dāng)Vo上升至Vref+VE時，開關(guān)管關(guān)斷，Vo隨之下降；隨后，在t0+T時刻，再次開通開關(guān)管，變換器進入下一個開關(guān)周期進行工作。采用本發(fā)明方法的變換器開關(guān)頻率固定，瞬態(tài)性能良好，控制電路簡單，僅需要檢測變換器輸出電壓且不需要補償環(huán)節(jié)，適用于各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器。
文檔編號H02M3/335GK101814834SQ20101013339
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者周國華, 張斐, 王金平, 秦明, 許建平 申請人:西南交通大學(xué)