一種開關(guān)電源的快速啟動方法和快速啟動控制電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種開關(guān)電源快速啟動方法和快速啟動控制電路，通過設(shè)置轉(zhuǎn)換電壓，當(dāng)開關(guān)電源輸出電壓低于轉(zhuǎn)換電壓時，控制電感電流為設(shè)定電感電流；當(dāng)開關(guān)電源輸出電壓高于轉(zhuǎn)換電壓時，控制開關(guān)電源輸出電壓穩(wěn)壓工作。一種方案是在啟動階段采用模擬電路方式先控制電感電流為給定電感電流，當(dāng)輸出電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓后，再控制輸出電壓穩(wěn)定。另一種方案是用MCU控制電路代替模擬電路完成同樣控制過程。開關(guān)電源快速啟動的有益效果是：能使數(shù)字電路負(fù)載在上電和電壓跌落時可靠復(fù)位和可靠工作；能使開關(guān)電源的功能性負(fù)載設(shè)備如激光電源、大功率直流伺服電機(jī)等快速啟動；能在電網(wǎng)電壓跌落時減小這種跌落對開關(guān)電源的負(fù)載的影響。
【專利說明】一種開關(guān)電源的快速啟動方法和快速啟動控制電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于開關(guān)電源領(lǐng)域，更具體地，涉及一種開關(guān)電源快速啟動方法和快速啟動控制電路。

【背景技術(shù)】
[0002]由于開關(guān)電源輸出端存在很大的電容，啟動過程包括輸出電容充電的過程，電壓上升越快導(dǎo)致充電電流越大。為防止產(chǎn)生過大的充電電流，開關(guān)電源常規(guī)啟動方式是采用軟啟動方式。即在電源啟動時，占空比由零慢慢增加直到開關(guān)電源輸出電壓達(dá)到額定電壓。軟啟動技術(shù)能防止啟動時開關(guān)電源中的開關(guān)器件因過流而損壞，但軟啟動同時也導(dǎo)致在啟動階段開關(guān)電源的輸出電壓上升緩慢。通常開關(guān)電源的軟啟動導(dǎo)致開關(guān)電源的輸出電壓從零到額定電壓的建立時間為幾十毫秒到幾百毫秒不等。
[0003]傳統(tǒng)的開關(guān)電源普遍采用電壓模式(或稱電壓型)脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，而近年來電流模式(或稱電流型)PWM技術(shù)得到了飛速發(fā)展，相比電壓模式PWM，電流模式PWM具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性也得以明顯改善。
[0004]電壓型PWM控制和電流型PWM控制都屬于模擬控制，目前數(shù)字控制以其諸多的優(yōu)點(diǎn)在某些方面正逐步取代模擬控制。數(shù)字PWM控制器獲得了更多的設(shè)計自由，可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜、智能的數(shù)字算法。
[0005]下面應(yīng)用場合，開關(guān)電源的快速啟動具有特定的優(yōu)勢:
[0006](I)數(shù)字電路的上電復(fù)位和供電電壓跌落后的處理
[0007]當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載電路是數(shù)字電路(包括微處理器及其外圍電路)時，為使數(shù)字電路在上電后獲得確定的穩(wěn)定的定安全的邏輯狀態(tài)，其常常由供電電壓上升沿產(chǎn)生復(fù)位信號。若供電電壓上升過于緩慢，會使上電復(fù)位后電路的狀態(tài)不確定。目前解決這一問題的現(xiàn)有方法是采用專門復(fù)位電路，對供電電壓設(shè)置比較門限值，當(dāng)供電電壓超出門限值時，復(fù)位電路便產(chǎn)生上升沿陡峭持續(xù)時間足夠長的復(fù)位信號。在實際使用過程中，即使采用這類復(fù)位電路，還會存在上電復(fù)位發(fā)生錯誤。
[0008]另一種情況是，正常工作的數(shù)字電路其供電電壓突然跌落時，這時數(shù)字電路中并接于電源兩端的電容可以維持一段時間供電，若供電電壓跌落時間超出這一維持時間，數(shù)字電路將處于不穩(wěn)定邏輯狀態(tài)。解決這一問題的現(xiàn)有方法是采用專門電源監(jiān)視電路。該電路的功能是當(dāng)電壓跌落時，產(chǎn)生上升沿陡峭持續(xù)時間足夠長的復(fù)位信號，使數(shù)字電路復(fù)位以獲得安全確定的工作狀態(tài)。即使采用專門電源監(jiān)視電路，在實際應(yīng)用中仍然存在供電電壓跌落，數(shù)字電路狀態(tài)混亂的情況。
[0009](2)當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載是大功率功能設(shè)備,如大功率直流電機(jī)或大功率激光電源等，開關(guān)電源采用軟啟動方式，這些功能設(shè)備就需要很長時間才能啟動。在緊急情況下，有時需要這些設(shè)備快速投入工作。
[0010](3)電網(wǎng)上別的大功率設(shè)備啟動時會導(dǎo)致電壓跌落，例如大功率直流電機(jī)啟動導(dǎo)致的電壓跌落，這種跌落會影響同一條供電線路上的開關(guān)電源。當(dāng)輸入電壓跌落后，為了盡量減少對網(wǎng)上設(shè)備的影響，需要開關(guān)電源能快速啟動，快速的使直流電壓回升到正常值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種既能快速啟動，又能讓開關(guān)器件不產(chǎn)生過流的開關(guān)電源快速啟動方法和快速啟動控制電路。
[0012]本發(fā)明提供了一種開關(guān)電源快速啟動方法，包括下述步驟:
[0013](I)在電流上升階段，以最大允許占空比提升電感電流，直到電感電流達(dá)到設(shè)定電感電流；
[0014](2)在恒流工作階段，通過控制開關(guān)器件的占空比來控制電感電流使得所述電感電流維持在所述設(shè)定電感電流，直到開關(guān)電源的輸出電壓為轉(zhuǎn)換電壓；
[0015](3)在穩(wěn)壓工作階段，通過控制開關(guān)器件的占空比使得所述開關(guān)電源的輸出電壓維持在額定電壓從而實現(xiàn)開關(guān)電源快速啟動。
[0016]其中，步驟⑴中，所述最大允許占空比是開關(guān)電源主電路所能允許的最大占空比；當(dāng)所述開關(guān)電源主電路中的變換器為降壓DC/DC變換器時，所述最大允許占空比為I ;當(dāng)所述開關(guān)電源主電路中的變換器為橋式非隔離變換器、半橋或全橋隔離變換器時，所述最大允許占空比為0.5減去死區(qū)時間部分；當(dāng)所述開關(guān)電源主電路中的變換器為單端反激變換器或單端正激變換器時，所述最大允許占空比為0.5。
[0017]其中，所述設(shè)定電感電流等于最大安全工作電流Ist的(0.5—0.9)倍。
[0018]其中，所述轉(zhuǎn)換電壓為額定電壓的(0.85-1)倍。
[0019]本發(fā)明還提供了一種開關(guān)電源快速啟動控制電路，包括比較器U1、電壓比較器U2、模擬開關(guān)U3、電流調(diào)節(jié)器U6、RS觸發(fā)器U7、PWM輸出模塊U8、振蕩器U9、電阻Rf、電阻Rj和電容Cf ;所述比較器Ul的第一輸入端連接轉(zhuǎn)換電壓Vt，所述比較器Ul的第二輸入端連接輸出電壓Vtl ;所述電阻&的一端用于接收輸出電壓Vtl,所述電阻&的另一端連接至所述電壓比較器U2的第一輸入端，所述電壓比較器U2的第二輸入端用于連接參考電壓Vf，所述電阻Rf與所述電容Cf依次串聯(lián)連接在所述電壓比較器U2的第一輸入端與所述電壓比較器U2的輸出端之間；所述模擬開關(guān)U3的第一輸入端連接至所述電壓比較器U2的輸出端，所述模擬開關(guān)U3的第二輸入端用于連接設(shè)定電感電流Is ;所述模擬開關(guān)U3的控制端連接至比較器Ul的輸出端；所述電流調(diào)節(jié)器U6的第一輸入端連接至模擬開關(guān)U3的輸出端，所述電流調(diào)節(jié)器U6的第二輸入端連接電感電流^ ;所述RS觸發(fā)器U7的R端連接至所述電流調(diào)節(jié)器U6的輸出端，所述RS觸發(fā)器U7的S端連接所述振蕩器U9 ;所述PWM輸出模塊U8的輸入端連接至所述RS觸發(fā)器U7的Q端，所述PWM輸出模塊U8的輸出端用于輸出PWM控制信號并控制開關(guān)器件通斷。
[0020]其中，所述設(shè)定電感電流Is等于最大安全工作電流Ist的(0.5—0.9)倍。
[0021]其中，所述轉(zhuǎn)換電壓Vt為額定電壓的(0.85-1)倍。
[0022]其中，所述參考電壓Vf為開關(guān)電源輸出電壓所需的給定值。
[0023]本發(fā)明還提供了一種開關(guān)電源快速啟動控制電路，包括MCU控制模塊，連接在所述MCU控制模塊的輸入端的電壓采樣模塊和電流采樣模塊，以及連接在所述MCU控制模塊的輸出端的PWM發(fā)生器；所述MCU控制模塊包括減法器、電壓調(diào)節(jié)器、電壓比較器、開關(guān)、減法器和電流調(diào)節(jié)器；所述減法器的第一輸入端連接參考電壓Vf，第二輸入端用于接收輸出電壓Vtl，所述減法器的輸出端連接電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器的輸出端連接開關(guān)的第一輸入端，開關(guān)的第二輸入端用于連接設(shè)定電感電流Is，開關(guān)的輸出端連接減法器的第一輸入端，減法器的第二輸入端用于連接電感電流Iy減法器的輸出端連接電流調(diào)節(jié)器的輸入端，電流調(diào)節(jié)器的輸出端用于輸出占空比控制開關(guān)器件。
[0024]其中，所述設(shè)定電感電流Is等于最大安全工作電流Ist的(0.5—0.9)倍。
[0025]本發(fā)明中，在啟動階段首先使開關(guān)器件電流快速達(dá)到最大安全工作電流，然后維持這一電流，保證單位時間內(nèi)從輸入吸收的能量和向輸出提供的能量最大，直到輸出電壓接近額定輸出電壓值；這樣可以使得開關(guān)器件安全工作不過流的同時快速提供能量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是開關(guān)電源以電感為中心的簡化結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是開關(guān)電源快速啟動過程分析示意圖；其中(a)是啟動階段電感峰值電流隨時間變化示意圖，(b)是啟動階段輸出電壓隨時間變化示意圖，(C)是啟動階段占空比隨時間變化示意圖；
[0028]圖3是采用電流PWM控制的開關(guān)電源快速啟動控制電路的原理結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖4是采用數(shù)字PWM控制的開關(guān)電源快速啟動控制電路的原理結(jié)構(gòu)框圖；
[0030]圖5是采用數(shù)字PWM控制的開關(guān)電源快速啟動控制電路中MCU控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖6是采用數(shù)字PWM控制的開關(guān)電源快速啟動程序流程示意圖。

【具體實施方式】
[0032]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0033]本發(fā)明中的開關(guān)電源，是其輸入是直流或交流，輸出是直流；其輸入輸出可以通過變壓器隔離，也可以不隔離。本發(fā)明中的開關(guān)器件是指開關(guān)電源中的開關(guān)三極管，典型的如功率雙極性晶體管、功率MOS、IGBT等，其導(dǎo)通和關(guān)斷可控。
[0034]本發(fā)明涉及開關(guān)電源電感儲能放能的共知知識:開關(guān)電源中的開關(guān)器件工作于開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時，電感儲能，將輸入電源能量存儲于電感中；開關(guān)器件關(guān)斷時，電感放能。對于單端反激電路，電感是通常所說的變壓器，在其它變換器中，電感就是輸出濾波電感。
[0035]本發(fā)明中涉及的幾種電感電流，作了如下定義。額定電感電流:是指開關(guān)電源工作在額定功率，也就是額定電壓下輸出額定電流，此時電感中電流的峰值。最大安全工作電流Ist:當(dāng)開關(guān)電源中的開關(guān)器件工作電流超過器件的最大允許工作電流，開關(guān)器件可能會損壞，工程上設(shè)計的開關(guān)器件最大允許工作電流是已知的，此時可通過實驗或計算得到對應(yīng)的電感的電流峰值，也就是此處定義的最大安全工作電流Ist。Im是電感電流的極限值，若電感電流超出此值，開關(guān)電源可能損壞。
[0036]軟啟動能使開關(guān)器件在啟動時不過流，若采用常規(guī)快速啟動方法，開關(guān)器件就會有過流危險。因此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:既要快速啟動，即減少開關(guān)電源輸出電壓從零上升到正常值的時間，但又要不讓開關(guān)器件不產(chǎn)生過流危險，即開關(guān)器件在最大安全電流下工作。
[0037]也就是啟動階段必須快速從輸入吸收能量并向輸出提供能量，這些能量一方面給輸出電容快速充電快速建立輸出電壓，另一方面給負(fù)載提供能量；同時要注意快速提供能量的前提條件是開關(guān)器件要安全工作不能過流。為達(dá)到這一目標(biāo)，本發(fā)明中給出了一個設(shè)定電感電流，這個設(shè)定電感電流值介于額定電感電流和最大安全工作電流之間。在啟動階段首先使開關(guān)器件電流快速達(dá)到設(shè)定電感電流，然后維持這一電流，保證單位時間內(nèi)從輸入吸收的能量和向輸出提供的能量最大，直到輸出電壓接近額定輸出電壓值。
[0038]如圖1，開關(guān)電源可以簡化為變換器、電感L、輸出電容C、負(fù)載R。變換器中開關(guān)器件導(dǎo)通時電感電流增加，電感儲能；當(dāng)變換器中開關(guān)器件關(guān)斷時，電感電流降低，電感向輸出電容和負(fù)載放能。電感電流大小和開關(guān)器件電流大小存在對應(yīng)關(guān)系。開關(guān)器件的最大工作電流對應(yīng)了電感電流為最大安全工作電流Ist。本發(fā)明充分利用開關(guān)電源中電感儲能放能過程，解決上述技術(shù)問題。其工作過程分為三個階段。
[0039](I)電流上升階段，以最大允許占空比提升電感電流，直到電感電流達(dá)到設(shè)定電感電流。這里的最大允許占空比是開關(guān)電源主電路所能允許的最大占空比，對于降壓DC/DC變換器是1，對于升壓DC/DC變換器1，對于橋式非隔離變換器、半橋或全橋隔離變換器是
0.5減去死區(qū)時間部分，對于單端反激變換器、單端正激變換器是0.5。設(shè)定電感電流小于電感的最大安全工作電流Ist，優(yōu)選比例系數(shù)為0.5-0.9。這一系數(shù)太小會增加開關(guān)電源啟動時間，太大會增加開關(guān)器件損壞的危險。這一階段開關(guān)電源輸出電壓較低。
[0040](2)恒流工作階段，上一階段結(jié)束后電感電流達(dá)到設(shè)定電感電流，通過控制開關(guān)器件的通斷時間，通常是占空比，控制電感電流，維持電感電流為設(shè)定電感電流，直到開關(guān)電源的輸出電壓接近額定輸出電壓，這一電壓稱為轉(zhuǎn)換電壓。轉(zhuǎn)換電壓小于額定輸出電壓，轉(zhuǎn)換電壓與額定輸出電壓的優(yōu)選比例是0.85-1。這個比例太小會使電源整體啟動時間延長，太大可能導(dǎo)致輸出電壓超調(diào)。第一階段中設(shè)置電感電流值越大，第二階段中輸出電壓上升的時間就越短。
[0041](3)穩(wěn)壓工作階段，恒流階段結(jié)束時，開關(guān)電源的輸出電壓為轉(zhuǎn)換電壓，隨后開關(guān)電源進(jìn)入穩(wěn)壓階段，以開關(guān)電源輸出電壓穩(wěn)定在額定電壓作為控制目標(biāo)，通過控制占空比使開關(guān)電源穩(wěn)壓工作，這一階段電感電流會下降，當(dāng)接入額定負(fù)載時，最后電感電流工作于額定電感電流。
[0042]本發(fā)明的開關(guān)電源快速啟動方法的實現(xiàn)電路之一是采用電流型PWM控制。電流型PWM控制包含作為外環(huán)的電壓控制環(huán)和作為內(nèi)環(huán)的電流控制環(huán)。電流控制環(huán)用來控制電感電流的大小，當(dāng)輸出電壓低于轉(zhuǎn)換電壓時，電壓誤差放大器停止工作，給定電流與電感電流作為電流調(diào)節(jié)器的兩個輸入信號，電流調(diào)節(jié)器輸出產(chǎn)生PWM信號脈沖，控制電感電流為設(shè)定電感電流值；當(dāng)輸出電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓時，電壓誤差放大器投入工作，將電壓誤差放大器輸出與電感電流作為電流調(diào)節(jié)器的兩個輸入信號，電流調(diào)節(jié)器輸出產(chǎn)生PWM信號脈沖，控制輸出電壓為額定輸出電壓值。
[0043]本發(fā)明的開關(guān)電源快速啟動方法的另一個實現(xiàn)方案是使用數(shù)字PWM控制器。數(shù)字PWM控制器包含作為外環(huán)的電壓控制環(huán)和作為內(nèi)環(huán)的電流環(huán)。當(dāng)輸出電壓小于轉(zhuǎn)換電壓時，運(yùn)行電流控制環(huán)，運(yùn)算結(jié)果控制PWM信號的脈沖導(dǎo)通寬度，控制電感電流峰值為設(shè)定電感電流值；當(dāng)輸出電壓等于大于轉(zhuǎn)換電壓時，運(yùn)行電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)進(jìn)行雙環(huán)控制，運(yùn)算結(jié)果控制PWM信號的脈沖導(dǎo)通寬度，控制輸出電壓為額定輸出電壓值。
[0044]本發(fā)明的方法和電路能使開關(guān)電源快速啟動，使得開關(guān)電源具有下列優(yōu)勢:
[0045](I)當(dāng)數(shù)字電路上電，或數(shù)字電路供電電壓突然跌落時，快速的使供電電壓從零上升到正常值，能減少數(shù)字電路出現(xiàn)不確定狀態(tài)的可能性。
[0046](2)當(dāng)開關(guān)電源的負(fù)載是大功率功能設(shè)備，開關(guān)電源的快速啟動，能使開關(guān)電源供電的負(fù)載功能設(shè)備快速投入工作，例如高壓激光電源快速啟動能使激光設(shè)備快速投入工作；大功率直流伺服電機(jī)的供電驅(qū)動電源的快速啟動能使伺服系統(tǒng)快速投入運(yùn)行。
[0047](3)電網(wǎng)上別的大功率設(shè)備啟動時會導(dǎo)致電壓跌落，例如大功率直流電機(jī)啟動導(dǎo)致的電壓跌落，這種跌落會影響同一條供電線路上的開關(guān)電源。當(dāng)輸入電壓跌落后，快速恢復(fù)工作的開關(guān)電源能減小這種跌落對開關(guān)電源的負(fù)載的影響。
[0048]如圖2所示，(a)是啟動階段電感電流iL隨時間變化示意圖，(b)是啟動階段占空比α隨時間變化示意圖，(C)是啟動階段輸出電壓U0隨時間變化示意圖。完成本發(fā)明的開關(guān)電源的啟動分為三個階段，其時間分別為Tl、Τ2、Τ3。
[0049]電流上升階段，如圖中的Tl階段，這一階段以最大允許占空比提升電感電流，直到電流峰值達(dá)到設(shè)定電感電流。電感越小，開關(guān)器件導(dǎo)通期間電感電流上升就越快。開關(guān)器件關(guān)斷期間，輸出電壓越低，電感電流下降越少，而此時輸出電壓幾乎為零，開關(guān)器件關(guān)斷期間電感電流幾乎不下降。這一階段通過大占空比，能使電感電流很快上升。電感電流上升必須有一個限定值，電感電流在這個值時，開關(guān)電源能安全工作，這就是本發(fā)明中設(shè)定電感電流值。當(dāng)電感電流為設(shè)定電感電流值或設(shè)定電感電流值以下時，此時對應(yīng)開關(guān)器件安全工作。
[0050]額定負(fù)載條件下開關(guān)器件存在一個的額定的器件工作電流值，對應(yīng)額定負(fù)載條件下也存在一個額定電感電流。另外，在開關(guān)器件的極限參數(shù)中有一個最大的工作電流值，開關(guān)器件工作電流超出這個值就可能損壞，所以選定開關(guān)器件時，最大工作電流極限值要留有足夠的余量，工程應(yīng)用中選取開關(guān)器件最大的工作電流值是額定的工作電流值的2.5到
3.5倍。對于電感來講，也就是最大安全工作電流是額定電感電流的2.5到3.5倍。
[0051 ] 開關(guān)器件最大的工作電流對應(yīng)的電感峰值電流值稱為最大安全工作電流值，設(shè)定電感電流Is值應(yīng)小于最大安全工作電流值，優(yōu)選設(shè)定電感電流Is值與最大安全工作電流4值的比例系數(shù)為0.5—0.9。這一系數(shù)太小會增加開關(guān)電源啟動時間，太大會增加開關(guān)器件損壞的危險。
[0052]恒流工作階段，如圖2中的Τ2階段。此階段通過控制開關(guān)器件的通斷時間，通常是占空比，控制電感電流，維持電感電流峰值為設(shè)定電感電流值。恒流工作階段電感電流維持在設(shè)定電感電流值，是開關(guān)電源快速啟動的技術(shù)保證。設(shè)定電感電流值越大，恒流工作階段開關(guān)電源輸出電壓上升的所花的時間就越短。
[0053]當(dāng)輸出電壓接近額定輸出電壓時，第二階段結(jié)束；此時的輸出電壓稱為轉(zhuǎn)換電壓。轉(zhuǎn)換電壓應(yīng)小于額定輸出電壓，轉(zhuǎn)換電壓與額定輸出電壓的優(yōu)選比例是0.85-1。這個比例太小會使電源整體啟動時間延長，太大可能會在恒流工作階段過渡到穩(wěn)壓工作階段時導(dǎo)致輸出電壓超出額定輸出電壓，這在很多開關(guān)電源中工程應(yīng)用中是不允許的。
[0054]穩(wěn)壓工作階段，如圖2中的Τ3階段，在恒流工作階段結(jié)束時輸出電壓已經(jīng)等于轉(zhuǎn)換電壓，穩(wěn)壓工作階段以輸出電壓穩(wěn)定在額定工作電壓為控制目標(biāo)。進(jìn)入穩(wěn)壓工作階段后，電感電流會下降，直到開關(guān)電源穩(wěn)定工作。至此，開關(guān)電源啟動過程結(jié)束。
[0055]本發(fā)明的開關(guān)電源快速啟動方法的實現(xiàn)電路之一是采用電流型PWM控制電路。如圖3所示，開關(guān)電源的快速啟動控制電路包括:比較器U1、電壓比較器U2、模擬開關(guān)U3、電流調(diào)節(jié)器U6、RS觸發(fā)器U7、PWM輸出模塊U8、振蕩器U9、電阻Rf、電阻Rj和電容Cf ;其中比較器Ul的第一輸入端連接轉(zhuǎn)換電壓Vt,比較器Ul的第二輸入端連接輸出電壓Vtl ；電阻Rj的一端用于接收輸出電壓Vtl,電阻&的另一端連接至電壓比較器U2的第一輸入端，電壓比較器U2的第二輸入端用于連接參考電壓Vf，電阻Rf與電容Cf依次串聯(lián)連接在電壓比較器U2的第一輸入端與電壓比較器U2的輸出端之間；模擬開關(guān)U3的第一輸入端連接至電壓比較器U2的輸出端，模擬開關(guān)U3的第二輸入端用于連接設(shè)定電感電流Is ;模擬開關(guān)U3的控制端連接至比較器Ul的輸出端；電流調(diào)節(jié)器U6的第一輸入端連接至模擬開關(guān)U3的輸出端，電流調(diào)節(jié)器U6的第二輸入端連接電感電流L ；RS觸發(fā)器U7的R端連接至電流調(diào)節(jié)器U6的輸出端，RS觸發(fā)器U7的S端連接振蕩器U9 ；PWM輸出模塊U8的輸入端連接至RS觸發(fā)器U7的Q端，PWM輸出模塊U8的輸出端用于輸出PWM控制信號控制開關(guān)器件通斷。
[0056]其中，U2可以為電壓誤差放大器，構(gòu)成電壓調(diào)節(jié)器，其兩個輸入信號分別是開關(guān)電源輸出電壓Vtl和參考電壓vf。現(xiàn)有開關(guān)電源的控制目標(biāo)都是將輸出電壓穩(wěn)定于參考電壓，當(dāng)參考電壓變化時，通過控制占空比大小，開關(guān)電源輸出電壓也發(fā)生變化。一般開關(guān)電源參考電壓有10%左右的變化，特殊開關(guān)電源如實驗用開關(guān)電源參考電壓從零到額定值變化。采用本發(fā)明的開關(guān)電源能到到現(xiàn)有開關(guān)電源參所需要的考電壓的所有功能。U6是電流調(diào)節(jié)器，其一個輸入信號來自模擬開關(guān)U3,另一個輸入端來自電感電流信號Ip U3是一個模擬開關(guān)，其兩個輸入信號一個是電壓調(diào)節(jié)器的輸出，另一個來自于設(shè)定電感電流Is ;模擬開關(guān)U3在兩個輸入信號中選擇一個作為其輸出。Ul是一個比較器，將輸出電壓Vtl和轉(zhuǎn)換電壓Vt進(jìn)行比較，比較器的輸出控制模擬開關(guān)U3。U9是振蕩器，U7是RS觸發(fā)器，用于產(chǎn)生PWM信號。振蕩器U9輸出連接RS觸發(fā)器U7的S端，電流調(diào)節(jié)器U6的輸出連接RS觸發(fā)器U7的R端。PWM的寬度隨電流調(diào)節(jié)器U6輸出電壓變化而變化。U8是PWM輸出模塊，其輸出可以是一路PWM，也可以是兩路互補(bǔ)的PWM輸出。
[0057]從整體來看，電流型PWM控制包含作為外環(huán)的電壓控制環(huán)和作為內(nèi)環(huán)的電流控制環(huán)。電流控制環(huán)用來控制電感電流的大小，當(dāng)輸出電壓低于轉(zhuǎn)換電壓Vt時，比較器Ul通過比較控制模擬開關(guān)U3將信號切換成設(shè)定電感電流Is，此時電壓調(diào)節(jié)器對輸出占空比無影響，電流調(diào)節(jié)器將調(diào)節(jié)占空比。若電感電流Ili小于設(shè)定點(diǎn)電感電流Is，占空比則為最大占空比，這就是電流上升階段；當(dāng)電感電流達(dá)到設(shè)定電感電流Is時，電流調(diào)節(jié)器使電感電流込恒定在設(shè)定電感電流Is。此時電壓誤差放大器停止工作。
[0058]當(dāng)輸出電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓Vt時，比較器Ul通過比較控制模擬開關(guān)U3將信號切換成電壓調(diào)節(jié)器輸出，此時電壓誤差放大器U2投入工作，將電壓誤差放大器輸出與電感電流作為電流調(diào)節(jié)器U6的兩個輸入信號，由電流比較器的輸出控制觸發(fā)器產(chǎn)生PWM信號的脈沖導(dǎo)通寬度，控制占空比使輸出電壓為額定輸出電壓值。
[0059]本發(fā)明的開關(guān)電源快速啟動方法的另一個實現(xiàn)方案是使用數(shù)字PWM控制器，其原理示意如圖4所示。采用這一方案，開關(guān)電源的快速啟動控制電路包括:電壓采樣模塊3、電流采樣模塊4、MCU控制模塊5以及PWM發(fā)生器6 ；MCU控制模塊5分別對開關(guān)電源的輸出電壓、電感電流進(jìn)行采樣，通過運(yùn)算輸出PWM信號，控制開關(guān)器件通斷。所述電壓采樣模塊3和電流采樣模塊4的采樣速度高于PWM控制頻率四倍以上，以保證兩者采樣能得到一些列瞬時值，MCU控制模塊從這些瞬時值中能求出峰值或平均值。
[0060]如圖5所示，MCU控制模塊5包括:減法器50、電壓調(diào)節(jié)器51、電壓比較器52、開關(guān)53、減法器55和電流調(diào)節(jié)器54，減法器50的第一輸入端連接參考電壓Vf，第二輸入端用于接收輸出電壓Vtl,減法器50的輸出端連接電壓調(diào)節(jié)器51，電壓調(diào)節(jié)器51的輸出端連接開關(guān)53的第一輸入端，開關(guān)53的第二輸入端是設(shè)定電感電流Is,開關(guān)53的輸出連接減法器55的第一輸入端，減法器55的第二輸入端是電感電流Ilj，減法器55的輸出是電流調(diào)節(jié)器54，電流調(diào)節(jié)器54輸出占空比控制開關(guān)器件。輸出電壓Vtl連接比較器52的第一輸入端，轉(zhuǎn)換電壓Vt連接比較器的第二輸入端，比較器的輸出連接開關(guān)53的控制端，該控制段能控制開關(guān)53的輸出端與第一輸入端或第二輸入端連通。
[0061]電壓調(diào)節(jié)器51將參考電壓Vf和輸出電壓Vtl的差進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送到軟件開關(guān)53,軟件開關(guān)53的另一個輸入端是設(shè)定電感電流Is ；電壓比較器52將輸出電壓Vtl和轉(zhuǎn)換電壓Vt進(jìn)行比較，其輸出控制開關(guān)53。開關(guān)53可以為二選一的軟件開關(guān)，當(dāng)輸出電壓Vtl低于轉(zhuǎn)換電壓Vt也就是開關(guān)電源處于啟動階段時，開關(guān)53選通Is，當(dāng)輸出電壓高于Vst也就是開關(guān)電源啟動結(jié)束時，軟件開關(guān)選擇電壓調(diào)節(jié)器的輸出。將開關(guān)53的輸出與電感電流Il的差進(jìn)行運(yùn)算，其輸出控制PWM發(fā)生器，輸出占空比可控的PWM信號。PWM發(fā)生器，其輸出可以是一路PWM，也可以是兩路互補(bǔ)的PWM輸出。
[0062]數(shù)字PWM控制器程序包含電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器。程序流程示意圖如圖6所示。當(dāng)輸出電壓小于轉(zhuǎn)換電壓時，給定值為設(shè)定電感電流Is，然后進(jìn)行電流調(diào)節(jié)運(yùn)算，運(yùn)行電流控制環(huán)，運(yùn)算結(jié)果控制PWM信號的脈沖導(dǎo)通寬度，控制電感電流峰值為設(shè)定電流值；當(dāng)輸出電壓等于大于轉(zhuǎn)換電壓時，將輸出電壓進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)運(yùn)算，運(yùn)行電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)進(jìn)行雙環(huán)控制，運(yùn)算結(jié)果控制PWM信號的脈沖導(dǎo)通寬度，控制輸出電壓為額定輸出電壓值。
[0063]本發(fā)明中以上的【具體實施方式】中，電流的采樣點(diǎn)是以電感電流作為實施實例，實際應(yīng)用中還可以有其它采樣點(diǎn)，對其他采樣點(diǎn)進(jìn)行電流采樣與對電感進(jìn)行電流采用，其得到的電流值只有比例上的變化，對本發(fā)明中的開關(guān)電源的快速啟動方式以及兩種開關(guān)電源快速啟動實現(xiàn)方案沒有其它影響。針對具體的開關(guān)電源變換器，其電流采樣點(diǎn)描述如下:
[0064]對于降壓DC/DC變換器，其電流采樣點(diǎn)可以是開關(guān)器件電流或電感電流或它們的結(jié)合；
[0065]對于升壓DC/DC變換器，其電流采樣點(diǎn)可以是開關(guān)器件電流或電感電流或它們的結(jié)合；
[0066]對于橋式非隔離變換器，其電流采樣點(diǎn)可以是電感電流；
[0067]對于單端反激變換器，其電流采樣點(diǎn)可以是開關(guān)器件電流或變壓器原邊電流或它們的結(jié)合；
[0068]對于單端正激變換器，其電流采樣點(diǎn)可以是開關(guān)器件電流或變壓器原邊電流或變壓器次邊或電感電流或它們的結(jié)合；
[0069]對于半橋或全橋隔離變換器，其電流采樣點(diǎn)可以是變壓器原邊電流或變壓器次邊電流或電感電流或它們的結(jié)合。
[0070]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種開關(guān)電源快速啟動方法，其特征在于，包括下述步驟: (1)在電流上升階段，以最大允許占空比提升電感電流，直到電感電流達(dá)到設(shè)定電感電流； (2)在恒流工作階段，通過控制開關(guān)器件的占空比來控制電感電流使得所述電感電流維持在所述設(shè)定電感電流，直到開關(guān)電源的輸出電壓為轉(zhuǎn)換電壓； (3)在穩(wěn)壓工作階段，通過控制開關(guān)器件的占空比使得所述開關(guān)電源的輸出電壓維持在額定電壓從而實現(xiàn)開關(guān)電源快速啟動。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源快速啟動方法，其特征在于，步驟(I)中，所述最大允許占空比是開關(guān)電源主電路所能允許的最大占空比；當(dāng)所述開關(guān)電源主電路中的變換器為降壓DC/DC變換器時，所述最大允許占空比為I ;當(dāng)所述開關(guān)電源主電路中的變換器為橋式非隔離變換器、半橋或全橋隔離變換器時，所述最大允許占空比為0.5減去死區(qū)時間部分；當(dāng)所述開關(guān)電源主電路中的變換器為單端反激變換器或單端正激變換器時，所述最大允許占空比為0.5。
3.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源快速啟動方法，其特征在于，所述設(shè)定電感電流等于最大安全工作電流Ist的(0.5—0.9)倍。
4.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源快速啟動方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換電壓為額定電壓的(0.85-1)倍。
5.一種開關(guān)電源快速啟動控制電路，其特征在于，包括比較器U1、電壓比較器U2、模擬開關(guān)U3、電流調(diào)節(jié)器U6、RS觸發(fā)器U7、PWM輸出模塊U8、振蕩器U9、電阻Rf、電阻Rj和電容Cf; 所述比較器Ul的第一輸入端連接轉(zhuǎn)換電壓vt，所述比較器Ul的第二輸入端連接輸出電壓Vtl;所述電阻&的一端用于接收輸出電壓Vtl，所述電阻&的另一端連接至所述電壓比較器U2的第一輸入端，所述電壓比較器U2的第二輸入端用于連接參考電壓Vf，所述電阻Rf與所述電容Cf依次串聯(lián)連接在所述電壓比較器U2的第一輸入端與所述電壓比較器U2的輸出端之間；所述模擬開關(guān)U3的第一輸入端連接至所述電壓比較器U2的輸出端，所述模擬開關(guān)U3的第二輸入端用于連接設(shè)定電感電流Is ;所述模擬開關(guān)U3的控制端連接至比較器Ul的輸出端；所述電流調(diào)節(jié)器U6的第一輸入端連接至模擬開關(guān)U3的輸出端，所述電流調(diào)節(jié)器U6的第二輸入端連接電感電流L ;所述RS觸發(fā)器U7的R端連接至所述電流調(diào)節(jié)器U6的輸出端，所述RS觸發(fā)器U7的S端連接所述振蕩器U9 ;所述PWM輸出模塊U8的輸入端連接至所述RS觸發(fā)器U7的Q端，所述PWM輸出模塊U8的輸出端用于輸出PWM控制信號并控制開關(guān)器件通斷。
6.如權(quán)利要求5所述的開關(guān)電源快速啟動控制電路，其特征在于，所述設(shè)定電感電流Is等于最大安全工作電流Ist的(0.5—0.9)倍。
7.如權(quán)利要求5或6所述的開關(guān)電源快速啟動控制電路，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換電壓Vt為額定電壓的(0.85-1)倍。
8.一種開關(guān)電源快速啟動控制電路，其特征在于，包括MCU控制模塊(5)，連接在所述MCU控制模塊(5)的輸入端的電壓采樣模塊(3)和電流采樣模塊(4)，以及連接在所述MCU控制模塊(5)的輸出端的PWM發(fā)生器(6)； 所述MCU控制模塊(5)包括減法器(50)、電壓調(diào)節(jié)器(51)、電壓比較器(52)、開關(guān)(53)、減法器(55)和電流調(diào)節(jié)器(54)； 所述減法器(50)的第一輸入端連接參考電壓Vf，第二輸入端用于接收輸出電壓Vtl，所述減法器(50)的輸出端連接電壓調(diào)節(jié)器(51)，電壓調(diào)節(jié)器(51)的輸出端連接開關(guān)(53)的第一輸入端，開關(guān)(53)的第二輸入端用于連接設(shè)定電感電流Is，開關(guān)(53)的輸出端連接減法器(55)的第一輸入端,減法器(55)的第二輸入端用于連接電感電流Ilj,減法器(55)的輸出端連接電流調(diào)節(jié)器(54)的輸入端，電流調(diào)節(jié)器(54)的輸出端用于輸出占空比控制開關(guān)器件。
9.如權(quán)利要求8所述的開關(guān)電源快速啟動控制電路，其特征在于，所述設(shè)定電感電流Is等于最大安全工作電流Ist的(0.5—0.9)倍。
【文檔編號】H02M1/36GK104242623SQ201410451636
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】危立輝 申請人:中南民族大學(xué)