专利名称：一种脉冲宽度调制器及采用该调制器的升压型变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉冲宽度调制，具体涉及在例如功率变换器中使用的 脉沖宽度调制器。
背景技术：
对于一个传统占空比控制下的升压型开关电力变换器，在电流连续导通运行模式下，输出电压Vo是输入电压Vin及占空比D的函数 Vo=Vin/(l-D)。因为Vo直接与Vin成比例，所以开环的电源电压调整 率很差。并且，因为升压型变换器的转化率Vo/Vin对于占空比D而言 是非线性的，所以小信号模型控制对输出传递函数的增益取决于运行 点。特别是在DC/AC升压型逆变器的应用中，用传统的内环P丽控制 方式(包括电流模式控制)，在宽输入范围情况下交流输出具有严重 的信号失真度。为了解决上述非线性问题，刊登在IEEE Transactions on Power Electronics第12巻2期(1997年3月)第361-368页的B. ArbeUer 等所著的"Feed-Forward Pulse-Width Modulators for Switching Power Converters"(开关功率变换器用的前馈式脉宽调制器)披露了 一种前馈式脉宽调制器。该调制器通过在电源转换器系统中将输入电 压与反馈环路相结合，改善了静态和动态响应。然而，该方案需要在 控制回路中采用一个或几个积分电路，以产生锯齿载波信号。此外， 需要一个单独的振荡器来产生开关时钟。它们要么是下降沿调制或者上升沿单边调制，这些单边调制在负载响应和补偿上有局限性。 发明内容本发明的目的是提供能够克服以上问题的脉沖宽度调制器和功率 变换器。为此，本发明在第一方面提供一种脉沖宽度调制器，包括第一放大 器和第二放大器，还包括正输入端，负输入端，控制端和输出端，其中第一电阻的一端连接在第一放大器的负输入端，第二电阻的一端连 接在第 一放大器的正输入端，第三电阻连接在第 一放大器的负输入端 和输出端之间，第四电阻连接在第 一放大器的正输入端和第二放大器 的输出端之间，第二放大器连接成电压跟随形式，第五电阻连接在第 一放大器的输出端和第二放大器的正输入端之间，电容连接在第二放 大器的正输入端和地之间，调制器的输出端和第二放大器的正输入端 相连，调制器的正输入端和负输入端分别为第一电阻的另一端和第二 电阻的另一端提供相反的电压，其中通过改变控制端的控制信号，调制 器的正输入端和负输入端为第 一 电阻的另 一端和第二电阻的另 一端提 供的电压在高电压和低电压之间交替变化。在第二方面，本发明提供一种升压型电源转换器，其特征在于包括 如第一方面所述的脉冲宽度调制器，还包括第四比较器和第三放大器， 其中，第四比较器的负输入端和转换器的输入端相连，正输入端连接调制器的输出端，输出端为转换器提供占空比控制；其中，第三放大器的 负输入端和转换器的输出端相连，正输入端连接参考电压，输出端连 接调制器的正输入端电压。本发明采用双边调制P麵配置，没有使用任何积分器和时钟振荡 器。本发明的系统是一个线性系统，具有更快的响应和优化了的信号 失真率。可以在模拟集成电路中简单而且容易实现，适用于大多数的 占空比控制的开关电源功率转换器。
下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，附图中图1是根据本发明的P丽调制锯齿波发生器的示意框图； 图2是PBH周制的波形图；图3是采用P西控制的直流/直流或者直流/交流升压型变换器；以及图4是用本发明P丽控制和传统电压型PWM控制的升压型直流/交 流逆变器交流输出电压仿真波形比较。
具体实施方式
图1是根据本发明的脉冲宽度调制(P丽调制)载波发生器的示意 框图。如图1所示，P而调制载波发生器有一个输入电压正端V+, —个负端V-，输出电压端Vr以及控制端SW。 PWM调制载波发生器包括放大器 110,放大器120和二位开关130。放大器110是一个运算放大器。电阻R1连接在放大器110的负输 入端和二位开关130的一个输出端之间；电阻R2连接在放大器110的 正输入端和二位开关130的另一个输出端之间。放大器110的负输入 端和输出端之间连接有电阻R3。二位开关130的一个输入端和输入电压正端V+相连，二位开关的 另一个输入端和输入电压负端V-相连。在二位开关130的控制下，正、 负电压分别通过电阻Rl和R2,交替作用于放大器110的正输入端和负 输入端。工作时，当SW-1时，开关130切换到位置1，将V-端的电压 通过电阻Rl传送到放大器110的负端，V+端的电压通过电阻R2传送 到放大器110的正端；当SW-O时，开关130切换到位置2，将V+端的 电压通过电阻R1接到放大器110的负端，V-端的电压通过电阻R2接 到放大器110的正端。从而，通过SW信号的改变，开关130交替向放 大器IIO提供方向相反的电压信号。需要指出，开关130不限于图1 所示的形式，可以采用其它各种开关部件实现。放大器120连接成电压跟随器形式，即输出端和负输入端相连。放 大器120的正输入端即为输出电压端，它经电容C接地。放大器IIO的正输入端和放大器120的输出端之间连接有电阻R5。放大器110的输出端和放大器12 0的正输入端之间连接有电阻R 4 。在本例中，Rl, R2， R3和R4具有相同的阻^t。在另一个例子中， Rl和R2具有相同阻值，R3和R4具有相同的阻值。在进一步的例子中， Rl和R3阻值之比与R2和R4之比需要相等。在工作中，通过SW信号控制二位开关130并且将其切换到不同位 置，电压Vc对电容C充放电。当电压Vr处于参考电压低坎值(一般是地电平)时，开关被接于 位置l,电容会以电流i-Vc/R充电。当电压Vr高于控制电压信号Vc 时，开关接到位置2，电容C通过电流i—c/R放电。继而，电容C产 生一个锯齿波形Vr。如果电压Vc是一个幅度变化的函数P (),则Vr成为一个幅度可 变的锯齿波形Vr。锯齿波信号Vr可以用于和一个电压Vg比较而产生一个PWM占空比 来控制功率变换器。采用这种锯齿发生器，锯齿波的时钟频率固定， 只由R和C决定，开关的时钟频率是fosc-l/(2RC)。由此，本发明产 生了 一种全新的PWM调制，如图2所示。这种PWM调制是一个双边调制方式，它比单边上升沿调制和下降沿 调制方式在负载响应和补偿方面都有很多优势。这种脉宽调制技术发 明之所以叫做"自定义的P丽"，是因为这种调制方式可以应用到大多 数的功率变换器结构，比如降压型(Buck)，升压型(Boost)，升降 压型(Buck-Boost),桥式，Cuk, SEPIC， Watkin-Johnsons等电路 结构。根据本发明， 一个通用的调制函数格式是D或者D，=Q ( ) /P ()， 用户可以根据不同的功率变换器结构选择Q ()和P ()来调制占空比 D。这里，Vg=Q ()。图3显示一个用本发明PWM调制进行控制的升压型直流/直流转换器或者直流/交流逆变器。如图3所示，Vs是输入电源，它提供输入电压Vin。电感L，功率 场效应管(M0SFET) 302，功率肖特基二极管D,和输出滤波电容。组 成一个标准的升压型功率变换器。当M0SFET管302导通时，电感L通过输入电源存l诸能量，电感电 流线性增加，L*AI=Vin*t。n,其中U是功率M0SFET管302的导通时间。 当功率M0SFET管302关断时，电感存储的能量通过肖特基二极管D输 出给负载304，电感电流通过二极管续流并减小，L*AI=(Vout + Vd-Vin)*t。ff,这里Vd是二极管的电压降。在稳定状态下，在U期间 电流的变化(增加值)等于在t。ff期间电流的变化(减小值)。因此，有下列等式成立Vout-Vin〃l-D)-Vd ( 1 )其中，D是充电时间与总时间周期之比。 输出电压可以通过控制占空比D来加以控制。 在图3中，载波发生器320，比较器330和比较器340， RS触发器 360构成本发明的P麵调制器。其中，载波发生器320是图l所示的载波发生器，可以产生具有固定时钟频率的锯齿载波信号Vr。运算放大和补偿器350构成输出的闭环反馈回路，输出提供给PWM 调制器的控制电压Vc。比较器330,比较器340和RS触发器360将载波发生器320的输 出信号Vr和控制电压Vc进行比较来控制开关SW。当Vr小于Vc时， 产生电平为低的SW信号；当Vr大于Vc时，产生电平为高的SW信号。 在该SW信号的作用下，载波发生器320产生具有固定时钟频率的锯齿 载波信号Vr。比较器310对载波发生器320产生的三角载波和输入电压Vin进行 比较，产生控制功率变换器的占空比D。比较器310产生的控制信号经 门驱动器370作用于功率场效应管(MOSFET) 302。这构成了输入电压 的一个前馈控制。根据前述的调制原理，占空比D-Vin/Vc。结合前文的等式(l), 输出Vout = Vc。当Vref输入恒定电压时，图3的电路构成升压型直流/直流转换器， 当Vref输入交流小信号时，图3的电路构成直流/交流逆变器。通过比较输入电压和锯齿载波，可以提高可调电源的抗干扰性，防 止输入电压的波动和瞬态变化传递到输出侧。载波信号是通过一个闭 环控制输出的控制电压产生的，能够抵消输入电压变化的影响，根据 运行状态，优化地采用输入V in前馈信号和输出反馈信号结合的方式， 突出了这种控制模式的优越性。在直流/交流升压型逆变器应用，采用本发明可以减低输出电压信 号畸变和得到较好的线性度，特别是在宽范围输入的应用中。图4显示比较了采用本发明PB1调制控制CPWM和采用传统电压模 式P西调制控制GP丽的变换器交流输出电压仿真波形。从图中可见， 在Vc为标准正弦波的情况下，GP窗方式下变换器输出信号不是正弦 波，这表明其存在非线性关系。而CP丽方式下变换器则展现较为标准 的正弦波。本发明在升压型功率转换器上的应用具有下列优点 1.结合前馈和反馈环来减少电源输入对输出的干扰。在电流连续 导通工作模式下系统是线性的，改进了系统稳态和动态响应， 使输出电压畸变和波动最小化，反馈回路很容易补偿，而且具有固定的DC反馈环增益。2. 本发明的PWM可以用在大多数的占空比控制的功率转换电路结 构中，在集成电路中的实现简单而且廉价。3. 自动产生时钟信号，不需要特别的时钟生成电路，固定的时钟 频率可以减少电磁干扰。4. 以简单方式实现了双边脉宽调制，该调制方式具有所有的双边 调制优于上升沿/下降沿调制所固有的优点。本发明可广泛应用在降压型(BUCK ),升压型或升降压(Buck-Boost ) DC/DC、 DC/AC变换器，功率因数校正集成电路控制器，LED驱动器中。显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为 偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改 变，都包括在本权利要求书的涵盖范围之内。
权利要求
1.一种脉冲宽度调制器，包括第一放大器和第二放大器，还包括正输入端，负输入端，控制端和输出端，其中第一电阻的一端连接在第一放大器的负输入端，第二电阻的一端连接在第一放大器的正输入端，第三电阻连接在第一放大器的负输入端和输出端之间，第四电阻连接在第一放大器的正输入端和第二放大器的输出端之间，第二放大器连接成电压跟随形式，第五电阻连接在第一放大器的输出端和第二放大器的正输入端之间，电容连接在第二放大器的正输入端和地之间，调制器的输出端和第二放大器的正输入端相连，调制器的正输入端和负输入端分别为第一电阻的另一端和第二电阻的另一端提供相反的电压，其中通过改变控制端的控制信号，调制器的正输入端和负输入端为第一电阻的另一端和第二电阻的另一端提供的电压在高电压和低电压之间交替变化。
2. 如权利要求1所述的脉冲宽度调制器，其特征在于第一电阻与第三电阻的阻值比等于第二电阻和第四电阻的阻值比。
3. 如权利要求2所述的脉沖宽度调制器，其特征在于第一电阻，第 二电阻，第三电阻和第四电阻的阻值相等。
4. 如权利要求1所述的脉冲宽度调制器，其特征在于包括第一比较 器，第二比较器和RS触发器，第一比较器的负输入端和第二比较器的 正输入端与调制器的正输入端相连，第一比较器的正输入端和第二比 较器的负输入端与调制器的输出端相连，第 一比较器和第二比较器的 输出端分别和RS触发器的S输入端和R输入端相连，RS触发器的输出 端提供所述控制端的控制信号，调制器的负输入端接地。
5. 如权利要求1所述的脉冲宽度调制器，其特征在于包括第三比较 器，将调制器输出端的信号和一个参考信号进行比较，产生调制信号。
6. —种升压型电源转换器，其特征在于包括如权利要求1所述的脉 冲宽度调制器，还包括第四比较器和第三放大器，其中，第四比较器的 负输入端和转换器的输入端相连，正输入端连接调制器的输出端，输出 端为转换器提供占空比控制；其中，第三放大器的负输入端和转换器 的输出端相连，正输入端连接参考电压，输出端连接调制器的正输入 端电压。
7.如权利要求6所述的升压型电源转换器，其特征在于还包括电感， 功率场效应管，二极管和电容，所述电感和二极管串联在转换器的输入 端和输出端之间，二极管的阳极在电感 一侧，电容连接在转换器的输出端和地之间；功率场效应管的漏极连接在电感和二极管之间的接点上， 栅极经门驱动器连接在第四比较器的输出端上，源极接地。
全文摘要
本发明披露一种脉冲宽度调制器，包括第一放大器和第二放大器，其中第一电阻的一端连接在第一放大器的负输入端，第二电阻的一端连接在第一放大器的正输入端，第三电阻连接在第一放大器的负输入端和输出端之间，第四电阻连接在第一放大器的正输入端和第二放大器的输出端之间，第二放大器连接成电压跟随形式，第五电阻连接在第一放大器的输出端和第二放大器的正输入端之间，电容连接在第二放大器的正输入端和地之间，调制器的输出端和第二放大器的正输入端相连，通过改变控制端的控制信号，调制器的正输入端和负输入端为第一电阻的另一端和第二电阻的另一端提供的相反电压在高电压和低电压之间交替变化。本发明具有更快响应和优化的信号失真率。
文档编号H02M1/08GK101404443SQ20081011444
公开日2009年4月8日 申请日期2008年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者军 徐, 景卫兵, 程宝洪 申请人:美芯晟科技(北京)有限公司