专利名称：伪连续工作模式开关电源的单环脉冲调节控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及开关电源的控制装置。
背景技术：
大多数用电设备(如计算机、通讯设备、电动机械、工业控制设备、高效照明装置 等)都要求将一般电力(如市电)进行转化后才能符合其使用需要。近年来，开关电源技 术一直是电气工程领域应用和研究的热点。开关电源主要由DC-DC变换器和控制器两部分构成。DC-DC变换器用于电能转换， 一般由开关装置和整流滤波电路等组成，电路结构有BucKBoost、反激、全桥等等。控制器 用于检测变换器电路的工作状态，并产生控制脉冲信号控制变换器中的开关装置，调节传 递给负载的电量以稳定输出。控制器的结构和工作原理由电源采用的控制方法决定。近年 来，变换器和控制方法方面的新技术不断推进着开关电源的发展。伪连续工作模式开关变换器在传统变换器的基础上，增加了一个与电感并联的续 流开关管，从而通过改变电路的工作状态提高电源的瞬态响应能力。但是，实现对伪连续工 作模式开关变换器的闭环控制通常较为复杂，控制器需要检测和处理多个状态变量，补偿 网络的设计和实现比较繁琐。此外，之前出现的伪连续工作模式开关变换器的工作范围受 限于预设的电感电流基准值。脉冲调节控制方法是一种新型的开关变换器控制方法。其控制过程是在每个开 关周期起始时刻判断输出电压V。与基准电压Vref间的关系，若输出电压V。低于基准电压 Vref，控制器将选择占空比大的高能量控制脉冲作为变换器的控制信号；反之将会选择占空 比小的低能量控制脉冲。脉冲调节技术简单可靠，且具有较好的快速响应能力。其不足之 处是仅能用于控制工作在电感电流断续模式(DCM)的开关变换器，工作范围受电感电流 临界条件的限制，因此不适用于大功率场合。与本实用新型同时提交的发明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伪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，变换器工作范围大，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。与基准电压Vref之间的关 系选择该开关周期内的有效控制脉冲，从而实现对伪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V0低于，采用控制脉冲Phi和Ph2分别控制伪连续开关变换器中 的开关管S1和S2 ；反之，若V0高于Vref，采用控制脉冲Pli和Pl2分别控制开关管S1和S20上述的产生控制脉冲Pm和Ph2的方法是在某个开关周期起始的、时刻，控制脉 冲Pm由低电平变为高电平，控制脉冲Ph2由高电平变为低电平，变换器TD中的开关管S1开 通、S2关断，电感电流込上升；在t0+DH1T时刻，控制脉冲Phi在保持为高电平固定时间DhiT 后变为低电平，开关管S1关断，二极管D开通，电感电流下降；在、+(I-Dh2) T时刻，控制脉 冲Ph2在保持为低电平固定时间(I-Dh2) T后变为高电平，开关管S2开通，二极管D关断，电感电流通过开关管S2续流，直至开关周期结束时刻、+Τ。上述的产生控制脉冲Pu和P。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Pli和Pl2为高电平的持续时间分别为DliT(Dli < Dhi)和Dl2T(Dl2 > Dh2)。与现有技术相比，该方法的有益效果是一、为伪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 仅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，即可完成对伪连续模 式变换器中主开关管S1和续流开关管S2的控制。克服了传统的伪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、所提供的控制方法可使被控变换器的工作范围不受脉冲调节控制变换器电感 电流临界条件的限制，也不受传统伪连续模式变换器电感电流基准值的限制，从而拓宽了 应用范围。三、该控制方法采用占空比固定的控制脉冲，使得变换器具有良好的抗干扰能力。 并且用于控制开关管S1和S2的两组控制脉冲信号可预设时序，因此该控制方法直接提供了 开关管S1和S2交替开通、关断所需的死区时间，无须设计附加电路提供保护。
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。实现本实用新型目的所采用的技术方案是伪连续工作模式开关电源的单环脉冲 调节控制装置，由变换器和控制器组成，控制器包括电压检测电路、脉冲选择器、脉冲产生 器、锯齿波信号产生器、驱动电路，其结构特点是电压检测电路、脉冲选择器、脉冲产生器、 驱动电路依次相连；锯齿波信号产生器与脉冲选择器及脉冲产生器相连。该装置的工作过程和原理是锯齿波信号产生器产生频率固定的锯齿波信号Vsaw， 脉冲选择器根据锯齿波信号Vsaw产生频率固定的时钟脉冲信号v。lk ；当时钟脉冲来临时刻， 脉冲选择器比较此时输出电压V。与基准电压的大小关系，并将代表比较结果的逻辑信 号输出至脉冲产生器；脉冲产生器根据锯齿波信号Vsaw产生频率均相同但占空比不同的控 制脉冲PH1、Pu、PH2、Pm并根据输出电压V。与基准电压Vref的大小关系输出对应的控制脉冲 实现对变换器开关管S1和S2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。控制装置中，锯齿波信号产生器可由三角波信号产生器等其他装置代替，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。上述的脉冲选择器的具体组成为由比较器AC1、AC2和触发器DFF组成；比较器 ACl的正极性端接基准电压Vref，负极性端接电压检测电路VCC输出的变换器输出电压V。， ACl的输出端与触发器DFF的D端相连；比较器AC2的正极性端接固定电压\c，负极性端 接锯齿波信号产生器SG的输出信号Vsaw，AC2的输出端与触发器DFF的CLK端相连；触发器 DFF的输出端Q和3与脉冲产生器PG相连。这样，比较器ACl将输出电压V。同基准电压进行比较，当输出电压V。低于基 准电压Vref时，比较器ACl的输出信号Vc为高电平，反之，当V0低于Vref时,Vc为低电平；比 较器AC2将锯齿波信号产生器SG输出的上三角形锯齿波Vsaw同固定电压Vre进行比较，在
4上三角形锯齿波的每个周期起始时，Vsaw低于Vrc，比较器AC2的输出信号V。lk为高电平，当 Vsaw上升至Vrc后，V。lk为低电平，由于的电压幅值较低，Vclk为高电平持续时间很短的时 钟脉冲；当V。lki升沿来临时，触发器DFF将此时比较器ACl的输出信号Vc输出至Q端，产 生脉冲选择信号Vq，根据触发器的工作原理VQ在V。lk的下一个上升沿来临之前保持不变， 且％的电平高低始终与Vq相反。上述的脉冲产生器的具体组成为由比较器AC 3、AC4、AC5、AC6，与门AGl、AG2、 AG3、AG4，以及或门OGU 0G2组成；比较器AC3和AC4的正极性端分别接固定电压Vrlll和 VrL1,负极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出信号Vsaw ；与门AGl的输入端接比较器AC3 的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接比较器AC4的输出端和触发器DFF的 Q端；或门OGl的输入端接与门AGl和AG2的输出端，OGl的输出端接开关管S1的驱动电路 DRl ；比较器AC5和AC6的负极性端分别接固定电压Vril2和V。⑵正极性端均接锯齿波信号产 生器SG的输出信号Vsaw ；与门AG3的输入端接比较器AC5的输出端和触发器DFF的Q端， 与门AG2的输入端接比较器AC6的输出端和触发器DFF的石端；或门0G2的输入端接与门 AG3和AG4的输出端，0G2的输出端接开关管S2的驱动电路DR2。这样，比较器AC3将上三角形锯齿波Vsaw同固定电压Vrill进行比较，在上三角形锯 齿波的每个周期起始时，Vsaw低于Vrill，比较器AC 3输出的控制脉冲信号Pm为高电平，当Vsaw 上升至Vrill后，Pm变为低电平，直到锯齿波信号的下一个周期开始；比较器AC4的工作过程 与上述AC3类似，但由于Vm < VriinPu的高电平持续时间小于Phi ；比较器AC5将Vsaw同固 定电压Vril2进行比较，在锯齿波的每个周期起始时，Vsaw低于Vril2，比较器AC5输出的控制脉 冲信号Ph2为低电平，当Vsaw上升至Vril2后，Ph2变为高电平，直到锯齿波信号的下一个周期 开始；比较器AC6的工作过程与上述AC5类似，但由于VA2 < VrH2, Pl2的高电平持续时间大 于Ph2 ；当脉冲选择信号Vq为高电平，％为低电平时，与门AGl和AG3开通，AG2和AG4被封 锁，或门OGl和0G2分别输出控制脉冲Pm和Ph2至驱动电路；反之，当脉冲选择信号Vq为低 电平，％为高电平时，与门AG2和AG4开通，AGl和AG3被封锁，或门OGl和0G2分别输出控 制脉冲Pu和P。至驱动电路。
以下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。
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脉冲选择器的电路结构图。图4为本实用新型实施例一的脉冲产生器的电路结构图。图5a为本实用新型实施例一在稳态条件下某一时段锯齿波信号Vsaw的时域仿真 波形图。图5b为与图5a同一时段时钟脉冲信号Velk的时域仿真波形图。图5c为与图5a同一时段控制脉冲信号Vpi的时域仿真波形图。图5d为与图5a同一时段控制脉冲信号Vp2的时域仿真波形图。图5e为与图5a同一时段变换器电感电流L的时域仿真波形图。图5f为与图5a同一时段变换器输出电压V。的时域仿真波形图。[0033]图5仿真条件如下输入电压Vin = 50V、输出基准电压Vref = 18V、电感L = 800 μ H、电容C = 2000 μ F、负载阻值R = 10 Ω、开关周期T = 50 μ s、控制脉冲Phi的占空比 Dm = 0. 48、控制脉冲Pli的占空比Dli = 0. 18、控制脉冲Ph2的占空比Dh2 = 0. 03、控制脉冲 Pl2的占空比Dl2 = 0. 34。图6a为实施例一在负载变化(负载电流在20ms时刻由1. 8A跃变至3. 6A)时变 换器输出电压的仿真波形图。图6b为现有的PWM控制变换器在同样的负载变化时，输出电压的仿真波形图。图 6仿真条件与图5相同。图7为本实用新型实施例二的电路结构框图。图8为本实用新型实施例三的电路结构框图。
具体实施方式
实施例一图1示出，本实用新型的一种具体实施方式
为，其具体作法是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。与基准电压 Vref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V0低于，采用控制脉冲Phi和Ph2分别控制伪连续开关变换器中 的开关管S1和S2 ；反之，若V0高于Vref，采用控制脉冲Pli和Pl2分别控制开关管S1和S20控制器产生控制脉冲Pm和Ph2的方法是在某个开关周期起始的t。时刻，控制脉 冲Pm由低电平变为高电平，控制脉冲Ph2由高电平变为低电平，变换器TD中的开关管S1开 通、S2关断，电感电流込上升；在t0+DH1T时刻，控制脉冲Phi在保持为高电平固定时间DhiT 后变为低电平，开关管S1关断，二极管D开通，电感电流下降；在、+(I-Dh2) T时刻，控制脉 冲Ph2在保持为低电平固定时间(I-Dh2) T后变为高电平，开关管S2开通，二极管D关断，电 感电流通过开关管S2续流，直至开关周期结束时刻、+Τ。控制器产生控制脉冲Pu和P。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Pli和Pl2为高电平的持续时间分别为DliT(Dli < Dhi)和Dl2T(Dl2 > Dh2)。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装置，由变换器TD和控制器组成，控制器包括电 压检测电路VCC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、锯齿波信号产生器SG和驱动电路DR。其 特征在于电压检测电路VCC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、驱动电路DR依次相连；锯齿 波信号产生器SG与脉冲选择器PS及脉冲产生器PG相连。图3示出，本例的脉冲选择器PS的具体组成为由比较器AC1、AC2和触发器DFF 组成；比较器ACl的正极性端接基准电压VMf，负极性端接电压检测电路VCC输出的变换器 输出电压V。，ACl的输出端与触发器DFF的D端相连；比较器AC2的正极性端接固定电压 Vrc,负极性端接锯齿波信号产生器SG的输出信号Vsaw，AC2的输出端与触发器DFF的CLK端 相连；触发器DFF的输出端Q和石与脉冲产生器PG相连。图4示出，本例的脉冲产生器PG的具体组成为由比较器AC3、AC4、AC5、AC6，与 门AGU AG2、AG3、AG4，以及或门OGU 0G2组成；比较器AC3和AC4的正极性端分别接固定 电压Vrill和Vai，负极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出信号Vsaw ；与门AGl的输入端接比较器AC3的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接比较器AC4的输出端和触 发器DFF的&端；或门OGl的输入端接与门AGl和AG2的输出端，OGl的输出端接开关管S1 的驱动电路DRl ；比较器AC5和AC6的负极性端分别接固定电压Vril2和νΛ2，正极性端均接 锯齿波信号产生器SG的输出信号Vsaw ；与门AG3的输入端接比较器AC5的输出端和触发器 DFF的Q端，与门AG2的输入端接比较器AC6的输出端和触发器DFF的&端；或门0G2的输 入端接与门AG3和AG4的输出端，0G2的输出端接开关管S2的驱动电路DR2。本例的装置其工作过程和原理是图1-4示出，锯齿波信号产生器SG产生频率固定的锯齿波信号Vsaw，脉冲选择器PS 根据锯齿波信号Vsaw产生频率固定的时钟脉冲信号v。lk ；当时钟脉冲来临时刻，脉冲选择器 PS比较此时输出电压V。与基准电压VMf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 ；脉冲产生器PG根据锯齿波信号Vsaw产生频率均相同但占空比不同的控制脉 冲PH1、Pu、PH2、Pm并根据输出电压V。与基准电压Vref的大小关系输出对应的控制脉冲实现 对变换器开关管S1和S2的控制。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、3示出，比较器ACl 将输出电压V。同基准电压进行比较，当输出电压V。低于基准电压时，比较器ACl 的输出信号V。为高电平，反之，当V。低于Vref时，Vc为低电平；比较器AC2将锯齿波信号产 生器SG输出的上三角形锯齿波Vsaw同固定电压V,。进行比较，在上三角形锯齿波的每个周 期起始时，Vsaw低于\c，比较器AC2的输出信号Vclk为高电平，当Vsaw上升至Vrc后，V。lk为低 电平，由于\c的电压幅值较低，V。lk为高电平持续时间很短的时钟脉冲；当Vclk上升沿来临 时，触发器DFF将此时比较器ACl的输出信号Vc输出至Q端，产生脉冲选择信号\，根据触 发器的工作原理在V。lk的下一个上升沿来临之前保持不变，且Vs的电平高低始终与V。 相反。脉冲产生器PG完成控制脉冲的产生和输出图2、4示出，比较器AC3将上三角形 锯齿波Vsaw同固定电压Vrill进行比较，在上三角形锯齿波的每个周期起始时，Vsaw低于Vrill， 比较器AC3输出的控制脉冲信号Pm为高电平，当Vsaw上升至Vrill后，Pm变为低电平，直到锯 齿波信号的下一个周期开始；比较器AC4的工作过程与上述AC3类似，但由于νΛ1< Vrill, Pu 的高电平持续时间小于Phi ；比较器AC5将Vsaw同固定电压Vril2进行比较，在锯齿波的每个 周期起始时，Vsaw低于Vril2比较器AC5输出的控制脉冲信号Ph2为低电平，当Vsaw上升至Vril2 后，Ph2变为高电平，直到锯齿波信号的下一个周期开始；比较器AC6的工作过程与上述AC5 类似，但由于νΛ2 < Vril2，Pl2的高电平持续时间大于Ph2 ；当脉冲选择信号Vq为高电平，V^为 低电平时，与门AGl和AG3开通，AG2和AG4被封锁，或门OGl和0G2分别输出控制脉冲Phi 和Ph2至驱动电路；反之，当脉冲选择信号Vq为低电平，N-q为高电平时，与门AG2和AG4开 通，AGl和AG3被封锁，或门OGl和0G2分别输出控制脉冲Pu和P。至驱动电路。本例的变换器为Buck变换器。用Matlab/Simulink软件对本例的装置进行时域仿真分析，结果如下。图5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5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f分别为锯齿波信号Vsaw、时钟脉冲信号 V。lk、控制脉冲信号Vpi、控制脉冲信号Vp2、变换器电感电流込、变换器输出电压V。。从图5可 看出，3个开关周期组成循环周期，开关管S1的控制脉冲组成的脉冲序列为=Phi-Pu-Pu，相应地，开关管S2的控制脉冲组成的脉冲序列为PH2-Pu-Pm图6a为实施例一在负载突变(负载电流在20ms时刻由1. 8A跃变至3. 6A)时变 换器输出电压的仿真波形图。图6b为采用现有PWM控制的常规变换器在同样的负载变化 时，输出电压的仿真波形图。可见，实施例一的变换器在扰动出现后，经过约0. 9ms后进入 稳态，而同样的条件下，现有P丽控制的常规变换器需要约2ms才能恢复稳态。故采用本实 用新型的变换器具有良好的瞬态响应能力。实施例二图7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 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。
权利要求一种伪连续工作模式开关电源的单环脉冲调节控制装置，由变换器TD和控制器组成，控制器包括电压检测电路VCC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、锯齿波信号产生器SG和驱动电路DR，其特征在于电压检测电路VCC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、驱动电路DR依次相连；锯齿波信号产生器SG与脉冲选择器PS及脉冲产生器PG相连。
2.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PS的具体组成为由 比较器AC1、AC2和触发器DFF组成；比较器ACl的正极性端接基准电压VMf，负极性端接电 压检测电路VCC输出的变换器输出电压V。，ACl的输出端与触发器DFF的D端相连；比较器 AC2的正极性端接固定电压\c，负极性端接锯齿波信号产生器SG的输出信号Vsaw，AC2的输 出端与触发器DFF的CLK端相连；触发器DFF的输出端Q和Q与脉冲产生器PG相连。
3.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PG的具体组成为由 比较器 AC3、AC4、AC5、AC6，与门 AGl、AG2、AG 3、AG4，以及或门 OGl、0G2 组成；比较器 AC3 和AC4的正极性端分别接固定电压Vrill和VrL1，负极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出 信号Vsaw ；与门AGl的输入端接比较器AC3的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入 端接比较器AC4的输出端和触发器DFF的Q端；或门OGl的输入端接与门AGl和AG2的输 出端，OGl的输出端接开关管S1的驱动电路DRl ；比较器AC5和AC6的负极性端分别接固定 电压Vril2和Va2，正极性端均接锯齿波信号产生器SG的输出信号Vsaw ；与门AG3的输入端接 比较器AC5的输出端和触发器DFF的Q端，与门AG2的输入端接比较器AC6的输出端和触 发器DFF的Q端；或门0G2的输入端接与门AG3和AG4的输出端，0G2的输出端接开关管S2 的驱动电路DR2。
专利摘要本实用新型涉及一种伪连续工作模式开关电源的单环脉冲调节控制装置由变换器TD和控制器组成，控制器包括电压检测电路VCC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、锯齿波信号产生器SG和驱动电路DR。其特征在于电压检测电路VCC、脉冲选择器PS、脉冲产生器PG、驱动电路DR依次相连；锯齿波信号产生器SG与脉冲选择器PS及脉冲产生器PG相连。本实用新型可用于控制工作于伪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，变换器工作范围大，动态性能良好，且适用于各种拓扑结构的开关变换器。
文档编号H02M3/10GK201629670SQ20102000326
公开日2010年11月10日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者牟清波, 王金平, 秦明, 许建平 申请人:西南交通大学