开关电源的电流型双脉冲跨周期调制方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种开关电源的电流型双脉冲跨周期调制方法及其装置，该方法为：当输出电压大于基准电压时，控制器不产生导通信号，即跨过一个开关周期，开关管处于截止状态，电感电流为零，滤波电容向负载提供能量；当输出电压小于基准电压并且大于基准电压减去误差电压时，控制器产生低功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载传送能量，同时滤波电容也向负载补充能量；当输出电压小于基准电压并且小于基准电压减去误差电压时，控制器产生高功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载传送能量，同时也给滤波电容充电。本发明实现上述方法的装置通过加入电流检测装置，实现对电感电流的检测，防止电路中的电感发生偏磁的现象。
【专利说明】开关电源的电流型双脉冲跨周期调制方法及其装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关电源，特别涉及到一种开关电源的电流型双脉冲跨周期调制方法及其装置。
【背景技术】
随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。由于开关电源相对于传统线性稳压电源具有效率高、体积小等方面的优势，使得开关电源技术逐渐成为人们应用和研究的热点。电力电子器件的飞速发展更是给开关电源提供了一个很大的发展空间，使其朝着体积小，重量轻，效率高，功率密度大等方向发展，引起业内人士的广泛关注，应用前景广阔。开关电源主要由功率变换器和控制器两部分构成。功率变换器又称为功率电路，主要包括开关装置、变压器装置和整流滤波电路。常见的功率变换器拓扑结构有Buck变换器(降压变换器)、Boost变换器(升压变换器XBuck-Boost变换器(升降压变换器)、正激变换器、反激变换器等。控制器能够检测功率变换电路输入或输出电压的变化，并据此产生相应开关信号控制功率变换电路开关装置的工作状态，从而调节传递给负载的能量以稳定开关电源输出。控制器的结构和工作原理由开关电源所采用的控制方法决定。对于同一功率电路拓扑，采用不同的控制方法会对系统的稳态精度及动态性能等方面产生影响，因而控制方法的研究显得日益重要。目前，很多应用场合需要开关电源具有很好的瞬态响应速度，而采用传统的脉冲宽度调制(PWM)技术已很难满足这一要求；这就迫切的需要新的控制方法的出现。而脉冲跨周期调制具有轻载效率高的优点，非常适合用于待机工作模式。
[0002]双脉冲跨周期调制是一种变频、非线性调制方法。其工作原理为:每个开关周期开始时，时钟给出脉冲信号，控制器米样输出电压，当输出电压高于基准电压时，控制器不产生导通信号，即跨过一个开关周期，开关管处于截止状态，使输出电压下降；反之，当输出电压低于基准电压并且大于误差电压时，控制器产生低功率控制脉冲作为开关管的驱动信号，输出电压上升；当输出电压低于误差电压时，控制器产生低高功率控制脉冲作为开关管的驱动信号，输出电压上升。脉冲跨周期调制技术比较简单，而且易实现。在负载较轻情况下效率高，工作频率高，频率特性好，功率管开关次数少，适用于小功率电源管理1C。
[0003]此外，目前使用的跨周期调制开关变换装置还存在如下不足:传统的跨周期调制开关变换装置的输出电压纹波较大，电压型双脉冲跨周期调制开关变换器在启动时有比较严重的电流过冲现象，需要设计额外的软启动装置和过流保护装置。因而在很大程度上限制了控制电路的集成与推广。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明提供一种开关电源的电流型双脉冲跨周期调制方法及其装置，通过对电感电流和输出电压的检测，使得该装置不需要设计额外的软启动装置和过流保护装置。其技术方案如下:[0005]一种开关电源的电流型双脉冲跨周期调制方法，控制器采集主电路的输出信号产生控制信号，反馈控制主电路输出，其特征是包括如下步骤:
[0006](I)开关管导通，电源对电感充电，输出电压上升，同时输出电压和电感电流的信息同步反馈到控制电路中；
[0007](2)当输出电压大于基准电压时，控制器不产生导通信号，即跨过一个开关周期，开关管处于截止状态，电感电流为零，滤波电容向负载提供能量；当输出电压小于基准电压并且大于基准电压减去误差电压时，控制器产生低功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载传送能量，同时滤波电容也向负载补充能量；当输出电压小于基准电压并且小于基准电压减去误差电压时，控制器产生高功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载传送能量，同时也给滤波电容充电；
[0008](3)将对应的控制信号送到控制电路去驱动场效应管工作，以便使整个电路形成闭合控制。
[0009]本发明另提供一种能实现上述方法的装置，该装置通过加入电流检测装置，实现对电感电流的检测，防止电路中的电感发生偏磁的现象，其具体技术方案如下:
[0010]一种实现上述开关电源的电流型双脉冲跨周期调制方法的装置，包括控制电路和功率电路，功率电路由输入、开关装置、滤波装置、输出依次相连组成；控制电路包括电压检测装置、电流检测装置、控制装置以及驱动装置，开关装置通过电流检测装置与控制装置相连，输出通过电压检测装置与控制装置相连，控制装置通过驱动装置与开关装置相连。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0012]一、与传统的脉冲跨周期调制技术相比，采用本发明的开关电源在负载发生突变时，控制器能快速做出响应，使开关电源迅速恢复稳态。
[0013]二、电流型双脉冲跨周期调制最主要的特点是能够通过对电感电流和输出电压的检测，使得该装置不需要设计额外的软启动装置和过流保护装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1开关电源的电流型双脉冲跨周期调制装置结构框图。
[0015]图2开关电源的电流型双脉冲跨周期调制装置的电路结构示意图。
[0016]图3开关电源的电流型双脉冲跨周期调制装置电路的时域仿真波形图。
[0017]图4开关电源的电流型双脉冲跨周期调制装置电路的起始电流波形。
[0018]图5开关电源的电流型双脉冲跨周期调制装置电路的瞬态响应。
[0019]图3中:(a)为变换器输出电压时域仿真波形；(b)为变换器电感电流时域仿真波形；(C)为控制器输出的驱动信号时域仿真波形。
[0020]图4中:(a)为该变换器的起始电流波形；(b)为电压型双脉冲跨周期调制变换器的起始电流波形。
[0021]图5中:(a)为变换器输出电压时域仿真波形；(b)为变换器电感电流时域仿真波形；(C)为控制器输出的驱动信号时域仿真波形。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。[0023]图1中，一种开关电源的电流型双脉冲跨周期调制装置，包括控制电路(虚线框外)和功率电路(虚线框内)，功率电路由输入1、开关装置2、滤波装置3、输出4依次相连组成；控制电路包括电压检测装置5、电流检测装置6、控制装置7以及驱动装置8，开关装置2通过电流检测装置6与控制装置8相连，输出4通过电压检测装置5与控制装置7相连，控制装置7通过驱动装置8与开关装置2相连。
[0024]对比图2、和图1，各器件之间的对应关系分别为:输入电压E对应输入1，场效应管S (MOSFET)和二极管D对应开关装置2，电感L、电容C对应滤波装置3，负载R对应输出4，基准电压Vref和比较器对应电压检测装置4，电流检测电路对应电流检测装置5，驱动电路对应驱动电路7。
[0025]图2中具体的连接情况为:输入电压E的正极与开关管S (MOSFET)的漏极相接，负极与二极管D的阳极、电容C的一端和负载R的一端(输出负极)相接；开关管S(MOSFET)的源极与二极管D的阴极和电感L的一端相接，电感L的另一端与电容C的一端和负载R的一端(输出正极)相接。输出端与比较器的负端相连，比较器的正端连接基准电压，比较器的输出端与控制电路的输入端相连，电流米样电路输出端与控制电路的输入端相连，控制电路的输出端与驱动装置的输入端相连，驱动电路的输出端与开关S(MOSFET)的控制栅极相连。
[0026]控制方法的实现如下:
[0027]步骤1:开关管S导通，电源E对电感L充电，输出电压上升，同时输出电压和电感电流的信息同步反馈到控制电路中。
[0028]步骤2:控制电路根据输出电压和电感电流的信息后，根据相应的逻辑关系，给出相应的脉冲控制信号，当输出电压大于基准电压时，控制器不产生导通信号，即跨过一个开关周期，开关管处于截止状态，电感电流为零，滤波电容向负载提供能量；当输出电压小于基准电压并且大于基准电压减去误差电压时，控制器产生低功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载传送能量，同时滤波电容也向负载补充能量；当输出电压小于基准电压并且小于基准电压减去误差电压时，控制器产生高功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载传送能量，同时也给滤波电容充电；
[0029]步骤3:将对应的控制信号送到控制电路去驱动场效应管工作，以便使整个电路形成闭合控制。
[0030]图3、图4、图5示出了电流型双脉冲跨周期调制在Buck变换器中的应用。
[0031]具体的工作过程与原理为:当输出电压大于基准电压时，控制器不产生导通信号，即跨过一个开关周期，开关管处于截止状态，电感电流为零，滤波电容向负载提供能量；当输出电压小于基准电压并且大于基准电压减去误差电压时，控制器产生低功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载传送能量，同时滤波电容也向负载补充能量；当输出电压小于基准电压并且小于基准电压减去误差电压时，控制器产生高功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载和滤波电容传输能量。
[0032]仿真结果分析:
[0033]图3为采用PSIM软件对本发明的控制方法进行时域仿真的结果；图4为采用PSIM软件对本发明的控制方法进行起始电流波形的结果；图5为采用PSIM
[0034]软件对本发明的控制方法进行瞬态响应的结果。图3中分图(a)、(b)、(C)的横轴均为时间ms，(a)的纵轴为输出电压幅值V，(b)的纵轴为电感电流A，(c)的纵轴为驱动信号幅值V。图4中图的横轴均为时间ms，(a)的纵轴为电感电流A，(b)的纵轴为电感电流A。图5中图的横轴均为时间ms，纵轴为输出电压波形幅值V。图3、图4(a)、图5的仿真条件:E=15V, V0=8V, Vref=8V, eref=7.87V, f=20kHz, L=IOO μ H, C=470 μ F, R=20 Ω，IpH=l.8A,Ipl=0.5A。图3中是电流型双脉冲跨周期调制Buck变换器的输出电压波形、电感电流波形以开关管控制脉冲波形。图4(b)中仿真的条件:E=15V，V0=8V, Vref=8V, eref=7.87V，f=20kHz,L=IOO μ H，C=470 μ F，R=20 Ω ,DpH=0.5, Dpl=0.3。图 4(a)中是电流型双脉冲跨周期调制 Buck变换器初始时刻电感电流的波形；(b)中是电压型双脉冲跨周期调制Buck变换器初始时刻电感电流的波形。由图4(b)可知，在启动过程时电感电流会迅速上升再往下降，出现电流过冲现象。但图4(a)中可以很明显的看出在启动过程中电感电流受电流环的控制，不会出现过冲现象。图5中，负载在8ms处发生突变，但控制器能迅速作出反应，能够跨过相应的控制脉冲。可见，该装置的瞬态相应速度快。
[0035]本发明除了可用于控制上述实施例中的功率变换器外，也可用于Boost变换器、Buck-boost变换器、正激变换器等功率电路组成的开关电源。
【权利要求】
1.一种开关电源的电流型双脉冲跨周期调制方法，控制器采集主电路的输出信号产生控制信号，反馈控制主电路输出，其特征是包括如下步骤: (O开关管导通，电源对电感充电，输出电压上升，同时输出电压和电感电流的信息同步反馈到控制电路中； (2)当输出电压大于基准电压时，控制器不产生导通信号，即跨过一个开关周期，开关管处于截止状态，电感电流为零，滤波电容向负载提供能量；当输出电压小于基准电压并且大于基准电压减去误差电压时，控制器产生低功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载传送能量，同时滤波电容也向负载补充能量；当输出电压小于基准电压并且小于基准电压减去误差电压时，控制器产生高功率脉冲，开关管导通后关断，电源通过电感向负载传送能量，同时也给滤波电容充电； (3)将对应的控制信号送到控制电路去驱动场效应管工作，以便使整个电路形成闭合控制。
2.一种实现权利要求1所述开关电源的电流型双脉冲跨周期调制方法的装置，包括控制电路和功率电路，功率电路由输入、开关装置、滤波装置、输出依次相连组成；控制电路包括电压检测装置、电流检测装置、控制装置以及驱动装置，开关装置通过电流检测装置与控制装置相连，输出通过电压检测装置与控制装置相连，控制装置通过驱动装置与开关装置相连。
【文档编号】H02M3/156GK103683927SQ201310581334
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】包伯成, 冯霏, 徐权, 董伟 申请人:常州大学