专利名称：开关变换器双缘恒定导通时间调制电压型控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种开关变换器的控制装置。
背景技术：
近年来，电力电子器件技术和电力电子变流技术不断发展，作为电力电子重要领域的开关电源技术成为应用和研究的热点。开关电源主要由开关变换器和控制器两部分构成。开关变换器又称为功率主电路，主要有降压(Buck)、升压(Boost)、升降压(Buck-Boost)、正激、半桥、全桥等多种拓扑结构。控制器用于监测开关变换器的工作状态，并产生控制脉冲信号控制开关管，调节供给负载的能量以稳定输出。对于同一个开关变换器，不同的控制方法使得变换器具有不同的瞬态和稳态性能。传统的脉冲宽度调制(PWM)电压型控制是最为常见的开关变换器控制方法，其控制思想是:将变换器输出电压与基准电压进行比较得到的误差信号经过误差放大器补偿后生成控制电压，并将控制电压与固定频率锯齿波进行比较，获得脉冲控制信号，再通过驱动电路控制开关管的导通和关断，实现开关变换器输出电压的调节。近年来，越来越多的应用场合要求其供电电源具有快速的瞬态响应速度，如一些微处理器在待机、休眠、正常运行之间切换时，瞬态电流速率高达130A/US，这就要求其供电电源具有快速的瞬态响应速度以满足负载的需求。传统的PWM电压型控制方法实现简单，但因采用误差放大器，具有瞬态性能差、补偿网络设计复杂等缺点，已很难满足负载这一需求。传统的恒定导通时间调制电压型控制是较为常见的开关变换器脉冲频率调制(PFM)电压型控制方法之一，其基本思想是:每个开关周期开始时，开关管导通，变换器输出电压上升；经过固定导通时间后，开关管关断，输出电压下降，当其下降至基准电压时，开关管再次导通，开始新的一个开关周期。与PWM电压型控制相比，采用PFM电压型控制方法的开关变换器瞬态性能好，但是稳态精度差。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种开关变换器双缘恒定导通时间调制电压型控制装置，使之同时具有很好的瞬态性能和稳态性能，适用于多种拓扑结构的开关变换器。采用的具体方案为:一种开关变换器双缘恒定导通时间调制电压型控制装置C0T，其特征在于:由电压检测电路VS、关断时间产生器0FG、锯齿波产生器SG、脉冲调制器PM以及驱动电路DR组成；所述的电压检测电路VS、关断时间产生器0FG、锯齿波产生器SG、脉冲调制器PM、驱动电路DR依次相连；锯齿波产生器SG与电压检测电路VS相连；关断时间产生器OFG与脉冲调制器PM相连。在同一实用新型构思下，对于开关变换器双缘恒定导通时间调制电压型控制装置提出了两种具体的实现装置:装置①由电压检测电路VS1、关断时间产生器0FG1、锯齿波产生器SG1、脉冲调制器PMl以及驱动电路DRl组成，其中:电压检测电路VS1、关断时间产生器0FG1、锯齿波产生器SGl、脉冲调制器PMl、驱动电路DRl依次相连；锯齿波产生器SGl与电压检测电路VSl相连；关断时间产生器OFGl与脉冲调制器PMl相连。装置①的关断时间产生器OFGl由减法器SUBl、乘法器MUl、乘法器MU2、加法器ADDl以及加法器ADD2组成，其中:减法器SUBl、乘法器MUl、加法器ADDl依次相连；加法器ADD2、乘法器MU2、加法器ADDl依次相连。输出电压值和电压基准值V,ef分别输入到减法器SUBl的正端和负端；减法器SUBl的输出和系数K1作为乘法器MUl的输入；两个恒定导通时间作为加法器ADD2的输入；加法器ADD2的输出和系数K2作为乘法器MU2的输入。装置①的脉冲调制器PMl由加法器ADD3、减法器SUB2、减法器SUB3、比较器CMP1、比较器CMP2以及或门OR组成，其中:加法器ADD3、减法器SUB2、比较器CMP1、或门OR依次相连；减法器SUB3、比较器CMP2、或门OR依次相连；外部锯齿波产生器SGl分别与减法器SUB2和减法器SUB3相连。装置②由电压检测电路VS2、关断时间产生器0FG2、锯齿波产生器SG2、脉冲调制器PM2以及驱动电路DR2组成，其中:电压检测电路VS2、关断时间产生器0FG2、锯齿波产生器SG2、脉冲调制器PM2、驱动电路DR2依次相连；锯齿波产生器SG2与电压检测电路VS2相连；关断时间产生器0FG2与脉冲调制器PM2相连。装置②的关断时间产生器0FG2由减法器SUB4、减法器SUB5、乘法器MU3、乘法器MU4、乘法器MU5、加法器ADD4以及加法器ADD5组成，其中:减法器SUB4、乘法器MU3、加法器ADD4、乘法器MU5、加法器ADD5、减法器SUB5依次相连；乘法器MU4、加法器ADD4、减法器SUB5依次相连。输出电压值和电压基准值Vref分别输入到减法器SUB4的正端和负端；减法器SUB4的输出和系数K3作为乘法器MU3的输A ;恒定导通时间和系数K4作为乘法器MU4的输入；加法器ADD4的输出和系数K5作为乘法器MU5的输入；乘法器MU5的输出和常数C1作为加法器ADD5的输入；加法器ADD4和加法器ADD5的输出分别输入到减法器SUB5的正端和负端。装置②的脉冲调制器PM2由加法器ADD6、减法器SUB6、减法器SUB7、比较器CMP3、比较器CMP4以及与门AND组成，其中:力口法器ADD6、减法器SUB6、比较器CMP3、与门AND依次相连；减法器SUB7、比较器CMP4、与门AND依次相连；外部锯齿波产生器SG2分别与减法器SUB6和减法器SUB7相连。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:一、与现有的PWM电压型开关变换器相比，本实用新型的开关变换器在负载发生改变时，输出电压的变化立即改变关断时间的大小，从而快速调节开关变换器开关管关断时间的长短，提高了变换器的瞬态性能。二、与现有的PFM电压型开关变换器相比，本实用新型的开关变换器稳压精度高，稳态性能好；在大负载范围变化时，输出电压和电感电流瞬态超调量小，调节时间短，瞬态性能好。三、控制器无需误差放大器，简化了控制环路的设计，控制简单，增强了系统稳定性和瞬态响应能力。
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为本实用新型采用技术方案的信号流程图。图2为本实用新型实施例一采用技术方案①的信号流程图。[0016]图3为本实用新型实施例一的关断时间产生器OFGl的信号流程图。图4为本实用新型实施例一的脉冲调制器PMl的信号流程图。图5为本实用新型实施例一的电路结构框图。图6为本实用新型实施例一中，输出电压、电压基准值、恒定导通时间、关断时间、采样脉冲信号及驱动信号之间的关系示意图。图7为本实用新型实施例一和传统恒定导通时间调制电压型控制的开关变换器在稳态条件下输出电压的时域仿真波形图。图8为本实用新型实施例一和传统PWM调制电压型控制、传统恒定导通时间调制电压型控制的开关变换器在负载突变时输出电压的时域仿真波形图。图9为本实用新型实施例二采用技术方案②的信号流程图。图10为本实用新型实施例二的关断时间产生器0FG2的信号流程图。图11为本实用新型实施例二的脉冲调制器PM2的信号流程图。图12为本实用新型实施例二中，输出电压、电压基准值、恒定导通时间、关断时间、采样脉冲信号及驱动信号之间的关系示意图。图13为本实用新型实施例二的电路结构框图。图7中:a为传统恒定导通时间调制电压型控制开关变换器在稳态时的输出电压波形山为本实用新型实施例一在稳态时的输出电压波形。图8中:a为传统PWM调制电压型控制开关变换器在负载突变时的输出电压波形；b为传统恒定导通时间调制电压型控制开关变换器在负载突变时的输出电压波形；c为本实用新型实施例一在负载突变时的输出电压波形。
具体实施方式
下面通过具体的实例并结合附图对本实用新型做进一步详细的描述。实施例一采用技术方案①:图2示出，本实用新型的一种具体实施方式
为:开关变换器双缘恒定导通时间调制电压型控制装置COTl，其COTl装置主要由电压检测电路VSl、关断时间产生器OFGl、锯齿波产生器SG1、脉冲调制器PMl以及驱动电路DRl组成。电压检测电路VSl用于获取输出电压信息，关断时间产生器OFGl用于产生可变关断时间，锯齿波产生器SGl用于产生频率可变的锯齿波和采样脉冲信号，脉冲调制器PMl用于产生恒定导通、关断、恒定导通的控制脉冲信号，经由驱动电路DR1，控制开关变换器TD开关管的导通与关断。图3示出，本例的关断时间产生器OFGl由减法器SUBl、乘法器MUl、乘法器MU2、加法器ADDl以及加法器ADD2组成。减法器SUBl、乘法器MUl、加法器ADDl依次相连；加法器ADD2、乘法器MU2、加法器ADDl依次相连。输出电压值和电压基准值Vref分别输入到减法器SUBl的正端和负端；减法器SUBl的输出和系数K1作为乘法器MUl的输入；两个恒定导通时间Tqni和Tqn2作为加法器ADD2的输入；加法器ADD2的输出和系数K2作为乘法器MU2的输入；加法器ADDl的输出即为可变关断时间t。#图4示出，本例的脉冲调制器PMl由加法器ADD3、减法器SUB2、减法器SUB3、比较器CMP1、比较器CMP2以及或门OR组成。加法器ADD3、减法器SUB2、比较器CMP1、或门OR依次相连；减法器SUB3、比较器CMP2、或门OR依次相连；外部锯齿波产生器SGl分别与减法器SUB2和减法器SUB3相连。本例采用图5的装置，可方便、快速地实现上述控制方法。图5示出，本例的开关变换器双缘恒定导通时间调制电压型控制装置，由变换器TD和开关管S的控制装置COTl组成。图6为本例输出电压、电压基准值、恒定导通时间、关断时间、采样脉冲信号及驱动信号之间的关系示意图。本例的装置其工作过程和原理是:控制装置COTl采用双缘恒定导通时间调制电压型控制的工作过程和原理是:图5、图6示出，在任意一个采样脉冲信号的开始时刻导通开关管，这个采样脉冲信号由锯齿波产生器SGl产生；同时，电压检测电路VSl检测变换器TD的输出电压V。，并与基准电压V,ef相减，其结果乘以系数K1，得到第一信号A=K1 (V0-Vref)，作为加法器ADDI的一个输入。两个恒定导通时间Twi和Tm2相加，其结果乘以系数K2,得到第二信号f2=K2(TQN1+TQN2)，作为加法器ADDl的另一个输入。加法器ADDl的输出为可变关断时间t。^，即Uf=K1 (VQ-VMf)+K2 (TQN1+TQN2)。根据两个恒定导通时间Tqn1、Tw2和一个可变关断时间t。#控制锯齿波产生器SGl的频率，产生频率可变的锯齿波Vsaw。在锯齿波产生器SGl中，将一个很小的常数与锯齿波Vsaw进行比较，根据比较结果产生采样脉冲信号，用于确定开关周期和采样输出电压。在脉冲调制器PMl中，将锯齿波Vsaw、恒定导通时间Tm、可变关断时间Uf进行比较，根据比较结果产生恒定导通、关断、恒定导通的控制脉冲信号，经由驱动电路DRl，控制变换器TD开关管S的导通与关断。本例中，开关管S的控制脉冲在脉冲调制器PMl中产生，具体产生方式为:在每个周期开始时，开关管S导通、二极管D关断，电感电流由初始值开始上升，相应地输出电压也开始上升；开关管S导通恒定时间Tom后关断，同时二极管D导通，电感电流随即开始下降，相应地输出电压也开始下降。经过关断时间U后，脉冲调制器PMl使控制脉冲由低电平变为高电平，开关管S再次导通、二极管D再次关断，开关管S导通恒定时间Tm2后当前周期结束。恒定导通时间 Tm由Twi同锯齿波Vsaw比较产生，若Vsaw〈Tm，脉冲调制器PMl输出高电平，否则输出低电平；恒定导通时间Tw2由Tom与Iff之和同锯齿波Vsaw比较产生，若Vsaw> CV+tj，脉冲调制器PMl输出高电平，否则输出低电平。本例的变换器TD为Buck变换器。用Matlab/Simulink软件对本例的方法进行时域仿真分析,结果如下。图7为采用传统恒定导通时间调制电压型控制和本实用新型的开关变换器在稳态条件下输出电压的时域仿真波形图，分图a、b分别对应传统恒定导通时间调制电压型控制和本实用新型。在图7中可以看出，采用传统恒定导通时间调制电压型控制(恒定导通时间为6us)开关变换器的平均输出电压稳定在大于1.5V处，而采用本实用新型的平均输出电压稳定在1.5V。可见采用本实用新型具有更高的稳压精度、更好的稳态性能。仿真条件:输入电压Vin=5V、输出电压基准值Vref=L 5V、电感L=20uH、电容C=1420uF(其等效串联电阻为30mQ)、负载电流1。=认、恒定导通时间TQN1=TQN23 ii s ;系数K1=4.44*10_4，系数K2=7/3。图8为采用传统PWM调制电压型控制、传统恒定导通时间调制电压型控制和本实用新型的开关变换器在负载突变时输出电压的时域仿真波形图，分图a、b、c分别对应传统PWM调制电压型控制、传统恒定导通时间调制电压型控制和本实用新型。图8中,在6ms时负载由IA阶跃变化至10A，采用传统PWM调制电压型控制(开关频率为50KHz)经过约1.82ms后才能进入新的稳态，输出电压峰峰值波动654mV ;采用传统恒定导通时间调制电压型控制(恒定导通时间为6us)经过约0.4ms后进入新的稳态,输出电压峰峰值波动538mV ;而采用本实用新型的开关变换器可迅速进入新的稳态，调整时间为0.3ms，输出电压峰峰值波动342mV。可见本实用新型的开关变换器具有很好的负载瞬态性能。采用技术方案②:图9示出，本实用新型采用技术方案②的具体实施方式
为:开关变换器双缘恒定导通时间调制电压型控制装置C0T2，其C0T2装置主要由电压检测电路VS2、关断时间产生器0FG2、锯齿波产生器SG2、脉冲调制器PM2以及驱动电路DR2组成。图9与图2基本相同，不同之处是:图9中关断时间产生器0FG2和脉冲调制器PM2的功能与图2中关断时间产生器OFGl和脉冲调制器PMl的功能不同。关断时间产生器0FG2用于产生总的可变关断时间，并将其分解成两个关断时间；脉冲调制器PM2用于产生关断、恒定导通、关断的控制脉冲信号。图10示出，采用技术方案②的关断时间产生器0FG2由减法器SUB4、减法器SUB5、乘法器MU3、乘法器MU4、乘法器MU5、加法器ADD4以及加法器ADD5组成。减法器SUB4、乘法器MU3、加法器ADD4、乘法器MU5、加法器ADD5、减法器SUB5依次相连；乘法器MU4、加法器ADD4、减法器SUB5依次相连。输出电压值和电压基准值VMf分别输入到减法器SUB4的正端和负端；减法器SUB4的输出和系数K3作为乘法器MU3的输入；恒定导通时间Ton和系数1(4作为乘法器MU4的输入；加法器ADD4的输出即为总的可变关断时间t。#加法器ADD4的输出和系数K5作为乘法器MU5的输入；乘法器MU5的输出和常数C1作为加法器ADD5的输入，加法器ADD5的输出即为一个关断时间t。—加法器ADD4和加法器ADD5的输出分别输入到减法器SUB5的正端和负端，减法器SUB5的输出即为另一个关断时间Ifflt5图11示出，采用技术方 案②的脉冲调制器PM2由加法器ADD6、减法器SUB6、减法器SUB7、比较器CMP3、比较器CMP4以及与门AND组成。加法器ADD6、减法器SUB6、比较器CMP3、与门AND依次相连；减法器SUB7、比较器CMP4、与门AND依次相连；外部锯齿波产生器SG2分别与减法器SUB6和减法器SUB7相连。图12为本实用新型采用技术方案②时输出电压、电压基准值、恒定导通时间、关断时间、采样脉冲信号及驱动信号之间的关系示意图。具体的工作过程及原理为:图12示出，在任意一个采样脉冲信号的开始时刻关断开关管，同时，电压检测电路VS2检测变换器输出电压\，并与基准电压Vref相减，其结果乘以系数K3,得到第三信号f3=K3 (V0-Vref)，作为加法器ADD4的一个输入。将恒定导通时间Tw乘以系数K4，得到第四信号f4=K4TM，作为加法器ADD4的另一个输入。加法器ADD4的输出为总的可变关断时间t。^，即toff=K3 (V0-Vref) +K4T,根据总的可变关断时间t。^，设置系数K5和常数C1，将其分解成两个关断时间Lff2=K5I^ff+Cp t0ffl=t0ff-t0ff2o根据两个关断时间toffl、toff2和一个恒定导通时间Ton,控制锯齿波产生器SG2的频率，产生频率可变的锯齿波Vsaw,再将锯齿波Vsaw与一个很小的常数进行比较，产生采样脉冲信号，用于确定开关周期和采样输出电压。在脉冲调制器PM2中，将锯齿波Vsaw、恒定导通时间I*、关断时间Ufl进行比较，根据比较结果产生关断、恒定导通、关断的控制脉冲信号，经由驱动电路DR2，控制变换器开关管的关断与导通。实施例二图13示出，本例控制的变换器TD为单管正激变换器，开关管S的控制装置采用C0T2。同样通过仿真证明，采用本实用新型的单管正激变换器输出电压稳定，稳态精度高，负载瞬态性能好。本实用新型除可用于以上实施例中的开关变换器外，也可用于Buck2变换器、双管正激变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、推挽变换器、推挽正激变换器、半桥变换器、全桥变换器等多种电路拓扑。
权利要求1.一种开关变换器双缘恒定导通时间调制电压型控制装置，其特征在于:由电压检测电路VS、关断时间产生器OFG、锯齿波产生器SG、脉冲调制器PM以及驱动电路DR组成；所述的电压检测电路VS、关断时间产生器OFG、锯齿波产生器SG、脉冲调制器PM、驱动电路DR依次相连；锯齿波产生器SG与电压检测电路VS相连；关断时间产生器OFG与脉冲调制器PM相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述关断时间产生器OFG由减法器SUB1、乘法器MUl、乘法器MU2、加法器ADDl以及加法器ADD2组成；减法器SUBl、乘法器MUl、加法器ADDl依次相连；加法器ADD2、乘法器MU2、加法器ADDl依次相连。输出电压值和电压基准值Vref分别输入到减法器SUBl的正端和负端；减法器SUBl的输出和系数K1作为乘法器MUl的输入；两个恒定导通时间作为加法器ADD2的输入；加法器ADD2的输出和系数K2作为乘法器MU2的输入。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述脉冲调制器PM由加法器ADD3、减法器SUB2、减法器SUB3、比较器CMPl、比较器CMP2以及或门OR组成；加法器ADD3、减法器SUB2、比较器CMP1、或门OR依次相连；减法器SUB3、比较器CMP2、或门OR依次相连；外部锯齿波产生器SG分别与减法器SUB2和减法器SUB3相连。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述关断时间产生器OFG由减法器SUB4、减法器SUB5、乘法器MU3、乘法器MU4、乘法器MU5、加法器ADD4以及加法器ADD5组成；减法器SUB4、乘法器MU3、加法器ADD4、乘法器MU5、加法器ADD5、减法器SUB5依次相连；乘法器MU4、加法器ADD4、减法器SUB5依次相连。输出电压值和电压基准值Vref分别输入到减法器SUB4的正端和负端；减法器SUB4的输出和系数K3作为乘法器MU3的输入；恒定导通时间和系数K4作为乘法器MU4的输入；加法器ADD4的输出和系数K5作为乘法器MU5的输A ;乘法器MU5的输出和常数C1作为加法器ADD5的输入；加法器ADD4和加法器ADD5的输出分别输入到减法器SUB5的正端和负端。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述脉冲调制器PM由加法器ADD6、减法器SUB6、减法器SUB7、比较器CMP3、比较器CMP4以及与门AND组成；加法器ADD6、减法器SUB6、比较器CMP3、与门AND依次相连；减法器SUB7、比较器CMP4、与门AND依次相连；外部锯齿波产生器SG分别与减法器SUB6和减法器SUB7相连。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于:所述开关变换器为Buck变换器、Buck2变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、单管正激变换器、双管正激变换器、推挽变换器、推挽正激变换器、半桥变换器和全桥变换器拓扑结构的变换器。
专利摘要本实用新型公开了一种开关变换器双缘恒定导通时间调制电压型控制装置，根据输出电压与电压基准值的关系，采用恒定导通、关断、恒定导通组成的控制时序，或关断、恒定导通、关断组成的控制时序，控制开关变换器开关管的导通与关断。该实用新型可用于控制Buck变换器、Buck2变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、单管正激变换器、双管正激变换器、推挽变换器、推挽正激变换器、半桥变换器和全桥变换器等多种拓扑结构的开关变换器，其优点是无需补偿网络，控制简单，瞬态响应速度快，稳压精度高。
文档编号H02M1/08GK203039561SQ20132000674
公开日2013年7月3日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者周国华, 金艳艳, 许建平, 杨平, 张斐 申请人:西南交通大学