开关变换器双缘脉冲频率调制V²型控制装置的制作方法

专利名称：开关变换器双缘脉冲频率调制V²型控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力电子设备，尤其是一种开关变换器的控制装置。
背景技术：
近年来，随着电力电子器件和电力电子变流技术不断发展，开关电源技术作为电力电子的重要领域已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(Boos t)、升降压(Buck-Boos t)、正激、反激、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，采用不同的控制方法的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)电压型控制是常见的开关变换器控制方法之一，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，获得高、低电平的脉冲控制信号，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。传统的PWM调制电压型控制方法实现简单，但因采用固定频率的锯齿波作为调制波，具有输入瞬态响应慢、负载瞬态响应慢等缺点，很难适用于要求具有快速的瞬态响应速度的场合。传统的PWM调制V2型控制方法采用输出电压纹波作为PWM调制波，具有快速的负载动态响应速度，在微处理器及便携式电子产品电源中有着广泛的应用前景。但是，传统的PWM调制V2型控制方法在占空比大于0.5时会产生次谐波振荡，严重影响了变换器的稳定性能。传统的恒定导通时间调制V2型控制是开关变换器脉冲频率调制(PFM)V2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；经过恒定导通时间后，开关管关断，输出电压下降，当其下降至控制电压时，开关管再次导通，开始新的一个开关周期。与PWM调制V2型控制相比，采用PFM调制V2型控制方法的开关变换器的稳定性能好，在占空比大于0.5时不会产生次谐波振荡问题。`
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种开关变换器的控制装置，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。一种开关变换器双缘脉冲频率调制V2型控制装置，由电压检测电路VS、受控误差补偿器VEC、时间运算单元TU、变频锯齿波产生器SG、双缘脉冲调制器DPM以及驱动电路DR组成，其中:电压检测电路VS、受控误差补偿器VEC、时间运算单元TU、变频锯齿波产生器SG、双缘脉冲调制器DPMjga电路DR依次相连；变频锯齿波产生器SG与电压检测电路VS相连；变频锯齿波产生器SG与受控误差补偿器VEC相连；时间运算单元TU与双缘脉冲调制器DPM相连。所述的受控误差补偿器VEC由减法器SUB、比例放大器PA、受控积分器Cl、受控微分器⑶、加法器ADD以及限幅器UM组成，其中:减法器SUB、比例放大器PA、加法器ADD、限幅器UM依次相连；减法器SUB、受控积分器Cl、加法器ADD依次相连；减法器SUB、受控微分器⑶、加法器ADD依次相连。电压基准值VMf和检测的输出电压值Vtjs分别输入到减法器SUB的正端和负端；脉冲信号CLK作为受控积分器Cl、受控微分器CD的控制输入。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:一、与现有的PWM调制电压型开关变换器相比，本实用新型的开关变换器在负载和输入电压发生改变时，均能快速调节开关变换器开关管导通或关断时间的长短，提高了变换器的瞬态性能。二、与现有的PFM调制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，电磁噪声小，抗干扰能力强。三、与现有的PWM调制V2型开关变换器相比，本实用新型的开关变换器在占空比大于0.5时不会产生次谐波振荡，系统稳定性能好，无需斜坡补偿。四、与现有的PFM调制V2型开关变换器相比，本实用新型的开关变换器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。
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案的信号流程图。图2为本实用新型实施例一的受控误差补偿器VEC的信号流程图。图3为本实用新型实施例一的电路结构框图。
图4为本实用新型实施例一中，输出电压、控制电压V。、时间h、时间t2、时间t3、采样脉冲信号CLK及驱动信号之间的关系示意图。图5为本实用新型实施例一和传统PWM调制V2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6为本实用新型实施例一和传统恒定导通时间调制V2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二中，输出电压、控制电压V。、时间h、时间t2、时间t3、采样脉冲信号CLK及驱动信号之间的关系示意图。图9为本实用新型实施例三的电路结构框图。图5中:a为传统PWM调制V2型控制开关变换器在稳态时的输出电压波形；b为本实用新型实施例一在稳态时的输出电压波形。图6中:a为传统恒定导通时间调制V2型控制开关变换器在负载突变时的输出电压波形；b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。实施例一图1示出，本实用新型的一种具体实施方式
为:开关变换器双缘脉冲频率调制V2型控制装置V2-PFM,主要由电压检测电路VS、受控误差补偿器VEC、时间运算单元TU、变频锯齿波产生器SG、双缘脉冲调制器DPM以及驱动电路DR组成。电压检测电路VS用于获取输出电压值V。,，受控误差补偿器VEC用于产生控制电压V。，时间运算单元TU用于产生三段时间tpt2、t3，变频锯齿波产生器SG用于产生频率可变的锯齿波Vsaw和采样脉冲信号CLK，双缘脉冲调制器DPM用于产生以t2、&为时序的控制脉冲信号，经由驱动电路DR，控制开关变换器TD开关管的导通与关断。图2示出，本例的受控误差补偿器VEC由减法器SUB、比例放大器PA、受控积分器Cl、受控微分器⑶、加法器ADD以及限幅器UM组成。减法器SUB、比例放大器PA、加法器ADD、限幅器UM依次相连；减法器SUB、受控积分器Cl、加法器ADD依次相连；减法器SUB、受控微分器CD、加法器ADD依次相连。电压基准值VMf和检测的输出电压值Vtjs分别输入到减法器SUB的正端和负端；减法器SUB的输出分别输入到比例放大器PA、受控积分器Cl、受控微分器CD的输入端；脉冲信号CLK作为受控积分器Cl、受控微分器CD的控制输入；加法器ADD的输出经过限幅器UM后生产控制电压V。。本例采用图3的装置，可方便、快速地实现上述方案。图3示出，本例的开关变换器双缘脉冲频率调制V2型控制装置，由变换器TD和开关管S的控制装置V2-PFM组成。图4为输出电压、控制电压V。、时间h、时间t2、时间t3、米样脉冲信号CLK及驱动信号之间的关系不意图。本例的装置其工作过程和原理是:控制装置V2-PFM采用双缘脉冲频率调制V2型控制的工作过程和原理是:图3、图4示出，在任意一个采样脉冲信号CLK的开始时刻导通开关管，这个采样脉冲信号CLK由变频锯齿波产生器SG产生；同时，电压检测电路VS检测变换器TD的输出电压，得到输出电压值Vos,并与基准电压Vm —同送入受控误差补偿器VEC，生成控制电压V。。预设一个恒定导通时间T0N，V t3同为导通时间 且满足tjt3 = T0N, PJ t2为关断时间。在时间运算单元TU中可计算出I2=K1(Vtjs-Vc)+K2Tw，其中KpK2为两个与输出电压纹波相关的系数。根据时间&、t2、t3控制变频锯齿波产生器SG的频率，产生频率可变的锯齿波Vsaw。在变频锯齿波产生器SG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CLK，用于确定开关周期、采样输出电压、控制受控误差补偿器VEC。在双缘脉冲调制器DPM中，将锯齿波Vsaw、时间h、时间&进行比较，根据比较结果产生导通U1)、关断(t2)、导通(t3)的控制脉冲信号，经由驱动电路DR，控制变换器TD开关管S的导通与关断。本例中，开关管S以tpt2、t3S时序的控制脉冲在双缘脉冲调制器DPM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导通时间h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〖2后，双缘脉冲调制器DPM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导通时间t3后当前周期结束。本例的变换器TD为Buck变换器。用Ma t I ab/S i mu I i nk软件对本例的方法进行时域仿真分析，结果如下。图5为采用传统PWM调制V2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PWM调制V2型控制和本实用新型。在图5中可以看出，采用传统PWM调制V2型控制(开关频率为50KHz)开关变换器的输出电压在3V处波动，变换器发生了次谐波振荡，输出电压不稳定，而采用本实用新型的平均输出电压稳定在3V。可见采用本实用新型具有更好的稳定性能。仿真条件:输入电压Vin=5V、电压基准值Vref=3V、电感L=20 μ H、电容C=1420 μ F (其等效串联电阻为30m Ω )、负载电流1。=1.5A ；恒定导通时间 Ton= 12 μ s，W6 μ s ;系数 Κ1=2.22*1θΛ 系数 Κ2=2/3。图6为采用传统恒定导通时间调制V2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分别对应传统恒定导通时间调制V2型控制和本实用新型。图6中，在6ms时负载由IA阶跃变化至10A，采用传统恒定导通时间调制V2型控制(恒定导通时间为6 μ s)经过约1.8ms后进入新的稳态,输出电压峰峰值波动952mV ；而采用本实用新型的开关变换器进入新的稳态的调整时间为1.5ms，输出电压峰峰值波动680mV。可见本实用新型的开关变换器具有更好的负载瞬态性能。仿真条件:电压基准值Vref=l.5V，系数 K1=4.44*10-、系数 Κ2=7/3，恒定导通时间 Τ0Ν=6 μ s, t1=t3 = 3 μ s，采用传统恒定导通时间调制V2型控制和本实用新型的受控误差补偿器VEC的参数相同(未优化)，其它参数与图5—致。实施例二图7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V2-PFM。图8为本实用新型实施例二中，输出电压、控制电压V。、时间、时间t2、时间t3、采样脉冲信号CLK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7、图8示出，在任意一个采样脉冲信号CLK的开始时刻关断开关管，同时，电压检测电路VS检测变换器TD的输出电压，得到输出电压值V。,，并与基准电压Vref —同送入受控误差补偿器VEC，生成控制电压V。。预设一个恒定关断时间T0FF,t1>t3同为关断时间且满足ti+t3 = Ttw，则t2为导通时间。在时间运算单元TU中可计算出t2=K3(Ve-VJ+K4Ttw，其中K3、K4为两个与输出电压纹波相关的系数。根据时间t2、七3控制变频锯齿波产生器SG的频 率，产生频率可变的锯齿波V saw。在变频锯齿波产生器SG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CLK，用于确定开关周期、采样输出电压、控制受控误差补偿器VEC。在双缘脉冲调制器DPM中，将锯齿波Vsaw、时间h、时间〖2进行比较，根据比较结果产生关断U1)、导通(t2)、关断(t3)的控制脉冲信号，经由驱动电路DR，控制变换器TD开关管S的关断与导通。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，稳态精度闻，负载瞬态性能好。实施例三如图9所示，本例与实施例一基本相同，不同之处是:本例控制的变换器TD为Buck2变换器。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。本实用新型公开了一种开关变换器双缘脉冲频率调制V2型控制装置，由电压检测电路VS、受控误差补偿器VEC、时间运算单元TU、变频锯齿波产生器SG、双缘脉冲调制器DPM以及驱动电路DR组成。本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:负载瞬态响应速度快，稳压精度高，稳 定性能好。
权利要求1.一种开关变换器双缘脉冲频率调制V2型控制装置，其特征在于:由电压检测电路VS、受控误差补偿器VEC、时间运算单元TU、变频锯齿波产生器SG、双缘脉冲调制器DPM以及驱动电路DR组成；所述的电压检测电路VS、受控误差补偿器VEC、时间运算单元TU、变频锯齿波产生器SG、双缘脉冲调制器DPM、驱动电路DR依次相连；变频锯齿波产生器SG与电压检测电路VS相连；变频锯齿波产生器SG与受控误差补偿器VEC相连；时间运算单元TU与双缘脉冲调制器DPM相连。
2.根据权利要求1所述的一种开关变换器双缘脉冲频率调制V2型控制装置，其特征在于:所述受控误差补偿器VEC由减法器SUB、比例放大器PA、受控积分器Cl、受控微分器CD、加法器ADD以及限幅器UM组成；减法器SUB、比例放大器PA、加法器ADD、限幅器UM依次相连；减法器SUB、受控积分器Cl、加法器ADD依次相连；减法器SUB、受控微分器⑶、加法器ADD依次相连；电压基准值V,ef和检测的输出电压值Vtjs分别输入到减法器SUB的正端和负端；脉冲信号CLK作为 受控积分器Cl、受控微分器CD的控制输入。
3.如权利要求1所述的一种开关变换器双缘脉冲频率调制V2型控制装置，所述开关变换器可为多种拓扑结构的变换器=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、半桥变换器或全桥变换器。
专利摘要本实用新型公开了一种开关变换器双缘脉冲频率调制V2型控制装置，由电压检测电路VS、受控误差补偿器VEC、时间运算单元TU、变频锯齿波产生器SG、双缘脉冲调制器DPM以及驱动电路DR组成。本实用新型可用于控制Buck变换器、Buck2变换器、Cuk变换器、Ze ta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，其优点是负载瞬态响应速度快，稳压精度高，稳定性能好。
文档编号H02M1/08GK203135698SQ20132003347
公开日2013年8月14日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者周国华, 金艳艳, 何圣仲, 许建平 申请人:西南交通大学