组合型连续导电模式单电感双输出开关变换器变频控制装置的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子设备，尤其是一种组合型连续导电模式单电感双输出开关变换器变频控制装置。


背景技术：

2.随着便携式电子设备的飞速发展，其设计复杂度不断增加，整机内部的单元模块越来越多，不同模块的供电要求以及供电电压等级通常是不同的。使用多个独立的单输入单输出开关变换器供电，会使得电子设备的体积增大、成本增加。采用单电感多输出开关变换器技术可以解决这些问题，其输出支路共享一个电感，减少了电感数量以及多路输出系统的体积和重量，降低了成本，同时各条输出支路可以得到独立的控制。由于各条输出支路通过电感耦合在一起，当一条输出支路负载跳变时，会通过电感电流影响到其它输出支路的输出，造成交叉影响。交叉影响较轻时会影响变换器的稳态性能，严重时会影响变换器的稳定性。为改善单电感多输出开关变换器输出支路存在交叉影响的缺点，近年来提出了一些新的控制方法，以抑制输出支路的交叉影响。
3.根据单位周期内电感电流的开关时序，单电感多输出开关变换器可以分为共享充电时序和独立充电时序。而根据电感电流的工作模式，单电感多输出开关变换器可以分为：电感电流连续导电模式、断续导电模式和伪连续导电模式。共享充电时序的原理是一个工作周期内只对电感充电一次，充电完成后再对各个输出支路的负载进行放电。独立充电时序的原理是把一个工作周期分成多个子周期，然后对每一个输出支路分配一个时间段，在每个时间段内电感通过充电和放电过程对输出支路进行供能，以此达到共用一个电感的目的。当变换器工作在连续导电模式时，在整个工作周期内电感电流一直大于零，输出支路的充、放电过程紧密相连，因此输出支路之间的交叉影响问题严重。相比于连续导电模式，断续导电模式增加了一个电感电流为零的工作模态，消除了输出支路的交叉影响，但变换器的转换效率低、电感电流纹波大、带载能力差。伪连续导电模式电感电流在每个工作周期没有下降到零，减小了电感电流和输出电压的纹波，增强了负载的带载能力，但电流流过续流开关管会引起额外的损耗，降低变换器的效率。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种组合型连续导电模式单电感双输出开关变换器变频控制装置，使之克服现有的独立充放时序单电感双输出开关变换器工作在ccm时的技术缺点，具有很好的瞬态响应、较低的交叉影响和较宽的负载范围，适用于多种拓扑结构的单电感双输出开关变换器。
5.本实用新型实现其实用新型目的所采用的技术方案是：一种组合型连续导电模式单电感双输出开关变换器变频控制装置，其特征在于：由电流检测电路 is、第一电压检测电路vs1、第二电压检测电路vs2、第一误差放大器ea1、第二误差放大器ea2、第一比较器cmp1、第二比较器cmp2、第一触发器rs、第二触发器d、定时器ct、脉冲选择器s、第一驱动电
路dr1、第二驱动电路 dr2和第三驱动电路dr3组成；所述的第一电压检测电路vs1与第一误差放大器ea1相连，第二电压检测电路vs2与第二误差放大器ea2相连；第一误差放大器ea1和电流检测电路is与第一比较器cmp1相连，第二误差放大器ea2 和电流检测电路is与第二比较器cmp2相连；第一比较器cmp1和第二比较器 cmp2与脉冲选择器s相连；脉冲选择器s和定时器ct与第一触发器rs相连；脉冲选择器s与第一触发器rs相连；第一触发器rs的q端连接第一驱动电路 dr1，第二触发器d的q1端连接第二驱动电路dr2，第二触发器d的q端连接第三驱动电路dr3。
6.特别地，所述的脉冲选择器s的具体组成为：由第一逻辑与门and1、第二逻辑与门and2和第三逻辑或门or组成；第一比较器cmp1和第二触发器 d的q1端与第一逻辑与门and1相连；第二比较器cmp2和第二触发器d的 q端与第二逻辑与门and2相连；第一逻辑与门and1和第二逻辑与门and2 与第三逻辑或门or相连。
7.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
8.一、本实用新型为单电感双输出开关变换器提供了一种简单可靠的控制方法，系统负载范围大，稳定性高，可靠性好。
9.二、本实用新型的单电感双输出开关变换器在在负载发生改变时，能够快速进行调节，输出电压的调节时间短，交叉影响小，负载的瞬态性能好。
10.下面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。
附图说明
11.图1为本实用新型实施例一控制方法的电路结构框图。
12.图2为本实用新型实施例一的脉冲选择器s的电路结构框图。
13.图3为本实用新型实施例一的电路结构框图。
14.图4为本实用新型实施例一的单电感双输出开关变换器稳态工作时的主要波形示意图。
15.图5为本实用新型实施例一和电压型pwm控制的单电感双输出开关变换器在支路负载加载时的瞬态时域仿真波形。
16.图6为本实用新型实施例一和电压型pwm控制的单电感双输出开关变换器在支路负载减载时的瞬态时域仿真波形。
17.图7为本实用新型实施例二的电路结构框图。
18.图5中：(a)为本实用新型实施例一和电压型pwm控制的单电感双输出开关变换器在a支路加载时的瞬态时域仿真波形；(b)为本实用新型实施例一和电压型pwm控制的单电感双输出开关变换器在b支路加载时的瞬态时域仿真波形。
19.图6中：(a)为本实用新型实施例一和电压型pwm控制的单电感双输出开关变换器在a支路减载时的瞬态时域仿真波形；(b)为本实用新型实施例一和电压型pwm控制的单电感双输出开关变换器在b支路减载时的瞬态时域仿真波形。
具体实施方式
20.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。
21.实施例一：
22.图1示出，本实用新型的一种具体实施方式为：组合型连续导电模式单电感双输出开关变换器变频控制装置，其装置主要由电流检测电路is、第一电压检测电路vs1、第二电压检测电路vs2、第一误差放大器ea1、第二误差放大器ea2、第一比较器cmp1、第二比较器cmp2、第一触发器rs、第二触发器 d、定时器ct、脉冲选择器s、第一驱动电路dr1、第二驱动电路dr2和第三驱动电路dr3组成；所述的第一电压检测电路vs1与第一误差放大器ea1相连，第二电压检测电路vs2与第二误差放大器ea2相连；第一误差放大器ea1 和电流检测电路is与第一比较器cmp1相连，第二误差放大器ea2和电流检测电路is与第二比较器cmp2相连；第一比较器cmp1和第二比较器cmp2与脉冲选择器s相连；脉冲选择器s和定时器ct与第一触发器rs相连；脉冲选择器s与第一触发器rs相连；第一触发器rs的q端连接第一驱动电路dr1，第二触发器d的q1端连接第二驱动电路dr2，第二触发器d的q端连接第三驱动电路dr3。
23.图2示出，本例的脉冲选择器s的具体组成为：由第一逻辑与门and1、第二逻辑与门and2和第三逻辑或门or组成；第一比较器cmp1和第二触发器d的q1端与第一逻辑与门and1相连；第二比较器cmp2和第二触发器d 的q端与第二逻辑与门and2相连；第一逻辑与门and1和第二逻辑与门and2 与第三逻辑或门or相连。
24.本例采用图3的装置，可方便、快速地实现上述控制方法。图3示出，本例单电感双输出开关变换器变频控制方法的装置，由变换器td和开关管s1、 sa、sb的控制装置组成。
25.本例的装置其工作过程和原理是：
26.控制装置采用单电感双输出开关变换器变频控制的工作过程和原理是：图 1、图3、图4示出，
27.在开关周期内，开关管s1、s2导通，s3关断，当电感电流il上升到信号 ip1时，第一比较器cmp1的输出信号r1为高电平，根据第一触发器rs的工作原理：第一触发器rs的q端输出信号vp1为低电平，变换器主开关管s1关断，电感电流il下降，同时定时器ct开始计时；经过固定的时间间隔，定时器ct输出信号ss变为高电平，即第一触发器rs的s端为高电平，q端输出信号vp1变为高电平，s1导通，电感电流il上升，第二触发器d的c1端输入高电平，根据第二触发器d的工作原理：第二触发器d的q输出端信号vp3 为高电平，变换器支路开关管sb导通，支路b工作，且vp3在信号ss的下一个上升沿来临之前保持不变，第二触发器d的q1输出端脉冲信号vp2的高低电平始终与vp3相反；当电感电流il上升到信号ip2时，第二比较器cmp2的输出信号r2为高电平，根据第一触发器rs的工作原理：第一触发器rs的q 端输出信号vp1为低电平，变换器主开关管s1关断，电感电流il下降，同时定时器ct开始计时；经过固定的时间间隔，定时器ct输出信号ss变为高电平，即第一触发器rs的s端为高电平，q端输出信号vp1变为高电平，s1导通，电感电流il上升，第二触发器d的c1端输入高电平，根据第二触发器d 的工作原理：第二触发器d的q输出端信号vp2为高电平，变换器支路开关管 sa导通，支路a工作，且vp2在信号ss的下一个上升沿来临之前保持不变，重复上述过程。
28.脉冲选择器s完成信号rr的选择和输出：图2示出，当vp2为高电平时，脉冲选择器的输出信号rr为第一比较器cmp1的输出信号r1，否则为第二比较器cmp2的输出信号r2。
29.本例的变换器td为单电感双输出buck变换器。
30.用psim仿真软件对本例的方法进行时域仿真分析，结果如下。
31.图4为采用本实用新型的单电感双输出buck变换器在稳态工作时，电感电流信号
il、脉冲信号rr、脉冲信号ss及驱动信号之间的关系示意图。从图中可以看出，采用本实用新型的独立充放时序单电感双输出buck变换器可以工作在电感电流连续导电模式。仿真条件：输入电压vin＝20v，电压基准值 vref1＝12v、vref2＝5v，电感l＝100μh，电容c1＝c2＝470μf(其等效串联电阻为50mω)、负载电阻roa＝12ω、rob＝5ω。
32.图5为采用本实用新型和电压型pwm控制的单电感双输出buck变换器在输出支路加载时两输出支路输出电压的时域仿真波形，分图(a)、(b)分别对应输出支路a加载和输出支路b加载。从图5(a)中可以看出：在10ms时a支路负载加重，负载电流由1a阶跃变化至2a(此时b支路负载电流iob＝1a)。采用本实用新型时输出支路a、b的输出电压voa、vob，经过约2个开关周期的调节就重新进入稳态，且输出电压的瞬态变化量小。而采用电压型pwm控制的独立充放式ccm单电感双输出buck变换器(开关频率为20khz)，在输出支路负载加载时，变换器会严重失稳，无法正常工作。从图5(b)中可以看出：在输出支路b 负载加载时(负载电流iob由1a阶跃变化至2a，ioa＝1a)，采用本实用新型的变换器输出电压voa、vob，经过约1个开关周期的调节重新进入稳态，输出电压变化量小；采用电压型pwm控制的变换器在负载变化后则无法正常工作。由此可见：本实用新型的单电感双输出开关变换器在支路负载加载时，输出电压的调节时间短、输出电压变化量小。除负载电阻外，其它仿真条件与图4一致。
33.图6为采用本实用新型和电压型pwm控制的单电感双输出buck变换器在输出支路减载时两输出支路输出电压的时域仿真波形，分图(a)、(b)分别对应输出支路a减载和输出支路b减载。从图6(a)中可以看出：在14ms时a支路负载加重，负载电流由2a阶跃变化至1a(此时b支路负载电流iob＝2a)。采用本实用新型时输出支路a、b的输出电压voa、vob，经过约2个开关周期的调节就重新进入稳态，且输出电压的瞬态变化量小。而采用电压型pwm控制的独立充放时序单电感双输出buck变换器(开关频率为20khz)，在输出支路负载减载时，变换器会严重失稳，无法正常工作。从图6(b)中可以看出：在输出支路b负载减载时(负载电流iob由2a阶跃变化至1a，ioa＝2a)，采用本实用新型的变换器输出电压voa、vob，经过约1个开关周期的调节重新进入稳态，输出电压变化量小；采用电压型pwm控制的变换器在负载变化后无法正常工作。由此可见：本实用新型的单电感双输出开关变换器在支路减载时，输出电压的调节时间短、输出电压变化量小。仿真条件与图4一致。
34.由图5和图6可见，本实用新型的单电感双输出开关变换器在负载突变时，输出电压瞬态变化量小，调节时间短，负载瞬态性能好，并且本实用新型的单电感双输出开关变换器在一条输出支路负载突变时对另一条输出支路的交叉影响小；而采用电压型pwm控制的独立充放时序单电感双输出buck变换器在输出支路负载不平衡时，变换器会严重失稳，无法正常工作。
35.实施例二
36.如图7所示，本实用新型实施例二与实施例一基本相同，不同之处是：本例控制的变换器td为单电感双输出boost变换器。
37.本实用新型除可用于以上实施例中的开关变换器外，也可用于单电感双输出 buck
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boost变换器、单电感双输出bioplor变换器等多种多输出电路拓扑中。