一种宽输入输出范围自稳定的电流模固定导通时间控制方法

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种宽输入输出范围自稳定的电流模固定导通时间控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术：

迄今为止有多种dc-dc开关变换器控制技术应用到开关电源中，其中最早出现的是电压模式的控制，由于这种控制方式只存在一个电压回路，因此其设计分析最简单，但是这种控制方式也存在响应速度慢、补偿设计复杂的缺点，于是发展出了基于电流环和电压环的双环控制策略，双环控制策略也称为电流模式的控制。电流模控制因对电感电流进行采样而对输入电压和负载变化具有更快的响应速度；同时，输出滤波电路在反馈环路中之呈现出一个极点，使得环路补偿变得更加简单，并且获得了更大的带宽。电流模控制对电感电流进行了采样，因此还具有限流保护的功能，但是电流模控制在占空比大于50％时会产生次斜坡振荡的问题，这增大了设计难度。在电流模和电压模控制中，当输出电压发生变化时，由于补偿网络存在的延迟特性，使输出电压变化量延迟一段时间才反馈到控制电路；当控制电路收到输出电压变化的反馈之后，在pwm产生环节中会因为时钟信号的原因进一步产生延迟，加剧了瞬态响应的变慢。于是固定导通时间控制方法应运而生，它具有设计简单、轻重负载效率高和瞬态响应快等优点，广泛应用在各种变换器的设计中。

图1是固定导通时间控制方案的示意图，从比较器两端来看，比较器正端是参考电压信号vref，负端是输出电压反馈信号vfb，其基本原理就是当输出电压反馈信号vfb低于参考电压信号vref时，就产生一个固定导通时间的脉冲来控制主功率管开通。因此固定导通时间控制的原理是基于输出电压纹波进行控制的，这就需要一个与电感电流同相位的输出电压纹波。对于esr比较大的输出电容，这个同相位的纹波是存在的，否则就会出现不稳定情况，因此对电流模固定导通时间控制进一步分析得到其稳定性与导通时间相关。而为了使固定导通时间控制在不同工作状态下保持相对稳定的频率，常使用自适应固定导通时间控制方法，即导通时间与输入电压成反比但与输出电压成正比，这就存在当电流模固定导通时间控制应用在宽输入、宽输出工作情况下时(例如，在电池充放电应用情况下)，导通时间会变长，可能会从稳定的状态转换为不稳定的状态，因此提高电流模固定导通时间控制在宽输入、输出范围下的稳定性是很有必要的。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种宽输入输出范围自稳定的电流模固定导通时间控制方法，以适应电池充放电等宽输入输出范围应用场景中电流模固定导通时间稳定的需求。其中在电流模固定导通时间控制系统中，实现电感电流纹波大小根据导通时间自动调节以维持系统稳定性的发明目的；并针对在主功率管导通时间变长情况下系统的稳定性条件可能被破坏的问题提出了相应的算法，通过引入考虑宽输入输出对导通时间影响的电感电流放大系数实现电流模固定导通时间的自适应稳定，在宽输入电压、宽输出电压工作状态下始终保持导通时间稳定，提高系统的稳定性，解决了现有自适应固定导通时间控制方法在宽输入、输出范围下存在从稳定状态转换为不稳定状态这一缺陷的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种宽输入输出范围自稳定的电流模固定导通时间控制方法，基于包括采样模块、电感电流纹波产生模块、误差放大模块、纹波比较模块以及自适应导通时间产生模块的控制系统实现，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环。

采样模块包括采样电路和采样计算模块，采样电路从开关电源主功率电路得到输入电压、输出电压和电感电流信息，采样计算模块根据该输入电压、输出电压以及电感电流信号计算得到对应的采样电压vin、vout和电感电流il信号并同时输出给电感电流纹波产生模块。

电感电流纹波产生模块，首先接收采样模块输出的输入电压信息vin、输出电压信息vout和电感电流信息il；接着根据输入电压信息vin和输出电压信息vout，通过公式计算出当前工作状态下主功率管的导通时间ton，tsw为开关周期，由于在电池充放电的过程中，输入与输出电压会发生变化，因此导通时间ton也会相应不断地变化；然后依据公式计算出所需将电感电流信息il放大的倍数k，m为误差电压信号的放大倍数，α为输出电压分压网络的分压系数，co为输出电容，由于ton是发生变化的，所以电感电流信息放大倍数也是变化的；最后将放大k倍后的电感电流纹波电压信号vl输出给纹波比较模块，用于确定开关管的导通时刻。

误差放大模块为一个误差放大器ea，其误差放大倍数为m，误差放大器的正向端连接参考电压vref，误差放大器的反向端连接输出电压反馈信号vfb，用参考电压vref减去输出电压反馈信号vfb得到当前误差电压信号vc，最后将当前误差电压信号vc输出给纹波比较模块，用于确定主功率开关管的导通时刻。

纹波比较模块用于确定主功率管的导通时刻。在纹波比较模块内将电感电流纹波电压信号vl与误差电压信号vc进行比较，当电感电流纹波电压信号vl小于误差电压信号vc时，输出主功率管导通信号vgh。主功率管导通信号vgh输出至rs触发器的s端，进而使主功率管导通。

本发明与现有技术相比，其显著的有益效果有：

(1)本发明宽输入、宽输出范围自适应稳定电流模固定导通时间控制方法，根据主功率管实时导通时间以及输出信号误差放大系数灵活调整电感电流放大系数，根据电感电流放大系数自适应地选择相应导通时间下的电感电流的纹波大小，将根据电感电流放大系数计算得到的纹波电压作为电流模固定导通时间控制的对象，能够在极宽的工作范围内自动地调整电感电流的纹波大小，保证电流模固定导通时间控制的稳定性，当导通时间变长时，电感电流的纹波相应地变大，当导通时间变小时，电感电流的纹波相应地变小。

(2)本发明相比于传统的电压模或电流模控制策略，能够适应很宽的输入电压和输出电压范围，即工作在导通时间极长的状态下，系统始终能够保持稳定性。

附图说明

图1是固定导通时间控制方案的示意图。

图2是实现本发明控制方法的控制系统的结构框图。

图3是本发明电流模固定导通时间控制方法满足稳定性条件时电感电流纹波和控制信号的波形图。

图4是未采用本发明电流模固定导通时间控制方法时，导通时间变化时电感电流和输出电压波形的仿真图。

图5是采用本发明电流模固定导通时间控制方法时，导通时间变化时电感电流和输出电压波形的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

参看图2，本发明基于包括采样模块、电感电流纹波产生模块、误差放大模块、纹波比较模块以及自适应导通时间产生模块构成的控制系统实现宽输入输出范围自稳定的电流模固定导通时间控制方法，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环。

如图2所示，采样模块包括采样电路和采样计算模块，采样电路从主功率电路得到输入电压vin、输出电压vout和电感电流il，然后采样计算模块根据该输入电压vin、输出电压vout以及电感电流il计算得到对应的输入电压信息vin、输出电压信息vout和电感电流信息il并同时输出给电感电流纹波产生模块。

如图2所示，电感电流纹波产生模块首先接收采样模块输出的输入电压信息vin、输出电压信息vout和电感电流信息il，其次根据输入电压信息vin和输出电压信息vout，通过公式计算出当前工作状态下主功率管的导通时间ton，然后依据公式计算出所需将电感电流信息il放大的倍数k，最后将放大k倍后的电感电流纹波电压信号vl输出给纹波比较模块，用于确定开关管的导通时刻。

公式由图3所示电流模固定导通时间控制方法满足稳定性条件时电感电流纹波和控制信号波形图推到而来。图3中的t0时刻所示有电感电流纹波与控制信号相等，即图3中的t4时刻所示同样有电感电流纹波与控制信号相等，即于是有其中，m为电压反馈信号vfb和参考电压信号vref的误差放大倍数，rc为电感电流采样电阻。从图3中可以得到，其中，δi0与δi1为连续两个周期结束时实际电感电流与稳定时电感电流的偏差大小，即在t4时刻的电感电流减去t0时刻的电感电流为一个周期结束后电感电流的变化量。电压反馈信号vfb与输出电压vout成正比，则有vfb＝αvout，输出电压由等效串联电阻esr上的纹波电压和输出电容两端的电压串联而成，则有从图3可以看到，δq1为t0到t1时刻的电感电流使得输出电容两端释放出的电荷量；δq2为t1到t3时刻的电感电流使得输出电容两端积累的电荷量；δq3为t3到t4时刻的电感电流使得输出电容两端释放出的电荷量。于是可以推导得到：

与上述推导公式一起带入公式：

可以得到由图3中t0到t2时刻有，电感电流处于上升状态，此时主功率管导通，因此上升斜率为：由图3中t2到t4时刻有，电感电流处于下降状态，此时主功率管关断，因此下降斜率为：于是由图中阴影面积可以得到：

分别将这三个式子带入到中，当电感电流处于临界稳定状态时有δi0＝δi1，于是进一步可得临界稳定性条件：

从稳定性条件可以得到主功率管的导通时间ton与电感电流采样电阻rc、反馈电压和参考电压的误差放大倍数m、反馈电压的分压系数α、输出电容等效串联电阻esr和输出电容co有关系。要保证电流模固定导通时间控制处于稳定状态，只需要保证即可。又有因此只需要满足这个关系式，就一定满足稳定性条件，系统处于稳定状态中。rc为电感电流采样电阻，也即是电感电流采样系数，令rc＝k＝λton，其中定义在电感电流纹波计算模块中，然后将电感电流信息il放大k倍，最后将放大k倍后的电感电流纹波电压信号vl输出给纹波比较模块，用于确定开关管的导通时刻。

误差放大模块为一个误差放大器ea，其误差放大倍数为m。如图2所示，误差放大器的正向端连接参考电压vref，误差放大器的反向端连接输出电压反馈信号vfb。用参考电压vref减去输出电压反馈信号vfb，得到当前的误差电压信号vc。最后将当前的误差电压信号vc输出给纹波比较模块，用于确定开关管的导通时刻。

纹波比较模块用于确定主功率管导通的时刻。如图2所示，在纹波比较模块内将电感电流纹波电压信号vl与误差电压信号vc进行比较。由于电流模固定导通时间控制是基于电感电流谷底纹波进行控制的，因此当电感电流纹波电压信号vl逐渐降低并小于误差电压信号vc时，输出主功率管导通信号vgh。主功率管导通信号vgh连接至rs触发器的s端，进而使主功率管导通。

图4是未采用本发明控制方法时，导通时间变化前后电感电流和输出电压的仿真图。在导通时间变化前ton＝2us，在此导通时间下设定电感电流采样系数满足稳定性条件并保持不变；在导通时间变化后，此时导通时间ton＝8us，可以发现由于电感电流采样系数保持不变，当导通时间变长之后，系统由稳定状态转变为不稳定状态。

图5是采用本发明控制方法时，导通时间变化前后电感电流和输出电压的仿真图。在导通时间变化前ton＝2us，在此导通时间下设定电感电流采样系数满足稳定性条件并跟随导通时间的变化而变化；在导通时间变化后，此时导通时间ton＝8us，可以发现由于电感电流采样系数随导通时间而改变，当导通时间变长之后，系统能够始终保持稳定状态。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能人为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变都应包括在本发明权利要求书的涵盖范围之内。