专利名称：开关电源单环定频滞环控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及开关电源的控制装置。
背景技术：
近年来，随着电子技术和信息技术的快速发展，开关电源成为电力电子技术领域 工程应用和学术研究的热点，微处理器、通讯设备、工业控制设备、医疗器械、电动车辆等都 广泛采用高性能直流开关电源作为其供电设备。开关电源系统一般由功率主电路和控制电路组成。功率主电路(即开关变换器) 主要包括开关管、整流滤波电路、隔离变压器等；开关变换器的拓扑类型有Buck、Boost、 Flyback、Full-Bridge等。控制电路(即控制器)用于检测功率主电路的工作状态，并产 生控制脉冲信号控制开关管，调节传递给负载的电量以保证输出稳定。控制器的结构和工 作原理由电源系统所采用的控制方法决定。目前，开关变换器电路部分经过多年发展已日 趋成熟，控制方法和与控制方法相关的控制电路则成为影响电源性能的关键。高性能微处理器、超大规模集成电路等用电设备对开关电源的瞬态响应能力提出 了越来越高的要求，电压型、电流型等传统的控制技术由于控制环路中存在补偿延迟环节， 瞬态性能难以进一步提高。滞环控制是一种将变换器输出电压V。限制在以基准电压Vref 为中心的滞环内的电源控制方法，其控制原理是当输出电压V。在某时刻下降到滞环下限 Vl(Vl < Vref)时，控制开关管导通，电感充电，输出电压上升；当输出电压V。上升至滞环上限 Vh(VH > Vref)时，开关管关断，电感放电，输出电压下降，这一状态将保持到输出电压再次下 降到滞环下限，随后开始下一个开关周期。滞环控制电路中没有延迟环节，因此具有很快的 瞬态响应速度。但是，滞环控制属于变频控制方法，变换器的工作状态会影响开关频率，这 会给变换器滤波电路设计、EMI抑制等方面带来困难。为此，我们设计了新的控制方法。开关电源的单环定频滞环控制方法，由变换器TD和控制器组成的控制装置实现 单环定频滞环控制，控制器包括电压检测电路VCC、比较器Ac、时钟信号产生器CPG、触发器 FF、驱动电路DR ；其控制方法包括在某一个开关周期起始的、时刻，开关管导通，开关变换器输出电压V。上升；当V。 上升至基准电压时，开关管继续保持开通状态；当V。上升至Vm+^吋(Ve为预设的固定 电压值，Ve > 0)，开关管关断，V0随之下降；随后，在、+Τ时刻，再次开通开关管，变换器进 入下一个开关周期进行工作。显然，上面所述的控制方法(为叙述便利我们称之第一种具体作法)中，控制器控 制变换器输出电压纹波的峰值。与之对称的是，当控制器控制变换器输出电压纹波的谷值 时，采用的方法与以上所述方法具有对等的逻辑顺序，其具体的控制方法(称之第二种具 体作法)可表达为在某一个开关周期起始的、时刻，开关管关断，开关变换器输出电压V。下降；当V。 下降至基准电压vMf时，开关管继续保持关断状态；当V0下降至vref-vE时，开关管导通，V0随之上升；随后，在、+Τ时刻，再次关断开关管，变换器进入下一个开关周期进行工作。如上的第一种和第二种具体作法分别通过控制变换器输出电压纹波在每个开关 周期内的峰值或谷值实现控制。
实用新型内容本实用新型的目的是为以上的控制方法提供一种开关电源单环定频滞环控制装 置，使之具有变换器开关频率固定，瞬态性能良好，控制电路仅需要检测变换器输出电压且 不需要补偿环节的优点，适用于各种拓扑结构的变换器。为实现实用新型目的，所采用的技术方案是一种开关电源单环定频滞环控制装置，由变换器TD和控制器组成，控制器包括电 压检测电路VCC、比较器Ac、时钟信号产生器CPG、触发器FF、驱动电路DR。电压检测电路 VCC,比较器AC、触发器FF、驱动电路DR依次相连；时钟信号产生器CPG与触发器FF相连。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是一、通过控制输出电压在每个开关周期内的峰值或者谷值实现对变换器的控制。 与已有的开关变换器滞环控制方法相比，采用本实用新型进行控制的变换器开关周期的持 续时间为预设的固定值，工作频率不受变换器工作状态的影响。因此，该装置能够有效解决 传统滞环控制技术存在的滤波电路设计和EMI等方面的问题。二、以输出电压纹波作为控制系统的反馈量，能够将输出电压和电感电流的信息 直接用于对占空比的调节，且控制系统中不包含延迟环节。因此，该装置对于变换器输入端 或者负载端出现的扰动能够迅速做出调节，具有良好的瞬态响应能力。三、简便易行，采用非常简单的模拟或数字电路即可将该装置应用于工程领域；控 制环路中没有传统电压型或电流型控制所需的的补偿网络(一般由运算放大器及外围电 路构成)，因此控制器易于集成、成本低廉，并且在应用时不需要复杂的设计过程。该装置的工作过程和原理是在每个开关周期起始时刻，时钟信号产生器发出一 个时钟脉冲vcp，触发器置位输出高电平，通过驱动电路控制开关管导通，变换器输出电压V。 上升；电压检测电路检测输出电压V。，并将V。电压信号输出至比较器；比较器将V。同预设 电压值Vref+VE比较并输出至触发器，当V。小于VMf+VE时，触发器保持状态不变，当V。上升 至VMf+VE时，比较器输出信号跳变，并使得触发器复位输出低电平，开关管关断，变换器输 出电压V。随之下降；触发器输出信号保持为低电平直至下一个时钟脉冲v。P来临，随后控制 器重复上述工作过程，变换器进入下一开关周期进行工作。可见，采用以上控制装置可以方便可靠地实现上述第一种具体作法。这种结构的 控制装置经过简单改动还可以用于上述的第二种具体作法。
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的信号流程图。图2为本实用新型实施例一的电路结构图。图3a为本实用新型实施例一在稳态条件下某一时段时钟脉冲信号V。P的时域仿真 波形图。[0024]图3b为与图3a同一时段输出电压V。的时域仿真波形图。图3c为与图3a同一时段控制脉冲信号Vp的时域仿真波形图。图3仿真条件如下输入电压Vin = 15V、输出电压基准值Vref = 8V、电感L = 80 μ H、电容C = 470 μ F、负载阻值R = 16 Ω、开关周期T = 50 μ S、预设电SVe = 30mV。图4a为实施例一在负载突变(负载电流在30ms时刻由0. 08A跃变至1A)时变换 器负载电流I。的仿真波形图。图4b为与图4a同一时段输出电压V。的时域仿真波形图。图4c为与图4a同一时段电感电流込的时域仿真波形图。图5a为实施例一在负载突变(负载电流在30ms时刻由0. 08A跃变至1A)时变换 器输出电压V。的仿真波形图。图5b为现有的电压型PWM控制变换器在同样的负载变化时，输出电压V。的仿真 波形图。图6为本实用新型实施例二的电路结构框图。图7为本实用新型实施例三的电路结构框图。
具体实施方式
实施例一图1示出本实用新型的一种具体实施方式
，开关电源的单环定频滞环控制方法， 其具体作法是在每个开关周期起始时刻，时钟信号产生器CPG发出一个时钟脉冲VeP，触发器FF 置位输出高电平，通过驱动电路DR控制变换器TD中的开关管S导通，变换器输出电压V。上 升；电压检测电路VCC检测输出电压V。，并将V。电压信号输出至比较器AC ；比较器AC将V。 同预设电压值V,ef+Ve比较并输出至触发器FF，当V。小于V,ef+VE时，触发器FF保持状态不 变，当V。上升至V,rf+VE时，比较器AC输出信号跳变，并使得触发器FF复位输出低电平，开 关管S关断，变换器输出电压V。随之下降；触发器输出信号保持为低电平直至下一个时钟 脉冲Vep来临，随后控制器重复上述工作过程，变换器TD进入下一开关周期进行工作。本例对应于上述控制方法的第一种具体作法，控制器控制变换器输出电压纹波的 峰值。本例采用以下的装置，可使上述控制方法得以方便快捷地实现。图2示出，本例的 开关电源控制装置，由变换器TD和控制器组成，控制器包括电压检测电路VCC、比较器AC、 时钟信号产生器CPG、触发器FFjga电路DR。电压检测电路VCC、比较器AC、触发器FFjg 动电路DR依次相连；时钟信号产生器CPG与触发器FF相连。本例中控制器的具体组成为电压检测电路VCC检测变换器输出端电压；电压检 测电路VCC的输出端与比较器AC的正极性端相连；比较器AC输出端与触发器FF的R端相 连(本例中的触发器FF为RS触发器)；时钟信号产生器CPG输出端与触发器FF的S端相 连；触发器FF的输出端Q与驱动电路DR相连。本例的装置其工作过程和原理是在某个开关周期开始前，触发器FF的Q端输出为低电平，变换器TD中的开关管S 处于关断状态；随后控制器进入该开关周期进行工作，时钟信号产生器CPG发出一个高电
5平窄脉冲作为时钟信号，该时钟脉冲将触发器FF置位，即触发器FF触发翻转，Q端输出高电 平；Q端输出的高电平信号经过驱动电路DR控制开关管S导通，变换器输出电压V。随之上 升；电压检测电路VCC检测输出电压V。，并将V。电压信号输出至比较器AC的正极性端；比 较器AC将V。同预设电压值VMf+VE比较并输出至触发器FF的R端；在该开关周期的开始阶 段，输出电压V。低于Vref+VE，比较器AC输出低电平，触发器FF保持输出状态不变，开关管S 持续导通；当输出电压V。上升至Vref+Ve时，比较器AC输出信号由低电平跳变为高电平；比 较器AC输出的高电平信号将触发器FF复位，即触发器FF触发翻转，Q端输出低电平；Q端 输出的低电平信号经过驱动电路DR控制开关管S关断，变换器输出电压V。随之下降；触发 器FF的Q端输出信号保持为低电平直至下一个时钟脉冲来临，随后控制器重复上述工作过 程，变换器TD进入下一开关周期进行工作。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3为仿真得到的控制装置的变换器在额定工作状态下的工作波形。图3a、图3b 和图3c分别为时钟脉冲信号V。P、输出电压V。和控制信号VP。可见，此时变换器工作于稳定 状态，控制信号频率决定于固定的时钟脉冲信号。图4为实施例一在负载突变(负载电流在30ms时刻由0. 08A跃变至1A)时变换器 的瞬态工作波形。图4a、图4b和图4c分别为负载电流I。、输出电压V。和电感电流込。可 见，变换器在负载突变后能够迅速做出响应，经过约5个开关周期后即可重新恢复到稳态， 输出电压跌落不明显。此外，负载变化后变换器开关频率没有出现变化。故本实用新型装 置为一种开关电源定频控制。图5a为实施例一在负载突变(负载电流在30ms时刻由0. 08A跃变至1A)时变换 器输出电压的仿真波形图。图6b为现有的电压型PWM控制变换器在同样的负载变化时，输 出电压的仿真波形图。可见，现有的电压型PWM控制变换器在扰动出现后，经过约2ms后才 能恢复稳态，输出电压跌落量接近200mV ；而同样的条件下，采用本实用新型进行控制时， 开关电源可在0. 5ms以内进入新的稳态，输出电压跌落量约50mV。故本实用新型的瞬态响 应能力优于传统的PWM控制。实施例二图6示出，本例与实施例一基本相同，不同之处是实施例二采用上述控制方法的 第二种具体作法，控制器控制变换器输出电压纹波的谷值。因此与实施例一相比，实施例二 中的控制器结构有以下不同之处电压检测电路VCC的输出端与比较器AC的负极性端相 连；比较器AC输出端与触发器FF的S端相连；时钟信号产生器CPG输出端与触发器FF的 R端相连。本例控制的开关电源的变换器TD为Boost变换器，如图6所示。实施例三图7示出，本例与实施例一基本相同，不同之处是本例控制的开关电源的变换器 TD为单端正激变换器。本实用新型是一种定频控制装置，开关电源的开关频率由外部时钟脉冲决定。控 制装置可方便地用模拟器件或数字器件实现；除可用于以上实施例中的变换器组成的开关 电源外，也可用于Buck-Boost变换器、Cuk变换器、BIFRED变换器、反激变换器、半桥变换器、全桥变换器等多种功率电路组成开关电源。
权利要求一种开关电源单环定频滞环控制装置，由变换器TD和控制器组成，其特征在于控制器包括电压检测电路VCC、比较器AC、时钟信号产生器CPG、触发器FF、驱动电路DR；电压检测电路VCC、比较器AC、触发器FF、驱动电路DR依次相连；时钟信号产生器CPG与触发器FF相连。
2.根据权利要求1所述的开关电源单环定频滞环控制装置，其特征在于用于检测变 换器输出端电压的电压检测电路VCC的输出端与比较器AC的正极性端相连；比较器AC输 出端与触发器FF的R端相连；时钟信号产生器CPG输出端与触发器FF的S端相连；触发器 FF的输出端Q与驱动电路DR相连。
3.根据权利要求1所述的开关电源单环定频滞环控制装置，其特征在于用于检测变 换器输出端电压的电压检测电路VCC的输出端与比较器AC的负极性端相连；比较器AC输 出端与触发器FF的S端相连；时钟信号产生器CPG输出端与触发器FF的R端相连；触发器 FF的输出端Q与驱动电路DR相连。
专利摘要本实用新型公开了一种开关电源单环定频滞环控制装置，通过控制变换器输出电压纹波在每个开关周期内的峰值或谷值实现控制。在采用峰值控制时，在某一个开关周期起始的t0时刻，开关管导通，开关变换器输出电压Vo上升；当Vo上升至基准电压Vref时，开关管继续保持开通状态；当Vo上升至Vref+VE时，开关管关断，Vo随之下降；随后，在t0+T时刻，再次开通开关管，变换器进入下一个开关周期进行工作。采用本实用新型的变换器开关频率固定，瞬态性能良好，控制电路简单，仅需要检测变换器输出电压且不需要补偿环节，适用于各种拓扑结构的变换器。
文档编号H02M3/155GK201656775SQ20102014235
公开日2010年11月24日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者周国华, 张斐, 王金平, 秦明, 许建平 申请人:西南交通大学