一种升压电路及其信号输出方法

一种升压电路及其信号输出方法
【专利摘要】本发明公开了一种升压电路及其信号输出方法，主要内容为：升压电路包括：升压模块、升压控制模块、纹波信号产生模块和电压给定信号产生模块；升压控制模块对升压模块的电感电流信号和输出的电压信号进行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采样得到电压信号和电感电流信号产生驱动脉冲信号；升压模块在驱动脉冲信号的控制下，完成对输入电压信号的升压变化，提供具有纹波分量的直流电压信号输出。因新增纹波信号产生模块，可使升压模块输出具有纹波分量的电压信号，使得后级直流/直流环节因输入的电压信号具有纹波分量而直接产生抖频效应，故缓解了电源系统的电磁干扰问题。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及开关电源【技术领域】，尤其涉及一种升压电路及其信号输出方法。 一种升压电路及其信号输出方法

【背景技术】
[0002] 抖频技术可以有效地使设备的电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI) 骚扰信号在更宽的频谱上均分，从而使设备容易通过相关的电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC)测试标准，有利于解决整个开关电源系统的EMI问题，因此受到开关 电源工程师的青睐。
[0003] 当前通讯用整流模块电源系统主流结构配置为功率因数校正（Power Factor Correction，PFC)环节+直流/直流（DC/DC)环节。PFC环节即（交流/直流)AC/DC环节，将 交流输入电压变换为设定幅值（如400V)的直流高压，拓扑电路以升压（Boost)电路及其 衍生电路为主；DC/DC环节将所述设定幅值的直流高压变换为通信设备所需的直流电压， 如48V、24V等，拓扑电路以LLC电路为主。在这种结构配置中，PFC环节输出的设定幅值直 流高压叠加有2倍输入交流电压频率的纹波，当后级DC/DC环节功率电路为LLC等脉冲频 率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM)控制的拓扑电路，便会直接产生抖频效应，从 而缓解整个电源系统的EMI问题。
[0004] 然而，在上述配置结构的输入电压为交流电压时，由于输出的纹波分量的幅度与 负载的大小成正比，因此在Boost电路负载较轻时，输出的纹波分量的幅度也较小，后级的 抖频效应也不明显，电源系统的EMI性能可能仍然不够理想；如果上述结构配置的输入电 压变为直流电压，Boost电路输出的电压信号中输入交流电压2倍频率的纹波分量消失，后 级LLC拓扑电路的抖频效应无法得到充分的发挥，电源系统的EMI性能更加会恶化。


【发明内容】

[0005] 本发明实施例提供一种升压电路及其信号输出方法，以避免在Boost电路中输入 量为交流时且负载较轻时，EMI性能仍然不够理想，以及在Boost电路中输入量为直流时， 电源系统的EMI性能恶化的问题。
[0006] -种升压电路，所述升压电路包括：升压模块、升压控制模块、纹波信号产生模块 和电压给定信号产生模块；其中，升压模块包括依次串联于电源的正极与电路输出端的正 极之间的电感和二极管，还包括一个开关管和一个输出滤波电容，所述开关管的漏极连接 于电感和二极管的阳极之间，源极连接于电源的负极和电路输出端的负极之间，所述输出 滤波电容连接于二极管的阴极和开关管的源极之间；
[0007] 所述电压给定信号产生模块，与升压控制模块相连，用于产生并输出电压给定信 号至升压控制模块；
[0008] 所述纹波信号产生模块，与升压控制模块相连，用于产生并输出纹波信号至升压 控制|吴块；
[0009] 所述升压控制模块，连接在升压模块的开关管的栅极和源极之间，用于对升压模 块的电感电流信号和输出的电压信号进行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采样得到 电压信号和电感电流信号产生驱动脉冲信号；
[0010] 所述升压模块，用于在所述驱动脉冲信号的控制下，完成对电源产生的电压信号 的升压变化并提供具有纹波分量的直流电压信号输出。
[0011] -种信号输出方法，所述信号输出方法包括：
[0012] 分别产生并输出电压给定信号和纹波信号；
[0013] 对电感电流和输出的电压信号进行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采样得 到的电压信号和电感电流信号产生驱动脉冲信号；
[0014] 在所述驱动脉冲信号的控制下，完成对电源产生的电压信号的升压变化并提供具 有纹波分量的直流电压信号输出。
[0015] 在本发明实施例的方案中，由于新增了纹波信号产生模块，并且升压控制模块根 据纹波信号产生模块产生的纹波信号以及电压给定信号、对升压模块的电感电流和输出的 电压信号进行采样得到的电感电流信号和输出的电压信号产生驱动脉冲信号，使得升压模 块在完成对电源产生的电压信号的升压变化同时能输出具有纹波分量的直流电压信号，这 就使得后级的DC/DC环节因输入自身的直流电压信号具有纹波分量而能直接产生抖频效 应，缓解了整个电源系统的EMI问题。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 图1为本发明实施例一中的升压电路的结构示意图；
[0017] 图2为本发明实施例一中的升压模块的电路图；
[0018] 图3为本发明实施例一中的升压控制模块的结构示意图；
[0019] 图4为本发明实施例一中的升压电路的结构示意图；
[0020] 图5为本发明实施例一中的实现图4所示的升压电路结构的升压电路图；
[0021] 图6为本发明实施例一中的对图4所示的升压电路结构进行软件控制的控制框 图；
[0022] 图7为本发明实施例一中的另一升压电路结构示意图；
[0023] 图8为本发明实施例一中的实现图6所示的升压电路结构的升压电路图；
[0024] 图9为本发明实施例一中的对图7所示的升压电路结构进行软件控制的控制框 图；
[0025] 图10为本发明实施例一中的另一升压电路的结构示意图；
[0026] 图11为本发明实施例一中的实现图10所示的升压电路结构的升压电路图；
[0027] 图12为本发明实施例一中的对图10所示的升压电路进行软件控制的控制框图；
[0028] 图13为本发明实施例一中的电压给定信号叠加交流纹波信号的流程图；
[0029] 图14为现有技术中的升压电路图；
[0030] 图15为现有技术中各个节点的电压波形图；
[0031] 图16为本发明实施例一中的升压电路的各个节点的电压波形图；
[0032] 图17为本发明实施例二中的信号输出方法流程图；
[0033] 图18为本发明实施例二中的第一种产生驱动脉冲信号的方法的流程图；
[0034] 图19为本发明实施例二中的第二种产生驱动脉冲信号的方法的流程图；
[0035] 图20为本发明实施例二中的第三种产生驱动脉冲信号的方法的流程图。

【具体实施方式】
[0036] 下面结合具体实施例详细描述本发明方案。
[0037] 实施例一
[0038] 如图1所示，其为本发明实施例一中的升压电路结构示意图，所述升压电路包括： 纹波信号产生模块11、电压给定信号产生模块12、升压控制模块13、升压模块14 ;
[0039] 其中，升压模块14包括依次串联于电源的正极与电路输出端的正极之间的电感 和二极管，还包括一个开关管和一个输出滤波电容，所述开关管的漏极连接于电感和二极 管的阳极之间，源极连接于电源的负极和电路输出端的负极之间，所述输出滤波电容连接 于二极管的阴极和开关管的源极之间；
[0040] 所述纹波信号产生模块11，与升压控制模块相连，用于产生并输出纹波信号至升 压控制模块13 ;
[0041] 所述电压给定信号产生模块12,与升压控制模块相连，用于产生并输出电压给定 信号至升压控制模块13 ;
[0042] 所述升压控制模块13,连接在升压模块的开关管的栅极和源极之间，用于对升压 模块14的电感电流信号和输出的电压信号进行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采 样得到电压信号和电感电流信号产生驱动脉冲信号；
[0043] 所述升压模块14,用于在所述驱动脉冲信号的控制下，完成对电源产生的电压信 号的升压变化并提供具有纹波分量的直流电压信号输出。
[0044] 需要说明的是，输入所述升压模块14的电压信号可以为直流电压信号，也可以为 交流电压信号，在输入的为交流电压信号时，需使用整流器对该交流电压信号进行整流，此 时，升压模块14用于在所述驱动脉冲信号的控制下，使自身产生的电感电流信号的波形跟 随整流后的电压信号的波形，完成功率因数校正并提供具有纹波分量的直流电压信号输 出。在本发明的以下实施例中，以输入升压电路的信号为直流信号为例对本发明的方案进 行详细地说明。
[0045] 具体的，上述升压模块的具体电路图可以为图2所示，在图2中，升压模块包括：电 源Vin、输入滤波电容Cin、电感L、二极管D1、开关管Q1、输出滤波电容C1和负载I^ ad ;其 中对开关管Q1的栅极施加驱动脉冲信号，即可实现对该升压模块进行控制，完成对输入电 压信号的升压变化并提供直流电压信号输出，升压控制模块对升压模块的控制即是通过对 开关管Q1的控制来实现的。
[0046] 在本发明实施例一的方案中，由于新增了纹波信号产生模块，并且升压控制模块 根据纹波信号产生模块产生的纹波信号以及电压给定信号、采样得到电压信号和电感电流 信号产生驱动脉冲信号，使得升压模块在完成对输入电压信号的升压变化的同时能输出具 有纹波分量的直流电压信号，这就使得后级的DC/DC环节因输入自身的直流电压信号具有 纹波分量而能直接产生抖频效应，缓解了整个电源系统的EMI问题。
[0047] 进一步的，所述升压控制模块13的结构示意图如图3所示，包括：电压采样单元 21、电流采样单元22、电压误差补偿单元23、电流误差补偿单元24和脉冲宽度调制（Pulse Wide Modulation) PWM 单兀 25 ;
[0048] 具体可以利用以下三种方式实现升压控制模块13的对升压模块14的电感电流信 号和输出的电压信号进行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采样得到电压信号和电感 电流信号产生驱动脉冲信号的功能。
[0049] 第一种方式下的升压电路结构示意图如图4所示，其中：
[0050] 所述电压采样单元21，用于对升压模块14输出的直流电压信号进行采样；
[0051] 所述电流采样单元22,用于对升压模块的电感电流信号进行采样，电感电流信号 即为流经升压模块中的电感L的电流；
[0052] 所述电压误差补偿单元23，用于将纹波信号与采样得到的直流电压信号相加后再 与电压给定信号比较得到电压误差信号，并将得到电压误差信号进行补偿并转换得到参考 电流信号；
[0053] 所述电流误差补偿单元24,用于将电压误差补偿单元输出的参考电流信号与电流 采样单元得到的电感电流信号比较，得到电流误差信号，并将该电流误差信号补偿后输出 至PWM单元；
[0054] 所述PWM单元25，用于对输入自身的三角波信号与补偿后的电流误差信号进行比 较，根据比较结果生成驱动脉冲信号。
[0055] 具体的，可以用硬件实现图4所示的升压电路的结构，也可以用软件来实现图4 所示的升压电路中的升压控制模块中的功能，用硬件实现时，电路的具体结构示意图如图5 所示，用软件实现时，对图4所示的升压电路结构进行软件控制的控制框图如图6所示。
[0056] 在图5中，与上述图2中相同的部分构成升压模块；
[0057] 纹波信号产生模块11包括第六电阻R6和正弦波信号产生器VSin ;
[0058] 电压给定产生模块12包括电压给定产生器Vset和第六电阻R7 ;
[0059] 其中，在正弦波信号产生器VSin产生的电压信号和VSin电压给定产生器Vset产 生的电压Vset -定时，A点的电压可通过对R6、R7电阻值的调整进行改变，具体A点的电

【权利要求】
1. 一种升压电路，其特征在于，所述升压电路包括：升压模块、升压控制模块、纹波信 号产生模块和电压给定信号产生模块；其中，升压模块包括依次串联于电源的正极与电路 输出端的正极之间的电感和二极管，还包括一个开关管和一个输出滤波电容，所述开关管 的漏极连接于电感和二极管的阳极之间，源极连接于电源的负极和电路输出端的负极之 间，所述输出滤波电容连接于二极管的阴极和开关管的源极之间； 所述电压给定信号产生模块，与升压控制模块相连，用于产生并输出电压给定信号至 升压控制模块； 所述纹波信号产生模块，与升压控制模块相连，用于产生并输出纹波信号至升压控制 模块； 所述升压控制模块，连接在升压模块的开关管的栅极和源极之间，用于对升压模块的 电感电流信号和输出的电压信号进行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采样得到电压 信号和电感电流信号产生驱动脉冲信号； 所述升压模块，用于在所述驱动脉冲信号的控制下，完成对电源产生的电压信号的升 压变化并提供具有纹波分量的直流电压信号输出。
2. 如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述升压控制模块包括：电压采样单 元、电流采样单元、电压误差补偿单元、电流误差补偿单元和脉冲宽度调制PWM单元； 所述电压采样单元，用于对升压模块输出的直流电压信号进行采样； 所述电流采样单元，用于对升压模块的电感电流信号进行采样； 所述电压误差补偿单元，用于将纹波信号与采样得到的直流电压信号相加后再与电压 给定信号比较得到电压误差信号，并将得到电压误差信号进行补偿并转换得到参考电流信 号； 所述电流误差补偿单元，用于将电压误差补偿单元输出的参考电流信号与电流采样单 元得到的电感电流信号比较，得到电流误差信号，并将该电流误差信号补偿后输出至PWM 单元； 所述PWM单元，用于对输入自身的三角波信号与补偿后的电流误差信号进行比较，根 据比较结果生成驱动脉冲信号。
3. 如权利要求2所述的升压电路，其特征在于，所述升压控制模块包括：电压采样单 元、电流采样单元、电压误差补偿单元、电流误差补偿单元和脉冲宽度调制PWM单元； 所述电压采样单元，用于对升压模块输出的直流电压信号进行采样； 所述电流采样单元，用于对升压模块的电感电流信号进行采样； 所述电压误差补偿单元，用于将采样得到的直流电压信号与电压给定信号比较得到电 压误差信号，并将得到电压误差信号进行补偿并转换得到参考电流信号； 所述电流误差补偿单元，用于将电压误差补偿单元输出的参考电流信号与电流采样单 元得到的电感电流信号比较后再加上纹波信号，得到电流误差信号，并将该电流误差信号 补偿后输出至PWM单元； 所述PWM单元，用于对输入自身的三角波信号与补偿后的电流误差信号进行比较，根 据比较结果生成驱动脉冲信号。
4. 如权利要求2所述的升压电路，其特征在于，所述升压控制模块包括：电压采样单 元、电流采样单元、电压误差补偿单元、电流误差补偿单元和脉冲宽度调制PWM单元； 所述电压采样单元，用于对升压模块输出的直流电压信号进行采样； 所述电流采样单元，用于对升压模块的电感电流信号进行采样； 所述电压误差补偿单元，用于将采样得到的直流电压信号与电压给定信号比较得到电 压误差信号，并将得到电压误差信号进行补偿并转换得到参考电流信号； 所述电流误差补偿单元，用于将电压误差补偿单元输出的参考电流信号与电流采样单 元得到的电感电流信号比较，得到电流误差信号，并将该电流误差信号补偿后输出至PWM 单元； 所述PWM单元，用于对将纹波信号与补偿后的电流误差信号相加，得到具有纹波分量 的电流误差信号，并将具有纹波分量的电流误差信号与输入自身的三角波信号与进行比 较，根据比较结果生成驱动脉冲信号。
5. 如权利要求2所述的升压电路，其特征在于，所述电压采样单元包括第一电阻和第 二电阻，所述第一电阻的一端与电路输出端相连，另一端与第二电阻的一端相连，第二电阻 的另一端接地； 所述电流采样单元包括第三电阻，所述第三电阻的一端与开关管的源极相连，另一端 与电源的负极相连； 所述电压误差补偿单元包括电压放大运算器，其同相输入端与纹波信号产生模块的输 出端和电压给定信号产生模块的输出端相连，其反相输入端与位于第一电阻和第二电阻之 间的串联节点相连，其输出端与电流放大运算器的同相输入端相连； 所述电流误差补偿单元包括电流放大运算器，其反相输入端与开关管的源极相连，其 输出端与电压比较运算器相连； 所述PWM单元包括电压比较运算器和三角信号发生器，所述电压比较运算器的反相输 入端与所述三角信号发生器相连，所述电压比较运算器的输出端与开关管的栅极相连。
6. 如权利要求3所述的升压电路，其特征在于，所述电压采样单元包括第一电阻和第 二电阻，所述第一电阻的一端与电路输出端相连，另一端与第二电阻的一端相连，第二电阻 的另一端接地； 所述电流采样单元包括第三电阻，所述第三电阻的一端与开关管的源极相连，另一端 与电源的负极相连； 所述电压误差补偿单元包括电压放大运算器，其同相输入端与电压给定信号产生模块 的输出端相连，其反相输入端与位于第一电阻和第二电阻之间的串联节点相连，其输出端 与电流放大运算器的同相输入端相连； 所述电流误差补偿单元包括电流放大运算器，其同相输入端与纹波信号产生模块的输 出端相连，其反相输入端与开关管的源极相连，其输出端与电压比较运算器相连； 所述PWM单元包括电压比较运算器和三角信号发生器，所述电压比较运算器的反相输 入端与所述三角信号发生器相连，所述电压比较运算器的输出端与开关管的栅极相连。
7. 如权利要求4所述的升压电路，其特征在于，所述电压采样单元包括第一电阻和第 二电阻，所述第一电阻的一端与电路输出端相连，另一端与第二电阻的一端相连，第二电阻 的另一端接地； 所述电流采样单元包括第三电阻，所述第三电阻的一端与开关管的源极相连，另一端 与电源的负极相连； 所述电压误差补偿单元包括电压放大运算器，其同相输入端与电压给定信号产生模块 的输出端相连，其反相输入端与位于第一电阻和第二电阻之间的串联节点相连，其输出端 与电流放大运算器的同相输入端相连； 所述电流误差补偿单元包括电流放大运算器，其反相输入端与开关管的源极相连，其 输出端与电压比较运算器相连； 所述PWM单元包括电压比较运算器和三角信号发生器，所述电压比较运算器的同相输 入端与纹波信号产生模块的输出端相连，反相输入端与所述三角信号发生器相连，输出端 与开关管的栅极相连。
8. 如权利要求1所述的升压电路，其特征在于，所述纹波信号产生模块包括：正弦波发 生器、余弦波发生器、三角波发生器、锯齿波发生器或馒头波发生器。
9. 一种用于权利要求1所述的升压电路的信号输出方法，其特征在于，所述信号输出 方法包括： 分别产生并输出电压给定信号和纹波信号； 对电感电流和输出的电压信号进行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采样得到的 电压信号和电感电流信号产生驱动脉冲信号； 在所述驱动脉冲信号的控制下，完成对电源产生的电压信号的升压变化并提供具有纹 波分量的直流电压信号输出。
10. 如权利要求9所述的信号输出方法，其特征在于，对电感电流和输出的电压信号进 行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采样得到的电压信号和电感电流信号产生驱动脉 冲信号，具体包括： 将纹波信号与采样得到的直流电压信号相加后再与电压给定信号比较得到电压误差 信号，并将得到电压误差信号进行补偿并转换得到参考电流信号； 将参考电流信号与电感电流信号比较，得到电流误差信号，并将该电流误差信号进行 补偿，得到补偿后的电流误差信号； 将三角波信号与补偿后的电流误差信号进行比较，根据比较结果生成驱动脉冲信号。
11. 如权利要求9所述的信号输出方法，其特征在于，对电感电流和输出的电压信号进 行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采样得到的电压信号和电感电流信号产生驱动脉 冲信号，具体包括： 将采样得到的直流电压信号与电压给定信号比较得到电压误差信号，并将得到电压误 差信号进行补偿并转换得到参考电流信号； 将参考电流信号与采样得到的电感电流信号比较后再加上纹波信号，得到电流误差信 号，并将该电流误差信号补偿得到补偿后的电流误差信号； 将三角波信号与补偿后的电流误差信号进行比较，根据比较结果生成驱动脉冲信号。
12. 如权利要求9所述的信号输出方法，其特征在于，对电感电流和输出的电压信号进 行采样，并根据纹波信号、电压给定信号、采样得到的电压信号和电感电流信号产生驱动脉 冲信号，具体包括： 将采样得到的直流电压信号与电压给定信号比较得到电压误差信号，并将得到电压误 差信号进行补偿并转换得到参考电流信号； 将参考电流信号与采样得到的电感电流信号比较，得到电流误差信号，将该电流误差 信号补偿后得到补偿后的电流误差信号； 对将纹波信号与补偿后的电流误差信号相加，得到具有纹波分量的电流误差信号，以 及将具有纹波分量的电流误差信号与三角波信号与进行比较，根据比较结果生成驱动脉冲 信号。
13.如权利要求9所述的信号输出方法，其特征在于，所述纹波信号的幅值小于等于电 压给定信号幅值的20%，频率小于等于1000HZ。
【文档编号】H02M1/44GK104124869SQ201310155700
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】刘兆元 申请人:艾默生网络能源系统北美公司