專利名稱：改進的開關(guān)電源脈沖寬度調(diào)制技術(shù)及其實現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電源設(shè)備，尤其是開關(guān)電源脈沖寬度調(diào)制技術(shù)及 其實現(xiàn)裝置制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
開關(guān)電源是在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等 領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種電力電子裝置。它具有電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、 重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點，在小功率范圍內(nèi)基本上取代了線 性調(diào)整電源，并迅速向中大功率范圍推進，在很大程度上取代了晶閘管相 近整流電源?？梢哉f，開關(guān)電源技術(shù)是目前中小功率直流電能變換裝置的 主流技術(shù)。開關(guān)電源主要由功率變換器和控制器兩部分構(gòu)成。功率變換器 又稱為功率電路，主要包括開關(guān)裝置、變壓器裝置和整流濾波電路。常見
的功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)有Buck降壓變換器、Boost升壓變換器、Buck-Boost 升降壓變換器、正激變換器、反激變換器等。控制器能夠檢測功率變換電 路輸出電壓或電路其它狀態(tài)，并據(jù)此產(chǎn)生相應(yīng)開關(guān)信號控制功率變換電路 開關(guān)裝置的工作，從而調(diào)節(jié)開關(guān)電源的輸出以得到期望的輸出值?？刂破?的結(jié)構(gòu)和工作原理由開關(guān)電源所采用的控制方法決定。對于同一功率電路 拓撲，采用不同的控制方法會對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度及動態(tài)性能等方面產(chǎn)生影 響，因而控制方法的研究顯得日益重要。傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(P麗)技術(shù)是很為廣泛采用的一種開關(guān)電源調(diào)制 技術(shù)，它能滿足一般控制要求。其控制思想是用誤差放大器對開關(guān)電源 的輸出電壓和基準電壓進行比較獲得誤差信號，再由比較器對該誤差信號 與鋸齒波信號進行比較獲得脈寬信號，以控制開關(guān)裝置的導(dǎo)通、關(guān)斷，使 輸出電壓達到期望值。當輸入電壓或負載出現(xiàn)波動時，由于誤差放大器放 大系數(shù)有限以及補償網(wǎng)絡(luò)的存在，導(dǎo)致誤差信號變化相對緩慢，因而脈沖 寬度的變化也較為緩慢，這使得開關(guān)電源的動態(tài)響應(yīng)速度較慢。因而隨著 某些應(yīng)用場合對于開關(guān)電源在瞬態(tài)響應(yīng)速度方面性能要求的提高，脈沖寬 度調(diào)制技術(shù)已很難滿足這一要求，這就迫切的需要采用新的控制方法來提 升開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)速度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進的開關(guān)電源脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，以改善 開關(guān)電源在瞬態(tài)響應(yīng)方面的性能。
本發(fā)明為解決其技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案是根據(jù)開關(guān)電源輸出 電壓與基準電壓產(chǎn)生的誤差信號，再由比較器對該誤差信號相關(guān)的電壓信 號與載波信號進行比較得到控制信號，以實現(xiàn)對開關(guān)電源的控制，其特征 在于，設(shè)置電壓區(qū)間判斷器，對所述誤差信號的電壓區(qū)間進行判斷，根據(jù) 誤差信號所處區(qū)間的不同，選擇不同的電壓信號在比較器中與載波進行比 較，其比較輸出作為驅(qū)動信號，用以控制主功率開關(guān)管工作調(diào)節(jié)開關(guān)電源 輸出電壓。
本發(fā)明的另一目的是提供一種實現(xiàn)以上開關(guān)電源脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的 裝置，采用電壓檢測裝置、誤差放大器、模擬多路選擇器、比較器及驅(qū) 動電路順序連接；電壓區(qū)間判斷器輸入端與誤差放大器的輸出端相連，其 輸出端與模擬多路選擇器相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有的脈沖寬度調(diào)制技術(shù) 相比，采用本發(fā)明的開關(guān)電源在輸入電壓或負載發(fā)生改變時，控制器能夠 立即調(diào)節(jié)開關(guān)裝置動作，使開關(guān)電源迅速達到穩(wěn)態(tài)，大大提升了開關(guān)電源 的瞬態(tài)響應(yīng)速度。
圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)實現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明實施例一的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明控制器中模擬多路選擇器輸出與誤差信號關(guān)系示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例一和傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)制的開關(guān)電源在輸入電壓
突變時輸出電壓仿真波形圖。(a)輸入電壓波形(b)為傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)
制的開關(guān)電源在輸入電壓突變時的輸出電壓；(c)為本發(fā)明實施例一的開
關(guān)電源在輸入電壓突變時的輸出電壓。
圖5為本發(fā)明實施例一和傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)制的開關(guān)電源在輸入電壓
突變時輸出電壓仿真波形圖。(a)負載電流波形(b)為傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)
制的開關(guān)電源在負載突變時的輸出電壓；(c)為本發(fā)明實施例一的開關(guān)電
源在負載突變時的輸出電壓。
圖6為本發(fā)明實施例二的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。 實施例一
圖1示出，本發(fā)明的具體實施方式
為 一種改進的開關(guān)電源脈沖寬度
調(diào)制技術(shù)，其控制器(Controller)主要由電壓檢測裝置VD、誤差放大器 EA、模擬多路選擇器AM、電壓區(qū)間判斷器VIJ、比較器COM及驅(qū)動電路DC組成。功率變換器PTD輸出電壓經(jīng)電壓檢測裝置VD后與基準電壓相比較， 然后經(jīng)誤差放大器EA及補償網(wǎng)絡(luò)CN后得到誤差信號；電壓區(qū)間判斷器VIJ 根據(jù)誤差信號電壓的大小，產(chǎn)生相應(yīng)的信號去控制模擬多路選擇器AM工作; 模擬多路選擇器AM根據(jù)電壓區(qū)間判斷器VIJ生成的控制信號選擇相應(yīng)的電 壓信號作為輸出，然后與載波信號CS進行比較得到最終的控制脈沖；最后， 控制脈沖經(jīng)驅(qū)動電路DC后用于控制功率變換器PTD的開關(guān)裝置，由此得到 期望的穩(wěn)定輸出電壓。
圖2給出了本發(fā)明在Buck變換器中的應(yīng)用。輸出電壓(F。)與基準電壓 (r^)經(jīng)誤差放大器EA及補償網(wǎng)絡(luò)CN后得到誤差信號(pg ，電壓區(qū)間判斷 器VIJ根據(jù)誤差信號電壓大小產(chǎn)生相應(yīng)的信號來控制模擬多路選擇器AM工 作。圖3示出了模擬多路選擇器AM輸出與誤差信號關(guān)系示意圖。電壓區(qū)間 判斷器VIJ將電壓分為三個區(qū)間，即電壓小于K的區(qū)間、電壓大于F+的區(qū) 間以及電壓區(qū)間(F.， F+)。當誤差信號處于電壓區(qū)間(K， K+)時，電壓區(qū)間 判斷器VIJ控制模擬多路選擇器AM選擇誤差信號作為其輸出(K);當誤差 信號小于F.時，控制器選擇事先設(shè)定好的固定電壓^作為其輸出；而當誤 差信號大于h時，模擬多路選擇器AM的輸出則為K及K的關(guān)系可以 很清晰的通過式(l)來表示
KK < K
^ (1)
這一關(guān)系的實現(xiàn)則通過電壓區(qū)間判斷器VIJ及模擬多路選擇器AM來完 成。Ke再和載波信號CS進行比較得到最終的控制脈沖，控制脈沖再通過驅(qū) 動電路DC控制主功率開關(guān)管的工作，調(diào)節(jié)開關(guān)電源輸出以維持恒定。當輸入電壓或負載出現(xiàn)變化時，會引起誤差信號的相應(yīng)變化。 一旦誤差信號偏
離區(qū)間(K-， K+)，模擬多路選擇器AM將指定一電壓做為新的控制信號與載 波信號相比較，從而引起驅(qū)動脈沖占空比的較大變化來獲得快的動態(tài)響應(yīng) 速度。若PV恒等于K，則控制方式即為傳統(tǒng)的電壓型脈沖寬度調(diào)制技術(shù)， 這也是本發(fā)明與傳統(tǒng)電壓型脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的唯一區(qū)別，也正是由于對 誤差信號進行了處理，從而改善了開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)速度。因而K-和^ 的差值不宜較大，否則動態(tài)響應(yīng)速度將得不到明顯的提升。另外，^及Fh 的值應(yīng)根據(jù)載波信號的最小及最大值來進行選取，K及F^的值分別決定了 最小及最大占空比。 仿真結(jié)果分析.-
圖4為采用Pspice軟件對分別采用傳統(tǒng)電壓型脈沖寬度調(diào)制技術(shù)及本 發(fā)明方法的Buck變換器在輸入電壓突變時的輸出電壓波形，圖4分圖(a)、 (b)、 (c)的橫軸均為時間(ms),縱軸均為電壓(V)。在圖4中可以看出， 當輸入電壓突變時，采用本發(fā)明的Buck變換器具有更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度， 輸出電壓波動小，且很快進行新的穩(wěn)態(tài)。仿真條件輸出電壓R=^/=6V， 電感加5. 6uH，電容(^1000uF，負載v^5Q，開關(guān)周期為27us。
圖5為采用傳統(tǒng)電壓型P麗調(diào)制和本發(fā)明的開關(guān)電源在負載出現(xiàn)突變 情況下的輸出電壓動態(tài)響應(yīng)時域仿真波形圖，分圖(a)為負載電流，(b) 和(c)分別對應(yīng)采用傳統(tǒng)電壓型脈沖寬度調(diào)制和本發(fā)明的輸出電壓，橫軸 均為時間(ms)， (a)縱橫為電流(A)， (b)禾n (c)縱軸均為電壓(V)。圖 5中，在17ms時負載電流由1. 2A階躍變化至3. 2A，而在19ms時負載電流 由3.2A突變至1.2A，即模擬瞬間加載及減載過程。圖由可見，當開關(guān)電源突然加載或減載時，對于傳統(tǒng)電壓型P麗調(diào)制，系統(tǒng)響應(yīng)時間長，并且會
產(chǎn)生較高的的電壓偏移量；而采用本發(fā)明的開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)速度很快， 系統(tǒng)立即進入新的穩(wěn)態(tài)。由此可見采用本發(fā)明的開關(guān)電源具有很好的負載 動態(tài)特性。仿真條件輸出電壓^=14V， R-^尸6V，電感^5.6uH，電容 OlOOGuF，開關(guān)周期為27us。 實施例二
圖6示出，本例與實施例一相比，功率變換器為反激變換器，控制裝 置與實施例一相同。同樣通過仿真證明，采用本發(fā)明的反激變換器的輸出 電壓穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)速度快。
本發(fā)明除了可用于控制上述實施例中的兩種功率變換器外，也可用于 Boost變換器、Buck-boost變換器、正激變換器、半橋變換器、全橋變換
器等功率電路組成的開關(guān)電源。
權(quán)利要求
1、改進的電源脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，根據(jù)開關(guān)電源輸出電壓與基準電壓產(chǎn)生的誤差信號，再由比較器對該誤差信號相關(guān)的電壓信號與載波信號進行比較得到控制信號，以實現(xiàn)對開關(guān)電源的控制，其特征在于，設(shè)置電壓區(qū)間判斷器，對所述誤差信號的電壓區(qū)間進行判斷，根據(jù)誤差信號所處區(qū)間的不同，選擇不同的電壓信號在比較器中與載波進行比較，其比較輸出作為驅(qū)動信號，用以控制主功率開關(guān)管工作調(diào)節(jié)開關(guān)電源輸出電壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改進的電源脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其特征在于， 電壓區(qū)間判斷器對誤差信號進行判斷，當誤差信號處于電壓區(qū)間(F.， F+)， 電壓區(qū)間判斷器控制模擬多路選擇器選擇誤差信號與載波信號進行比較；當誤 差信號小于K時，電壓區(qū)間判斷器控制模擬多路選擇器選擇^與載波信號相比較；而當誤差信號大于F+時，多路模擬選擇器將選擇^/作為其輸出。
3、 一種實現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述的改進的開關(guān)電源脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的裝置，由電壓檢測裝置、誤差放大器、模擬多路選擇器、電壓區(qū)間判斷器、比 較器及驅(qū)動電路組成；其特征在于電壓檢測裝置、誤差放大器、模擬多路選 擇器、比較器及驅(qū)動電路順序連接；電壓區(qū)間判斷器輸入端與誤差放大器的輸 出端相連，其輸出端與模擬多路選擇器相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進的開關(guān)電源脈沖寬度調(diào)制技術(shù)及其實現(xiàn)裝置，根據(jù)開關(guān)電源輸出電壓與基準電壓產(chǎn)生的誤差信號，再由比較器對該誤差信號相關(guān)的電壓信號與載波信號進行比較得到控制信號，以實現(xiàn)對開關(guān)電源的控制，其特征在于，設(shè)置電壓區(qū)間判斷器，對所述誤差信號的電壓區(qū)間進行判斷，根據(jù)誤差信號所處區(qū)間的不同，選擇不同的電壓信號在比較器中與載波進行比較，其比較輸出作為驅(qū)動信號，用以控制主功率開關(guān)管工作調(diào)節(jié)開關(guān)電源輸出電壓。該發(fā)明可用于控制多種拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源，其突出優(yōu)點是采用這種控制方案的開關(guān)電源具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)速度。
文檔編號H02M3/145GK101546958SQ20091005915
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者周國華, 王金平, 明 秦, 許建平 申請人:西南交通大學