專利名稱：開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及開關(guān)電源的控制裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，開關(guān)電源成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域 工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)，微處理器、通訊設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、醫(yī)療器械、電動(dòng)車輛等都 廣泛采用高性能直流開關(guān)電源作為其供電設(shè)備。開關(guān)電源系統(tǒng)一般由功率主電路和控制電路組成。功率主電路(即開關(guān)變換器) 主要包括開關(guān)管、整流濾波電路、隔離變壓器等；開關(guān)變換器的拓?fù)漕愋陀蠦uck、Boost、 Flyback、Full-Bridge等。控制電路(即控制器)用于檢測(cè)功率主電路的工作狀態(tài)，并產(chǎn) 生控制脈沖信號(hào)控制開關(guān)管，調(diào)節(jié)傳遞給負(fù)載的電量以保證輸出穩(wěn)定?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)和工 作原理由電源系統(tǒng)所采用的控制方法決定。目前，開關(guān)變換器電路部分經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已日 趨成熟，控制方法和與控制方法相關(guān)的控制電路則成為影響電源性能的關(guān)鍵。高性能微處理器、超大規(guī)模集成電路等用電設(shè)備對(duì)開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)能力提出 了越來(lái)越高的要求，電壓型、電流型等傳統(tǒng)的控制技術(shù)由于控制環(huán)路中存在補(bǔ)償延遲環(huán)節(jié)， 瞬態(tài)性能難以進(jìn)一步提高。滯環(huán)控制是一種將變換器輸出電壓V。限制在以基準(zhǔn)電壓Vref 為中心的滯環(huán)內(nèi)的電源控制方法，其控制原理是當(dāng)輸出電壓V。在某時(shí)刻下降到滯環(huán)下限 Vl(Vl < Vref)時(shí)，控制開關(guān)管導(dǎo)通，電感充電，輸出電壓上升；當(dāng)輸出電壓V。上升至滯環(huán)上限 Vh(VH > Vref)時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，電感放電，輸出電壓下降，這一狀態(tài)將保持到輸出電壓再次下 降到滯環(huán)下限，隨后開始下一個(gè)開關(guān)周期。滯環(huán)控制電路中沒有延遲環(huán)節(jié)，因此具有很快的 瞬態(tài)響應(yīng)速度。但是，滯環(huán)控制屬于變頻控制方法，變換器的工作狀態(tài)會(huì)影響開關(guān)頻率，這 會(huì)給變換器濾波電路設(shè)計(jì)、EMI抑制等方面帶來(lái)困難。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了新的控制方法。開關(guān)電源的單環(huán)定頻滯環(huán)控制方法，由變換器TD和控制器組成的控制裝置實(shí)現(xiàn) 單環(huán)定頻滯環(huán)控制，控制器包括電壓檢測(cè)電路VCC、比較器Ac、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG、觸發(fā)器 FF、驅(qū)動(dòng)電路DR ；其控制方法包括在某一個(gè)開關(guān)周期起始的、時(shí)刻，開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)變換器輸出電壓V。上升；當(dāng)V。 上升至基準(zhǔn)電壓時(shí)，開關(guān)管繼續(xù)保持開通狀態(tài)；當(dāng)V。上升至Vm+^吋(Ve為預(yù)設(shè)的固定 電壓值，Ve > 0)，開關(guān)管關(guān)斷，V0隨之下降；隨后，在、+Τ時(shí)刻，再次開通開關(guān)管，變換器進(jìn) 入下一個(gè)開關(guān)周期進(jìn)行工作。顯然，上面所述的控制方法(為敘述便利我們稱之第一種具體作法)中，控制器控 制變換器輸出電壓紋波的峰值。與之對(duì)稱的是，當(dāng)控制器控制變換器輸出電壓紋波的谷值 時(shí)，采用的方法與以上所述方法具有對(duì)等的邏輯順序，其具體的控制方法(稱之第二種具 體作法)可表達(dá)為在某一個(gè)開關(guān)周期起始的、時(shí)刻，開關(guān)管關(guān)斷，開關(guān)變換器輸出電壓V。下降；當(dāng)V。 下降至基準(zhǔn)電壓vMf時(shí)，開關(guān)管繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)V0下降至vref-vE時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，V0隨之上升；隨后，在、+Τ時(shí)刻，再次關(guān)斷開關(guān)管，變換器進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期進(jìn)行工作。如上的第一種和第二種具體作法分別通過(guò)控制變換器輸出電壓紋波在每個(gè)開關(guān) 周期內(nèi)的峰值或谷值實(shí)現(xiàn)控制。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為以上的控制方法提供一種開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制裝 置，使之具有變換器開關(guān)頻率固定，瞬態(tài)性能良好，控制電路僅需要檢測(cè)變換器輸出電壓且 不需要補(bǔ)償環(huán)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，適用于各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器。為實(shí)現(xiàn)實(shí)用新型目的，所采用的技術(shù)方案是一種開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制裝置，由變換器TD和控制器組成，控制器包括電 壓檢測(cè)電路VCC、比較器Ac、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG、觸發(fā)器FF、驅(qū)動(dòng)電路DR。電壓檢測(cè)電路 VCC,比較器AC、觸發(fā)器FF、驅(qū)動(dòng)電路DR依次相連；時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG與觸發(fā)器FF相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是一、通過(guò)控制輸出電壓在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的峰值或者谷值實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器的控制。 與已有的開關(guān)變換器滯環(huán)控制方法相比，采用本實(shí)用新型進(jìn)行控制的變換器開關(guān)周期的持 續(xù)時(shí)間為預(yù)設(shè)的固定值，工作頻率不受變換器工作狀態(tài)的影響。因此，該裝置能夠有效解決 傳統(tǒng)滯環(huán)控制技術(shù)存在的濾波電路設(shè)計(jì)和EMI等方面的問題。二、以輸出電壓紋波作為控制系統(tǒng)的反饋量，能夠?qū)⑤敵鲭妷汉碗姼须娏鞯男畔?直接用于對(duì)占空比的調(diào)節(jié)，且控制系統(tǒng)中不包含延遲環(huán)節(jié)。因此，該裝置對(duì)于變換器輸入端 或者負(fù)載端出現(xiàn)的擾動(dòng)能夠迅速做出調(diào)節(jié)，具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)能力。三、簡(jiǎn)便易行，采用非常簡(jiǎn)單的模擬或數(shù)字電路即可將該裝置應(yīng)用于工程領(lǐng)域；控 制環(huán)路中沒有傳統(tǒng)電壓型或電流型控制所需的的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(一般由運(yùn)算放大器及外圍電 路構(gòu)成)，因此控制器易于集成、成本低廉，并且在應(yīng)用時(shí)不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程。該裝置的工作過(guò)程和原理是在每個(gè)開關(guān)周期起始時(shí)刻，時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器發(fā)出一 個(gè)時(shí)鐘脈沖vcp，觸發(fā)器置位輸出高電平，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制開關(guān)管導(dǎo)通，變換器輸出電壓V。 上升；電壓檢測(cè)電路檢測(cè)輸出電壓V。，并將V。電壓信號(hào)輸出至比較器；比較器將V。同預(yù)設(shè) 電壓值Vref+VE比較并輸出至觸發(fā)器，當(dāng)V。小于VMf+VE時(shí)，觸發(fā)器保持狀態(tài)不變，當(dāng)V。上升 至VMf+VE時(shí)，比較器輸出信號(hào)跳變，并使得觸發(fā)器復(fù)位輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷，變換器輸 出電壓V。隨之下降；觸發(fā)器輸出信號(hào)保持為低電平直至下一個(gè)時(shí)鐘脈沖v。P來(lái)臨，隨后控制 器重復(fù)上述工作過(guò)程，變換器進(jìn)入下一開關(guān)周期進(jìn)行工作?？梢?，采用以上控制裝置可以方便可靠地實(shí)現(xiàn)上述第一種具體作法。這種結(jié)構(gòu)的 控制裝置經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改動(dòng)還可以用于上述的第二種具體作法。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例一的信號(hào)流程圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一的電路結(jié)構(gòu)圖。圖3a為本實(shí)用新型實(shí)施例一在穩(wěn)態(tài)條件下某一時(shí)段時(shí)鐘脈沖信號(hào)V。P的時(shí)域仿真 波形圖。[0024]圖3b為與圖3a同一時(shí)段輸出電壓V。的時(shí)域仿真波形圖。圖3c為與圖3a同一時(shí)段控制脈沖信號(hào)Vp的時(shí)域仿真波形圖。圖3仿真條件如下輸入電壓Vin = 15V、輸出電壓基準(zhǔn)值Vref = 8V、電感L = 80 μ H、電容C = 470 μ F、負(fù)載阻值R = 16 Ω、開關(guān)周期T = 50 μ S、預(yù)設(shè)電SVe = 30mV。圖4a為實(shí)施例一在負(fù)載突變(負(fù)載電流在30ms時(shí)刻由0. 08A躍變至1A)時(shí)變換 器負(fù)載電流I。的仿真波形圖。圖4b為與圖4a同一時(shí)段輸出電壓V。的時(shí)域仿真波形圖。圖4c為與圖4a同一時(shí)段電感電流込的時(shí)域仿真波形圖。圖5a為實(shí)施例一在負(fù)載突變(負(fù)載電流在30ms時(shí)刻由0. 08A躍變至1A)時(shí)變換 器輸出電壓V。的仿真波形圖。圖5b為現(xiàn)有的電壓型PWM控制變換器在同樣的負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓V。的仿真 波形圖。圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例二的電路結(jié)構(gòu)框圖。圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例三的電路結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一圖1示出本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，開關(guān)電源的單環(huán)定頻滯環(huán)控制方法， 其具體作法是在每個(gè)開關(guān)周期起始時(shí)刻，時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG發(fā)出一個(gè)時(shí)鐘脈沖VeP，觸發(fā)器FF 置位輸出高電平，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路DR控制變換器TD中的開關(guān)管S導(dǎo)通，變換器輸出電壓V。上 升；電壓檢測(cè)電路VCC檢測(cè)輸出電壓V。，并將V。電壓信號(hào)輸出至比較器AC ；比較器AC將V。 同預(yù)設(shè)電壓值V,ef+Ve比較并輸出至觸發(fā)器FF，當(dāng)V。小于V,ef+VE時(shí)，觸發(fā)器FF保持狀態(tài)不 變，當(dāng)V。上升至V,rf+VE時(shí)，比較器AC輸出信號(hào)跳變，并使得觸發(fā)器FF復(fù)位輸出低電平，開 關(guān)管S關(guān)斷，變換器輸出電壓V。隨之下降；觸發(fā)器輸出信號(hào)保持為低電平直至下一個(gè)時(shí)鐘 脈沖Vep來(lái)臨，隨后控制器重復(fù)上述工作過(guò)程，變換器TD進(jìn)入下一開關(guān)周期進(jìn)行工作。本例對(duì)應(yīng)于上述控制方法的第一種具體作法，控制器控制變換器輸出電壓紋波的 峰值。本例采用以下的裝置，可使上述控制方法得以方便快捷地實(shí)現(xiàn)。圖2示出，本例的 開關(guān)電源控制裝置，由變換器TD和控制器組成，控制器包括電壓檢測(cè)電路VCC、比較器AC、 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG、觸發(fā)器FFjga電路DR。電壓檢測(cè)電路VCC、比較器AC、觸發(fā)器FFjg 動(dòng)電路DR依次相連；時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG與觸發(fā)器FF相連。本例中控制器的具體組成為電壓檢測(cè)電路VCC檢測(cè)變換器輸出端電壓；電壓檢 測(cè)電路VCC的輸出端與比較器AC的正極性端相連；比較器AC輸出端與觸發(fā)器FF的R端相 連(本例中的觸發(fā)器FF為RS觸發(fā)器)；時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG輸出端與觸發(fā)器FF的S端相 連；觸發(fā)器FF的輸出端Q與驅(qū)動(dòng)電路DR相連。本例的裝置其工作過(guò)程和原理是在某個(gè)開關(guān)周期開始前，觸發(fā)器FF的Q端輸出為低電平，變換器TD中的開關(guān)管S 處于關(guān)斷狀態(tài)；隨后控制器進(jìn)入該開關(guān)周期進(jìn)行工作，時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG發(fā)出一個(gè)高電
5平窄脈沖作為時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘脈沖將觸發(fā)器FF置位，即觸發(fā)器FF觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，Q端輸出高電 平；Q端輸出的高電平信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路DR控制開關(guān)管S導(dǎo)通，變換器輸出電壓V。隨之上 升；電壓檢測(cè)電路VCC檢測(cè)輸出電壓V。，并將V。電壓信號(hào)輸出至比較器AC的正極性端；比 較器AC將V。同預(yù)設(shè)電壓值VMf+VE比較并輸出至觸發(fā)器FF的R端；在該開關(guān)周期的開始階 段，輸出電壓V。低于Vref+VE，比較器AC輸出低電平，觸發(fā)器FF保持輸出狀態(tài)不變，開關(guān)管S 持續(xù)導(dǎo)通；當(dāng)輸出電壓V。上升至Vref+Ve時(shí)，比較器AC輸出信號(hào)由低電平跳變?yōu)楦唠娖?；?較器AC輸出的高電平信號(hào)將觸發(fā)器FF復(fù)位，即觸發(fā)器FF觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，Q端輸出低電平；Q端 輸出的低電平信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路DR控制開關(guān)管S關(guān)斷，變換器輸出電壓V。隨之下降；觸發(fā) 器FF的Q端輸出信號(hào)保持為低電平直至下一個(gè)時(shí)鐘脈沖來(lái)臨，隨后控制器重復(fù)上述工作過(guò) 程，變換器TD進(jìn)入下一開關(guān)周期進(jìn)行工作。本例的變換器TD為Buck變換器。用Matlab/Simulink軟件對(duì)本例的方法進(jìn)行時(shí)域仿真分析，結(jié)果如下。圖3為仿真得到的控制裝置的變換器在額定工作狀態(tài)下的工作波形。圖3a、圖3b 和圖3c分別為時(shí)鐘脈沖信號(hào)V。P、輸出電壓V。和控制信號(hào)VP?？梢姡藭r(shí)變換器工作于穩(wěn)定 狀態(tài)，控制信號(hào)頻率決定于固定的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。圖4為實(shí)施例一在負(fù)載突變(負(fù)載電流在30ms時(shí)刻由0. 08A躍變至1A)時(shí)變換器 的瞬態(tài)工作波形。圖4a、圖4b和圖4c分別為負(fù)載電流I。、輸出電壓V。和電感電流込。可 見，變換器在負(fù)載突變后能夠迅速做出響應(yīng)，經(jīng)過(guò)約5個(gè)開關(guān)周期后即可重新恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)， 輸出電壓跌落不明顯。此外，負(fù)載變化后變換器開關(guān)頻率沒有出現(xiàn)變化。故本實(shí)用新型裝 置為一種開關(guān)電源定頻控制。圖5a為實(shí)施例一在負(fù)載突變(負(fù)載電流在30ms時(shí)刻由0. 08A躍變至1A)時(shí)變換 器輸出電壓的仿真波形圖。圖6b為現(xiàn)有的電壓型PWM控制變換器在同樣的負(fù)載變化時(shí)，輸 出電壓的仿真波形圖?？梢姡F(xiàn)有的電壓型PWM控制變換器在擾動(dòng)出現(xiàn)后，經(jīng)過(guò)約2ms后才 能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，輸出電壓跌落量接近200mV ；而同樣的條件下，采用本實(shí)用新型進(jìn)行控制時(shí)， 開關(guān)電源可在0. 5ms以內(nèi)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，輸出電壓跌落量約50mV。故本實(shí)用新型的瞬態(tài)響 應(yīng)能力優(yōu)于傳統(tǒng)的PWM控制。實(shí)施例二圖6示出，本例與實(shí)施例一基本相同，不同之處是實(shí)施例二采用上述控制方法的 第二種具體作法，控制器控制變換器輸出電壓紋波的谷值。因此與實(shí)施例一相比，實(shí)施例二 中的控制器結(jié)構(gòu)有以下不同之處電壓檢測(cè)電路VCC的輸出端與比較器AC的負(fù)極性端相 連；比較器AC輸出端與觸發(fā)器FF的S端相連；時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG輸出端與觸發(fā)器FF的 R端相連。本例控制的開關(guān)電源的變換器TD為Boost變換器，如圖6所示。實(shí)施例三圖7示出，本例與實(shí)施例一基本相同，不同之處是本例控制的開關(guān)電源的變換器 TD為單端正激變換器。本實(shí)用新型是一種定頻控制裝置，開關(guān)電源的開關(guān)頻率由外部時(shí)鐘脈沖決定?？?制裝置可方便地用模擬器件或數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)；除可用于以上實(shí)施例中的變換器組成的開關(guān) 電源外，也可用于Buck-Boost變換器、Cuk變換器、BIFRED變換器、反激變換器、半橋變換器、全橋變換器等多種功率電路組成開關(guān)電源。
權(quán)利要求一種開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制裝置，由變換器TD和控制器組成，其特征在于控制器包括電壓檢測(cè)電路VCC、比較器AC、時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG、觸發(fā)器FF、驅(qū)動(dòng)電路DR；電壓檢測(cè)電路VCC、比較器AC、觸發(fā)器FF、驅(qū)動(dòng)電路DR依次相連；時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG與觸發(fā)器FF相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制裝置，其特征在于用于檢測(cè)變 換器輸出端電壓的電壓檢測(cè)電路VCC的輸出端與比較器AC的正極性端相連；比較器AC輸 出端與觸發(fā)器FF的R端相連；時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG輸出端與觸發(fā)器FF的S端相連；觸發(fā)器 FF的輸出端Q與驅(qū)動(dòng)電路DR相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制裝置，其特征在于用于檢測(cè)變 換器輸出端電壓的電壓檢測(cè)電路VCC的輸出端與比較器AC的負(fù)極性端相連；比較器AC輸 出端與觸發(fā)器FF的S端相連；時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器CPG輸出端與觸發(fā)器FF的R端相連；觸發(fā)器 FF的輸出端Q與驅(qū)動(dòng)電路DR相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種開關(guān)電源單環(huán)定頻滯環(huán)控制裝置，通過(guò)控制變換器輸出電壓紋波在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的峰值或谷值實(shí)現(xiàn)控制。在采用峰值控制時(shí)，在某一個(gè)開關(guān)周期起始的t0時(shí)刻，開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)變換器輸出電壓Vo上升；當(dāng)Vo上升至基準(zhǔn)電壓Vref時(shí)，開關(guān)管繼續(xù)保持開通狀態(tài)；當(dāng)Vo上升至Vref+VE時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，Vo隨之下降；隨后，在t0+T時(shí)刻，再次開通開關(guān)管，變換器進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期進(jìn)行工作。采用本實(shí)用新型的變換器開關(guān)頻率固定，瞬態(tài)性能良好，控制電路簡(jiǎn)單，僅需要檢測(cè)變換器輸出電壓且不需要補(bǔ)償環(huán)節(jié)，適用于各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器。
文檔編號(hào)H02M3/155GK201656775SQ20102014235
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者周國(guó)華, 張斐, 王金平, 秦明, 許建平 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)