電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)及其裝置，根據(jù)輸出電壓與參考電壓經(jīng)誤差放大器作用后產(chǎn)生的誤差信號，與電容電流信號比較產(chǎn)生RS觸發(fā)器的一路輸入控制信號，進而調(diào)節(jié)輸出電壓。其特征在于在傳統(tǒng)電壓型COT控制上增加了一個電容電流控制環(huán)路。該發(fā)明突出優(yōu)點是：這種控制技術(shù)控制的開關(guān)變換器不僅具有快速的輸入瞬態(tài)和負載瞬態(tài)響應(yīng)速度，提高了輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度，降低了電壓調(diào)整率，并且輸出電壓穩(wěn)定性不受輸出電壓等效串聯(lián)電阻ESR的影響。
【專利說明】電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)及其裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及開關(guān)電源設(shè)備，尤其是電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)及其實現(xiàn)裝置制造領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源。開關(guān)電源由于具有體積小、效率高和重量輕的優(yōu)點，已經(jīng)在多個領(lǐng)域取代了線性電源，開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)成為電力電子領(lǐng)域一個最為活躍的分支，并引起了電源技術(shù)研究人員的高度重視。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能越來越強大,其對電源的需求也越來越高。
[0003]開關(guān)電源主要由開關(guān)變換器和控制裝置兩部分組成。變換器又稱為功率電路，主要包括起開關(guān)作用的開關(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變換器、Boost變換器、Buck-Boost變換器、正激變換器、反激變換器等?？刂破髂軌驒z測功率變換器輸入或輸出電壓的變化，并據(jù)此產(chǎn)生相應(yīng)開關(guān)信號控制功率變換器開關(guān)裝置的工作狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)傳遞給負載的能量以穩(wěn)定開關(guān)變換器的輸出?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)和工作原理由開關(guān)變換器所采用的控制方法決定。對于某一變換器拓撲，采用不同的控制方法會對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能等方面產(chǎn)生影響，所以控制方法顯得日益重要。
[0004]傳統(tǒng)脈沖頻率調(diào)制(PFM)技術(shù)是一種常見的開關(guān)變換器調(diào)制方法，包括恒定導(dǎo)通時間(COT)控制和恒定關(guān)斷時間(CFT)控制，通過改變脈沖頻率來控制功率電路開關(guān)管的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而調(diào)整輸出電壓。PFM調(diào)制具有輕載效率高，瞬態(tài)響應(yīng)速度快的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛運用于各工業(yè)制造領(lǐng)域。但傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制開關(guān)變換器的輸出電壓存在穩(wěn)態(tài)精度不高，電壓調(diào)整率差，穩(wěn)定性受輸出電容等效串聯(lián)電阻ESR影響的缺點，因而迫切需要對傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)進行改進。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)，在具有快速瞬態(tài)響應(yīng)速度的同時，消除恒定導(dǎo)通時間控制開關(guān)變換器等效串聯(lián)電阻ESR對輸出電壓穩(wěn)定性的影響，提高輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度，并降低電壓調(diào)整率。
[0006]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)變換器輸出電壓與基準電壓經(jīng)誤差放大器作用產(chǎn)生誤差信號，再由比較器對該誤差信號與電容電流信號進行比較得到RS觸發(fā)器的一路控制信號，由RS觸發(fā)器和導(dǎo)通定時器作用，產(chǎn)生驅(qū)動控制信號，控制開關(guān)變換器的功率開關(guān)管，調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的輸出電壓。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0008]一、與傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制相比，該控制是雙環(huán)控制，提高了輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度，降低了電壓調(diào)整率，消除了輸出電容等效串聯(lián)電阻ESR對輸出電壓穩(wěn)定性的影響。
[0009]二、與傳統(tǒng)電感電流型恒定導(dǎo)通時間控制相比，具有更快的負載響應(yīng)速度，拓寬變換器的負載范圍。
[0010]本發(fā)明的另一目的是提供一種實現(xiàn)電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)的裝置。其具體構(gòu)造采用:電壓檢測裝置1、誤差放大器2、比較器3、RS觸發(fā)器4，驅(qū)動電路5順序連接；電容電流檢測裝置6與比較器3另一輸入端相連；RS觸發(fā)器一輸出端與導(dǎo)通定時器7輸入端相連，導(dǎo)通定時器輸出端與RS觸發(fā)器另一輸入端相連。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)實現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖。
[0012]圖2為本發(fā)明實施例一的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明實施例一和傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制Buck變換器的輸出電壓仿真波形圖。
[0014]圖4為本發(fā)明實施例一和電感電流型恒定導(dǎo)通時間控制Buck變換器的輸出電壓仿真波形圖。
[0015]圖5為本發(fā)明實施例二的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3中:(a)ESR為200πιΩ時傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅(qū)動脈沖波形；(b)ESR為200m Ω時本發(fā)明方法控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅(qū)動脈沖波形；(c)ESR為50mΩ時傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅(qū)動脈沖波形；(d)ESR為50πιΩ時本發(fā)明方法控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅(qū)動脈沖波形；(e)ESR為Im Ω時傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅(qū)動脈沖波形；(f) ESR為Im Ω時本發(fā)明方法控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅(qū)動脈沖波形。
[0017]圖4中:(a)負載電流突變時，電感電流型恒定導(dǎo)通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形、負載電流波形、驅(qū)動脈沖波形、電感電流波形和電容電容電流波形；(b)負載電流突變時，本發(fā)明方法控制Buck變換器的負輸出電壓波形、負載電流波形、驅(qū)動脈沖波形、電感電流波形和電容電容電流波形；(c)輸入電壓突變時，電感電流型恒定導(dǎo)通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形、輸入電壓波形、驅(qū)動脈沖波形、電感電流波形和電容電容電流波形；(d)輸入電壓突變時，本發(fā)明方法控制Buck變換器的輸出電壓波形、輸入電壓波形、驅(qū)動脈沖波形、電感電流波形和電容電容電流波形。

【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0019]實施例一
[0020]圖1示出，本發(fā)明的【具體實施方式】為:電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)，其控制器主要由電壓檢測裝置、誤差放大器、電容電流檢測裝置、比較器、觸發(fā)器、導(dǎo)通定時器，以及驅(qū)動電路組成。電壓檢測裝置檢測的開關(guān)變換器輸出電壓與基準電壓經(jīng)誤差放大器作用產(chǎn)生誤差信號，再由比較器對該誤差信號與電容電流檢測裝置檢測的電容電流信號進行比較得到RS觸發(fā)器的一路控制信號，由RS觸發(fā)器和導(dǎo)通定時器作用，產(chǎn)生驅(qū)動控制信號，控制開關(guān)變換器的功率開關(guān)管，調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的輸出電壓。
[0021]圖2給出了本發(fā)明在Buck變換器中的應(yīng)用。其具體的工作過程與原理為:由輸出電壓與參考電壓經(jīng)誤差放大器產(chǎn)生慢變化的誤差信號，當電容電流信號降至誤差信號時，RS觸發(fā)器置位，主功率開關(guān)管導(dǎo)通，電容電流線性上升，主功率開關(guān)管導(dǎo)通一段由導(dǎo)通定時器產(chǎn)生的恒定導(dǎo)通時間間隙后，RS觸發(fā)器復(fù)位，功率開關(guān)管關(guān)斷，電容電流線性下降；當電容電流信號下降至誤差信號時，變換器進入下一個開關(guān)周期。
[0022]仿真結(jié)果分析:
[0023]圖3為采用PSIM軟件分別對傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)及本發(fā)明方法的Buck變換器的仿真波形圖，仿真條件:輸入電壓Vin = 15V，輸出電壓V。= Vref = 5V，電感L=20μ H,電容 C = 20 μ F，電容等效串聯(lián)電阻 ESR1 = 200mΩ , ESR2 = 50mΩ , ESR3 = Ιι?Ω，負載R = 0.5 Ω ,恒定導(dǎo)通時間Ton = 2.5 μ S。
[0024]圖3分圖(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)的橫軸均為時間(S)，縱軸為電壓幅值(V)。當輸出等效串聯(lián)電阻ESR為200πιΩ時，在兩種控制方法下Buck變換器輸出電壓波形如分圖(a)、(b)所示，傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制的Buck變換器的輸出電壓有約為0.1V的穩(wěn)態(tài)誤差，本發(fā)明控制的Buck變換器輸出電壓沒有穩(wěn)態(tài)誤差；當輸出等效串聯(lián)電阻ESR為50m Ω時，在兩種控制方法下Buck變換器輸出電壓波形如分圖(C)、(d)所示，傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制的Buck變換器的輸出電壓失穩(wěn),開關(guān)脈沖紊亂,本發(fā)明控制的Buck變換器輸出電壓保持常工作；當輸出等效串聯(lián)電阻ESR為ImΩ時，在兩種控制方法下Buck變換器輸出電壓波形如分圖(e)、(f)所示，傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制的Buck變換器的輸出電壓仍然失穩(wěn)，開關(guān)脈沖異常，而本發(fā)明控制的Buck變換器仍常正常工作，且紋波更小。
[0025]圖4為電感電流型恒定導(dǎo)通時間控制Buck變換器及本發(fā)明方法控制Buck變換器的仿真波形圖，除輸出等效串聯(lián)電阻ESR4S ΙΟπιΩ夕卜，仿真條件同上。圖4分圖(a)、(b)、(C)、(d)的橫軸均為時間(S)，縱軸為電壓幅值(V)、電流幅值(A)。分圖(a)、(b)分別對應(yīng)負載電流突變時電感電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)與本發(fā)明方法控制技術(shù)控制Buck變換器的輸出電壓波形。從圖(a)可知，當負載電流突變時，電感電流型恒定導(dǎo)通時間控制的Buck變換器的的電感電流不會立刻變化，所以開關(guān)管動作有延遲；而從圖(b)可知，當負載電流突變時，本發(fā)明方法的Buck變換器的電容電流立刻變化，開關(guān)管立刻動作。對比圖(a)與圖(b)可知，本發(fā)明方法的Buck變換器具有更快的負載瞬態(tài)響應(yīng)速度。從圖(a)與圖(b)中還可以看到，負載突變時，本發(fā)明方法的Buck變換器具有更小的電壓超調(diào)量和跌落量。圖(c)、(d)分別對應(yīng)輸入電壓突變時電感電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)與本發(fā)明方法的Buck變換器輸出電壓的波形。對比圖(c)和(d)可知，與電感電流恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)類似，本發(fā)明控制Buck變換器具有快速的輸入瞬態(tài)響應(yīng)，因為一旦輸入電壓變化，電感電流斜率變化，電容電流的變化與電感電流變化保持一致，兩種控制下的開關(guān)管動作一致，具有同樣的輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)速度。
[0026]實施例二
[0027]圖5示出，本例與實施例一相比，功率變換器為Boost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Boost變換器，輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度高，電壓調(diào)整率小，動態(tài)響應(yīng)速度快，且輸出電壓穩(wěn)定性不受等效串聯(lián)電阻ESR的影響。
[0028]本發(fā)明除了可用于控制上述實施例中的兩種變換器外，也可以用于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.電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)，根據(jù)開關(guān)變換器輸出電壓與基準電壓經(jīng)誤差放大器作用產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號與電容電流信號再經(jīng)比較器比較得到RS觸發(fā)器的一路控制信號，由RS觸發(fā)器和導(dǎo)通定時器作用，產(chǎn)生驅(qū)動控制信號，控制開關(guān)變換器的功率開關(guān)管，調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的輸出電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)，其特征在于，在傳統(tǒng)電壓型恒定導(dǎo)通時間控制基礎(chǔ)上，引入了電容電流信號環(huán)路，電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)呈現(xiàn)出更優(yōu)異的控制性能。
3.實現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述的電容電流型恒定導(dǎo)通時間控制技術(shù)的裝置，由電壓檢測裝置、誤差放大器、電容電流檢測裝置、比較器、觸發(fā)器、導(dǎo)通定時器，以及驅(qū)動電路組成；其特征在于，電壓檢測裝置(I)、誤差放大器(2)、比較器(3)、RS觸發(fā)器(4)，驅(qū)動電路(5)順序連接；電容電流檢測裝置(6)與比較器(3)另一輸入端相連；RS觸發(fā)器一輸出端與導(dǎo)通定時器(X)輸入端相連，導(dǎo)通定時器輸出端與RS觸發(fā)器另一輸入端相連。
【文檔編號】H02M3/07GK104052266SQ201410265451
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月15日
【發(fā)明者】許建平, 徐楊軍, 陳利, 鐘曙, 許麗君 申請人:西南交通大學(xué)