專利名稱：開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)電源，具體是其雙脈沖跨周期調(diào)制方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著電カ電子技術(shù)的高速發(fā)展，電カ電子設(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。由于開關(guān)電源相對于傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源具有效率高、體積小等方面的優(yōu)勢，使得開關(guān)電源技術(shù)逐漸成為人們應用和研究的熱點。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變換器(降壓變換器)、Boost 變換器(升壓變換器)、Buck-Boost變換器(升降壓變換器)、正激變換器、反激變換器等?？刂破髂軌驒z測功率變換電路輸入或輸出電壓的變化，并據(jù)此產(chǎn)生相應開關(guān)信號控制功率變換電路開關(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)電源輸出?？刂破鞯慕Y(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。目前，很多應用場合需要開關(guān)電源具有很好的瞬態(tài)響應速度，而采用傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)已很難滿足這ー要求，這就迫切的需要新的控制方法的出現(xiàn)。脈沖序列(PT)控制技術(shù)是近年來出現(xiàn)的另外一種常見形式的開關(guān)電源調(diào)制方法，和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)不一樣，它通過調(diào)整兩組預先設(shè)定的高低功率控制脈沖信號的組合方式來實現(xiàn)輸出電壓值的調(diào)節(jié)，是ー種非線性離散控制方法。與PWM控制相比，PT控制不需要補償網(wǎng)絡(luò)、控制電路實現(xiàn)簡單、對輸入和負載的變化具有快速的動態(tài)響應速度，非常適用于對可靠性要求較高的開關(guān)電源控制系統(tǒng)。但PT控制方法在輸入電壓增大或負載減輕時，輸出電壓將失去控制，因此PT控制方法不適用于負載較輕的場合。單脈沖跨周期調(diào)制(PSM)控制技術(shù)可視作為PT控制技術(shù)的ー種特例，此時低功率控制脈沖信號的占空比為零。設(shè)定PSM控制開關(guān)變換器在一個時鐘周期內(nèi)功率開關(guān)管不發(fā)生開關(guān)動作，此時鐘周期被跨過，對應于控制脈沖信號占空比為零。開關(guān)電源單脈沖跨周期調(diào)制裝置的控制部分主要由電壓檢測裝置、比較器、脈沖生成器及驅(qū)動電路構(gòu)成，較PT控制技術(shù)要求的控制電路更為簡單，也不需要補償網(wǎng)絡(luò)。由于采用單個高占空比脈沖，PSM控制的開關(guān)變換器輸出電壓紋波較大，一旦電路參數(shù)確定后，可調(diào)節(jié)的負載范圍就很小，一般更適用于負載較輕的場合或者設(shè)備處于待機的狀態(tài)。在某些對于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度較高的電子設(shè)備的應用場合，PSM技術(shù)將不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述單脈沖跨周期調(diào)制(PSM)技術(shù)的不足，提供一種穩(wěn)態(tài)精度較高、瞬態(tài)響應速度快、動態(tài)性能好的開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制方法及其裝置。本發(fā)明的開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制方法采用的技術(shù)方案是控制器采集主電路的輸出信號產(chǎn)生控制信號，反饋控制主電路輸出，包括如下步驟(I)主電路的輸出電壓匕經(jīng)電壓檢測裝置后與基準電壓和基準電壓減去誤差電壓之值匕f - 相比較，若匕〉Kref,比較器輸出低電平信號；若Vref-eref<v0<Vref,比較器輸出對應低占空比脈沖信號；若v0<Vref ~eref,比較器輸出對應高占空比脈沖信號；(2)在一個時鐘周期內(nèi)，脈沖選擇器根據(jù)比較器的輸出，從脈沖生成器選擇輸出高、低占空比脈沖信號，或不輸出脈沖信號；
(3)脈沖選擇器選擇出的信號經(jīng)驅(qū)動電路的驅(qū)動輸出給主電路的開關(guān)裝置，調(diào)節(jié)輸出電壓；
(4)在一個時鐘周期的結(jié)束時刻，循環(huán)步驟(I)-步驟(3)。本發(fā)明的開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制裝置采用的技術(shù)方案是開關(guān)電源由主電路和控制器兩部分組成，主電路 由開關(guān)裝置和濾波裝置順序連接，其特征是控制器由脈沖生成器和順序連接的電壓檢測裝置、比較器、脈沖選擇器、驅(qū)動電路組成，脈沖生成器連接脈沖選擇器；脈沖生成器可產(chǎn)生兩種不同占空比脈沖供脈沖選擇器選擇，脈沖選擇器在一個時鐘周期內(nèi)可選擇任一占空比的脈沖或者不選擇任何脈沖；主電路的輸出信號輸入電壓檢測裝置，驅(qū)動電路連接開關(guān)裝置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
1、與現(xiàn)有的單脈沖跨周期調(diào)制相比，本發(fā)明采用兩個不同占空比脈沖信號作為開關(guān)裝置的驅(qū)動，系統(tǒng)輸出電壓紋波更?。?br> 2、與現(xiàn)有的脈沖序列控制技術(shù)相比，本發(fā)明利用無控制脈沖信號作為開關(guān)變換器的脈沖跨周期調(diào)制，在輸入電壓或負載發(fā)生較寬范圍變化吋，開關(guān)電源也能保持正常穩(wěn)定工作，從而拓寬了輸入電壓或負載動態(tài)范圍；
3、相對于已有的傳統(tǒng)電壓型脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，采用本發(fā)明的開關(guān)電源在負載突變時，控制器能夠快速調(diào)整高占空比脈沖、低占空比脈沖和跨周期脈沖所占的比例，使開關(guān)電源迅速恢復穩(wěn)態(tài)；
4、控制器直接用輸出電壓與基準電壓和基準電壓減去誤差電壓之值相比較，無需補償網(wǎng)絡(luò)，簡化了控制環(huán)路設(shè)計，增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了瞬態(tài)響應速度。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進ー步說明。


圖I為本發(fā)明開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制裝置的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框 圖2為本發(fā)明實施例的電路結(jié)構(gòu)示意 圖3為本發(fā)明實施例中,輸出電壓、驅(qū)動信號與電感電流對應關(guān)系示意 圖4為本發(fā)明實施例中，開關(guān)電源的時域仿真波形 圖5為本發(fā)明實施例和PSM調(diào)制及PT控制的開關(guān)電源輸出電壓紋波的仿真 圖6為本發(fā)明實施例和PSM調(diào)制及PT控制的開關(guān)電源在負載突變時輸出電壓時域仿真波形圖。
具體實施例方式圖I示出，開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制的實現(xiàn)裝置由主電路(虛線框外)和控制器(虛線框內(nèi))兩部分組成?？刂破鞑杉麟娐返妮敵鲂盘?，從而產(chǎn)生控制信號，反饋控制主電路輸出。主電路由開關(guān)裝置I和濾波裝置2順序連接?？刂破饔呻妷簷z測裝置3、比較器
4、脈沖生成器5、脈沖選擇器6及驅(qū)動電路7組成。主電路的輸出信號輸入電壓檢測裝置3，電壓檢測裝置3、比較器4、脈沖選擇器6及驅(qū)動電路7順序連接，驅(qū)動電路7連接開關(guān)裝置I ;可產(chǎn)生兩種不同占空比脈沖的脈沖生成器5連接在脈沖選擇器6上。主電路的輸出電壓K。經(jīng)電壓檢測裝置3后與基準電壓Vref和基準電壓減去誤差電壓之值匕-相比較，比較器4輸出直接用于控制脈沖選擇器6的工作；脈沖生成器5產(chǎn)生兩個不同占空比的脈沖供脈沖選擇器6選擇；脈沖選擇器6在一個時鐘周期內(nèi)可以選擇任一占空比的脈沖或者不選擇任何脈沖，致使此時鐘周期跨過，其輸出經(jīng)驅(qū)動電路7后用于控制變換器的開關(guān)裝置1，由此得到期望的穩(wěn)定輸出電壓。另外主電路中的濾波裝置2是用來濾除電路中出現(xiàn)的雜波。圖2給出了雙脈沖跨周期調(diào)制技術(shù)在工作于電流斷續(xù)模式下的Buck變換器中的應用。由圖2所不,Buck電路拓撲以E為輸入電壓，電阻R作為負載，由一個開關(guān)管S、ー個ニ極管D、一個電感L、一個電容C組成。脈沖生成器5產(chǎn)生兩個具有不同占空比的脈沖信號，分別是高占空比脈沖信號PH、低占空比脈沖信號し電壓檢測裝置3包括采樣/保持電 路和邏輯控制電路，采樣/保持電路作為電壓檢測裝置3的一部分，在任意一個脈沖信號的結(jié)束時刻，由邏輯控制電路產(chǎn)生ー個窄脈沖信號控制，輸出信號送與比較器4。圖3為本發(fā)明圖2實施例中，輸出電壓K。、驅(qū)動信號り與電感電流厶對應關(guān)系不意圖。由圖3可知，在電流斷續(xù)模式下，在ー個工作周期內(nèi)，控制器采用高占空比脈沖工作可以向輸出端傳遞更多的能量，采用低占空比脈沖工作可以向輸出端傳遞較少的能量，而工作于脈沖跨周期時無能量向輸出端傳遞。因而，當采樣到的輸出電壓匕低于基準電壓Kef且高于基準電壓減去誤差電壓之值匕f -らば時，脈沖選擇器6選擇低占空比脈沖作為驅(qū)動信號，輸出電壓ド。小幅度上升；當米樣到的輸出電壓ド。低于匕ef—らef時，控制脈沖選擇器6選擇高占空比脈沖作為驅(qū)動信號，輸出電壓K。大幅度上升；當采樣到的輸出電壓K。高于Kef吋，控制脈沖選擇器6無驅(qū)動信號輸出，功率開關(guān)管S在時鐘脈沖周期內(nèi)不發(fā)生開關(guān)動作，此時鐘脈沖周期被跨過，輸出電壓匕下降。系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，驅(qū)動脈沖在ー個大的循環(huán)周期內(nèi)是高占空比脈沖、低占空比脈沖與脈沖跨周期的ー種組合，而各自所占的比重由輸出功率決定。即負載加重時，控制器將在循環(huán)周期內(nèi)選取較多的高占空比脈沖工作；負載減輕時，控制器將在循環(huán)周期內(nèi)選取較多的脈沖跨周期工作。本實施例中，根據(jù)開關(guān)變換器的輸出狀態(tài)，控制器采用兩個占空比不同的控制脈沖信號，以實現(xiàn)對開關(guān)變換器的脈沖跨周期調(diào)制。任意ー個時鐘脈沖信號結(jié)束時刻開關(guān)電源的輸出電壓值反饋到電壓比較器，并與基準電壓值和基準電壓減去誤差電壓之值相比較當采樣到的輸出電壓低于基準電壓并高于基準電壓減去誤差電壓之值時，控制脈沖選擇器選擇低占空比脈沖作為驅(qū)動信號，輸出電壓小幅度上升；當采樣到的輸出電壓低于基準電壓減去誤差電壓之值吋，控制脈沖選擇器選擇高占空比脈沖作為驅(qū)動信號，輸出電壓大幅度上升；當采樣到的輸出電壓高于基準電壓時，控制脈沖選擇器無驅(qū)動信號輸出，功率開關(guān)管在時鐘脈沖周期內(nèi)不發(fā)生開關(guān)動作，此時鐘脈沖周期被跨過，輸出電壓下降，從而實現(xiàn)開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制(DPSM)。具體的工作過程與原理為
步驟I :在任意一個脈沖信號的結(jié)束時刻，邏輯控制電路負責產(chǎn)生ー個窄脈沖信號用以使能采樣/保持電路；
步驟2:采樣到的輸出電壓匕立即與基準電壓(Vref)和基準電壓減去誤差電壓之值(Kref-O相比較。匕〉Kref,比較器4將輸出低電平；Kref—らef〈匕〈Kref,比較器4將輸出對應低占空比脈沖的控制信號；當v0<VIef 一吋，比較器4將輸出對應高占空比的控制信號;
步驟3 :脈沖選擇器6根據(jù)比較器的輸出，從脈沖生成器5選擇輸出高、低占空比脈沖，或不輸出脈沖信號；
步驟4 :脈沖選擇器6選擇出的控制信號經(jīng)驅(qū)動電路7的驅(qū)動輸出給主電路的開關(guān)裝置1，從而控制能量的輸入多少，間接地調(diào)節(jié)輸出電壓；
步驟5 :在這個脈沖的結(jié)束時刻，另ー個窄脈沖再次能采樣/保持電路，開關(guān)電源進入/下一次循環(huán)。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，輸出電壓將在基準電壓附近的一個很小范圍內(nèi)波動。仿真結(jié)果分析
圖4為采用PSIM軟件對本發(fā)明的控制方法進行時域仿真的結(jié)果，圖4的橫軸均為時間(ms),上圖的縱軸為電感電流幅值(A)，下圖的縱軸為輸出電壓(V)。在圖4中可以看出，ー個循環(huán)脈沖序列由19個高占空比脈沖、19個脈沖跨周期和5個低占空比脈沖組成，即lgpwop。其中Ptl代表脈沖跨周期。仿真條件輸入電壓Vin=i5 V，輸出電壓Vtj=Vd=S V,電感L=IOO uH，電容C=470 uF,負載R=20 Ω，高占空比Dh=O. 5、低占空比！\=0. 3，時鐘頻率為20 kHz ο圖5為開關(guān)電源采用本發(fā)明控制方法、PSM控制技術(shù)與PT控制技術(shù)在相同電路參數(shù)下輸出電壓時域仿真波形圖，圖5 (a)對應于本發(fā)明控制方法，為本發(fā)明實施例輸出電壓紋波；圖5 (b)對應于PSM控制技術(shù)，為PSM調(diào)制的開關(guān)電源輸出電壓紋波；圖5 (c)對應于PT控制技術(shù),為PT控制的開關(guān)電源輸出電壓紋波；橫軸均為時間(ms),縱橫均為輸出電壓紋波(mV)。圖5 (a)中輸出電壓紋波約為60 mV、圖5 (b)中輸出電壓紋波約為90 mV、圖5 (c)中輸出電壓紋波約為63 mV?？梢姴捎帽景l(fā)明的開關(guān)電源具有更小的系統(tǒng)輸出電壓紋波。圖6為開關(guān)電源采用本發(fā)明控制方法、PSM控制技術(shù)與PT控制技術(shù)在相同電路參數(shù)下輸出電壓動態(tài)響應時域仿真波形圖，圖6 (a)對應于本發(fā)明控制技術(shù)，為本發(fā)明實施例在負載突變時的輸出電壓波形；圖6 (b)對應于PSM控制技術(shù)，為PSM調(diào)制的開關(guān)電源在負載突變時的輸出電壓波形；圖6 (c)對應于PT控制技術(shù)，為PT控制的開關(guān)電源在負載突變時的輸出電壓波形；橫軸均為時間(ms),縱橫均為輸出電壓(V)。圖6中，在10 ms時負載由O. 4 A階躍變化至O. 2 A0正常情況下，采用傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)制，系統(tǒng)響應時間需要ms量級，并且會產(chǎn)生一定的偏移量；而采用本發(fā)明瞬態(tài)響應速度很快，幾乎沒有響應時間及偏/移量，系統(tǒng)立即進入穩(wěn)態(tài)。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。同時，在負載較輕時，采用本發(fā)明控制技術(shù)的開關(guān)電源比采用PSM控制技術(shù)的具有更小的輸出電壓/紋波，而采用PT控制技術(shù)的開關(guān)電源將失去穩(wěn)定控制。本發(fā)明除了可用于控制上述實施例中的功率變換器外，也可用于Boost變換器、Buck-boost變換器、Cuk變換器、正激變換器、反激變換器、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
1.一種開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制方法，控制器采集主電路的輸出信號產(chǎn)生控制信號，反饋控制主電路輸出，其特征是包括如下步驟 (1)主電路的輸出電壓K。經(jīng)電壓檢測裝置后與基準電壓Kef和基準電壓減去誤差電壓之值Kref — eref相比較,若F。〉Kref,比較器輸出低電平信號；若匕一らメ匕く^^比較器輸出對應低占空比脈沖信號；若v0<Vref ~eref,比較器輸出對應高占空比脈沖信號； (2)在一個時鐘周期內(nèi)，脈沖選擇器根據(jù)比較器的輸出，從脈沖生成器選擇輸出高、低占空比脈沖信號，或不輸出脈沖信號； (3)脈沖選擇器選擇出的信號經(jīng)驅(qū)動電路的驅(qū)動輸出給主電路的開關(guān)裝置，調(diào)節(jié)輸出電壓； (4)在一個時鐘周期的結(jié)束時刻，循環(huán)步驟(I)-步驟(3)。
2.ー種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制方法的裝置，開關(guān)電源由主電路和控制器兩部分組成，主電路由開關(guān)裝置和濾波裝置順序連接，其特征是控制器由脈沖生成器和順序連接的電壓檢測裝置、比較器、脈沖選擇器、驅(qū)動電路組成，脈沖生成器連接脈沖選擇器；脈沖生成器可產(chǎn)生兩種不同占空比脈沖供脈沖選擇器選擇，脈沖選擇器在一個時鐘周期內(nèi)可選擇任一占空比的脈沖或者不選擇任何脈沖；主電路的輸出信號輸入電壓檢測裝置，驅(qū)動電路連接開關(guān)裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種開關(guān)電源的雙脈沖跨周期調(diào)制方法及其裝置，主電路的輸出電壓vo經(jīng)電壓檢測裝置后與基準電壓Vref和基準電壓減去誤差電壓之值Vref―eref相比較，若vo>Vref，比較器輸出低電平信號；若Vref―eref<vo<Vref，比較器輸出對應低占空比脈沖信號；若vo<Vref―eref，比較器輸出對應高占空比脈沖信號；在一個時鐘周期內(nèi)，脈沖選擇器根據(jù)比較器的輸出，從脈沖生成器選擇輸出高、低占空比脈沖信號，或不輸出脈沖信號；采用兩個不同占空比脈沖信號作為開關(guān)裝置的驅(qū)動，系統(tǒng)輸出電壓紋波更小，拓寬了輸入電壓或負載動態(tài)范圍，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高瞬態(tài)響應速度。
文檔編號H02M3/156GK102655371SQ20121013103
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月2日
發(fā)明者包伯成, 潘賽虎, 王金平, 許建平, 馬正華 申請人:常州大學