一種Boost型開關變換器的控制裝置及控制方法

文檔序號：7350976閱讀：262來源：國知局

專利名稱：一種Boost型開關變換器的控制裝置及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種開關變換器，具體地說是一種開關變換器的控制裝置及控制方法。
背景技術：
直流-直流變換器廣泛應用于各種電子系統中，以實現各種電平要求之間的轉換。才艮據變換器輸入電壓和輸出電壓的大小關系大致可以將直流 -直流電源變換器分為降壓型、升壓型和升降壓型。其中升壓型的電路用于提升電源電壓對各種需要較高壓供電的電路模塊進行供電。如在手機中，5個串聯的LED背光燈大概需要15V偏置電壓，而給手機供電的鋰例子電壓卻只有2.7V ~ 5.5V的輸出電壓。這就需要升壓電路對電池電壓進行提升后給LED串供電。
基于電感的Boost型開關變換器是目前應用最廣的升壓變換電路。其功率部分主要由輸入濾波電容，功率開關管，功率電感，續流二極管和輸出濾波電容組成。在開關開通時，電感接在輸入電源和地之間，電源對電感進行充電；當開關斷開時，電感通過續流二極管接在輸入和輸出之間，將其所儲存的能量傳遞到輸出濾波電容上，并以此得到高于輸入電壓的輸出電壓。
當開關電源工作在電感電流連續模式(CCM模式)時，電感電流是從一定幅度開始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其開關電流波形呈梯形。這表明在連續^^式下，由于儲存在高頻變壓器的能量在每個開關周期內并未全部釋放掉，因此下一個開關周期具有一個初始能量。采用連續模式可減小初級峰值電流和有效值電流，降低芯片的功耗。但連續模式要求增大初級電感量，這會導致高頻變壓器的體積增大。綜上所述，連續模式適用于功率較小的TOPSwitch (單端反激式開關電源)和尺寸較大的高頻變壓器。
在電感電流斷續模式(DCM模式)時，電感電流是從零開始上升到峰值，再降至零的。這就意味著儲存在高頻變壓器中的能量必須在每個開關周期內完全釋放掉，其開關電流波形呈三角形。電流斷續模式下的初級峰值電流和有效值電流值較大，但所需要的初級電感量較小。因此，它適
合于采用輸出功率較大的TOPSwitch和尺寸較小的高頻變壓器。
為得到較高精度的輸出電壓，通常需要對其進行閉環控制。傳統的開
關電源控制方法包括遲滯控制和PWM(脈寬調制)控制。遲滯控制需要對電感電流進行采樣，但是在Boost電路中，由于輸出電流不連續，且電感電流位于高壓測，加大了采樣的難度。傳統的PWM控制包括電壓模式控制和電流模式控制。電壓模式控制需要對Boost電路占空比到輸出電壓的傳遞函數進行補償，該傳遞函數包括兩個低頻極點和一個左半平面零點，補償環路設計非常復雜。電流模式控制是一種雙環路控制方法，內部高帶寬電流環路利用外部電壓環路輸出的誤差信號對電感電流進行調節，在傳遞函數上簡化了外部電壓環路的控制設計，然而其內部電流環需要進行斜坡補償以避免次諧波振蕩問題。

發明內容
本發明公開了一種Boost型開關變換器的控制方法及控制裝置，維持了較好的系統瞬態響應和控制精度，并在輕負載下實現了脈沖頻率調制，提高了電源轉換效率。
本發明的對Boost型開關變換器的控制方法，包括以下步驟
(1) 對開關變換器的輸入電流采樣，輸出相應的第一電壓信號；
(2) 對開關變換器的輸出電壓采樣，輸出相應的第二電壓信號；
(3) 將采樣取得第二電壓信號與基準電壓信號相減放大，得到誤差放大信號；
(4) 將上述的誤差放大信號與開關變換器的第一電壓信號相減，得到第三電壓信號；
(5) 將第三電壓信號與開關變換器的第二電壓信號比較，得到邏輯控制信號；
(6) 將邏輯控制信號轉換為開關變換器的功率開關管的驅動信號，并發送到功率開關管
當功率開關管接受一個固定持續時間為roFF的截止驅動信號后，若邏輯控制信號為低電平，則向功率開關管發送一個固定持續時間為ToN的導
通驅動信號；若邏輯控制信號為高電平，則繼續向功率開關管發送截止驅動信號，直到邏輯控制信號為低電平時，向功率開關管發送一個固定持續時間為roN的導通驅動信號；
當功率開關管接受一個固定持續時間為ToN的導通驅動信號后，若邏輯控制信號為高電平，向功率開關管發送一個固定持續時間為70汗的截止
驅動信號；若邏輯控制信號為低電平，則繼續向功率開關管發送導通驅動信號，直到邏輯控制信號為高電平時，向功率開關管發送一個固定持續時
間為T。Ff的截止驅動信號。
在電感電流連續模式下，所述的固定持續時間r綴、To^為
其中rs是系統所需的開關頻率,rc/w和Fco^是實時的開關變換器輸入電壓值和輸出電壓值，在電路啟動時，開通時間設置為一個能保證電路能
正常啟動的最小開通時間r，—油。
在電感電流斷續模式下，最小開關開通時間得到鉗位，開通時間r0w， =Arxr0w，其中A是小于1的系數。
本發明實現上述控制方法的控制裝置，包括由輸入濾波電容，功率開關管，功率電感，續流二極管和輸出濾波電容組成的Boost型開關變換器，輸入電壓信號經Boost型開關變換器的功率電感和續流二極管后輸出，輸入濾波電容連接Boost型開關變換器的輸入端并接地，輸出濾波電容并聯在Boost型開關變換器的輸出端并接地，功率開關管與由續流二極管和輸出濾波電容組成的支路并聯；
該控制裝置還包括一連接功率開關管輸出端，用于采集變換器輸入電壓的第一采集電路，該第一采集電路輸出第一電壓信號；
一用于采集所述變換器輸出電壓的第二采集電路，該第二采集電路輸出第二電壓信號；
一用于第二電壓信號與基準電壓信號誤差放大的跨導型放大器，該跨導型放大器輸出誤差放大信號；
一將誤差放大信號與第一電壓信號相減的運算電路，該運算電路輸出第三電壓信號；一將第三電壓信號與第二電壓信號比較的比較器，該比較器輸出邏輯
控制信號；
一將邏輯控制信號轉換為功率開關管柵極驅動信號的計時器邏輯電路。
上述控制裝置的第一采集電路包括與功率開關管串接的電感電流采樣電阻，電感電流采樣電阻的輸入端連接運算電路的負相端；
所述的第二采集電路包括由第一分壓電阻和第二分壓電阻串聯組成的支路，該支路與所述輸出濾波電容并聯，在第一分壓電阻與第二分壓電阻之間設置有輸出端；
所述跨導型放大器正相端連接基準電壓，負相端連接第二采集電路的輸出端；
所述運算電路的正相端連接跨導型放大器的輸出端，運算電路的負相端連接第一采集電路；
所述比較器的負相端連接運算電路的輸出端，比較器的正相端連接第二采集電路的輸出端；
所述計時器邏輯電路的輸入端連接比較器的輸出端，計時器邏輯電路
的輸出端連接功率開關管的柵極。
上述的計時器邏輯電路包括一個開通時間計時器和一個關斷時間計時器。
本發明的優點是
1、輸出電壓和電感電流存在耦合，當負載瞬間加大導致輸出電壓跌落時，電感電流被迅速提高，具有極快的瞬態響應。
2、由于在DCM模式下對最小開關開通時間進行了鉗位，實現了低負載工作下的變頻調制，提高了系統效率。
3、系統控制無需整個開關周期對電感電流進行采樣也無需對電感電流采樣信號進行斜坡補償，降低了控制裝置的設計復雜度。

圖l是Boost型開關變換器的控制裝置的電路原理圖2是計時器邏輯電路的電路原理圖
圖3是Boost型開關變換器的控制方法的模塊示意8圖4是CCM模式下的工作波形圖；圖5是DCM模式下的工作波形圖6A為電感電流示意圖，圖6B為輸出電壓示意圖，圖6C為第二電壓信號Fip.c和第三電壓信號)^.c的示意圖，圖6D為負載電流示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，該Boost型開關變換器的控制裝置，包括由輸入濾波電容l，功率開關管2，功率電感3，續流二極管4和輸出濾波電容5組成的 Boost型開關變換器，及第一釆集電路、第二采集電路、跨導型放大器6、運算電路7、比較器8和計時器邏輯電路9。
輸入電壓信號經Boost型開關變換器的功率電感3和續流二極管4后輸出，輸入濾波電容1連接Boost型開關變換器的輸入端并接地，輸出濾波電容5并聯在Boost型開關變換器的輸出端并接地，功率開關管2與由續流二極管4和輸出濾波電容5組成的支路并聯。
第一釆集電路包括與功率開關管2串接的電感電流采樣電阻10，電感電流釆樣電阻10—端連接功率開關管2的源極，另一端接地。第一采集電路的輸出端即電感電流采樣電阻10的輸入端連接運算電路7的負相端。
第二采集電路包括由第一分壓電阻11和第二分壓電阻12串聯組成的支路，該支路與Boost型開關變換器的輸出濾波電容5并聯。其中第一分壓電阻11連接輸出濾波電容5的輸入端，第二分壓電阻12接地，第二采集電路的輸出端設置在第一分壓電阻11與第二分壓電阻12之間。在第一分壓電阻11上還并聯有電容13，該電容13使得第二采集電路的輸出支路是低阻通路，在輸出電壓發生瞬態時能全部耦合到第二采集電路的輸出端。
跨導型放大器6正相端連接基準電壓，負相端連接第二釆集電路的輸出端。該跨導型放大器6將第二采集電路采集的電壓與基準電壓相比，輸出誤差放大信號。
運算電路7的正相端連接跨導型放大器6的輸出端，運算電路7的負相端連接第一采集電路。該運算電路7將誤差放大信號與第一電壓信號相減，并輸出第三電壓信號。運算電路7的正相端還通過電容14接地。比較器8的負相端連接運算電路7的輸出端，比較器8的正相端連接第二釆集電路的輸出端。該比較器8將第三電壓信號與第二電壓信號相比較，并輸出邏輯控制信號。
計時器邏輯電路9的輸入端連接比較器8的輸出端，計時器邏輯電路 9的輸出端連接功率開關管2的柵極。當第二電壓信號高于第三電壓信號，比較器8輸出高電平，計時器邏輯電路9向功率開關管2發送截止驅動信號；當第二電壓信號低于第三電壓信號，比較器8輸出低電平，計時器邏輯電路9向功率開關管2發送導通驅動信號。
如圖2所示的計時器邏輯電路，包括一個開通時間計時器16、一個關斷時間計時器17、一個RS觸發器18、一個非門19和兩個四輸入或門20、 21。
開通時間計時器16包括RS觸發器23、比較器24、場效應管25、電壓源26、電流源27和電容28。計時器邏輯電路9的輸入端22接收邏輯控制信號，并通過四輸入或門20連接RS觸發器23。 RS觸發器23的Q 端連接場效應管25。當RS觸發器23的Q端輸出低電平時，場效應管25 截止，計時開始。電流源27對電容28充電，直到電容28的電壓達到電壓源26的閥值電壓。選耳又合適的電壓源26、電流源27和電容28, 4更可得到相應的開通時間。
關斷時間計時器17的電路結構與開通時間計時器16相同，包括RS 觸發器29、比較器30、場效應管31、電壓源32、電流源33和電容34。
計時器邏輯電路的輸入端22接收邏輯控制信號，然后通過一支路將邏輯控制信號發送到四輸入或門20，通過另一支路中的非門19發送到四輸入或門21。輸出端35向功率開關管2發送驅動信號。
RS觸發器18、 23、 29和其他的門電路組成異步組合邏輯，用于實現圖3所示控制方法的切換。
本發明的Boost型開關變換器的控制方法包括以下步驟
(1) 對開關變換器的輸入電流釆樣，輸出相應的第一電壓信號；
(2) 對開關變換器的輸出電壓采樣，輸出相應的第二電壓信號；
(3) 將采樣取得第二電壓信號與基準電壓信號相減放大，得到誤差放大信號；
(4) 將上述的誤差放大信號與開關變換器的第一電壓信號相減，得到第三電壓信號；
(5) 將第三電壓信號與開關變換器的第二電壓信號比較，得到邏輯控制信號；
(6) 將邏輯控制信號轉換為功率開關管2的驅動信號，并發送到功率開關管2:
當功率開關管2接受一個固定持續時間為ToFF的截止驅動信號后，若
邏輯控制信號為低電平，則向功率開關管2發送一個固定持續時間為r0N 的導通驅動信號；若邏輯控制信號為高電平，則繼續向功率開關管2發送截止驅動信號，直到邏輯控制信號為低電平時，向功率開關管2發送一個固定持續時間為r,的導通驅動信號；
當功率開關管2接受一個固定持續時間為ToN的導通驅動信號后，若邏輯控制信號為高電平，向功率開關管2發送一個固定持續時間為rOTF 的截止驅動信號；若邏輯控制信號為低電平，則繼續向功率開關管2發送導通驅動信號，直到邏輯控制信號為高電平時，向功率開關管2發送一個固定持續時間為T哪的截止驅動信號。
上述的邏輯控制信號與驅動信號還可以是對稱的形式，即邏輯控制信號為低電平時對應截止驅動信號，邏輯控制信號為高電平時對應導通驅動信號。
在電感電流連續^^莫式下，上述的固定持續時間rOFF 、 r綴為
其中rs是假設CCM模式下，boost電路工作在固定的頻率下的開關
周期，Kc/w和Fco(/r是實時的開關變換器輸入輸出電壓值，r綴和分別通過計時器邏輯電路中的開通時間計時器16和關斷時間計時器17控制。
在啟動的時候，因為r，的定義式中人(^cot/r - K:W項，可能會由于電壓Fowr低于電壓Fcw造成電路死鎖，開關一直停留在關斷狀態，所以
為了保證電路的正常啟動，設置有一個起動時間r0Nmin。
將關斷時間7b^i殳計成和輸入電壓成正比，和輸出電壓成反比,以實現CCM模式下的固定頻率工作，可以有效控制CCM模式下的輸出電壓紋波量，使開關頻率能夠恒定，也就是不隨輸入電壓或者輸出電壓的變化而變化。其中，
通過選取合適的電壓源26、電流源27電容28，使關斷時間計時器16
的關斷時間滿足上述的r0iV。
通過選取合適的電壓源32、電流源33和電容34，使關斷時間計時器
17的關斷時間滿足上述的rOFF。
在電感電流斷續模式下，最小開關開通時間得到鉗位。 r綴 =A: x 7"cw
k必須小于i,因為鉗位時間r0N，不能大于r0N否則電路會出現次
諧波振蕩。一般可以考慮取k-0.8。
對開通時間rON，鉗位的目的主要是為了在負載減小，電路進入dcm 時實現pfm(頻率調制)工作。所以這個鉗位時間不能大于ccm模式固
定頻率下的理-論開通時間r0N。
綜上，固定關斷時間ToFF的選取是為了實現ccm模式下的電路固定頻率工作。開通時間4計位是為了實現dcm下的脈沖頻率調制(pfm)，以提高系統效率，同時為了避免在ccm下出現次諧波振蕩，開通時間的
鉗位設置為r綴=ax r0N，。其中r。N，是理論上ccm下和先行確定的r0FF 對應的開關開通時間，k是小于l的常數。
上述步驟(6)如圖3的模塊示意圖所示。功率開關管2接受一個固
定持續時間為rOTF的截止驅動信號時，為固定關斷時間。功率開關管2接受一個固定持續時間為r，的導通驅動信號時，為固定開通時間。固定關斷時間結束，等待轉入固定開通時間期間，為關斷時間調制。固定開通時間結束，等待轉入固定關斷時間期間，為開通時間調制。
如圖4所示的ccm模式工作波形圖
1) 在ti到t2時刻，計時器邏輯電路9內部開通計時器進行r0N的計
時，功率開關管2被導通，狀態為"固定開通時間"
2) 在t2時刻，計時器邏輯電路9內部ToN計時結束，但是邏輯控制信號Fo.c輸出為O，進入"開通時間調制"狀態。
3) 從t2到t3，邏輯控制信號Fo.c-O,系統保持在"開通時間調制" 狀態。
4) 在t3時刻，第三電壓信號Kn.c小于第二電壓信號Fip.c,邏輯控制
信號&.c輸出高電平，功率開關管2被關斷，系統進入"固定關斷時間"狀態。
5 )從t3到t4,計時器邏輯電路9內部關斷時間計時器進行r()FF計時，功率管開關管截止，系統保持在"固定關斷時間"狀態。
6)在t4時刻，計時器邏輯電路9內部關斷計時器計時結束，由于邏輯控制信號Kac = 0,系統跳過"關斷時間調制"狀態，直接進入"固定開通時間"狀態。
如圖5所示的DCM模式工作波形圖
1) 在tl到t2時刻，計時器邏輯電路9內部的開通計時器進行7W的計時，功率開關管2凈皮導通，狀態為"固定開通時間"
2) 在t2時刻，計時器邏輯電路9內部的r咖計時器計時結束，但是邏輯控制信號Fo.c輸出為高電平，系統跳過"開通時間調制"狀態，直接進入"固定關斷時間"狀態。計時器邏輯電路9內部的關斷計時器開始計時。
3) 從t2到t3， roFF計時中，系統保持在"固定關斷時間"狀態。
4) 在t3時刻，計時器邏輯電路9內部的關斷計時器計時結束，由于邏輯控制信號Kac-l,系統進入"關斷時間調制"狀態。
5) 從t3到t4,由于邏輯控制信號rac=l,系統保持在"關斷時間調制"狀態。
6) 在t4時刻，第二電壓信號 .c跌落到低于第三電壓信號rin.c,邏輯控制信號Fac輸出低電平，系統重新進入"固定開通時間"狀態。
本發明的長壓型開關變換器的控制裝置及控制方法具有較高的轉換效率及較好的系統瞬態響應和控制精度，圖6A為電感電流示意圖，圖6B 為輸出電壓示意圖，圖6C為第二電壓信號巧p.c和第三電壓信號Kn.c的示意圖,圖6D為負載電流示意圖
1) 在時間軸lms以前，開關變換器的電路工作在輕負載情況下，從電感電流頻率可以看出，電路工作在PFM模式下。此時系統由于降低了開關損耗，保持了較高的效率。
2) 在lms處，負載15電流從15mA升高到300mA，由于瞬間電感電流不足以平衡負載15電流，輸出濾波電容5開始對負載15進行放電導致輸出電壓減小。輸出電壓的減小直接反映到第二電壓信號Vip.c上，在第三個坐標軸a點附近可以看到，由于第二電壓信號Vip.c的下降，增加了 "開通時間調制，，狀態持續的時間，使系統快速給電感進行充電。這可以由第一個坐標軸中電感電流波形可以看出。
3)迅速升高的電感電流阻止了輸出電壓的進一步下降，隨后輸出電壓通過跨導型放大器6的調節恢復到設定值。
權利要求
1、一種Boost型開關變換器的控制方法，其特征在于包括以下步驟(1)對開關變換器的輸入電流采樣，輸出相應的第一電壓信號；(2)對開關變換器的輸出電壓采樣，輸出相應的第二電壓信號；(3)將采樣取得第二電壓信號與基準電壓信號相減放大，得到誤差放大信號；(4)將上述的誤差放大信號與開關變換器的第一電壓信號相減，得到第三電壓信號；(5)將第三電壓信號與開關變換器的第二電壓信號比較，得到邏輯控制信號；(6)將邏輯控制信號轉換為開關變換器的功率開關管的驅動信號，并發送到功率開關管當功率開關管接受一個固定持續時間為TOFF的截止驅動信號后，若邏輯控制信號為低電平，則向功率開關管發送一個固定持續時間為TON的導通驅動信號；若邏輯控制信號為高電平，則繼續向功率開關管發送截止驅動信號，直到邏輯控制信號為低電平時，向功率開關管發送一個固定持續時間為TON的導通驅動信號；當功率開關管接受一個固定持續時間為TON的導通驅動信號后，若邏輯控制信號為高電平，向功率開關管發送一個固定持續時間為TOFF的截止驅動信號；若邏輯控制信號為低電平，則繼續向功率開關管發送導通驅動信號，直到邏輯控制信號為高電平時，向功率開關管發送一個固定持續時間為TOFF的截止驅動信號。
2、根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于在電感電流連續模式下，所述的固定持續時間r，、 7V/r為其中rs是系統所需的開關頻率,rcw和kco ^是實時的開關變換器輸入電壓值和輸出電壓值，在電路啟動時，開通時間設置為一個能保證電路能正常啟動的最小開通時間r0iV—她。
3、根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于在電感電流斷續模式下，最小開關開通時間得到鉗位，開通時間r，， =A:xr0w,其中A: 是小于1的系數。
4、一種實現權利要求1-3任一所述控制方法的控制裝置，包括由輸入濾波電容，功率開關管，功率電感，續流二極管和輸出濾波電容組成的 Boost型開關變換器，輸入電壓信號經Boost型開關變換器的功率電感和續流二極管后輸出，輸入濾波電容連接Boost型開關變換器的輸入端并接地，輸出濾波電容并聯在Boost型開關變換器的輸出端并接地，功率開關管與由續流二極管和輸出濾波電容組成的支路并聯，其特征在于還包括一連接功率開關管輸出端，用于采集變換器輸入電壓的第一采集電路，該第一采集電路輸出第一電壓信號；一用于采集所述變換器輸出電壓的第二采集電路，該第二釆集電路輸出第二電壓信號；一用于第二電壓信號與基準電壓信號誤差放大的跨導型放大器，該跨導型放大器輸出誤差放大信號；一將誤差放大信號與第一電壓信號相減的運算電路，該運算電路輸出第三電壓信號；一將第三電壓信號與第二電壓信號比較的比較器，該比較器輸出邏輯控制信號；一將邏輯控制信號轉換為功率開關管4冊^l驅動信號的計時器邏輯電路。
5、根據權利要求4所述的控制裝置，其特征在于所述的第一采集電路包括與功率開關管串接的電感電流采樣電阻，電感電流采樣電阻的輸入端連接運算電路的負相端；所述的第二采集電路包括由第一分壓電阻和第二分壓電阻串聯組成的支路，該支路與所述輸出濾波電容并聯，在第一分壓電阻與第二分壓電阻之間設置有輸出端；所述跨導型放大器正相端連接基準電壓，負相端連接第二釆集電路的輸出端；所述運算電路的正相端連接跨導型放大器的輸出端，運算電路的負相端連接第一釆集電路；所述比較器的負相端連接運算電路的輸出端，比較器的正相端連接第二釆集電路的輸出端；所述計時器邏輯電路的輸入端連接比較器的輸出端，計時器邏輯電路的輸出端連接功率開關管的柵極。
6、根據權利要求5所述的控制裝置，其特征在于所述的計時器邏輯電路包括一個開通時間計時器和一個關斷時間計時器。
全文摘要
本發明公開了一種Boost型開關變換器的控制方法，通過對輸入電流、輸出電壓采樣處理后作為負反饋控制Boost型開關變換器的功率開關管，使開關變換器維持較好的系統瞬態響應和控制精度，并在輕負載下實現了脈沖頻率調制，提高了電源轉換效率。本發明還公開了一種控制裝置，包括Boost型開關變換器、第一采集電路、第二采集電路、跨導型放大器、運算電路、比較器和計時器邏輯電路，以實現上述的控制方法。
文檔編號H02M3/04GK101459381SQ20081016278
公開日2009年6月17日申請日期2008年12月10日優先權日2008年12月10日
發明者吳曉波, 徐孝如, 趙夢戀申請人:浙江大學

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