專利名稱：改進的開關電源脈沖寬度調制技術及其實現裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及開關電源設備，尤其是開關電源脈沖寬度調制技術及 其實現裝置制造領域。
背景技術：
開關電源是在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等 領域應用非常廣泛的一種電力電子裝置。它具有電能轉換效率高、體積小、 重量輕、控制精度高和快速性好等優點，在小功率范圍內基本上取代了線 性調整電源，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。可以說，開關電源技術是目前中小功率直流電能變換裝置的 主流技術。開關電源主要由功率變換器和控制器兩部分構成。功率變換器 又稱為功率電路，主要包括開關裝置、變壓器裝置和整流濾波電路。常見
的功率變換器拓撲結構有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，并據此產生相應開關信號控制功率變換電路 開關裝置的工作，從而調節開關電源的輸出以得到期望的輸出值。控制器 的結構和工作原理由開關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的穩態精度及動態性能等方面產生影 響，因而控制方法的研究顯得日益重要。傳統的脈沖寬度調制(P麗)技術是很為廣泛采用的一種開關電源調制 技術，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，以控制開關裝置的導通、關斷，使 輸出電壓達到期望值。當輸入電壓或負載出現波動時，由于誤差放大器放 大系數有限以及補償網絡的存在，導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，這使得開關電源的動態響應速度較慢。因而隨著 某些應用場合對于開關電源在瞬態響應速度方面性能要求的提高，脈沖寬 度調制技術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 升開關電源的瞬態響應速度。
發明內容
本發明的目的是提供一種改進的開關電源脈沖寬度調制技術，以改善 開關電源在瞬態響應方面的性能。
本發明為解決其技術問題，所采用的技術方案是根據開關電源輸出 電壓與基準電壓產生的誤差信號，再由比較器對該誤差信號相關的電壓信 號與載波信號進行比較得到控制信號，以實現對開關電源的控制，其特征 在于，設置電壓區間判斷器，對所述誤差信號的電壓區間進行判斷，根據 誤差信號所處區間的不同，選擇不同的電壓信號在比較器中與載波進行比 較，其比較輸出作為驅動信號，用以控制主功率開關管工作調節開關電源 輸出電壓。
本發明的另一目的是提供一種實現以上開關電源脈沖寬度調制技術的 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 動電路順序連接；電壓區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。與現有技術相比，本發明的有益效果是與現有的脈沖寬度調制技術 相比，采用本發明的開關電源在輸入電壓或負載發生改變時，控制器能夠 立即調節開關裝置動作，使開關電源迅速達到穩態，大大提升了開關電源 的瞬態響應速度。
圖1為本發明控制系統實現裝置結構框圖。
圖2為本發明實施例一的電路結構示意圖。
圖3為本發明控制器中模擬多路選擇器輸出與誤差信號關系示意圖。
圖4為本發明實施例一和傳統電壓型PWM調制的開關電源在輸入電壓
突變時輸出電壓仿真波形圖。(a)輸入電壓波形(b)為傳統電壓型PWM調
制的開關電源在輸入電壓突變時的輸出電壓；(c)為本發明實施例一的開
關電源在輸入電壓突變時的輸出電壓。
圖5為本發明實施例一和傳統電壓型PWM調制的開關電源在輸入電壓
突變時輸出電壓仿真波形圖。(a)負載電流波形(b)為傳統電壓型PWM調
制的開關電源在負載突變時的輸出電壓；(c)為本發明實施例一的開關電
源在負載突變時的輸出電壓。
圖6為本發明實施例二的電路結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。 實施例一
圖1示出，本發明的具體實施方式
為 一種改進的開關電源脈沖寬度
調制技術，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、電壓區間判斷器VIJ、比較器COM及驅動電路DC組成。功率變換器PTD輸出電壓經電壓檢測裝置VD后與基準電壓相比較， 然后經誤差放大器EA及補償網絡CN后得到誤差信號；電壓區間判斷器VIJ 根據誤差信號電壓的大小，產生相應的信號去控制模擬多路選擇器AM工作; 模擬多路選擇器AM根據電壓區間判斷器VIJ生成的控制信號選擇相應的電 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， 控制脈沖經驅動電路DC后用于控制功率變換器PTD的開關裝置，由此得到 期望的穩定輸出電壓。
圖2給出了本發明在Buck變換器中的應用。輸出電壓(F。)與基準電壓 (r^)經誤差放大器EA及補償網絡CN后得到誤差信號(pg ，電壓區間判斷 器VIJ根據誤差信號電壓大小產生相應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輸出與誤差信號關系示意圖。電壓區間 判斷器VIJ將電壓分為三個區間，即電壓小于K的區間、電壓大于F+的區 間以及電壓區間(F.， F+)。當誤差信號處于電壓區間(K， K+)時，電壓區間 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的關系可以 很清晰的通過式(l)來表示
KK < K
^ (1)
這一關系的實現則通過電壓區間判斷器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 動電路DC控制主功率開關管的工作，調節開關電源輸出以維持恒定。當輸入電壓或負載出現變化時，會引起誤差信號的相應變化。 一旦誤差信號偏
離區間(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，從而引起驅動脈沖占空比的較大變化來獲得快的動態響應 速度。若PV恒等于K，則控制方式即為傳統的電壓型脈沖寬度調制技術， 這也是本發明與傳統電壓型脈沖寬度調制技術的唯一區別，也正是由于對 誤差信號進行了處理，從而改善了開關電源的瞬態響應速度。因而K-和^ 的差值不宜較大，否則動態響應速度將得不到明顯的提升。另外，^及Fh 的值應根據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。 仿真結果分析.-
圖4為采用Pspice軟件對分別采用傳統電壓型脈沖寬度調制技術及本 發明方法的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，采用本發明的Buck變換器具有更快的瞬態響應速度， 輸出電壓波動小，且很快進行新的穩態。仿真條件輸出電壓R=^/=6V， 電感加5. 6uH，電容(^1000uF，負載v^5Q，開關周期為27us。
圖5為采用傳統電壓型P麗調制和本發明的開關電源在負載出現突變 情況下的輸出電壓動態響應時域仿真波形圖，分圖(a)為負載電流，(b) 和(c)分別對應采用傳統電壓型脈沖寬度調制和本發明的輸出電壓，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，當開關電源突然加載或減載時，對于傳統電壓型P麗調制，系統響應時間長，并且會
產生較高的的電壓偏移量；而采用本發明的開關電源瞬態響應速度很快， 系統立即進入新的穩態。由此可見采用本發明的開關電源具有很好的負載 動態特性。仿真條件輸出電壓^=14V， R-^尸6V，電感^5.6uH，電容 OlOOGuF，開關周期為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，采用本發明的反激變換器的輸出 電壓穩定，動態響應速度快。
本發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電源。
權利要求
1、改進的電源脈沖寬度調制技術，根據開關電源輸出電壓與基準電壓產生的誤差信號，再由比較器對該誤差信號相關的電壓信號與載波信號進行比較得到控制信號，以實現對開關電源的控制，其特征在于，設置電壓區間判斷器，對所述誤差信號的電壓區間進行判斷，根據誤差信號所處區間的不同，選擇不同的電壓信號在比較器中與載波進行比較，其比較輸出作為驅動信號，用以控制主功率開關管工作調節開關電源輸出電壓。
2、 根據權利要求l所述的改進的電源脈沖寬度調制技術，其特征在于， 電壓區間判斷器對誤差信號進行判斷，當誤差信號處于電壓區間(F.， F+)， 電壓區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、 一種實現權利要求1或2所述的改進的開關電源脈沖寬度調制技術的裝置，由電壓檢測裝置、誤差放大器、模擬多路選擇器、電壓區間判斷器、比 較器及驅動電路組成；其特征在于電壓檢測裝置、誤差放大器、模擬多路選 擇器、比較器及驅動電路順序連接；電壓區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
本發明公開了一種改進的開關電源脈沖寬度調制技術及其實現裝置，根據開關電源輸出電壓與基準電壓產生的誤差信號，再由比較器對該誤差信號相關的電壓信號與載波信號進行比較得到控制信號，以實現對開關電源的控制，其特征在于，設置電壓區間判斷器，對所述誤差信號的電壓區間進行判斷，根據誤差信號所處區間的不同，選擇不同的電壓信號在比較器中與載波進行比較，其比較輸出作為驅動信號，用以控制主功率開關管工作調節開關電源輸出電壓。該發明可用于控制多種拓撲結構的開關電源，其突出優點是采用這種控制方案的開關電源具有快速的瞬態響應速度。
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 優先權日2009年4月30日
發明者周國華, 王金平, 明 秦, 許建平 申請人:西南交通大學