電容電流型恒定導通時間控制技術及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種電容電流型恒定導通時間控制技術及其裝置，根據輸出電壓與參考電壓經誤差放大器作用后產生的誤差信號，與電容電流信號比較產生RS觸發器的一路輸入控制信號，進而調節輸出電壓。其特征在于在傳統電壓型COT控制上增加了一個電容電流控制環路。該發明突出優點是：這種控制技術控制的開關變換器不僅具有快速的輸入瞬態和負載瞬態響應速度，提高了輸出電壓的穩態精度，降低了電壓調整率，并且輸出電壓穩定性不受輸出電壓等效串聯電阻ESR的影響。
【專利說明】電容電流型恒定導通時間控制技術及其裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及開關電源設備，尤其是電容電流型恒定導通時間控制技術及其實現裝置制造領域。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術的高速發展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源。開關電源由于具有體積小、效率高和重量輕的優點，已經在多個領域取代了線性電源，開關電源技術已經成為電力電子領域一個最為活躍的分支，并引起了電源技術研究人員的高度重視。隨著科學技術日新月異的發展，電子產品的功能越來越強大,其對電源的需求也越來越高。
[0003]開關電源主要由開關變換器和控制裝置兩部分組成。變換器又稱為功率電路，主要包括起開關作用的開關裝置，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變換器、Boost變換器、Buck-Boost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器輸入或輸出電壓的變化，并據此產生相應開關信號控制功率變換器開關裝置的工作狀態，從而調節傳遞給負載的能量以穩定開關變換器的輸出。控制器的結構和工作原理由開關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穩態精度和動態性能等方面產生影響，所以控制方法顯得日益重要。
[0004]傳統脈沖頻率調制(PFM)技術是一種常見的開關變換器調制方法，包括恒定導通時間(COT)控制和恒定關斷時間(CFT)控制，通過改變脈沖頻率來控制功率電路開關管的導通、關斷，從而調整輸出電壓。PFM調制具有輕載效率高，瞬態響應速度快的優點，已經廣泛運用于各工業制造領域。但傳統電壓型恒定導通時間控制開關變換器的輸出電壓存在穩態精度不高，電壓調整率差，穩定性受輸出電容等效串聯電阻ESR影響的缺點，因而迫切需要對傳統電壓型恒定導通時間控制技術進行改進。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種電容電流型恒定導通時間控制技術，在具有快速瞬態響應速度的同時，消除恒定導通時間控制開關變換器等效串聯電阻ESR對輸出電壓穩定性的影響，提高輸出電壓穩態精度，并降低電壓調整率。
[0006]本發明為解決其技術問題，所采用的技術方案是:根據開關變換器輸出電壓與基準電壓經誤差放大器作用產生誤差信號，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觸發器的一路控制信號，由RS觸發器和導通定時器作用，產生驅動控制信號，控制開關變換器的功率開關管，調節開關變換器的輸出電壓。
[0007]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0008]一、與傳統電壓型恒定導通時間控制相比，該控制是雙環控制，提高了輸出電壓穩態精度，降低了電壓調整率，消除了輸出電容等效串聯電阻ESR對輸出電壓穩定性的影響。
[0009]二、與傳統電感電流型恒定導通時間控制相比，具有更快的負載響應速度，拓寬變換器的負載范圍。
[0010]本發明的另一目的是提供一種實現電容電流型恒定導通時間控制技術的裝置。其具體構造采用:電壓檢測裝置1、誤差放大器2、比較器3、RS觸發器4，驅動電路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觸發器一輸出端與導通定時器7輸入端相連，導通定時器輸出端與RS觸發器另一輸入端相連。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明控制系統實現裝置結構框圖。
[0012]圖2為本發明實施例一的電路結構示意圖。
[0013]圖3為本發明實施例一和傳統電壓型恒定導通時間控制Buck變換器的輸出電壓仿真波形圖。
[0014]圖4為本發明實施例一和電感電流型恒定導通時間控制Buck變換器的輸出電壓仿真波形圖。
[0015]圖5為本發明實施例二的電路結構示意圖。
[0016]圖3中:(a)ESR為200πιΩ時傳統電壓型恒定導通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅動脈沖波形；(b)ESR為200m Ω時本發明方法控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅動脈沖波形；(c)ESR為50mΩ時傳統電壓型恒定導通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅動脈沖波形；(d)ESR為50πιΩ時本發明方法控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅動脈沖波形；(e)ESR為Im Ω時傳統電壓型恒定導通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅動脈沖波形；(f) ESR為Im Ω時本發明方法控制Buck變換器的輸出電壓波形和驅動脈沖波形。
[0017]圖4中:(a)負載電流突變時，電感電流型恒定導通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形、負載電流波形、驅動脈沖波形、電感電流波形和電容電容電流波形；(b)負載電流突變時，本發明方法控制Buck變換器的負輸出電壓波形、負載電流波形、驅動脈沖波形、電感電流波形和電容電容電流波形；(c)輸入電壓突變時，電感電流型恒定導通時間控制Buck變換器的輸出電壓波形、輸入電壓波形、驅動脈沖波形、電感電流波形和電容電容電流波形；(d)輸入電壓突變時，本發明方法控制Buck變換器的輸出電壓波形、輸入電壓波形、驅動脈沖波形、電感電流波形和電容電容電流波形。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步詳細說明。
[0019]實施例一
[0020]圖1示出，本發明的【具體實施方式】為:電容電流型恒定導通時間控制技術，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、觸發器、導通定時器，以及驅動電路組成。電壓檢測裝置檢測的開關變換器輸出電壓與基準電壓經誤差放大器作用產生誤差信號，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觸發器的一路控制信號，由RS觸發器和導通定時器作用，產生驅動控制信號，控制開關變換器的功率開關管，調節開關變換器的輸出電壓。
[0021]圖2給出了本發明在Buck變換器中的應用。其具體的工作過程與原理為:由輸出電壓與參考電壓經誤差放大器產生慢變化的誤差信號，當電容電流信號降至誤差信號時，RS觸發器置位，主功率開關管導通，電容電流線性上升，主功率開關管導通一段由導通定時器產生的恒定導通時間間隙后，RS觸發器復位，功率開關管關斷，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周期。
[0022]仿真結果分析:
[0023]圖3為采用PSIM軟件分別對傳統電壓型恒定導通時間控制技術及本發明方法的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，電容等效串聯電阻 ESR1 = 200mΩ , ESR2 = 50mΩ , ESR3 = Ιι?Ω，負載R = 0.5 Ω ,恒定導通時間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，傳統電壓型恒定導通時間控制的Buck變換器的輸出電壓有約為0.1V的穩態誤差，本發明控制的Buck變換器輸出電壓沒有穩態誤差；當輸出等效串聯電阻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，傳統電壓型恒定導通時間控制的Buck變換器的輸出電壓失穩,開關脈沖紊亂,本發明控制的Buck變換器輸出電壓保持常工作；當輸出等效串聯電阻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，傳統電壓型恒定導通時間控制的Buck變換器的輸出電壓仍然失穩，開關脈沖異常，而本發明控制的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通時間控制Buck變換器及本發明方法控制Buck變換器的仿真波形圖，除輸出等效串聯電阻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)分別對應負載電流突變時電感電流型恒定導通時間控制技術與本發明方法控制技術控制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，所以開關管動作有延遲；而從圖(b)可知，當負載電流突變時，本發明方法的Buck變換器的電容電流立刻變化，開關管立刻動作。對比圖(a)與圖(b)可知，本發明方法的Buck變換器具有更快的負載瞬態響應速度。從圖(a)與圖(b)中還可以看到，負載突變時，本發明方法的Buck變換器具有更小的電壓超調量和跌落量。圖(c)、(d)分別對應輸入電壓突變時電感電流型恒定導通時間控制技術與本發明方法的Buck變換器輸出電壓的波形。對比圖(c)和(d)可知，與電感電流恒定導通時間控制技術類似，本發明控制Buck變換器具有快速的輸入瞬態響應，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，兩種控制下的開關管動作一致，具有同樣的輸入電壓瞬態響應速度。
[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，采用本發明的Boost變換器，輸出電壓穩態精度高，電壓調整率小，動態響應速度快，且輸出電壓穩定性不受等效串聯電阻ESR的影響。
[0028]本發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電源。
【權利要求】
1.電容電流型恒定導通時間控制技術，根據開關變換器輸出電壓與基準電壓經誤差放大器作用產生誤差信號，該誤差信號與電容電流信號再經比較器比較得到RS觸發器的一路控制信號，由RS觸發器和導通定時器作用，產生驅動控制信號，控制開關變換器的功率開關管，調節開關變換器的輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的電容電流型恒定導通時間控制技術，其特征在于，在傳統電壓型恒定導通時間控制基礎上，引入了電容電流信號環路，電容電流型恒定導通時間控制技術呈現出更優異的控制性能。
3.實現權利要求1或2所述的電容電流型恒定導通時間控制技術的裝置，由電壓檢測裝置、誤差放大器、電容電流檢測裝置、比較器、觸發器、導通定時器，以及驅動電路組成；其特征在于，電壓檢測裝置(I)、誤差放大器(2)、比較器(3)、RS觸發器(4)，驅動電路(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觸發器一輸出端與導通定時器(X)輸入端相連，導通定時器輸出端與RS觸發器另一輸入端相連。
【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 優先權日:2014年6月15日
【發明者】許建平, 徐楊軍, 陳利, 鐘曙, 許麗君 申請人:西南交通大學