专利名称：应用双环四反馈控制环路的直流开关电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及开关电源领域，尤其是应用双环四反馈控制环路的直流开关电源。
背景技术：
直流开关电源是构建许多其他类型电能变换器的基本组成部分。然而为了有效实现各种电能变换功能，并使系统安全、平稳地运行，开关电源必须与其他功能模块相互配合，组成一个控制系统，共同完成电能的变换和调节。直流开关电源包含主电路和控制电路，两种电路相互配合，共同工作，构成完整的开关调节系统。根据主电路的拓扑结构与直流开关电源静态性能指标和动态性能指标的要求，进行控制电路的设计。根据实现控制的采样信号的不同，直流开关控制系统可以分为电压控制型开关调节系统、平均电流控制型开关调节系统和峰值电流控制型开关调节系统。传统设计中为了达到恒压输出目的，根据主电路的不同，选择不同的控制器，比如单极点、具有增益限制的单极点、单极点与单零点和双极点与双零点控制器等。应用这些控制器，可以实现直流源恒压输出的目的。但是随着技术的不断进步，不同的负载类型不断出现。在恒压源得到广泛应用的同时，对于恒流源的应用要求也越来越多，要求直流开关电源在恒压输出与恒流输出间可以进行无时差切换。同时对于直流开关电源瞬态特性的要求、过载运行、长时间可靠运行的要求也越来越高。
实用新型内容本实用新型所要解决的问题是提供一种适应不同负载类型、适应恒流源要求的直流开关电源，该直流开关电源还满足电源瞬态特性好、过载运行、长时间可靠运行的要求。为实现上述目的，本实用新型提供了一种应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，包括主电路和控制电路，控制电路包括电压控制环路，还包括电流控制环路，其通过逻辑“or”自动与电压控制环路进行切换。所述电压控制环路包括电压环控制器 c FK)、开关变换器传递函数模块！^⑷、控制对象传递函数模块σΜ( 、输出级阻抗传递函数模块Zjf(S)与输出电压采样传递函数模块^ &)，输出电压给定[/ 给予电压环控制器GF(S)，输出电压采样传递函数模块模块反馈回的电压重新输入到电压环控制器 Gy(S),形成电压反馈环路；所述电流控制环路包括电流环控制器G^s)、幵关变换器传递函数模块i/M·)、控制对象传递函数模块(^·)、输出级阻抗传递函数模块E7(S)与输出电流采样传递函数模块1^0 )，输出电流给定/^3给予电流环控制器G^s)，输出电流采样传
递函数模块I1(S)反馈回的电流重新输入到电流环控制器Gjs),形成电流反馈环路。所述逻辑“or”电路包括运算放大器一 1，供对电压反馈与电压给定的差进行误差放大；运算放大器二 2，供对电流反馈和电流给定的差进行误差放大；二极管D1、二极管 D2，供实现电压控制环路和电流控制环路的切换；接地VCC、电阻R1，用于直流电源优先选择输出电压低的运算放大器的环路工作。还包括快速电压反馈内环，所述快速电压反馈内环包括开关变换器传递函数模块 . ⑷、控制对象传递函数模块G^s)、快速电压环电压采样传递函数模块、快速电
压环控制器0胃0)，用于直接对直流开关电源的输出滤波电容前端电压进行采样控制，其信号输出直接与运算放大器一 ι或运算放大器而2的输出进行叠加；还包括原边电流反馈内环，所述原边电流反馈内环包括原边电流环控制器(Jj^s)、开关变换器传递函数模块
IM(s)、原边电流环原边电流采样传递函数模块Ι -! 与控制对象传递函数模块Gai(S), 还包括直流开关电源的主变压器、电流互感器、电阻R238、比例误差放大器TLC2272，在直流开关电源的变压器原边安装电流互感器用于采集变压器原边电流，通过电阻R238将电流信号转换为电压信号，然后通过比例误差放大器TLC2272与原边电流内环给定信号求差，得到占空比控制误差信号。快速电压环控制器0胃⑷为比例微分控制器，用于实现对电压信号的快速超前跟
S示ο本实用新型在传统电压型控制系统上增加了实现恒流输出功能的电流控制环路， 同时增加两个内部反馈环路原边电流反馈环和快速电压反馈环。增加恒流环之后，可以实现直流源恒压输出与恒流输出的无时差切换。增加两个内部反馈环的好处是原边电流反馈环的采样信号为开关模块的输出电流，采样后在环路的最内部对占空比进行控制，可以实现对模块过流的迅速保护；快速电压反馈环的采样信号为电容前端电压，并且其控制器设计为比例微分控制，可以实现对电压信号的快速超前跟踪，提高直流开关的基本指标如 Vpp，与瞬态特性指标等。本实用新型通过多个反馈点的信号的采集与内外环路的设计，实现了开关电源的多环路控制策略，得到了优良的控制精度与输出指标。
图1为本实用新型主电路框图；图2为本实用新型控制电路环路框图图3为两个控制环路切换电路原理图图4为快速电压反馈内环电路原理图图5为原边电流反馈内环电路原理图。其中图中输出电压给定；输出电流给定；G^d:电压环控制器；G1(S)电流环控制器；CJw(S)快速电压环控制器；[0023]Gm(S)原边电流环控制器Gm(S)控制对象传递函数模块Z1(S)输出级阻抗传递函数模块，用于恒流输出时，电流环控制器的设计Hγ (ε)输出电压采样传递函数模块Hr(S)输出电流采样传递函数模块Hm(S)快速电压环电压采样传递函数模块Hs(S)原边电流环原边电流采样传递函数模块Hm(S)开关变换器传递函数模块1 运算放大器一 ；2 运算放大器二 ；3 主变压器；4 输出滤波电容。
以下结合附图做进一步说明。
具体实施方式
如图1所示本实用新型主电路框图。如图2所示。电压控制环路包括电压环控制器GF(S)、幵关变换器传递函数模块
Mai⑶、控制对象传递函数模块GmK)、输出级阻抗传递函数模块iys)与输出电压采样传递函数模块输出电压给定Uffj给予电压环控制器Gf(S),输出电压采样传递函数模块模块//F Kl反馈回的电压重新输入到电压环控制器Gy 形成电压反馈环路，实现电压的恒定输出；电流控制环路包括电流环控制器G^s)、开关变换器传递函数模块llM(s；)、控制对象传递函数模块GM(si、输出级阻抗传递函数模块Z7(S)与输出电流采样传递函数模 ^kH1(S),输出电流给定1 给予电流环控制器CJi⑷，输出电流采样传递函数模块馈回的电流重新输入到电流环控制器0|(s)，形成电流反馈环路，实现电流的恒定输出。根据负载大小与设置输出电压给定17_和输出电流给定Iyfi的不同，两个环路通
过“or”点自动进行切换。电源运行中，只能够在此两个环路中的一个中工作。本实用新型通过两个二极管，即二极管D1、二极管D2来实现此两个环路的切换工作，如图3所示。电路中的两个运算放大器，即运算放大器一 1 (TLE2082)、运算放大器二 2 (TLE2082)，分别通过对电压反馈与电压给定的差和电流反馈和电流给定的差进行误差放大；由于VCC与电阻Rl 的存在，直流电源优先选择输出电压低的运算放大器的环路工作。开关变换器传递函数模块/ Μ0)、控制对象传递函数模块Qrf(S)、快速电压环电
压采样传递函数模块/i胃④、快速电压环控制器Gw⑷构成快速电压反馈内环，直接对直流电源的输出滤波电容4前端电压进行采样控制，其信号输出直接与电压或者电流外环误差运算放大器一 1或运算放大器二 2的输出进行叠加，如图4所示。原边电流环控制器0^|>)、开关变换器传递函数模块ifw(S)、原边电流环原边电流采样传递函数模块Ijy(I)与控制对象传递函数模块0^(^)构成原边电流反馈内环，通过
在直流电源的主变压器3原边安装电流互感器采集变压器原边电流，此电流采样信号与原边电流内环给定信号，通过一个比例误差放大器TLC2272进行放大，产生占空比控制信号输入电源芯片UC3879，进行占空比的调制。若通过变压器原边的电流瞬间过大，即流过开关管的电流瞬间过大，则通过此处的电流反馈采样，迅速调整占空比，保证了电源的正常安全工作，如图5所示。CSample+与CSample-通过40A :20mA的电流互感器采集变压器原边电流，通过R238将电流信号转换为电压信号，然后通过比例误差放大器TLC2272与原边电流内环给定信号求差，得到占空比控制误差信号。 本实用新型在传统电压型控制系统上增加了实现恒流输出功能的电流控制环路， 同时增加两个内部反馈环路原边电流反馈环和快速电压反馈环。增加恒流环之后，可以实现直流源恒压输出与恒流输出的无时差切换。增加两个内部反馈环的好处是原边电流反馈环的采样信号为开关模块的输出电流，采样后在环路的最内部对占空比进行控制，可以实现对模块过流的迅速保护；快速电压反馈环的采样信号为电容前端电压，并且其控制器设计为比例微分控制，可以实现对电压信号的快速超前跟踪，提高直流开关的基本指标如 VPP，与瞬态特性指标等。本实用新型通过多个反馈点的信号的采集与内外环路的设计，实现了开关电源的多环路控制策略，得到了优良的控制精度与输出指标。
权利要求1.一种应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，包括主电路和控制电路，控制电路包括电压控制环路，其特征在于还包括电流控制环路，其通过逻辑“or”自动与电压控制环路进行切换。
2.根据权利要求1所述的应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，其特征在于所述电压控制环路包括电压环控制器( ( ⑷)、开关变换器传递函数模块(/‘⑷)、控制对象传递函数模块( ⑷)、输出级阻抗传递函数模块(ZjC^))与输出电压采样传递函数模块(itfyKl),输出电压给定给予电压环控制器(GF(>>,输出电压采样传递函数模块模块(Zf1^s))反馈回的电压重新输入到电压环控制器 γ (S))，形成电压反馈环路；所述电流控制环路包括电流环控制器(G1(S))、开关变换器传递函数模块ΛΜ·>、控制对象传递函数模块(%·))、输出级阻抗传递函数模块(Zi(S))与输出电流采样传递函数模块(Ε |(s)),输出电流给定(Iw3)给予电流环控制器(0胁，输出电流采样传递函数模块(Hi(S))反馈回的电流重新输入到电流环控制器(CJiO)),形成电流反馈环路。
3.根据权利要求1或2所述的应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，其特征在于所述逻辑“or”电路包括运算放大器一(1)，供对电压反馈与电压给定的差进行误差放大；运算放大器二(2)，供对电流反馈和电流给定的差进行误差放大；二极管(D1)、二极管 (D2)，供实现电压控制环路和电流控制环路的切换；接地(VCC)、电阻(R1)，用于直流电源优先选择输出电压低的运算放大器的环路工作。
4.根据权利要求1或2所述的应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，其特征在于还包括快速电压反馈内环，所述快速电压反馈内环包括开关变换器传递函数模块( ! )、控制对象传递函数模块(%(力)、快速电压环电压采样传递函数模块(tfw(>))、快速电压环控制器，用于直接对直流开关电源的输出滤波电容(4 )前端电压进行采样控制，其信号输出直接与运算放大器一(1)或运算放大器而(2)的输出进行叠加；还包括原边电流反馈内环，所述原边电流反馈内环包括原边电流环控制器(ffj^S))、开关变换器传递函数模块otfj^s))、原边电流环原边电流采样传递函数模块与控制对象传递函数模块还包括直流开关电源的主变压器(3)、电流互感器、电阻(R238)、比例误差放大器(TLC2272 )，在直流开关电源的变压器原边安装电流互感器用于采集变压器原边电流， 通过电阻(R238 )将电流信号转换为电压信号，然后通过比例误差放大器TLC2272与原边电流内环给定信号求差，得到占空比控制误差信号。
5.根据权利要求4所述的应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，其特征在于快速电压环控制器(Gw(S))为比例微分控制器，用于实现对电压信号的快速超前跟踪。
专利摘要本实用新型公开了一种应用双环四反馈控制环路的直流开关电源，包括主电路和控制电路，控制电路包括电压控制环路，其特征在于还包括电流控制环路，其通过逻辑“or”自动与电压控制环路进行切换。本实用新型通过多个反馈点的信号的采集与内外环路的设计，实现了开关电源的多环路控制策略，得到了优良的控制精度与输出指标。
文档编号H02M3/335GK202218159SQ20112030970
公开日2012年5月9日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者张 浩, 李传静, 汤承昭 申请人:山东艾诺仪器有限公司