专利名称：电压型滞环控制开关变换器的斜坡补偿方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电压型滞环控制开关功率变换器的斜坡补偿控制方法及其装置。
背景技术：
随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。由于开关电源相对于传统线性稳压电源具有效率高、体积小等方面的优势，使得开关电源技术逐渐成为人们应用和研究的热点。电力电子器件的飞速发展更是给开关电源提供了一个很大的发展空间，使其朝着体积小，重量轻，效率高，功率密度大等方向发展，引起业内人士的广泛关注，应用前景广阔。开关电源主要由功率变换器和控制器两部分构成。功率变换器又称为功率电路，主要包括开关装置、变压器装置和整流滤波电路。常见的功率变换器拓扑结构有Buck变换器(降压变换器)、Boost变换器(升压变换器)、Buck-Boost变换器(升降压变换器)、正激变换器、反激变换器等。控制器能够检测功率变换电路输入或输出电压的变化，并据此产生相应开关信号控制功率变换电路开关装置的工作状态，从而调节传递给负载的能量以稳定开关电源输出。控制器的结构和工作原理由开关电源所采用的控制方法决定。对于同一功率电路拓扑，采用不同的控制方法会对系统的稳态精度、动态性能及稳定性等方面产生影响，因而控制方法的研究显得日益重要。开关电源的电压型滞环控制，因其良好的负载瞬态响应和简单的控制电路结构而在工业生产中得到了广泛的应用。然而，电压型滞环控制的控制性能受输出电容特性(如等效串联电阻)的影响很大。开关电源的电压型滞环控制技术是一种开关频率可变的开关电源调制方法，也是一种基于输出电压纹波的控制方法。其控制思想是利用两个比较器将输出电压分别与上、下限基准电压进行比较，当输出电压上升到上限基准电压时，与上限基准电压相接的比较器输出高电平复位RS触发器，使开关装置关断，输出电压下降；当输出电压下降到下限基准电压时，与下限基准电压相接的比较器输出高电平置位RS触发器，使开关装置导通，输出电压上升，从而控制输出电压在上下限基准电压环内，实现对输出电压及其纹波的控制。一般情况下，为了提高开关电源的工作寿命，输出滤波电容常采用非铝制电解电容，例如陶瓷电容等，其等效串联电阻值较小，无法克服由于输出电压纹波相位滞后电感电流相位造成输出电压超出上下限电压环，从而导致系统失控，稳态精度差，输出电压和电感电流纹波大，因而在很大程度上限制了控制电路的集成和推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关电源的改进控制方法，通过引入合适的斜坡补偿电压，使之克服现有技术的以上缺点。本发明在电压型滞环控制基础上，引入电感电流信号作为电压型滞环控制的斜坡补偿，将上限基准电压减去斜坡补偿作为上限电压，将下限基准电压加上斜坡补偿作为下限电压，根据输出电压与上、下限电压的比较情况，控制器控制主电路开关装置的导通与关断。导通和关断时间根据比较情况可变，从而实现电压型滞环控制开关变换器的斜坡补偿控制。本发明所采用的具体技术方案为一种电压型滞环控制开关变换器的斜坡补偿方法，是通过电压采样电路，采样功率变换器的输出电压，分别反馈到两个比较器；同时通过电流采样电路，采样功率变换器的电感电流信号，分别反馈到减法器和加法器，反馈到减法器的电感电流信号与上限基准电压相减产生上限电压，反馈到加法器的电感电流信号与下限基准电压相加产生下限电压；输出电压经比较器与上限电压比较控制输出电压上限值，与下限电压比较控制输出电压的下限值；当输出电压上升到上限电压时，驱动脉冲信号使开关装置关断，当输出电压下降到下限电压时，驱动脉冲信号使开关装置导通，从而实现电压型滞环控制开关变换器的斜坡补偿控制。本发明的另一个目的是提供实现上述电压型滞环控制开关变换器的斜坡补偿控制方法的装置。在同一发明构思下对应于实现电压型滞环控制开关变换器的斜坡补偿控制方法提出具体的实现装置。控制器装置由电压检测装置5、电流采样电路6、减法器7、加法器8、上限基准电压9、下限基准电压10、比较器11、比较器12、RS触发器13及驱动电路14组成。电压检测装置5检测到的输出电压，分别反馈到比较器11和比较器12 ;电流采样电路6采样的电感电流信号，分别反馈到减法器7和加法器8，反馈到减法器7的电感电流信号与上限基准电压9相减产生上限电压，反馈到加法器8的电感电流信号与下限基准电压10相加产生下限电压；输出电压通过比较器11与上限电压进行比较，通过比较器12与下限电压进行比较，两个比较器的输出均用于触发RS触发器13，产生脉冲控制信号，最后脉冲控制信号通过驱动电路14控制主电路工作。与现有技术相比，本发明的有益效果是
一、与电压型滞环控制相比较，采用本发明降低了电压型滞环控制开关变换器对输出电容特性(如等效串联电阻)的依赖，消除了输出电压相位滞后电感电流相位对电压型滞环控制的影响，有效地将输出电压控制在上下限电压环内，从而提高了电压型滞环控制的稳态精度。二、控制器对电感电流信号进行了采样，实现了电感电流的逐周期控制和过流保护。
图I为本发明的控制系统实现装置结构框图。图2为本发明实施例的电路结构示意图。图3为本发明实施例的输出电压与驱动信号对应关系示意图。图4为本发明实施例的开关变换器的时域仿真波形图。图5为本发明实施例和电压型滞环控制的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时输出电压时域仿真波形图。图6为本发明实施例和电压型滞环控制的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时电感电流时域仿真波形图。图4中(a)为变换器输出电压时域仿真波形；(b)为控制器输出的驱动信号时域仿真波形。
图5中(a)为电压型滞环控制的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时的输出电压时域仿真波形；(b)为本发明实施例的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时的输出电压时域仿真波形。图6中(a)为电压型滞环控制的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时的电感电流时域仿真波形；(b)为本发明实施例的开关变换器在输出电容等效串联电阻小时的电感电流时域仿真波形。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。图I中，虚线框外为功率电路，包括输入I、开关装置2、滤波装置3和输出4 ;连接关系输入I连接到开关装置2，经过开关装置2后传输到滤波装置3，经过滤波装置3的作用后进入输出4。虚线框内为控制器，包括电压检测装置5、电流采样电路6、减法器7、加法器8、上限基准电压9、下限基准电压10、比较器11、比较器12、RS触发器13和驱动电路14 ;连接关系是连接在输出4上的电压检测装置5，分别连接到比较器11和比较器12的输入端；连接在滤波装置3上的电流采样电路6，分别连接到减法器7的输入端和加法器8的输入端；减法器7的另一输入端与上限基准电压9连接，加法器8的另一输入端与下限基准电压10连接；减法器7的输出端与比较器11的另一输入端相接，加法器8的输出端与比较器12的另一输入端相接；比较器11和比较器12的输出端分别与RS触发器13的两个输入端相接，RS触发器13的输出端与驱动电路14连接，用于控制开关装置2的导通与关断。对比图2和图1，各器件之间的对应关系分别为输入电压E对应输入1，S (MOSFET)和二极管D对应开关装置2，电感L、电容C和寄生电阻r对应滤波装置3，负载R对应输出4，电压采样电路5是电压检测装置5的具体形式，电流采样电路6对应电流采样电路6，减法器7对应减法器7，加法器8对应加法器8，上限基准电压Vh对应上限基准电压9，下限基准电压 '对应下限基准电压10，比较器11对应比较器11，比较器12对应比较器12，RS触发器13对应RS触发器13，驱动电路14对应驱动电路14。图2中具体的连接情况为输入电压E的正极与开关S(MOSFET)的漏极相接，负极与二极管D的阳极、等效串联电阻r的一端和负载R的一端(输出负极)相接；开关S(MOSFET)的源极与二极管D的阴极和电感L的一端相接，电感L的另一端与电容C的一端和负载R的一端(输出正极)相接，电容C的另一端与等效串联电阻r相接。电压采样电路5的输入端与负载R的一端(输出正极)相接,其输出端分别与比较器11的正相输入端相接，与比较器12的反相输入端相接；电流采样电路6的输入端与二极管D的阳极相接，电流采样电路6的输出端分别与减法器7的负输入端和加法器8的一个正输入端相接；减法器7的正输入端与上限基准电压Vh相接，其输出端与比较器11的反相输入端相接；加法器8的另一正输入端与下限基准电压 '相接，其输出端与比较器12的正向输入端相接；比较器11和比较器12的输出端分别与RS触发器13的R端和S端相接；RS触发器13的Q端与驱动电路14的输入端相接；驱动电路14的输出端与开关S(MOSFET)的栅极相接。控制方法的实现如下
步骤I :电压检测电路5将检测到的电压分别反馈到比较器11和比较器12。
步骤2 :电流采样电路6将采样到的电感电流信号分别反馈到减法器7和加法器8，反馈到减法器7的电感电流信号与上限基准电压9相减产生上限电压，反馈到加法器8的电感电流信号与下限基准电压10相加产生下限电压。
步骤3 :减法器7的输出经比较器11与输出电压进行比较，加法器8的输出经比较器12与输出电压进行比较。步骤4 :经比较后，比较器11和比较器12的输出均用于触发RS触发器13，当输出电压上升到上限电压时，RS触发器13复位，其输出经驱动电路14使开关装置2关断，输出电压下降；当输出电压下降到下限电压时，RS触发器13置位，其输出经驱动电路14使开关装置2导通，输出电压上升。步骤5 :当输出电压再次上升到上限电压时，进入下一个脉冲控制周期。由此，控制器控制功率电路输出稳定的电压。图2、图3示出了电压型滞环控制开关变换器斜坡补偿控制技术在Buck变换器中的应用。具体的工作过程与原理为在采样时刻，由电压采样电路将采样到的输出电压分别反馈到两个比较器；同时，电流采样电路将采样到的电感电流信号分别反馈到减法器和加法器，反馈到减法器的电感电流信号与上限基准电压相减产生上限电压，反馈到加法器的电感电流信号与下限基准电压相加产生下限电压；输出电压通过两个比较器分别与上、下限电压进行比较。当输出电压上升到上限电压时，与RS触发器R端相接的比较器输出高电平，RS触发器被复位，其Q端输出低电平使开关器关断；当输出电压下降到下限电压时，与RS触发器S端相接的比较器输出高电平，RS触发器被置位，其Q端输出高电平使开关器导通，从而控制开关变换器输出电压在上下限电压环内。通过引入电流信号作为斜坡补偿，降低了电压型滞环控制对输出电容等效串联电阻的依赖，提高了其控制性能。仿真结果分析
图4为采用PSIM仿真软件对本发明的控制方法进行时域仿真的结果，图4中分图(a)、(b)的横轴均为时间(ms)，(a)的纵轴为输出电压(V)，(b)的纵轴为驱动信号幅值(V)。从图4可以看出，变换器工作稳定，输出电压被有效地控制在上下限电压环内。仿真条件输入电压Vin=15V，上限基准电压Vh=5. 05V，下限基准电压Vl=4. 95V，电感L=200uH，电容C=IOOuF,等效串联电阻r=80mQ，电流采样增益G=O. 04，负载R=5 Ω。图5为电压型滞环控制和本发明的开关变换器在输出电容等效串联电阻为r=60mQ时，输出电压的时域仿真波形图，图5中分图(a)、(b)分别对应电压滞环控制和本发明，横轴均为时间(ms)，纵轴均为输出电压(V)。图5中，在相同的输出电容等效串联电阻情况下，采用本发明开关变换器的输出电压被有效地控制在上下限电压环内，而采用电压型滞环控制开关变换器的输出电压已超出设定的上下限基准电压环，失去了控制作用。可见采用本发明的开关变换器提高了电压型滞环控制控制器的控制性能。图6为电压型滞环控制和本发明的开关变换器在输出电容等效串联电阻为r=60mΩ时，电感电流的时域仿真波形图，图6中分图(a)、(b)分别对应电压型滞环控制和本发明，横轴均为时间(ms)，纵轴均为电感电流(A)。图6中，采用本发明的开关变换器电感电流波动小，具有优秀的限流效果。本发明除了可用于控制上述实施例中的功率变换器外，也可用于Boost变换器、Buck-boost变换器、Cuk变换器、正激变换器、半桥变换器、全桥变换器等功率电路组成的开关电源。·
权利要求
1.一种电压型滞环控制开关变换器的斜坡补偿方法，其特征在于，是通过电压采样电路，采样功率变换器的输出电压，分别反馈到两个比较器；同时通过电流采样电路，采样功率变换器的电感电流信号，分别反馈到减法器和加法器，反馈到减法器的电感电流信号与上限基准电压相减产生上限电压，反馈到加法器的电感电流信号与下限基准电压相加产生下限电压；输出电压经比较器与上限电压比较控制输出电压上限值，与下限电压比较控制输出电压的下限值；当输出电压上升到上限电压时，驱动脉冲信号使开关装置关断，当输出电压下降到下限电压时，驱动脉冲信号使开关装置导通，从而实现电压型滞环控制开关变换器的斜坡补偿控制。
2.一种实现权利要求I所述方法的控制器装置，其特征在于该控制装置由电压检测装置(5)、电流采样电路(6)、减法器(7)、加法器(8)、上限基准电压(9)、下限基准电压(10)、 比较器(11)、比较器(12)、RS触发器(13)及驱动电路(14)组成；电压检测装置(5)检测到的输出电压，分别反馈到比较器(11)和比较器(12 );电流采样电路(6 )采样的电感电流信号，分别反馈到减法器(7)和加法器(8)，反馈到减法器(7)的电感电流信号与上限基准电压(9)相减产生上限电压，反馈到加法器(8)的电感电流信号与下限基准电压(10)相加产生下限电压；输出电压通过比较器(11)与上限电压进行比较，通过比较器(12)与下限电压进行比较，两个比较器的输出均用于触发RS触发器(13)，产生脉冲控制信号，最后脉冲控制信号通过驱动电路(14 )控制主电路工作。
全文摘要
本发明涉及电压型滞环控制开关功率变换器的斜坡补偿控制方法及其装置。本发明方法是在电压型滞环控制基础上，引入电感电流信号作为电压型滞环控制的斜坡补偿，将上限基准电压减去斜坡补偿作为上限电压，将下限基准电压加上斜坡补偿作为下限电压，根据输出电压与上、下限电压的比较情况，控制器控制主电路开关装置的导通与关断。导通和关断时间根据比较情况可变，从而实现电压型滞环控制开关变换器的斜坡补偿控制。采用本发明降低了电压型滞环控制开关变换器对输出电容特性的依赖，消除了输出电压相位滞后电感电流相位对电压型滞环控制的影响，有效地将输出电压控制在上下限电压环内，从而提高了电压型滞环控制的稳态精度。
文档编号H02M3/155GK102931838SQ201210460078
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者包伯成, 张希, 杨杰, 冯霏 申请人:常州大学