开关电源的脉冲开/关控制技术及其装置

摘要

本发明公开了一种开关电源的脉冲开关控制方法及其装置。根据开关变换器的输出状态，控制器产生等周期导通或者关断脉冲，以实现对开关变换器的控制：在时钟信号开始时刻采样开关电源的输出电压值反馈到电压比较器，并与基准电压值相比较：当采样到的输出电压低于基准电压时，则在该时钟周期内导通开关管，使输出电压上升；相反，当采样到的输出电压高于基准电压时，则在该时钟周期内关断开关管，使输出电压下降，从而实现开关电源的脉冲开/关控制。本发明可用于控制各种拓扑结构的开关变换器，其优点是：控制环路简单可靠，无需补偿网络，瞬态响应速度快，轻载效率高。

权利要求

1.开关电源的脉冲开关控制方法，其特征在于，根据开关变换器的输出状态，控制器产生等周期导通或者关断脉冲，以实现对开关变换器的控制：在时钟信号开始时刻采样开关电源的输出电压值反馈到电压比较器，控制器在无补偿网络的工况下直接用输出电压与基准电压相比较：当采样到的输出电压低于基准电压时，则在该时钟周期内导通开关管，使输出电压上升；相反，当采样到的输出电压高于基准电压时，则在该时钟周期内关断开关管，使输出电压下降，从而实现开关电源的脉冲开/关控制。

2.一种实现权利要求1所述开关电源的脉冲开关控制方法的装置，由电压检测装置、比较器、D触发器、时钟电路及驱动电路组成；其特征在于，电压检测装置、比较器、D触发器及驱动电路顺序连接，时钟电路与D触发器连接。

说明书

开关电源的脉冲开/关控制技术及其装置

技术领域

[0001] 本发明涉及电子电力开关设备，尤其是开关电源的脉冲开/关控制方法及其装置。

背景技术

[0002] 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。80年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。90年代，各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备、控制设备等都已广泛地使用开关电源作为其供电电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。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及动态性能等方面产生影响，因而控制方法的研究显得日益重要。

[0003] 目前，很多应用场合需要开关电源具有很好的瞬态响应速度，而采用传统的脉冲宽度调制（PWM）技术已很难满足这一要求；另外，便携式用电设备等具有待机功能的设备，待机状态时，负载较轻，此时，如果降低变换器有效开关频率，则能减少变换器转换损耗，提高电源整体效率。

[0004] 传统的电压型脉冲宽度调制技术是最为常见的一种开关电源调制方法。其控制思想是：用误差放大器对开关电源的输出电压和基准电压进行比较获得误差信号，再由比较器对该误差信号与固定频率锯齿波信号进行比较获得脉宽信号，以控制开关装置的导通、关断，使输出电压达到期望值。当负载出现波动时，由于补偿网络的存在，误差信号变化相对缓慢，因而脉冲宽度的变化也较为缓慢，这使得开关电源的动态响应速度较慢。另一方面，补偿网络设计不当会造成系统不稳定，并且其设计过程十分繁琐，因而在很大程度上限制了控制电路的集成与推广。

[0005] 脉冲频率调制（PFM）技术是另外一种常见形式的开关电源调制方法，和脉冲宽度调制技术不一样，它通过改变脉冲频率而不是脉冲宽度来调整占空比，从而调整输出电压值。但这种调制方法在输入电压或负载发生改变时，工作频率会发生较大的波动，从而很难设计EMI滤波器。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种开关电源的控制方法，使之克服现有技术的以上缺点。

[0007] 本发明为解决其技术的方法是：根据开关变换器的输出状态，控制器产生等周期导通或者关断脉冲，以实现对开关变换器的控制。所采用的具体技术方案为：在时钟信号开始时刻采样开关电源的输出电压值反馈到电压比较器，并与基准电压值相比较：当采样到的输出电压低于基准电压时，则在该时钟周期内导通开关管，使输出电压上升；相反，当采样到的输出电压高于基准电压时，则在该时钟周期内关断开关管，使输出电压下降，从而实现开关电源的脉冲开/关控制。

[0008] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0009] 一、与现有的脉冲宽度调制技术相比，本发明采用固定周期的导通脉冲和关断脉冲信号作为开关装置的驱动，在开关电源负载突变时，控制器能够实现连读导通或者关断多个时钟周期的，使开关电源迅速恢复稳态；

[0010] 二、与现有的脉冲宽度调制技术相比，本发明的开关电源在轻负载状态时，控制器将产生较多的关断脉冲，减小开关动作次数，降低变换器有效开关频率，提高转换效率；

[0011] 三、与现有的脉冲频率调制技术相比，本发明的开关电源在输入电压或负载发生改变时，开关装置的导通与关断脉冲始终是以时钟周期为单位产生，即开关信号的频谱不会随着输入电压或负载的变化而在频率轴上移动，从而降低了电磁干扰噪声滤波器的设计难度；

[0012] 四、控制器直接用输出电压与基准电压相比较，无需补偿网络，简化了控制环路设计，增强了系统稳定性，提高了瞬态响应速度。

[0013] 本发明的另一目的是提供实现上述开关电源的脉冲开/关控制方法的装置。在同一发明构思下对应于实现开关电源的脉冲开/关控制方法提出了两种具体的实现装置。实现装置由电压检测装置、比较器、D触发器、时钟电路及驱动电路组成；其中：电压检测装置、比较器、D触发器及驱动电路顺序连接，时钟电路与D触发器连接。

[0014] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

[0015] 图1为本发明的控制系统采用技术方案的实现装置结构框图。

[0016] 图2为本发明实施例一的电路结构示意图。

[0017] 图3为本发明实施例一中，输出电压与驱动信号对应关系示意图。

[0018] 图4为本发明实施例一中，开关电源的时域仿真波形图。

[0019] 图5为本发明实施例一中，开关电源的轻载时域仿真波形图。

[0020] 图6为本发明实施例一和传统电压型PWM调制的开关电源在负载突变时输出电压时域仿真波形图。

[0021] 图7为本发明实施例一和传统电压型PWM调制的开关电源功率开关管漏极和源极间电压信号频域仿真波形图。

[0022] 图8为本发明实施例二的电路结构示意图。

[0023] 图4中：（a）为控制器输出的驱动信号波形；（b）为变换器输出电压波形；（c）为时钟信号波形。

[0024] 图5中：（a）为控制器输出的驱动信号波形；（b）为变换器输出电压波形；（c）为时钟信号波形。

[0025] 图6中：（a）为传统电压型PWM调制的开关电源在负载突变时的输出电压波形；（b）为本发明实施例一的开关电源在负载突变时的输出电压波形。

[0026] 图7中：（a）为传统电压型PWM调制的开关电源功率开关管漏、源极间电压信号频谱图；（b）为本发明实施例一的开关电源功率开关管漏、源极间电压信号频谱图。

具体实施方式

[0027] 实施例一

[0028] 采用技术方案：

[0029] 图1示出，本发明的具体实施方式为：开关电源的脉冲开/关控制方法及其装置，其控制器主要由比较器、D触发器、时钟电路及驱动电路组成。输出电压经检测装置后与基准电压相比较，比较器输出经D触发器同步触发后产生开/关脉冲；开/关脉冲经驱动电路后用于控制变换器的开关装置，由此得到期望的稳定输出电压。

[0030] 图2、图3给出了脉冲开/关控制技术在Buck变换器中的应用。

[0031] D触发由时钟信号Vclk同步触发，触发周期为T，输出电压与比较器比较后的结果送至D触发器。当时钟信号来临时，如果输出电压Vo比参考电压Vref低，比较器输出高电平，则该时钟周期开关管导通，输出电压上升；反之，如果输出电压Vo比参考电压Vref高，比较器输出低电平，则该时钟周期开关管关断，输出电压下降。系统稳定工作后，在稳定工作状态下，输出电压将在基准电压附近的一个很小范围内波动，驱动脉冲在一个大的循环周期内是导通脉冲与关断脉冲的一种组合。开关管完成一次开关动作至少需要一个导通脉冲和一个关断脉冲，因此变换器最小开关周期是时钟周期的2倍。在电感电流断续模式下，导通脉冲所占比重会随着负载功率的增加而增加；在电感电流连续导电模式，导通脉冲所占比例仅与输入输出电压增益相关，与负载无关。

[0032] 仿真结果分析：

[0033] 图4为采用PIM软件对本发明的控制方法进行时域仿真的结果，图4分图（a）、（b）的横轴均为时间（ms）,（a）的纵轴为驱动信号幅值（V），（b）的纵轴为输出电压（V）。仿真条件：输入电压Vin=14V，输出电压Vo=Vref=6V，电感L=5.6uH，电容C=470uF,负载R=3Ω，时钟频率fC=200kHz。

[0034] 图5负载R=7.5Ω，其他仿真条件与图4相同。对比图4与图5可知，负载减轻后，关断脉冲个数增加，有效开关频率降低。可见本发明可以通过降低有效开关频率提高变换器轻载效率。

[0035] 图6为采用传统电压型PWM调制和本发明的开关电源在负载出现突变情况下的输出电压动态响应时域仿真波形图，分图（a）、（b）分别对应传统电压型PWM调制和本发明，横轴均为时间(ms)，纵横均为输出电压（V）。图6中，在5ms时负载由1.0A阶跃变化至2.5A，采用传统电压型PWM调制（开关频率fs=100KHz），系统响应时间需要0.4ms；而采用本发明瞬态响应速度很快，几乎没有响应时间，系统立即进入稳态。可见采用本发明的开关电源具有很好的负载动态特性。

[0036] 图7为采用传统电压型PWM调制和本发明的开关电源功率开关管漏极和源极间电压信号仿真频谱图，分图（a）、（b）分别对应传统电压型控制和本发明，横轴均为频率（KHz），纵轴均为功率开关管漏、源极间电压信号经傅立叶变换（FFT）后的幅值（V）。从图7中可见，采用本发明后，功率开关管漏、源极间电压信号在相应频率处具有更小的幅值，因而系统将产生更小的电磁干扰（EMI）噪声，有利于EMI滤波器的设计。

[0037] 实施例二

[0038] 图8示出，本例与实施例一相比，功率变换器为反激变换器，控制装置与实施例一相同，不同之处在于导通脉冲Pon有最大占空比限制。同样通过仿真证明，采用本发明的反激变换器的输出电压稳定，动态响应速度快，电磁干扰（EMI）噪声小。

[0039] 本发明除了可用于控制上述实施例中的两种功率变换器外，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。