專利名稱：開關(guān)電源的雙頻率控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及開關(guān)電源的雙頻率控制方法及其裝置。
技術(shù)背景隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的 關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源。由于開關(guān)電源相對(duì)于傳 統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源具有效率高、體積小等方面的優(yōu)勢(shì)，使得開關(guān)電源技術(shù)逐 漸成為人們應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。電力電子器件的飛速發(fā)展更是給開關(guān)電源 提供了一個(gè)很大的發(fā)展空間，使其朝著體積小，重量輕，效率高，功率密度大等方向發(fā)展，引起業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，應(yīng)用前景廣闊。80年代，計(jì) 算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算^L的電源換代。90年代， 各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備、控制設(shè)備 等都已廣泛地使用開關(guān)電源作為其供電電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅 速發(fā)展。開關(guān)電源主要由功率變換器和控制器兩部分構(gòu)成。功率變換器又 稱為功率電路，主要包括開關(guān)裝置、變壓器裝置和整流濾波電路。常見的 功率變換器拓樸結(jié)構(gòu)有Buck變換器(降壓變換器)、Boost變換器(升壓變 換器)、Buck-Boost變換器(升降壓變換器)、正激變換器、反激變換器等。 控制器能夠檢測(cè)功率變換電路輸入或輸出電壓的變化，并據(jù)此產(chǎn)生相應(yīng)開 關(guān)信號(hào)控制功率變換電路開關(guān)裝置的工作狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)傳遞給負(fù)載的能 量以穩(wěn)定開關(guān)電源輸出?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)和工作原理由開關(guān)電源所采用的控 制方法決定。對(duì)于同一功率電路拓樸，采用不同的控制方法會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn) 態(tài)精度及動(dòng)態(tài)性能等方面產(chǎn)生影響，因而控制方法的研究顯得日益重要。目前，很多應(yīng)用場(chǎng)合需要開關(guān)電源具有很好的瞬態(tài)響應(yīng)速度，而采用傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)已很難滿足這一要求；另外，高頻化是開關(guān)電 源的重要發(fā)展趨勢(shì)，這使得開關(guān)電源更加小型化，但同時(shí)也帶來了較為嚴(yán) 重的電磁干擾問題，這就迫切的需要新的控制方法的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的電壓型脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是最為常見的 一 種開關(guān)電源調(diào)制方法。其控制思想是用誤差放大器對(duì)開關(guān)電源的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行 比較獲得誤差信號(hào)，再由比較器對(duì)該誤差信號(hào)與固定頻率鋸齒波信號(hào)進(jìn)行 比較獲得脈寬信號(hào)，以控制開關(guān)裝置的導(dǎo)通、關(guān)斷，使輸出電壓達(dá)到期望 值。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的存在，誤差信號(hào)變化相對(duì)緩慢， 因而脈沖寬度的變化也較為緩慢，這使得開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。 另一方面，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且其設(shè)計(jì)過程十分繁 瑣，因而在很大程度上限制了控制電路的集成與推廣。脈沖頻率調(diào)制(PFM)技術(shù)是另外一種常見形式的開關(guān)電源調(diào)制方法， 和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)不一樣，它通過改變脈沖頻率而不是脈沖寬度來調(diào)整 占空比，從而調(diào)整輸出電壓值。但這種調(diào)制方法在輸入電壓或負(fù)載發(fā)生改 變時(shí)，工作頻率會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)，從而很難設(shè)計(jì)EMI濾波器。在某些對(duì) 于電磁干擾噪聲敏感的電子設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合，PFM (脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)將不適用。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種開關(guān)電源的控制方法，使之克服現(xiàn)有技 術(shù)的以上缺點(diǎn)。本實(shí)用新型為解決其技術(shù)的方法是根據(jù)開關(guān)變換器的輸出狀態(tài)，控 制器采用兩組頻率不同的脈沖進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)變換器的控制，提 供實(shí)現(xiàn)上述開關(guān)電源的雙頻率控制方法的裝置。并在同一實(shí)用新型構(gòu)思下對(duì)應(yīng)于實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的雙頻率控制方法提出了兩種具體的實(shí)現(xiàn)裝置。裝置①由電壓檢測(cè)裝置、比較器、脈沖生成器、脈沖選擇器及驅(qū)動(dòng)電路組成；其中電壓檢測(cè)裝置、比較器、脈沖選擇器及驅(qū)動(dòng)電路順序連接；有由電流檢測(cè)裝置和比較器構(gòu)成的電流比較支路與產(chǎn)生兩種不同頻率脈沖 的脈沖生成器相連。電壓檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出電壓，然后通過比較器控制脈 沖周期選擇器，電流檢測(cè)裝置檢測(cè)電感電流，再通過比較器后與脈沖周期 選擇器共同作用于脈沖生成器生成控制脈沖，最后控制脈沖通過驅(qū)動(dòng)電路 控制主電路工作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是一、 與現(xiàn)有的單一恒定頻率控制相比，本實(shí)用新型釆用兩組恒定頻率 (高頻、低頻)脈沖信號(hào)作為開關(guān)裝置的驅(qū)動(dòng)，開關(guān)信號(hào)頻譜在兩個(gè)工作頻率上拓展，系統(tǒng)產(chǎn)生更小的電磁干擾噪聲，有利于EMI濾波器的設(shè)計(jì)；二、 與現(xiàn)有的脈沖頻率調(diào)制技術(shù)相比，本實(shí)用新型的開關(guān)電源在輸入 電壓及負(fù)載發(fā)生改變時(shí)，開關(guān)裝置的驅(qū)動(dòng)始終是兩組恒定頻率脈沖的組合， 也即是開關(guān)信號(hào)的頻譜不會(huì)隨著輸入電壓或負(fù)載的變化而在頻率軸上移 動(dòng)，從而降低了電磁干擾噪聲濾波器的設(shè)計(jì)難度；三、 相對(duì)于已有的傳統(tǒng)電壓型脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，采用本實(shí)用新型的 開關(guān)電源在負(fù)載突變時(shí)，控制器能夠快速調(diào)整高頻脈沖和低頻脈沖所占的 比例，使開關(guān)電源迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)；四、 控制器直接用輸出電壓與基準(zhǔn)電壓相比較，無需補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化 了控制環(huán)路設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了瞬態(tài)響應(yīng)速度。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

圖1為本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)采用技術(shù)方案①的實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例一中，輸出電壓與驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例一中，開關(guān)電源的時(shí)域仿真波形圖。圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例一和傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)制的開關(guān)電源在負(fù)載突變時(shí)輸出電壓時(shí)域仿真波形圖。圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例一和傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)制的開關(guān)電源功率開 關(guān)管漏極和源極間電壓信號(hào)頻域仿真波形圖。圖7為本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)采用技術(shù)方案②的實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖8為本實(shí)用新型采用技術(shù)方案(2)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為圖8所示電路主要工作波形示意圖。圖10為本實(shí)用新型實(shí)施例二的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4中(a)為控制器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形；(b)為變換器輸出電壓 波形。圖5中(a)為傳統(tǒng)電壓型P麗調(diào)制的開關(guān)電源在負(fù)載突變時(shí)的輸出 電壓波形；(b)為本實(shí)用新型實(shí)施例一的開關(guān)電源在負(fù)載突變時(shí)的輸出電 壓波形。圖6中(a)為傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)制的開關(guān)電源功率開關(guān)管漏、源極 間電壓信號(hào)頻譜圖；(b)為本實(shí)用新型實(shí)施例一的開關(guān)電源功率開關(guān)管漏、 源極間電壓信號(hào)頻譜圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例一 采用技術(shù)方案CD:圖l示出，本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
為開關(guān)電源的雙頻率控制方 法及其裝置，其控制器主要由比較器、脈沖生成器、脈沖選擇器及驅(qū)動(dòng)電 路組成。輸出電壓經(jīng)檢測(cè)裝置后與基準(zhǔn)電壓相比較，比較器輸出直接用于 控制脈沖選擇器的工作；脈沖生成器產(chǎn)生兩組不同頻率的脈沖供脈沖選擇 器選擇；脈沖選擇器的輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后用于控制變換器的開關(guān)裝置，由 此得到期望的穩(wěn)定輸出電壓。圖2、圖3給出了雙頻率控制技術(shù)在工作于電流斷續(xù)模式下的Buck變信號(hào)(高頻fH、低頻fL)。在電流斷續(xù)模式下，由于高頻脈沖與低頻脈沖具有相同的導(dǎo)通時(shí)間，所以在一個(gè)工作周期內(nèi)，控制器采用高頻脈沖工作可以向輸出端傳遞更多的能量。因而，當(dāng)采樣到的輸出電壓(v。)低于基準(zhǔn)電壓(Vw)時(shí)，脈沖選擇器選擇高頻脈沖作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出電壓上升；相 反，當(dāng)采樣到的輸出電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，脈沖選擇器采用低頻脈沖作為 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出電壓下降。系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，驅(qū)動(dòng)脈沖在一個(gè)大的循環(huán)周 期內(nèi)是高頻脈沖與低頻脈沖的 一種組合，而各自所占的比重由輸出功率決 定。即負(fù)載加重時(shí)，控制器將在循環(huán)周期內(nèi)選取較多的高頻脈沖工作。本例中，具體的工作過程與原理為在任意一個(gè)脈沖信號(hào)的結(jié)束時(shí)刻， 邏輯控制電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖信號(hào)用以使能采樣/保持電路，采樣到的 輸出電壓立即與基準(zhǔn)電壓相比較。當(dāng)采樣值大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器將輸 出低電平，表示輸出電壓超過了期望值，控制器將選用低頻脈沖工作，使 輸出電壓下降；反之，控制器將選用高頻脈沖使輸出電壓上升。邏輯控制 電路還負(fù)責(zé)記錄控制器當(dāng)前所選用的脈沖頻率的高低，并相應(yīng)的在這個(gè)脈 沖的結(jié)束時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖再次使能采樣/保持電路，進(jìn)入下一次循環(huán)。 在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，輸出電壓將在基準(zhǔn)電壓附近的一個(gè)很小范圍內(nèi)波動(dòng)。仿真結(jié)果分析圖4為采用Pspice軟件對(duì)本實(shí)用新型的控制方法進(jìn)行時(shí)域仿真的結(jié) 果，圖4分圖(a)、 (b)的橫軸均為時(shí)間(ms) , (a)的縱軸為驅(qū)動(dòng)信號(hào) 幅值(V)， (b)的縱軸為輸出電壓(V)。在圖4中可以看出，驅(qū)動(dòng)信號(hào)中 低頻脈沖占據(jù)了主要部分，說明負(fù)載較輕。仿真條件輸入電壓V,14V, 輸出電壓V。^re產(chǎn)6V,電感L=5.6uH,電容OlOOOuF，負(fù)載R=5 Q ，高頻 f『56KHz、低頻fL-18KHz,固定導(dǎo)通時(shí)間為6us。圖5為采用傳統(tǒng)電壓型P麗調(diào)制和本實(shí)用新型的開關(guān)電源在負(fù)載出現(xiàn)突變情況下的輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)域仿真波形圖，分圖(a)、 (b)分別對(duì) 應(yīng)傳統(tǒng)電壓型PWM調(diào)制和本實(shí)用新型，4黃軸均為時(shí)間(ms),縱橫均為輸出 電壓(V)。圖5中，在12ms時(shí)負(fù)載由1. 2A階躍變化至3. 2A,采用傳統(tǒng)電 壓型PWM調(diào)制(開關(guān)頻率f>37KHz),系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間需要1.6ms,并且會(huì)產(chǎn) 生高達(dá)O. 3V的偏移量；而釆用本實(shí)用新型瞬態(tài)響應(yīng)速度很快，幾乎沒有響 應(yīng)時(shí)間及偏移量，系統(tǒng)立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)?？梢姴捎帽緦?shí)用新型的開關(guān)電源具 有很好的負(fù)載動(dòng)態(tài)特性。圖6為采用傳統(tǒng)電壓型P麗調(diào)制和本實(shí)用新型的開關(guān)電源功率開關(guān)管 漏極和源極間電壓信號(hào)仿真頻譜圖，分圖(a)、 (b)分別對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)電壓型 控制和本實(shí)用新型，橫軸均為頻率(KHz)，縱軸均為功率開關(guān)管漏、源極 間電壓信號(hào)經(jīng)傅立葉變換(FFT)后的幅值(V)。從圖6中可見，采用本實(shí) 用新型后，功率開關(guān)管漏、源極間電壓信號(hào)在相應(yīng)頻率處具有更小的幅值， 因而系統(tǒng)將產(chǎn)生更小的電^t干擾(EMI)噪聲，有利于EMI濾波器的設(shè)計(jì)。采用技術(shù)方案②圖7示出，本實(shí)用新型采用技術(shù)方案②的具體實(shí)施方式
為開關(guān)電源 的雙頻率控制方法及其裝置，其控制器主要由比較器、脈沖周期選擇器、 脈沖生成器及驅(qū)動(dòng)電路組成。輸出電壓經(jīng)檢測(cè)裝置后和基準(zhǔn)電壓相比較， 比較的輸出用于控制脈沖周期選擇器工作；電流檢測(cè)裝置檢測(cè)到的電流信 號(hào)與峰值電流相比較，比較輸出與脈沖周期選擇器共同作用于脈沖產(chǎn)生器， 產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后用于控制功率變換器的開關(guān)裝置，由此得到 穩(wěn)定的輸出電壓。Buck變換器中的應(yīng)用。具體的工作過程及原理為在任意一個(gè)脈沖信號(hào)的 開始時(shí)刻， 一個(gè)窄脈沖使能采樣/保持電路電路，采樣到的輸出電壓(V。) 與基準(zhǔn)電壓(V^)相比較，比較的輸出用于選擇當(dāng)前工作脈沖周期的長短。 fH， 、 fV為與fH、 fL同頻率的窄脈沖，用以使能采樣/保持電路及置位RS 觸發(fā)器。當(dāng)采樣到的輸出電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，控制器選擇fV工作，表 明當(dāng)前工作脈沖應(yīng)該選用高頻脈沖fH用以提升輸出電壓；反之，當(dāng)輸出電 壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，控制器選擇fL，工作，表明當(dāng)前工作脈沖應(yīng)該選用低 頻脈沖fL用以降低輸出電壓。在任意一個(gè)脈沖信號(hào)的開始時(shí)刻，控制器已 經(jīng)通過采樣到的電壓與基準(zhǔn)電壓相比較確定了當(dāng)前周期持續(xù)的長短，并置 位RS觸發(fā)器，使Q端輸出高電平，開關(guān)管S導(dǎo)通，電感電流(it)從零開 始線性上升。電流檢測(cè)裝置檢測(cè)到的電感電流與峰值電流(I一)比較，當(dāng)電 感電流上升到峰值電流時(shí)，比較器輸出電平發(fā)生改變并迅速復(fù)位RS觸發(fā)器， 使Q端輸出低電平，開關(guān)管S關(guān)斷，電感電流下降，直到下一個(gè)脈沖信號(hào) 的來臨再次置位RS觸發(fā)器。當(dāng)開關(guān)變換器穩(wěn)定工作后，在任意一個(gè)開關(guān)周 期內(nèi)，電感電流均是以一固定斜率從零開始線性上升，由于峰值電流是固 定不變的，所以高頻脈沖和低頻脈沖具有相同的導(dǎo)通時(shí)間，從而采用高頻 脈沖工作可向負(fù)載傳遞更多的能量。也正是由于峰值電流的存在，使得電 感電流一旦達(dá)到峰值電流時(shí)，開關(guān)管就自動(dòng)關(guān)斷，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電路的過 流保護(hù)。當(dāng)負(fù)載加重時(shí)，控制器將選用更多的高頻脈沖fH工作；反之，控 制器將選用更多的低頻脈沖fL工作?？傊?，雙頻率控制器能根據(jù)輸出狀態(tài) 自動(dòng)調(diào)整高、低頻脈沖的組合來維持輸出電壓恒定。 實(shí)施例二圖10示出，本例與實(shí)施例一相比，功率變換器為反激變換器，控制裝置與實(shí)施例一相同。同樣通過仿真證明，采用本實(shí)用新型的反激變換器的輸出電壓穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，電磁干擾(EMI )噪聲小。本實(shí)用新型除了可用于控制上述實(shí)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、Cuk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(guān)電源。
權(quán)利要求1、一種開關(guān)電源的雙頻率控制裝置，由電壓檢測(cè)裝置、比較器、脈沖生成器、脈沖選擇器及驅(qū)動(dòng)電路組成，其特征在于電壓檢測(cè)裝置、比較器、脈沖選擇器及驅(qū)動(dòng)電路順序連接；可產(chǎn)生兩種不同頻率脈沖的脈沖生成器連接在脈沖選擇器上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)電源的雙頻率控制裝置，其特征在于 設(shè)置有由電流檢測(cè)裝置和比較器構(gòu)成的電流比較支路與產(chǎn)生兩種不同頻率 脈沖的脈沖生成器相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種開關(guān)電源的雙頻率控制方法和裝置，根據(jù)開關(guān)變換器的輸出狀態(tài)，控制器采用兩組頻率不同的脈沖進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)變換器的控制。該實(shí)用新型可用于控制各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)變換器，其優(yōu)點(diǎn)是控制環(huán)路簡(jiǎn)單可靠，無需補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，瞬態(tài)響應(yīng)速度快，電磁干擾(EMI)噪聲小。
文檔編號(hào)H02M1/44GK201383756SQ200920079220
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者吳松榮, 周國華, 牟清波, 王金平, 明 秦, 許建平 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)