开关电源的双脉冲跨周期调制方法及其装置.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210131033.0	申请日：	2012.05.02
公开号：	CN102655371A	公开日：	2012.09.05
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):H02M 3/156申请公布日:20120905\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H02M 3/156申请日:20120502\|\|\|公开
IPC分类号：	H02M3/156	主分类号：	H02M3/156
申请人：	常州大学
发明人：	包伯成; 许建平; 潘赛虎; 马正华; 王金平
地址：	213164 江苏省常州市武进区滆湖路1号
优先权：
专利代理机构：	南京经纬专利商标代理有限公司 32200	代理人：	楼高潮
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内容摘要

本发明公开一种开关电源的双脉冲跨周期调制方法及其装置，主电路的输出电压vo经电压检测装置后与基准电压Vref和基准电压减去误差电压之值Vref―eref相比较，若vo>Vref，比较器输出低电平信号；若Vref―eref

权利要求书

1：一种开关电源的双脉冲跨周期调制方法，控制器采集主电路的输出信号产生控制信号，反馈控制主电路输出，其特征是包括如下步骤：（1）主电路的输出电压 v o 经电压检测装置后与基准电压 V ref 和基准电压减去误差电压之值V ref ― e ref 相比较，若v o>V ref，比较器输出低电平信号；若V ref―e ref2：一种实现权利要求 1 所述开关电源的双脉冲跨周期调制方法的装置，开关电源由主电路和控制器两部分组成，主电路由开关装置和滤波装置顺序连接，其特征是：控制器由脉冲生成器和顺序连接的电压检测装置、比较器、脉冲选择器、驱动电路组成，脉冲生成器连接脉冲选择器；脉冲生成器可产生两种不同占空比脉冲供脉冲选择器选择，脉冲选择器在一个时钟周期内可选择任一占空比的脉冲或者不选择任何脉冲；主电路的输出信号输入电压检测装置，驱动电路连接开关装置。

说明书

开关电源的双脉冲跨周期调制方法及其装置
    【技术领域】
     本发明涉及开关电源，具体是其双脉冲跨周期调制方法及装置。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。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。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，这就迫切的需要新的控制方法的出现。
     脉冲序列 (PT) 控制技术是近年来出现的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，它通过调整两组预先设定的高低功率控制脉冲信号的组合方式来实现输出电压值的调节，是一种非线性离散控制方法。与 PWM 控制相比， PT 控制不需要补偿网络、控制电路实现简单、对输入和负载的变化具有快速的动态响应速度，非常适用于对可靠性要求较高的开关电源控制系统。但 PT 控制方法在输入电压增大或负载减轻时，输出电压将失去控制，因此 PT 控制方法不适用于负载较轻的场合。
     单脉冲跨周期调制（PSM）控制技术可视作为 PT 控制技术的一种特例，此时低功率控制脉冲信号的占空比为零。设定 PSM 控制开关变换器在一个时钟周期内功率开关管不发生开关动作，此时钟周期被跨过，对应于控制脉冲信号占空比为零。开关电源单脉冲跨周期调制装置的控制部分主要由电压检测装置、比较器、脉冲生成器及驱动电路构成，较 PT 控制技术要求的控制电路更为简单 , 也不需要补偿网络。由于采用单个高占空比脉冲， PSM 控制的开关变换器输出电压纹波较大，一旦电路参数确定后，可调节的负载范围就很小，一般更适用于负载较轻的场合或者设备处于待机的状态。在某些对于系统的稳态精度较高的电子设备的应用场合， PSM 技术将不适用。
     发明内容
     本发明的目的是为克服上述单脉冲跨周期调制（PSM）技术的不足，提供一种稳态精度较高、瞬态响应速度快、动态性能好的开关电源的双脉冲跨周期调制方法及其装置。
     本发明的开关电源的双脉冲跨周期调制方法采用的技术方案是：控制器采集主电路的输出信号产生控制信号，反馈控制主电路输出，包括如下步骤：（1）主电路的输出电压v o 经电压检测装置后与基准电压 V ref 和基准电压减去误差电压之值 V ref ― e ref 相比较，若 v o>V ref，比较器输出低电平信号；若 V ref―e ref     本发明的开关电源的双脉冲跨周期调制装置采用的技术方案是：开关电源由主电路和控制器两部分组成，主电路由开关装置和滤波装置顺序连接，其特征是：控制器由脉冲生成器和顺序连接的电压检测装置、比较器、脉冲选择器、驱动电路组成，脉冲生成器连接脉冲选择器；脉冲生成器可产生两种不同占空比脉冲供脉冲选择器选择，脉冲选择器在一个时钟周期内可选择任一占空比的脉冲或者不选择任何脉冲；主电路的输出信号输入电压检测装置，驱动电路连接开关装置。
     与现有技术相比，本发明的有益效果是： 1、与现有的单脉冲跨周期调制相比，本发明采用两个不同占空比脉冲信号作为开关装置的驱动，系统输出电压纹波更小； 2、与现有的脉冲序列控制技术相比，本发明利用无控制脉冲信号作为开关变换器的脉冲跨周期调制，在输入电压或负载发生较宽范围变化时，开关电源也能保持正常稳定工作，从而拓宽了输入电压或负载动态范围； 3、相对于已有的传统电压型脉冲宽度调制技术，采用本发明的开关电源在负载突变时，控制器能够快速调整高占空比脉冲、低占空比脉冲和跨周期脉冲所占的比例，使开关电源迅速恢复稳态； 4、控制器直接用输出电压与基准电压和基准电压减去误差电压之值相比较，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。
     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
     图 1 为本发明开关电源的双脉冲跨周期调制装置的实现结构框图；图 2 为本发明实施例的电路结构示意图；图 3 为本发明实施例中，输出电压、驱动信号与电感电流对应关系示意图；图 4 为本发明实施例中，开关电源的时域仿真波形图；图 5 为本发明实施例和 PSM 调制及 PT 控制的开关电源输出电压纹波的仿真图；图 6 为本发明实施例和 PSM 调制及 PT 控制的开关电源在负载突变时输出电压时域仿真波形图。具体实施方式
     图 1 示出，开关电源的双脉冲跨周期调制的实现装置由主电路（虚线框外）和控制器（虚线框内）两部分组成。控制器采集主电路的输出信号，从而产生控制信号，反馈控制主电路输出。主电路由开关装置 1 和滤波装置 2 顺序连接。控制器由电压检测装置 3、比较器 4、脉冲生成器 5、脉冲选择器 6 及驱动电路 7 组成。主电路的输出信号输入电压检测装置3，电压检测装置 3、比较器 4、脉冲选择器 6 及驱动电路 7 顺序连接，驱动电路 7 连接开关装置1；可产生两种不同占空比脉冲的脉冲生成器 5 连接在脉冲选择器 6 上。
     主电路的输出电压 v o 经电压检测装置 3 后与基准电压 V ref 和基准电压减去误差电压之值 V ref ― e ref 相比较，比较器 4 输出直接用于控制脉冲选择器 6 的工作；脉冲生成器 5 产生两个不同占空比的脉冲供脉冲选择器 6 选择；脉冲选择器 6 在一个时钟周期内可以选择任一占空比的脉冲或者不选择任何脉冲，致使此时钟周期跨过，其输出经驱动电路 7 后用于控制变换器的开关装置 1，由此得到期望的稳定输出电压。另外主电路中的滤波装置 2 是用来滤除电路中出现的杂波。
     图 2 给出了双脉冲跨周期调制技术在工作于电流断续模式下的 Buck 变换器中的应用。由图 2 所示， Buck 电路拓扑以 E 为输入电压，电阻 R 作为负载，由一个开关管 S、一个二极管 D、一个电感 L、一个电容 C 组成。脉冲生成器 5 产生两个具有不同占空比的脉冲信号，分别是高占空比脉冲信号 PH、低占空比脉冲信号 PL。电压检测装置 3 包括采样 / 保持电路和逻辑控制电路，采样 / 保持电路作为电压检测装置 3 的一部分，在任意一个脉冲信号的结束时刻，由逻辑控制电路产生一个窄脉冲信号控制，输出信号送与比较器 4。
     图 3 为本发明图 2 实施例中，输出电压 v o、驱动信号 v P 与电感电流 i L 对应关系示意图。由图 3 可知，在电流断续模式下，在一个工作周期内，控制器采用高占空比脉冲工作可以向输出端传递更多的能量，采用低占空比脉冲工作可以向输出端传递较少的能量，而工作于脉冲跨周期时无能量向输出端传递。因而，当采样到的输出电压v o 低于基准电压V ref 且高于基准电压减去误差电压之值 V ref ― e ref 时，脉冲选择器 6 选择低占空比脉冲作为驱动信号，输出电压 v o 小幅度上升；当采样到的输出电压 v o 低于 V ref― e ref 时，控制脉冲选择器 6 选择高占空比脉冲作为驱动信号，输出电压 v o 大幅度上升；当采样到的输出电压 v o 高于 V ref 时，控制脉冲选择器 6 无驱动信号输出，功率开关管 S 在时钟脉冲周期内不发生开关动作，此时钟脉冲周期被跨过，输出电压 v o 下降。系统稳定工作后，驱动脉冲在一个大的循环周期内是高占空比脉冲、低占空比脉冲与脉冲跨周期的一种组合，而各自所占的比重由输出功率决定。即负载加重时，控制器将在循环周期内选取较多的高占空比脉冲工作；负载减轻时，控制器将在循环周期内选取较多的脉冲跨周期工作。
     本实施例中，根据开关变换器的输出状态，控制器采用两个占空比不同的控制脉冲信号，以实现对开关变换器的脉冲跨周期调制。任意一个时钟脉冲信号结束时刻开关电源的输出电压值反馈到电压比较器，并与基准电压值和基准电压减去误差电压之值相比较：当采样到的输出电压低于基准电压并高于基准电压减去误差电压之值时，控制脉冲选择器选择低占空比脉冲作为驱动信号，输出电压小幅度上升；当采样到的输出电压低于基准电压减去误差电压之值时，控制脉冲选择器选择高占空比脉冲作为驱动信号，输出电压大幅度上升；当采样到的输出电压高于基准电压时，控制脉冲选择器无驱动信号输出，功率开关管在时钟脉冲周期内不发生开关动作，此时钟脉冲周期被跨过，输出电压下降，从而实现开关电源的双脉冲跨周期调制（DPSM）。具体的工作过程与原理为：步骤 1 ：在任意一个脉冲信号的结束时刻，逻辑控制电路负责产生一个窄脉冲信号用以使能采样 / 保持电路；步骤 2 ：采样到的输出电压 v o 立即与基准电压 (V ref ) 和基准电压减去误差电压之值 (V ref―e ref) 相比较。 v o>V ref，比较器 4 将输出低电平；V ref―e ref     仿真结果分析：图 4 为采用 PSIM 软件对本发明的控制方法进行时域仿真的结果，图 4 的横轴均为时间（ms） , 上图的纵轴为电感电流幅值（A），下图的纵轴为输出电压（V）。在图 4 中可以看出，一个循环脉冲序列由 19 个高占空比脉冲、 19 个脉冲跨周期和 5 个低占空比脉冲组成，即 19PH19P05PL，其中 P0 代表脉冲跨周期。仿真条件：输入电压 Vin=15 V，输出电压 Vo=Vref=8 V，电感 L=100 uH，电容 C=470 uF, 负载 R=20 Ω，高占空比 DH=0.5、低占空比 DL=0.3, 时钟频率为 20 kHz。
     图 5 为开关电源采用本发明控制方法、 PSM 控制技术与 PT 控制技术在相同电路参数下输出电压时域仿真波形图，图 5（a）对应于本发明控制方法，为本发明实施例输出电压纹波；图 5（b）对应于 PSM 控制技术，为 PSM 调制的开关电源输出电压纹波；图 5（c）对应于 PT 控制技术，为 PT 控制的开关电源输出电压纹波；横轴均为时间 (ms)，纵横均为输出电压纹波（mV）。图 5（a）中输出电压纹波约为 60 mV、图 5（b）中输出电压纹波约为 90 mV、图 5（c）中输出电压纹波约为 63 mV。可见采用本发明的开关电源具有更小的系统输出电压纹波。
     图 6 为开关电源采用本发明控制方法、 PSM 控制技术与 PT 控制技术在相同电路参数下输出电压动态响应时域仿真波形图，图 6（a）对应于本发明控制技术，为本发明实施例在负载突变时的输出电压波形；图 6（b）对应于 PSM 控制技术，为 PSM 调制的开关电源在负载突变时的输出电压波形；图 6（c）对应于 PT 控制技术，为 PT 控制的开关电源在负载突变时的输出电压波形；横轴均为时间 (ms)，纵横均为输出电压（V）。图 6 中，在 10 ms 时负载由 0.4 A 阶跃变化至 0.2 A。正常情况下，采用传统电压型 PWM 调制，系统响应时间需要 ms 量级，并且会产生一定的偏移量；而采用本发明瞬态响应速度很快，几乎没有响应时间及偏移量，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。同时，在负载较轻时，采用本发明控制技术的开关电源比采用 PSM 控制技术的具有更小的输出电压纹波，而采用 PT 控制技术的开关电源将失去稳定控制。
     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、反激变换器、半桥变换器、全桥变换器等功率电路组成的开关电源。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 102655371 A (43)申请公布日 2012.09.05 C N 1 0 2 6 5 5 3 7 1 A *CN102655371A* (21)申请号 201210131033.0 (22)申请日 2012.05.02 H02M 3/156(2006.01) (71)申请人常州大学地址 213164 江苏省常州市武进区滆湖路1 号 (72)发明人包伯成许建平潘赛虎马正华王金平 (74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司 32200 代理人楼高潮 (54) 发明名称开关电源的双脉冲跨周期调制方法及其装置 (57) 摘要本发明公开一种开关电源。

2、的双脉冲跨周期调制方法及其装置，主电路的输出电压v o 经电压检测装置后与基准电压V ref 和基准电压减去误差电压之值V ref e ref 相比较，若v o V ref ，比较器输出低电平信号；若V ref e ref V ref ，比较器输出低电平信号；若V ref e ref V ref ，比较器输出低电平信号；若V ref e ref V ref ，比较器4将输出低电平； V ref e ref v o V ref ，比较器4将输出对说明书CN 102655371 A 4/4页 6 应低占空比脉冲的控制信号；当v o V ref e ref 时，比较器4将输出对应高占。

3、空比的控制信号；步骤3：脉冲选择器6根据比较器的输出，从脉冲生成器5选择输出高、低占空比脉冲，或不输出脉冲信号；步骤4：脉冲选择器6选择出的控制信号经驱动电路7的驱动输出给主电路的开关装置1，从而控制能量的输入多少，间接地调节输出电压；步骤5：在这个脉冲的结束时刻，另一个窄脉冲再次能采样/保持电路，开关电源进入下一次循环。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。 0016 仿真结果分析：图4为采用PSIM软件对本发明的控制方法进行时域仿真的结果，图4的横轴均为时间（ms）,上图的纵轴为电感电流幅值（A），下图的纵轴为输出电压（V）。在图4中可以看出，。

4、一个循环脉冲序列由19个高占空比脉冲、19个脉冲跨周期和5个低占空比脉冲组成，即 19P H 19P 0 5P L ，其中P 0 代表脉冲跨周期。仿真条件：输入电压V in =15 V，输出电压V o =V ref =8 V，电感L=100 uH，电容C=470 uF,负载R=20 ，高占空比D H =0.5、低占空比D L =0.3,时钟频率为20 kHz。 0017 图5为开关电源采用本发明控制方法、PSM控制技术与PT控制技术在相同电路参数下输出电压时域仿真波形图，图5（a）对应于本发明控制方法，为本发明实施例输出电压纹波；图5（b）对应于PSM控制技术，为PSM调制的开关电源输。

5、出电压纹波；图5（c）对应于PT控制技术，为PT控制的开关电源输出电压纹波；横轴均为时间(ms)，纵横均为输出电压纹波（mV）。图5（a）中输出电压纹波约为60 mV、图5（b）中输出电压纹波约为90 mV、图5（c）中输出电压纹波约为63 mV。可见采用本发明的开关电源具有更小的系统输出电压纹波。 0018 图6为开关电源采用本发明控制方法、PSM控制技术与PT控制技术在相同电路参数下输出电压动态响应时域仿真波形图，图6（a）对应于本发明控制技术，为本发明实施例在负载突变时的输出电压波形；图6（b）对应于PSM控制技术，为PSM调制的开关电源在负载突变时的输出电压波形；图6（c。

6、）对应于PT控制技术，为PT控制的开关电源在负载突变时的输出电压波形；横轴均为时间(ms)，纵横均为输出电压（V）。图6中，在10 ms时负载由0.4 A阶跃变化至0.2 A。正常情况下，采用传统电压型PWM调制，系统响应时间需要ms 量级，并且会产生一定的偏移量；而采用本发明瞬态响应速度很快，几乎没有响应时间及偏移量，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。同时，在负载较轻时，采用本发明控制技术的开关电源比采用PSM控制技术的具有更小的输出电压纹波，而采用PT控制技术的开关电源将失去稳定控制。 0019 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。

7、用于Boost变换器、 Buck-boost变换器、Cuk变换器、正激变换器、反激变换器、半桥变换器、全桥变换器等功率电路组成的开关电源。说明书CN 102655371 A 1/6页 7 图1 说明书附图CN 102655371 A 2/6页 8 图2 图3 说明书附图CN 102655371 A 3/6页 9 图4 说明书附图CN 102655371 A 4/6页 10 图5 说明书附图CN 102655371 A 10 5/6页 11 说明书附图CN 102655371 A 11 6/6页 12 图6 说明书附图CN 102655371 A 12 。

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