动态负载快速响应电路制造技术

本发明专利技术涉及Buck类DC/DC转换器实现快速动态负载响应的一种电路，能快速响应负载电流变化、减小输出电压偏差幅度，从而降低外部电容总需求容量。由电流采样、信号处理和信号注入电路构成。电流采样电路用采样电阻或与输出电感并联的电阻电容串联电路构成，对于后一种方案，电容另一端连接到输出电压端。电容两端电压信号与负载电流成正比，信号处理电路对此电压信号中直流分量进行放大、交流分量进行抑制，其输出通过信号注入电路以交流耦合方式注入到PWM控制器的负反馈输入端，迫其快速调整输出占空比，达到响应快和偏离幅度小的目标、而又不影响系统稳态工作的稳定性。此电路同样适用多相Buck、正激、半桥和全桥等转换器。

【技术实现步骤摘要】
动态负载快速响应电路
本专利涉及BUCK类DC/DC转换器实现快速动态负载响应的一种电路，该电路快速响应负载电流变化、减小输出电压的偏差幅度，同时能够降低外部储能电容的总需求容量。
技术介绍
BUCK类DC/DC转换器的拓扑结构通常分为非隔离BUCK、正激、半桥和全桥等类型，被广泛应用于各种系统中。不论哪一种类型，BUCK类DC/DC转换器拓扑结构的都包含输出滤波电路和脉宽调制器(PWM-PulseWidthModulator)控制环路，输出滤波电路由电感和电容构成。通常在负载电流快速变化时，由于输出滤波电感和控制环路的滞后效应，使得输出电压产生很大偏离幅度、并且需要较长时间才能恢复到初始设定值。为了解决这个问题，传统方案是将很多个滤波电容并联使用，这种方法虽然能够有效地控制输出电压的偏离幅度，但是反应速度很慢，而且由于使用了大量的滤波电容，导致体积增大，成本增加。因此，如何使得输出电压能够快速响应负载电流的变化，并且有效的控制输出电压的偏离幅度，成为重要的课题。本专利技术电路，在有效地控制体积和成本的前提下很好地解决了这一课题。图1为非隔离电压控制型Buck转换器原理框图，采用Type3型补偿电路。输出滤波电感Lo(104)等效为理想电感与直流内阻(DCR)构成的串联电路，输出电容Co(105)等效为理想电容和等效串联电阻(ESR)构成的串联电路，ESR大小与电容的材料特性密切相关。由于输出为L/C二阶滤波器，导致电压控制型Buck转换器整体响应速度比较慢；而输出电压采样电路提供给PWM控制环路的是输出电压经过分压网络之后的信号，实际变化幅度已被相应线性衰减，导致控制环路不可能对所需调整进行预先强化。补偿电路构成多个零极点组合用于补偿Lo/Co构成的二阶极点和输出电容与其串联等效电阻构成的零点，通过仔细设计各个参数确保电路有合理的相位裕度和增益裕度，以维持整个变换器的稳定工作。针对特定的负载快速变化要求和输出电容组合的应用，通过选择与Rf1(106)并联的Rs(111)/Cs(112)参数优化Rs/Cs/Rf1零极点组合，可以加快响应速度、降低输出电压偏离幅度。但是当输入/输出电压、电容容量及其材料类型改变之后必须重新调整Rs/Cs甚至Rp(106)/Ci(109)/Cd(110)参数，以确保电路有足够的相位裕度和增益裕度，从而满足电路稳定工作条件。为改善Rs/Cs参数的选择会受外部输出电容容量及其材料类型的约束，在图1的基础上加上输出电压变化量采样电路形成图2的方案。通过Rco(202)/Cco(203)采样到输出电压变化量，在将其缓冲(201)后再通过电容Rcf(204)/Ccf(205)将变化量耦合到输出电压采样电路的分压点。由于稳定状态下Rcf/Ccf不会参与到电路的控制环节，所以当输出电压、电容容量及其材料类型改变之后，调整Rco/Cco不会影响到电路的控制环节。这种方案能够有效地加快响应速度、降低输出电压偏差幅度，但是针对不同的出电压、不同的输出电容容量/材料类型组合条件仍需对Rco/Cco进行优化；由于采样的是输出电压变化信号而不是直接的负载电流变化信号，响应速度仍然有待改进。
技术实现思路
本专利技术通过采样电阻或者输出滤波电感对输出电流进行采样，得到与负载电流变化量成正比关系的电压信号，再对其进行处理、然后通过交流耦合方式注入到PWM控制器的误差放大器的反相输入端，进而调整脉宽调制器(PWM-PulseWidthModulator)输出占空比，达到快速响应和减小偏离幅度的目标，而在稳态工作时又不会影响系统控制的稳定性。通过电流采样、信号处理和信号注入三个环节，达到目标。使用采样电阻对输出电流进行采样，会带来额外的功率损耗，为一种有损采样方法；利用输出滤波电感进行采样，不会增加额外的功率损耗，是一种无损采样方法。图3所示为利用输出滤波电感作为输出电流(IL)采样方案。实际输出滤波电感104(Lo)等效为理想电感L和直流电阻DCR串联而成，采样电路302(RC1)和303(C1)串联之后并联在输出滤波电感两端，其中C1的另一端连接到输出电压端。C1两端的电压可以计算得到，如下：当电阻采样电路中RC1和C1、输出滤波电感的电感量L和直流电阻DCR满足如下条件时：RC1×C1＝L/DCR电容C1两端的电压信号只与负载电流IL和输出滤波电感DCR相关：VC1＝IL×DCR但考虑到元器件的制造误差，不可能每一个实际电路都满足以上条件，所以输出信号中必然会含有PWM控制器工作频率相关的交流分量。C1两端的信号是以输出电压作为共模信号，因此信号处理电路需要足够的共模抑制能力。C1两端的信号馈入信号处理电路，由运放和相应的电阻和电容构成。其中C1靠近Vout的一端通过电阻304(Rb)连接到运算放大器的同相端，C1与R1相连的一端通过电阻305(RG)连接到反相端，反馈电路306(Rf)与307(Cf)并联且连接在输出端与反相端之间，301(运算放大器)的传递函数如下：电路中电容Cf用于抑制PWM控制器的工作频率所引起的交流信号，信号频率越高，其增益越低。而Rf、Rg则决定了运算放大器的直流增益。当负载电流快速增加时VC1相应增加，运算放大器的输出信号VCS将快速减小；而当负载电流快速减小时，运算放大器的输出信号VCS将快速增加。从传递函数表达式可以看出，信号处理电路的输出以输出电压为中心值，这一方面有效处理了C1两端的共模信号问题，另一方面要求在使用这个信号时需要注意处理此直流分量，以免引起整体电路工作状态的不确定性。信号处理电路的输出信号VCS的变化量将通过串联电路308(Ci)、309(Ri)构成的信号注入电路注入到PWM控制电路负反馈输入端。信号注入电路中的电容隔离了信号处理电路输出中的直流分量，保证了注入到控制电路时只有与负载电流变化量相关的部分。信号注入电路中的电阻和输出电压采样电路的下分压电阻进行分压，决定了注入量的幅度。当负载电流瞬间快速增加时，反相输入端将被叠加一个负向的电压变化信号，从而强迫PWM控制器的占空比迅速增加，使得变换器输出电压的下降幅度最小，且能够快速恢复到设定值；当负载电流瞬间快速减小时，误差放大器的反相输入端被叠加一个正向的电压变化信号，从而强迫PWM控制器的占空比迅速减小，使得变换器输出电压的上冲幅度最小，且能够快速恢复到设定值。在稳态工作时，由于VCS没有变化量，因为阻容串联电路对直流信号隔离的作用，因此不会影响PWM控制器工作状态，所以此专利技术电路不会对系统的原有环路稳定性产生影响。以上电路结构简单、元件数量少，效果好、成本低。如图4，此专利技术同样可以适用于多相Buck电路，同样采用输出滤波电感作为输出电流(IL)采样手段时，相应的电路变化是将图3的一个采样电阻RC1变化由N个采样电阻RC1、RC2、RCN构成，N表示为并联电路数量，采样电容维持不变。采样电容一端连接到输出电压端、另一端与所有的采样电阻相连，而每一个采样电路的另一端连到本相电感的电压变化一侧。采样电容两端将得到所有滤波电感电流的平均值，交流分量的频率是单相工作频率乘以相数N，电路其它部分工作原理与图3一样。这个方案同样可以容易的扩展到正激、半桥和全桥等Buck类电路。图5就是一个正激电路的应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
动态负载快速响应电路，a)包含电流采样、信号处理和信号注入电路；b)电流采样电路使用并联在输出滤波电感两端的电阻和电容串联网络构成无损采样；c)电流采样电路使用串联在输出电路中的采样电阻构成有损采样；d)信号处理电路放大电流采样信号并对与开关频率相关的信号进行抑制；e)注入电路将信号处理电路的输出瞬间变化量耦合到PWM控制器中负反馈输入端，强制PWM发生器对瞬间变化的负载快速响应。f)适用于多相BUCK电路。g)很容易扩展到其它Buck类电路，包括正激、半桥和全桥等电路。

【技术特征摘要】
1.动态负载快速响应电路，a)包含电流采样、信号处理和信号注入电路；b)电流采样电路使用并联在输出滤波电感两端的电阻和电容串联网络构成无损采样，其中电阻电容串联网络中电容的一端连接于电感输出电压端、电阻的另一端连接于电感电压输入端，串联电容两端的电压信号正比于输出电流；c)电流采样电路使用串联在输出电路中的采样电阻构成有损采样；d)信号处理电路放大电流采样信号并对与开关频率相关的信号进行抑制，信号处理电路的运算放大器的反相端通过电阻连接到采样电阻和电容相连的一端；同相端通过电阻连接到采样电容靠近电感输出电压端；一个电阻和电容的构成并联网络连接在运放电路的输出端和反相端之间；e)由电阻和电容串联网络构成的信号注入电路将信号处理电路的输出瞬间变化量耦合到PWM控制器中负反馈输入端，强制PWM发生器对瞬间变化的负载快速响应；PWM控制器中负反馈输入端还连接有损采样中串联采样电阻的连接点，PWM控制器中正反馈输入端连接参考电压，f)适用于多相BUCK电路以及其它BUCK类电路。2.根据权利要求1所述的动态负载快速响应电路，无损采样中，当电阻值和电容值的乘积等于输出滤波电感量除以其直流电阻值时，电容两端的电压信号将不包含与开关频率相关交流分量；但由于批量制造误差的原因，实际状态中无法满足这一条件，因此电容两端的电压值将一定会包含与开关频率相关信号。3.根据权利要求1所述的动态负载快速响应电路，信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔宗标，
申请(专利权)人：上海英联电子系统有限公司，乔宗标，
类型：发明
国别省市：上海;31