一种改进的开关电源脉冲序列控制方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种改进的开关电源脉冲序列控制方法及其装置：在每个开关周期起始时刻，根据开关变换器输出电压Ｖｏ与基准电压Ｖｒｅｆ之间的高低关系，以及负载大小所处的范围，在多个不同占空比的控制脉冲之中选择该开关周期的有效控制信号，从而实现对开关变换器的控制。该控制方法原理简单、设计便捷、适用于各种拓扑结构的变换器，采用该控制方法的开关变换器输出电压纹波较小、动态响应快、电压精度高、稳定性和抗干扰能力强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种开关电源的控制方法及其装置。
技术介绍
微处理器、通信设备、工控设备、电动机械等很多用电装置都要求将一般供电装置(如电网、蓄电池、光伏发电装置等)发出的电能进行处理，以满足其使用要求。近年来，以半导体功率器件作为开关装置，用于直流-直流转换的开关电源技术一直是电气领域工程应用和理论研究的热点。 开关电源一般是由DC-DC变换器(即直流-直流变换器)和控制器组成。变换器用于电能转换，一般由开关器件、整流滤波电路、隔离变压器等组成，变换器的拓扑结构有Buck、Boost、Buck-Boost、正激、全桥等。控制器用于检测变换器的工作状态，并产生脉冲信号对变换器开关器件的通断进行控制，从而调节传递给负载的电能以稳定变换器输出。控制器的结构和工作原理由开关电源采用的控制方法决定。 传统的电压型、电流型PWM控制方法具有系统设计方法成熟、结构简单等优点，在开关电源
得到了广泛应用。然而随着对电源性能要求的不断提高，这些传统控制方法在瞬态特性和鲁棒性等方面的缺陷显得越来越突出。为提高电源性能，近年来电源工程师提出了一些具有更优控制性能的新型控制方法。 脉冲序列控制是一种新型开关电源非线性控制方法。其控制过程是在每个开关周期起始时刻判断变换器输出电压Vo与基准电压Vref间的高低关系，若输出电压Vo低于基准电压Vref，控制器将选择占空比大的高能量脉冲PH作为变换器的控制信号，使开关管的导通时间较长，输出电压升高；反之控制器将会选择占空比较小的低能量脉冲PL。脉冲序列技术根据输出电压瞬时值的相对大小选择高能量或低能量脉冲，在变换器出现扰动时具有良好的瞬态响应能力。其缺点是变换器稳态工作时输出电压纹波较大，这是阻碍脉冲序列控制方法广泛应用的主要因素。另一种新型的多级脉冲序列控制方法较好地解决了纹波较大的问题，但其输出电压的稳态误差稍大，不适合对电压精度要求较高的应用场合。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种开关电源的控制方法，该控制方法原理简单、设计便捷、适用于各种拓扑结构的变换器，采用该控制方法的开关变换器输出电压纹波较小、动态响应快、电压精度高、稳定性和抗干扰能力强。 本专利技术实现其专利技术目的，所采用的技术方案是一种改进的开关电源脉冲序列控制方法，其具体作法是 在每个开关周期起始时刻，根据开关变换器输出电压Vo与基准电压Vref之间的高低关系，以及负载大小所处的范围，选择该开关周期内的有效控制脉冲，从而实现对开关变换器的控制。其控制脉冲选择规则为当负载电流Io高于负载电流界值I1时，若Vo低于Vref，采用控制脉冲PH，1控制变换器中的开关管S；若Vo高于Vref，采用控制脉冲PL，1控制开关管。当负载电流Io处于负载电流界值In和In+1(1≤n＜N，N＝1，2，3...)之间时，若Vo低于Vref，采用控制脉冲PH，n+1控制开关管；若Vo高于Vref，采用控制脉冲PL，n+1控制开关管。当负载电流Io低于负载电流界值IN时，若Vo低于Vref，采用控制脉冲PH，N+1控制开关管；若Vo高于Vref，采用控制脉冲PL，N+1控制开关管。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果是 一、本专利技术根据变换器负载的瞬时轻重情况，将两种控制脉冲PH，n和PL，n(n＝1，2，3...N+1)组合成脉冲序列实现对变换器的控制。与仅有一组控制脉冲PH和PL的脉冲序列控制方法相比，本专利技术根据负载情况，具有占空比不同的N+1组控制脉冲PH，n和PL，n可供选择。若变换器的预设工作范围一定，控制脉冲PH，n和PL，n的占空比差值将远小于控制脉冲PH和PL的占空比差值，即各开关周期向负载传递的能量差异较小。因此，采用本专利技术进行控制的开关变换器工作于稳态时，其输出电压纹波将远小于脉冲序列控制变换器。 二、本专利技术在每个开关周期根据输出电压和负载情况选择占空比不同的控制脉冲，控制系统中不包含延迟环节，在变换器扰动出现(特别是负载出现快速频繁跃变)时，能够迅速调整控制脉冲序列以稳定输出电压，具有良好的瞬态响应能力。 三、本专利技术简便易行，采用简单的模拟或数字电路即可实现；控制系统中没有传统电压型或电流型控制所需的的补偿网络(一般由运算放大器及外围电路构成)，因此控制电路易于集成、成本低廉，并且在应用时不需要复杂的设计过程。 四、与多级脉冲序列控制方法相比，采用本专利技术进行控制时变换器不会出现明显的输出电压稳态误差，电压精度更高。 上述的产生控制脉冲PH，n的一种方法是在某个开关周期起始的t0时刻，控制脉冲PH，n由低电平变为高电平，变换器TD中的开关管S开通；在t0+DH，nT时刻，控制脉冲PH，n保持为高电平，固定时间DH，nT后变为低电平，开关管S关断，直至开关周期结束时刻t0+T。产生控制脉冲PL，n的过程与产生PH，n的过程类似，区别在于控制脉冲对应的高电平持续时间为DL，nT。可见，控制脉冲PH，n和PL，n(n＝1，2，3...N+1)分别具有固定的占空比DH，n和DL，n，为使得该控制方法正常工作并且获得良好的控制特性，一般设置控制脉冲的占空比DH，n和DL，n满足关系DH，1＞DH，2≥DL，1＞DH，3≥DL，2...＞DH，N+1≥DL，N＞DL，N+1。 这样控制脉冲PH，n和PL，n均为预设的固定脉冲信号，可利用现有任何可以产生多个固定占空比脉冲的电路实现控制，且无需检测更多的状态变量。固定的占空比也使系统抗干扰性更强。 上述的产生控制脉冲PH，n的另一种方法是在某个开关周期起始的t0时刻，控制脉冲PH，n由低电平变为高电平，变换器TD中的开关管S开通，电感电流IL上升；当IL上升至电感电流峰值IH，n时，控制脉冲PH，n由高电平变为低电平，开关管S关断，直至开关周期结束时刻t0+T。产生控制脉冲PL，n的过程与产生PH，n的过程类似，区别在于控制脉冲对应的电感电流峰值为IL，n。可见，控制脉冲PH，n和PL，n(n＝1，2，3...N+1)分别对应于固定的电感电流峰值IH，n和IL，n，为使得该控制方法正常工作并且获得良好的控制特性，一般设置电感电流峰值IH，n和IL，n满足关系IH，1＞IH，2≥IL，1＞IH，3≥IL，2...＞IH，N+1≥IL，N＞IL，N+1。 这样当扰动出现时，电感电流信号会受到影响，故电感电流上升至当前的控制脉冲对应的电感电流峰值所用的时间也会相应的延长或缩短，使得该开关周期的占空比升高或降低以抑制扰动对变换器的影响。因此这种脉冲产生方式对变换器输入端出现的扰动有更快的响应速度。此外，这种方式还实现了过流保护及多个电源并联工作时的均流功能。 上述的产生控制脉冲PH，n的第三种方法是在某个开关周期起始的t0时刻，控制脉冲PH，n由低电平变为高电平，变换器TD中的开关管S开通，滤波电容等效串联电阻(ESR)上的电压VESR上升；当VESR上升至等效串联电阻电压峰值VH，n时，控制脉冲PH，n由高电平变为低电平，开关管S关断，直至开关周期结束时刻t0+T。产生控制脉冲PL，n的过程与产生PH，n的过程类似，区别在于控制脉冲对应的等效串联电阻电压峰值为VL，n。可见，控制脉冲PH，n和PL，n(n＝1，2，3...N+1)分别对应于固定的等效串联电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的开关电源脉冲序列控制方法，其具体作法是：在每个开关周期起始时刻，根据开关变换器输出电压Ｖ↓［ｏ］与基准电压Ｖ↓［ｒｅｆ］之间的高低关系，以及负载大小所处的范围，选择该开关周期内的有效控制脉冲，从而实现对开关变换器的控制；其控制脉冲选择规则为：当负载电流Ｉ↓［ｏ］高于负载电流界值Ｉ↓［１］时，若Ｖ↓［ｏ］低于Ｖ↓［ｒｅｆ］，采用控制脉冲Ｐ↓［Ｈ，１］控制变换器中的开关管Ｓ，若Ｖ↓［ｏ］高于Ｖ↓［ｒｅｆ］，采用控制脉冲Ｐ↓［Ｌ，１］控制开关管；当负载电流Ｉ↓［ｏ］处于负载电流界值Ｉ↓［ｎ］和Ｉ↓［ｎ＋１］之间时，若Ｖ↓［ｏ］低于Ｖ↓［ｒｅｆ］，采用控制脉冲Ｐ↓［Ｈ，ｎ＋１］控制开关管，若Ｖ↓［ｏ］高于Ｖ↓［ｒｅｆ］，采用控制脉冲Ｐ↓［Ｌ，ｎ＋１］控制开关管；当负载电流Ｉ↓［ｏ］低于负载电流界值Ｉ↓［Ｎ］时，若Ｖ↓［ｏ］低于Ｖ↓［ｒｅｆ］，采用控制脉冲Ｐ↓［Ｈ，Ｎ＋１］控制开关管，若Ｖ↓［ｏ］高于Ｖ↓［ｒｅｆ］，采用控制脉冲Ｐ↓［Ｌ，Ｎ＋１］控制开关管。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：秦明，许建平，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]