CN103762831B - 一种pwm电压优先级控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种PWM电压优先级控制电路，包括相连接的主电路和开关管控制电路，所述的开关管控制电路包括比较器A、比较器B、与非门s和驱动器，所述的滤波电感L1的电流输入端与比较器A的同相输入端连接，比较器A的另一输入端通过参考电流接地，所述的滤波电感L1的电流输出端与比较器B的同相输入端连接，比较器B的另一输入端通过参考电压接地，所述的与非门S的输入端分别连接比较器A和B的输出端，与非门S的输出端通过驱动器与开关管MOS1连接。与现有技术相比，本发明具有电压控制精度高、电路拓扑简单、高速瞬态响。
Description
技术领域
本发明涉及PWM电压控制技术，尤其是涉及一种PWM电压优先级控制电路。
背景技术
随着半导体和信息技术的飞速发展，作为电源管理系统的直流-直流斩波器即开关电源必须满足以下技术需求：(1)输出电压低；(2)输出电压精度高；(3)输出电流大；(4)输入电源及输出负载瞬变时，输出电压的瞬态过冲小。以上需求对开关电源的稳态和动态特性提出了较高的要求，对开关电源的控制方法提出了新的挑战。其中，传统型PWM电压控制方法由于其满足稳定性和控制精度的基本要求，而广泛的应用于开关电源中，传统型PWM电压控制电路原理如图1所示。但是，这种控制方法在输入电压和负载发生突变时，由于控制电路中电压误差放大器的补偿电路带来的延时滞后，不仅造成了其瞬态响应慢，降低了其动态特性。传统型PWM电压控制方法具体存在以下缺点：
1.传统型PWM电压控制方法中，必须使用运算放大器和三角载波产生电路以及其它补偿电路，这些易造成开关电源的制造成本上升，难以实现小型化和轻量化。电压误差放大器的补偿电路在设计和调试时较为复杂。
2.运算放大器的误差特性将严重影响控制电路的性能。这样设计者在解决运算放大器的稳定问题时，必须耗费大量的时间和人力物力。
3.传统型PWM电压控制方法中通常只涉及在输出量变动引起负载电压变化时进行控制，没有对输入量变化时引起的扰动实现有效控制。于是在输入量变动时，控制电路在响应时间和精度上将受到很大影响。
4.传统型PWM电压控制方法中调整相位补偿电路是通过误差放大器的增益和频宽改善负载变动特性，但这种方法需要娴熟的电源设计技术，并不容易做到。
5.在轻负载的情况下，传统型PWM电压控制方法中，电路必定要进入DCM(电流断续模式)状态，使得输出电压不能维持，电感电流断续，使负载的变换范围受到严重限制，从而导致电路不能正常工作。
以上这些问题给设计者带来了很多困难，且延长了设计周期、消耗了大量人力物力，传统型PWM电压控制方法难以满足输入输出高速瞬态响应、负载变化范围宽、小型化、轻量化、低成本、高效率的技术指标。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电压控制精度高、电路拓扑简单、高速瞬态响应的PWM电压优先级控制电路。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种PWM电压优先级控制电路，包括相连接的主电路和开关管控制电路，所述的主电路包括依次连接的输入电压Vi、开关管MOS1、滤波电感L1、滤波电容Co和电阻Rc，所述的电阻Rc与输入电压Vi连接后接地，所述的开关管控制电路包括比较器A、比较器B、与非门S和驱动器，所述的滤波电感L1的电流输入端与比较器A的同相输入端连接，比较器A的另一输入端通过参考电流接地，所述的滤波电感L1的电流输出端与比较器B的同相输入端连接，比较器B的另一输入端通过参考电压接地，所述的与非门S的输入端分别连接比较器A和B的输出端，与非门S的输出端通过驱动器与开关管MOS1连接；
比较器A比较L1的电流输入端处的电感电流与参考电流，向与非门S输出比较结果，比较器B比较L1的电流输出端处的输出电压与参考电压，向与非门S输出比较结果，与非门S根据比较器A和B的比较结果向驱动器输出控制信号，驱动器根据控制信号控制开关管MOS1的开通或关断。
所述的与非门S根据如下直值表向驱动器输出控制信号：
其中，1为高电平，0为低电平。
所述的主电路还包括二级管D1和负载Ro，所述的二级管D1阳极连接开关管MOS1，阴极接地，所述的负载Ro一端连接滤波电感L1，另一端接地。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)无需运算放大器和三角载波电路，实现了输出电压的精确控制；
2)只需要一个与非门、两个比较器，控制电路器件大大减少，控制电路拓扑简单；
3)没有使用误差放大器，没有反馈相位延迟，完全不需要相位补偿电路。同时，控制电路的稳定性得到很大改善；
4)负载变动和输入电压变动时输出电压均可被控制在最小限度以至能快速恢复原输出电压水平，输出电压过冲量和调节时间均极小，进而具有良好的调节和高速瞬态响应特性；
5)与传统型PWM电压控制方法相比，满足了在输入电压和输出负载变化时的高速瞬态响应、小型、低成本、高效率的要求。
附图说明
图1为传统型PWM电压控制电路的原理图；
图2为本发明优先级控制电路的原理图；
图3为将电流比较模块引入传统PWM电压控制中的电路原理图；
图1～图3中，Vi：输入电压；MOS1：开关管；D1：二极管；L1：滤波电感；Co：滤波电容；Rc1、Rc2、Rc3、Ra、Rb、Rc：电阻；Vrc、Vref：参考电压；VSAW：载波电压；Imin：参考电流；Ro：负载；Vo：输出电压；
图4为本发明优先级控制输出电压的瞬时响应曲线；
图中，Vo：优先级引入传统型电压控制后的输出电压；IL：优先级引入传统型电压控制后的电感电流；
图5为负载电流Io变化时输出电压Vo的变化静态曲线；
图6为负载电流Io跃降(跃升)一倍时传统型控制和本发明瞬态响应曲线比较图；
图中，Vo1：传统型电压控制输出电压；Vo2：优先级控制输出电压；Io1：传统型电压控制输出电流；Io2：优先级控制输出电流；
图7为输入电压Vin跃升(跃降)一倍时传统型控制和本发明瞬态响应曲线比较图；
图中，Vo1：传统型电压控制输出电压；Vo2：优先级控制输出电压；Vin1：传统型电压控制输入电压；Vin2：优先级控制输入电压；
图8为输出电压都为3V，负载电阻都为10Ω时传统型控制和本发明瞬态响应曲线比较图；
图中，Vo1：传统型电压控制输出电压；Vo2：优先级控制输出电压；IL1：传统型电压控制电感电流；IL2：优先级控制电感电流。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示，一种PWM电压优先级控制电路，包括相连接的主电路和开关管控制电路，所述的主电路包括依次连接的输入电压Vi、开关管MOS1、滤波电感L1、滤波电容Co和电阻Rc，所述的电阻Rc与输入电压Vi连接后接地，主电路还包括二级管D1和负载Ro，所述的二级管D1阳极连接开关管MOS1，阴极接地，所述的负载Ro一端连接滤波电感L1，另一端接地。
所述的开关管控制电路包括比较器A、比较器B、与非门S和驱动器，所述的滤波电感L1的电流输入端与比较器A的同相输入端连接，比较器A的另一输入端通过参考电流接地，所述的滤波电感L1的电流输出端与比较器B的同相输入端连接，比较器B的另一输入端通过参考电压接地，所述的与非门s的输入端分别连接比较器A和B的输出端，与非门S的输出端通过驱动器与开关管MOS1连接；比较器A比较L1的电流输入端处的电感电流与参考电流，向与非门s输出比较结果，比较器B比较L1的电流输出端处的输出电压与参考电压，向与非门S输出比较结果，与非门S根据比较器A和B的比较结果向驱动器输出控制信号，驱动器根据控制信号控制开关管MOS1的开通或关断。基于能量守恒原理，通过开关频率的自动调节，使L1的电流始终保持连续，从而使得L1吸收的能量与输入的能量保持一致。当轻负载时，也能通过电流反馈使得L1的电流连续，使得主电路不出现电流断续的状态(DCM)。
本发明优先级控制电路通过电流反馈和电压反馈实现开关的开通与关断控制。其控制状态如下：
设比较器A的输出为A，比较器B的输出为B，与非门的输出为s。高电平为1，低电平为0。
(1)iL1≤Imin A＝0
即此种状态时，开关的导通与输出电压vo的大小无关，开关管开通，电源向电感充电，电感电流iL1上升，Imin为参考电流的电流值。
(2)iL1>IminA＝1
①vo<vrefB=0，即开关管开通，电源向电感充电，输出电压vo上升，vref为参考电压的电压值。
②vo≥vrefB=1，即开关管关断，电感通过续流二极管续流，输出电压vo下降。
因此与非门的输入和输出的真值表如表1所示。
表1
本发明的优先级控制在输入输出量变动时具有快速瞬态响应特性。通过电压反馈经过逻辑门迅速跟踪输入输出的变化，实现输出电压的稳定。当轻负载时，通过电流反馈强制使电路运行在CCM(电流连续模式)状态，维持功率的高效传输。由于该控制电路只需一个与非门和两个比较器，控制电路的器件数量大大减少，成本和体积均得到了较大改善。而且，由于没有使用误差放大器，在消除了补偿电路带来的相位延迟问题的同时，有效提高了控制电路的动态特性。
此外，利用优先级这个概念，可以把电流比较模块引入传统型控制，使得在轻负载时，强制使滤波电感电流不为零和负值，保证电感电流处于CCM模式。例如，把电流比较模块引入传统型电压控制，如图3所示。
应用本发明电路与传统性控制电路进行仿真实验，实验结果如图4～图8所示，在理论分析以及仿真对比的基础上，验证了该控制电路在负载变动和输入电压变动时，具有良好的稳态和动态特性。
Claims (3)
1.一种PWM电压优先级控制电路，包括相连接的主电路和开关管控制电路，所述的主电路包括依次连接的输入电压Vi、开关管MOS1、滤波电感L1、滤波电容Co和电阻Rc，所述的电阻Rc与输入电压Vi连接后接地，其特征在于，所述的开关管控制电路包括比较器A、比较器B、与非门S和驱动器，所述的滤波电感L1的电流输入端与比较器A的同相输入端连接，比较器A的另一输入端通过参考电流接地，所述的滤波电感L1的电流输出端与比较器B的同相输入端连接，比较器B的另一输入端通过参考电压接地，所述的与非门S的输入端分别连接比较器A和B的输出端，与非门S的输出端通过驱动器与开关管MOS1连接；
比较器A比较L1的电流输入端处的电感电流与参考电流，向与非门S输出比较结果，比较器B比较L1的电流输出端处的输出电压与参考电压，向与非门S输出比较结果，与非门S根据比较器A和B的比较结果向驱动器输出控制信号，驱动器根据控制信号控制开关管MOS1的开通或关断，基于能量守恒原理，通过开关频率的自动调节，使L1的电流始终保持连续，从而使得L1吸收的能量与输入的能量保持一致，当轻负载时，通过电流反馈使得L1的电流连续。
2.根据权利要求1所述的一种PWM电压优先级控制电路，其特征在于，所述的与非门S根据如下真值表向驱动器输出控制信号：
其中，1为高电平，0为低电平。
3.根据权利要求1所述的一种PWM电压优先级控制电路，其特征在于，所述的主电路还包括二级管D1和负载Ro，所述的二级管D1阴极连接开关管MOS1，阳极接地，所述的负载Ro一端连接滤波电感L1，另一端接地。
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