[发明专利]开关电源多频率控制方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源多频率控制方法及其装置。

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。相对于线性稳压电源，开关电源具有效率高、体积小、功率密度大等方面的优势，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、Boost变换器、Buck-Boost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及稳态性能，而采用传统的脉冲宽度调制(PWM)技术和双频率控制(Bi-FrequencyControl)技术很难做到两者兼顾；另外，高频化是开关电源的重要发展趋势，这使得开关电源更加小型化，但同时也带来了较为严重的电磁干扰问题，这就迫切的需要新的控制方法的出现。

传统的电压型脉冲宽度调制技术是最为常见的一种开关电源控制方法。其控制思想是：用误差放大器对开关电源的输出电压和基准电压进行比较获得误差信号，再由比较器对该误差信号与固定频率锯齿波信号进行比较获得脉宽信号，以控制开关装置的导通、关断，使输出电压达到期望值。当负载出现波动时，由于补偿网络的存在，误差信号变化相对缓慢，因而脉冲宽度的变化也较为缓慢，这使得开关电源的动态响应速度较慢。另一方面，补偿网络设计不当会造成系统不稳定，并且设计过程十分繁琐。

脉冲频率调制(PFM)技术是另外一种常见的开关电源调制方法，和脉冲宽度调制技术不一样，它通过改变脉冲频率而不是脉冲宽度来调整占空比，从而调整输出电压值。但这种调制方法在输入电压或负载发生改变时，工作频率会发生较大的波动，从而很难设计EMI滤波器。在某些对于电磁干扰噪声敏感的电子设备的应用场合，PFM技术将不适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关电源的控制方法——多频率控制(Multi-Frequency Control)。采用该控制方法时，控制器稳定可靠、无需补偿网络，输出电压纹波小，动态响应速度快，电磁干扰噪声小。此外，多频率控制器抗干扰能力强，且适用于各种拓扑结构的变换器。

本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案是：开关电源多频率控制方法，根据开关变换器的输出状态，采用多组频率不同的脉冲进行组合，以此实现对开关变换器的控制。其具体实施可采用的技术方案：

在任意一个脉冲信号的结束时刻反馈输出电压信号入误差放大器，并以该电压与基准电压间误差所处的误差区间在多组频率脉冲中选择与此误差区间相对应的频率脉冲作为下一工作周期的驱动脉冲，从而实现开关电源的多频率控制②在任意一个脉冲信号的开始时刻导通开关管，电感电流上升，同时检测电感电流，当电感电流上升到峰值电流时，开关管关断，关断时间由当前脉冲开始时刻输出电压与基准电压间的误差信号大小决定，当前工作脉冲为多级频率脉冲中的一个，从而实现开关电源多频率控制。其优点是：无需补偿网络，输出电压纹波小，瞬态响应速度快，电磁干扰噪声小，并能自动实现电路的过流保护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与现有的单一恒定频率控制相比，本发明采用多组恒定频率脉冲信号作为开关装置的驱动，开关信号频谱在多个工作频率上拓展，系统产生更小的电磁干扰噪声，有利于EMI滤波器的设计；

2、与现有的脉冲频率调制技术相比，本发明在输入电压及负载发生改变时，开关装置的驱动脉冲始终在多组恒定频率脉冲间切换，也即是开关信号的频谱不会随着输入电压或负载的变化而在频率轴上移动，从而降低了电磁干扰噪声滤波器的设计难度；

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各频率脉冲所占的比例，使开关电源迅速恢复稳态，具有更快的瞬态响应速度；

4、相对于双频率控制方法，采用本发明的开关电源在具有快速瞬态响应速度的同时降低了输出电压纹波，具有更好的稳态性能。