[发明专利]一种反激式电源CCM与DCM模式的恒流控制系统

摘要

一种反激式电源CCM与DCM模式的恒流控制系统，该控制系统包括电流检测模块，输出反馈模块，电流计算模块，误差计算模块，PID模块、PWM模块以及驱动模块，并与受控的开关电源连接起来构成一个闭环，电流检测模块、输出反馈模块采集实现恒流算法的基本参数，电流计算模块主要计算输出电流平均值,该输出值在PID模块中执行补偿算法，补偿值递交给PWM控制模块，经驱动模块输出合适的占空比，从而控制数字电源的高精度恒流。

主权项

1.一种反激式电源CCM与DCM模式的恒流控制系统，其特征在于：包括电流检测模块、输出反馈模块、电流计算模块、误差计算模块、PID模块、PWM模块以及驱动模块，并与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；采用平均电流控制方法控制开关管的导通时间，实现输出电流恒定；电流检测模块用于采集实现恒流算法的基本参数，电流检测模块的输入信号包括PWM模块给定的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量Vav_dig以及驱动模块输出的开关控制信号duty和原边采样电阻电压Vs；电流检测模块的输出信号包括一个输出给PWM模块的半个开关周期Ton_half和开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav；电流检测模块包括一个DAC单元、一个比较器COMP1以及一个时间计算单元，DAC单元的输入是PWM模块给定的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量Vav_dig，DAC单元的输出为对应的开关导通阶段采样电阻电压Vs的平均值Vav，其输出给电流计算模块，并连接到比较器COMP1的负端，比较器COMP1的正端连接原边采样电阻的电压Vs，时间计算单元的输入信号分别为驱动模块输出的开关控制信号duty和比较器COMP1的输出信号Vcomp1，时间计算单元根据内部时钟信号计算Vcomp1＝0，duty＝1时间段的时间长度，该时间段的时间长度即为半个开关周期Ton_half，当开关导通时间Ton设置为Ton_half的两倍时，Vav即为开关管导通时原边采样电阻电压Vs的平均值，原边导通阶段平均电流Iavp得以设定，从而单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr的平均电流Iavs及输出电流平均值Io得以设定；输出反馈模块用于采集实现恒流算法的基本参数、计算单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr和模式识别信号flag；输出反馈模块的输入信号包括辅助绕组采样电压Vsense和驱动模块输出的开关控制信号duty，输出反馈模块的输出信号包括单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag，输出反馈模块包括一个比较器COMP2，比较器COMP2的正端连接辅助绕组采样电压Vsense，比较器COMP2的负端接地，根据比较器COMP2的输出Vcomp2得到单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag，并输出给电流计算模块；因为对于DCM模式，当副边电流为0的时候，辅助绕组上的电压会出现谐振现象，所以在单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值的计算上DCM模式和CCM模式不同，flag＝1表示CCM工作模式，flag＝0表示DCM工作模式，其判断的依据就是在次边电流恢复到0后，辅助绕组上分压电阻上的电压是否出现谐振，如果出现谐振，表示处于DCM工作模式，如果没有出现谐振，表示处于CCM工作模式；电流计算模块用于计算输出电流平均值Io，该模块的输入信号是输出反馈模块的输出的单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间Tr值和模式识别信号flag、电流检测模块中DAC模块输出的开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav以及PWM的输出的正常控制时开关周期Ts，输出信号是输出电流平均值Io，计算公式如式(1)所示：其中，Vav是开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值，Rs是采样电阻的阻值，Np是原边绕组的匝数，Ns是副边绕组的匝数，Tr是单个开关周期中电感电流流向输出端口的时间，Ts是正常控制时开关周期；误差计算模块包括精确数值给定单元、减法器、偏差计算及偏差变化率计算单元，减法器正端连接精确数值给定单元输出的模拟数值常量Iref，该值根据系统的设计指标而给定，减法器负端连接电流计算模块输出的电路输出电流平均值Io，减法器的输出通过偏差计算单元得到二进制的当前采样周期的电压偏差数字量εμ(tn)，将其通过偏差变化率计算单元与上一个采样周期二进制电压偏差数字量εμ(tn‑1)相减得到二进制数字量的偏差变化率△εμ(tn)；PID模块包括微分、比例、积分及求和四个运算单元，积分与比例单元的输入为偏差计算单元输出的二进制的电压偏差数字量εμ(tn)，微分单元的输入为偏差变化率计算单元输出的二进制的偏差变化率△εμ(tn)，将微分、比例、积分三个运算单元的输出在求和运算单元中求和，输出补偿结果为二进制的数字量VPI；PWM模块的输入为PID模块输出的补偿结果VPI以及电流检测模块输出的半个开关导通时间Ton_half；通过PID模块补偿结果VPI值和输出信号Vav_dig，其为开关导通阶段原边采样电阻电压Vs的平均值Vav对应的数字量，用于电流检测模块的信息处理并计算得到正常控制时开关周期Ts以及开关导通时间Ton，开关导通时间Ton的计算公式如式(2)所示：Ton＝2×Ton_half   (2)其中，Ton_half是电流检测模块设定的半个开关周期，当开关导通时间Ton设置为Ton_half的两倍，原边电感电流平均值等于设定值Vav对应的电流，实现平均电流控制，并将开关导通时间Ton输出给驱动模块，正常控制时开关周期Ts值是PWM模块根据输入信号计算得到的下一个开关周期的长度，而开关导通时间Ton则限定了功率管的导通时间；驱动模块的输入为PWM模块输出的正常控制时开关周期Ts及开关导通时间Ton，Ton值限定了功率管的导通时间，而原边采样电阻上的最大电流是正比于功率管的导通时间的，因此Ton也就限定了原边采样电阻上的最大电流，结合上述正常控制时开关周期Ts和开关导通时间Ton两个输入信号，驱动模块输出占空比波形，即开关控制信号duty，该开关控制信号duty控制功率管的栅极，实现对环路的控制；同时开关控制duty也是电流检测模块以及输出反馈模块进行信息处理的一个输入信号；重复上述过程进行循环控制开关电源功率管的开通和关断，以使系统更加稳定，从而获得更高的恒流精度。