用于电流型电力变换器的自适应斜率补偿器

摘要

公开了一种自适应斜率补偿器,它用于补偿电流环(200)及改善电流型电力变换器的电路性能。该斜率补偿器被电力变换器的电压反馈环信号(VFB)调节。因此该斜率补偿信号可被自动调节以优化其工作参数。此外,通过与电力变换器的开关信号(VSW)的同步,斜率补偿信号响应开关信号的OFF信号被复位到零,由此消除了在现有斜率补偿方案中遇到的无负载时的振荡问题。

说明书

本发明领域

本发明涉及电力变换器，更具体地，涉及电流型电力变换器。

本发明背景

有各种用于将未调节的输入电压变换成经调节的具有特定幅值的输出电压的电力变换器。电力变换技术如正向及回扫变换在现有技术中已被详细描述。虽然与电压型控制相比电流型控制的优点已广为体现，但必须在电流环路中加入斜率补偿以解决不稳定性问题。许多文章可以解释电流型及斜率补偿的工作原理，例如，(a)Keith H.Billings所著“开关型电源手册”McGraw-Hill图书公司出版，P3.148-P3.150；(b)AbrahamI.Pressman所著“开关型电源设计”McGraw-Hill图书公司出版，P.105-P.136；P.143-P.165页；(c)“电流型变换器的模化、分析及补偿”，Unitrode公司，应用说明U-97；及(d)“电流型电源中的实际考虑”Unitrode公司，应用说明U-111。但是，在传统的斜率补偿技术中仍然存在一些缺点。因此，为了解决这些问题及改善性能，进行了数学分析及实际电路试验，以建立本发明的基础。将传统的斜率补偿的特性分析列出如下：

(A)优点I：斜率补偿稳定了电流环路。

电流型电力变换器的通用电路表示在图1中，其标记定义为：Pwr：电力变换器T_M：电力变压器N_P：T_M的原边匝数比N_S：T_M的次边匝数比L_P：T_M的原边电感L_S：T_M的次边电感I_P：T_M的原边电流I_PP：T_M的原边峰值电流I_PA：T_M的原边平均电流I_S：T_M的次边电流I_SP：T_M的次边峰值电流I_SA：T_M的次边平均电流T：Pwr的开关周期T_ON：T的导通时间T_OFF：T的关断时间V_O：Pwr的输出电压V_IN：Pwr的输入电压V_SL：斜率补偿信号的电压Verr：误差放大器的输出电压V_RP：电阻R_P的检测电压

电力变换器具有两种截然不同的工作方式：连续及不连续的方式。如果考虑较高的电力变换效率，则连续方式比不连续方式的使用普遍得多。以下分析的目的在于弄清楚稳定电流环的判据，即如果电力变换器工作在连续电流方式或如果电力变换器的占空比大于50％，必需施加斜率补偿的最小幅值。斜率m是下降斜率；m＝d Is/d t＝Vo/Ls。图2表示连续方式电流波形，Ip及Is。I_SA＝I_SP-(d Is/2)＝I_SP-(m/2)·dt；I_SA＝I_SP-(m/2)·T_OFF；I_SP＝I_SA+(m/2)·(T-T_ON)。在原边电流传感电阻R_P上的峰值电压为V_RP＝I_PP·R_P＝I_SP·(N_S/N_P)·R_P＝[I_SA+(m/2)·(T-T_ON)]·(N_S/N_P)·R_P。将斜率补偿加到V_RP上，该反馈信号表示为V_C＝V_RP+(V_SI/T)·ΔT＝V_RP+(V_SL/T)·(ΔT_ON+ΔT_OFF)； $>>>V>C>>=>>>N>S>>>N>P>>>>R>P>>>I>SA>>+>>>N>S>>>N>P>>>>R>P>>>mT>2>>+>\Delta >>T>ON>>>(>>>V>SL>>T>>->>>N>S>>>N>P>>>>R>P>>>m>2>>)>>+>\Delta >>T>OFF>>>>V>SL>>T>>->->->>(>1>)>>>s>$

因为在时间T中传送的能量代表在一个周期结束时的功率，则从V_IN吸取的功率为P＝L_PI_P²/(2T)＝[L_P·(I_PP²-I_PA²)]/(2T)，但I_PP＝I_PA+ΔI_P＝I_PA+(V_IN/L_P)·ΔT，则有： $>>P>=>>1>>>2>TL>>P>>>>(>>>V>IN>>2>>·>>>T>ON>>2>>)>>+>>V>IN>>·>>I>PA>>>>T>ON>>T>>->->->>(>2>)>>>s>$

在关断期间(T_OFF)，电流I_PA为不能完全传送给负载的能量并仍保留在变压器中。因此，电流I_PA的幅值与T_OFF及T_ON相关。由等式(2)容易证明，反馈环通过控制T_ON调节电力变换器的输出。输出电压V_o被检测并在误差放大器(EA)中与一个参考电压相比较。被放大的误差电压Verr(电压环信号)被传送到电压比较器，并与V_C(电流环信号)相比较。如图1所示，导通(ON)时间开始于振荡器(OSC)的时钟脉冲及在V_C斜坡等于Verr的电平时结束。由此，T_ON的调节正比于电压V_C及Verr的幅值。数学上，V_C与T_ON之间的关系为αV_C/αT_ON≥0。由式(1)该偏差可表示为： $>>>>>\partial >V>>C>>>>\partial >T>>ON>>>=>>>V>SL>>T>>->>Ns>Np>>>R>P>>>m>2>>>s>这可被定量地看作：$ >>>>V>SL>>T>>\ge >>Ns>NP>>>R>P>>>m>2>>->->->>(>3>)>>>s>$$

如果T_ON的改变不是正比于V_C、αV_C/αT_ON＜0，则反馈环将非线性地振荡。因此，为了保证环稳定等式(3)必须被满足。(B)优点II：斜率补偿改变了电流环的线性度。

在加上斜率补偿前，信号V_C等于V_RP： $>>>\Delta I>P>>=>>>V>IV>>>L>P>>>·>\Delta T>->->->->>(>4>)>>>s>$ >>>V>RP>>=>>(>>I>PA>>+>>>V>IN>>>L>P>>>\Delta >>T>ON>>)>>·>>R>P>>->->->->>(>5>)>>>s>$$

这可从等式(2)，(4)及(5)看出，当输出功率保持恒定时，随着V_IN的下降T_ON增加及ΔI_P减小。在图3中表示出与V_IN及T_ON相对应的电流波形。与电压反馈环信号相比较的电流反馈环信号将控制输出功率及调节输出电压。显然，随着V_IN下降控制环将失去线性及抗噪声度。该缺点可通过加入斜率补偿来改善。

斜率补偿单元将保持控制环的最小线性度： $>>>V>C>>=>>V>RP>>+>>>V>SL>>T>>>(>\Delta >>T>ON>>+>\Delta >>T>OFF>>)>>>s>$ >>=>>I>PA>>·>>R>P>>+>>>V>SL>>T>>>\Delta T>OFF>>+>\Delta >>T>ON>>>(>>>V>IN>>>L>P>>>·>>R>P>>+>>>V>SL>>T>>)>>>s>$$

                                            (6)

(C)缺点I：需要虚负载或最小负载，以避免无负载或轻负载状态时的不稳定振荡。

电流型电力变换器其本身是公知的，当输出处于无负载或轻负载状态时它将工作在不连续方式，而当输出功率大或输入电压低时它将工作在连续方式。只要电力变换器工作在连续方式，必须如式(3)地加上斜率补偿的最小幅值。当电力变换器工作在非连续方式时，其包括电流反馈环信号V_C的斜率补偿为： $>>>V>C>>=>>>V>IN>>>L>P>>>·>>R>P>>·>\Delta >>T>ON>>+>>>V>SL>>T>>>(>\Delta >>T>ON>>+>\Delta >>T>OFF>>)>>>s>$

该信号波形被表示在图4中。它说明在功率控制中非线性偏差的机理。如果信号Verr由于调节下降，其电压从点C移到点A或点B将引起非线性偏差。因为点A的电压电平等于点B的电压电平，但点A及点B的ON时间(T_ON)是不同的。该差值为(T_ONB-T_ONA)，它引起功率控制中的偏差P_d： $>>>P>d>>=>>>>V>IN>>2>>>>2>TL>>P>>>>(>>>T>ONB>>2>>->>>T>ONA>>2>>)>>>s>$

                                         (8)由于这个原因，后果是开始于信号Verr的每次改变及可持续一定时间的振荡。解决该问题的两个传统方案是：(a)在输出处设置虚负载。这在无负载或轻负载状态时得到[I_P·R_P＞(V_SL/T)]。但这将消耗虚负载的功率。(b)在负载上要求消耗最小功率。但是，这不能满足功率管理的需要。功率管理的实施例是管理仅当工作时消耗功率的系统。因而在不工作时(睡眠方式)不消耗或消耗极少功率。对于功率管理应用中的电力变换器，怎样节省无负载或轻负载状态下的功率是一个主要的要求。(D)缺点II：不足以理想的线电压调节。

考虑一下电力变换器是如何相对线电压变化进行调节的。当V_IN升高时，V_O最终将上升。在通过电压反馈环的延时后，V_err下降并且输出电压将再下降。除该机制外，还有电流型工作的简化校正。当V_IN上升时，电流I_P的斜率增大，因此，V_RP斜坡的斜率增加。现在该较快的斜坡值等于Verr及ON时间(T_ON)缩短。由于该前馈特性，输入电压改变引起的输出电压改变将在幅度上变小及周期上变短。输出电压V₀为： $>>>V>O>>=>>V>IN>>>Ns>Np>>>>T>ON>>>T>OFF>>>>s>通过使用等式(7)，如果V$_C＝Verr，则我们得到： $>>>T>ON>>=>>Verr>>(>>>V>IN>>>L>P>>>·>RP>+>>>V>SL>>T>>)>>>>s>$

                                        (9)

我们可以得出，该前馈特性的环增益将通过增大斜率补偿的幅值V_SL/T而减小。因此，斜率补偿幅值的增加将减小电流反馈环的环增益及由此减小线电压调节的能力。

图(5)及(6)表示执行斜率补偿的两种传统方法。它们不能解决上述的问题且不能在宽的输入范围(V_IN)上工作。

本发明的目的

鉴于上述现有技术的优点及缺点，本发明的目的在于提供一种新的解决方案，以避免这些缺点及获得宽输入范围的电力变换。此外，本发明的目的是：(a)改善电力变换效率及节能：及(b)减小电力变换器的体积及节省材料费用。

这些目的用新型的斜率补偿结构来实现，它允许电力变换器在中等负载或重负载状态下工作在连续方式中。在轻负载或无负载状态下不需要最小负载或虚负载。本发明的自适应功能提高了控制环响应低输入电压的线性度并允许较大的占空比(T_ON/T_OFF)。因此，仅需要较小的输入电容。在离线式电力变换器中，该高电压、大容量电解电容器是昂贵及大体积的。使用小容量输入电容器是很紧凑及价格合理的。

根据本发明，一种可编程的电流源包括一个产生斜率信号的电容器。该斜率信号被加到电流反馈环中，用于斜率补偿。该斜率信号通过二极管的连接与电力变换器的开关信号同步；可编程的电流源的输入具有一个电阻，它与电力变换器的电压反馈环连接，并响应电力变换器的输入电压及输出负载产生斜率信号，其中斜率信号的摆动率及幅值响应于输入电压及输出负载，及斜率信号的信号宽度等于电力变换器开关信号的脉冲宽度。

附图的简要说明

图1是表示电流型电力变换器的一个简化电路；

图2表示连续方式的电流波形；

图3表示在相对高及相对低的V_IN时的电流波形；

图4表示其中加入了斜率补偿信号的电流环反馈信号，并表示功率控制中非线性偏差的机理；

图5及6分别表示现有技术电路的两种形式；

图7是表示本发明一个优选实施例的电路概图；及

图8是输入电容器中的电压波形及纹波。

优选实施例的详细说明

图1表示根据本发明构成的电流型电力变换器的一个实施例。PWM控制部分U₁是用于电流型电力变换器的通用控制电路。开关信号V_SW(U₁的输出)驱动一个开关MOSFET Q₂。变压器T_M与V_IN及Q₂串联，用于电力变换。开关频率是由电容C₃及U₁中的振荡器(OSC)确定的。因为U1中的锁存器由OSC置位及由U₁中的比较器(Comp)复位，ON时间开始于OSC的时钟脉冲及当来自电流反馈环200的信号电压电平等于来自电压反馈环150的信号电压电平时结束。电压反馈环由误差放大器U₃及光电耦合器U₂组成。电力变换器的输出电压V₀被检测及与误差放大器U₃中的参考电压相比较。光电耦合器U₂是离线式电力变换器中的绝缘所要求的。否则，放大的误差电压会直接馈送到U₁的比较器。比较器的另一输入是电流反馈信号，其中变压器T_M的原边电流被电阻R_P检测，并通过低通滤波器R₅及C₅连接到U₁。自适应斜率补偿器100具有一个pnp晶体管Q₁及包括电阻R₁，R₂和R₃以形成可编程的电流源。从U₁中的V_R供电作为U₁的恒定电压(参考电压)输出。可编程电流源的输出、即Q₁的集电极用电容C_T接地，该电容用来产生斜率波形及提供用于斜率信号摆动率的时间常数。一个二极管D_T连接在可编程电流源的输出与U₁的输出(V_SW)之间，它用于使斜率信号250与开关信号V_SW300同步。通过D₁及R₄的串联桥接，斜率信号250被加到电流环200上。通过电阻R₁，可编程电流源的输入被连接到任何适合部分，这里例如为V_FB、即电压反馈环信号，并由此，可编程电流源的输出电流受到电力变换器的输入电压V_IN及输出功率P_O的影响。

                           操作

根据本发明，图7的工作原理如下：

在ON时间(T_ON)期间，开关信号V_SW为高及二极管D_T关断，电容器C_T由可编程电流源充电。数学上，这可表示为： $>>>V>SL>>=>>>>I>>R>3>>>·>\Delta T>>>C>T>>>>s>如果Q$₁的增益(h_FE)足够高，则：I_R3＝(V_R2-V_EB(Q1))/R₃V_R2＝(V_R-V_FB)·[R₂/(R₁+R₂)]。该等式可改写为： $>>>V>SL>>=>>\Delta T>>R>3>·>>C>T>>>>[>>(>>V>R>>->>V>FB>>)>>·>>>R>2>>>R>1>+>R>2>>>->>V>>EB>>(>Q>1>)>>>>]>>s>(10)$ >>>>>\partial >V>>SL>>>\partial >>V>FB>>>>=>->>>R>2>>>R>3>>(>R>1>+>R>2>)>>>C>T>>>>·>\Delta T>>s>$$

                                            (11)

因为V_FB的变化正比于V_IN的变化并反比于输出功率P_O的变化，ΔV_FB＝+K₁ΔV_IN-K₂ΔP_O，式中K₁，K₂是电压反馈环的环增益常数。因此，等式(11)可被表示为： $>>\Delta >>V>SL>>=>>>R>2>>>R>3>>(>R>1>+>>R>2>>)>>>C>T>>>>\Delta T>·>>(>->>K>1>>\Delta >>V>IN>>+>>K>2>>\Delta Po>)>>>s>$

                                          (12)

在OFF时间(T_OFF)期间，开关信号V_SW为低，二极管D_T导通，电容C_T放电，及斜率信号被复位到零。由于斜率信号与开关信号成正比，斜率信号的上升时间ΔT等于ON时间T_ON。因此，等式(10)及(12)可被写为： $>>>V>SL>>=>>>T>ON>>>>R>3>C>>T>>>[>>(>>V>R>>->>V>FB>>)>>·>>>R>2>>>R>1>+>R>2>>>->>V>>EB>>(>Q>1>)>>>>)>]>->->->>(>13>)>>>s>$ >>\Delta >>V>SL>>=>>(>>>R>2>>>R>1>+>R>2>>>)>>>>T>ON>>>>R>3>C>>T>>>·>>(>->>K>1>>\Delta >>V>IN>>+>>K>2>>\Delta Po>)>>->->->>(>14>)>>>s>$$

在图7电路的具体实施方案中，表示一个50W(P_O：20V_DC/2.5A)的离线式电力变换器，输入电压定额为90V_AC-265V_ACRMS，其中使用值为68μF(微法)、400伏的电解装置作为小输入电容C_IN。使用EFD-30铁氧体磁芯，它工作在中等负载及全负载状态下的连续方式。对应于V_IN的变化(90V_AC-265V_AC)获得了85％-88％的效率。在无负载状态下其耗电小于2W。根据等式(13)及(14)的原理及实施例中的措施，观察到以下结果：

(a)在连续方式及大占空比工作状态下该电力变换器的工作是稳定的(例如T_ON/T_OFF＝8/2)。斜率补偿分别响应输出功率的增加或输入电压V_IN的下降而增大，反之亦然。当V_IN下降时斜率补偿增大，由此对低V_IN提供足够的线性度。CIN的纹波电压波形被表示在图8中。 $>>ϵ>=>Po>.>t>=>>1>2>>>C>IN>>>(sup>>V>b>2sup>>-sup>>V>a>2sup>>)>>>s>$ >>>C>IN>>=>>>2>.>Po>.>t>>sup>>V>b>2sup>>-sup>>V>a>2sup>>>>;>where>>V>b>>=>1.414>>V>>IN>>(>AC>)>>>>>s>因为允许低Va，这意味着允许用小电容器C$$_IN。斜率补偿响应V_IN的增加而减小，由此维持了线路调节性能及音频敏感性。

(b)在轻负载及无负载状态下斜率信号将下降到零。此外，斜率信号与开关信号V_SW同步，其中在ON时间(T_ON)结束时斜率信号复位到零。因此，可避免轻负载或无负载状态下的振荡。于是，也不需要虚负载或最小负载。

权利要求书

           按照条约第19条的修改

1、一种用于补偿电流型电力变换器的自适应斜率补偿器，包括：

可编程电流源，它产生可编程电流：

接地电容器，它与所述可编程电流源连接，用于产生斜率信号；

开关二极管，用于使所述斜率信号与电力变换器的开关信号同步；

其中所述斜率信号响应于所述开关信号的关断状态被复位为零；

所述可编程电流源的输入级具有一个与电力变换器的电压反馈环连接的输入电阻，以便影响所述可编程电流及所述斜率信号的幅值；

其中所述斜率信号的摆动率在所述开关信号的导通状态期间响应于所述电压反馈环的信号；

所述斜率信号的摆动率及幅值反比于电力变换器输入电压的变化及正比于电力变换器输出功率的变化；及

所述可编程电流源的输出级具有与电力变换器的电流反馈环相串联的输出二极管及输出电阻，以获得斜率补偿。

2、根据权利要求1的自适应斜率补偿器，其中：

所述可编程电流源包括在其输出端上的接地电容器，以产生所述斜率信号的波形，及提供调节所述摆动率的时间常数。

3、根据权利要求1的自适应斜率补偿器，其中：

所述可编程电流源的输出级具有与其中所述开关信号相连接的所述开关二极管，用于使所述斜率信号同步。

4、根据权利要求1的自适应斜率补偿器，其中所述可编程电流源包括：

一个pnp晶体管，用于电流控制；

一个发射极电阻，它连接在所述pnp晶体管的发射极与一恒压源之间，用于电流设定；

一个基极电阻，它连接在所述pnp晶体管的基极与所述恒压源之间，用于为所述pnp晶体管提供偏压；

所述输入电阻可操作地连接到所述pnp晶体管的基极及所述电压反馈环，用于对所述可编程电流的幅值编程；

其中所述可编程电流线性地响应于所述电压反馈环的所述信号；

滤波电容器，它设置在所述pnp晶体管的基极上，用于消除电力变换器的开关噪声。

5、根据权利要求1的自适应斜率补偿器，其中：

所述电压反馈环的所述信号的幅度正比于输入电压的变化及反比于输出功率的变化。