[发明专利]一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非线性控制方法，涉及一种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法。

背景技术

开关电容变换器是开关电源的一个重要分支，其电路仅有电容和开关管组成，和传统的感性电源变换器相比，具有质量轻，体积小，高电量密度和较小EMI等优点。因其集成相较于感性电源变换器更容易，现已被广泛的用作为手机芯片，数码电子设备等小功率电路的供电电源。近年来，大功率的开关电容变换器开始得到应用。但是，限制开关电容变换器得到更广泛应用甚至取代传统感性开关变换器的一个重要因素是其控制方法的局限性。

现有的开关电容变换器的控制方法是传统线性的PWM控制，电流控制等以及一些更加复杂的非线性控制方法例如滑模控制。这些控制方法都是变占空比恒定频率控制方法。通过调节占空比来处理外部输入电压和负载的变化以稳定输出电压。其占空比要控制在一定的范围例如0.5以内用来防止不同开关管控制信号的重叠。另外，由于开关电容变换器具有比传统感性变换器更加非线性的特点，其恒定的电容充电时间非常小。所以要求开关管工作在很短的开通时间范围内。为了维持对开关电容变换器的调节控制，传统的线性控制方法只能在很窄的输入电压和输出电流范围内运行。一些非线性的恒定频率的控制方法可以提高开关电容变换器的控制效果，例如提高动态响应速度，减小输出电压纹波，拓宽输入电压范围等。但是，其具有控制结构复杂，成本较高等缺点。

发明内容

本发明正是为了克服上述技术的不足，而提供了一种低成本，宽输入输出范围，快速动态实时响应，优良的线性和负载调整效果的用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：本发明专利受到传统的单周期控制的启发，并结合开关电容变换器的自身特点，提出了一种全新的非线性恒定开通时间变频控制方法，这种用于开关电容变换器的恒定开通时间变频控制方法，用参考电压V_ref取代电容C在放电过程中的电压平均值通过参考电压V_ref实现对输出电压的设定，把非线性的电容充放电过程转化为线性的控制模式，通过设定恒定的开通时间T_on和变化的关断时间T_off，从而实现变频来调整输出电压；基于电容安秒平衡法则所得到的开关管S₁控制信号U_s1模型为：

其中

开关管S₂的控制信号U_s2为开关管S₁控制信号U_s1的非，即：

控制电路主要包括可重置的积分器、一个比较器和一个D触发器，其中D触发器的S输入端口和R输入端口分别接时钟信号和比较器的输出端，其步骤如下：在开始时，一个时钟信号设置D触发器的输出信号为高D触发器产生一个恒定脉宽的控制信号U_S1用于开通图1中的开关管S₁，电容C开始充电，充电电流I_ch开始在T_on时间段内积分；当T_on结束时，D触发器复位为低电平，开关管S₁关断；在此时，积分器复位开关W₁开启，积分器置零；同时，控制信号U_S2开通开关管S₂，电容C开始放电；在T_off时间段内，当放电电量Q_discharge＝I_dis(t)T_off等于负的充电电量_-Qcharge＝-I_ch(t)T_on时，比较器的状态从高降为低；当下一个时钟信号到来时，D触发器将会被重新置高并开始新的周期。

本发明有益的效果是：相对于恒定频率变占空比的控制方法，这种变频控制方法具有响应速度快，运行范围宽，结构简单以及低成本的优点。另外，因为无需考虑占空比必须限定在一定恒定值范围之内，该发明控制方法可以广泛的运用在低功率和高功率开关电容变换器中。

附图说明

图1为开关变换器电容充电和放电模型示意图。

图2为恒定开通时间变频率控制电路示意图。

图3为控制电路核心元器件运行波形示意图。

图4为外部干扰的抑制波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。