動態負載快速響應電路制造技術

本發明專利技術涉及Buck類DC/DC轉換器實現快速動態負載響應的一種電路，能快速響應負載電流變化、減小輸出電壓偏差幅度，從而降低外部電容總需求容量。由電流采樣、信號處理和信號注入電路構成。電流采樣電路用采樣電阻或與輸出電感并聯的電阻電容串聯電路構成，對于后一種方案，電容另一端連接到輸出電壓端。電容兩端電壓信號與負載電流成正比，信號處理電路對此電壓信號中直流分量進行放大、交流分量進行抑制，其輸出通過信號注入電路以交流耦合方式注入到PWM控制器的負反饋輸入端，迫其快速調整輸出占空比，達到響應快和偏離幅度小的目標、而又不影響系統穩態工作的穩定性。此電路同樣適用多相Buck、正激、半橋和全橋等轉換器。

【技術實現步驟摘要】
動態負載快速響應電路
本專利涉及BUCK類DC/DC轉換器實現快速動態負載響應的一種電路，該電路快速響應負載電流變化、減小輸出電壓的偏差幅度，同時能夠降低外部儲能電容的總需求容量。
技術介紹
BUCK類DC/DC轉換器的拓撲結構通常分為非隔離BUCK、正激、半橋和全橋等類型，被廣泛應用于各種系統中。不論哪一種類型，BUCK類DC/DC轉換器拓撲結構的都包含輸出濾波電路和脈寬調制器(PWM-PulseWidthModulator)控制環路，輸出濾波電路由電感和電容構成。通常在負載電流快速變化時，由于輸出濾波電感和控制環路的滯后效應，使得輸出電壓產生很大偏離幅度、并且需要較長時間才能恢復到初始設定值。為了解決這個問題，傳統方案是將很多個濾波電容并聯使用，這種方法雖然能夠有效地控制輸出電壓的偏離幅度，但是反應速度很慢，而且由于使用了大量的濾波電容，導致體積增大，成本增加。因此，如何使得輸出電壓能夠快速響應負載電流的變化，并且有效的控制輸出電壓的偏離幅度，成為重要的課題。本專利技術電路，在有效地控制體積和成本的前提下很好地解決了這一課題。圖1為非隔離電壓控制型Buck轉換器原理框圖，采用Type3型補償電路。輸出濾波電感Lo(104)等效為理想電感與直流內阻(DCR)構成的串聯電路，輸出電容Co(105)等效為理想電容和等效串聯電阻(ESR)構成的串聯電路，ESR大小與電容的材料特性密切相關。由于輸出為L/C二階濾波器，導致電壓控制型Buck轉換器整體響應速度比較慢；而輸出電壓采樣電路提供給PWM控制環路的是輸出電壓經過分壓網絡之后的信號，實際變化幅度已被相應線性衰減，導致控制環路不可能對所需調整進行預先強化。補償電路構成多個零極點組合用于補償Lo/Co構成的二階極點和輸出電容與其串聯等效電阻構成的零點，通過仔細設計各個參數確保電路有合理的相位裕度和增益裕度，以維持整個變換器的穩定工作。針對特定的負載快速變化要求和輸出電容組合的應用，通過選擇與Rf1(106)并聯的Rs(111)/Cs(112)參數優化Rs/Cs/Rf1零極點組合，可以加快響應速度、降低輸出電壓偏離幅度。但是當輸入/輸出電壓、電容容量及其材料類型改變之后必須重新調整Rs/Cs甚至Rp(106)/Ci(109)/Cd(110)參數，以確保電路有足夠的相位裕度和增益裕度，從而滿足電路穩定工作條件。為改善Rs/Cs參數的選擇會受外部輸出電容容量及其材料類型的約束，在圖1的基礎上加上輸出電壓變化量采樣電路形成圖2的方案。通過Rco(202)/Cco(203)采樣到輸出電壓變化量，在將其緩沖(201)后再通過電容Rcf(204)/Ccf(205)將變化量耦合到輸出電壓采樣電路的分壓點。由于穩定狀態下Rcf/Ccf不會參與到電路的控制環節，所以當輸出電壓、電容容量及其材料類型改變之后，調整Rco/Cco不會影響到電路的控制環節。這種方案能夠有效地加快響應速度、降低輸出電壓偏差幅度，但是針對不同的出電壓、不同的輸出電容容量/材料類型組合條件仍需對Rco/Cco進行優化；由于采樣的是輸出電壓變化信號而不是直接的負載電流變化信號，響應速度仍然有待改進。
技術實現思路
本專利技術通過采樣電阻或者輸出濾波電感對輸出電流進行采樣，得到與負載電流變化量成正比關系的電壓信號，再對其進行處理、然后通過交流耦合方式注入到PWM控制器的誤差放大器的反相輸入端，進而調整脈寬調制器(PWM-PulseWidthModulator)輸出占空比，達到快速響應和減小偏離幅度的目標，而在穩態工作時又不會影響系統控制的穩定性。通過電流采樣、信號處理和信號注入三個環節，達到目標。使用采樣電阻對輸出電流進行采樣，會帶來額外的功率損耗，為一種有損采樣方法；利用輸出濾波電感進行采樣，不會增加額外的功率損耗，是一種無損采樣方法。圖3所示為利用輸出濾波電感作為輸出電流(IL)采樣方案。實際輸出濾波電感104(Lo)等效為理想電感L和直流電阻DCR串聯而成，采樣電路302(RC1)和303(C1)串聯之后并聯在輸出濾波電感兩端，其中C1的另一端連接到輸出電壓端。C1兩端的電壓可以計算得到，如下：當電阻采樣電路中RC1和C1、輸出濾波電感的電感量L和直流電阻DCR滿足如下條件時：RC1×C1＝L/DCR電容C1兩端的電壓信號只與負載電流IL和輸出濾波電感DCR相關：VC1＝IL×DCR但考慮到元器件的制造誤差，不可能每一個實際電路都滿足以上條件，所以輸出信號中必然會含有PWM控制器工作頻率相關的交流分量。C1兩端的信號是以輸出電壓作為共模信號，因此信號處理電路需要足夠的共模抑制能力。C1兩端的信號饋入信號處理電路，由運放和相應的電阻和電容構成。其中C1靠近Vout的一端通過電阻304(Rb)連接到運算放大器的同相端，C1與R1相連的一端通過電阻305(RG)連接到反相端，反饋電路306(Rf)與307(Cf)并聯且連接在輸出端與反相端之間，301(運算放大器)的傳遞函數如下：電路中電容Cf用于抑制PWM控制器的工作頻率所引起的交流信號，信號頻率越高，其增益越低。而Rf、Rg則決定了運算放大器的直流增益。當負載電流快速增加時VC1相應增加，運算放大器的輸出信號VCS將快速減小；而當負載電流快速減小時，運算放大器的輸出信號VCS將快速增加。從傳遞函數表達式可以看出，信號處理電路的輸出以輸出電壓為中心值，這一方面有效處理了C1兩端的共模信號問題，另一方面要求在使用這個信號時需要注意處理此直流分量，以免引起整體電路工作狀態的不確定性。信號處理電路的輸出信號VCS的變化量將通過串聯電路308(Ci)、309(Ri)構成的信號注入電路注入到PWM控制電路負反饋輸入端。信號注入電路中的電容隔離了信號處理電路輸出中的直流分量，保證了注入到控制電路時只有與負載電流變化量相關的部分。信號注入電路中的電阻和輸出電壓采樣電路的下分壓電阻進行分壓，決定了注入量的幅度。當負載電流瞬間快速增加時，反相輸入端將被疊加一個負向的電壓變化信號，從而強迫PWM控制器的占空比迅速增加，使得變換器輸出電壓的下降幅度最小，且能夠快速恢復到設定值；當負載電流瞬間快速減小時，誤差放大器的反相輸入端被疊加一個正向的電壓變化信號，從而強迫PWM控制器的占空比迅速減小，使得變換器輸出電壓的上沖幅度最小，且能夠快速恢復到設定值。在穩態工作時，由于VCS沒有變化量，因為阻容串聯電路對直流信號隔離的作用，因此不會影響PWM控制器工作狀態，所以此專利技術電路不會對系統的原有環路穩定性產生影響。以上電路結構簡單、元件數量少，效果好、成本低。如圖4，此專利技術同樣可以適用于多相Buck電路，同樣采用輸出濾波電感作為輸出電流(IL)采樣手段時，相應的電路變化是將圖3的一個采樣電阻RC1變化由N個采樣電阻RC1、RC2、RCN構成，N表示為并聯電路數量，采樣電容維持不變。采樣電容一端連接到輸出電壓端、另一端與所有的采樣電阻相連，而每一個采樣電路的另一端連到本相電感的電壓變化一側。采樣電容兩端將得到所有濾波電感電流的平均值，交流分量的頻率是單相工作頻率乘以相數N，電路其它部分工作原理與圖3一樣。這個方案同樣可以容易的擴展到正激、半橋和全橋等Buck類電路。圖5就是一個正激電路的應用本文檔來自技高網...

【技術保護點】
動態負載快速響應電路，a)包含電流采樣、信號處理和信號注入電路；b)電流采樣電路使用并聯在輸出濾波電感兩端的電阻和電容串聯網絡構成無損采樣；c)電流采樣電路使用串聯在輸出電路中的采樣電阻構成有損采樣；d)信號處理電路放大電流采樣信號并對與開關頻率相關的信號進行抑制；e)注入電路將信號處理電路的輸出瞬間變化量耦合到PWM控制器中負反饋輸入端，強制PWM發生器對瞬間變化的負載快速響應。f)適用于多相BUCK電路。g)很容易擴展到其它Buck類電路，包括正激、半橋和全橋等電路。

【技術特征摘要】
1.動態負載快速響應電路，a)包含電流采樣、信號處理和信號注入電路；b)電流采樣電路使用并聯在輸出濾波電感兩端的電阻和電容串聯網絡構成無損采樣，其中電阻電容串聯網絡中電容的一端連接于電感輸出電壓端、電阻的另一端連接于電感電壓輸入端，串聯電容兩端的電壓信號正比于輸出電流；c)電流采樣電路使用串聯在輸出電路中的采樣電阻構成有損采樣；d)信號處理電路放大電流采樣信號并對與開關頻率相關的信號進行抑制，信號處理電路的運算放大器的反相端通過電阻連接到采樣電阻和電容相連的一端；同相端通過電阻連接到采樣電容靠近電感輸出電壓端；一個電阻和電容的構成并聯網絡連接在運放電路的輸出端和反相端之間；e)由電阻和電容串聯網絡構成的信號注入電路將信號處理電路的輸出瞬間變化量耦合到PWM控制器中負反饋輸入端，強制PWM發生器對瞬間變化的負載快速響應；PWM控制器中負反饋輸入端還連接有損采樣中串聯采樣電阻的連接點，PWM控制器中正反饋輸入端連接參考電壓，f)適用于多相BUCK電路以及其它BUCK類電路。2.根據權利要求1所述的動態負載快速響應電路，無損采樣中，當電阻值和電容值的乘積等于輸出濾波電感量除以其直流電阻值時，電容兩端的電壓信號將不包含與開關頻率相關交流分量；但由于批量制造誤差的原因，實際狀態中無法滿足這一條件，因此電容兩端的電壓值將一定會包含與開關頻率相關信號。3.根據權利要求1所述的動態負載快速響應電路，信號...

【專利技術屬性】
技術研發人員：喬宗標，
申請(專利權)人：上海英聯電子系統有限公司，喬宗標，
類型：發明
國別省市：上海;31