一种环路补偿方法及电路技术

本发明专利技术公开了一种环路补偿方法，包括的步骤为：开关电路受一个预设占空比的控制信号控制接收开关电源反馈网络输出的误差放大信号并输出给滞后补偿电路；所述的滞后补偿电路生成补偿后的信号并传送给采样电路；所述的采样电路受另一个预设占空比的控制信号控制将接收到的所述的补偿后的信号传送给开关电源主功率开关管的占空比控制电路。本方法实现了控制电路全部集成于控制器中，减少了外围元件的数量，降低了电源成本，同时还使得补偿后的信号得以完整保存，避免在开关电路截止时，补偿后的信号发生信号失真现象。此外，本发明专利技术还公开了一种对应上述方法的环路补偿电路。

【技术实现步骤摘要】
一种环路补偿方法及电路
本专利技术涉及一种环路补偿方法及电路，适合应用在开关变换器领域。
技术介绍
开关变换器(又称开关电源)一般都是通过负反馈控制环路来使变换器的输出电压保持稳定。然而，对于任何负反馈系统，都存在环路稳定性的问题。控制系统的稳定性是由系统结构决定的，因为控制系统一般都含有储能元件和惯性元件，如电容和电感。由于这类元件的能量不能突变，当系统受到扰动或有输入量时，控制过程不会立即完成，而是有一定的延迟，如果这个延迟造成反馈回来的信号刚好同相地加到原扰动或输入信号，那么系统将出现振荡现象。如果这个振荡过程是逐渐减弱的，系统最终将趋于稳定；如果振荡过程维持恒定或逐步增强，系统将失控，即为不稳定系统。根据“巴克豪森判据”要求，控制系统稳定的准则是：在开环环路增益为1的频率(即穿越频率)处，系统所有环节的总开环相位延迟必须小于360°。另外，将系统在穿越频率处所对应的相位角与-180°之差定义为相位裕度。相位裕度太小，系统会出现减幅振荡；相位裕度太大则系统的响应速度变慢。为了减小反馈系统阶跃响应引起的振荡幅度，并提供快速的调节速度，一般将相位裕度设计在45°到70°之间。为了满足相位裕度的要求，在开关变换器中常常会采用滞后补偿电路。如图1所示，无源滞后补偿电路通常由两个电阻R1、R2和一个电容C1依次串联组成，它的传递函数Gc(s)由式(1)给出，式(1)中s是s域的自变量，又称为“复频率”。设T＝R2C1，则式(1)变换为：根据公知常识可知补偿的零点频率fz和极点频率fp分别为：上述滞后补偿电路传递函数的相关公式推导及其频率特性在化学工业出版社出版的，由孙优贤和王慧主编的《自动控制原理》第1版中有详细的分析，该书的ISBN号为978-7-122-11607-9，特别地，在《自动控制原理》中253页至256页中作者描述了应用频域法设计滞后补偿电路的步骤。为了保证滞后补偿电路在系统截止频率fc(在开关变换器中又称为穿越频率)处的滞后角度不大于-6°，一般取补偿的零点频率为穿越频率的十分之一，而在开关变换器系统中，穿越频率一般设计为开关频率的1/6～1/10以满足稳定性需求。环路稳定性在人民邮电出版社出版的，由SanjayaManiktala著写，王志强等人翻译的《精通开关电源设计》第一版中有详细的分析，该书的ISBN号为978-7-115-18500-6，在《精通开关电源设计》第1版的第7章，尤其是201页的7.24节给出了一个目前最流行最简单的判断环路稳定性方法。若一个电源系统的开关频率为100kHz，则其穿越频率最大为16.7kHz，那么采用滞后补偿设计的零点频率可取为1.67kHz，由式(3)和式(4)可以算出，当R2＝68kΩ时，C1≈1.4nF，若α取6，则R1＝340kΩ。若该电源系统采用的是PFM控制，那么在轻载时开关频率还会减小，特别是空载开关频率将降至最低，以空载开关频率为1kHz为例，根据上述滞后补偿电路设计方法，分别计算出满载和轻载情况下，所需的补偿元件R1、R2、C1的规格，如下表一：表一一般要兼顾空载的环路稳定性，补偿电容C1应该取140nF，但是不论是1.4nF，还是140nF的电容都是不易于在控制器中集成的，而且因为补偿电容较大，还严重影响了补偿电路输出信号的摆率，给系统造成较差且较难校正的动态特性。虽然在集成电路中电阻可以使用折叠的画法来减小面积，因此在集成电路中通常会在RC常数不变的前提下，使用较大的电阻来减小电容已获得较小的面积，但是就算这样操作，将现有技术直接延伸到集成电路上仍然是难以实现的，如下表二所示：表二由表二可见，即使将电阻放大近44倍，电容C1也只能缩小至3.17nF，仍然不易于集成，不利于提高系统动态特性。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的缺点和局限性，本专利技术要解决的第一个技术问题是：提供一种环路补偿方法，可以采用较小的电容和电阻等无源器件来实现滞后补偿，故可将控制电路全部集成于控制器中，从而减少了外围元件的数量，降低电源成本。特别的，本专利技术提供的环路补偿方法在脉冲频率调制(PFM)控制方式的应用场合中，还可以实现动态零点和极点补偿，故只需要一个相对小的电容就能够同时满足满载(较高的开关频率)和空载(较低的开关频率)等条件下的开关电源环路稳定性要求。更特别的，本专利技术提供的环路补偿方法在保证系统稳定性的同时，还能提高系统的动态特性。与此相应，本专利技术要解决的第二个技术问题是：提供一种利用上述方法的环路补偿电路。本专利技术解决上述第一个技术问题的技术方案是：一种环路补偿方法，包括如下步骤：开关电路受一个预设占空比的控制信号控制接收开关电源反馈网络输出的误差放大信号并传送给滞后补偿电路，所述的预设占空比能将所述的滞后补偿电路的RC常数进行放大；所述的滞后补偿电路生成补偿后的信号并传送给采样电路；所述的采样电路受另一个预设占空比的控制信号控制将接收到的所述的补偿后的信号传送给开关电源主功率开关管的占空比控制电路。以上为环路补偿方法的原始技术方案。下文具体实施方式部分将会以简单的RC滤波电路来说明利用开关电路增大RC常数的原理，通过相关分析我们能够预知上述技术方案可以根据开关电路控制信号的占空比将滞后补偿电路的RC常数进行放大，从而实现滞后补偿电路的可集成化；与此同时，还能减小滞后补偿电路中第一电容，以便通过所述的快速响应电路来提高现有技术的动态特性。优选地，所述的采样电路完整地保存所述的补偿后的信号后并完整地传送给所述的开关电源主功率开关管的占空比控制电路。作为开关电路的一种具体的实施方式，所述的开关电路的预设占空比都是一个固定值。这样在电源开关频率较高且不会负载变化时，能够使用一固定占空比将补偿电容集成。优选地，所述的开关电路的控制信号是基于所述的开关电源主功率开关管的驱动信号产生的。更优地，所述的控制信号的频率与开关电源主功率开关管的开关频率成正比。那么在脉冲频率调制(PFM)控制方式的应用场合中，所述的控制信号的频率就能够与开关频率一起随着负载变化而变化，以实现动态的零点和极点补偿，即只需要一个相对小的补偿电容就能够同时满足满载(较高的开关频率)和空载(较低的开关频率)等条件下的开关电源环路稳定性要求。作为采样电路的一种具体的实施方式，所述的采样电路的预设占空比与所述的开关电路的预设占空比相同，且所述的采样电路的控制信号和所述的开关电路的控制信号是一对同步信号。这样以便能同步完成环路补偿功能，更便捷、更有效地避免发生所述的补偿后的信号采样失真的问题。本专利技术解决上述第二个技术问题的技术方案是：一种环路补偿电路，包括：开关电路、滞后补偿电路和采样电路；所述的开关电路受一个预设占空比的控制信号控制接收开关电源反馈网络输出的误差放大信号并传送给滞后补偿电路，所述的预设占空比能将所述的滞后补偿电路的RC常数进行放大；所述的滞后补偿电路生成补偿后的信号并传送给采样电路；所述的采样电路受另一个预设占空比的控制信号控制将接收到的所述的补偿后的信号传送给开关电源主功率开关管的占空比控制电路。优选地，所述的采样电路完整地保存所述的补偿后的信号后并完整地传送给所述的开关电源主功率开关管的占空比控制电路。作为开关电路的一种具体的实施方式，所述的开关电路的预设占空比是一个固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环路补偿方法，包括如下步骤：开关电路受一个预设占空比的控制信号控制接收开关电源反馈网络输出的误差放大信号并传送给滞后补偿电路，所述的预设占空比能将所述的滞后补偿电路的RC常数进行放大；所述的滞后补偿电路生成补偿后的信号并传送给采样电路；所述的采样电路受另一个预设占空比的控制信号控制将接收到的所述的补偿后的信号传送给开关电源主功率开关管的占空比控制电路。

【技术特征摘要】
1.一种环路补偿方法，包括如下步骤：开关电路受一个预设占空比的控制信号控制接收开关电源反馈网络输出的误差放大信号并传送给滞后补偿电路，所述的预设占空比能将所述的滞后补偿电路的RC常数进行放大；所述的滞后补偿电路生成补偿后的信号并传送给采样电路；所述的采样电路受另一个预设占空比的控制信号控制将接收到的所述的补偿后的信号传送给开关电源主功率开关管的占空比控制电路。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的采样电路完整地保存所述的补偿后的信号后并完整地传送给所述的开关电源主功率开关管的占空比控制电路。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的开关电路的预设占空比是一个固定值。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的开关电路预设占空比的控制信号是基于所述的开关电源主功率开关管的驱动信号产生的。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的控制信号的频率与所述的开关电源主功率开关管的开关频率成正比。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的采样电路的预设占空比与所述的开关电路的预设占空比相同。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的采样电路的控制信号和所述的开关电路的控制信号是一对同步信号。8.一种环路补偿电路，包括：开关电路、滞后补偿电路和采样电路；所述的开关电路受一个预设占空比的控制信号控制接收开关电源反馈网络输出的误差放大信号并传送给滞后补偿电路，所述的预设占空比能将所述的滞后补偿电路的RC常数进行放大；所述的滞后补偿电路生成补偿后的信号并传送给采样电路；所述的采样电路受另一个预设占空比的控制信号控制将接收到的所述的补偿后的信号传送给开关电源主功率开关管的占空比控制电路。9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于：所述的采样电路完整地保存所述的补偿后的信号后并完整地传送给所述的开关电源主功率开关管的占空比控制电路。10.根据权利要求8所述的电路，其特征在于：所述的开关电路的预设占空比是一个固定值。11.根据权利要求8所述的电路，其特征在于：所述的开关电路预设占空比的控制信号是基于所述的开关电源主功率开关管的驱动信号产生的。12.根据权利要求11所述的电路，其特征在于：所述的控制信号的频率与所述的开关电源主功率开关管的开关频率成正比。13.根据权利要求8所述的电路，其特征在于：所述的采样电路的预设占空比与所述的开关电路的预设占空比相同。14.根据权利要求13所述的电路，其特征在于：所述的采样电路的控制信号和所述的开关电路的控制信号是一对同步信号。15.根据权利要求8所述的电路，其特征在于：所述的开关电路包括PMOS管PM1和NMOS管NM1组成的传输门电路，以及非门111，所述的PMOS管PM1的漏极与所述的NMOS管NM1的源极连接组成所述的开关电路的第一端与所述的开关电源反馈网络输出的误差放大信号连接，所述的PMOS管PM1的源极与所述的NMOS管NM1的漏极连接组成所述的开关电路的第二端与所述的滞后补偿电路连接，所述的非门111的输入端与所述的NMOS管NM1的栅极连接形成所述的开关电路的第三端与所述的开关电路的控制信号连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐盛斌，符威，赵志伟，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44