[發明專利]動態負載快速響應電路

有效

• 申請號: 201410840432.3
• 申請日: 2014-12-30
• 公開（公告）號: CN104638885B
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: 喬宗標
• 申請（專利權）人: 上海英聯電子系統有限公司;喬宗標
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08;H02M3/155;H02M3/335
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

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，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。

技術領域

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。

背景技術

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-Pulse Width Modulator)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。

本發明電路，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。

發明內容