一種高效的閉環(huán)pfm控制結構的制作方法
【專利摘要】高效的閉環(huán)PFM控制結構，包括A/D采集器、電壓發(fā)生器、運算放大器、電壓變換器和PID穩(wěn)壓器；A/D采集器的輸出端連接電壓發(fā)生器的一個輸入端，電壓發(fā)生器的另一個輸入端連接全橋諧振電路輸入端的輸入電路，電壓發(fā)生器的輸出端連接運算放大器的一個輸入端，運算放大器的另一個輸入端連接電壓變換器的輸出端，電壓變換器的輸入端連接全橋諧振電路輸出端的輸出電路，運算放大器的輸出端連接PID穩(wěn)壓器的輸入端，PID穩(wěn)壓器的輸出端連接PFM控制器的控制信號輸入端。輸出電壓的整定點會一直設置在模塊效率最高點的附近。變換器的輸出電壓對于輸入電壓全范圍穩(wěn)定可控。適用于諧振變換器，使諧振變換器在輸入電壓變化時具有階梯式的輸出電壓。
【專利說明】
一種高效的閉環(huán)PFM控制結構
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種反饋控制電路，特別涉及一種頻率信號的反饋控制電路
【背景技術】
[0002] 相比傳統(tǒng)的P麗控制方式，諧振變換器使用的是PFM控制，其可以使M0SFET工作在 ZVS或是ZCS的狀態(tài)，有助于提高效率。LLC是目前使用最為廣泛的諧振拓撲，它具有以下的 優(yōu)點：
[0003] 1.原邊M0SFET工作在ZVS狀態(tài)，使得M0SFET的開通損耗近似為零；
[0004] 2.當fs < fr的時候，原邊M0SFET的關斷電流是變壓器的勵磁電流，使得M0SFET的 關斷損耗也很小。
[0005] 3.當fs^fr的時候，副邊的二極管自然關斷，使得二極管上面的反向恢復損耗也 很小。
[0006] 以上的優(yōu)點可以提升模塊的整體效率。也因為M0SFET上面的開關損耗很小，使得 LLC可以工作在更高的開關頻率，有助于減小磁性器件的體積，提高功率密度。
[0007] 然而，LLC也有其自身的缺點：
[0008] 1.當模塊的開關頻率遠離其諧振頻率的時候，模塊的效率會大幅的下降；
[0009] 2.當模塊的開關頻率變化范圍很大的時候，磁性器件的選擇和設計也會非常的困 難。
[001 0]傳統(tǒng)的PFM控制，其參考電壓(Vref)是固定的。當模塊工作在最低輸入電壓的時 候，其開關頻率可能只有諧振頻率的一半，而當模塊工作在最高輸入電壓的時候，其開關頻 率則有可能是諧振頻率的兩到三倍。
[0011 ] LLC的效率不能在全輸入范圍內(nèi)都達到很高的水平。這個限制了LLC或是其它的諧 振拓撲使用在寬輸入電壓范圍的場合。 【實用新型內(nèi)容】
[0012]本實用新型的目的是提供一種高效的閉環(huán)PFM控制結構，解決目前LLC及其它諧振 變換器的工作效率不能在全輸入范圍內(nèi)都達到很高水平及磁性器件的選擇和設計困難的 技術問題。
[0013]本實用新型的高效的閉環(huán)PFM控制結構，包括A/D采集器、電壓發(fā)生器、運算放大 器、電壓變換器和PID穩(wěn)壓器;A/D米集器的輸出端連接電壓發(fā)生器的一個輸入端，電壓發(fā)生 器的另一個輸入端連接全橋諧振電路輸入端的輸入電路，電壓發(fā)生器的輸出端連接運算放 大器的一個輸入端，運算放大器的另一個輸入端連接電壓變換器的輸出端，電壓變換器的 輸入端連接全橋諧振電路輸出端的輸出電路，運算放大器的輸出端連接PID穩(wěn)壓器的輸入 端，PID穩(wěn)壓器的輸出端連接P FM控制器的控制信號輸入端。
[0014]本實用新型高效的閉環(huán)PFM控制結構輸出電壓的整定點會一直設置在模塊效率最 高點的附近。變換器的輸出電壓對于輸入電壓全范圍穩(wěn)定可控。適用于諧振變換器，使諧振 變換器在輸入電壓變化時具有階梯式的輸出電壓。使得變換器始終工作在很窄的頻率范圍 內(nèi)（諧振頻率或最高效率工作點對應頻率附近）。從而使變換器在全輸入電壓范圍內(nèi)獲得高 的工作效率。由于工作頻率范圍窄，變換器的磁性器件(變壓器、電感等)容易設計。由于工 作頻率范圍窄，以及諧振變換器的軟開關特性，諧振變換器可以設計在更高的工作頻率下 工作，既而有利于減小產(chǎn)品體積提高功率密度。諧振變換器可以在全輸入電壓下獲得高效 率，其熱特性及可靠性都隨之改善。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型高效的閉環(huán)PFM控制結構的全橋LLC拓撲結構示意圖；
[0016] 圖2為本實用新型高效的閉環(huán)PFM控制結構的全橋LLC拓撲結構在應用中參考電壓 和輸入電壓在不同區(qū)間時的頻率變化示意圖一；。
[0017]圖3為本實用新型高效的閉環(huán)PFM控制結構的全橋LLC拓撲結構在應用中參考電壓 和輸入電壓在不同區(qū)間時的頻率變化示意圖二；
[0018] 圖4為本實用新型高效的閉環(huán)PFM控制結構的全橋LLC拓撲結構在應用中參考電壓 和輸入電壓在不同區(qū)間時的頻率變化示意圖三；
[0019] 圖5為本實用新型高效的閉環(huán)PFM控制結構的全橋LLC拓撲結構在應用中參考電壓 和輸入電壓在不同區(qū)間時的頻率變化示意圖四；
[0020] 圖6為本實用新型高效的閉環(huán)PFM控制結構的全橋LLC拓撲結構在應用中參考電壓 和輸入電壓在不同區(qū)間時的頻率變化示意圖五；
[0021] 圖7為本實用新型高效的閉環(huán)PFM控制結構的全橋LLC拓撲結構在應用中參考電壓 和輸入電壓在不同區(qū)間時的頻率變化示意圖六；
[0022]圖8為本實用新型高效的閉環(huán)PFM控制結構的全橋LLC拓撲結構在應用中輸入電壓 和輸出電壓的變化示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0024] 如圖1所示，包括A/D采集器、電壓發(fā)生器、運算放大器、電壓變換器和PID穩(wěn)壓器；
[0025] A/D采集器，采集全橋諧振電路輸入端Vin的動態(tài)電壓模擬信號，形成數(shù)字電平信 號輸出；
[0026] 電壓發(fā)生器(階梯波發(fā)生器），將全橋諧振電路輸入端電壓信號轉換為階梯電壓信 號，階梯電壓信號的幅值范圍參考數(shù)字電平信號輸出，形成參考電壓Vref;
[0027]電壓變換器，米集全橋諧振電路輸出端Vout的動態(tài)電壓模擬信號，實時轉換為測 量電壓信號輸出；
[0028]運算放大器，比較參考電壓和測量電壓信號，輸出誤差信號error;
[0029] PID穩(wěn)壓器，將輸入的誤差信號err or轉換為PFM控制器的控制信號，控制PFM控制 器輸出相應的控制頻率，調(diào)整全橋諧振電路的諧振頻率。
[0030] A/D米集器的輸出端連接電壓發(fā)生器的一個輸入端，電壓發(fā)生器的另一個輸入端 連接全橋諧振電路輸入端的輸入電路，電壓發(fā)生器的輸出端連接運算放大器的一個輸入 端，運算放大器的另一個輸入端連接電壓變換器的輸出端，電壓變換器的輸入端連接全橋 諧振電路輸出端的輸出電路，運算放大器的輸出端連接PID穩(wěn)壓器的輸入端，PID穩(wěn)壓器的 輸出端連接PFM控制器的控制信號輸入端。
[0031] 為了使得這整個輸入電壓范圍內(nèi)，模塊的效率達到最高，輸出電壓的參考值 (Vref)會隨著輸入電壓變化，讓模塊一直工作在諧振頻率點附近。
[0032] 結合圖1所示，電壓發(fā)生器它包含了一個階梯式參考電壓生成電路，以及一個諧振 的DC-DC變換器作為其輸入。
[0033] 階梯式的參考電壓Vref根據(jù)輸入電壓進行調(diào)節(jié)，使得模塊的開關頻率一直維持在 諧振頻率附近。在此，用全橋LLC作為例子進行說明。
[0034]對于全橋LLC，輸入輸出的關系如下：
[0040] 在這里，N是變壓器變比（Np:Ns)，Vout是輸出電壓值，Pout是輸出功率值，Lr是諧 振電感值，Lm是變壓器的勵磁電感值，Cr是諧振電容值，fr是Lr和Cr構成的諧振頻率，f是模 塊的開關頻率。
[0041 ] f = fr的時候M_Vin等于1。在工作在諧振頻率附近，LLC的效率可達到最優(yōu)值。
[0042] 因此，我們可以將參考電壓Vref設置為：
[0044]輸入電壓為；
[0046] 在這里，Vin_min(x)和Vin_max(x)基于開關頻率變化范圍而選擇的臺階寬度。K是 反饋比例系數(shù)。a是權重系數(shù)。
[0047] 以一實際開關電源為例，其諧振參數(shù)為：
[0048] Lr = 0.85uH
[0049] Cr = 0.47uF
[0050] Lm = 6uH
[0051] N=5
[0052] K = 0.08333
[0053] 輸出電壓范圍要求8.5V~11.2V.輸入電壓范圍45V~56V?輸出功率550W max?輸 出電流53A max.
[0054]從上面的參數(shù)我們可以看到諧振頻率大約為250kHz。我們希望在滿載的時候，開 關頻率的變化范圍是230kHz~270kHz。
[0055] 此時，我們可以通過公式(6)和(7)來進行Vref和Vout的選取。
[0056] For step 45V~47V:
[0057] Vref(45V,47V)=0.76664V (8)
[0058] Vout(45V,47V)=9.2V (9)
[0059] a = 0.5，然后通過公式（1)畫出頻率變化曲線。在滿載情況下，開關頻率的變化范 圍為230kHz~270kHz，如圖2所示。
[0060] For step 47V~49V:
[0061] Vref(47V,49V)=0.79997V (8)
[0062] Vout(47V,49V)=9.6V (9)
[0063] a = 0.5，然后通過公式（1)畫出頻率變化曲線。在滿載情況下，開關頻率的變化范 圍為230kHz~270kHz，如圖3所示。
[0064] For step 49V~51V:
[0065] Vref(49V,51V)=0.8333V (8)
[0066] Vout(49V,51V) = 10V (9)
[0067] a = 0.5，然后通過公式（1)畫出頻率變化曲線。在滿載情況下，開關頻率的變化范 圍為230kHz~270kHz，如圖4所示。
[0068] For step 51V~53V:
[0069] Vref(51V,53V)=0.86663V (8)
[0070] Vout(51V,53V) = 10.4V (9)
[0071 ] a = 0.5，然后通過公式（1)畫出頻率變化曲線。在滿載情況下，開關頻率的變化范 圍為230kHz~270kHz，如圖5所示。
[0072] For step 53V~55V:
[0073] Vref(53V,55V)=0.89996V (8)
[0074] Vout(53V,55V)-10.8V (9)
[0075] a = 0.5，然后通過公式（1)畫出頻率變化曲線。在滿載情況下，開關頻率的變化范 圍為230kHz~270kHz，如圖6所示。
[0076] 此時的電流值變成了 51A，因為不能超過最大功率的限制。
[0077] For step 55V~56V:
[0078] Vref(55V,56V)=0.93330V (8)
[0079] Vout(55V,56V) = 11.2V (9)
[0080] a = 0，然后通過公式（1)畫出頻率變化曲線。在滿載情況下，開關頻率的變化范圍 為230kHz~250kHz，如圖7所示。
[0081 ]此時的電流值變成了49A，因為不能超過最大功率的限制。
[0082] 如圖8所示，為輸入電壓與輸出電壓關系，開關頻率控制在230kHz~270kHz的一個 窄范圍，模塊在這個開關頻率范圍內(nèi)，效率可以達到最優(yōu)。
[0083]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到 的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護范圍應該 以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種高效的閉環(huán)PFM控制結構，包括A/D采集器、電壓發(fā)生器、運算放大器、電壓變換 器和PID穩(wěn)壓器;A/D采集器的輸出端連接電壓發(fā)生器的一個輸入端，電壓發(fā)生器的另一個 輸入端連接全橋諧振電路輸入端的輸入電路，電壓發(fā)生器的輸出端連接運算放大器的一個 輸入端，運算放大器的另一個輸入端連接電壓變換器的輸出端，電壓變換器的輸入端連接 全橋諧振電路輸出端的輸出電路，運算放大器的輸出端連接PID穩(wěn)壓器的輸入端，PID穩(wěn)壓 器的輸出端連接PFM控制器的控制信號輸入端。
【文檔編號】H02M1/00GK205453470SQ201620213275
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】徐鑫, 劉文龍, 張鑫
【申請人】深圳市陸巡天下科技有限公司