一種數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，包括離散化單元和邏輯電路，離散化單元串接濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出端，離散化單元的離散信號輸出端與邏輯電路的輸入端連接，邏輯電路的輸出端連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端。僅需要對離散化的反饋信號進行簡單的邏輯判斷和加減運算，大大縮短其采樣、濾波、計算與邏輯判斷的時間，實現(xiàn)高效性，并能夠提高閉環(huán)控制的穩(wěn)定性。同時，對于主控IC的性能要求低，選型容易、成本低。
【專利說明】
一種數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及一種控制裝置，特別是涉及一種輸出反饋的控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的數(shù)字電源，均是采用數(shù)字PID電路進行閉環(huán)控制，其與電路結(jié)構(gòu)對應(yīng)的算法 包括位置式和增量式兩種。
[0003] 基本PID電路結(jié)構(gòu)的位置型離散表達式獲得方法如下：
[0004]
[0005]
[0006] 位置型離散表達式為：
[0009] 由式(2)-(3)轉(zhuǎn)換為：
[0007]
[0008]
[0010]
[0011] 基本PID電路結(jié)構(gòu)的增量型離散表達式為：
[0012] u(n) =u(n_l)+Δ u(n) (5)
[0013] 但是采用傳統(tǒng)數(shù)字式PID閉環(huán)控制，需要主控數(shù)字芯片消耗大量的時間完成目標 采樣，對采樣值數(shù)字濾波，再進行乘除運算，邏輯判斷等等，更需要不斷調(diào)試配置PID參數(shù)， 才能完成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。
[0014] 在隔離式開關(guān)電源工程應(yīng)用中，數(shù)字芯片必須放置在副邊，先完成對輸出電壓的 采樣，進而才能運算，最后完成閉環(huán)控制。若數(shù)字芯片放置在原邊，必須采用線性光耦或者 直流磁隔離，才能完成對輸出電壓的采樣。
[0015] 因此，在工程應(yīng)用中若要實現(xiàn)傳統(tǒng)PID控制，需要采用運算速度快，精度高的芯片， 并且在一些特殊情況下，必須加入成本昂貴的線性光耦或者直流磁隔離，這些缺點大大限 制了其應(yīng)用范圍。 【實用新型內(nèi)容】
[0016] 本實用新型的目的是提供一種數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)有閉環(huán) 控制精度需要復雜處理器完成的技術(shù)問題。
[0017] 本實用新型的數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，包括離散化單元和邏輯電路， 離散化單元串接濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出端，離散化單元的離散信號輸出端與邏輯電路的輸入端連 接，邏輯電路的輸出端連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端。
[0018] 通過隔離網(wǎng)絡(luò)形成原邊和副邊的數(shù)字模塊電源中包括兩個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，在副邊串聯(lián) 的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出端串聯(lián)離散化單元，離散化單元的離散信號輸出端與邏輯電 路的輸入端連接，邏輯電路的一個輸出端連接副邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端，邏輯電 路的另一個輸出端通過隔離驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)連接原邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端。
[0019] 通過隔離網(wǎng)絡(luò)形成原邊和副邊的數(shù)字模塊電源中包括兩個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，在副邊串聯(lián) 的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出端串聯(lián)離散化單元，離散化單元的離散信號輸出端通過光耦 連接邏輯電路的輸入端，邏輯電路的一個輸出端連接原邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端， 邏輯電路的另一個輸出端通過隔離驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)連接副邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端。
[0020] 所述隔離網(wǎng)絡(luò)為主次繞組或隔離變壓器。
[0021] 所述離散化單元為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路或A/D芯片。
[0022] 本實用新型的數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，采用硬件電路對誤差信號放大 離散化后，輸入主控數(shù)字制芯片，僅經(jīng)過簡單邏輯判斷與加減運算，如利用成熟的運算放大 器比較電路，即可實現(xiàn)高效閉環(huán)控制。僅需要對離散化的反饋信號進行簡單的邏輯判斷和 加減運算，大大縮短其采樣、濾波、計算與邏輯判斷的時間，實現(xiàn)高效性，并能夠提高閉環(huán)控 制的穩(wěn)定性。同時，對于主控1C的性能要求低，選型容易、成本低。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本實用新型的數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用于非隔離數(shù)字電源的 控制電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為本實用新型的數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用于控制芯片放置副 邊結(jié)構(gòu)的隔離數(shù)字電源的控制電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3為本實用新型的數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用于控制芯片放置原邊 結(jié)構(gòu)的隔離數(shù)字電源的控制電路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0027] 如圖1所示，在包括開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)電源中，濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出端串聯(lián)離 散化單元，離散化單元的離散信號輸出端與邏輯電路（圖中標識為數(shù)字芯片）的輸入端連 接，邏輯電路的輸出端連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端。
[0028]離散化單元用于將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為電平信號，可以采用成熟的模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路或A/D芯片。
[0029]邏輯電路用于形成對電平信號的邏輯判斷并輸出判斷信號，可以采用成熟的PID 電路、與非門形成的邏輯電路或成熟的數(shù)字邏輯芯片。
[0030]如圖2所示，在上述實施例基礎(chǔ)上，在通過隔離網(wǎng)絡(luò)(如主次繞組)形成原邊和副邊 的開關(guān)電源（即數(shù)字模塊電源）中包括兩個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，在副邊串聯(lián)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)的 輸出端串聯(lián)離散化單元，離散化單元的離散信號輸出端與邏輯電路（圖中標識為數(shù)字芯片） 的輸入端連接，邏輯電路的一個輸出端連接副邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端，邏輯電路 的另一個輸出端通過隔離驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)（如隔離變壓器)連接原邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入 端。
[0031] 如圖3所示，在上述實施例基礎(chǔ)上，在通過隔離網(wǎng)絡(luò)(如主次繞組)形成原邊和副邊 的（即數(shù)字模塊電源)開關(guān)電源中，在副邊串聯(lián)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出端串聯(lián)離散化 單元，離散化單元的離散信號輸出端通過（圖中標識為普通光耦)光耦連接邏輯電路（圖中 標識為數(shù)字芯片）的輸入端，邏輯電路的一個輸出端連接原邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入 端，邏輯電路的另一個輸出端通過隔離驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)(如隔離變壓器)連接副邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反 饋信號接入端。
[0032] 以上實施例的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上增加了一個模擬量的離散化 單元，該離散單元將模擬量變?yōu)楸硎緮?shù)字量的高低電平，后輸入主控芯片，經(jīng)過簡單加減和 邏輯運算，輸出HVM信號，完成閉環(huán)控制。對于隔離數(shù)字電源，控制芯片放置原邊的結(jié)構(gòu)，通 過普通光耦便可將信號傳輸?shù)皆叺闹骺匦酒?，從而實現(xiàn)其閉環(huán)控制。
[0033] 工作過程描述如下：
[0034] 1)，獲得輸出電壓與基準的誤差信號，如式(6):
[0035] AV = V〇-Vref (6)
[0036] 2)，對誤差信號進行放大k倍，得到k* Δ V;
[0037] 3)，采用硬件電路，對k*AV進行離散化處理。
[0038] 4)，離散化的數(shù)字量輸入主控1C，經(jīng)過邏輯判斷后，進行簡單加減運算，輸出PWM控 制信號，完成閉環(huán)控制。
[0039] 針對對k* Δ V離散化的方式，及主控數(shù)字芯片邏輯判斷與加減運算的過程如下：
[0040] 首先，對k*AV進行離散化處理：
[0041] 第一種方式，可以將k*AV離散成兩位二進制數(shù)據(jù)結(jié)果，兩位二進制數(shù)可以描述四 種不同的狀態(tài)，該方式邏輯判斷最為簡單，易于執(zhí)行。設(shè)置兩個參考量，Vref_high對應(yīng)輸出 整定電壓的上限Vosetmax，Vref_low對應(yīng)輸出整定電壓的下限Vosetmin。當k* Δ V大于 Vref_high時說明輸出電壓大于對應(yīng)輸出整定電壓的上限Vosetmax，此時離散結(jié)果為10;當 k* Δ V小于Vref_low時說明輸出電壓小于對應(yīng)輸出整定電壓的下限Vosetmin，此時離散結(jié) 果為〇 1;當k* Δ V介于Vref_low與Vref_high之間時，說明輸出電壓在要求的范圍內(nèi)，此時 離散結(jié)果為11;理論上存在第四種狀態(tài)，即離散結(jié)果為〇〇,離散化是由硬件電路完成，通過 設(shè)計硬件電路，在其正常工作時，其離散結(jié)果不會出現(xiàn)該狀態(tài)，若出現(xiàn)該狀態(tài)，主控數(shù)字芯 片不予進行判斷。具體參見表格1。
[0042] 表 1
[0043]
[0044] 第二種方式，可以將k* △ V離散成更多位二進制結(jié)果，如四位、六位、八位等，但均 為偶數(shù)位。隨著離散結(jié)果二進制位數(shù)的增加，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出電壓狀態(tài)描述的細化，能夠更 好的控制輸出電壓;但同時硬件電路會增加，對主控數(shù)字芯片要求提高。
[0045] 對于k* △ V離散為多位二進制結(jié)果，其邏輯判斷與兩位二進制方法一致，以四位二 進制為例?？梢詫?yīng)輸出整定電壓的上下限進行細化，設(shè)置4個參考量，Vr ef_l〇wl、Vref_ low2、Vref_highl、Vref_high2，其大小關(guān)系為Vref_lowl〈Vref_low2〈Vref_highl〈Vref_ high2,當k* Δ V落入不同區(qū)間時，主控數(shù)字芯片即可判斷出輸出電壓的狀態(tài)，從而更加靈活 的進行加減運算，輸出更加合適的PWM控制信號，快速調(diào)整輸出電壓達到設(shè)定值。
[0046] 其次，主控數(shù)字芯片邏輯判斷與加減運算，實現(xiàn)閉環(huán)控制。
[0047] 以將k* △ V離散成兩位二進制數(shù)據(jù)結(jié)果為例。
[0048] 主控芯片以外部離散化電路的高低電平為觸發(fā)源，響應(yīng)中斷，經(jīng)過邏輯判斷后，以 固定短時間的定時中斷，按照固定步長A D增加或減少占空比占空比，快速調(diào)節(jié)輸出電壓。 通過數(shù)字芯片的中斷響應(yīng)，確保該方法的高效性。
[0049] 當主控數(shù)字芯片接收到'10'時，即可判斷出輸出電壓大于最大設(shè)定電壓，即Vo> Vosetmax，每一次定時中斷中在當前的占空比基礎(chǔ)上減小固定步長Δ D，達到減小輸出電壓 的目的，至輸出電壓調(diào)整值設(shè)定的電壓范圍內(nèi)。
[0050] 當主控數(shù)字芯片接收到'01'時，即可判斷出輸出電壓小于最小設(shè)定電壓，即Vo〈 Vosetmin，每一次定時中斷中在當前的占空比基礎(chǔ)上增加固定步長Δ D，達到增加輸出電壓 的目的，至輸出電壓調(diào)整值設(shè)定的電壓范圍內(nèi)。
[0051] 當主控數(shù)字芯片接收到'11'時，即可判斷出輸出電壓在設(shè)定的范圍內(nèi)，即 Vosetmin〈Vo〈Vosetmax，保持當前占空比不變。
[0052] 以上邏輯判斷及運算，請參見表2.
[0053] 表2.
[0054]
[0055] 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(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到 的變化或替換，都應(yīng)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(yīng)該 以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
【主權(quán)項】
1. 一種數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括離散化單元和邏輯電路， 離散化單元串接濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出端，離散化單元的離散信號輸出端與邏輯電路的輸入端連 接，邏輯電路的輸出端連接開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端。2. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其特征在于:通過隔離網(wǎng)絡(luò) 形成原邊和副邊的數(shù)字模塊電源中包括兩個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，在副邊串聯(lián)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò) 的輸出端串聯(lián)離散化單元，離散化單元的離散信號輸出端與邏輯電路的輸入端連接，邏輯 電路的一個輸出端連接副邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端，邏輯電路的另一個輸出端通過 隔離驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)連接原邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端。3. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其特征在于:通過隔離網(wǎng)絡(luò) 形成原邊和副邊的數(shù)字模塊電源中包括兩個開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，在副邊串聯(lián)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò) 的輸出端串聯(lián)離散化單元，離散化單元的離散信號輸出端通過光耦連接邏輯電路的輸入 端，邏輯電路的一個輸出端連接原邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端，邏輯電路的另一個輸 出端通過隔離驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)連接副邊的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋信號接入端。4. 如權(quán)利要求2-3中任一項所述的數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其特征在于:所 述隔離網(wǎng)絡(luò)為主次繞組或隔離變壓器。5. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字模塊電源的高效閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述離散化單 元為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路或A/D芯片。
【文檔編號】G05B11/42GK205656444SQ201620211695
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年3月18日 公開號201620211695.2, CN 201620211695, CN 205656444 U, CN 205656444U, CN-U-205656444, CN201620211695, CN201620211695.2, CN205656444 U, CN205656444U
【發(fā)明人】張鑫, 高云, 王寧
【申請人】深圳陸巡科技有限公司