本發(fā)明涉及單輸入多輸出能饋式接口電路，尤其是提高單輸入多輸出能饋式接口電路效率性能的控制器及方法，可應用于不規(guī)則的LED陣列照明系統(tǒng)和直流微電網的分布式負載系統(tǒng)。

背景技術：

單輸入多輸出能饋式接口電路適用于復雜負載系統(tǒng)的應用場合。典型的復雜負載系統(tǒng)包括不規(guī)則的LED陣列照明系統(tǒng)和直流微電網的分布式負載系統(tǒng)。單輸入多輸出能饋式接口電路可以很好地包容負載間的不一致性。

典型的單輸入多輸出能饋式接口電路由N個相同的通道電路組成，而每個通道電路的功率部分又由1個開關電感支路和1個單管儲能支路組成。當某個通道電路的輸入電壓與輸出電壓不存在電壓差時，僅它的開關電感支路參與工作，將電能直接地輸送給相應的負載；而當該通道電路的輸入電壓與輸出電壓存在電壓差時，它的開關電感支路仍然為相應的負載提供電能，但同時因電壓差造成的多余電能也會通過單管儲能支路返回至輸入端。發(fā)明專利ZL 201310382254.X和ZL201310381708.1中提出的電路都是單輸入多輸出能饋式接口電路“家族中的成員”。

除了功率部分，通道電路還包括控制部分。但是，無論發(fā)明專利ZL 201310382254.X和ZL 201310381708.1還是科技論文“高效的插入式LED陣列驅動接口電路”(2016年7月15日在線發(fā)表于《電源學報》)提出的控制方法都沒有涉及“單輸入多輸出能饋式接口電路如何在全負載范圍內對所有負載組合都能大概率地獲得最高或次高效率”的問題。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的控制方法無法令單輸入多輸出能饋式接口電路在全負載范圍內對所有負載組合都能大概率地獲得最高或次高效率的不足，本發(fā)明提供了一種在全負載范圍內對所有負載組合都能大概率地獲得最高或次高效率的最高效率工作點定位控制器及方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種最高效率工作點定位控制器，所述最高效率工作點定位控制器#J從直流母線處獲得通道電路#J的輸入信號aj，從負載#J處獲得通道電路#J的輸出信號bj，根據獲得的輸入信號aj和輸出信號bj分別給出通道電路#J中開關電感支路#J和單管儲能支路#J的控制信號，即占空比Dj(k)和占空比Daj(m)，J的取值為1至N，j的取值為1至n；

所述最高效率工作點定位控制器#J由工作點定位子控制器#J和單環(huán)子控制器#J組成，由工作點定位子控制器#J產生單管儲能支路#J的占空比Daj(m)，作用在于保證輸入信號aj的離散平均值Aj(m)處于最小值，m的取值為1至∞；由單環(huán)子控制器#J產生開關電感支路#J的占空比Dj(k)，作用在于保證輸出信號bj的離散平均值Bj(k)等于參考信號Bref，k的取值為1至∞。

進一步，所述工作點定位子控制器#J由采樣器#J、平均器#J、最小值判斷器#J、數據鎖存器#J、數據堆棧#J1、數據堆棧#J2組成，所述工作點定位子控制器#J在最高效率工作點定位控制器#J啟動或重啟后先進行掃描定位操作，再進行回歸定位操作，設定工作點定位子控制器#J的掃描定位工作周期為Tb＝y(tǒng)Ts以及工作點定位子控制器#J的回歸定位工作周期為Tc＝zTs，Ts為開關電感支路#J和單管儲能支路#J的工作周期，y為大于零的整數，z為大于零的整數。

再進一步，所述單環(huán)子控制器#J采用PWM控制器(如各種PID控制器)，設定單環(huán)子控制器#J的工作周期為Ta＝xTs，Ts為開關電感支路#J和單管儲能支路#J的工作周期，x為大于零的整數，當前單環(huán)控制工作周期Ta(k)輸出占空比Dj(k)至開關電感支路#J，控制開關電感支路#J中的開關管Mj，使輸出信號bj的離散平均值Bj(k)等于參考信號Bref。

為了更好地協(xié)調開關電感支路#J和單管儲能支路#J的工作，可設定x<y以及x<z。

更進一步，所述最高效率工作點定位控制器#J采用數字信號處理器。

所述控制器還包括中央處理器和信息總線，由中央處理器統(tǒng)一管理最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N的工作狀態(tài)，中央處理器通過信息總線向最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N傳遞啟動或重啟指令，最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N也通過信息總線向中央處理器傳遞輸入信號的離散平均值集合A(m)的突變信號，A(m)＝{A1(m),A2(m),…,An(m)}。

所述輸入信號aj包括輸入電壓、輸入電流和輸入功率，所述輸出信號bj包括輸出電壓、輸出電流和輸出功率。

一種最高效率工作點定位控制方法，所述控制方法包括以下步驟：

(1)最高效率工作點定位控制器#J啟動或重啟后，工作點定位子控制器#J先進入掃描定位操作狀態(tài)，設定掃描定位操作的工作周期Tb＝y(tǒng)Ts，Ts為開關電感支路#J和單管儲能支路#J的工作周期，y為大于零的整數；

(2)再根據設定的直流母線電壓和負載范圍配置工作點定位子控制器#J中的數據堆棧#J1，將一組以ΔDa為間隔的占空比數據，即Daj_max，…，Daj_min+ΔDa，Daj_min均載入數據堆棧#J1中；

(3)運行當前掃描定位工作周期Tb(m)，按順序從數據堆棧#J1中獲取當前掃描定位工作周期Tb(m)的占空比Daj(m)并輸出至單管儲能支路#J，控制單管儲能支路#J中的開關管Maj，m的取值為1至Y；

(4)待通道電路#J工作穩(wěn)定后，輸入信號aj經工作點定位子控制器#J中的采樣器#J處理后獲得輸入信號的離散值aj(m)；

(5)輸入信號的離散值aj(m)經工作點定位子控制器#J中的平均器#J處理后獲得輸入信號的離散平均值Aj(m)；

(6)輸入信號的離散平均值Aj(m)經工作點定位子控制器#J中的最小值判斷器#J判斷，若判斷Aj(m)為當前最小值，則最小值判斷器#J觸發(fā)工作點定位子控制器#J中的數據鎖存器#J更新最優(yōu)占空比Daj_opt為當前的Daj(m)，即Daj_opt＝Daj(m)；若判斷Aj(m)不為當前最小值，則數據鎖存器#J保留原最優(yōu)占空比數據；

(7)若m＝Y，表明整個掃描定位操作完成，所述工作點定位子控制器#J將進入回歸定位操作狀態(tài)；否則，運行下一個掃描定位工作周期Tb(m+1)，令m＝m+1，重復步驟(3)至(7)；

(8)所述工作點定位子控制器#J進入回歸定位操作狀態(tài)，設定回歸定位操作的工作周期Tc＝zTs，Ts為開關電感支路#J和單管儲能支路#J的工作周期，z為大于零的整數；

(9)根據數據鎖存器#J中的最優(yōu)占空比Daj_opt配置工作點定位子控制器#J中的數據堆棧#J2，將一組以ΔDb為間隔的占空比數據，即Daj_opt，…，Daj_max-ΔDb，Daj_max均載入數據堆棧#J2中；

(10)運行當前回歸定位工作周期Tc(m)，按順序從數據堆棧#J2中獲取當前回歸定位周期Tc(m)的占空比Daj(m)并輸出至單管儲能支路#J，控制單管儲能支路#J中的開關管Maj，m的取值為Y+1至∞；

(11)運行下一個回歸定位工作周期Tc(m+1)，令m＝m+1，重復步驟(10)至(11)直至最高效率工作點定位控制器#J重啟或通道電路#J停止工作。

進一步，所述步驟(2)中，以ΔDa為間隔的最大占空比Daj_max至最小占空比Daj_min的占空比數據即{Daj_max，…，Daj_min+ΔDa，Daj_min}載入數據堆棧#J1中；所述步驟(3)中，占空比Daj(m)的取值順序如下：Daj(1)＝Daj_min，Daj(2)＝Daj_min+ΔDa，…，Daj(Y)＝Daj_max，Y＝1+(Daj_max-Daj_min)/ΔDa；所述步驟(9)中，將一組以ΔDb為間隔的最優(yōu)占空比Daj_opt至最大占空比Daj_max的占空比數據，即{Daj_opt，…，Daj_max-ΔDb，Daj_max}載入數據堆棧#J2中；所述步驟(10)中，占空比Daj(m)的取值順序如下：Daj(Y+1)＝Daj_max，Daj(Y+2)＝Daj_max-ΔDb，…，Daj(Y+Z)＝Daj_opt，…，Daj(∞)＝Daj_opt，Z＝1+(Daj_max-Daj_opt)/ΔDb。

或者是：所述步驟(2)中，載入占空比數據的順序為{Daj_min，Daj_min+ΔDa，…，Daj_max}；所述步驟(3)中，占空比Daj(m)的取值順序為：Daj(1)＝Daj_max，Daj(2)＝Daj_max-ΔDa，…，Daj(Y)＝Daj_min，Y＝1+(Daj_max-Daj_min)/ΔDa；所述步驟(9)中，載入占空比數據的內容及順序為{Daj_opt，…，Daj_min+ΔDb，Daj_min}；所述步驟(10)中，占空比Daj(m)的取值順序為：Daj(Y+1)＝Daj_min，Daj(Y+2)＝Daj_min+ΔDb，…，Daj(Y+Z)＝Daj_opt，…，Daj(∞)＝Daj_opt，Z＝1+(Daj_opt-Daj_min)/ΔDb。

再進一步，在最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N的基礎上，再添加中央處理器和信息總線，由中央處理器統(tǒng)一管理最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N的工作狀態(tài)，中央處理器通過信息總線向最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N傳遞啟動或重啟指令，最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N也通過信息總線向中央處理器傳遞輸入信號的離散平均值集合A(m)的突變信號，A(m)＝{A1(m),A2(m),…,An(m)}。

所述中央處理器的工作流程如下：

(i)單輸入多輸出能饋式接口電路開機后，中央處理器依次啟動最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N，完成通道電路#1至通道電路#N的第1次定位工作；

(ii)中央處理器進入等待狀態(tài)直至輸入信號的離散平均值集合A(m)發(fā)生突變。

(iii)當A(m)發(fā)生突變時，中央處理器依次判斷An(m),…,A1(m)是否發(fā)生突變；若An(m)不發(fā)生突變，則直接繼續(xù)判斷An-1(m)是否發(fā)生突變的進程；若An(m)發(fā)生突變，則先重啟最高效率工作點定位控制器#N，再繼續(xù)判斷An-1(m)是否發(fā)生突變的進程；以此類推直至判斷A1(m)是否發(fā)生突變；若A1(m)不發(fā)生突變，則直接進入等待狀態(tài)；若A1(m)發(fā)生突變，則先重啟最高效率工作點定位控制器#1，再進入等待狀態(tài)；

(iv)重復(ii)至(iii)。

進一步，所述步驟(iii)中，依次判斷突變的順序為An(m)至A1(m)；

或者是：所述步驟(iii)中，依次判斷突變的順序為A1(m)至An(m)。

本發(fā)明的技術構思為：為確保單輸入多輸出能饋式接口電路在全負載范圍內對所有負載組合都能大概率地獲得最高或次高效率，提出在其通道電路中采用最高效率工作點定位控制器。為了與通道電路中的開關電感支路和單管儲能支路匹配，最高效率工作點定位控制器由工作點定位子控制器和單環(huán)子控制器組成。根據通道電路的輸入和輸出信號，工作點定位子控制器調整單管儲能支路的占空比，單環(huán)子控制器調整開關電感支路的占空比，通過令通道電路大概率地運行于最高或次高效率工作點的方式，最終實現(xiàn)整個單輸入多輸出能饋式接口電路的高效率。在最高效率工作點定位控制器的基礎上，引入中央處理器和信息總線，還可衍生出一種最高效率工作點跟蹤方法。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：最高效率工作點定位控制器及方法可進一步提高單輸入多輸出能饋式接口電路的效率，尤其在復雜負載系統(tǒng)的應用中可確保單輸入多輸出能饋式接口電路在全負載范圍內對所有負載組合都能大概率地獲得最高或次高效率。

附圖說明

圖1是采用本發(fā)明的單輸入多輸出能饋式接口電路框圖。

圖2是本發(fā)明的內部組成框圖。

圖3是采用本發(fā)明的單輸入多輸出能饋式接口電路實施例1的局部電路圖。

圖4是七種不同負載情況下本發(fā)明實施例1關于通道電路#1效率的20次實驗結果。

圖5是采用本發(fā)明的單輸入多輸出能饋式接口電路實施例2的電路框圖。

圖6是本發(fā)明實施例2的控制流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

實施例1

參照圖1、圖2和圖3，本發(fā)明實施例1的通道電路#J采用的開關電感支路#J(J的取值1至N)由輸入電容Cij、電感Lj、輸出電容Coj、N-MOS管Mj組成，單管儲能支路#J由二極管Dcj、電容Caj、耦合電感Laj和Lbj、N-MOS管Maj、二極管Dacj組成。電容Cij的一端同時與直流母線的正端、耦合電感Lbj的一端以及電感Lj的一端相連，電感Lj的另一端同時與輸出電容Coj的一端以及負載#J的一端相連，輸出電容Coj的另一端同時與負載#J的另一端、N-MOS管Mj的漏極以及二極管Dcj的陽極相連，二極管Dcj的陰極同時與電容Caj的一端以及耦合電感Laj的一端相連，所述耦合電感Laj的一端與耦合電感Lbj的另一端為同名端關系，耦合電感Laj的另一端與N-MOS管Maj的漏極相連，所述耦合電感Laj的另一端與耦合電感Lbj的另一端為異名端關系，所述耦合電感Lbj的另一端與二極管Dacj的陰極相連，二極管Dacj的陽極同時與直流母線的負端、電容Cij的另一端、N-MOS管Maj的源極、電容Caj的另一端、N-MOS管的源極相連，j的取值1至n。

本發(fā)明實施例1的最高效率工作點定位控制器#J由工作點定位子控制器#J和單環(huán)子控制器#J組成。工作點定位子控制器#J由采樣器#J、平均器#J、最小值判斷器#J、數據鎖存器#J、數據堆棧#J1、數據堆棧#J2組成。單環(huán)子控制器#J則采用增量PID控制器。工作點定位子控制器#J和單環(huán)子控制器#J的工作流程相對獨立。

本發(fā)明實施例1的工作點定位子控制器#J將通道電路#J的輸入電流作為輸入信號aj，并給出單管儲能支路#J的控制信號，即N-MOS管Maj的占空比Daj(m)。在最高效率工作點定位控制器#J啟動或重啟后，工作點定位子控制器#J先進行掃描定位操作，再進行回歸定位操作，具體的工作流程如步驟(1)至(11)所示，其中(1)至(7)屬于掃描定位操作，(8)至(11)屬于回歸定位操作。

(1)最高效率工作點定位控制器#J啟動或重啟后，工作點定位子控制器#J先進入掃描定位操作狀態(tài)，設定掃描定位操作的工作周期Tb＝y(tǒng)Ts，Ts為開關電感支路#J和單管儲能支路#J的工作周期，y為大于零的整數。

(2)再根據設定的直流母線電壓和負載范圍配置數據堆棧#J1，將一組以ΔDa為間隔的最大占空比Daj_max至最小占空比Daj_min的占空比數據，即{Daj_max，…，Daj_min+ΔDa，Daj_min}載入數據堆棧#J1中。

(3)運行當前掃描定位工作周期Tb(m)，按順序從數據堆棧#J1中獲取當前掃描定位工作周期Tb(m)的占空比Daj(m)并輸出至單管儲能支路#J，控制單管儲能支路#J中的N-MOS管Maj；占空比Daj(m)的取值順序如下：Daj(1)＝Daj_min，Daj(2)＝Daj_min+ΔDa，…，Daj(Y)＝Daj_max，Y＝1+(Daj_max-Daj_min)/ΔDa，m的取值為1至Y。

(4)待通道電路#J工作穩(wěn)定后，輸入信號aj經采樣器#J處理后獲得輸入信號的離散值aj(m)。

(5)輸入信號的離散值aj(m)經平均器#J處理后獲得輸入信號的離散平均值Aj(m)。

(6)輸入信號的離散平均值Aj(m)經最小值判斷器#J判斷，若判斷Aj(m)為當前最小值，則最小值判斷器#J觸發(fā)數據鎖存器#J更新最優(yōu)占空比Daj_opt為當前的Daj(m)，即Daj_opt＝Daj(m)；若判斷Aj(m)不為當前最小值，則數據鎖存器#J保留原最優(yōu)占空比數據。

(7)若m＝Y，表明整個掃描定位操作完成，將進入回歸定位操作狀態(tài)；否則，運行下一個掃描定位工作周期Tb(m+1)，令m＝m+1，重復(3)至(7)。

(8)進入回歸定位操作狀態(tài)，設定回歸定位操作的工作周期Tc＝zTs，Ts為開關電感支路#J和單管儲能支路#J的工作周期，z為大于零的整數。

(9)根據數據鎖存器#J中的最優(yōu)占空比Daj_opt配置數據堆棧#J2，將一組以ΔDb為間隔的最優(yōu)占空比Daj_opt至最大占空比Daj_max的占空比數據，即{Daj_opt，…，Daj_max-ΔDb，Daj_max}載入數據堆棧#J2中。

(10)運行當前回歸定位工作周期Tc(m)，按順序從數據堆棧#J2中獲取當前回歸定位工作周期Tc(m)的占空比Daj(m)并輸出至單管儲能支路#J，控制單管儲能支路#J中的N-MOS管Maj；占空比Daj(m)的取值順序如下：Daj(Y+1)＝Daj_max，Daj(Y+2)＝Daj_max-ΔDb，…，Daj(Y+Z)＝Daj_opt，…，Daj(∞)＝Daj_opt，Z＝1+(Daj_max-Daj_opt)/ΔDb，m的取值為Y+1至∞。

(11)運行下一個回歸定位工作周期Tc(m+1)，令m＝m+1，重復(10)至(11)直至最高效率工作點定位控制器#J重啟或通道電路#J停止工作。

本發(fā)明實施例1的單環(huán)子控制器#J將通道電路#J的輸出電流作為輸出信號bj，設定單環(huán)子控制器#J的工作周期為Ta＝xTs，Ts為開關電感支路#J和單管儲能支路#J的工作周期，x為大于零的整數，當前單環(huán)控制工作周期Ta(k)輸出占空比Dj(k)至開關電感支路#J，控制開關電感支路#J中的N-MOS管Mj，k的取值為1至∞。

當直流母線電壓恒定時，在工作點定位子控制器#J和單環(huán)子控制器#J的共同作用下，本發(fā)明實施例1的通道電路#J既可以實現(xiàn)輸出信號bj的離散平均值Bj(k)等于參考信號Bref，又可以大概率地實現(xiàn)最高或次高效率。圖4為七種不同負載情況下本發(fā)明實施例1關于通道電路#1效率的20次實驗結果，具體的測試條件如下：直流母線電壓為24V，輸出電流100mA，負載為1至7個白光LED。從圖4可知，在全負載范圍內最高效率工作點定位控制器#1的確能令通道電路#1大概率地獲得最高或次高效率，在效率方面其性能優(yōu)于固定占空比Da1(m)的常規(guī)控制器。(關于固定占空比Da1(m)的常規(guī)控制器的內容可詳見2016年7月15日在線發(fā)表于《電源學報》的科技論文“高效的插入式LED陣列驅動接口電路”。)

實施例2

參照圖1、圖2、圖3、圖5和圖6，本發(fā)明實施例2在本發(fā)明實施例1的基礎上，再添加中央處理器和信息總線，由中央處理器統(tǒng)一管理最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N的工作狀態(tài)，中央處理器通過信息總線向最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N傳遞啟動或重啟指令，最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N也通過信息總線向中央處理器傳遞輸入信號的離散平均值集合A(m)的突變信號，A(m)＝{A1(m),A2(m),…,An(m)}。中央處理器的工作流程如步驟(i)至(iv)所示。

(i)單輸入多輸出能饋式接口電路開機后，中央處理器依次啟動最高效率工作點定位控制器#1至最高效率工作點定位控制器#N，完成通道電路#1至通道電路#N的第1次定位工作；

(ii)中央處理器進入等待狀態(tài)直至輸入信號的離散平均值集合A(m)發(fā)生突變。

(iii)當A(m)發(fā)生突變時，中央處理器依次判斷An(m)至A1(m)是否發(fā)生突變。若An(m)不發(fā)生突變，則直接繼續(xù)判斷An-1(m)是否發(fā)生突變的進程；若An(m)發(fā)生突變，則先重啟最高效率工作點定位控制器#N，再繼續(xù)判斷An-1(m)是否發(fā)生突變的進程。以此類推直至判斷A1(m)是否發(fā)生突變。若A1(m)不發(fā)生突變，則直接進入等待狀態(tài)；若A1(m)發(fā)生突變，則先重啟最高效率工作點定位控制器#1，再進入等待狀態(tài)。

(iv)重復(ii)至(iii)。

本發(fā)明實施例2具有最高效率工作點跟蹤的能力。當負載#1至負載#N中的部分負載發(fā)生突變時，相應的最高效率工作點定位控制器將通過信息總線向中央處理器發(fā)送相應的突變信息，在接收并確認突變信息之后中央處理器仍通過信息總線向相應的最高效率工作點定位控制器發(fā)送重啟命令，使相應的通道電路重獲最高或次高效率。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對發(fā)明構思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍的不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領域技術人員根據本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。