本發(fā)明屬于電子設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

單路輸出變換器具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小、負(fù)載調(diào)整率高、動態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。然而，實(shí)際應(yīng)用中很多設(shè)備需要多路輔助電源，若每路輔助電源采用單獨(dú)的變換器和高壓隔離變壓器，勢必造成供電系統(tǒng)體積龐大，使得輔助電源設(shè)計(jì)復(fù)雜化，從而降低設(shè)備的可靠性。

采用多路輸出變換器拓?fù)浯娑鄠€(gè)單路輸出變換器拓?fù)?，可解決因多個(gè)獨(dú)立DC/DC變換器組合產(chǎn)生的干擾，簡化電路設(shè)計(jì)、縮小供電設(shè)備體積、降低成本，提高電源可靠性指標(biāo)。然而，多路輸出正激變換器在主路輸出負(fù)載或輔路輸出負(fù)載變化時(shí)，會引起輔路電壓產(chǎn)生較大范圍的波動，存在交叉調(diào)整問題。因此，設(shè)計(jì)一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)及控制方法具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)及其控制方法，主電路采用正激式DC-DC變換器，通過ARM處理器智能判斷主路和輔路，兩路均采用閉環(huán)控制方法，同時(shí)控制功率開關(guān)管的占空比，提高雙路輸出正激電源在輸出負(fù)載變化應(yīng)用環(huán)境中的輸出電壓精度和動態(tài)性能，改善交叉調(diào)整率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)，包括主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器、采樣電路、控制器、第一路驅(qū)動電路和第二路驅(qū)動電路，主電路正激式DC-DC變換器雙路輸出端同時(shí)連接采樣電路輸入端，采樣電路輸出端連接控制器輸入端，控制器輸出端一端連接DC-DC變換器第一路驅(qū)動電路，另一端連接DC-DC變換器第二路驅(qū)動電路，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)；控制器、第一路驅(qū)動電路、第二路驅(qū)動電路分別于主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器相連接；

所述的主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器采用正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將正激變換器中二次側(cè)串接的整流二極管均替換為功率開關(guān)管S₁和S₂，實(shí)現(xiàn)兩路輸出的同步控制功能；

所述的采樣電路采樣輸出電流、電感電流和輸出電壓，并將采樣信息發(fā)送到控制器；

所述的控制器采用STM32F4處理器，實(shí)現(xiàn)對兩路輸出功率的計(jì)算、比較，判斷出主路和輔路，并發(fā)送信息到第一路驅(qū)動電路和第二路驅(qū)動電路；

所述的第一路驅(qū)動電路采用相應(yīng)的控制策略；

所述的第二路驅(qū)動電路采用相應(yīng)的控制策略。

一種雙路輸出DC-DC變換器的控制方法，包括以下步驟：

1)采樣電路采樣雙路輸出的輸出電流i_o(t)、電感電流i_L(t)和輸出電壓U_o(t)；

2)將采樣信息送入控制器，根據(jù)公式R_L＝U_o(t)/i_o(t)計(jì)算出實(shí)時(shí)負(fù)載阻抗值R_L1和R_L2，再根據(jù)公式計(jì)算兩路對應(yīng)的輸出功率P_o1和P_o2；

3)控制器將P_o1和P_o2作比較來確定主路和輔路；

4)根據(jù)判斷結(jié)果采用相應(yīng)的控制策略，主路采用主路控制策略，同步控制變壓器原邊主開關(guān)管Q和主路整流二極管S₁的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，輔路采用輔路控制策略，同步控制整流二極管S₂的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。

5)根據(jù)不同步控制策略，同步控制雙路輸出變換器開關(guān)管的占空比，使輸出電壓均穩(wěn)定。

所述的步驟1)中電流檢測電路采用霍爾傳感器CSM001A，其匝數(shù)比為25:1000，可根據(jù)電路電流大小i和處理器處理最大電壓V_max，計(jì)算出采樣電阻R，即滿足R<V_max/(40i)。

所述的步驟3)中判斷主路和輔路的具體步驟為：

①如果P_o1≥A*P_o2，則第一路輸出為主路，第二路輸出為輔路；

②如果P_o1＜A*P_o2，則第二路輸出為主路，第一路輸出為輔路；

其中，系數(shù)A對控制策略起著關(guān)鍵作用，采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于插值方法擬合曲線獲得A值，并綜合考慮精度和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，對擬合算法、插值階數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

所述的步驟4)中控制策略包含主路控制策略和輔路控制策略兩部分，具體為：

①主路采用PID控制算法，PID控制器由比例調(diào)節(jié)器P、積分調(diào)節(jié)器I、微分調(diào)節(jié)器D組成，系統(tǒng)主要由PID控制器環(huán)節(jié)和被控對象兩部分組成，根據(jù)系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制，PID控制器是基本的控制裝置，它具有原理簡單、應(yīng)用方便、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；

②輔路采用改進(jìn)的滯環(huán)電流控制策略，對傳統(tǒng)滯環(huán)電流進(jìn)行改進(jìn)，利用電容電荷平衡原理，計(jì)算出負(fù)載電流變換時(shí)暫態(tài)滯環(huán)電流寬度，得出暫態(tài)滯環(huán)電流閾值，將實(shí)時(shí)電感電流值與閾值作比較，控制開關(guān)動作，從而穩(wěn)定輸出電壓，滯環(huán)電流模式控制的轉(zhuǎn)換器是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，它在傳統(tǒng)的電壓控制模式的基礎(chǔ)上，增加電流反饋環(huán)，滯環(huán)電流模式控制相對于滯環(huán)電壓模式控制，具有動態(tài)響應(yīng)快和內(nèi)在的電流限制能力等優(yōu)勢。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所提供雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)及控制方法，通過計(jì)算并比較正激式變換器雙路輸出功率值來智能確定主路與輔路，主路采用閉環(huán)PID電壓控制法實(shí)時(shí)調(diào)整主開關(guān)和主路整流管的導(dǎo)通比。同時(shí)，輔路采用改進(jìn)后的滯環(huán)電流控制策略，精確調(diào)整輔路開關(guān)管的占空比，控制開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷，從而提高多路輸出正激變換器在主路或輔路負(fù)載變換時(shí)主輔路的輸出電壓精度，使多路輸出正激變換器具有較好的動態(tài)性能，改善交叉調(diào)整問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明輸出負(fù)載不變時(shí)的仿真波形圖。

圖3為本發(fā)明輸出負(fù)載變化時(shí)的仿真波形圖。

其中，1為主電路正激式DC-DC變換器；2為采樣電路；3為控制器；4為變換器第一路驅(qū)動電路；5為變換器第二路驅(qū)動電路。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步敘述。

如圖1所示，一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)，包括主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器1、采樣電路2、控制器3、第一路驅(qū)動電路4和第二路驅(qū)動電路5，主電路正激式DC-DC變換器1雙路輸出端同時(shí)連接采樣電路2輸入端，采樣電路2輸出端連接控制器3輸入端，控制器3輸出端一端連接DC-DC變換器第一路驅(qū)動電路4，另一端連接DC-DC變換器第二路驅(qū)動電路5，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)；控制器3、第一路驅(qū)動電路4、第二路驅(qū)動電路5分別于主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器1相連接；

所述的主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器1采用正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將正激變換器中二次側(cè)串接的整流二極管均替換為功率開關(guān)管S₁和S₂，實(shí)現(xiàn)兩路輸出的同步控制功能；

所述的采樣電路2采樣輸出電流、電感電流和輸出電壓，并將采樣信息發(fā)送到控制器；

所述的控制器3采用STM32F4處理器，實(shí)現(xiàn)對兩路輸出功率的計(jì)算、比較，判斷出主路和輔路，并發(fā)送信息到第一路驅(qū)動電路和第二路驅(qū)動電路；

所述的第一路驅(qū)動電路4采用相應(yīng)的控制策略；

所述的第二路驅(qū)動電路5采用相應(yīng)的控制策略。

一種雙路輸出DC-DC變換器的控制方法，包括以下步驟：

1)采樣電路采樣雙路輸出的輸出電流i_o(t)、電感電流i_L(t)和輸出電壓U_o(t)；

2)將采樣信息送入控制器，根據(jù)公式R_L＝U_o(t)/i_o(t)計(jì)算出實(shí)時(shí)負(fù)載阻抗值R_L1和R_L2，再根據(jù)公式計(jì)算兩路對應(yīng)的輸出功率P_o1和P_o2；

3)控制器將P_o1和P_o2作比較來確定主路和輔路；

4)根據(jù)判斷結(jié)果采用相應(yīng)的控制策略，主路采用主路控制策略，同步控制變壓器原邊主開關(guān)管Q和主路整流二極管S₁的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，輔路采用輔路控制策略，同步控制整流二極管S₂的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間。

5)根據(jù)不同步控制策略，同步控制雙路輸出變換器開關(guān)管的占空比，使輸出電壓均穩(wěn)定。

所述的步驟1)中電流檢測電路采用霍爾傳感器CSM001A，其匝數(shù)比為25:1000，可根據(jù)電路電流大小i和處理器處理最大電壓V_max，計(jì)算出采樣電阻R，即滿足R<V_max/(40i)。

所述的步驟3)中判斷主路和輔路的具體步驟為：

①如果P_o1≥A*P_o2，則第一路輸出為主路，第二路輸出為輔路；

②如果P_o1＜A*P_o2，則第二路輸出為主路，第一路輸出為輔路；

其中，系數(shù)A對控制策略起著關(guān)鍵作用，采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于插值方法擬合曲線獲得A值，并綜合考慮精度和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，對擬合算法、插值階數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

所述的步驟4)中控制策略包含主路控制策略和輔路控制策略兩部分，具體為：

①主路采用PID控制算法。PID控制器由比例調(diào)節(jié)器P、積分調(diào)節(jié)器I、微分調(diào)節(jié)器D組成，系統(tǒng)主要由PID控制器環(huán)節(jié)和被控對象兩部分組成，根據(jù)系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制。PID控制器是基本的控制裝置，它具有原理簡單、應(yīng)用方便、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

②輔路采用改進(jìn)的滯環(huán)電流控制策略。對傳統(tǒng)滯環(huán)電流進(jìn)行改進(jìn)，利用電容電荷平衡原理，計(jì)算出負(fù)載電流變換時(shí)暫態(tài)滯環(huán)電流寬度，得出暫態(tài)滯環(huán)電流閾值，將實(shí)時(shí)電感電流值與閾值作比較，控制開關(guān)動作，從而穩(wěn)定輸出電壓。滯環(huán)電流模式控制的轉(zhuǎn)換器是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，它在傳統(tǒng)的電壓控制模式的基礎(chǔ)上，增加電流反饋環(huán)，滯環(huán)電流模式控制相對于滯環(huán)電壓模式控制，具有動態(tài)響應(yīng)快和內(nèi)在的電流限制能力等優(yōu)勢。

上述內(nèi)容均是對雙路輸出正激式DC-DC變換器系統(tǒng)的理論分析，出于論證的嚴(yán)密性，在MATLAB/simulik軟件中對負(fù)載電流保持不變和負(fù)載電流變化過程進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)為：輸入電壓為24V，額定輸出功率為30W，兩路額定輸出分別為5V/3A和15V/1A，開關(guān)頻率f＝40kHz，ΔI＝100mA。

從圖2仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)額定輸出5V/3A為主路，額定輸出15V/1A輔路時(shí)，U_o1＝4.976，U_o2＝15.00，此時(shí)，負(fù)載電流i_o2＝1A保持不變，i_o1由3A變?yōu)?.35A，滿足P_o1<0.82*P_o2，主輔路互換，U_o1＝5.012，U_o2＝14.960，兩路輸出電壓精度約為0.2％。

從圖3仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)額定輸出15V/1A為主路，額定輸出5V/3A輔路時(shí)，U_o1＝15.01，U_o2＝5.006，此時(shí)，負(fù)載電流i_o2＝3A保持不變，負(fù)載電流i_o1由1A變?yōu)?.1A時(shí)，滿足P_o1<0.82*P_o2，主輔路互換，U_o1＝15.00，U_o2＝5.004。兩路輸出電壓精度約為0.4％。

從仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，負(fù)載電流變換時(shí)主輔路均具有較高的輸出電壓精度，證明了主輔路同步控制策略具有智能判定主輔路和同步控制開關(guān)的功能，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的正確性。