CN100409548C

CN100409548C - 软启停直流开关电源

Info

Publication number: CN100409548C
Application number: CNB2006100191856A
Authority: CN
Inventors: 刘开培; 曾光
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: CN1885695A

Abstract

本发明公开了一种软启停直流开关电源，涉及一种直流开关电源及其控制方法。软启停直流开关电源包括EMI滤波器(1)、不控整流(2)、DC/DC变换器(3)、检测调理电路(4)、驱动电路(5)、控制器(6)；其中的控制器(6)由均值计算模块(A)、倒数计算模块(B)、电压PI控制器(C)、电流PI控制器(D)、PWM模块(E)、第一A/D(F)、第二A/D(G)、第三A/D(H)、第一乘法器(I)、第二乘法器(J)、第一比较器(K)、第二比较器(L)组成。本发明通过CPU控制程序来实现对电源启动和停止过程中浪涌电流的抑制，从而减少了额外损耗和成本；适用于所有数字化控制的直流开关电源。

Description

软启停直流开关电源

技术领域

本发明涉及一种直流开关电源及其控制方法，尤其涉及一种基于数字控制的直流开关电源软启停的方法。

背景技术

直接由电网供电的直流开关电源，大多数的使用场合是输入电压高，输入滤波和输出滤波的电容值大，在接通电网瞬间将会产生非常大的浪涌电流，不仅会损坏桥式整流二极管，熔化开关接点，还会使高频变压器饱和，损坏功率开关管。软启动电路可以减小电容的充电电流，有效地防止浪涌电流的最大峰值。

目前，直流开关电源要实现软启动通常是在不可控整流部分与直流变直流变换器部分之间专门设计软启动电路，最常见的一种简单形式就是串连电阻，主要靠软启动电路中的电阻来限制输入的浪涌电流的峰值，但同时在电阻上也会消耗一定的电能。因此传统的软启动电路引入了额外的损耗，导致电源效率不高。而且现有的直流开关电源未对电源关断过程(或者叫停止过程)中电容电压突变引起的冲击电流进行限制。

如图1，现有的直流开关电源由EMI滤波器1、不控整流2、DC/DC 3、检测调理电路4、驱动电路5、控制器6组成；

EMI滤波器1、不控整流2、DC/DC变换器3依次开环连接；

DC/DC变换器3、检测调理电路4、控制器6、驱动电路5、DC/DC变换器3依次闭环连接；

当DC/DC变换器3的输出电压与参考值不一致时将得到自动调节。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种软启停直流开关电源及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

将交流输入的能量经过功率变换后传输到正负母线上，供用电设备使用。在启停过程中，检测直流输出电压作为反馈值，按照设定的软启停规律控制功率变换电路的驱动信号，使直流输出电压按照设计的规律变化。所用到的“DC/DC电路”和“功率因数校正数字控制模块”是数字控制的直流开关电源的基本单元，无需额外设计电路，降低了成本；而且数字控制的软启停过程可以根据需要灵活设置软启停曲线，达到满意的软启停特性，减小对用电设备的冲击。

具体地说：

本发明是在图1所示的控制器6采用微处理器(简称CPU)，即用CPU来作为控制器6，实现开关电源的数字控制。将输出电压经过检测调理电路4送给CPU，通过软件来实现反馈闭环控制输出电压缓慢上升或下降，抑制输出电压的变化率，从而完成电源的软启停功能。

1、按照图2构建电路结构，尤其是选用CPU。

2、增加一个产生开关信号的简单电路，如图4，将电源开关信号送至CPU。

3、为CPU编写软件，主要是给电源稳压子程序不断改写电压参考值来控制输出电压缓慢上升或下降，其程序流程图如图5。

一、软启停直流开关电源

如图2，软启停直流开关电源包括EMI滤波器1、不控整流2、DC/DC变换器3、检测调理电路4、驱动电路5、控制器6；

EMI滤波器1、不控整流2、DC/DC变换器3依次开环连接；

如图3，所述的控制器6由均值计算模块A、倒数计算模块B、电压PI控制器C、电流PI控制器D、PWM模块E、第一A/DF、第二A/DG、第三A/DH、第一乘法器I、第二乘法器J、第一比较器K、第二比较器L组成；

其连接关系是：

由第一A/DF得到的电源输入电压信号一路依次经过均值计算模块A、倒数计算模块B得到输入电压前馈信号送至第一乘法器I，另一路直接送至第二乘法器J；

由第三A/DH得到的输出电压信号送至第一比较器K，与参考值比较得到的差值送给电压PI控制器C处理，之后电压PI控制器C输出信号至第一乘法器I；

送至第一乘法器I的上述二路信号相乘后再与第一A/DF的另一路输出相乘得到电流参考信号送至第二比较器L；

由第二A/DG得到的输入电流信号送至第二比较器L，与电流参考信号比较得到的差值送至电流PI控制器D处理，之后送至PWM模块E；

PWM模块E输出信号到驱动电路5。

其工作原理是：图3为直流开关电源中必有环节功率因数校正的数字控制原理图，所示的控制策略需要采样三个量：输入电压、输入电流和输出电压，分别由第一A/DF、第二A/DG、第三A/DH来完成。其控制方式为电压、电流双环控制。电压PI控制器C用来控制输出电压，电流PI控制器D用来校正输入电流，使得电流能够与输入电压同相位，从而达到功率因数校正的效果。这是常见的数字式功率因数校正的控制方案，相关专业人员比较容易实现。本发明正是在这个控制策略的基础上稍作改进，在软启停过程中通过软件按照期望的电压软启停曲线实时地改变电压参考值实现电压变化的软化，从而减小浪涌电流。这样既实现了必须的功率因数校正功能，又实现了软启停功能。

二、软启停直流开关电源控制方法

包括下列步骤：

1、为了降低了成本，消除额外损耗，本发明不需要另外设计软启停电路，而是在现有的数字控制器上通过软件设计在功率因数校正的程序中不断改变输出电压参考值来实现软启停。

2、通过设置软启停曲线，达到满意的软启停特性，减小对用电设备的冲击。

在具体数字控制器的软件设计中，巧妙地引入一个软化系数p，使得

Vref＝p*Vo

其中，Vo为电源启动完毕后期望的稳定直流输出值，即参考值终值；

Vref为电压参考值

0≤p≤1。

3、在软启动过程中按照期望的软启动曲线(即p相对于时间的一条上升曲线，简称p上升曲线)来增加p，直到p等于1就不再增加，从而实现电压软上升过程；同理，在软停止过程中按照期望的软停止曲线(即p相对于时间的一条下降曲线，简称p下降曲线)来减小p，直到p等于0就不再减小，从而实现电压软下降过程。

特别地，p上升曲线和p下降曲线是需要经过大量实验得到的，从而获得启停速度与减小浪涌电流之间的平衡。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明不用专门设计软启停电路，通过CPU控制程序来实现对电源启动和停止过程中浪涌电流的抑制，从而减少了额外损耗和成本；

2、可以针对不同的负载特性很容易的通过软件改变软启停曲线，以满足启停速度与减小浪涌电流的要求，设计灵活；

3、适用于所有数字化控制的直流开关电源。

附图说明

图1-现有的开关电源结构框图；

图2-本发明的软启停直流开关电源原理图；

图3-本发明的控制器原理图；

图4-本发明的电源开关信号电路图；

图5-本发明的CPU程序流程图；

其中：

1-电磁干扰滤波器，简称EMI滤波器；

2-不可控整流，简称不控整流；

3-直流变直流变换器，简称DC/DC变换器；

4-信号检测与调理电路，简称检测调理电路；

5-驱动电路；

6-控制器。

A-输出电压平均值计算模块，简称均值计算模块；

B-输出电压平均值倒数计算模块，简称倒数计算模块；

C-电压PI控制器；

D-电流PI控制器；

E-脉宽调制模块，简称PWM模块

F-第一模拟/数字转换通道，简称第一A/D；

G-第二模拟/数字转换通道，简称第二A/D；

H-第三模拟/数字转换通道，简称第三A/D；

I-第一乘法器；

J-第二乘法器；

K-第一比较器；

L-第二比较器。

a-开始；

b-系统初始化，即电压参考值归零，预定电压参考值终值；

c-检测开关信号？

d-增加电压参考值；

e-调用稳压子程序

f-参考值＝预定值吗？

g-减少电压参考值；

h-参考值＝0？

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明：

一、软启停直流开关电源功能块的选取

1、EMI滤波器1

EMI滤波器1选用型号ZJG2206M-P的EMI滤波器；

2、不控整流2

不控整流2选用KBL06整流模块；

3、DC/DC变换器3

DC/DC变换器3采用的是升压型DC/DC变换器，即Boost变换器，其中核心的功率MOSFET选用的是国际整流公司(简称IR公司)的IRF840；

4、检测调理电路4

检测调理电路4选用瑞士LEM公司的LV25-P和LA25-P分别作电压和电流传感器；

5、驱动电路5

驱动电路5采用的是IR公司的IR2117，这是一款高电压高速度的功率MOSFET驱动芯片。

6、控制器6

控制器6的CPU选用TI公司出产的型号为TMS320LF2407A的DSP，该款DSP内部集成了模拟/数字转换器和PWM模块。因此，利用这款DSP可以比较容易的实现图2中控制器6所示的控制方案。

二、本程序流程包括，如图5：

开始a；系统初始化，电压参考值归零，预定电压参考值终值(简称预定值)b；检测开关信号c，若是关就继续检测开关信号c，若是开就执行软启动子程序；

其中软启动子程序部分流程是；

增加电压参考值d，调用稳压子程序e；检验开关信号c，若是关就转到软停止子程序，若是开就继续后面程序；判断参考值＝预定值f，若否就转到增加电压参考值d，若是就调用稳压子程序e；检测开关信号c，若是关就转到软停止子程序，若是开就调用稳压子程序e，再次检测开关信号c，若是关就转到软停止子程序，若是开就调用稳压子程序e，不断循环。

其中软停止子程序部分流程是：

减少电压参考值g；调用稳压子程序e；检测开关信号c，若是开就转到软启动子程序，若是关就继续后面程序；判断参考值＝0h，若否就转到减少电压参考值g，若是就就调用稳压子程序e；检测开关信号c，若是开就转到软启动子程序，若是关就调用稳压子程序e，再次检测开关信号c，若是开就转到软启动子程序，若是关就调用稳压子程序e，不断循环。

其中稳压子程序就是按照在发明内容中所述的控制器6各个模块的连接关系编写的子程序。

Claims

1. 一种软启停直流开关电源，包括EMI滤波器(1)、不控整流(2)、DC/DC变换器(3)、检测调理电路(4)、驱动电路(5)、控制器(6)；

EMI滤波器(1)、不控整流(2)、DC/DC变换器(3)依次开环连接；

DC/DC变换器(3)、检测调理电路(4)、控制器(6)、驱动电路(5)、DC/DC变换器(3)依次闭环连接；

其特征在于：

所述的控制器(6)由均值计算模块(A)、倒数计算模块(B)、电压PI控制器(C)、电流PI控制器(D)、PWM模块(E)、第一A/D(F)、第二A/D(G)、第三A/D(H)、第一乘法器(I)、第二乘法器(J)、第一比较器(K)、第二比较器(L)组成；

其连接关系是：

由第一A/D(F)得到的电源输入电压信号一路依次经过均值计算模块(A)、倒数计算模块(B)得到输入电压前馈信号送至第一乘法器(I)，另一路直接送至第二乘法器(J)；

由第三A/D(H)得到的输出电压信号送至第一比较器(K)，与参考值比较得到的差值送给电压PI控制器(C)处理，之后电压PI控制器(C)输出信号至第一乘法器(I)；

送至第一乘法器(I)的上述二路信号相乘后再与第一A/D(F)的另一路输出相乘得到电流参考信号送至第二比较器(L)；

由第二A/D(G)得到的输入电流信号送至第二比较器(L)，与电流参考信号比较得到的差值送至电流PI控制器(D)处理，之后送至PWM模块(E)；

PWM模块(E)输出信号到驱动电路(5)。