CN101277066B - 多路稳压隔离式数字dc/dc电源及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多路稳压隔离式数字DC/DC电源及控制方法。所述DC/DC电源包括：主功率拓扑、隔离变压器、原边控制器、副边控制器、驱动电路、电压及电流检测通道、反馈及采样通道、原边辅助电源、副边辅助电源、参数存储器和通信接口。DC/DC电源控制方法中通过原边控制器使DC/DC电源以软启动的方式开始工作，并在软启动结束后输出互补带死区的固定占空比控制推挽变换器的主开关部件；副边控制器根据预设参数进行配置，根据启动时序设置各路的上电延时，并采用软启动的方式输出各路电压。本发明为一种全数字控制的DC/DC电源，以软件代码代替硬件补偿网络，适应温度范围宽，抗干扰性强，同时可灵活修改电源的控制器参数、上电时序、保护阈值等。

Description

多路稳压隔离式数字DC/DC电源及控制方法

技术领域

本发明涉及DC/DC电源及控制方法，具体涉及一种隔离式、多路输出、各路精确稳压的数字DC/DC电源及控制方法。

背景技术

数字电源将所有模拟控制回路的反馈变量转换成数字量，并利用这些数字量计算控制响应，在数字域执行系统的所有控制算法，然后将数字化的控制信号传回系统，对系统进行控制。数字电源与模拟电源的区别主要在于脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)反馈回路的数字控制和电源管理与通信。

传统的多路输出电源的拓扑结构有耦合电感式、加权反馈式、线性稳压式、磁放大器式、同步整流式和原边预稳压式，如说明书附图1至说明书附图6所示。耦合电感式(图1)、加权反馈式(图2)和线性稳压式(图3)中控制变量的个数小于输出电压的个数，只有一个控制器和单个控制变量，主路输出为闭环稳压控制，在输入母线和负载变化时能根据控制算法适当调整原边开关管的占空比实现稳压。辅路则采用开环的线性稳压或变压器耦合的方式实现调节，其输出电压会因为主路占空比变化引入交叉调整，而对本路的负载变化不敏感，稳定度较差。加权反馈式通过加权系数的方法虽然使输出支路的整体稳定度有所提高，但是所有输出支路都不能精确稳压。

磁放大器式(图4)和同步整流器式(图5)中控制变量的个数等于输出电压个数，可以实现各路输出电压精确稳压。但是，磁放大器不能空载、器件本身的抗振动性较差，应用范围窄；同步整流器式的缺点是由于同步整流技术的应用以及降低死区损耗的要求，器件的选择和驱动电路的设计较为严格，而且电路结构复杂当输出支路较多时成本价高。原边预稳压式方案(图6)输出电压开环控制，电路结构简单，但是当各路负载不平衡时的调节能力不足，而且采用线性稳压的方式在输出功率较大时整机的转换效率低。

多路精确稳压输出的电源需要多个控制回路，采用模拟电路实现时硬件电路复杂，控制器参数调整困难，控制性能受温度、湿度的影响大、输出电压不可调或需要配置调压电阻，使用不方便。

发明内容

为了解决现有模拟电源技术中存在的多路精确稳压输出时分立元器件数量多，参数离散性大，电路设计复杂；反馈信号易受光耦电流传输比非线性的影响无智能化的配置与管理功能，新电源设计周期长等技术问题，本发明提供了一种多路稳压隔离式数字DC/DC电源。

本发明还提供了一种多路稳压隔离式数字DC/DC电源控制方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为一种多路稳压隔离式数字DC/DC电源，所述DC/DC电源包括：主功率拓扑、隔离变压工作部、第一控制工作部、第二控制工作部、驱动电路工作部、电压及电流检测工作部和反馈及采样工作部，其中，所述第一控制工作部与所述隔离变压工作部连接，所述隔离变压工作部与所述主功率拓扑连接，所述主功率拓扑与所述电压及电流检测工作部连接，所述电压及电流检测工作部与所述反馈及采样工作部连接，所述反馈及采样工作部与所述第二控制工作部连接，所述驱动电路工作部分别与所述主功率拓扑和所述第二控制工作部连接。

根据本发明的一优选实施例：所述DC/DC电源还包括：用于为所述第一控制工作部供电的第一电源、用于为所述第二控制工作部供电的第二电源、参数存储器和通信接口，其中所述第一电源与所述第一控制工作部连接，所述第二电源与所述第二控制工作部连接，所述参数存储器和所述通信接口分别与所述第二控制工作部连接。

根据本发明的一优选实施例：所述第一控制工作部为原边控制器，所述原边控制器由FPGA芯片进行数字化控制，其工作频率为83MHz，输出占空比的频率为325kHz。

根据本发明的一优选实施例：所述第二控制工作部为副边控制器，所述副边控制器由FPGA芯片进行数字化控制与管理，其工作频率为80MHz，在非同步工作模式时输出占空比的频率为312kHz。

根据本发明的一优选实施例：所述通信接口为UART通信接口。

根据本发明的一优选实施例：所述参数存储器为EEPROM存储器芯片。

根据本发明的一优选实施例：所述主功率拓扑为所述隔离式数字DC/DC电源的主体和硬件基础，通过隔离变压器、主开关管、中间母线和后级的buck或buck/boost变换器等功率拓扑完成电源的能量变换；其中，所述中间母线实现所述隔离变压器与三个后级变换器的连接，即输入电压通过所述隔离变压器将能量转换到所述中间母线，而三个后级变换器从所述中间母线上获得能量后变换输出。

根据本发明的一优选实施例：所述隔离变压器工作部为隔离变压器，所述隔离变压器是能量传递的通道，其可使电源的输入、输出相互隔离，所述隔离变压器的工作频率为325kHz，所述隔离变压器原边和所述隔离变压器的副边为一组带中间抽头的绕组。

根据本发明的一优选实施例：所述驱动电路工作部为MOSFET开关管的驱动电路，包括低边MOSFET驱动和高边MOSFET驱动，其中，高边MOSFET驱动(由驱动芯片和隔离变压器共同组成)为图7中的741、742和743的驱动器，低边驱动器为图7中的718。

根据本发明的一优选实施例：所述反馈及采样工作部为反馈及采样通道，包括多入单出模拟开关和高速ADC采样芯片，所述多入单出模拟开关和所述高速ADC的采样速率大于2MHz。

根据本发明的一优选实施例：所述隔离式数字DC/DC电源的输入为直流，电压变化范围在23V～33V之间；所述隔离式数字DC/DC电源的输出为三路直流，电压分别为+5V、+12V和-12V。

本发明还提供了一种多路稳压隔离式数字DC/DC电源控制方法，所述隔离式数字DC/DC电源控制方法包括步骤：一、通过原边控制器使所述隔离式数字DC/DC电源以软启动的方式工作，所述原边控制器输出互补带死区的固定占空比，并保持原边进行推挽工作的部件间有死区时间；二、副边控制器根据预设参数进行配置，根据启动时序设置各路的上电延时，并采用软启动的方式输出各路电压。

根据本发明的一优选实施例：所述一步具体为：通过原边控制器对输入电压和输入电流进行检测，判断是否有输入欠压或过流发生，发生异常时，原边占空比关闭，输出电压为零，但每个开关周期继续检测输入电压和电流，当异常情况消失时恢复工作；当某一路的输出电压过压或输出电流过流时，该路的控制信号关闭，并在关闭期间检测到异常消失时重新启动。

根据本发明的一优选实施例：所述隔离式数字DC/DC电源控制方法中所述隔离式数字DC/DC电源采用两级变换，第一级为推挽变换器，由所述原边控制器对输入电压进行预稳压，在副边得到一个相对稳定的电压；第二级分别采用同步buck或buck/boost变换器进行三路独立稳压调节。

本发明的有益效果在于：本发明技术突破了模拟开关电源的设计理念，旨在设计并实现一种全数字控制的DC/DC电源，以软件代码代替硬件补偿网络，适应温度范围宽，抗干扰性强，同时可灵活修改电源的控制器参数、上电时序、保护阈值等，缩短了新电源设计的开发周期；数字化控制能得到更多功率级的信息，使反馈回路的设计更可靠，有助于控制决策的优化设计，提高了电源的质量。

附图说明

图1.现有技术中耦合电感式原理图；

图2.现有技术中加权反馈式原理图；

图3.现有技术中线性稳压原理图；

图4.现有技术中磁放大器式原理图；

图5.现有技术中同步整流器式原理图；

图6.现有技术中原边预稳压式原理图；

图7.本发明多路稳压隔离式数字DC/DC电源及控制方法中隔离式数字DC/DC电源的总体方案结构示意图；

图8.本发明中原边控制器的功能结构示意图；

图9.本发明中副边控制器的功能结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

请参阅图7本发明多路稳压隔离式数字DC/DC电源及控制方法中隔离式数字DC/DC电源的总体方案结构示意图，如图7所示本发明多路稳压隔离式数字DC/DC电源：主功率拓扑714、715、716、717、隔离变压器工作部71、第一控制工作部72、第二控制工作部73、驱动电路工作部741、742、743、电压及电流检测工作部75、反馈及采样工作部79、用于为所述第一控制工作部72供电的第一电源710、用于为所述第二控制工作部73供电的第二电源711、参数存储器712和通信接口713。其中，所述第一控制工作部72与所述隔离变压器工作部71连接，所述隔离变压器工作部71与所述主功率拓扑714、715、716、717连接，所述主功率拓扑714、715、716、717与所述电压及电流检测工作部75连接，所述电压及电流检测工作部75与所述反馈及采样工作部79连接，所述反馈及采样工作部79与所述第二控制工作部73连接，所述驱动电路工作部741、742、743分别与所述主功率拓扑714、715、716、717和所述第二控制工作部73连接，所述第一电源710与所述第一控制工作部72连接，所述第二电源711与所述第二控制工作部73连接，所述参数存储器712和所述通信接口713分别与所述第二控制工作部73连接。

根据本发明的优选实施例上述各工作部具体为：

所述主功率拓扑714、715、716、717为所述隔离式数字DC/DC电源的主体和硬件基础，通过隔离变压器72、主开关管719、中间母线714和后级的buck变换器715、716、后级buck/boost变换器717等功率拓扑完成电源的能量变换。其中，隔离变压器为图7中的71，主开关管为图7中的719，中间母线为图7中的714，后级buck变换器为715和716，后级buck/boost变换器为717。其中，中间母线714实现隔离变压器71与三个后级变换器715、716、717的连接，即输入电压通过隔离变压器71将能量转换到中间母线714，而三个后级变换器715、716、717从中间母线714上获得能量后变换输出。

所述隔离变压器工作部71为隔离变压器，所述隔离变压器71是能量传递的通道，其可使电源的输入、输出相互隔离，所述隔离变压器71的工作频率为325kHz，所述隔离变压器原边和所述隔离变压器的副边为一组带中间抽头的绕组。

所述第一控制工作部72为原边控制器，如说明书附图8所示，所述原边控制器72由FPGA芯片进行数字化控制，其工作频率为83MHz，输出频率为325kHz的互补带死区的固定占空比，主要完成原边主开关719的占空比信号输出、输入电压和输入电流保护控制。

所述第二控制工作部73为副边控制器，如说明书附图9所示，所述副边控制器73由FPGA芯片进行数字化控制与管理，其工作频率为80MHz，在非同步工作模式时输出占空比的频率为312kHz，所述副边控制器73是主控制器，完成多路输出电压的闭环控制、输出电压和输出电流信号采样与保护控制、控制器参数配置和通信功能。

所述驱动电路工作部741、742、743为MOSFET开关管的驱动电路，主要完成开关管的占空比信号的功率放大，包括低边MOSFET驱动718和高边MOSFET驱动741、742、743。其中，高边MOSFET驱动由驱动芯片和隔离变压器共同组成，具体为图7中的驱动器741、驱动器742和驱动器743，低边驱动器为图7中的718。

所述电压及电流检测工作部75为电压及电流检测通道，完成输入电压、输入电流、输出电压和输出电流的取样和放大。

所述反馈及采样工作部79为反馈及采样通道，包括多入单出模拟开关和高速ADC采样芯片，所述多入单出模拟开关和所述高速ADC的采样速率大于2MHz。所述的多入单出模拟开关为图7中的791，高速ADC采样芯片为图7中的792。

所述第一电源710在本发明的实施例中即为原边辅助电源，其可以为原边控制器、驱动芯片和检测电路的运放供电。

所述第二电源711在本发明的实施例中即为副边辅助电源，其可以为副边控制器、驱动芯片和检测电路的运放供电。

所述通信接口713为UART通信接口713，采用标准的UART通信协议，可实现电源参数的在线修改。

所述参数存储器712为EEPROM存储器芯片，可接收UART通信接口713的数据并进行更新和保存，并对隔离式数字DC/DC电源每次上电时读入参数进行配置。

所述隔离式数字DC/DC电源的输入为直流，电压变化范围在23V～33V之间；所述隔离式数字DC/DC电源的输出为三路直流，电压分别为+5V、+12V和-12V。

本发明还提供了一种多路稳压隔离式数字DC/DC电源控制方法，所述隔离式数字DC/DC电源控制方法包括步骤：一、通过原边控制器72使所述隔离式数字DC/DC电源以软启动的方式工作，所述原边控制器72输出互补带死区的固定占空比，并保持原边进行推挽工作的部件间有死区时间；二、副边控制器73根据预设参数进行配置，根据启动时序设置各路的上电延时，并采用软启动的方式输出各路电压。

其中所述一步具体为：通过原边控制器72对输入电压和输入电流进行检测，判断是否有输入欠压或过流发生，发生异常时，原边占空比关闭，输出电压为零，开关周期继续检测输入电压和电流，当异常情况消失时恢复工作；当某一路的输出电压过压或输出电流过流时，该路的控制信号关闭，并在关闭期间检测到异常消失时重新启动。

以下结合实施例对本发明技术进行展开说明，说明过程中也可参阅说明书附图中的图7、图8和图9。

本发明技术中所述的隔离式数字DC/DC电源共有三路输出，依据多路精确稳压输出的设计原则，数字化DC/DC控制器输出的控制变量不能小于3，所以本发明的具体实施方案中建立了三个独立的闭环进行稳压。同时，为了提高输出电压的调节速度和避免原边和副边通信带来的软、硬件设计的复杂性，数字化DC/DC电源中包括了两个控制器，主控制器在变压器副边、辅助控制器在变压器的原边。三路输出电压全部在副边构成闭环，由主控制器即副边控制器73直接进行调节，而不用将电压信息隔离反馈到原边。由于采用数字控制器进行反馈信号的处理，各路的反馈信号可以通过模拟开关进行分时切换并采样，无需多个反馈通道，电路设计简单。

本发明中，所述的隔离式数字DC/DC电源主拓扑为两级串联变换结构，第一级采用推挽变换器结构，提高了输入电压和变压器的利用率，而且，副边绕组的整流电路无需滤波电感即可得到一个相对稳定的母线电压，电路结构简单；在副边母线的基础上，第二级分别由各路采用同步buck或buck/boost变换器实现输出独立稳压。

所述的隔离式数字DC/DC电源上电后首先启动原边辅助电源710为原边控制器72供电，原边控制器72的输出的占空比从小到大线性增加，使所述的隔离式数字DC/DC电源以软启动的方式开始工作。软启动结束后，原边控制器72输出互补的固定占空比，并保持原边两个推挽工作的MOSFET管之间有适当的死区时间。在每个开关周期内，原边控制器72对输入电压和输入电流各检测一次，判断是否有输入欠压或过流发生。发生异常时，原边占空比关闭，输出电压为零，但原边控制器72并没有停止工作，而是每个开关周期继续检测输入电压和电流，当异常情况消失时恢复工作。

当原边开关管工作之后，副边母线上即可建立电压，从而使副边的辅助电源711和副边控制器73开始工作。副边控制器73得电后先从EEPROM存储器中读出预先设置的参数，为了保证参数的准确性，各个参数在存储器712中有三个备份，读数时将三组进行比较，并取至少两组相同的参数为正确的数据。参数配置完成后，控制器将根据输出启动时序设置每路的上电延时，并采用软启动的方式依次输出。副边三个输出共用一组母线，+5V和+12V输出采用同步整流Buck变换器715、716实现稳压，-12V采用同步整流Buck/Boost变换器717实现稳压。采用同步整流的设计方式不仅可以减小续流二极管的导通损耗，提高转换效率，而且实现了负载和母线的能量双向流动，负载变化时每路后级调节的占空比变化较小，减小了对副边母线电压的影响和负载不平衡时各路之间的交叉调节。

副边三路输出均采用单电压环逐周控制的方法实现稳压，因此各路的输出电压在一个周期内最少要进行一次采样，为了保证能够在模拟开关通道切换后且信号完全稳定时采样，各路输出电流为每三个开关采样一次。因此，副边控制器73在每个开关周期内对四个输入通道进行采样，并在每个通道的导通时间内进行四次连续采样，取其平均值作为当前的反馈信号。反馈信号在副边控制器73内部与基准值进行作差后输入到控制算法中进行计算，求的下一个开关周期的占空比。每路的同步整流开关管和续流开关管之间存在一定的死区时间，且实际器件特性不同时可通过通信接口修改死区时间。

当某一路的输出电压过压或输出电流过流时，该路的控制信号关闭，并在关闭期间检测到异常消失时重新启动。各路的输出电压准确值、输出过压保护值和输出过流保护值根据用户需求在一定范围内可在线设定。

本发明中的DC/DC电源具有同步和使能功能。其中，同步功能可根据外部输入同步信号的频率(在270kHz～320kHz范围内)改变开关管的工作频率，使各个模块的开关频率一致。其功能有两种实现方式，一种是通过外部电平使能整个模块，另一种是通过通信接口713在线设置单路输出的使能状态。

本发明数字DC/DC电源在控制性能提高和设计灵活性方面具有独特的优势，主要表现在于：

一、数字化控制器能得到更多功率级的信息，使反馈回路的设计更可靠，有助于控制决策的优化设计，提高了电源的质量。

负载调整范围宽：模拟控制环路是面向一个定义范围狭窄的特定负载，如果负载变化范围宽，则很难在负载的整个变化范围内调整模拟环路。数字控制可以将控制参数放在寄存器内，对控制器的各个方面作配置，而无需改变硬件电路。

电源管理：数字控制可获得待监测电压或电流的实时值，不仅实现模拟变换器中单一的比较器功能，还可以实时记录电压、电流等参数，实现故障和异常的处理；此外，多路输出上电和断电时序控制，使电源的运行控制更合理化和智能化。

数字电源中的功率变换和控制算法是由软件程序来实现的，代替了模拟电源中的诸多分立元件，克服了元器件参数随温度、湿度等环境因素影响，同时也可进一步减小变换器的体积。

数字电源中的功率变换和控制算法是由软件程序来实现的，代替了模拟电源中的诸多分立元件，克服了元器件参数随温度、湿度等环境因素影响，同时也可进一步减小变换器的体积，降低成本。

数字信号的抗干扰能力强，避免因电磁干扰影响使模拟信号失真而引起的控制电路误动作，减小杂散信号的干扰；同时在数字电源中采用智能算法可实现噪声干扰的识别和剔除，便于自诊断技术的植入。

二、数字控制使电源的设计具有高度的灵活性，能够满足不同的用户需求。

数字化控制器具有在系统可编程能力，可实现开关电源控制部分的智能化、器件的共通化，设计者通过远程主机软件可以在线调整输出电压、电压/电流保护阈值、上电时序等参数，能够满足“特制”、“多功能”电源的要求；同时，电源的容错机制设计也更精细，适应不同的应用环境。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多路稳压隔离式数字DC/DC电源，其特征在于：所述DC/DC电源包括：主功率拓扑(714，715，716，717)、隔离变压器工作部(71)、第一控制工作部、第二控制工作部、驱动电路工作部(741，742，743)、电压及电流检测工作部(75)和反馈及采样工作部(79)，其中，所述第一控制工作部与所述隔离变压器工作部(71)连接，所述隔离变压器工作部(71)与所述主功率拓扑(714，715，716，717)连接，所述主功率拓扑(714，715，716，717)与所述电压及电流检测工作部(75)连接，所述电压及电流检测工作部(75)与所述反馈及采样工作部(79)连接，所述反馈及采样工作部(79)与所述第二控制工作部连接，所述驱动电路工作部(741，742，743)分别与所述主功率拓扑(714，715，716，717)和所述第二控制工作部(73)连接，所述主功率拓扑(714，715，716，717)为所述隔离式数字DC/DC电源的主体和硬件基础，所述主功率拓扑包括中间母线(714)、两个后级buck变换器(715，716)和一个后级buck/boost变换器(717)，通过隔离变压器工作部(71)、中间母线(714)和主功率拓扑(714，715，716，717)完成电源的能量变换；其中，所述中间母线(714)实现所述隔离变压器工作部(71)与所述三个后级变换器(715，716，717)的连接，即输入电压通过所述隔离变压器工作部(71)将能量转换到所述中间母线(714)，而所述的三个后级变换器(715，716，717)从所述中间母线(714)上获得能量后变换输出。

2.根据权利要求1所述隔离式数字DC/DC电源，其特征在于：所述隔离变压器工作部为隔离变压器，所述隔离变压器是能量传递的通道，其可使电源的输入、输出相互隔离，所述隔离变压器的工作频率为325kHz，所述隔离变压器原边和所述隔离变压器的副边为一组带中间抽头的绕组。

3.根据权利要求2所述隔离式数字DC/DC电源，其特征在于：所述驱动电路工作部(741，742，743)为MOSFET开关管的驱动电路，包括低边MOSFET驱动(742，743)和高边MOSFET驱动(741)。

4.根据权利要求3所述隔离式数字DC/DC电源，其特征在于：所述反馈及采样工作部(79)为反馈及采样通道，包括多入单出模拟开关和高速ADC采样芯片，所述多入单出模拟开关和所述高速ADC的采样速率大于2MHZ。

5.一种多路稳压隔离式数字DC/DC电源控制方法，其特征在于：所述隔离式数字DC/DC电源控制方法包括步骤：

A：通过原边控制器(72)使所述隔离式数字DC/DC电源以软启动的方式工作，所述原边控制器(72)输出互补带死区的固定占空比，并保持原边进行推挽工作的部件间有死区时间；

B：副边控制器(73)根据预设参数进行配置，根据启动时序设置各路的上电延时，并采用软启动的方式输出各路电压，所述步骤A具体为：

原边控制器(72)对输入电压和输入电流进行检测，判断是否有输入欠压或过流发生，发生异常时，原边占空比关闭，输出电压为零，但每个开关周期继续检测输入电压和电流，当异常情况消失时恢复工作；

当某一路的输出电压过压或输出电流过流时，该路的控制信号关闭，并在关闭期间检测到异常消失时重新启动。

6.根据权利要求5所述隔离式数字DC/DC电源控制方法，其特征在于：所述隔离式数字DC/DC电源控制方法中所述隔离式数字DC/DC电源采用两级变换，第一级为推挽变换器，由所述原边控制器对输入电压进行预稳压，在副边得到一个相对稳定的电压；第二级分别采用同步buck或buck/boost变换器进行三路独立稳压调节。

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