CN101345479A - 无光耦隔离的数字dc/dc反激变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器及控制方法。所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器包括：数字控制单元、原边开关单元、输入母线单元、隔离变压单元、副边整流单元、隔离驱动单元、储能滤波单元和负载，本发明通过在隔离变压单元中增加反馈绕组对输出电压取样，而不用光耦进行反馈，解决了光耦电流传输比随温度发生非线性漂移而带来输出电压不稳定的问题，副边整流单元采用MOSFET管代替整流二极管，提高了反激变换器的输出功率；并采用数字技术实现闭环控制，克服了模拟控制回路元器件老化和温漂引起环路不稳定、控制器参数和输出电压不易调节等问题，具有可靠性高、设计灵活等优点。

Description

无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器及控制方法

技术领域

本发明属于数字控制技术，特别涉及一种无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器及电路。

背景技术

隔离式开关变换器可以保护负载免遭输入母线的高电压冲击和损坏，在电信无线网络、汽车和医疗设备中具有广泛的应用。由于反激变换器拓扑无输出滤波电感，电路结构简单、输出隔离、在终端设备的应用中占有很高的比例。

隔离式变换器中输出电压的取样信号可采用光耦反馈和磁反馈两种方式。

现有技术中应用最多的是光耦隔离，光耦反馈速度快、电路设计简单、成本低。但由于光耦的电流传输比随温度、辐射等外部环境因素变化较大，器件的长期稳定性较差，在环境温差大、散热封闭的应用场合受到很大的限制。

目前已经产品化的磁反馈方式有隔离反馈发生器和射频隔离器，但是电路设计复杂、应用成本较高，不适合小功率应用场合。

传统的反激变换器因为受输出整流二极管压降的限制，输出60W以上的功率时，整流二极管将耗散过多的热量，输出效率低，电路工作温度将接近或超过安全限值，电源的可靠性差，在大功率输出时必须采用其它的拓扑结构，增加了电路设计的复杂度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的光耦反馈隔离式变换器中光耦的电流传输比随温度、辐射等外部环境的不同变化较大，器件的长期稳定性较差，应用场合受限；采用隔离反馈发生器和射频隔离器的电路设计复杂、应用成本较高，不适合小功率应用场合；传统的反激变换器受输出整流二极管压降的限制，导致整流二极管耗散热量过大，输出效率低，电路工作温度高，电源可靠性差等技术问题，本发明提供了一种无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器。

为了解决现有模拟控制回路中元器件老化、温漂引起环路不稳定、控制器参数和输出电压不易调节等问题。本发明采用数字控制实现闭环调节，还提供了一种无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器的控制方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为提供一种无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器包括：数字控制单元、原边开关单元、输入母线单元、隔离变压单元、副边整流单元、隔离驱动单元、储能滤波单元和负载，其中所述数字控制单元分别与所述原边开关单元和所述隔离驱动单元连接；所述原边开关单元与所述隔离变压单元连接；所述隔离变压单元分别与所述输入母线单元和所述副边整流单元连接；所述隔离驱动单元与所述副边整流单元连接；所述副边整流单元、所述储能滤波单元和所述负载依次连接。

根据本发明的一优选实施例：所述数字控制单元为数字控制器；所述原边开关单元为原边控制管、所述隔离变压单元为隔离变压器、所述副边整流单元为副边整流管、所述隔离驱动单元为隔离驱动器、所述储能滤波单元为储能滤波电容。

根据本发明的一优选实施例：所述数字控制器包括ADC采样模块、控制算法模块、时序控制模块、DPWM模块和通信模块；其中ADC采样模块与所述控制算法模块连接，所述控制算法模块与所述时序控制模块连接，所述时序控制模块与所述DPWM模块连接。

根据本发明的一优选实施例：所述隔离变压单元-隔离变压器为单路输出或多路输出。

根据本发明的一优选实施例：所述单路输出时所述隔离变压单元-隔离变压器至少包括三个绕组。

根据本发明的一优选实施例：所述三个绕组为原边绕组、副边绕组和反馈绕组。

根据本发明的一优选实施例：所述多路输出为N路输出时，所述隔离变压器包括N个所述副边绕组和与所述N个副边绕组相对应连接的N条输出支路，所述输出支路包括依次连接的所述副边整流单元(4)、所述滤波单元(6)和所述负载(7)。

根据本发明的一优选实施例：所述变换器为N(N＞1)路稳压输出时，通过原边调整得到预稳的中间母线，所述输出支路包括N个后级调整单元。

为了解决本发明现有技术问题本发明还提供了一种数字DC/DC反激变换器控制方法，所述数字DC/DC反激变换器控制方法包括步骤：第一、当为轻载，输出最小占空比，进入下一个开关周期；否则进入第二步；第二、在所述原边开关单元(2)的后半个开关周期内，延时后进行所述反馈线圈电压的ADC采样；第三、将所述ADC的采样值与基准值作差，得到当前开关周期的误差值；第四、将所述误差和初始值代入PID算法中，计算新的占空比；第五、输出新的占空比，进入下一个开关周期。

本发明通过在隔离变压单元中增加一个反馈绕组对输出电压取样，而不用光耦进行反馈，避免了光耦电流传输比随温度发生非线性漂移而带来输出电压不稳定的问题，副边整流单元采用MOSFET管代替整流二极管，提高了反激变换器的输出功率；并采用数字技术实现闭环控制，克服了模拟控制回路元器件老化和温漂引起环路不稳定、控制器参数和输出电压不易调节等问题，具有可靠性高、设计灵活等优点。

附图说明

图1.本发明无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器及控制方法中无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器原理框图；

图2.辅助绕组电压波形示意图；

图3.反馈线圈波形与采样时序对比关系图；

图4.反馈线圈两端波形与原边开关管驱动信号波形图；

图5.输出电压波形图；

图6.只有主路为精确稳压的多路输出反激变换器的原理框图；

图7.各路都精确稳压的多路输出反激变换器的原理框图；

图8.无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器的电路原理图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明：

请参阅图1本发明无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器及其设计方法中无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器原理框图，如图1所示，本发明一种无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器包括：数字控制单元1、原边开关单元2、输入母线单元17、隔离变压单元3、副边整流单元4、隔离驱动单元5、储能滤波单元6和负载7，其中所述数字控制单元1分别与所述原边开关单元2和所述隔离驱动单元5连接；所述原边开关单元2与所述隔离变压单元3连接；所述隔离变压单元3分别与所述输入母线单元17和所述副边整流单元4连接；所述隔离驱动单元5与所述副边整流单元4连接；所述副边整流单元4、所述储能滤波单元6和所述负载7依次连接。

在本发明中：所述数字控制单元1为数字控制器；所述原边开关单元2为原边控制管、所述隔离变压单元3为隔离变压器、所述副边整流单元4为副边整流管、所述隔离驱动单元5为隔离驱动器、所述储能滤波单元6为储能滤波电容。其中，所述数字控制器1包括ADC采样模块11、控制算法模块12、时序控制模块13、DPWM模块14和通信模块；其中ADC采样模块11与所述控制算法模块12连接，所述控制算法模块12与所述时序控制模块13连接，所述时序控制模块13与所述DPWM模块14连接。

以下结合实施例对本发明进行展开说明：

当所述原边开关管2导通时，所述副边整流管4截止，能量储存在所述隔离变压器3中，所述负载7从副边的储能滤波电容6中吸收电流；当所述原边开关管2关断时，所述副边整流管4导通，所述隔离变压器3将能量输出到负载7中。在所述原边开关管2关断期间，所述副边绕组19的电压等于输出电压与二极管导通之和，因此所述隔离变压器3上绕组的电压由副边输出电压决定，而所述辅助绕组将通过磁耦合得到输出电压的反馈信息。在所述原边开关管2开关关断时，原边占空比与所述副边绕组19的电压波形如说明书图2反馈绕组电压波形示意图所示。在所述原边开关管2关断(即反激期间)时，所述隔离变压器3的漏感会导致出现一个较高的电压尖峰，因此所述数字控制器1的采样时刻必须在漏感尖峰之后才能得到较为准确的输出电压的信息。

反馈线圈的反激脉冲电压值与输出电压、输出电流的关系为

V_D——为副边整流管4的导通压降；

ESR——为副边储能滤波电容6的串联等效电阻；

I_sec——为副边输出电流，即负载7电流；

V_out——输出电压；

N_SF——副边绕组19与反馈绕组16的匝比。

根据所述隔离变压器副边绕组19与所述反馈绕组16的匝比关系，所述数字控制器1将得到的反馈电压的真实值，与基准值作差得到当前误差，输入到控制算法中计算出下一个开关周期的占空比。其中基准值是在数字控制器内部由软件预先设定的。

为了防止原边开关管2和副边整流管4之间出现直通，根据所述原边开关管2的速度特性，原边开关管2和副边整流管4的占空比之间必须保留适当的死区时间，保证不出现直通现象，但是死区时间过长会影响转换效率。

所述数字控制器1中的所述时序控制模块13主要完成软启动、采样延时控制、死区时间的控制和输出保护功能。变换器上电后，数字控制器进入开环软启动，输出的占空比(DPWM信号)从零开始线性增加，当检测到的反馈信号接近预设的基准值时，进入闭环调节。输出电压的采样根据反馈线圈的尖峰位置进行延时，同时保证输出给原边开关管2和副边整流管4之间有适当的死区时间。当输出电压超过设定的阈值时，输出占空比为零。

所述隔离变压器3的匝比设计与所述原边开关管2的占空比相关，占空比影响所述原边开关管2的电流和电压应力，输入、输出电容的平均电流和所述隔离变压器3的利用率。为了避免增加所述原边开关管2开关的电流应力，在额定输入电压时，占空比维持在50％左右是比较理想的。在多路输出的情况下，如果只需要对输出功率最大的一路采用精确调整，其副边的整流单元采用MOSFET管，反馈线圈的电压信号为该路输出电压的取样，而其它各路的输出功率较小，不进行精确调节，副边整流单元4采用二极管，但匝比应尽可能的与输出电压之比严格相等，保证输出电压有较高的精度。

如果需要多路精确稳压，可以通过原边调整得到一个预稳的中间母线，再进行后级调整。

所述隔离变压器3的漏感包括原边漏感和副边漏感，在原边开关关2断时，漏感将会引起较大的开关尖峰，当负载7电流较大时会消耗更多的能量，影响系统的转换效率，而且反激电压过高时会击穿MOSFET管。减小漏感的一种解决方案是采用吸收电路来抑制电压尖峰。但是吸收电路会增加反激电压(尖峰)的脉冲宽度，如果此脉冲宽度超过了采样延时时间，所述数字控制器1将得到不正确的反馈信号，影响输出电压的调节。因此，吸收电路的设计应该箝位足够高的电压，使漏感尖峰的持续时间越小越好。一般情况下，漏感小于10％时需要加吸收电路，如果漏感超过10％，则在负载7电流较大时输出电压的调整误差有可能引起输出失控。

由于轻载时原边占空比非常小，反激电压持续的时间很短，当所述主控制器1为了避开漏感尖峰而延时后得到的反馈信号为零或很小，下一个开关周期的占空比将很大，导致闭环响应失控，输出电压过冲。因此设计中必须设定最小导通时间，当输出负载7很轻时(通过输入电流判断负载7)，所述数字控制器1将不再执行延时采样程序，而是输出最小占空比，保证能够检测到可用的输出电压信息和控制环路的稳定。

本发明中副边整流环节采用MOSFET开关管代替二极管，可以大大降低整流损耗，使整流管安全的工作在较低的温度条件下，能够满足较高功率输出时的拓扑结构要求，使传统反激式拓扑结构的负载7电流输送能力提高数倍，但是副边整流管4必须采用高边隔离驱动器进行驱动。

所述数字控制器1具有灵活的通信接口，可根据开关频率、开关管的开关速度调整采样延时时间和两个开关管之间的死区时间，同时还可以根据具体的负载7情况设定最小占空比。

在本发明图1无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器原理框图的基础上，如果所述隔离变压单元3为多路输出时，而且电路只有主路为精确稳压的多路输出反激变换器的原理框图可参阅图6，本电路原理图在本发明无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器电路原理图的基础上，当所述多路输出为N(N大于1)路输出时，所述隔离变压器3包括N个所述副边绕组19和与所述N个副边绕组19相对应连接的N条输出支路，所述输出支路包括依次连接的所述副边整流单元4、所述滤波单元6和所述负载7。

各路都精确稳压的多路输出反激变换器的原理框图可以参阅图7，如图7所示本电路原理图在本发明无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器电路原理图的基础上，当所述多路输出为N路输出多路稳压时，通过原边调整得到预稳的中间母线，所述输出支路包括副边整流单元4、滤波单元6，还包括N个(N＞1)后级调整单元20，所述后级调整单元20与所述滤波单元6连接。

本发明无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器的电路原理图可以参阅图8，如图8所示，上电时，数字控制器首先进入软启动，输出互补的DPWM信号，再分别经过TC4420驱动器U2、TC4420驱动器U3和隔离变压器T2驱动原边开关管M1和副边开关管M2。当所述原边开关管M1导通时所述副边开关管M2关断，输入母线Vin通过原边绕组Lp对隔离变压器T1充电，能力储存再隔离变压器T1中，负载7RL由电容C2放电提供电流；当所述原边开关管M1关断而所述副边开关管M2导通时，所述隔离变压器T1中的能量通过所述副边绕组Ls和所述副边开关管M2对电容C2和负载7进行充电。反馈绕组Lf的电压通过电阻R1和电阻R2分压之后输入到数字控制器中进行采样，并计算下一个开关周期的占空比。

为了解决本发明现有技术问题本发明还提供了一种数字DC/DC反激变换器控制方法，所述数字DC/DC反激变换器控制方法包括步骤：第一、当为轻载，输出最小占空比，进入下一个开关周期；否则进入第二步；第二、在所述原边开关单元(2)的后半个开关周期内，延时后进行所述反馈线圈电压的ADC采样；第三、将所述ADC的采样值与基准值作差，得到当前开关周期的误差值；第四、将所述误差和初始值代入PID算法中，计算新的占空比；第五、输出新的占空比，进入下一个开关周期。

其中，所述第二步中延时时间可根据实际的开关频率和实验结果进行测量和估算，对延时时间的估算可参考附图2，当变换器为额定输入电压、额定输出负载时，用示波器测量其反馈绕组的波形，在越过漏感尖峰(即延时T_dalay)和0.8V_flbk之间且信号比较稳定的时刻进行采样，起始时刻由开关周期(开关频率的倒数)减去延时时间得到。

其中，所述第四步中占空比的计算公式为：

$u\left(n\right)=K_{p}e\left(n\right)+K_I\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}e\left(k\right)+K_D[e\left(n\right)-e(n-1)]+u\left(0\right)$

其中，u(n)为第n个开关周期的占空比；e(n)为第n个开关周期的误差；e(k)为第k个开关周期的误差；u(0)为零时刻的占空比，K_p、K_I、K_D分别为比例、积分、微分系数。

本发明中采用数字控制方式实现的反激变换器具有以下特点：

一、通过采用隔离变压器3的反馈绕组16将副边输出电压的信息反馈到原边控制器中，实现无光耦的隔离反馈；

二、适用于宽电压范围输入母线，单路输出时，通过调整原边可使副边电压稳定，多路精确稳压输出时，可以使副边母线得到一个合理的预稳电压，后级调整更方便，有利于提高效率；

三、无需光耦器件实现隔离输出，输出电压的采样信号在每个开关周期结束时即可反馈到原边，数字控制器1具有更快的动态响应速度。

四、输出两路死区可编程的互补控制信号，副边整流方案设计灵活，同步整流可以提高传统反激变换器的输出功率和效率。

五、数字控制的方式解决了现有模拟控制回路中元器件老化、温漂引起环路不稳定、控制器参数和输出电压不易调节等问题；还可根据开关频率、开关管的开关速度和负载7情况调整采样延时时间、死区时间和最小占空比，设计灵活，可靠性高。

经实验验证，本发明设计方法正确，方案切实可行，实际测得电源效率可达83％，实验中测得的反馈绕组的采样时序如说明书附图3所示，其中，通道一为反馈绕组的电压波形，通道二的信号上升沿为开始采样时刻，反馈绕组电压波形与原边开关管驱动信号的对比波形如说明书附图4所示，其中通道一为反馈线圈的电压信号，通道二为原边开关管的驱动信号；输出电压波形如说明书附图5所示。

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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，其特征在于：所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器包括：数字控制单元(1)、原边开关单元(2)、输入母线单元(17)、隔离变压单元(3)、副边整流单元(4)、隔离驱动单元(5)、滤波单元(6)和负载(7)，其中所述数字控制单元(1)分别与所述原边开关单元(2)和所述隔离驱动单元(5)连接；所述原边开关单元(2)与所述隔离变压单元(3)连接；所述隔离变压单元(3)与所述输入母线单元(17)和所述副边整流单元(4)连接；所述隔离驱动单元(5)与所述副边整流单元(4)连接；所述副边整流单元(4)、所述滤波单元(6)和所述负载(7)依次连接。

2.根据权利要求1所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，其特征在于：所述数字控制单元(1)为数字控制器；所述原边开关单元(2)为原边开关管、所述隔离变压单元(3)为隔离变压器、所述副边整流单元(4)为副边整流管、所述隔离驱动单元(5)为隔离驱动器、所述滤波单元(6)为储能滤波电容。

3.根据权利要求1或2所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，其特征在于：所述数字控制器包括ADC采样模块(11)、控制算法模块(12)、时序控制模块(13)、DPWM模块(14)和通信模块；其中ADC采样模块(11)与所述控制算法模块(12)连接，所述控制算法模块(12)与所述时序控制模块(13)连接，所述时序控制模块(13)与所述DPWM模块(14)连接。

4.根据权利要求1所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，其特征在于：输出电压的反馈由所述隔离变压器(3)的反馈绕组以耦合的方式得到。

5.根据权利要求1或2所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，其特征在于：所述隔离变压单元-隔离变压器(3)为单路输出或多路输出。

6.根据权利要求5所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，其特征在于：所述单路输出时所述隔离变压单元-隔离变压器(3)至少包括三个绕组。

7.根据权利要求6所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，其特征在于：所述三个绕组为原边绕组(18)、副边绕组(19)和反馈绕组(16)。

8.根据权利要求5所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，其特征在于：所述多路输出为N路输出时，所述隔离变压器(3)包括N个所述副边绕组(19)和与所述N个副边绕组(19)相对应连接的N条输出支路，所述输出支路包括依次连接的所述副边整流单元(4)、所述滤波单元(6)和所述负载(7)。

9.根据权利要求8所述无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器，其特征在于：所述变换器为N(N＞1)路稳压输出时，通过原边调整得到预稳的中间母线，所述输出支路包括N个后级调整单元(20)。

10.一种无光耦隔离的数字DC/DC反激变换器控制方法，其特征在于：所述数字DC/DC反激变换器控制方法包括步骤：

A：当为轻载，输出最小占空比，进入下一个开关周期；否则进入步骤B；

B：在所述原边开关单元(2)的后半个开关周期内，延时后进行所述反馈线圈电压的ADC采样；

C：将所述ADC的采样值与基准值作差，得到当前开关周期的误差值；

D：将所述误差和初始值代入PID算法中，计算新的占空比；

E：输出新的占空比，进入下一个开关周期。

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