CN101645654A - 用于开关电源稳压控制的全数字脉冲调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于开关电源稳压控制的全数字脉冲调节方法。它用实测法和变量替换法得出了所选不同源电压U1、U2、……UN下输出电压采集值FB与稳压调节脉冲频率Freq的关系曲线和FB与稳压调节脉冲占空比Ratio的关系曲线。在稳压控制中,根据实时侦测的源电压值Ux和输出电压采集值FBx,可在上述关系曲线中查出稳压调节脉冲PWM的Freq值和Ratio值,再根据这两个参数实时产生相应稳压调节脉冲PWM,从而完成稳压调节脉冲的频率和占空比的调节。本发明可使稳压控制环路工作稳定,消除因控制环路元件老化和温度漂移产生的控制误差,控制精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关电源的稳压控制方法,具体地说,它是一种用于开关电源稳压控制的全数字脉冲调节方法。
背景技术
在已有技术中,开关电源的稳压控制常用模拟信号的方法来实现。例如:图7示出的一种AC-DC开关电源的电路模型,电网交流电压AC输入后,经过全桥整流和电容滤波变成直流,再经过开关管G的开关变换变成交流,然后通过开关变压器T耦合输出,经过二极管D5的整流和电容C2的滤波后输出直流DC。DC输出电压经电阻R2、R3的分压后送入器件TL431的参考输入端,经过与TL431器件内部基准电压的比较后,TL431器件阴阳两极输出采集电压,经光耦的隔离传送,作为DC输出端的采集电压FB送入稳压控制器1’;采样电阻R1采集开关变压器T原边电流的大小,并通过电阻R1转换为电压信号SENSE送入稳压控制器1’,该SENSE采样信号与振荡器产生的斜坡补偿信号进行叠加,叠加后的信号与采集到的FB信号送入PWM比较器进行比较;当DC输出电压升高时,TL431器件参考输入端的电压随之升高,该电压与TL431器件内部的基准参考电压2.5V作比较后,使得器件TL431阴阳极间电压Vka降低,进而使光耦中发光二极管的电流If变大,于是光耦中光敏管的集射两极间动态电阻变小,使集射两极间电压变低,也就是FB电压变低,低于SENSE叠加后的电压,则PWM比较器输出高电平,该高电平将RS触发器复位,RS触发器Q端输出低电平,关断开关管G,从而使RS触发器输出的稳压调节脉冲PWM的脉宽变窄,缩短开关管G的导通时间,于是传输到开关变压器T次级线圈和自馈线圈的能量减小,使DC输出电压降低;反之亦然。稳压控制总的调节效果是令DC输出电压保持恒定,不受电网电压或负载变化的影响,实现了输出端负反馈闭环稳压控制的目的。
这种模拟调节的缺点是:控制回路中的元器件老化和温度漂移会引起环路不稳定,特别是PWM比较器很容易产生温漂,不仅工作可靠性差,且稳压控制精度也难以提高。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术中缺点,提供一种用于开关电源稳压控制的全数字脉冲调节方法,以提高工作可靠性和稳压控制精度。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
1、设:FB为开关电源输出端电压的采集值,Freq为稳压调节脉冲PWM的频率,Ratio为稳压调节脉冲PWM的占空比,R为负载;
2、以R为变量测量不同源电压下的FB与R的关系曲线:在源电压U1~UN范围内从小到大依次选择多个不同的源电压值U1、U2、……UN,分别测量所选各源电压值U1、U2、……UN下FB与R关系曲线,所述某源电压下的FB与R关系曲线的测量采用分段法,即设R的值在0~Rx之间内变化,并将0~Rx范围从小到大依次分成多个区间,实测每个区间头、尾两个R值所对应的FB值,然后用直线连接各区间头、尾两个FB实测点,即得出FB与R的关系曲线,在得出FB与R的关系曲线的同时,也得到各区间内的一条FB测量直线,根据各区间的FB测量直线,分别求出某源电压UN下各区间的FB直线方程FBUN=KnR+an,式中Kn为第n区间FB测量直线的斜率,an为第n区间FB测量直线的常数;
3、以负载R为变量测量所选各源电压下的Freq与R的关系曲线:选择与2相同的多个源电压值U1、U2、……UN,分别测量所选各源电压下Freq与R的关系曲线,某源电压下的Freq与R的关系曲线的测量采用与2步相同的分段法,即选择同样的R区间,采用相同的首、尾值测量和直线连接方法,得出Freq与R的关系曲线,在得出FB与R关系曲线的同时,也得到各区间内的一条Freq测量直线,采用与2步相同的计算,求出某源电压UN下的各区间Freq测量直线的方程FreqUN=MnR+bn,式中Mn第n区间Freq测量直线的斜率,bn为第n区间Freq测量直线的常数;
4、以负载R为变量测量所选各源电压下的Ratio与R的关系曲线:采用与3步相同的方法分别测量所选各源电压下的Ratio与R的关系曲线,在得出某源电压下Ratio与R的关系曲线的同时,采用与3步相同的方法求出某源电压UN下的各区间Ratio测量直线的方程RatioUN=NnR+cn,式中Nn为第n区间Ratio测量直线的斜率,cn为第n区间Ratio测量直线的常数。
5、求出所选各源电压下以FB为变量的Freq与FB的关系曲线:
A、将2步得到的在某源电压下各区间FB测量直线的方程FBUN=KnR+an变换成 再将该R式代入3步在对应源电压下得到的各区间Freq测量直线方程FreqUN=MnR+bn,得出在该源电压下以FB为变量的各区间Freq测量直线的方程为:FreqUN=HnFB+sn,式中Hn为第n区间Freq测量直线的斜率,sn为第n区间的Freq测量直线常数;
B、将2步对应源电压下测量得到的各区间头、尾两个FB值分别代入方程FreqUN=HnFB+sn,求出各FB值所对应的Freq值,根据各FB值和求出的与其对应的Freq值绘出该源电压下的Freq与FB的关系曲线;
C、重复上述A、B两步的操作,绘出各源电压下所有的Freq与FB的关系曲线;
6、采用与5步相同的方法,根据2、4步得出的所选某源电压下各区间FB测量直线的方程FBUN=KnR+an和各区间Ratio测量直线方程RatioUn=NnR+cn,变换成所选某源电压下以FB为变量的Ratio测量直线方程为RatioUN=ZnFB+vn,将2步所选对应源电压下测出的FB值分别代入该方程RatioUN=ZnFB+vn,求出所选该源电压下各FB值所对应的Ratio值,再根据FB值和求出的与其对应的Ratio值,绘出所选该源电压下的Ratio与FB的关系曲线,如此操作,绘出各源电压下所有的Freq与FB的关系曲线;
7、根据实际侦测的源电压值Ux和输出电压采集值FBx,用查寻法确定稳压调节脉冲PWM的Freq值:根据实际侦测的源电压值Ux,在5步所得的众多Freq与FB的关系曲线中找到与源电压值Ux相等的Freq与FB的关系曲线,如果没有,则需在2步所得到众多曲线中找到与源电压Ux近似相等的FB与R关系曲线,然后将该关系曲线平移至Ux值的位置上,则该曲线即作为源电压为Ux下的FB与R关系曲线,然后读出各区间头、尾两点的FB值,将该众多FB值代入5步所得的与Ux近似值下的各区间Freq测量直线方程FreqUn=HnFB+sn,并计算出各FB值对应的Freq值,即可绘出源电压Ux下Freq与FB的关系曲线,然后再根据实际侦测的FBx值,在直接找到的或重新绘出源电压Ux下的Freq与FB关系曲线中查出对应的Freq值;
8、根据实际侦测的源电压值Ux和FB值,用与7步相同方法,在6步所得的众多Ratio与FB的关系曲线中找到源电压与Ux相等或与Ux近似相等的Ratio与FB关系曲线,再根据实际侦测的FBx值,在所找到的曲线中查出对应的Ratio值;
9、将7、8两步所得到的Freq和Ratio值送入PWM产生单元,则PWM产生单元根据该Freq和Ratio值输出相应的调节脉冲PWM。
本发明进一步改进的技术方案如下:
在所述6、7步骤之间增加一个粗调和细调的判断步骤,即如果所侦测的FBx值在前N次侦测平均值的±5%范围内时,则进行粗调,即继续进行7、8、9步骤;如果所侦测的FBx值在前N次侦测平均值的±1%范围内时,则进行细调,即保持前次调节确定的Freq值不变,而只对调节脉冲PWM的宽度增加或减少一个时钟脉冲的宽度,如此逐次微调,使侦测的FBx值逐渐趋于前N次侦测的平均值,其中所述的时钟脉冲是稳压调节脉冲的脉宽测量时钟clk,所述的N=6~10。
所述脉宽测量时钟clk的频率为25MHz。
通过上述技术方案可以看出,本发明用实测法和变量替换法绘出了不同源电压下FB与Freq和FB与Ratio的关系曲线,因此,在实际稳压控制中,根据实时侦测的源电压值Ux和FBx值,可在测量好的关系曲线中查出调节脉冲PWM的频率Freq和占空比Ratio,然后根据此参数实时产生相应频率和占空比的调节脉冲PWM,从而完成稳压调节脉冲的频率和占空比调节。本发明采用全数字的参数赋值法来产生调节脉冲PWM,使控制环路工作稳定,消除了已有模拟调节中控制环路元件老化和温度漂移等不稳定的因素,不仅工作可靠,且控制精度高。
附图说明
图1、实现本发明调节方法的电路模型。
图2、不同源电压下的FB与R的关系曲线图。
图3、不同源电压下的Freq与R的关系曲线图。
图4、不同源电压下的Ratio与R的关系曲线图。
图5、源电压为120V的Freq与FB的关系曲线图。
图6、源电压为120V的Ratio与FB的关系曲线图。
图7、已有模拟稳压调节的电路模型。
具体实施方式
下面以图1中的AC-DC开关电源的电路模型为例进行说明,本发明的具体实施步骤如下:
1、参见图1,设FB为开关电源DC输出端电压的采集值;稳压控制器1还通过由电阻R1、R6构成的电阻分压器对全桥整流器D1~D4和电容C1整流滤波后的电压进行采集,设Vbus为该采集点的电压,Vbus可以反映出AC输入电压(以下称源电压)的变化。另外,设稳压调节脉冲PWM的频率为Freq,其占空比为Ratio,负载为R。
2、以R为变量测量不同源电压下的FB与R的关系曲线:在源电压U1~UN范围内从小到大依次选择多个不同的源电压值U1、U2、……UN,其中U1~UN可以根据实际中AC输入电压的波动范围来确定,本例确定为120~375V,然后分别测量所选源电压U1、U2、……UN下FB与R关系曲线,如图2所示,图中示出所选源电压在120V、310V、375V下的三条FB与R的关系曲线,实际中,最好在120~375V范围内每隔10V选择一个源电压测量值。所述某源电压下的FB与R关系曲线的测量采用分段法,根据实际电路中负载的变化范围,设R的值在0~Rx之间内变化,其中Rx大于负载变化的最高值,本例设R在0~250Ω之内变化,然后将0~250Ω从小到大依次分成多个区间:0~5、5~7.5、7.5~10、10~15、15~20、20~30、30~40、40~50、50~70、70~90、90~110、110~150、150~190、190~250。实测各区间头、尾两个R值所对应的FB值,然后用直线连接各区间两个FB的实测点,即得出如图2所示的FB与R的关系曲线。在得出FB与R的关系曲线的同时,也得到各区间内一条FB测量直线,根据各区间FB测量直线上的两个FB实测值,分别求出所选某源电压UN下各区间的FB测量直线方程FBUN=KnR+an,式中Kn为第n区间FB测量直线的斜率,an为第n区间FB测量直线的常数,N=1或2或3……,n=1或2或3……。以U2下第2区间为例,其FB测量直线方程的具体计算过程是:已知U2=310V,U2下第2区间头、尾两点的R值为5Ω和7.5Ω,在图7所示的电路模型中,将AC电压设定为U2=310V,将负载R分别设为5Ω和7.5Ω,然后分别测量R是5Ω和7.5Ω时的FB值,即分别得到FB值为3V和2.6V,然后将5Ω、3V及7.5Ω、2.6V分别代入该区间的FB测量直线方程FBU2=K2R+a2,得到两个以K2和a2为函数的两元一次方程,解这个方程组,即可得出K2和a2的具体数值,最后得到在源电压为310V下的第2区间的FB测量直线方程为FBU2=K2R+a2,如此计算,即可求出源电压在310V下各区间FB测量直线的方程。如此进行,可分别求出源电压在U1、U3……UN下的各区间FB测量直线方程。
3、以负载R为变量测量所选各源电压下的Freq与R的关系曲线:选择与2步相同的多个源电压值U1、U2、……UN,分别测量所选各源电压U1、U2、……UN下的Freq与R的关系曲线,图3示出在所选源电压在120V、310V、375V下实测的Freq与R的关系曲线。所述某源电压下Freq与R关系曲线的测量采用与2步相同的分段法,即选择同样的R区间,采用相同的首、尾值测量和直线连接方法,得出某源电压下Freq与R的关系曲线,测量时,可以采用图7所示的电路模型进行测量,例如,设源电压为UN(N=1或2或3……),将负载R分别设为各区间头、尾的两个值,并分别测出各R值对应的PWM信号的Freq值。在得出Freq与R关系曲线的同时,也得到各区间内的一条Freq测量直线,采用与2步相同的计算,求出所选某源电压UN下各区间Freq测量直线的方程FreqUN=MnR+bn,式中Mn第n区间Freq测量直线的斜率,bn为第n区间Freq测量直线的常数。
4、以负载R为变量测量所选各源电压下的Ratio与R的关系曲线:采用与3步相同的方法分别测量所选各源电压下的Ratio与负载R的关系曲线,图4示出在源电压在120V、310V、375V下实测的Ratio与R的关系曲线。在得出某源电压下Ratio与R的关系曲线的同时,采用与3步相同的方法求出某源电压UN下各区间的Ratio测量直线方程RatioUN=NnR+cn,式中Nn为第n区间Ratio测量直线的斜率,cn为第n区间Ratio测量直线的常数。
5、求出在所选各源电压下以FB为变量的Freq与FB的关系曲线:
A、将2步得到的在源电压U1下各区间FB测量直线的方程FBU1=KnR+an变换成 再将该R式代入3步在源电压U1下得到的各区间Freq测量直线方程FreqU1=MnR+bn,得出在源电压U1下以FB为变量的各区间Freq测量直线的方程为:FreqU1=HnFB+sn,式中Hn为第n区间Freq测量直线的斜率,sn为第n区间的Freq测量直线常数;
B、将2步在源电压U1下测量得到的各区间头、尾两个FB值分别代入方程FreqU1=HnFB+sn,求出各FB值所对应的Freq值,根据各FB值和求出的与其对应的Freq值绘出Freq与FB的关系曲线。图5示出源电压U1(120V)下的Freq与FB的关系曲线。
C、如上操作,再绘出源电压为U2、……UN下所有的Freq与FB的关系曲线。
6、采用与5步相同的方法,根据2、4步得出的所选某源电压各区间FB测量直线方程FBUN=KnR+an和各区间Ratio测量直线方程RatioUN=NnR+cn,变换成所选某源电压下以FB为变量的Ratio测量直线方程为RatioUN=ZnFB+vn,然后将2步所选某源电压下测出的FB值分别代入RatioUN=ZnFB+vn,求出该源电压下各FB值所对应的Ratio值,再根据FB值和求出的与其对应的Ratio值,绘出该源电压下的Ratio与FB的关系曲线。图6示出源电压U1(120V)下的Ratio与FB的关系曲线。如此操作,绘出各源电压下所有的Ratio与FB的关系曲线。
7、根据实际侦测的源电压值Ux和输出电压采集值FBx值,用查寻法确定稳压调节脉冲PWM的Freq值:参见图1,根据实际侦测的源电压值Ux(根据Vbus的实测值和Vbus与AC的标定曲线可以求出),在5步所得的众多Freq与FB关系曲线中找到与源电压值Ux相等的Freq与FB的关系曲线,如果没有,则需在2步所得到的众多曲线中找到与源电压Ux近似相等的FB与R关系曲线,例如:Ux值为125V,U1为120V、U2为130V,需在2步测量的众多测量曲线中找到与125V相近的120V或130V下测量的FB与R关系曲线,假定选定120V下FB与R关系曲线为与125V相近的FB与R关系曲线,然后将该曲线平移至125V的位置上,则该曲线即作为源电压为125V下的FB与R的关系曲线,然后在该曲线中读出各区间头、尾两点的FB值,用5步所得的120V下各区间的Freq测量直线方程FreqU1=HnFB+sn,计算出各FB值所对应的Freq值,根据各FB值和求出的与其对应的Freq值,绘出125V下Freq与FB的关系曲线。然后再根据实际侦测的FBx值,在125V下的Freq与FB关系曲线中查出对应的Freq值。
8、根据实际侦测的源电压值Ux和FBx值,用与7步相同方法,在6步所得的众多Ratio与FB的关系曲线中找到源电压与Ux相等或与Ux近似相等Ratio与FB的关系曲线,再根据实际侦测的FBx值,在该曲线中查出对应的Ratio值。
9、参见图1,将7、8两步所得到的Freq值和Ratio值送入PWM产生单元,则该单元根据该Freq值和Ratio值输出相应的调节脉冲PWM,经过驱动后,送入开关管G的控制极,则开关管根据该调节脉冲控制开关变压器T原边圈线中电流的大小,从而使输入端电压(即开关变压器T的原边电压)根据源电压和负载R的变化而调节,最终保证DC输出端的电压不受源电压和负载变化的影响,而稳定在设置值上。
为了减少运算时间,提高调节响应速度,可以在所述6、7步骤之间增加一个粗调和细调的判断步骤。如果所侦测的FBx值在前N次侦测平均值的±5%范围内时,则进行粗调,即继续进行下面的7、8、9步骤;如果所侦测的FBx值在前N次侦测平均值的±1%范围内时,则进行细调,即保持前次调节确定的Freq值不变,并只对调节脉冲PWM的宽度增加或减少一个时钟脉冲的宽度,如此逐次微调,使侦测的FBx值逐渐趋于前N次侦测的平均值,其中所述的时钟脉冲是调节脉冲PWM的脉宽测量时钟clk,由图1中振荡器OSC产生,所述的N=6~10。
为了达到PWM信号调节的较高精度,本发明调节脉冲PWM的脉宽测量时钟clk的频率为25MHz,clk的频率越高,调节精度越高。
Claims (3)
1、一种用于开关电源稳压控制的全数字脉冲调节方法,其步骤如下:
(1)设:FB为开关电源输出端电压的采集值,Freq为稳压调节脉冲PWM的频率,Ratio为稳压调节脉冲PWM的占空比,R为负载;
(2)、以R为变量测量不同源电压下的FB与R的关系曲线:在源电压U1~UN范围内从小到大依次选择多个不同的源电压值U1、U2、……UN,分别测量所选各源电压值U1、U2、……UN下FB与R关系曲线,所述某源电压下的FB与R关系曲线的测量采用分段法,即设R的值在0~Rx之间内变化,并将0~Rx范围从小到大依次分成多个区间,实测每个区间头、尾两个R值所对应的FB值,然后用直线连接各区间头、尾两个FB实测点,即得出FB与R的关系曲线,在得出FB与R的关系曲线的同时,也得到各区间内的一条FB测量直线,根据各区间的FB测量直线,分别求出某源电压UN下各区间的FB直线方程FBUN=KnR+an,式中Kn为第n区间FB测量直线的斜率,an为第n区间FB测量直线的常数;
(3)、以负载R为变量测量所选各源电压下的Freq与R的关系曲线:选择与(2)相同的多个源电压值U1、U2、……UN,分别测量所选各源电压下Freq与R的关系曲线,某源电压下的Freq与R的关系曲线的测量采用与(2)步相同的分段法,即选择同样的R区间,采用相同的首、尾值测量和直线连接方法,得出Freq与R的关系曲线,在得出FB与R关系曲线的同时,也得到各区间内的一条Freq测量直线,采用与(2)步相同的计算,求出某源电压UN下的各区间Freq测量直线的方程FreqUN=MnR+bn,式中Mn第n区间Freq测量直线的斜率,bn为第n区间Freq测量直线的常数;
(4)、以负载R为变量测量所选各源电压下的Ratio与R的关系曲线:采用与(3)步相同的方法分别测量所选各源电压下的Ratio与R的关系曲线,在得出某源电压下Ratio与R的关系曲线的同时,采用与3步相同的方法求出某源电压UN下的各区间Ratio测量直线的方程RatioUN=NnR+cn,式中Nn为第n区间Ratio测量直线的斜率,cn为第n区间Ratio测量直线的常数。
(5)、求出所选各源电压下以FB为变量的Freq与FB的关系曲线:
A、将(2)步得到的在某源电压下各区间FB测量直线的方程FBUN=KnR+an变换成 再将该R式代入(3)步在对应源电压下得到的各区间Freq测量直线方程FreqUN=MnR+bn,得出在该源电压下以FB为变量的各区间Freq测量直线的方程为:FreqUN=HnFB+sn,式中Hn为第n区间Freq测量直线的斜率,sn为第n区间的Freq测量直线常数;
B、将(2)步对应源电压下测量得到的各区间头、尾两个FB值分别代入方程FreqUN=HnFB+sn,求出各FB值所对应的Freq值,根据各FB值和求出的与其对应的Freq值绘出该源电压下的Freq与FB的关系曲线;
C、重复上述A、B两步的操作,绘出各源电压下所有的Freq与FB的关系曲线;
(6)、采用与(5)步相同的方法,根据(2)、(4)步得出的所选某源电压下各区间FB测量直线的方程FBUN=KnR+an和各区间Ratio测量直线方程RatioUn=NnR+cn,变换成所选某源电压下以FB为变量的Ratio测量直线方程为RatioUN=ZnFB+vn,将2步所选对应源电压下测出的FB值分别代入该方程RatioUN=ZnFB+vn,求出所选该源电压下各FB值所对应的Ratio值,再根据FB值和求出的与其对应的Ratio值,绘出所选该源电压下的Ratio与FB的关系曲线,如此操作,绘出各源电压下所有的Freq与FB的关系曲线;
(7)、根据实际侦测的源电压值Ux和输出电压采集值FBx,用查寻法确定稳压调节脉冲PWM的Freq值:根据实际侦测的源电压值Ux,在(5)步所得的众多Freq与FB的关系曲线中找到与源电压值Ux相等的Freq与FB的关系曲线,如果没有,则需在(2)步所得到众多曲线中找到与源电压Ux近似相等的FB与R关系曲线,然后将该关系曲线平移至Ux值的位置上,则该曲线即作为源电压为Ux下的FB与R关系曲线,然后读出各区间头、尾两点的FB值,将该众多FB值代入(5)步所得的与Ux近似值下的各区间Freq测量直线方程FreqUn=HnFB+sn,并计算出各FB值对应的Freq值,即可绘出源电压Ux下Freq与FB的关系曲线,然后再根据实际侦测的FBx值,在直接找到的或重新绘出源电压Ux下的Freq与FB关系曲线中查出对应的Freq值;
(8)、根据实际侦测的源电压值Ux和FB值,用与(7)步相同方法,在(6)步所得的众多Ratio与FB的关系曲线中找到源电压与Ux相等或与Ux近似相等的Ratio与FB关系曲线,再根据实际侦测的FBx值,在所找到的曲线中查出对应的Ratio值;
(9)、将(7)、(8)两步所得到的Freq和Ratio值送入PWM产生单元,则PWM产生单元根据该Freq和Ratio值输出相应的调节脉冲PWM。
2、根据权利要求1所述的用于开关电源稳压控制的全数字脉冲调节方法,其特征是:在所述(6)、(7)步骤之间增加一个粗调和细调的判断步骤,即如果所侦测的FBx值在前N次侦测平均值的±5%范围内时,则进行粗调,即继续进行(7)、(8)、(9)步骤;如果所侦测的FBx值在前N次侦测平均值的±1%范围内时,则进行细调,即保持前次调节确定的Freq值不变,而只对调节脉冲PWM的宽度增加或减少一个时钟脉冲的宽度,如此逐次微调,使侦测的FBx值逐渐趋于前N次侦测的平均值,其中所述的时钟脉冲是稳压调节脉冲的脉宽测量时钟clk,所述的N=6~10。
3、根据权利要求2所述的用于开关电源稳压控制的全数字脉冲调节方法,其特征是:所述脉宽测量时钟clk的频率为25MHz。
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