CN103095116A - 电源供应器的软启动控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是涉及一种电源供应器的软启动控制方法及装置，主要在一电源供应器启动后先以开回路进行软启动，当电源供应器的输出电压到达一设定值时即进入一切换控制模式，在此模式下，开始由一模拟数字转换器将电源供应器的输出电压转换为数字信号，供作为是否切换为闭回路控制及调整输出电压的依据；利用所述技术可提高模拟数字转换器的位长度利用率，确保输出电压波形的平滑，同时可在切换模式时尽量避免发生最大或最小超越量，也就是有效地抑制瞬态响应。

Description

电源供应器的软启动控制方法及装置
技术领域
本发明是涉及一种电源供应器，尤指一种电源供应器的软启动控制方法及装置。
背景技术
所谓的软启动，是指电源供应器启动后其输出电压(Vo)由零升高到稳态参考值(Vo，ref)的过程，其理想的输出电压曲线是如图6所示。一般的软启动可分为开回路(Open loop)与闭回路(Closed loop)控制。
请参阅图7所示，是既有交换式电源系统的方框图，主要是由一交换式电源供应器70将输入的直流电源(DC INPUT POWER)转换后传送给负载，而其输出电压经过一模拟数字转换器(ADC)71、一数字补偿器72及一数字式脉宽调制器(DPWM)73对交换式电源供应器70作反馈控制，以调整其输出电压；其中：
数字补偿器72是用来调整数字式脉宽调制器73输出的脉波宽度，以便将交换式电源供应器70的输出电压锁定在一预设的范围内；而既有运用在交换式电源系统的模拟数字转换器71约有8个位的数据量，用以将输出电压转换成数字数据以高速的脉波频率提供数字补偿器72作为参考，因此模拟数字转换器71的位长度会影响输出电压的精密度。
当上述交换式电源系统采取开回路软启动、闭回路稳态操作时，由于数字模拟转换器71在稳态操作时才参与将输出电压(Vo)变化范围控制在稳态参考值(Vo，ref)的附近，因此可以提高其位长度的利用率。然而由启动至稳态参考值(Vo，ref)瞬间，交换式电源系统由开回路转换成闭回路时，其过程可能有最大或最小超越量发生(如图8A、8B所示)，若输出电压过高会进入过电压保护，过低则可能会重新启动。
反之，若采取全程闭回路软启动时，其优点包括：
1.启动至稳态全程为闭回路控制，因此启动过程的输出电压波形平滑，输出电压(Vo)曲线将与图6所示的理想曲线类似。
2.由于全程闭回路控制，因此启动至稳态瞬间可尽量抑制最大或最小超越量的发生。
尽管如此，闭回路控制并非毫无缺点：在全程闭回路控制下，模拟数字转换器的转换数值范围须包含全程启动部分，使得在稳态操作时分辨率不足而产生极限环(Limit cycle)。而分辨率不足的问题可选择使用较高位长度的模拟数字转换器，但势必增加成本及功率损耗。
由上述可知，软启动采取开回路或闭回路控制各有其优缺点，因此不论选择开回路或闭回路，必然顾此失彼，无法面面俱到，因此如何兼收二者的优点，却可避免其二者的缺点，即有待进一步检讨，并谋求可行的解决方案。
发明内容
因此本发明主要目的在提供一种电源供应器的软启动控制方法，其有效地整合开回路与闭回路控制，并可大幅提高模拟数字转换器的位长度利用率，确保输出电压波形平滑，且在启动至稳态瞬间可尽量抑制发生最大或最小变化量的产生，以提高电源供应器启动时的系统稳定度。
为达成上述目的采取的主要技术手段是令一电源供应器与一数字式脉宽调制器连接，该电源供应器具有一电压输出端以连接负载；该数字式脉宽调制器可调制输出脉波的宽度，以控制电源供应器的输出电压在一设定的电压范围内，又电源供应器的电压输出端与数字式脉宽调制器间分设有一模拟数字转换器、一数字补偿器及一数字式脉宽调制器；其特征在于：在电源供应器启动后执行以下步骤：
进入一开回路控制模式，令电源供应器输出电压由零向上递升；
判断输出电压是否到达一设定的非稳态电压值；
当输出电压到达该非稳态电压值，即进入一切换控制模式，由模拟数字转换器开始将输出电压转换为数字数据，供作为是否切换为闭回路控制及调整输出电压的依据；
在上述软启动控制方法中，电源供应器的启动过程先后采用了开回路和闭回路控制，在开回路启动过程中，模拟数字转换器并不用于输出电压的控制，直到电源供应器的输出电压大于一非稳态电压值后，模拟数字转换器才将输出电压转换为数字数据，随后进入闭回路控制，在闭回路状态下控制电源供应器启动过程中的输出电压，而在进入稳态后，闭回路控制仍持续进行，该模拟数字转换器持续将输出电压转换为数字数据提供给数字补偿器，由数字补偿器改变数字式脉宽调制器输出的脉波宽度，将电源供应器的输出电压控制在一电压范围内。
利用上述软启动控制方法，本发明的有益效果为：
1.输出电压波形平滑：电源供应器在启动后是采用开回路控制模式，直至进入稳态前切换为闭回路控制，在闭回路控制模式下，可有效抑制启动至稳态的瞬间发生的最大或最小变化量，而确保输出电压波形平滑。
2.有效提高模拟数字转换器的位长度利用率：由上述可知，本发明不使模拟数字转换器全程使用在启动过程中，如前所述，本发明在电源供应器启动后是先进入开回路控制模式下，在开回路模式下并不将模拟数字转换器用于控制输出电压，直到符合切换条件且在稳态前，模拟数字转换器转换才开始运作，相较于完全的闭回路控制，本发明大幅缩短了模拟数字转换器实际作用的期间，因此可有效提高模拟数字转换器的位长度利用率。
3.避免提高成本及功率损耗：由于不须使用较长位长度的模拟数字转换器，故不虞提高成本，同时也可以避免无谓的功率损耗。
本发明又一目的在提供一种电源供应器的软启动控制装置，主要是令一电源供应器与一数字式脉宽调制器连接，以控制其输出电压；该电源供应器具有一电压输出端，其特征在于：该电压输出端与数字式脉宽调制器间分设有一切换命令产生单元及一开闭回路切换单元；其中，该切换命令产生单元包括：
一输出电压取样器，具有一输入端及一输出端，其输入端是与电源供应器的电压输出端连接；
一模拟数字转换器，具有一输入端及一输出端，该模拟数字转换器的输入端是与输出电压取样器的输出端连接；
一电压判别器，具有一电压输入端、一参考电压输入端及一输出端，该电压输入端是与模拟数字转换器的输出端连接；
一状态控制器，具有一第一状态输入端、一第二状态输入端及一切换命令输出端，该第一状态输入端是与电压判别器的输出端连接；该切换命令输出端是与开闭回路切换单元连接；
该开闭回路切换单元包括有：
一切换器，具有二个以上的输入端、一切换控制端及一输出端，其输出端是与数字式脉宽调制器连接，其切换控制端是与上述状态控制器的切换命令输出端连接；
一开回路信号产生器，具有一输出端，是与切换器的一输入端连接；
一数字补偿器，具有一初始值输入端、一电压差值输入端、一致能端及一输出端，数字补偿器的输出端是与切换器的另一输入端连接，其致能端是与上述状态控制器的切换命令输出端连接；
一初始值产生器，具有一输入端、一控制端及一输出端，其输入端是与开回路信号产生器的输出端连接，其控制端是与上述状态控制器的切换命令输出端连接，其输出端则与数字补偿器的初始值输入端连接；
上述软启动控制装置在电源供应器启动时，是由开闭回路切换单元的开回路信号产生器产生一开回路控制信号，经切换器送到数字式脉宽调制器，以执行开回路启动；在此同时，切换命令产生单元的输出电压取样器自电源供应器的电压输出端进行取样，当电源供应器的输出电压未大于一设定的非稳态电压值前，是令输出至模拟数字转换器的取样电压为0，从而使模拟数字转换器的输出也为0，此时电压判别器与状态控制器的输出状态维持不变，该状态控制器的切换命令输出端也不送出切换命令至开闭回路切换单元，而维持以开回路控制启动；电源供应器的输出电压大于一设定的非稳态电压值时，此时电源供应器尚未进入稳态，惟输出电压取样器开始输出取样电压，由模拟数字转换器将取样电压转换为数字数据，并送到电压判别器与一参考电压比较，若大于参考电压时，即令状态控制器的切换命令输出端转态而送出切换命令至开闭回路切换单元；
该开闭回路切换单元的初始值产生器收到切换命令时，将产生一对应的初始值给数字补偿器，该数字补偿器收到切换命令后，根据收到的初始值进行补偿运算，以产生一闭回路控制信号送到切换器，该切换器收到切换命令后，随即切断开回路控制信号，切换由闭回路控制信号送到数字式脉宽调制器以执行闭回路控制。
利用上述软启动控制装置在电源供应器在启动之初采取开回路控制，而在输出电压到达一非稳态电压值时，模拟数字转换器才开始运作，藉此可大幅提高模拟数字转换器的位长度利用率，假设电源供应器的稳态操作电压为12V，假设设定切换的非稳态电压值为10.5V，由于本发明令电源供应器的输出电压大于10.5V，模拟数字转换器才开始转换数据用于控制输出电压，如此一来，可大幅提高输出电压控制的分辨率；除此以外，与上述控制方法相同，本发明的控制装置也可以确保输出电压波形的平滑及避免进入稳态的瞬间发生最大最小超越量。
附图说明
图1为本发明的系统架构示意图；
图2为本发明软启动控制装置的方框图；
图3为本发明软启动过程的波形示意图；
图4为本发明的数字补偿器方框图；
图5为本发明的初始值产生器方框图；
图6为电源供应器的软启动特性曲线图；
图7为既有交换式电源系统的方框图；
图8A、8B为既有电源供应器采取开/闭回路启动产生最大、最小超越量的特性曲线图。
具体实施方式
以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
本发明的软启动控制方法及装置主要是运用在一交换式电源系统上，如图1所示，该交换式电源系统包括一电源供应器10及一数字式脉宽调制器20，该电源供应器10具有一电压输出端，以连接负载；该数字式脉宽调制器20可调制输出脉波的宽度，将电源供应器10的输出电压控制在一设定的电压范围内，该数字式脉宽调制器20具有一反馈端，而本发明是在电源供应器10的电压输出端与数字式脉宽调制器20的反馈端间分设一切换命令产生单元30及一开闭回路切换单元40；其中：
请参阅图2所示，该切换命令产生单元30包括：
一输出电压取样器(Level shift & Scaling)31，具有一输入端及一输出端，其输入端是与上述电源供应器10的电压输出端连接；该输出电压取样器31具有一输出电压设定值，该设定值视电源供应器10的稳态操作电压(Vo_ref)而定，假设电源供应器10的稳态操作电压为12V，上述设定值是取电源供应器10启动过程中且进入稳态操作前的某一输出电压值，例如10.5V；而输出电压取样器31在电源供应器10的输出电压未到10.5V前，其输出端的信号为0；
一模拟数字转换器32，具有一输入端及一输出端，该模拟数字转换器32的输入端是与输出电压取样器31的输出端连接；由于利用本发明的软启动技术，可大幅提高模拟数字转换器32的位长度利用率，因此可采用一般位长度的模拟数字转换器32，例如8位的模拟数字转换器，但不以该位长度的模拟数字转换器为限。当输出电压取样器31的输出为0，模拟数字转换器32的输出也为0；
一电压判别器33，具有一电压输入端、一参考电压输入端及一输出端，该电压输入端是与模拟数字转换器32的输出端连接；在本实施例中，该电压判别器33是由一电压比较器构成，其电压输入端是通过一滤波器34与模拟数字转换器32的输出端连接，该滤波器34尤指一种有限脉冲响应(FIR)滤波器。又电压判别器33的参考电压输入端是提供一参考电压(Vo_ref)。
一状态控制器35，在本实施例中，该状态控制器35是由一RS正反器所构成，其具有一第一状态输入端R、一第二状态输入端S及一切换命令输出端Q，该第一状态输入端R是与电压判别器33的输出端连接；该切换命令输出端Q是与开闭回路切换单元40连接。
上述切换命令产生单元30主要是根据电源供应器10启动后其输出电压(Vo)的变化产生一切换命令Dz_soc送到开闭回路切换单元40，以控制开闭回路切换单元40是否将电源供应器10的启动过程由开回路切换为闭回路。
该开闭回路切换单元40包括有：
一切换器41，具有二个以上的输入端、一切换控制端及一输出端，在本实施例中，该切换器41是由一多任务器构成，其输出端是与数字式脉宽调制器20连接，其切换控制端是与上述状态控制器35的切换命令输出端Q连接；
一开回路信号产生器42，在本实施例中，是由一计数器所构成，其具有一致能端、一输出端，其输出端是与上述切换器41的一输入端连接；当电源供应器10启动后，是对开回路信号产生器42致能(Enable)，以产生一开回路控制信号Duty_ss(请参阅图2所示)，经切换器41送到数字式脉宽调制器20，以执行开回路控制；
一数字补偿器43，请参阅图4所示，在本实施例中，该数字补偿器43主要是由一积分器431所构成，该积分器431具有一输入端、一致能端、一输出端及一初始值输入端，该积分器431的输入端是作为一电压差值输入端Verr，其致能端是与上述状态控制器35的切换命令输出端连接，以接受状态控制器35送出的切换命令Dz_soc，其输出端则送出一输出信号U_i(k)经一操作数运算后产生一闭回路控制信号Duty_dy(请参阅图3所示)，以送到切换器41的另一输入端，由切换器41控制是否送到数字式脉宽调制器20；在本实施例中，该数字补偿器43进一步包括一微分器432，该微分器432具有一输入端、一致能端及一输出端，该微分器432的输入端与积分器431的输入端共接而作为一电压差值输入端Verr，其致能端仍由切换命令产生单元30送出的切换命令Dz_soc控制其致能，其输出端则送出一输出信号U_pl(k)，由操作数将其与积分器431的输出信号U_i(k)运算后产生该闭回路控制信号Duty_dy，藉此可进一步提高信号的准确性；
一初始值产生器44，具有一输入端、一控制端及一输出端，其输入端是与开回路信号产生器42的输出端连接，其控制端是与上述状态控制器35的切换命令输出端Q连接，以接受其送出的切换命令Dz_soc，又初始值产生器44的输出端则与数字补偿器43的积分器431之初始值输入端连接；上述初始值产生器44的一可实现的具体构造请参阅图5所示，主要是由一互斥或门(XOR)441、一切换开关442组成，该互斥或门441具有两输入端及一输出端，其中一输入端直接与状态控制器35的切换命令输出端Q连接，另一输入端经由一延时器443与状态控制器35的切换命令输出端Q连接，以接受切换命令Dz_soc，该延时器443是对输入信号提供一个时序脉冲的延迟；该切换开关442具有两输入端及一输出端，其中一输入端是与互斥或门441的输出端连接，另一输入端是与开回路信号产生器42的输出端连接。
根据上述的开闭回路切换单元40，在电源供应器10开启后，是由开回路信号产生器42输出一开回路控制信号Duty_ss，经切换器41送到数字式脉宽调制器20执行开回路启动；该开回路控制信号Duty_ss也同时送到初始值产生器44的切换开关442，但在互斥或门441未送出信号给切换开关442前，切换开关442也不送出该开回路控制信号Duty_ss。
当切换命令产生单元30的状态控制器35送出切换命令Dz_soc时，互斥或门441将送出一时序信号Ts给切换开关442，此时切换开关442将把开回路信号产生器42当时的输出信号作为一初始值U_io送给数字补偿器43的积分器431，让数字补偿器43根据电源供应器10输出电压实际值与目标值的差值(Verr)开始补偿运算，以产生一闭回路控制信号Duty_dy(请配合参阅图3所示)送到切换器41，令切换器41在切换命令Dz_soc的同步驱动下，将该闭回路控制信号Duty_dy送到数字式脉宽调制器20，改以闭回路控制信号持续启动程序，该闭回路控制并将在电源供应器10进入稳态操作后持续进行。
由上述可知，该数字补偿器43是否产生一闭回路控制信号Duty_dy，及该闭回路控制信号Duty_dy是否通过切换器41送出，视切换命令产生单元30的状态控制器35是否送出切换命令Dz_soc，关于切换命令产生单元30如何产生该切换命令Dz_soc，谨进一步说明如后：
由于本发明主要技术特征之一在于提高模拟数字转换器32的位长度利用率，为此，本发明令模拟数字转换器32在电源供应器10输出电压Vo小于一设定值时，其输出为0，也就是在此前，模拟数字转换器32的位未被使用，俟电源供应器10输出电压Vo大于设定值后，模拟数字转换器32才开始将输出电压取样器31实时取得的输出电压Vo转换成数字数据，请参阅图3所示，模拟数字转换器32转换产生的输出电压信号Vo_fb是在递增中，该信号经滤波器34滤波及电压判别器33将其与一参考电压Vo_ref比较且大于该参考电压Vo_ref时，即由电压判别器33送出一信号给状态控制器35，该信号状态控制器35随即送出切换命令Dz_soc，使开闭回路切换单元20得以根据该切换命令Dz_soc，将电源供应器10的启动由开回路控制切至闭回路控制，并持续至进入稳态后。由于模拟数字转换器32在电源供应器10的输出电压Vo大于一设定值后才开始运作，因可有效提高模拟数字转换器的位长度利用率。举例而言，假设一电源供应器由启动到稳态操作的电压输出范围为0～12V，令上述的输出电压设定值为10.5V，换言之，模拟数字转换器32在电源供应器10的输出电压Vo升高到10.5V时才开始工作，因此模拟数字转换器32的位数(例如8位)可在10.5V～12V间充分利用，而有效地提高分辨率。由于本发明可在进入稳态操作前即转为闭回路控制，其可确保输出电压波形平滑，且有效抑制由启动进入稳态瞬间发生最大或最小超越量，可确保系统稳定。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (15)

1.一种电源供应器的软启动控制装置，主要是使一电源供应器与一数字式脉宽调制器连接，以控制其输出电压；该电源供应器具有一电压输出端，其特征在于：该电压输出端与数字式脉宽调制器间分设有一切换命令产生单元及一开闭回路切换单元；其中，该切换命令产生单元包括：
一输出电压取样器，具有一输入端及一输出端，其输入端是与电源供应器的电压输出端连接；
一模拟数字转换器，具有一输入端及一输出端，该模拟数字转换器的输入端是与输出电压取样器的输出端连接；
一电压判别器，具有一电压输入端、一参考电压输入端及一输出端，该电压输入端是与模拟数字转换器的输出端连接；
一状态控制器，具有一第一状态输入端、一第二状态输入端及一切换命令输出端，该第一状态输入端是与电压判别器的输出端连接；该切换命令输出端是与开闭回路切换单元连接；
该开闭回路切换单元包括有：
一切换器，具有二个以上的输入端、一切换控制端及一输出端，其输出端是与数字式脉宽调制器连接，其切换控制端是与所述状态控制器的切换命令输出端连接；
一开回路信号产生器，具有一输出端，是与切换器的一输入端连接；
一数字补偿器，具有一初始值输入端、一电压差值输入端、一致能端及一输出端，数字补偿器的输出端是与切换器的另一输入端连接，其致能端是与所述状态控制器的切换命令输出端连接；
一初始值产生器，具有一输入端、一控制端及一输出端，其输入端是与开回路信号产生器的输出端连接，其控制端是与所述状态控制器的切换命令输出端连接，其输出端则与数字补偿器的初始值输入端连接。
2.根据权利要求1所述电源供应器的软启动控制装置，其特征在于：该数字补偿器主要是由一积分器所构成，该积分器具有一输入端、一致能端、一输出端及一初始值输入端，该积分器的输入端是作为一电压差值输入端，其致能端是与状态控制器的切换命令输出端连接，其输出端经一操作数连接切换器的另一输入端。
3.根据权利要求2所述电源供应器的软启动控制装置，其特征在于：该数字补偿器进一步包括一微分器，该微分器具有一输入端、一致能端及一输出端，该微分器的输入端与积分器的输入端共接而构成该电压差值输入端，其致能端是与状态控制器的切换命令输出端连接，其输出端是与操作数连接。
4.根据权利要求3所述电源供应器的软启动控制装置，其特征在于：该初始值产生器主要是由一互斥或门、一切换开关组成，该互斥或门具有两输入端及一输出端，其中一输入端直接与状态控制器的切换命令输出端连接，另一输入端经由一延时器与状态控制器的切换命令输出端连接，该延时器是对输入信号提供一个时序脉冲的延迟；该切换开关具有两输入端及一输出端，其中一输入端是与互斥或门的输出端连接，另一输入端是与开回路信号产生器的输出端连接。
5.根据权利要求4所述电源供应器的软启动控制装置，其特征在于：该开回路信号产生器是由一计数器构成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述电源供应器的软启动控制装置，其特征在于：该输出电压取样器具有一输出电压设定值，其小于电源供应器的稳态操作电压。
7.根据权利要求6所述电源供应器的软启动控制装置，其特征在于：该电压判别器主要是由一电压比较器构成，其电压输入端是通过一滤波器与模拟数字转换器的输出端连接。
8.根据权利要求7所述电源供应器的软启动控制装置，其特征在于：该滤波器是由一有限脉冲响应滤波器所构成。
9.根据权利要求8所述电源供应器的软启动控制装置，其特征在于：该状态控制器主要是由一RS正反器所构成，其Q端是作为切换命令输出端。
10.一种电源供应器的软启动控制方法，主要是令一电源供应器与一数字式脉宽调制器连接，该电源供应器具有一电压输出端以连接负载；该数字式脉宽调制器可调制输出脉波的宽度，以控制电源供应器的输出电压在一设定的电压范围内，所述电源供应器的电压输出端与数字式脉宽调制器间分设有一模拟数字转换器、一数字补偿器及一数字式脉宽调制器；其特征在于：电源供应器启动后执行以下步骤：
进入一开回路控制模式，令电源供应器输出电压由零向上递升；
判断输出电压是否到达一设定值；
当输出电压到达该设定值，即进入一切换控制模式，由模拟数字转换器开始将输出电压转换为数字数据，供作为是否切换为闭回路控制及调整输出电压的依据。
11.根据权利要求10所述电源供应器的软启动控制方法，其特征在于：该输出电压设定值小于电源供应器的稳态操作电压。
12.根据权利要求11所述电源供应器的软启动控制方法，其特征在于：所述输出电压输入至模拟数字转换器前是先行取样，在输出电压到达设定值前，是令输入到模拟数字转换器的取样电压为0，当输出电压到达设定值后，取样电压为设定值，并由模拟数字转换器开始转换为数字数据。
13.根据权利要求10至12中任一项所述电源供应器的软启动控制方法，其特征在于：该开回路控制模式是对数字式脉宽调制器提供一开回路控制信号；
当输出电压到达设定值时进入切换控制模式，数字补偿器被致能且同时输入一不为0的初始值，令数字补偿器根据输入的一电压差值及该初始值运算产生一闭回路控制信号，并送到数字式脉宽调制器，同时中断该开回路控制信号。
14.根据权利要求13所述电源供应器的软启动控制方法，其特征在于：该开回路控制信号是电源供应器启动后致能一计数器以计数方式所产生。
15.根据权利要求14所述电源供应器的软启动控制方法，其特征在于：该输入至数字补偿器的初始值是根据计数器的计数值配合输出电压到达一参考电压的条件所触发产生。
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