CN103683860A - 数字电源设备用控制装置和数字电源设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字电源设备用控制装置和数字电源设备，属于数字电源领域。该控制装置包括：运算放大器、模拟到数字转换器、反馈数字滤波器、数字脉宽调制器、功率级电路、前馈数字滤波器和反馈网络；其中，运算放大器的输入端为参考电压输入端，运算放大器的输出端与模拟到数字转换器、反馈数字滤波器、数字脉宽调制器和功率级电路顺次连接；功率级电路的输出端经反馈网络回连至运算放大器输入端；前馈数字滤波器的输入端为Vin输入端，前馈数字滤波器的输出端与数字脉宽调制器的输入端连接。通过设置前馈数字滤波器，实现前馈功能，减少为了实现倒数曲线的表的个数，避免了运算延时长、耗费资源多、前馈效果差的问题。

Description

数字电源设备用控制装置和数字电源设备
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于数字电源的控制装置。
背景技术
目前用于输出恒定电压的电源，作为一种调节器系统，通常会遇到输入扰动、输出扰动，为了稳定输出电压，需要抑制这部分扰动，特别是输入浪涌、电压瞬态跌落以及负载动态变化率较高的场合。
对于输入扰动通常可采用前馈来解决，对于负载扰动，通常可采用增加输出电容、增加动态系统带宽来减少输出阻抗或通过非线性控制减少动态输出阻抗来解决，增加动态系统带宽可以采用非线性增益来改变。对于通信电源领域的中间母线、中转母线变换器及点负载（Point of Load）电源均具有向数字化发展的趋势，如何使数字电源控制器兼容解决负载扰动和解决输入扰动这两种应用，对于数字电源控制器的实现提出了更高要求。目前常用的数字电源控制器Buck类变换器（降压变换器）要抵消Vin（电压输入端，Inputvoltage）输出扰动需要采用Vin的倒数来抵消。
这种拟合倒数曲线的方法存在运算延时长、耗费资源多，造成前馈效果差的问题。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种数字电源设备用控制装置和数字电源设备，可解决目前数字电源控制器中采用Vin的倒数抵消Vin输出扰动所存在的运算延时长、耗费资源多、前馈效果差的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种控制装置，包括：运算放大器、模拟到数字转换器、反馈数字滤波器、数字脉宽调制器、功率级电路、前馈数字滤波器和反馈网络；其中，
所述运算放大器的输入端为参考电压输入端，所述运算放大器的输出端与所述模拟到数字转换器、反馈数字滤波器、数字脉宽调制器和功率级电路顺次连接；
所述功率级电路的第一输出端经反馈网络回连至所述运算放大器输入端，所述功率级电路的第二输出端直接输出；
所述前馈数字滤波器的输入端为电压输入端，所述前馈数字滤波器的输出端与所述数字脉宽调制器的输入端连接。
结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中，所述前馈数字滤波器包括：
数字信号输入端、第一通道、第二通道、数字信号输出端和两个非线性增益单元；其中，
所述数字信号输入端与所述第一通道的输入端连接，所述第一通道的输出端与所述数字信号输出端连接；
所述数字信号输入端与所述两个非线性增益单元的输入端连接，所述两个非线性增益单元中的一个非线性增益单元的输出端与第一通道连接,另一个非线性增益单元的输出端与所述第二通道连接；
所述第二通道的输出端与所述数字信号输出端连接。
结合第一方面的第一种实现方式，在第一方面的第二种实施方式中，所述第一通道为比例环节P通道；
所述第二通道为积分环节I通道。
结合第一方面或第一方面的第一种实现方式或第一方面的第二种实现方式，在第一方面的第三种实施方式中，所述反馈数字滤波器包括：
数字信号输入端、第三通道、第四通道、第五通道、数字信号输出端和至少一个非线性增益单元；其中，
所述数字信号输入端分别经所述第三通道、第四通道、第五通道与所述数字信号输出端连接；
所述非线性增益单元的输入端与所述数字信号输入端连接，所述非线性增益单元的输出端分别与所述第三通道、第四通道、第五通道连接，每个非线性增益单元对应一个通道。
结合第一方面的第三种实现方式，在第一方面的第四种实施方式中，所述第三通道为比例环节P通道；
所述第四通道为积分环节I通道；
所述第五通道为差分环节D通道。
结合第一方面的第三种实现方式或第一方面的第四种实现方式，在第一方面的第五种实施方式中，所述多个非线性增益单元的数量与通道的数量对应，每个非线性增益单元的输出端对应连接一个通道。
第二方面一方面，本发明实施例提供一种数字电源设备，该数字电源设备的主控制装置采用上述控制装置。
本发明的有益效果为：通过设置前馈数字滤波器，实现前馈功能，减少为了实现倒数曲线的表的个数，避免了运算延时长、耗费资源多、前馈效果差的问题，具有有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的控制装置示意图；
图2为本发明实施例提供的控制装置的前馈数字滤波器的示意图；
图3为本发明实施例提供的控制装置的反馈数字滤波器的示意图；
图4为本发明实施例提供的数字电源设备示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
图1所示为本发明实施例一提供的控制装置，该控制装置包括：运算放大器、模拟到数字转换器、反馈数字滤波器、数字脉宽调制器、功率级电路、前馈数字滤波器和反馈网络；
其中，运算放大器的输入端为参考电压输入端，运算放大器的输出端与所述模拟到数字转换器的输入端连接；
模拟到数字转换器的输出端与反馈数字滤波器的输入端连接；
反馈数字滤波器的输出端与数字脉宽调制器的输入端连接；
数字脉宽调制器的输出端与功率级电路的输入端连接；
功率级电路的第一输出端经反馈网络回连至所述运算放大器输入端，所述功率级电路的第二输出端直接输出；
前馈数字滤波器的输入端为电压输入端（Vin输入端），前馈数字滤波器的输出端与所述数字脉宽调制器的输入端连接。
图2所示为上述控制装置中的前馈数字滤波器，包括：数字信号输入端、第一通道、第二通道、数字信号输出端和两个非线性增益单元（按图2中所示的两个非线性增益单元从上至下可以是第一非线性增益单元、第二非线性增益单元）；其中，
数字信号输入端与第一通道的输入端连接，第一通道的输出端与输出端连接；
数字信号输入端与两个非线性增益单元的输入端连接，两个非线性增益单元中的一个非线性增益单元的输出端与第一通道连接，另一个非线性增益单元的输出端与所述第二通道连接；
第二通道的输出端与数字信号输出端连接。
上述前馈数字滤波器中的第一通道可以是比例环节P通道；第二通道可以是积分环节I通道。
图1所示的控制装置中，E（N）一般是指误差信号，E（N）作为两个非线性增益单元的输入，根据E（N）的值不同，得到不同的非线性增益单元的输出。
E（N）与第一非线性增益单元的输出是第一通道的两个输入信号，这两个输入信号在第一通道中做运算，得到第一通道的输出；一般这个运算是乘法。
第二非线性增益单元2的输出作为第二通道的输入，根据第二非线性增益单元的输出得到第二通道的输出。
图3所示为上述控制装置中的反馈数字滤波器，该反馈数字滤波器包括：数字信号输入端、第三通道、第四通道、第五通道、数字信号输出端和至少一个非线性增益单元；
其中，数字信号输入端分别经第三通道、第四通道、第五通道与数字信号输出端连接；
多个非线性增益单元的输入端与数字信号输入端连接，非线性增益单元的输出端分别与第三通道、第四通道、第五通道连接，每个非线性增益单元对应一个通道。具体的：多个非线性增益单元的数量与通道的数量对应，每个非线性增益单元的输出端对应连接一个通道，如第一非线性增益单元的输出对应连接第三通道，第二非线性增益单元的输出对应连接第四通道，第三非线性增益单元的输出对应连接第五通道。
上述反馈数字滤波器中，第三通道可以是比例环节P通道；第四通道可以是积分环节I通道；第五通道可以是差分环节D通道。
下面结合附图和具体工作原理对本发明实施例的控制装置作进一步说明。
如图1所示该控制装置的结构包括：
一个运算放大器，能放大采样参考值与输出测量值之间的误差。
一个ADC（模拟到数字转换器）包含零阶保持器和量化环节，采样前级增益可调的运算放大器的输出并量化为数字信号值；
一个PID前馈单元（即前馈数字滤波器），其结构与反馈数字滤波器类似，不同的是没有差分环节D通道和只有两个非线性增益单元，利用其中的两个非线性增益单元和比例环节P通道和积分环节I通道配合，实现前馈功能；
一个PID反馈单元（即反馈数字滤波器），作为环路的数字滤波器，产生数字控制信号；数字滤波器包含非线性增益单元根据采样参考值与输出测量值之间的误差并量化的数字信号值改变当前环路系数；
一个DPWM（数字脉宽调制器），在将ADC（模拟到数字转换器）的数字信号值送给反馈数字滤波器，根据反馈数字滤波器产生的数字控制信号转化为DPWM波；
反馈数字滤波器和前馈数字滤波器均包含非线性增益单元根据采样参考值与输出测量值之间的误差并量化的数字信号值改变当前环路系数。
由于常用电源输出恒定电压，为一种调节器系统，通常遇到输入扰动、输出扰动时，为了稳定输出电压，需要抑制这部分扰动；尤其是输入浪涌、电压瞬态跌落以及负载动态变化率较高的场合；对于输入扰动通常采用前馈来解决，对于负载扰动，通常采用增加输出电容、增加动态系统带宽来减少输出阻抗或通过非线性控制减少动态输出阻抗来解决，增加动态系统带宽可以采用非线性增益单元来改变。一般来说，数字控制器（即控制装置）中会包含1个以上的数字滤波器，通常会有一个及一个以上的数字滤波器是冗余的。本发明在不增加硬件方案的情况下，利用冗余的数字滤波器实现了前馈功能，具有有良好的应用前景。
实施例二
图4所示为在上述实施例一的基础上，本发明实施例提供的数字电源设备，该数字电源设备包括：机壳21，还包括：设置在机壳21内的电源电路，电源电路的主控制装置采用上述实施例一给出的控制装置。由于主控制装置中设有前馈数字滤波器，减少为了实现倒数曲线的表的个数，避免了运算延时长、耗费资源多，前馈效果差的问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种数字电源设备用控制装置，其特征在于，包括：
运算放大器、模拟到数字转换器、反馈数字滤波器、数字脉宽调制器、功率级电路、前馈数字滤波器和反馈网络；其中，
所述运算放大器的输入端为参考电压输入端，所述运算放大器的输出端与所述模拟到数字转换器的输入端连接；
所述模拟到数字转换器的输出端与所述反馈数字滤波器的输入端连接；
所述反馈数字滤波器的输出端与所述数字脉宽调制器的输入端连接；
所述数字脉宽调制器的输出端与所述功率级电路的输入端连接；
所述功率级电路的第一输出端经反馈网络回连至所述运算放大器输入端，所述功率级电路的第二输出端直接输出；
所述前馈数字滤波器的输入端为电压输入端，所述前馈数字滤波器的输出端与所述数字脉宽调制器的输入端连接。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述前馈数字滤波器包括：
数字信号输入端、第一通道、第二通道、数字信号输出端和两个非线性增益单元；其中，
所述数字信号输入端与所述第一通道的输入端连接，所述第一通道的输出端与所述数字信号输出端连接；
所述数字信号输入端与所述两个非线性增益单元的输入端连接，所述两个非线性增益单元中的一个非线性增益单元的输出端与第一通道连接,另一个非线性增益单元的输出端与所述第二通道连接；
所述第二通道的输出端与所述数字信号输出端连接。
3.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述第一通道为比例环节P通道；
所述第二通道为积分环节I通道。
4.如权利要求1至3任一所述的控制装置，其特征在于，所述反馈数字滤波器包括：
数字信号输入端、第三通道、第四通道、第五通道、数字信号输出端和至少一个非线性增益单元；其中，
所述数字信号输入端分别经所述第三通道、第四通道、第五通道与所述输出端连接；
所述非线性增益单元的输入端与所述数字信号输入端连接，所述非线性增益单元的输出端分别与所述第三通道、第四通道、第五通道连接，每个非线性增益单元对应一个通道。
5.如权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述第三通道为比例环节P通道；
所述第四通道为积分环节I通道；
所述第五通道为差分环节D通道。
6.如权利要求4或5所述的控制装置，其特征在于，所述多个非线性增益单元的数量与通道的数量对应，每个非线性增益单元的输出端对应连接一个通道。
7.一种数字电源设备，其特征在于，该数字电源设备的主控制单元采用上述权利要求1至6任一项所述的控制装置。
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