CN103812321A

CN103812321A - 输入串联输出准并联的多路输出变换器的开机控制方法

Info

Publication number: CN103812321A
Application number: CN201410090993.6A
Authority: CN
Inventors: 任小永; 庞振进; 张强; 陈乾宏; 张之梁; 阮新波
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: CN103812321B

Abstract

本发明提供一种输入串联输出准并联的多路输出变换器的开机控制方法，属电能变换领域。它主要包括开机时单片机的系统初始化和PWM初始化、等待输入电压建立、PWM开启中断、DCX打开占空比、调节反馈参考电压值、调节DCX的开关频率、调节DCX的占空比以及DC-DC变换器的闭环PI调节程序，以此实现电路的软启动，防止启动时电压分配不均衡导致电路损坏。

Description

输入串联输出准并联的多路输出变换器的开机控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于输入串联输出准并联的多路输出变换器的开机启动控制方法，属于电能变换领域。

背景技术

跨入21世纪后，人们走进了一个崭新的信息传递、交换及指令的社会，工作、生活方式及娱乐处于巨大的变革之中，通讯成为人与人交往不可缺少的手段。通讯的多样化朝着快速、逼真、节省资源的方向发展，作为硬件环境，个人电脑和服务器将成为通讯网络必备的基本设施。网络建设及计算机领域产品走势日趋模块化、标准化，并以积木式结构组成分布式供电系统。

服务器电源按照标准可以分为ATX电源和SSI电源两种。ATX标准使用较为普遍，主要用于台式机、工作站和低端服务器，目前使用较普遍的ATX电源标准是ATX12V2.0、2.2、2.3版本电源，输出电压主要有+12V，+5V，+3.3V，-12V，+5VSB。服务器电源从输入到负载输出主要有功率因素校正电路，前端直直变换电路以及载荷点变换电路。现有的DCX+DC-DC高压母线变换器的结构如图1所示，在这三级变换器中，由于前端直直变换电路输入为高压小电流，输出为低压大电流，所以它是提高效率的最主要考虑部分。

为了提高服务器电源中高压直流母线电压到负载输出的转换效率，考虑高压小电流输入，低压大电流输出，提出了输入串联输出准并联的多路输出变换器，其结构如附图2所示。这种变换器由直流变压器DCX和直流变换器DC-DC组成，DCX为多路输出，其中一路输出为12V，DC-DC只有一路输出。DCX和DC-DC的输入端串联，通过分压电容获得各自的输入电压，DCX的12V输出支路与DC-DC的输出支路并联。DC-DC变换器进行闭环控制实现输出电压的精确调节，因此DCX的12V输出支路也能够精确输出12V电压，而DCX的其它路输出则通过变压器的匝比关系确定。

在变换器启动瞬间，若按照正常工作时的驱动方式，由于DCX的增益较大，因此DCX的输出电压较低，DC-DC则会因承受过高的电压而损坏；即使开机时让DCX工作在高频区，并且占空比取较小值以降低增益，但是启动瞬间由于DCX和DC-DC变换器输入侧串联，无法保证DCX和DC-DC的输入电压按照分压电容的大小进行分压，仍然可能会导致DC-DC变换器输入电压过大。因此需对变换器启动瞬间加以控制。

发明内容

本发明的目的是为了实现输入串联输出准并联的多路输出变换器的开机软启动，解决启动电压和启动电流过大导致DC-DC损坏的问题。由于DCX和DC-DC的输入端串联，而DCX是高压输入，DC-DC是低压输入，因此串联的结构会导致启动时输入电压分配不当，从而导致DC-DC承受过高电压损坏。

本发明提供了一种变采样参考电压值和DCX变频变占空比相结合的方法来解决开机启动时过压的问题。

本发明通过以下方案实施：

1）首先单片机进行系统初始化和PWM模块初始化，设置DCX的开关频率为4～6倍工作频率，DC-DC的开关频率为工作频率,并设置DCX和DC-DC的占空比均为零，此时DCX增益为零。12V输出支路的采样参考电压值对应1～4V的输出电压。

2）待DCX和DC-DC的输入电压建立后，单片机定义标志位Flag=0，开启PWM中断。设置DCX的占空比为0.05～0.20，并开始执行PI闭环调节程序。此时系统工作在低电压输出的闭环状态；

3）低电压输出稳定后，标志位Flag置1，12V输出支路的采样参考电压值从对应1～4V的输出开始缓慢上升，同时DCX的占空比逐渐增加至0.25～0.35。此过程中输出电压缓慢上升，因此DC-DC的输入电压也上升很慢，不会出现过压情况；

4）当12V输出支路的采样参考电压值上升到对应12V输出的值时，标志位Flag置2，DCX的开关频率开始降低，增益变大，输出电压进一步上升；

5）当DCX的开关频率降至工作频率时，标志位Flag置3，DCX再次增加占空比，输出电压继续上升，直到输出达到12V；

6）当DCX的占空比增加到额定值0.45～0.47时，清除标志位Flag，12V输出支路的输出电压稳定在12V，之后中断程序仅执行PI闭环调节程序，电路进入稳定工作状态。

本发明与现有技术相比的主要技术特点是：

本发明的方法主要包括开机时系统的初始化和PWM初始化、等待输入电压建立、PWM开启中断、DCX打开占空比、调节反馈参考电压值、调节DCX的开关频率、调节DCX的占空比以及DC-DC变换器的闭环PI调节程序，以此实现电路的软启动，防止启动时电压分配不均衡导致电路损坏。

本发明利用变采样参考电压值和DCX变频变占空比相结合的方法，通过合理的时序调节，既实现了开机启动时电路的输出电压和输出电流的缓慢建立，也避免了DC-DC输入电压过高的问题，适用于输入串联输出准并联的多路输出变换器。

附图说明

附图1是DCX+DC-DC高压母线变换器的结构图；

附图2是两路输出的输入串联输出准并联的多路输出变换器的电路图；

附图3是本发明的开机启动控制电路；

附图4是本发明的软启动过程波形示意图；

附图5是本发明的程序流程图。

上述附图中的主要符号名称：V_in—输入直流电源；V_in1，V_in2—变换器输入电压；C_in1～C_in2—输入分压电容；L_r—原边谐振电感；C_r—原边谐振电感；L_m—原边励磁电感；i_Lr—原边谐振电流；i_Lm—原边励磁电流；i_in—原边变压器输入电流；n₂—变压器原边对副边的匝比；Q₁～Q₆—开关管；D₁～D₆—寄生二极管；C₁～C₆—寄生电容；D₂₁～D₂₂—磁复位二级管；SR₁～SR₄，SR₂₁～SR₂₂—同步整流管V_o1，V_o2，V_on—输出电压，I_o1，I_o2，I_on，I₁，I₂—输出电流；f_{s_DCX}，f_{s_DC-DC}—DCX和DC-DC的开关频率；D_DCX，D_DC-DC—DCX和DC-DC的占空比；V_{DCX_GS}—DCX的开关管的驱动电压；V_ref—采样参考电压。

具体实施方式

实施例一：

如附图3所示，启动时，为了防止主电直接加在DC-DC变换器的两端，可以在主电刚加入时不打开DCX和DC-DC的驱动，设置它们的占空比都为零，这样DCX和DC-DC的输入电压就会先按输入分压电容的关系缓慢建立起来。分压电容采用1:9分配，确保DC-DC的输入电压为主电的十分之一，DCX的输入电压为主电的十分之九。同时，为了分析的方便，此处考虑DCX为两路输出的情况，如附图3所示。DCX为多路输出时与图3中两路输出的控制原理相同。

图3中，单片机的辅助电源由V_in变换后得到，当主电V_in来临时，辅助电源开始工作，打开DCX和DC-DC的驱动并设置占空比为零。等待一段时间后，打开PWM中断进行开机启动控制。中断程序中，通过合理的时序分配，调节采样电压基准值、DCX的占空比以及DCX的开关频率，实现输出电压和输出电流的缓慢建立。

本发明具体软启动过程的波形图如附图4所示，主要分为以下几个时间段：

t₀～t₁时刻(记t₀=0，t₁=2ms)：输入电压加在变换器两端，辅助电源开始工作，单片机进行系统初始化和PWM模块初始化，DCX的开关频率设定为5倍谐振频率，DC-DC的开关频率为工作频率，设置DCX和DC-DC占空比均为零，则DCX的输入输出电压增益为零。此阶段内主电路不工作，输出电压为零；

t₁～t₂时刻(t₂=4ms)，输入电压按照输入电容的比例分配完成，PWM中断打开，单片机定义标志位Flag=0，设置DCX的占空比为0.1，输出采样基准值设定为对应3V的输出值，保证输出电压从较小时开始启动；DC-DC进行闭环调节，其占空比由PI调节程序决定；此时输出电压慢慢上升到相应的输出电压V_o2，且V_o2=3V，由V_o2箝位到DCX的输入电压V_in1较大，从而使DC-DC的输入电压V_in2在器件电压应力以内；

t₂～t₃时刻(t₃=8ms)，标志位Flag=1，缓慢增加DC-DC输出采样基准值到额定12V输出所对应的值，同时为了防止副边整流管电流过冲并防止死区时间过小，逐渐打开DCX的占空比到0.3，此时DCX的增益依然较小，输入电压绝大部分都加在DCX的输入侧，而输出电压V_o2缓慢上升但并未达到额定输出，DC-DC满占空比工作，其输入电压V_in2逐渐上升且仍在器件电压应力内；

t₃～t₄时刻(t₄=12ms)，标志位Flag=2，DCX的开关频率从5倍谐振频率减小到工作频率，DCX的电压增益进一步增大，此时输出电压V_o2继续上升但仍然未到额定输出，DC-DC仍然工作在满占空比状态，DC-DC的输入电压V_in2继续上升；

t₄～t₅时刻(t₅=15ms)，标志位Flag=3，DCX缓慢打开占空比到最大值，DCX的输入输出电压增益逐渐变大到正常工作时的增益值，输出电压V_o2逐渐上升到稳定值，则DCX的输入电压V_in1开始由V_o2嵌位且逐渐减小到最终值，DC-DC的输入电压V_in2逐渐上升到最终值，完成电路的软启动；

t₅时刻以后，清除标志位Flag，DCX的占空比保持在最大值0.47，电路进入稳态，稳定工作。

以上整个开机时间持续15ms，如需要改变开机时间，则每个时间点t₀～t₅可按上述比例进行分配。

实施例二：

本发明的启动控制的流程图如附图5所示，本发明的控制过程如下：

1）辅助电源由V_in变换后得到，当主电V_in来临时，辅助电源开始工作，给单片机供电，单片机先进行DCX和DC-DC的初始化，设置DCX的开关频率f_{s_DCX}=450kHz，DC-DC的开关频率f_{DC_DC}=90kHz，并且DCX和DC-DC的占空比都为零。设定采样参考电压值对应3V输出电压的值。

2）输入电压建立起来后，开启PWM中断，系统进入闭环调节。单片机定义标志位Flag=0。在中断程序中，设置DCX的占空比为较小值D_DCX=0.1，使输出电压稳定在3V输出；

3）3V输出稳定后，标志位Flag置1，,增加采样参考电压值到对应额定12Ｖ输出的值，同时增加DCX的占空比增加至D_DCX=0.3；

4）采样参考电压值调节完成后，标志位Flag置2，然后开始降低DCX的开关频率至工作频率f_{s_DCX}=90kHz；

5）DCX降频完成后，标志位Flag置3，为了进一步提高DCX的增益，再将DCX的占空比逐渐打开到最大值D_DCX=0.47；

6）占空比调节完成后，清除标志位Flag，此时DCX定频定占空比工作，PWM中断程序仅实现PI闭环调节的功能，使输出电压V_o2稳定在12V。

Claims

1.一种适用于输入串联输出准并联的多路输出变换器的开机控制方法，该方法包括以下步骤；

1）首先单片机进行系统初始化和PWM模块初始化，设置DCX的开关频率为4~6倍工作频率，DC-DC的开关频率为工作频率，并设置DCX和DC-DC的占空比均为零，12V输出支路的采样参考电压值设置为对应1~4V输出电压的值；

2）待DCX和DC-DC的输入电压建立后，单片机定义标志位Flag=0，开启PWM中断；设置DCX的占空比为0.05~0.20，并开始执行PI闭环调节程序；

3）低电压输出稳定后，标志位Flag置1，12V输出支路的采样参考电压值开始上升，同时DCX的占空比逐渐增加至0.25~0.35；

4）当12V输出支路的采样参考电压值上升到对应12V输出的值时，标志位Flag置2，DCX的开关频率开始降低；

5）当DCX的开关频率降至工作频率时，标志位Flag置3，DCX再次增加占空比；

6）当DCX的占空比增加到最大值0.45~0.47时，清除标志位Flag，12V输出支路的输出电压稳定在12V，之后中断程序仅执行PI闭环调节程序，电路进入稳定工作状态。

2.根据权利要求1所述控制方法，其中，所述输入串联输出准并联的多路输出变换器包括直流变压器DCX和直流变换器DC-DC，DCX为多路输出，其中一路输出为12V，DC-DC只有一路输出，DCX和DC-DC的输入端串联，DCX的12V输出支路与DC-DC的输出支路并联。

3.根据权利要求1所述控制方法，其中，所述DCX为二路、三路、四路或六路输出。