CN103944386B - Dc-dc升压转换装置及其升压转换工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种DC-DC升压转换装置，包括升压转换电路、采样电路、PWM产生电路、人机界面和驱动电路；升压转换电路与采样电路电连接，采样电路与PWM产生电路电连接，PWM产生电路与驱动电路电连接，驱动电路与升压转换电路电连接，人机界面与PWM产生电路通信连接；升压转换电路包括依次电连接的滤波电路、第一取样电路、第一储能电路、第一、第二开关电路、第二储能电路和第二取样电路。本发明的DC-DC升压转换方法，通过实时采样取得第一储能电路电流和第二储能电路电压，以状态反馈方法自动调节PWM产生电路产生的PWM波的占空比，控制第一、二开关电路的导通和截止。本发明具有能够确保输出电压稳定性和精度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种升压转换装置及其方法，具体涉及一种用于直流-直流的DC-DC升压转换装置及其升压转换方法。
背景技术
本发明所述的DC-DC升压转换装置，是涉及能够实现直流输入，直流输出的装置，且输出的直流电压高于输入的直流电压。
已有技术中的DC-DC升压转换方法，是通过控制开关管M的导通和截止，实现对储能电感L、储能电容C储能，实现对负载Rout提供电能。
已有技术的DC-DC升压转换装置包括储能电感L、开关管M、二极管D和储能电容C（如图3所示），使用时，直流电源Uin的正极与储能电感L的一端电连接，直流电源Uin的负极与开关管M相应的连接端电连接，负载Rout连接在储能电容C的两端；通过控制开关管M的导通和截止，使得DC-DC升压转换装置工作；即开关管M导通时，二极管D反偏截止，此时，直流电源Uin给储能电感L储能，不向负载Rout提供电能，由储能电容C向负载Rout提供电能；开关管M截止时，二极管D导通，此时，直流电源Uin和储能电感L通过二极管D给储能电容C充电储能，并向负载Rout提供电能。
上述结构的升压转换装置及其方法，存在一定的缺点：第一，由于升压转换装置中元件动态和非线性参数变化、开关动作引起的非线性变化，以及负载Rout变化，都会影响直流输出电压的稳定性和精度要求。第二，由于控制开关管M导通和截止的信号在某些情况下引起过流，如控制开关管M导通和截止的PWM波因控制开关管M处于保持导通的状态而引起过流，会损毁开关管M及其相关电路中的储能电感L和直流电源Uin。
发明内容
本发明的目的是：提供一种能够确保输出电压稳定性和精度的DC-DC升压转换装置及其升压转换工作方法，并且能够做到输出的直流电压随元件动态和非线性参数变化、开关动作引起的非线性变化以及负载变化而能够稳定工作且保证精度要求，以确保输出电压稳定在预先设定的电压值，从而克服现有技术的不足。
为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是：一种DC-DC升压转换装置，而其：
包括升压转换电路、采样电路、PWM产生电路、人机界面和驱动电路；
所述升压转换电路的输出端与采样电路相应的输入端电连接，采样电路的输出端与PWM产生电路的输入端电连接，PWM产生电路的输出端与驱动电路的输入端电连接，驱动电路的输出端与升压转换电路的输入端电连接，人机界面与PWM产生电路通信连接；
所述升压转换电路包括依次电连接的滤波电路、第一取样电路、第一储能电路、第一开关电路、第二开关电路、第二储能电路和第二取样电路，且第一开关电路和第二开关电路分别与驱动电路相应的输出端电连接，第一取样电路和第二取样电路分别与采样电路相应的连接端电连接；
所述滤波电路的输入端与输入直流电压Uin电连接，第二取样电路的输出端与负载电路电连接。
在上述第一个技术方案中，还包括过流保护电路，所述PWM产生电路的输出端经过流保护电路与驱动电路的输入端电连接，采样电路的输出端与过流保护电路相应的输入端电连接。
在上述第一个技术方案中，所述采样电路包括第一采样电路和第二采样电路；所述第一取样电路的输出端与第一采样电路的输入端电连接，第一采样电路的输出端与PWM产生电路相应的输入端电连接；所述第二取样电路的输出端与第二采样电路的输入端电连接，第二采样电路的输出端与PWM产生电路相应的输入端电连接。
在上述第一个技术方案中，所述第一取样电路由电阻R1构成，所述电阻R1的一端与滤波电路电连接，电阻R1的另一端与第一储能电路电连接，且电阻R1的两端还与采样电路相应的输入端电连接。
在上述第一个技术方案中，所述第一储能电路由电感L构成，所述电感L的两端分别与第一取样电路和第一开关电路电连接；所述第二储能电路由电容C2构成，所述电容C2的两端分别与第二开关电路相应的连接端电连接。
在上述第一个技术方案中，所述第一开关电路由开关管M1构成，所述第一储能电路、第二开关电路和PWM产生电路分别与开关管M1相应的连接端电连接；所述第二开关电路由开关管M2构成，所述第一开关电路、第二储能电路和PWM产生电路分别与开关管M2相应的连接端电连接。
在上述第一个技术方案中，所述第二取样电路是由电阻R2和电阻R3串联后构成的串联电路，所述第二储能电路和采样电路分别与该串联电路相应的连接端电连接。
为了达到上述目的，本发明的第二个技术方案是：一种DC-DC升压转换工作方法，采用如上所述的DC-DC升压转换装置，而其：其转换工作步骤包括：
步骤a、将输入的直流电压标记为Uin，由人机界面设定输出的直流电压为Uref，并送至PWM产生电路存储；设置闭环增益矩阵K、且矩阵K=[K1K2K3]，其中，K1、K2和K3均为常量，设置PWM波的占空比常量D0、第一储能电路流过的电流常量I0以及第二储能电路的电压常量U0，并将闭环增益矩阵K、占空比常量D0、电流常量I0和电压常量U0送至PWM产生电路存储；
步骤b、由第一取样电路进行实时电压取样，并将该电压标记为U1；由第二取样电路进行实时电压取样，并将该电压标记为U2，然后将电压U1、U2分别通过采样电路进行线性处理后，生成第一储能电路流过的电流I和第二储能电路的电压U，且将电流I和电压U送至PWM产生电路进行A/D变换处理，所述PWM产生电路根据电流I和电压U生成PWM波，且该PWM波的占空比D=D0+KX，其中，X为状态反馈变量矩阵，X=[I-I0U-U0∫(U-Uref)]T，然后将PWM波送至驱动电路进行处理，由驱动电路输出互为反相的高、低电平开关控制信号送至第一开关电路和第二开关电路；此时产生两种工作状况：
第一种工作状况是，当第一开关电路导通，第二开关电路截止时，则输入的直流电压Uin对第一储能电路进行储能，第二储能电路对负载电路进行供电；
第二种工作状况是，当第一开关电路截止，第二开关电路导通时，则输入的直流电压Uin和第一储能电路同时对负载电路进行供电，并且同时对第二储能电路进行储能；
步骤c、重复步骤b，根据第一取样电路和第二取样电路实时取样到的电压U1、U2并经采样电路线性处理生成的第一储能电路流过的电流I和第二储能电路的电压U，实时调节PWM产生电路生成PWM波的占空比D，以达到负载电路的输出电压稳定在初始设定的输出直流电压Uref。
在上述第二个技术方案中，所述步骤b中第一取样电路实时取样的电压U1通过采样电路进行线性处理后，若大于过流保护电路设定的电压值，所述过流保护电路保持输出高电平控制信号并送至驱动电路，使得驱动电路控制第一开关电路保持在截止状态；若小于过流保护电路设定的电压值，则第一开关电路的工作状态受PWM产生电路产生的PWM波控制。
在上述第二个技术方案中，所述步骤b中由驱动电路输出互为反相的高、低电平开关控制信号送至第一开关电路和第二开关电路并控制第一储能电路和第二储能电路工作时，其产生的谐波由滤波电路进行滤波处理。
本发明所具有的积极效果是：由于采用上述DC-DC升压转换装置及其转换方法后，使用时，通过实时取样及采样处理，取得第一储能电路流过的电流和第二储能电路的电压，以状态反馈方法自动调节PWM产生电路产生的PWM波的占空比，控制第一开关电路和第二开关电路的导通和截止，保证输出的直流电压不随元件动态和非线性参数变化、开关电路的开关动作而引起的非线性变化以及负载电路负载变化的影响，从而确保直流输出电压的稳定性和精度要求。从而实现了本发明的目的。
附图说明
图1是本发明一种具体实施方式的电路原理方框图；
图2是本发明一种具体实施方式的电路原理图；
图3是已有技术中DC-DC升压转换装置的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
如图1、2所示，一种DC-DC升压转换装置，
包括升压转换电路1、采样电路2、PWM产生电路3、人机界面4和驱动电路5；
所述升压转换电路1的输出端与采样电路2相应的输入端电连接，采样电路2的输出端与PWM产生电路3的输入端电连接，PWM产生电路3的输出端与驱动电路5的输入端电连接，驱动电路5的输出端与升压转换电路1的输入端电连接，人机界面4与PWM产生电路3通信连接；
所述升压转换电路1包括依次电连接的滤波电路1-1、第一取样电路1-2、第一储能电路1-3、第一开关电路1-4、第二开关电路1-5、第二储能电路1-6和第二取样电路1-7，且第一开关电路1-4和第二开关电路1-5分别与驱动电路5相应的输出端电连接，第一取样电路1-2和第二取样电路1-7分别与采样电路2相应的连接端电连接；
所述滤波电路1-1的输入端与输入直流电压Uin电连接，第二取样电路1-7的输出端与负载电路7电连接。
如图1、2所示，为了确保本发明在工况下，第一开关电路1-4及其相关的第一储能电路1-3和直流电源Uin不因过流而损坏，还包括过流保护电路6，所述PWM产生电路3的输出端经过流保护电路6与驱动电路5的输入端电连接，采样电路2的输出端与过流保护电路6相应的输入端电连接。
如图1、2所示，所述采样电路2包括第一采样电路2-1和第二采样电路2-2；所述第一取样电路1-2的输出端与第一采样电路2-1的输入端电连接，第一采样电路2-1的输出端与PWM产生电路3相应的输入端电连接；所述第二取样电路1-7的输出端与第二采样电路2-2的输入端电连接，第二采样电路2-2的输出端与PWM产生电路3相应的输入端电连接。
如图2所示，所述第一取样电路1-2由电阻R1构成，所述电阻R1的一端与滤波电路1-1电连接，电阻R1的另一端与第一储能电路1-3电连接，且电阻R1的两端还与采样电路2相应的输入端电连接。当然，取样电路并不局限于此，也可以由多个电阻串并联构成。
如图2所示，所述第一储能电路1-3由电感L构成，所述电感L的两端分别与第一取样电路1-2和第一开关电路1-4电连接；所述第二储能电路1-6由电容C2构成，所述电容C2的两端分别与第二开关电路1-5相应的连接端电连接。当然，并不局限于此，第一储能电路1-3也可以由电感和电阻串联构成；第二储能电路1-6也可以由电容和电阻串联构成；本发明所述第一储能电路1-3优先选用的技术方案是由电感L构成的，第二储能电路1-6优先选用的技术方案是由电容C2构成的，这样，储能电路不会消耗功率，起到节能目的。
如图2所示，所述第一开关电路1-4由开关管M1构成，所述第一储能电路1-3、第二开关电路1-5和PWM产生电路3分别与开关管M1相应的连接端电连接；所述第二开关电路1-5由开关管M2构成，所述第一开关电路1-4、第二储能电路1-6和PWM产生电路3分别与开关管M2相应的连接端电连接。本发明的开关电路优先选用功率场效应管MOSFET管，当然，并不局限于此，开关电路也可以选用绝缘栅双极晶体管IGBT管。
如图2所示，所述第二取样电路1-7是由电阻R2和电阻R3串联后构成的串联电路，所述第二储能电路1-6和采样电路2分别与该串联电路相应的连接端电连接。当然，取样电路并不局限于此，也可以由多个电阻串并联构成。
本发明PWM产生电路3的优先技术方案是采用由美国德州仪器(TI：TexasInstruments)公司生产的DSP集成芯片，型号为TMS320F28335，及其外围电路构成的电路，且TMS320F28335集成芯片能够产生PWM波，当然，并不局限于此，也可以选用其它公司的微处理器产生PWM波。
本发明的驱动电路5的优先技术方案是采用由美国国际整流器公司（IR：InternationalRectifier）公司生产的半桥驱动集成芯片，型号为IR2109，及其外围电路构成的电路，当然，并不局限于此，也可以选用其它公司的驱动集成芯片。
本发明的过流保护电路6的优先技术方案是采用LM339电压比较器及7432或门构成的电路，当然，并不局限于此，也可以选用其它型号的电压比较器及或门集成芯片。
本发明的采样电路2的优先技术方案是采用AD712运算放大器及其构成的电路，当然，并不局限于此，也可以选用其它型号的运算放大器集成芯片。
如图1、2所示，一种DC-DC升压转换工作方法，采用如上所述的DC-DC升压转换装置，而其：其转换工作步骤包括：
步骤a、将输入的直流电压标记为Uin，由人机界面4设定输出的直流电压为Uref，并送至PWM产生电路3存储；设置闭环增益矩阵K、且矩阵K=[K1K2K3]，其中，K1、K2和K3均为常量，设置PWM波的占空比常量D0、第一储能电路1-3流过的电流常量I0以及第二储能电路1-6的电压常量U0，并将闭环增益矩阵K、占空比常量D0、电流常量I0和电压常量U0送至PWM产生电路3存储；
步骤b、由第一取样电路1-2进行实时电压取样，并将该电压标记为U1；由第二取样电路1-7进行实时电压取样，并将该电压标记为U2，然后将电压U1、U2分别通过采样电路2进行线性处理后，生成第一储能电路1-3流过的电流I和第二储能电路1-6的电压U，且将电流I和电压U送至PWM产生电路3进行A/D变换处理，所述PWM产生电路3根据电流I和电压U生成PWM波，且该PWM波的占空比D=D0+KX，其中，X为状态反馈变量矩阵，X=[I-I0U-U0∫(U-Uref)]T，然后将PWM波送至驱动电路5进行处理，由驱动电路5输出互为反相的高、低电平开关控制信号送至第一开关电路1-4和第二开关电路1-5；其中，PWM波的占空比D=D0+KX为矩阵表述方式，而D=D0+KX=D0+[K1K2K3][I-I0U-U0∫(U-Uref)]T，具体表示为：
此时产生两种工作状况：
第一种工作状况是，当第一开关电路1-4导通，第二开关电路1-5截止时，则输入的直流电压Uin对第一储能电路1-3进行储能，第二储能电路1-6对负载电路7进行供电；
第二种工作状况是，当第一开关电路1-4截止，第二开关电路1-5导通时，则输入的直流电压Uin和第一储能电路1-3同时对负载电路7进行供电，并且同时对第二储能电路1-6进行储能；
步骤c、重复步骤b，根据第一取样电路1-2和第二取样电路1-7实时取样到的电压U1、U2并经采样电路2线性处理生成的第一储能电路1-3流过的电流I和第二储能电路1-6的电压U，实时调节PWM产生电路3生成PWM波的占空比D，以达到负载电路7的输出电压稳定在初始设定的输出直流电压Uref。
所述步骤b中第一取样电路1-2实时取样的电压U1通过采样电路2进行线性处理后，若大于过流保护电路6设定的电压值，所述过流保护电路6保持输出高电平控制信号并送至驱动电路5，使得驱动电路5控制第一开关电路1-4保持在截止状态；若小于过流保护电路6设定的电压值，则所述PWM产生电路3输出的PWM波经过流保护电路6后控制逻辑不变，并送至驱动电路5，控制第一开关电路1-4的工作状态，即第一开关电路1-4的工作状态受PWM产生电路3产生的PWM波的控制。
在驱动电路5输出互为反相的高、低电平开关控制信号送至第一开关电路1-4和第二开关电路1-5并控制第一储能电路1-3和第二储能电路1-6工作时，为了防止其产生的谐波对直流输入电压Uin产生干扰影响，所产生的谐波由滤波电路1-1进行滤波处理。
本发明的DC-DC升压转换方法，通过实时取样及采样处理，取得第一储能电路1-3流过的电流和第二储能电路1-6电压，以状态反馈方法自动调节PWM产生电路3产生的PWM波的占空比，控制第一开关电路1-4和第二开关电路1-5的导通和截止，保证输出的直流电压不随元件动态和非线性参数变化，开关电路的开关动作而引起的非线性变化以及负载电路负载变化的影响，从而确保直流输出电压的稳定性和精度要求。同时，本发明的DC-DC升压转换装置，提供了一种过流保护电路，保护开关管及其相关电路不因过流而损毁。
本发明试验效果显示，其升压直流电压的稳定性和精度效果，以及过流保护效果是十分满意的。
Claims (3)
1.一种DC-DC升压转换工作方法，包括DC-DC升压转换装置，所述DC-DC升压转换装置包括升压转换电路（1）、采样电路（2）、PWM产生电路（3）、人机界面（4）和驱动电路（5）；
所述升压转换电路（1）的输出端与采样电路（2）相应的输入端电连接，采样电路（2）的输出端与PWM产生电路（3）的输入端电连接，PWM产生电路（3）的输出端与驱动电路（5）的输入端电连接，驱动电路（5）的输出端与升压转换电路（1）的输入端电连接，人机界面（4）与PWM产生电路（3）通信连接；
所述升压转换电路（1）包括依次电连接的滤波电路（1-1）、第一取样电路（1-2）、第一储能电路（1-3）、第一开关电路（1-4）、第二开关电路（1-5）、第二储能电路（1-6）和第二取样电路（1-7），且第一开关电路（1-4）和第二开关电路（1-5）分别与驱动电路（5）相应的输出端电连接，第一取样电路（1-2）和第二取样电路（1-7）分别与采样电路（2）相应的连接端电连接；
所述滤波电路（1-1）的输入端与输入直流电压Uin电连接，第二取样电路（1-7）的输出端与负载电路（7）电连接；其特征在于：其转换工作步骤包括：
步骤a、将输入的直流电压标记为Uin，由人机界面（4）设定输出的直流电压为Uref，并送至PWM产生电路（3）存储；设置闭环增益矩阵K、且矩阵K=[K1K2K3]，其中，K1、K2和K3均为常量，设置PWM波的占空比常量D0、第一储能电路（1-3）流过的电流常量I0以及第二储能电路（1-6）的电压常量U0，并将闭环增益矩阵K、占空比常量D0、电流常量I0和电压常量U0送至PWM产生电路（3）存储；
步骤b、由第一取样电路（1-2）进行实时电压取样，并将该电压标记为U1；由第二取样电路（1-7）进行实时电压取样，并将该电压标记为U2，然后将电压U1、U2分别通过采样电路（2）进行线性处理后，生成第一储能电路（1-3）流过的电流I和第二储能电路（1-6）的电压U，且将电流I和电压U送至PWM产生电路（3）进行A/D变换处理，所述PWM产生电路（3）根据电流I和电压U生成PWM波，且该PWM波的占空比D=D0+KX，其中，X为状态反馈变量矩阵，X=[I-I0U-U0∫(U-Uref)]T，然后将PWM波送至驱动电路（5）进行处理，由驱动电路（5）输出互为反相的高、低电平开关控制信号送至第一开关电路（1-4）和第二开关电路（1-5）；此时产生两种工作状况：
第一种工作状况是，当第一开关电路（1-4）导通，第二开关电路（1-5）截止时，则输入的直流电压Uin对第一储能电路（1-3）进行储能，第二储能电路（1-6）对负载电路（7）进行供电；
第二种工作状况是，当第一开关电路（1-4）截止，第二开关电路（1-5）导通时，则输入的直流电压Uin和第一储能电路（1-3）同时对负载电路（7）进行供电，并且同时对第二储能电路（1-6）进行储能；
步骤c、重复步骤b，根据第一取样电路（1-2）和第二取样电路（1-7）实时取样到的电压U1、U2并经采样电路（2）线性处理生成的第一储能电路（1-3）流过的电流I和第二储能电路（1-6）的电压U，实时调节PWM产生电路（3）生成PWM波的占空比D，以达到负载电路（7）的输出电压稳定在初始设定的输出直流电压Uref。
2.根据权利要求1所述的DC-DC升压转换工作方法，其特征在于：在还包括过流保护电路（6）的条件下，所述步骤b中第一取样电路（1-2）实时取样的电压U1通过采样电路（2）进行线性处理后，若大于过流保护电路（6）设定的电压值，所述过流保护电路（6）保持输出高电平控制信号并送至驱动电路（5），使得驱动电路（5）控制第一开关电路（1-4）保持在截止状态；若小于过流保护电路（6）设定的电压值，则第一开关电路（1-4）的工作状态受PWM产生电路（3）产生的PWM波控制。
3.根据权利要求1所述的DC-DC升压转换工作方法，其特征在于：所述步骤b中由驱动电路（5）输出互为反相的高、低电平开关控制信号送至第一开关电路（1-4）和第二开关电路（1-5）并控制第一储能电路（1-3）和第二储能电路（1-6）工作时，由滤波电路（1-1）进行滤波处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160113 Termination date: 20170430 |