CN103944427A - 一种ac-dc变换器输出电流的控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

一种AC-DC变换器输出电流的控制方法，在变换器中开关管的每一个开关周期，分别实时采集辅助绕组两端和初级电路中采样电阻上的电压信号，根据辅助绕组两端的电压信号，运用拐点检测法找到辅助绕组电压下降的拐点，进而得到次级电路当前开关周期的次级电路放电时间t_dis，根据输出电流的设定值I_out和当前开关周期的次级电路放电时间t_dis，计算得到一个开关周期初级采样电阻上峰值电压限定值V_pp，如此循环执行，实现对输出电流的稳定、精确控制。

Description

一种AC-DC变换器输出电流的控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及AC-DC变换器，具体涉及一种AC-DC变换器输出电流的控制方法及其控制系统。

背景技术

随着LED照明技术的普及和不断发展，LED恒流驱动芯片也得到了快速的发展。传统的基于副边反馈的AC-DC变换器采用光耦隔离反馈方式，该反馈方式需要增加一个光耦进行有效隔离，这增大了变换器的体积和系统在硬件上的开销。

为了解决这个问题，如图1所示的基于原边反馈的AC-DC变换器开始被广泛采用，控制输出电流无需直接从负载电阻上采样，只需要对辅助绕组两端的电压和初级电路中的采样电阻两端的电压进行采样。在这种控制方式中，为了精确控制输出电流的大小，需要对电路的次级放电时间精确测量，次级放电时间为辅助绕组开始上升时刻到出现下降拐点时刻，实际情况中，对于拐点的检测，经常用辅助绕组的过零电压点前推四分之一的谐振周期对应的电压点代替拐点，这种拐点检测的方法存在一定误差。除此之外，对输出电流值的大小一般通过改变电路中的局部参数进行设定，不能在电路工作时改变。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种AC-DC变换器输出电流的控制方法及其控制系统，能够精确地测量到次级放电时间，并根据输出电流的设定值来控制初级电路中的采样电阻两端的峰值电压。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种AC-DC变换器输出电流的控制方法，基于原边反馈的AC-DC变换器，其特征在于，在变换器中开关管的每一个开关周期(即开关管栅极驱动信号PWM波的周期)，分别实时采集辅助绕组两端和初级电路中采样电阻两端的电压信号，在每个开关周期开始时刻，将开关管栅极驱动信号PWM波置为高电平，在当前开关周期中，如果采集到的初级电路中采样电阻两端的电压信号值达到上一个开关周期计算得到的初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值V_pp，则将开关管栅极驱动信号PWM波置为低电平，直到当前开关周期结束，下一个开关周期开始前；在当前开关周期中PWM波置为低电平的时间段中，根据辅助绕组两端的电压信号的采样值，运用拐点检测法找到在当前开关周期中的辅助绕组电压下降拐点，进而得到当前开关周期的次级电路放电时间t_dis，根据输出电流的设定值I_out和当前开关周期的次级电路放电时间t_dis，计算得到下一个开关周期初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值V_pp。如此循环执行，实现对输出电流的稳定、精确控制；

具体步骤如下：

(1)在一个开关周期，实时采集辅助绕组电压信号，并对采集到的辅助绕组两端电压的采样值中最新的n个采样值进行存储，n的大小至少为50；

(2)分析最新的n个采样值，在开关管的一个开关周期中，当开关管断开时，次级绕组上的电流I_S迅速上升至峰值电流I_SP，记电流I_S迅速上升至峰值电流I_SP对应的时刻为t₀,t₀时刻为当前开关周期的次级电路放电的开始时刻；

(3)根据辅助绕组两端电压的最新的n个采样值，运用拐点检测法测得变换器在当前开关管的开关周期内的次级电路放电时间t_dis：

1)记辅助绕组两端电压的最新的n个采样值为v₁、v₂…v_n,为这n个采样值构成的散点图，其中纵轴为采样值大小，横轴为时间，每个数据点在n个数据的散点图上对应点的斜率为k₁、k₂…k_n-1，该斜率反映了相邻的两个辅助绕组两端电压的采样值之间的变化大小，由于采样为等时间间隔采样，所以斜率计算公式为k_i=v_i+1-v_i，i=1,2…n-1；

2)计算当前平均斜率平均斜率反映了辅助绕组两端电压的最近的n个采样值的总体变化趋势，若在开关管的一个开关周期中，在检测到的次级电路放电的开始时刻t₀后，若采样到的辅助绕组两端电压的连续三个采样值υ_p、υ_p+1、υ_p+2对应的斜率k_p-1、k_p、k_p+1的绝对值的大小大于当前平均斜率的绝对值的五倍，则采样值υ_p对应的采样时刻t_p为当前开关管开关周期的辅助绕组电压波形下降拐点对应时刻，即当前开关周期中的次级电路放电结束时刻，因此，当前开关周期中的次级电路放电时间t_dis=t_p-t₀；

(4)根据公式计算出下一个开关周期的初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值其中：I_out为设定的输出电流，N_PS为初级绕组和次级绕组的匝数比，t_s为开关管的开关周期，R₀为初级电路中采样电阻的阻值，I_pp为流经采样电阻R₀的峰值电流；

(5)根据初级电路中采样电阻R₀两端的电压采样值，在下一个开关周期中，如果初级电路中采样电阻两端的电压达到限定值V_pp，则PWM波置为低电平，开关管关断。

根据上述方法设计的控制系统，其特征在于，包括辅助绕组电压信号采样单元、初级采样电阻电压信号采样单元、次级放电时间测量单元、初级采样电阻峰值电压限定值计算单元、PWM波输出单元和输出电流设定单元；初级电路中采样电阻的电压信号输出连接初级采样电阻电压信号采样单元，初级采样电阻电压信号采样单元输出连接PWM波输出单元，辅助绕组电压信号输出连接辅助绕组电压信号采样单元，辅助绕组电压信号采样单元输出连接次级放电时间测量单元，次级放电时间测量单元输出和输出电流设定单元输出均连接初级采样电阻峰值电压限定值计算单元，初级采样电阻峰值电压限定值计算单元输出连接PWM波输出单元，PWM波输出单元的输出连接AC-DC变换器中开关管的栅极；其中：

次级辅助绕组电压信号采样单元和初级采样电阻电压信号采样单元，可采用采样频率为30M及以上的模数转换芯片，如AD9226芯片，分别用于采集辅助绕组电压信号和初级电路中采样电阻的电压信号，并分别根据这两个信号计算次级放电时间t_dis和控制流经初级电路中采样电阻的电流的峰值I_pp；

次级放电时间测量单元，用于根据辅助绕组电压信号采样单元测得的辅助绕组两端电压，通过可编程逻辑器件FPGA运用拐点检测法，实时检测次级放电时间t_dis；

初级电路采样电阻峰值电压限定值计算单元，用于根据输出电流设定单元设定的输出电流值I_out和次级放电时间测量单元测量的次级放电时间t_dis，通过可编程逻辑器件FPGA计算得出初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值V_pp;

PWM波输出单元，用于比较初级采样电阻峰值电压限定值V_pp和实际测得的初级采样电阻电压V′_pp，生成控制开关管通断的PWM波，若V′_pp小于V_pp,则输出PWM波为高电平；若V′_pp大于等于V_pp，输出PWM波为低电平，通过可编程逻辑器件FPGA中实现；

输出电流设定单元，用于在变换器工作时设定输出电流I_out的大小，通过外置键盘和可编程逻辑器件FPGA实现；

系统的控制过程：

(1) 通过外置键盘，在输出电流设定单元里设定电路的输出电流值I_out；

(2)在电路输入端接通市电；

(3) 每个开关周期开始时，开关管栅极的控制信号PWM波置为高电平，开关管导通，电压采样单元实时采样初级电路采样电阻上的电压，在当前开关周期中，若初级电路中的采样电阻两端的电压达到上一个开关周期中计算得出的初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值V_pp时，PWM波输出单元将PWM波置为低电平，开关管栅极受低电平控制，开关管关断，直至当前周期结束，下一个开关周期开始前；

(4)在当前开关周期中PWM被置为低电平的对应时间段，次级放电时间测量单元测量当前开关周期中电路的次级放电时间t_dis；初级电路采样电阻峰值电压限定值计算单元计算下一个开关周期的初级电路采样电阻峰值电压限定值V_pp；

(5)下一个周期从步骤(3)开始循环进行控制。

本发明的优点和效果：本发明通过采集并记录变换器的辅助绕组电压信号，采用拐点检测方法，精确地找到当前开关周期中辅助绕组电压波形的下降拐点，进而精确地计算出本次当前开关周期中的次级电路放电时间t_dis，最后可以更精确地计算出下一个开关周期的初级电路中采样电阻两端的峰值电压的限定值V_pp。本发明还能通过输出电流设定单元设定输出电流的大小。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是初级采样电阻峰值电压限定值计算单元流程图；

图3是PWM波输出单元流程图；

图4是输出电流设定单元流程图；

图5是AC-DC变换器各点的工作波形；

图6是辅助绕组两端电压采样值散点图。

具体实施方式

如图1，控制系统包括辅助绕组电压信号采样单元、初级采样电阻电压信号采样单元、次级放电时间测量单元、初级采样电阻峰值电压限定值计算单元、PWM波输出单元和输出电流设定单元；初级采样电阻电压信号输出连接初级采样电阻电压信号采样单元，初级采样电阻电压信号采样单元输出连接PWM波输出单元，辅助绕组电压信号输出连接辅助绕组电压信号采样单元，辅助绕组电压信号采样单元输出连接次级放电时间测量单元，次级放电时间测量单元输出和输出电流设定单元输出均连接初级采样电阻峰值电压限定值计算单元，初级采样电阻峰值电压限定值计算单元输出连接PWM波输出单元，PWM波输出单元的输出连接AC-DC变换器中开关管的栅极；其中：

辅助绕组电压信号采样单元和初级采样电阻电压信号采样单元利用模数转换器实现，可采用采样频率为30MHz及以上的模数转换芯片，如AD9226芯片，AD9226芯片采样频率可达到50MHz，分别用于采集辅助绕组两端的电压信号和初级采样电阻两端的电压信号，并分别根据这两个信号计算次级放电时间和控制初级峰值电流。如图1所示，辅助绕组电压信号采样单元和初级采样电阻电压信号采样单元用于实时采集变换器的辅助绕组两端电压和原边电路上的采样电阻两端的电压，并实时地将辅助绕组两端电压的采样值传输给次级放电时间测量单元，将原边电路上的采样电阻的电压采样值B₁₁B₁₀B₉B₈B₇B₆B₅B₄B₃B₂B₁B₀传输给PWM波输出单元。

次级放电时间测量单元，用于根据辅助绕组电压信号采样单元测得的辅助绕组两端电压，通过可编程逻辑器件FPGA运用拐点检测法，实时检测次级放电时间t_dis。

初级采样电阻峰值电压限定值计算单元，用于根据输出电流设定单元设定的输出电流值I_out和次级放电时间测量单元测量的次级放电时间t_dis，通过可编程逻辑器件FPGA计算得出初级采样电阻峰值电压限定值V_pp，其具体流程见图2。

PWM波输出单元，用于比较初级采样电阻峰值电压限定值V_pp和实际测得的初级采样电阻电压V′_pp，生成控制开关管通断的PWM波，若V′_pp小于V_pp,则输出PWM波为高电平；若V′_pp大于等于V_pp，输出PWM波为低电平，通过可编程逻辑器件FPGA中实现，具体流程见图3。

输出电流设定单元，用于在变换器工作时设定输出电流I_out的大小，通过外置键盘输入实现，若设定的输出电流为200mA, 则通过外置键盘输入“200”。外置键盘可以使用4*4矩阵键盘。具体流程见图4。

图5为基于原边反馈的反激式AC-DC变换器的工作波形，其中PWM信号是开关管Q1栅极的驱动信号；t_s为开关管的开关周期的时长，其大小可以取工频周期的千分之一，为 0.02ms；t_on为每个开关管的开关周期中，开关管导通的时间；I_p为初级采样电阻上的电流，I_pp为I_p的峰值；I_S为次级电路的电流，I_sp为I_S的峰值；V_Naux为辅助绕组两端的电压；t_dis为次级放电时间。

如图1和图5所示，当PWM波为高电平时，开关管Q₁栅极受高电平驱动，开关管Q₁导通，初级采样电阻上的电流I_p逐渐上升，变压器T₁在初级存储能量，次级绕组电压V_S为负电压，此时二极管D1关断，次级绕组上的电流I_S为0，负载由电容C_L供电；当PWM波为低电平时，开关管Q₁栅极为低电平，开关管Q₁关断，初级绕组上的电流从峰值I_pp迅速下降到0，存储在变压器T₁初级的能量被转移到变压器T₁的次级，次级绕组电压V_S为正电压，次级电路的二极管D1导通，次级绕组上的电流I_S从峰值I_SP后逐渐下降为0，这段时间对应为次级放电时间t_dis，其中，如图5所示，在每个开关周期中次级绕组电流I_S降为0的时刻对应辅助绕组电压V_Naux的下降拐点。

根据公式其中N_ps为初级绕组和次级绕组的匝数比，可知要保持输出电流I_out稳定，需要精确地测量次级放电时间t_dis和精确地控制初级采样电阻上的峰值电流I_pp。其中，要做到精确地测量次级放电时间t_dis需要精确地检测到每个开关周期中辅助绕组电压V_Naux的下降拐点；根据公式V_pp=I_pp·R₀，其中R₀为初级采样电阻阻值，V_pp为初级采样电阻峰值电压的限定值，所以要做到精确地控制初级采样电阻上的峰值电流I_pp需要精确地控制初级采样电阻的峰值电压限定在V_pp。

为了使电路的输出电流稳定在输出电流设定值I_out，只要精确地测量次级放电时间t_dis和精确地控制初级采样电阻峰值电压为V_pp。

记辅助绕组两端电压的最近的n个采样值为v₁、v₂…v_n,n的大小至少为50，如图6所示，为这n个采样值构成的散点图，其中纵轴为采样值大小，横轴为时间，每个数据点在n个数据的散点图上对应点的斜率为k₁、h₂…k_n-1，该斜率反映了相邻的两个辅助绕组两端电压的采样值之间的变化大小。

Claims (2)

1.一种AC-DC变换器输出电流的控制方法，基于原边反馈的AC-DC变换器，其特征在于，在变换器中开关管的每一个开关周期，分别实时采集辅助绕组两端和初级电路中采样电阻两端的电压信号，在每个开关周期开始时刻，将开关管栅极驱动信号PWM波置为高电平，在当前开关周期中，如果采集到的初级电路中采样电阻两端的电压信号值达到上一个开关周期计算得到的初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值V_pp，则将开关管栅极驱动信号PWM波置为低电平，直到当前开关周期结束，下一个开关周期开始前；在当前开关周期中PWM波置为低电平的时间段中，根据辅助绕组两端的电压信号的采样值，运用拐点检测法找到在当前开关周期中的辅助绕组电压下降拐点，进而得到当前开关周期的次级电路放电时间t_dis，根据输出电流的设定值I_out和当前开关周期的次级电路放电时间t_dis，计算得到下一个开关周期初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值V_pp。如此循环执行，实现对输出电流的稳定、精确控制；

具体步骤如下：

(1)在一个开关周期，实时采集辅助绕组电压信号，并对采集到的辅助绕组两端电压的采样值中最新的n个采样值进行存储，n的大小至少为50；

(2)分析最新的n个采样值，在开关管的一个开关周期中，当开关管断开时，次级绕组上的电流I_S迅速上升至峰值电流I_SP，记电流I_S迅速上升至峰值电流I_SP对应的时刻为t₀,t₀时刻为当前开关周期的次级电路放电的开始时刻；

(3)根据辅助绕组两端电压的最新的n个采样值，运用拐点检测法测得变换器在当前开关管的开关周期内的次级电路放电时间t_dis：

1)记辅助绕组两端电压的最新的n个采样值为v₁、v₂…v_n,为这n个采样值构成的散点图，其中纵轴为采样值大小，横轴为时间，每个数据点在n个数据的散点图上对应点的斜率为k₁、k₂…k_n-1，该斜率反映了相邻的两个辅助绕组两端电压的采样值之间的变化大小，由于采样为等时间间隔采样，所以斜率计算公式为k_i=v_i+1-v_i，i=1，２…n-1；

2)计算当前平均斜率平均斜率反映了辅助绕组两端电压的最近的n个采样值的总体变化趋势，若在开关管的一个开关周期中，在检测到的次级电路放电的开始时刻t₀后，若采样到的辅助绕组两端电压的连续三个采样值υ_p、υ_p+1、υ_p+2对应的斜率k_p-1、k_p、k_p+1的绝对值的大小大于当前平均斜率的绝对值的五倍，则采样值υ_p对应的采样时刻t_p为当前开关管开关周期的辅助绕组电压波形下降拐点对应时刻，即当前开关周期中的次级电路放电结束时刻，因此，当前开关周期中的次级电路放电时间t_dis=t_p-t₀；

(4)根据公式计算出下一个开关周期的初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值其中：I_out为设定的输出电流，N_PS为初级绕组和次级绕组的匝数比，t_s为开关管的开关周期， R₀为初级电路中采样电阻的阻值，I_pp为流经采样电阻R₀的峰值电流；

(5)根据初级电路中采样电阻R₀两端的电压采样值，在下一个开关周期中，如果初级电路中采样电阻两端的电压达到限定值V_pp，则PWM波置为低电平，开关管关断。

2.根据权利要求1所述方法设计的控制系统，其特征在于，包括辅助绕组电压信号采样单元、初级采样电阻电压信号采样单元、次级放电时间测量单元、初级采样电阻峰值电压限定值V_pp计算单元、PWM波输出单元和输出电流设定单元；初级电路中采样电阻的电压信号输出连接初级采样电阻电压信号采样单元，初级采样电阻电压信号采样单元输出连接PWM波输出单元，辅助绕组电压信号输出连接辅助绕组电压信号采样单元，辅助绕组电压信号采样单元输出连接次级放电时间测量单元，次级放电时间测量单元输出和输出电流设定单元输出均连接初级采样电阻峰值电压限定值计算单元，初级采样电阻峰值电压限定值计算单元输出连接PWM波输出单元，PWM波输出单元的输出连接AC-DC变换器中开关管的栅极；其中：

辅助绕组电压信号采样单元和初级采样电阻电压信号采样单元，采用采样频率≥30M的模数转换芯片AD9226，分别用于采集辅助绕组电压信号和初级电路中采样电阻的电压信号，并分别根据这两个信号计算次级放电时间t_dis和控制流经初级电路中采样电阻的电流的峰值I_pp；

次级放电时间测量单元，用于根据辅助绕组电压信号采样单元测得的辅助绕组两端电压，通过可编程逻辑器件FPGA，运用拐点检测法，实时检测次级放电时间t_dis；

初级电路采样电阻峰值电压限定值计算单元，用于根据输出电流设定单元设定的输出电流值I_out和次级放电时间测量单元测量的次级放电时间t_dis，通过可编程逻辑器件FPGA计算得出初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值V_pp;

PWM波输出单元，用于比较初级采样电阻峰值电压限定值V_pp和实际测得的初级采样电阻电压V′_pp，生成控制开关管通断的PWM波，若V′_pp小于V_pp,则输出PWM波为高电平；若V′_pp大于等于V_pp，输出PWM波为低电平，通过可编程逻辑器件FPGA中实现；

输出电流设定单元，用于在变换器工作时设定输出电流I_out的大小，通过外置键盘和可编程逻辑器件FPGA实现；

系统的控制过程：

(1) 通过外置键盘，在输出电流设定单元里设定电路的输出电流值I_out；

(2) 在电路输入端接通市电；

(3) 每个开关周期开始时，开关管栅极的控制信号PWM波置为高电平，开关管导通，电压采样单元实时采样初级电路采样电阻上的电压，在当前开关周期中，若初级电路中的采样电阻两端的电压达到上一个开关周期中计算得出的初级电路中采样电阻两端的峰值电压限定值V_pp时，PWM波输出单元将PWM波置为低电平，开关管栅极受低电平控制，开关管关断，直至当前周期结束，下一个开关周期开始前；

(4)在当前开关周期中PWM被置为低电平的对应时间段，次级放电时间测量单元测量当前开关周期中电路的次级放电时间t_dis；初级电路采样电阻峰值电压限定值计算单元计算下一个开关周期的初级电路采样电阻峰值电压限定值V_pp；

(5)下一个周期从步骤(3)开始循环进行控制。