CN103997215A - 数字控制的功率可调dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本的数字控制功率可调DC/DC变换器，其特点是，包括一正激变换电路，一单片机控制器和一PWM控制器；单片机控制器的第一输入端连接变换器输出电压采样电路的采样端，其第二输入端连接变换器输出电流采样电路的采样端；单片机控制器的输出端串联一数模转换电路，用于将数字控制信号转换为模拟控制信号，数模转换电路的输出端连接PWM控制器的输入控制端口；PWM控制器的输出信号用于控制正激变换电路功率开关管的导通和关断。本发明可以实现输出功率的精确调节，硬件电路设计成本低；而且数字反馈回路的延迟时间短，改善了闭环系统的动态特性。

Description

数字控制的功率可调DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及电力电子功率变换领域，特别涉及一种数字控制的功率可调DC/DC变换器。

背景技术

现代通信系统的电源需要提供多种规格的电压，不但要实现输入48V电压到常规5V和3.3V的转换，还可能变换为更低的电压，如2.5V、1.8V等。为了满足这些要求，电源系统的架构正从早期的集中供电方式转换为分布式供电方式。分布式电源系统具有高可靠性、维护方便等优点。在分布式电源架构中，48V总线电压通过中间总线变换器(IBC)转换为较低的电压，再通过分布式总线和多个负载点(POL)变换器相连，POL变换器输出负载所需的电压和电流。

IBC变换器作为分布式电源系统中的关键部件，工作于功率反馈模式，需要针对后级POL变换器的参数输出恒定的功率。在一个电信服务器系统中，通常存在多个IBC变换器，后接不同数量的POL变换器。如果IBC变换器为恒功率变换器，则针对后级变换器不同的功率需求需要进行多种不同功率规格的硬件设计。显然，功率可调模式的IBC变换器适用于不同功率规格的场合，简化了硬件设计的成本和周期。

不同于常规的电压和电流反馈控制模式，功率反馈模式对于电源的控制有着更高的要求。模拟控制的方式可以实现恒功率的DC/DC变换器，变换器检测到输出电压和电流信号后，通过模拟乘法器实现电压和电流的相乘，得到和输出功率成正比的信号值，反馈到前端和基准功率信号比较而产生误差控制信号，控制开关管的占空比变化。由于功率基准信号由硬件电路产生，当需要调节输出功率时，必须改变硬件电路的参数。因此，模拟控制的方式很难实现输出功率可调的DC/DC变换器。

目前全数字控制技术在DC/DC开关电源中逐渐得到应用，反馈控制环路采用ADC、DSP、DAC等芯片实现了数字化。全数字控制方式通过软件代码的命令实现了信号转换、信号处理和PWM信号的产生，可以轻易地完成负载的电压电流检测和功率计算，实现闭环回路的恒功率或变功率调整。全数字控制方式计算精度高，控制灵活，通过软件代码可以方便地改变基准功率值，从而调整输出功率。但全数字控制方式具有如下的缺点：电路设计成本高，因为控制芯片必须采用总线工作频率很高的数字控制芯片，如DSP芯片等；ADC、DPWM等模块引入的延迟效应降低了变换器闭环系统的动态特性。本专利技术就是基于这样的背景展开研究的。

发明内容

本发明的目的是设计一种低成本的数字控制功率可调DC/DC变换器，该电路采用单片机和PWM电源管理芯片的联合控制架构，输出电压和电流信号的采样和计算通过低成本的单片机芯片实现，PWM驱动信号通过电源管理芯片产生。电路无需采用昂贵的DSP芯片，设计成本低；PWM驱动信号由模拟电源芯片输出，反馈环路没有DPWM模块，闭环控制回路相比全数字控制方案具有更少的的延迟时间。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

本发明提供的一种数字控制的功率可调DC/DC变换器，包括一正激变换电路、一单片机控制器和一PWM控制器；所述单片机控制器的第一输入端连接正激变换电路的输出电压采样端，所述单片机控制器的第二输入端连接正激变换电路的输出电流采样端，所述单片机控制器的输出端口连接PWM控制器的控制端口；所述PWM控制器的输出信号用于控制正激变换电路中功率开关管的导通和关断。

进一步，所述单片机控制器包括ADC模块、乘法器模块、补偿器和可调基准模块；所述ADC模块用于将电压采样信号和电流采样信号转换为数字信号；所述乘法器模块用于计算输出电压和电流信号对应的瞬态功率值；所述可调基准模块用于存储一组基准功率值；所述补偿器用于对瞬态功率值和基准功率值的功率误差信号进行补偿并输出控制信号。

进一步，所述变换器输出电压采样电路采用电阻分压方式，输出电流采样电路采用电流检测电阻方式。

进一步，还包括一数模转换电路，所述数模转换电路的输入端接单片机控制器输出的控制信号，其输出端与所述PWM控制器的控制端相连，所述数模转换电路用于将单片机输出的数字控制信号转换为模拟控制信号。

进一步，所述数模转换电路包括一RC滤波器；所述RC滤波器包括(相互串联的)一电阻和一电容；所述RC滤波器设置于单片机控制器和PWM控制器之间用于转换单片机控制器输出的数字控制信号。

进一步，所述单片机控制器采用低成本的8位单片机控制芯片。

进一步，所述PWM控制器采用固定频率电源管理芯片。

进一步，所述单片机控制器采用MC68HC908JK3实现。

进一步，所述PWM控制器采用UC3843实现。

本发明的优点在于：本发明和现有的模拟控制电路相比，本发明具有以下优点：输出功率的计算、比较和补偿实现了数字化，功率调节的控制精度更高；输出功率值的调整通过改变软件代码实现，无需改变硬件电路的结构和参数，降低了设计成本。本发明和现有的全数字控制电路相比，本发明具有以下优点：控制电路采用低成本的8位单片机控制芯片，降低了硬件电路和软件程序的设计成本；PWM驱动信号由模拟电源管理芯片产生，反馈控制回路无需采用DPWM模块，减少了闭环控制回路的延迟时间，改善了闭环系统的动态特性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的输出功率闭环控制框图；

图2为本发明实施例提供的开关电源电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所述的方法做进一步的详细说明。

图1为本发明实施例提供的功率闭环控制框图，如图所示：本发明提供的一种数字控制的功率可调DC/DC变换器，包括一正激变换电路、一单片机控制器、一PWM控制器和一数模转换电路；所述单片机控制器的第一输入端连接正激变换电路的输出电压采样端，所述单片机控制器的第二输入端连接正激变换电路的输出电流采样端，所述单片机控制器的输出端口连接PWM控制器的控制端口；所述PWM控制器的输出信号用于控制正激变换电路中开关管的导通和关断。

所述单片机控制器包括ADC模块、乘法器模块、补偿器和基准模块；所述ADC模块用于将电压采样信号和电流采样信号进行模数转换；所述乘法器模块用于计算输出电压和电流对应的瞬态功率值；所述基准模块用于存储一组基准功率值；所述补偿器用于对瞬态功率值和基准功率值的功率差值信号进行数字补偿并输出控制信号。

所述正激变换电路的输出电压采样电路采用电阻分压方式，输出电流采样电路采用电流检测电阻方式。

所述数模转换电路的输入端接单片机控制器输出的控制信号，其输出端与所述PWM控制器的控制端相连，所述数模转换电路用于将单片机输出的数字控制信号转换为模拟控制信号。

所述数模转换电路包括一RC滤波器；所述RC滤波器包括(相互串联的)一电阻和一电容；所述RC滤波器设置于单片机控制器和PWM控制器之间用于转换单片机控制器输出的数字控制信号。

所述单片机控制器采用低成本的8位单片机控制芯片。所述单片机控制器采用MC68HC908JK3实现。

所述PWM控制器采用固定频率电源管理芯片。所述PWM控制器采用UC3843实现。

图2为本发明实施例提供的开关电源电路原理图。本实施例中的单片机控制器作为反馈回路的控制中枢U2，采用8位单片机芯片MC68HC908JK3。负载阻抗R的电压采样信号V_out经电阻R2和电阻R3分压后，输入给单片机内置的8位ADC转换器端口PTB3；负载电流信号I_out由电流检测电阻R4采集后输入给ADC端口PTB2。单片机基于功率控制算法，对输出电压和电流信号的数字转换值进行计算分析，由定时器端口PTD4输出控制信号V_con。控制信号为方波信号，经R5和C4构成的RC滤波器处理后得到直流控制信号，即RC滤波器相当于一个DAC转换器。

控制信号V_con输入到PWM控制器U1的电压反馈端口，输出电流采样信号I_out输入到PWM控制器U1的电流反馈端口，U1采用恒频电源管理芯片UC3843。在控制器U1的内部两个信号进行比较，产生的误差信号与芯片U1内部的振荡锯齿波比较输出PWM驱动信号，误差信号的幅值决定了PWM信号的占空比。当输出功率需要调整时，U2芯片实时改变控制信号V_con的参数，引起误差信号幅值的变化，从而调节PWM驱动信号的占空比，控制负载电流跟随基准电流I_ref变化。因此，单片机检测到输出电压后，由基准功率计算出基准电流值，基于电流反馈模式调整输出电流，即可控制输出功率为设定基准值。

由图1所示的输出功率闭环控制框图可见，负载工作电压V_out和电流I_out经采样电路处理后输入给单片机控制芯片，由内置的ADC模块完成模数转换。单片机程序计算出瞬态功率P_out，与基准功率值P_ref作比较，所得差值P_err经数字补偿器调节，输出控制信号V_con，控制信号通过RC滤波器完成数模转换，输出的模拟信号作为PWM电源管理芯片的反馈控制信号，改变功率开关管的导通占空比，调节变换器的输出功率和基准功率保持一致，从而实现功率闭环反馈控制。

恒功率负载在工作过程中表现出负阻特性，因此DC/DC变换器等效于一个电流源，输出功率的控制可以基于电流反馈模式来实现。首先根据基准功率和当前负载电压值计算基准电流：

$I_{\mathrm{ref}}\left(k\right)=\frac{P_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{out}}\left(k\right)}---\left(1\right)$

其中，I_ref(k)为当前负载基准电流值、V_out(k)为当前负载电压值、P_ref为基准功率。

基准功率和实时输出功率比较所得的误差信号为：

P_err(k)＝I_ref(k)·V_out(k)-V_out(k)·I_out(k)          (2)

即：P_err(k)＝ΔI(k)·V_out(k)                          (3)

其中ΔI(k)为电流误差信号。

数字补偿器G_C(s)采用PI控制算法，得输出控制信号：

$V_{\mathrm{con}}\left(k\right)=K_P{P}_{\mathrm{err}}\left(k\right)+K_I\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{err}}\left(i\right)---\left(4\right)$

其中，K_P为功率误差信号的比例增益，K_I为功率误差信号的积分增益。

将式(3)代入(4)，得：

$V_{\mathrm{con}}\left(k\right)=K_P{V}_{\mathrm{out}}\left(k\right)\mathrm{\ΔI}\left(k\right)+K_I{V}_{\mathrm{out}}\left(k\right)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\ΔI}\left(i\right)---\left(5\right)$

式(5)确定了基于电流误差信号的参数自整定PI控制算法，控制参数需根据当前负载电压值进行实时在线调整:

$\left\{\begin{array}{c}{k}_p\left(i\right)=K_p\·V_{\mathrm{out}}\left(k\right)\\ k_I\left(i\right)=K_I\·V_{\mathrm{out}}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，K_p(i)为电流误差信号的比例增益，K_I(i)为电流误差信号的积分增益。

由此，本发明基于参数实时自整定PI控制算法，采用电流反馈控制模式实现了DC/DC变换器的可调功率控制。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种数字控制的功率可调DC/DC变换器，其特征在于：包括一正激变换电路、一单片机控制器和一PWM控制器；所述单片机控制器的第一输入端连接正激变换电路的输出电压采样端，所述单片机控制器的第二输入端连接正激变换电路的输出电流采样端，所述单片机控制器的输出端口连接PWM控制器的控制端口；所述PWM控制器的输出信号用于控制正激变换电路中功率开关管的导通和关断。

2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述单片机控制器包括ADC模块、乘法器模块、补偿器和可调基准模块；所述ADC模块用于将电压采样信号和电流采样信号转换为数字信号；所述乘法器模块用于计算输出电压和电流信号对应的瞬态功率值；所述可调基准模块用于存储一组基准功率值；所述补偿器用于对瞬态功率值和基准功率值的功率误差信号进行补偿并输出控制信号。

3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：所述变换器输出电压采样电路采用电阻分压方式，输出电流采样电路采用电流检测电阻方式。

4.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于：还包括一数模转换电路，所述数模转换电路的输入端接单片机控制器输出的控制信号，其输出端与所述PWM控制器的控制端相连，所述数模转换电路用于将单片机输出的数字控制信号转换为模拟控制信号。

5.根据权利要求4所述的变换器，其特征在于：所述数模转换电路包括一RC滤波器；所述RC滤波器包括(相互串联的)一电阻和一电容；所述RC滤波器设置于单片机控制器和PWM控制器之间用于转换单片机控制器输出的数字控制信号。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的变换器，其特征在于：所述单片机控制器采用低成本的8位单片机控制芯片。

7.根据权利要求1至5任一权利要求所述的变换器，其特征在于：所述PWM控制器采用固定频率电源管理芯片。

8.根据权利要求6所述的变换器，其特征在于：所述单片机控制器采用MC68HC908JK3实现。

9.根据权利要求7所述的变换器，其特征在于：所述PWM控制器采用UC3843实现。