CN104767385B - 一种基于PMBus总线的数字电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PMBus总线的数字电源，包括主回路功率电路和数字控制管理单元；数字控制管理单元包括PMBus总线数字控制器、ADC采样调理电路、处理器以及显示终端；PMBus总线数字控制器与主回路功率电路连接，用于控制主回路功率电路的输出电压；ADC采样调理电路用于采样主回路功率电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流，分别得到ADC输入电压、ADC输入电流、ADC输出电压和ADC输出电流；处理器用于将ADC输入电压、ADC输入电流、ADC输出电压、ADC输出电流信息传递到显示终端。本发明的数字电源输出电压控制精确、故障信号响应及时，并且能够对输入输出电压电流、温度以及工作状态进行监控和控制。

Description

一种基于PMBus总线的数字电源

技术领域

本发明属于数字电源领域，更具体地，涉及一种基于PMBus总线数字电源，该数字电源采用PMBus总线数字控制器，能稳定输入高频功率的电源。

背景技术

目前绝大多数的数字电源通常采用DSP、DSP与FPGA、ARM与CPLD等方案实现电源系统的控制与管理。DSP具有软件灵活性，主要用来完成数据采集、控制算法的运算和数据监控通信等功能；FPGA具有硬件集成度高，高可靠性，高速以及强大的并行处理能力，可用于高精度PWM的输出。数字电源的基本原理为：DSP或ARM的A/D采样单元将采集到的电源电压电流信号转化为数字信号，送入DSP或ARM主处理器形成电压环和电流环，与给定的电压电流数字量进行比较得到误差量，通过PID算法调整数据，输出调整量，调节PWM，从而调整数字电源的输出。显然，上述数字电源方案无论是在硬件上还是在软件控制算法上，特别是在控制算法和死区时间控制等方面，实现起来都比较复杂。

电源管理总线(PMBus)为控制电源变换和管理器件规定了数字通信协议。采用PMBus，可根据标准命令集配置、监控和操作电源变换器。尽管PMBus为数字电源发展提供了新的方向，但现有基于PMBus的数字电源仍存在输出电压控制不精确，故障信号响应、保护措施不及时等缺陷，影响了数字电源的性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于PMBus总线的高频功率数字电源，其中通过对其关键工艺结构譬如数字补偿方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决输出电压控制不精确、故障信号响应不及时的问题；并且PMBus总线数字控制器通过PMBus总线与处理器(MCU、ARM或DSP等)通信，可实现对输入输出电压电流、温度以及工作状态的监控和控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于PMBus总线的数字电源，其特征在于，包括主回路功率电路和数字控制管理单元，其中：

所述主回路功率电路用于输入电压，并用于输出电压；

所述数字控制管理单元包括PMBus总线数字控制器、ADC采样调理电路、处理器以及显示终端，所述PMBus总线数字控制器分别与所述ADC采样调理电路和所述处理器连接，所述显示终端与所述处理器相连；

所述PMBus总线数字控制器与所述主回路功率电路连接，用于控制所述主回路功率电路的输出电压；

所述ADC采样调理电路用于采样所述主回路功率电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流，并将采样得到的各个电压值和电流值调整为所述PMBus总线数字控制器的ADC输入需要的范围之内，分别得到ADC输入电压、ADC输入电流、ADC输出电压和ADC输出电流；

所述处理器用于将所述PMBus总线数字控制器中的ADC输入电压、ADC输入电流、ADC输出电压、ADC输出电流信息传递到所述显示终端；

所述显示终端用于显示所述主回路功率电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流。

作为本发明的进一步优选，所述PMBus总线数字控制器内部具有可编程数字补偿器，用于控制所述主回路功率电路的输出电压；该数字补偿器采用PID数字补偿器架构，包括一个低频滤波器和一个高频滤波器，所述数字补偿器在z域中的传递函数H(z)为：

其中D为所述低频滤波器增益；C为所述高频滤波器增益；B为所述高频滤波器零点；A为所述高频滤波器极点；ADD_PZ为添加在所述数字补偿器上的一个额外的零点或极点；LFG为所述低频滤波器的增益系数，HFG为所述高频滤波器的增益系数，LFG＝5.968×m×10⁶/f_SW，HFG＝3.73×m×10⁵/f_SW，m为比例因子，f_SW为开关频率；当48.8kHz≤f_SW＜97.7kHz时，m＝1；当m＝2；当m＝4；当390.6kHz≤f_SW时，m＝8。

作为本发明的进一步优选，所述m＝1。

作为本发明的进一步优选，所述主回路功率电路包括输入保护电路、输入滤波电路、全桥逆变与高频变压器和输出整流滤波电路，其中所述输入保护电路依次与所述输入滤波电路、全桥逆变与高频变压器和输出整流滤波电路连接；所述输入保护电路具有电压输入端，用于输入电压。

作为本发明的进一步优选，所述主回路功率电路的输出电压经所述PMBus总线数字控制器中的ADC采样调理电路采样得到u_ADC；所述u_ADC被送入所述PMBus总线数字控制器中，并与给定的数字电源输出电压数字量u_set进行比较，得到误差量u_err；所述PID数字补偿器根据所述u_err调整数据，输出移相角θ调整量；所述PMBus总线数字控制器内部的数字PWM引擎根据所述θ调节PWM，从而调整所述数字电源输出的电压。

作为本发明的进一步优选，所述PMBus总线数字控制器还设置有温度检测单元，用于检测温度得到温度值；所述处理器用于将所述温度值传递到所述显示终端。

作为本发明的进一步优选，所述显示终端还设有按钮用于设置预置输出电压；所述预置输出电压的数字量依次经过所述处理器、所述PMBus总线数字控制器中的PMBus总线传递到所述PMBus总线数字控制器中的EEPROM；所述PMBus总线数字控制器根据所述预置输出电压的数字量更新u_set；所述PID数字补偿器根据更新后的u_set，调整所述主回路功率电路的输出电压。

作为本发明的进一步优选，所述PMBus总线数字控制器还具有自适应死区补偿寄存器，所述自适应死区补偿寄存器与所述PMBus总线数字控制器内部的数字PWM引擎连接，用于实时校准PWM边沿之间的死区时间。

作为本发明的进一步优选，所述PMBus总线数字控制器还包括PMBus保护模块，用于提供输出过压保护、输出欠压保护、输出过流保护和过温保护。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1.PMBus总线数字控制器通过PMBus总线与处理器(例如MCU、ARM或DSP等)通信，可实现对数字电源输入输出电压电流、温度以及工作状态的实时监控和控制。电源管理总线(PMBus)为控制电源变换和管理器件规定了数字通信协议，采用PMBus可根据标准命令集配置、监控和操作电源变换器。用PMBus命令，可以方便地设置电源的工作参数、监控电源的工作状态和根据失效和报警执行正确的保护措施。

本发明中通过采用PMBus总线数字控制器，针对超紧凑、高密度隔离式DC-DC电源系统，具有并行/冗余能力；支持高效的拓扑结构，内置全桥和有源箝位正向变量功能，具有精密驱动时序和副边同步整流控制特性，具有高速模数转换器检测技术以及专有的非线性传输功能，其高带宽性能和瞬时响应可匹敌传统的模拟开关控制器。此外，由于该控制器集成了一组功能丰富的PMBus命令集，包括精确读取输入和输出功耗测量数据的能力，使最终用户能够实现智能系统管理，以便优化能效。

2.设置在PMBus总线数字控制器内部的数字补偿器采用PID数字补偿器架构(即,PID数字补偿器)，通过采用特殊设定的传递函数H(z)，加强了对主回路功率电路输出电压的控制，提高了输出电压的稳定性和精度。根据开关频率f_SW的不同取值来调整比例因子m的大小，进而得到不同的传递函数值；PID数字补偿器根据不同的传递函数，控制主回路功率电路的输出电压，能够有效确保稳定的电压输出，并且使输出电压的精度良好。

另外，为了达到理想的控制环路响应，进一步提高控制的精度，可通过PID数字补偿器和调制设置寄存器分别对低频增益(由D表示)、高频滤波器的零点位置(由B表示)、高频滤波器的极点位置(由A表示)和高频增益(由C表示)进行单独设置。比起传统的数字电源，本发明采用简单的算法控制即可实现稳定的电压输出。

PID数字补偿器根据ADC采样调理电路得到的u_ADC，以及预先给定的数字电源输出电压数字量u_set，两者比较得到误差量u_err；再根据u_err调整数据，输出移相角θ调整量；所述PMBus总线数字控制器内部的数字PWM引擎(即，PWM驱动器)根据所述θ调节PWM，最终达到调整所述数字电源输出的电压的效果。

3.本发明的显示终端上还设有按钮，用于设置预置输出电压，能够实现数字电源输出电压的快速调整，从而稳定输出期望的预置电压值。具体过程如下：预置输出电压对应的数字量依次经过处理器、PMBus总线数字控制器中的PMBus总线传递到所述PMBus总线数字控制器中的EEPROM，PMBus总线数字控制器根据预置输出电压的数字量(即存储在EEPROM中的值)更新u_set；PID数字补偿器再根据更新后的u_set，调整所述主回路功率电路的输出电压。

4.本发明能够对故障信号快速响应并作出相应保护措施。本发明优选在PMBus总线数字控制器中设置PMBus保护模块，能够提供输出过压保护(OVP)，输出欠压保护(UVP)，输出过流保护(OCP)以及过温保护(OTP)。由于PMBus总线数字控制器通过PMBus总线与处理器(例如MCU、ARM或DSP等)通信，可实现对输入输出电压电流、温度以及工作状态的监控和控制，当数字电源的工作状态发生变化时(例如由正常工作的状态变成输出欠压的状态)，可立即触发PMBus保护模块，提供相应的保护措施，能够实现对故障信号的快速响应。

另外，PMBus总线数字控制器还具有自适应死区补偿寄存器，该自适应死区补偿寄存器与位于PMBus总线数字控制器内部的数字PWM驱动器连接，用于实时校准PWM边沿之间的死区时间。死区时间影响着数字电源工作的安全性，并会对输出电压的稳定性，死区时间过大，可能会使输出电压失真严重，降低输出效率；死区时间过小，则可能导致电源输出短路，影响电源的安全工作。本发明通过设置自适应死区补偿寄存器，当死区时间偏离目标范围时，可实时校准PWM边沿之间的死区时间，既能保证数字电源的安全工作，又能确保输出电压的有效输出。

附图说明

图1是本发明的组成原理框图；

图2是本发明的PID数字补偿器工作原理框图，即，输出电压调节控制算法原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明的前端为柴油机或其他发电设备输出的直流电压，其输出为期望的稳定直流电压。如图1所示，本发明所述的新型数字电源包括PMBus总线数字控制器、PWM驱动器、处理器(MCU、ARM或DSP等)、显示终端、辅助电源、主功率电路(包括输入保护电路、输入滤波电路、全桥逆变与高频变压器、输出整流滤波电路等)、采样调理电路1～采样调理电路4、输入输出电压电流传感器以及温度传感器等。输入保护电路主要元件为功率电流保险管，防止输入电流过大；输入滤波电路为容量大、纹波处理电流大的铝电解电容和负载电阻，其功能是对输入的脉动直流输入电压滤波，使其变为平滑的直流电压；全桥逆变与高频变压器由功率MOSFET和高频变压器组成，其功能是将输入的平滑的直流电压变换成高频方波电压；输出整流滤波电路由功率整流二极管、滤波电感和滤波电容组成，其对高频方波电压进行整流滤波，最终得到数字电源期望输出的平滑直流电压；采样调理电路1～采样调理电路4主要对输入输出电压电流传感器检测到的电压电流信号进行缩放与滤波，将检测到的电压电流信号调理为适合PMBus总线数字控制器ADC端口的信号；辅助电源为PMBus总线数字控制器、处理器以及显示终端提供电源；PMBus总线数字控制器的主要功能是确保输出电压的稳定性和对数字电源的各类故障进行快速响应做出保护；PWM驱动器用于对PMBus总线数字控制器输出的DPWM信号进行隔离驱动放大，进而驱动功率MOSFET；温度传感器用于检测数字电源系统在工作时其内部的温度。

本发明的基本工作原理为：输入直流电压经过所述主功率电路的变换、隔离、整流和滤波得到数字电源期望的稳定直流电压。

在数字电源启动时，所述PMBus总线数字控制器可通过PMBus命令使其开机延迟，从而实现数字电源系统的软启动，主动调节输出电压，并以数字方式让目标电压缓慢上升到要求的电压设定点。

PMBus总线数字控制器内部具有可编程的数字补偿器，用来控制电源输出电压，确保其稳定性。该数字补偿器采用PID数字补偿器架构，由一个低频滤波器(其输入来自低频ADC)和一个高频滤波器(其输入来自高频ADC)组成。数字补偿器在z域中的传递函数(传递函数是指输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比；z域与拉普拉斯变换相对应)为：

上式中的LFG和HFG分别为低频滤波器和高频滤波器的增益系数，两者的取值随着开关频率f_SW应用范围的变化而变化，LFG＝5.968×m×10⁶/f_SW，HFG＝3.73×m×10⁵/f_SW，m的取值可根据开关频率f_SW预先设定。本发明采用移相全桥电路拓扑结构，m＝1，f_SW为开关频率。为了达到理想的控制环路响应，可通过PID数字补偿器和调制设置寄存器分别对低频增益(由数字补偿器传递函数H公式中的D表示)、高频滤波器的零点位置(由B表示)、高频滤波器的极点位置(由A表示)和高频增益(由C表示)进行单独设置。在传统的数字电源解决方案中，为确保输出电压的稳定性，软件控制算法实现起来是比较复杂的。

输出电压调节控制算法原理框图如图2所示，输出电压经过电压传感器送入所述PMBus总线数字控制器ADC进行采样，得到数字量u_ADC，送入所述PMBus总线数字控制器，与给定的数字电源输出电压数字量u_set进行比较，得到误差量u_err，通过PID数字补偿器调整数据，输出移相角θ调整量，送入所述PMBus总线数字控制器内部的数字PWM引擎，调节PWM，从而调整数字电源使其输出稳定的电压。

所述显示终端除了能够监控输入输出电压电流、温度以及工作状态外，还可以实现输出电压的预置输出功能。所述显示终端可通过按钮预置输出电压，其经所述处理器通过PMBus总线通信传递到所述PMBus总线数字控制器内部的EEPROM，所述PMBus总线数字控制器通过PMBus命令重新设置输出电压参考值u_set，经过PID数字补偿器调整，最终输出所述显示终端预置的输出电压。

所述PMBus总线数字控制器具有自适应死区补偿(ADTC)功能，其内部的ADTC寄存器允许即时校准PWM边沿之间的死区时间。通过专用的GUI软件对PWM输出进行编程设置，可避免在全桥拓扑结构中的桥臂直通和交叉共通。本发明解决了传统数字电源中死区时间设置困难的难题。

所述PMBus总线数字控制器的PMBus保护包括输出过压保护(OVP)，输出欠压保护(UVP)，输出过流保护(OCP)以及过温保护(OTP)，当某一保护信号超过所述PMBus总线数字控制器内部相应寄存器中所设限值时，相对应的各标志触发器就会做出相应保护响应；此外，两个PMBus命令VIN_ON和VIN_ON允许独立设置输入电压限值，还设置有输入过流快速保护功能。各标志触发器可进行自定义保护响应，包括不中断地继续工作(忽略标志)和禁止所有PWM输出。

本发明中的数字电源是基于PMBus总线的高频功率数字电源，通过PMBus命令可实现对各类故障状态的快速识别与响应，以确保数字电源系统安全可靠的运行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于PMBus总线的数字电源，其特征在于，包括主回路功率电路和数字控制管理单元，其中：

所述主回路功率电路用于输入电压，并用于输出电压；

所述数字控制管理单元包括PMBus总线数字控制器、ADC采样调理电路、处理器以及显示终端，所述PMBus总线数字控制器分别与所述ADC采样调理电路和所述处理器连接，所述显示终端与所述处理器相连；

所述PMBus总线数字控制器与所述主回路功率电路连接，用于控制所述主回路功率电路的输出电压；

所述ADC采样调理电路用于采样所述主回路功率电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流，并将采样得到的各个电压值和电流值调整为所述PMBus总线数字控制器的ADC输入需要的范围之内，分别得到ADC输入电压、ADC输入电流、ADC输出电压和ADC输出电流；

所述处理器用于将所述PMBus总线数字控制器中的ADC输入电压、ADC输入电流、ADC输出电压、ADC输出电流信息传递到所述显示终端；

所述显示终端用于显示所述主回路功率电路的输入电压、输入电流、输出电压和输出电流；

所述PMBus总线数字控制器内部具有可编程数字补偿器，用于控制所述主回路功率电路的输出电压；该数字补偿器采用PID数字补偿器架构，包括一个低频滤波器和一个高频滤波器，所述数字补偿器在z域中的传递函数为：

$H\left(z\right)=\frac{D}{LFG}\×\frac{1}{1-z^{-1}}+\frac{C}{HFG}\×\frac{(1-\frac{B}{256}{z}^{-1})}{(1-\frac{A}{256}{z}^{-1})}\×ADD\_PZ,$

其中D为所述低频滤波器增益；C为所述高频滤波器增益；B为所述高频滤波器零点；A为所述高频滤波器极点；ADD_PZ为添加在所述数字补偿器上的一个额外的零点或极点；LFG为所述低频滤波器的增益系数，HFG为所述高频滤波器的增益系数，LFG＝5.968×m×10⁶/f_SW，HFG＝3.73×m×10⁵/f_SW，m为比例因子，f_SW为开关频率；所述m的取值根据所述开关频率f_SW预先设定。

2.如权利要求1所述基于PMBus总线的数字电源，其特征在于，所述m＝1。

3.如权利要求1所述基于PMBus总线的数字电源，其特征在于，所述主回路功率电路包括输入保护电路、输入滤波电路、全桥逆变与高频变压器和输出整流滤波电路，其中所述输入保护电路依次与所述输入滤波电路、全桥逆变与高频变压器和输出整流滤波电路连接；所述输入保护电路具有电压输入端，用于输入电压。

4.如权利要求1所述基于PMBus总线的数字电源，其特征在于，所述主回路功率电路的输出电压经所述PMBus总线数字控制器中的ADC采样调理电路采样得到u_ADC；所述u_ADC被送入所述PMBus总线数字控制器中，并与给定的数字电源输出电压数字量u_set进行比较，得到误差量u_err；所述PID数字补偿器根据所述u_err调整数据，输出移相角θ调整量；所述PMBus总线数字控制器内部的数字PWM引擎根据所述θ调节PWM，从而调整所述数字电源输出的电压。

5.如权利要求1所述基于PMBus总线的数字电源，其特征在于，所述PMBus总线数字控制器还设置有温度检测单元，用于检测温度得到温度值；所述处理器用于将所述温度值传递到所述显示终端。

6.如权利要求1所述基于PMBus总线的数字电源，其特征在于，所述显示终端还设有按钮用于设置预置输出电压；所述预置输出电压的数字量依次经过所述处理器、所述PMBus总线数字控制器中的PMBus总线传递到所述PMBus总线数字控制器中的EEPROM；所述PMBus总线数字控制器根据所述预置输出电压的数字量更新u_set；所述PID数字补偿器根据更新后的u_set，调整所述主回路功率电路的输出电压。

7.如权利要求1－6任意一项所述基于PMBus总线的数字电源，其特征在于，所述PMBus总线数字控制器还具有自适应死区补偿寄存器，所述自适应死区补偿寄存器与所述PMBus总线数字控制器内部的数字PWM引擎连接，用于实时校准PWM边沿之间的死区时间。

8.如权利要求1－6任意一项所述基于PMBus总线的数字电源，其特征在于，所述PMBus总线数字控制器还包括PMBus保护模块，用于提供输出过压保护、输出欠压保护、输出过流保护和过温保护。