CN104883062A - 一种dc/dc变换器控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种DC/DC变换器控制方法及系统，该系统包括依次连接的Buck变换电路、采样保持电路、电压比较器、数字芯片、脉冲生发器P_H、脉冲生发器P_L、空档以及驱动电路。通过设置一个三档位选择控制频率脉冲，先用采样保持器对输出电压进行采样通过比较器进行比较，将比较的结果输入到数字芯片当中，数字芯片对输入的比较结果进行分析，决定选择哪个档位的控制频率脉冲，通过不断地比较分析，快速地更换控制频率脉冲，从而迅速调节输出电压。本发明大大提高了DC/DC变换器在电压转换中的能源利用效率，加速了电压转换的时间，通过选择不同的脉冲频率档位，快速实现开关管以不同开关频率开通和关断的动作，从而更快更好地逼近要求的输出电压。

Description

一种DC/DC变换器控制方法及系统

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种DC/DC变换器控制方法及系统。

背景技术

目前，随着石油资源的日益短缺，电动车的研发进入了高速发展的阶段。我国新能源政策的出台，为电动汽车的发展提供了政策支持。而DC/DC变换器作为充电机的关键环节，在能量高效转化和快速实现所需电压过程中起着重要作用。运用一定的控制策略以及控制架构，对DC/DC变换器进行控制，能够使DC/DC变换器更加快速高效稳定的工作。同时，在电压变换的过程中能够更加高效，节能。

目前，DC/DC变换器控制策略普遍采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)和脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)技术。而这两种技术都有其不可避免的缺陷。首先：PWM控制技术存在系统轻载效率低、动态响应速度慢、电磁干扰噪声大等缺点；而PFM技术虽然相较PWM技术具有较快的响应速度，在峰值效率以前比PWM的效率高，但是其也存在一定缺陷：

1)滤波困难(谐波频谱太宽)；

2)峰值效率以前PFM效率低于PWM效率，会造成输出纹波比PWM偏大；

3)PFM控制比PWM控制IC要贵；且其控制方法实现起来较不容易；

由于以上两种传统控制方式存在的缺点，有学者提出了DC/DC变换器双频率控制技术，即通过对高低不同频率脉冲信号在不同控制需要下的选择，来实现DC/DC变换器的快速控制，且该方式相较PFM控制技术实现起来比较简单。但是由于预先设定的P_H和P_L脉冲占空比固定，因而电感电流变化速率将受到限制，可能需要若干个P_H或P_L脉冲周期才能达到符合要求的电感电流，而且由于其脉冲调制的频带有所限制，因而造成变换器负载动态响应速度较慢。不能更好地保证系统的转换性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种DC/DC变换器控制方法及系统，具体包括以下技术方案：

一种DC/DC变换器控制系统，包括依次连接的Buck变换电路、采样保持电路、电压比较器、数字芯片、脉冲生发器P_H、脉冲生发器P_L、空档以及驱动电路；

所述Buck变换电路，能够对输入电压进行降压变换，由开关管、储能电感、续流二极管、滤波电容和负载组成；

所述Buck变换器、采样保持器、电压比较器、数字芯片、脉冲生发器P_H、脉冲生发器P_L、空档、驱动电路构成了DC/DC变换器的主电路；

所述采样保持电路具有采样和保持两种状态，当处于采样状态时，采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化而变化；当处于保持状态时，采样保持电路的输出信号保持为接到保持命令的瞬间的输入信号电平值；

所述电压比较器能够用作模拟电路和数字电路的接口；

所述数字芯片用于采集电压比较器比较的结果，并进行分析，输出信号决定开关管的开关频率；所述开关频率有三种档位：脉冲生发器P_H、脉冲生发器P_L以及空档；根据电压比较器比较的结果选择不同的档位。

进一步，所述数字芯片分析采集电压信号的方法，具体方式如下：

1)如果输出电压小于最低基准电压V_refl，则选择高档位；

2)如果输出电压大于最低基准电压V_refl，小于最高基准电压V_refh，则选择低档位；

3)如果输出电压大于最高基准电压V_refh，则选择空档位。

一种DC/DC变换器控制方法，在本方法中，包括DC/DC变换器的调制方法、调制信号的产生方法；

所述DC/DC变换器的调制方法包括：根据占空比配置需要选择不同的档位，用不同档位的配合实现快速调制和宽频带调制的要求；通过采集DC/DC变换器的输出电压，并与给定电压值比较，此处给定电压值包含两种电压值，一种为给定最大电压标准值V_refh，一种为给定最小电压标准值V_refl。

进一步，采用一种数字芯片进行电压值的比较分析，并通过输出电平信号，选择不同的开关频率脉冲，实现对开关管的分时控制。

进一步，所述调制信号的产生方法，采用多种控制脉冲分时联合产生，具体包括以下步骤：

步骤一：采样保持器采集输出电压；

步骤二：根据采集的输出电压与电压比较器设定的标准值进行比较；

步骤三：根据比较的结果，选择合适的档位即开关频率控制开关管的通断，以产生一个调制周期的调制信号；

步骤四：循环产生多脉冲调制信号。

本发明的有益效果在于：本发明大大提高了DC/DC变换器在电压转换中的能源利用效率，加速了电压转换的时间，通过选择不同的脉冲频率档位，能够快速实现开关管以不同开关频率开通和关断的动作，从而更快更好地迅速逼近要求的输出电压。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为典型Buck电路图；

图2为S开启后的等效电路图；

图3为S闭合后的等效电路图；

图4为传统的双频率控制电路架构图；

图5为本发明的控制电路架构图；

图6为本DC/DC变换器调制信号产生方法的方法流程图；

图7为数字芯片分析输出电压进行档位选择流程图；

上述附图的主要元器件名称：直流电压源V_d，开关管Mosfet，续流二极管D，储能电感L，滤波电容C，负载R，采样保持电路，比较器，数字芯片，脉冲档位，驱动电路。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的原理是通过设置一个三档位选择控制频率脉冲，先用采样保持器对输出电压进行采样通过比较器进行比较，将比较的结果输入到数字芯片当中，数字芯片对输入的比较结果进行分析，决定选择哪个档位的控制频率脉冲，就这样通过不断地比较分析，快速地更换控制频率脉冲，达到迅速调节输出电压的功能。

图5为本发明的控制电路架构图，如图所示，包括依次连接的Buck变换电路、采样保持电路、电压比较器、数字芯片、脉冲生发器P_H、脉冲生发器P_L、空档以及驱动电路；

Buck变换电路能够对输入电压进行降压变换，由开关管、储能电感、续流二极管、滤波电容和负载组成；所述Buck变换器、采样保持器、电压比较器、数字芯片、脉冲生发器、P_H、脉冲生发器P_L、空档、驱动电路构成了DC/DC变换器的主电路；

采样保持电路具有采样和保持两种状态，当处于采样状态时，采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化而变化；当处于保持状态时，采样保持电路的输出信号保持为接到保持命令的瞬间的输入信号电平值；

电压比较器能够用作模拟电路和数字电路的接口；数字芯片用于采集电压比较器比较的结果，并进行分析，输出信号决定开关管的开关频率；所述开关频率有三种档位：脉冲生发器P_H、脉冲生发器P_L以及空档；根据电压比较器比较的结果选择不同的档位。

本发明在控制脉冲档位选择环节引入了空档位，并通过设定两个电压基准比较值对控制脉冲三个不同的档位进行选择，具体步骤如下：

步骤S1，将采样保持器采集的输出电压分别与最低基准电压V_refl和最高基准电压V_refh相比较；并得出比较的结果；

步骤S2，用数字芯片采集输出的比较结果，选择合适的档位。具体选择方式如下：

1)如果输出电压小于最低基准电压V_refl，则选择高档位；

2)如果输出电压大于最低基准电压V_refl，小于最高基准电压V_refh，则选择低档位；

3)如果输出电压大于最高基准电压V_refh，则选择空档位；

步骤S3，用合适的档位控制开关管的通断，循环产生多脉冲调制信号。

为了解决脉冲频率档位的选择，本发明选用一种数字芯片来实现脉冲频率的三选一，而不是用模拟电路来实现，这样既节约了时间又简化了电路，降低了电路的实现难度。

图1为典型的Buck电路图，图2和图3分别示出了开关管导通和断开时的等效电路图，其中储能电感在开关管导通和断开情况下分别处于充电和放电的状态，从而实现输出电压的保持。

图4为有人提出的多脉冲DC/DC控制策略架构图，可以看出该控制方式只有P_H、P_L两个档位，由于脉冲频率的限制，该控制方式控制脉冲频带宽度会有所限制，从而限制电感电流快速接近标准值，其控制输出电压到达要求值的速度也较慢。

本发明在此基础上作出了如下改进：

1、增加了空档位，帮助控制输出电压快速达到要求的标准值；

2、增加了电压比较器，并通过设定合适的电压比较标准值V_refh和V_refl对输出电压的瞬时值进行实时判断。

3、通过数字芯片对判断结果进行精确分析，得出结论。实时控制开关管的通断。

图6和图7分别为本发明DC/DC变换器调制信号产生方法的方法流程图和数字芯片分析输出电压作出档位选择流程图。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种DC/DC变换器控制系统，其特征在于：包括依次连接的Buck变换电路、采样保持电路、电压比较器、数字芯片、脉冲生发器P_H、脉冲生发器P_L、空档以及驱动电路；

所述Buck变换电路，能够对输入电压进行降压变换，由开关管、储能电感、续流二极管、滤波电容和负载组成；

所述Buck变换器、采样保持器、电压比较器、数字芯片、脉冲生发器P_H、脉冲生发器P_L、空档、驱动电路构成了DC/DC变换器的主电路；

所述采样保持电路具有采样和保持两种状态，当处于采样状态时，采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化而变化；当处于保持状态时，采样保持电路的输出信号保持为接到保持命令的瞬间的输入信号电平值；

所述电压比较器能够用作模拟电路和数字电路的接口；

所述数字芯片用于采集电压比较器比较的结果，并进行分析，输出信号决定开关管的开关频率；所述开关频率有三种档位：脉冲生发器P_H、脉冲生发器P_L以及空档；根据电压比较器比较的结果选择不同的档位。

2.根据权利要求1所述的一种DC/DC变换器控制系统，其特征在于：所述数字芯片分析采集电压信号的方法，具体方式如下：

1)如果输出电压小于最低基准电压V_refl，则选择高档位；

2)如果输出电压大于最低基准电压V_refl，小于最高基准电压V_refh，则选择低档位；

3)如果输出电压大于最高基准电压V_refh，则选择空档位。

3.一种DC/DC变换器控制方法，其特征在于：在本方法中，包括DC/DC变换器的调制方法、调制信号的产生方法；

所述DC/DC变换器的调制方法包括：根据占空比配置需要选择不同的档位，用不同档位的配合实现快速调制和宽频带调制的要求；通过采集DC/DC变换器的输出电压，并与给定电压值比较，此处给定电压值包含两种电压值，一种为给定最大电压标准值V_refh，一种为给定最小电压标准值V_refl。

4.根据权利要求3所述的一种DC/DC变换器控制方法，其特征在于：采用一种数字芯片进行电压值的比较分析，并通过输出电平信号，选择不同的开关频率脉冲，实现对开关管的分时控制。

5.根据权利要求3所述的一种DC/DC变换器控制方法，其特征在于：所述调制信号的产生方法，采用多种控制脉冲分时联合产生，具体包括以下步骤：

步骤一：采样保持器采集输出电压；

步骤二：根据采集的输出电压与电压比较器设定的标准值进行比较；

步骤三：根据比较的结果，选择合适的档位即开关频率控制开关管的通断，以产生一个调制周期的调制信号；

步骤四：循环产生多脉冲调制信号。