CN104993677A - 一种并联开关电源模块均流的数字控制方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联开关电源模块均流的数字控制方法，其特征在于基于并联的开关电源模块1、2、……、N的输出电压和基准相同，先计算出主控回路的占空比，再利用流误差的补偿值，通过加法器，叠加在主控回路的占空比上，得出各个并联模块的占空比。本发明采用数字控制方式，在联合控制方式上通过一个公共的电压环路以及简单的电流环路，有效的减少了多余的环路，减小了控制器的压力。利用公共闭环控制可以把握每个模块的信息，有效地实现模块之间信息的传递，从而达到均流的目的。

Description

一种并联开关电源模块均流的数字控制方法及其电路

技术领域

本发明涉及开关电源变换器领域，尤其涉及并联使用的开关电源变换器领域，具体地说是—种并联开关电源变换器均流的数字控制方法。

背景技术

开关电源变换器以体积小，重量轻，效率高等优点广泛应用于各类供电场合。随着科技的进步与实际应用需求的提升，开关电源变换器向着高功率，高密度，高效率不断发展。开关电源的并联使用，也应运而生。并联系统中，每个模块承受的功率降低，既减小了应力，又可以采用冗余技术，当部分并联模块失效时，仍然可以达到100％的带载能力。在不间断系统中，可以对失效的模块进行热更换，具有高效，经济，利于维修的特点。此外并联可以达到多种输出要求，可以有效减小设计成本，满足多种功率要求，并且实现高功率的设计。因此，开关电源并联使用是一种实用性强、可靠性高、设计方便，节约成本的大功率应用解决方案。

开关电源模块的并联，有多种分类方式。以控制方式分类，可以分为以下两类(如图1所示)：1、独立控制；2、联合控制。

参照图1a，独立控制方式的开关电源模块，所有并联的模块设计相同，从而具有高效、经济、利于维修等优点。为了保证并联模块的可靠性，提高并联模块的寿命，闭环需要加入电流的控制部分。电流控制部分的作用在于模块之间的均流，均流效果较好的均流电路，一般设计都比较复杂或者成本较高。

参照图1b，联合控制方式的开关电源模块，并联的部分设计相同；控制部分，相对于一个独立控制模块的环路较为复杂。由于所有的模块具有公共的控制部分，因此控制器可以得到所有并联模块的信息，利于模块之间的信息传递与设计。

为了达到较好的均流效果，采用联合控制方式，具有一定的优势，但是联合控制方式又存在着控制相对复杂的缺点。

具体来说，开关电源变换器是一个具有高阶、非线性、时变等特性的闭环控制系统。如图2所示为开关电源控制部分示意图，图3为开关电源的闭环控制系统小信号框图。多路的闭环控制可以简单的认为是多个闭环控制。因此并联系统中，控制环路需要N个这样的控制环路才可以满足N个模块的并联。对于独立控制方式，每个模块都有独立的控制器，具有独立的控制环路，对应并联N个模块，就存在N个环路控制。

联合控制方式的闭环控制可以分为两大类，一类是独立闭环控制，虽然所有的N个模块共用一个控制器，环路可以有N个独立的控制环路；另一类是公共闭环控制，N个模块共用一个控制器的同时，也共用一个公共的控制环路。

1、独立闭环控制

联合控制中的独立环路与独立控制中的环路类似，都是每个模块的输出反馈对应一个闭环环路，如图4所示为独立环路示意图。环路控制1、2、……、N都有自己独立的闭环，每个闭环之间环路设计相同，包含输出电流、输出电压以及基准等必要的环路参数。环路之间相对独立，在想要优化均流效果的情况下，可以通过分析多路输出电流之间的关系进行均流效果的优化。虽然可以有效地得到其他模块的信息，但是由于独立闭环的设计导致了设计的繁复。此外，由于所有的环路一起计算，加大了控制环路的负荷，对控制器的要求较高。

2、公共闭环控制

公共闭环控制的环路是利用并联模块的共同输出反馈对应一个公共的闭环控制环路，如图5所示为公共环路示意图。在联合控制方式上采用一个公共的控制环路，利用公共闭环控制可以把握每个模块的信息，从而实现模块之间信息的传递，达到均流的目的。

在现有技术中，公共闭环控制可以采用模拟方式与数字方式实现。采用模拟方式实现，可以分为模拟IC实现以及分立元件实现。采用模拟IC实现，因为IC的限制，无法实现较多路的闭环控制，灵活性较差。采用模拟分立元件实现，电路较为复杂，灵活性较差。采用现有的数字方式实现，算法较为复杂，对数字IC要求较高，对模块的动态响应有一定的影响。

发明内容

本发明要解决的是现有技术存在的上述技术问题旨在提供一种数字式的并联均流的数字控制方法。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种并联开关电源模块均流的数字控制方法，其特征在于包括以下步骤：采样输出电压的反馈电压V_FB与模块1、模块2、……、模块N的输出电流采样信号Io1、Io2、……、IoN，并经AD采样模块转化为反馈电压数字信号V_FB_AD和相应模块的电流数字信号Io1_AD、Io2_AD、……、IoN_AD；将反馈电压数字信号V_FB_AD送至数字补偿器，由数字环路计算出模块1的占空比D1，并通过驱动器直接送至模块1；将各模块电流数字信号Io1_AD、Io2_AD、……、IoN_AD送至电流补偿器Gcc，得到模块1与模块2、……、模块N之间的电流误差的补偿值ΔD2、……、ΔDN；将上述电流误差的补偿值通过加法器A2、……、AN分别叠加在占空比D1上，得到模块2、……、模块N的占空比D2、……、DN，通过驱动器送至相应的模块，其中N为≥2的正整数。

参照图6，本发明的并联开关电源均流的数字控制方法，其工作原理是基于并联的开关电源模块1、2、……、N的输出电压和基准相同，先计算出主控回路的占空比，再利用电流误差的补偿值，通过加法器，叠加在主控回路的占空比上，得出各个并联模块的占空比。本发明采用数字控制方式，在联合控制方式上通过一个公共的电压环路以及简单的电流环路，有效的减少了多余的环路，减小了控制器的压力，有利于数字加快闭环，提高输出动态响应。利用公共闭环控制可以把握每个模块的信息，有效地实现模块之间信息的传递，从而达到均流的目的。

本发明的实现方式不仅可以提高模块的均流效果，同样可以提高模块的负载调整率。并且，本发明算法简单，电路的灵活性好，可实现更多路变换器的并联控制。

根据本发明，所述数字补偿器的基准可以是数字补偿器的内部基准也可以是外部基准。

根据本发明，所述的反馈电压V_FB是由输出电压Vout经过处理后的反馈电压，可以是经过电阻R1和R2分压得到，也可以通过其他方式得到。

根据本发明，所述各模块的输出电流采样信号Io1、Io2、……、IoN是由各模块的输出电流Iout1、Iout2、……、Iout N，通过采样得到信号。采样方式可以通过电流采样电阻Ri1、Ri2、……、RiN和运放OPAMP1、OPAMP2、……、OPAMPN得到，也可以通过电流互感器等其他方式得到。

根据本发明，环路控制还可以采用interleave方式实现，将并联模块的PWM进行错相，可以有效地减小输出滤波电感，或者降低输出纹波。

本发明还要提供一种并联开关电源模块均流的控制电路，包括模块1、模块2、……、模块N，AD采样模块，电流补偿器Gcc，数字补偿器、加法器和驱动器，其特征在于：

所述AD采样模块将输出电压的反馈电压V_FB和各模块的输出流采样信号Io1、Io2、……、IoN转化为反馈电压数字信号V_FB_AD和相应模块的电流数字信号Io1_AD、Io2_AD、……、IoN_AD；

所述的数字补偿器接收反馈电压数字信号V_FB_AD，计算出模块1的占空比D1，并通过所述的驱动器直接送至模块1；

所述的电流补偿器Gcc接收各模块电流数字信号Io1_AD、Io2_AD、……、IoN_AD并计算出模块1与模块2、……、模块N之间的电流误差的补偿值ΔD2、……、ΔDN；

所述的加法器接收上述电流误差的补偿值ΔD2、……、ΔDN，叠加在占空比D1上，得到模块2、……、模块N的占空比D2、……、DN，并通过所述的驱动器送至相应的模块；

其中N为≥2的正整数。

附图说明

图1是开关电源并联控制方法的示意图，其中a独立控制方式，b为联合控制方式。

图2是环路控制部分示意图。

图3是环路控制的电路框图。

图4是独立环路示意图。

图5是公共环路示意图。

图6是本发明电流环路跟随电压环公共闭环控制示意图。

图7是本发明双路并联误差法的实现框图。

图8是本发明多路并联误差法的实现框图。

图9是本发明数字多路并联误差法的Gcc实现框图。

具体实施方式

参照图7，本发明的一种并联开关电源模块均流的数字控制方法应用于双路并联的具体实施方式。包括以下步骤：

1)、获取采样信号

输出电压Vout经过电阻R1和R2分压得到反馈电压V_FB。模块1的输出电流Iout1通过采样电阻Ri1和运放OPAMP1得到模块1的输出电流采样信号Io1。同理，模块2的输出电流Iout2通过采样电阻Ri2和运放OPAMP2得到模块2的输出电流采样信号Io2。

2)AD转换

将输出反馈电压V_FB与模块1和模块2的输出电流采样信号Io1和Io2经过AD采样模块分别转化为相应的数字信号V_FB_AD、Io1_AD和Io2_AD。

3)主控回路的环路控制

将反馈电压数字信号V_FB_AD送至数字补偿器，基准可以是数字补偿器的内部基准也可以是外部基准。由数字环路计算出模块1的占空比D1，并通过驱动器直接送至模块1。

4)并联模块的环路控制

将电流数字信号Io1_AD与Io2_AD送至电流补偿器Gcc，得到电流误差的补偿值，该补偿值通过加法器A2叠加在模块1的占空比D1上，可以直接得到模块2的占空比D2，然后通过驱动器直接送至模块2。

图7中的环路控制还可以采用interleave的方式。Interleave方式与图7中的控制方式类似，将并联模块的PWM进行错相，可以有效地减小输出滤波电感，或者降低输出纹波。

除了主控回路外，与其并联的模块是利用电流误差信号，通过电流补偿器Gcc得到其对应的占空比。电流补偿器Gcc的实现方式有多种：

I、比例补偿，Gcc＝K(K为放大系数)即Gcc仅为放大系数，这是最简单的一种补偿方式。由于该补偿方式的简单性，可以采用性能一般的控制IC进行控制，有效地降低成本；

II、复杂的环路补偿，电流补偿器Gcc为PI或者PID等补偿环路，可以提高电流环路的响应速度等。

参照图8，本发明的一种并联开关电源模块均流的数字控制方法应用于多路并联的具体实施方式。

包括以下步骤：

1)、获取采样信号

输出电压Vout经过电阻R1和R2分压得到反馈电压V_FB。模块1的输出电流Iout1通过采样电阻Ri1和运放OPAMP1得到模块1的输出电流采样信号Io1。同理，模块2、……、模块N的输出电流Iout2、……、IoutN通过采样电阻Ri2、……、RiN和运放OPAMP2、……、OPAMPN得到相应模块的输出电流采样信号Io2、……、IoN。

2)AD转换

将输出反馈电压V_FB与模块1、模块2、……、模块N的输出电流采样信号Io1、Io2、……、IoN经过AD采样模块分别转化为相应的数字信号V_FB_AD、Io1_AD、Io2_AD、……、IoN_AD。

3)主控回路的环路控制

将反馈电压数字信号V_FB_AD送至数字补偿器，基准可以是数字补偿器的内部基准也可以是外部基准。由数字环路计算出模块1的占空比D1，并通过驱动器直接送至模块1。

4)并联模块的环路控制

将电流数字信号Io1_AD与Io2_AD送至电流补偿器Gcc。在电流补偿器Gcc中，得到模块1和模块2的电流误差的补偿值ΔD2，通过加法器A2叠加在占空比D1上，可以直接得到模块2的占空比D2。同理，在电流补偿器Gcc中，可以得到模块1和模块i的电流误差的补偿值ΔDi，通过加法器Ai叠加在占空比D1上，可以直接得到模块i的占空比Di，其中，i＝3，4，……、N。如此，可获得各并联模块的占空比D2、D3、……、D N。将上述各并联模块的占空比通过驱动器直接送至各相应模块。

图9所示为电流补偿器Gcc的实现框图。此外，与双路实现方式相同，为了提高外特性，可以采用interleave的方式，降低输出纹波。

除了主控回路外，并联的其他模块都是利用电流误差信号，通过电流补偿器Gcc(Gcc2……GccN)得到其对应的占空比。在多路并联控制中，为防止模块1发生异常，可以增加以下几种检测，防止这种联合控制出现异常：

I、模块1的电流数字信号Io1_AD与所有模块的电流数字信号的平均值Io_AD_avg比较，如果Io1_AD与Io_AD_avg差异达到设定值，则将当前的模块1定义为空，将模块2或者其他模块定义为模块1；

II、模块1正常工作时，若其他并联模块的电流数字信号与Io1_AD的差异达到设定值，则将该模块定义为空，该路PWM不输出。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种并联开关电源模块均流的数字控制方法，其特征在于包括以下步骤：采样输出电压的反馈电压V_FB与模块1、模块2、……、模块N的输出电流采样信号Io1、Io2、……、IoN，并经AD采样模块转化为反馈电压数字信号V_FB_AD和相应模块的电流数字信号Io1_AD、Io2_AD、……、IoN_AD；将反馈电压数字信号V_FB_AD送至数字补偿器，由数字环路计算出模块1的占空比D1，并通过驱动器直接送至模块1；将各模块电流数字信号Io1_AD、Io2_AD、……、IoN_AD送至电流补偿器Gcc，得到模块1与模块2、……、模块N之间的电流误差的补偿值ΔD2、……、ΔDN；将上述电流误差的补偿值通过加法器A2、……、AN分别叠加在占空比D1上，得到模块2、……、模块N的占空比D2、……、DN，通过驱动器送至相应的模块，其中N为≥2的正整数。

2.如权利要求1所述的一种并联开关电源模块均流的数字控制方法，其特征在于所述数字补偿器的基准为内部基准或外部基准。

3.如权利要求1所述的一种并联开关电源模块均流的数字控制方法，其特征在于所述各模块的输出电流采样信号Io1、Io2、……、IoN是由各模块的输出电流Iout1、Iout2、……、Iout N通过采样电阻Ri1、Ri2、……、RiN和运放OPAMP1、OPAMP2、……、OPAMPN得到，或者通过电流互感器得到。

4.如权利要求1-3任何一项所述的一种并联开关电源模块均流的数字控制方法，其特征在于环路控制采用interleave方式实现。

5.如权利要求1所述的一种并联开关电源模块均流的数字控制方法，其特征在于为防止模块1发生异常，补充以下检测步骤：

(1)模块1的数字电流信号Io1_AD与所有模块的电流数字信号的平均值Io_AD_avg比较，如果Io1_AD与Io_AD_avg的差异达到设定值，则将当前的模块1定义为空，将模块2或者其他模块定义为模块1；

(2)模块1正常工作时，若其他并联模块的电流数字信号与Io1_AD的差异达到设置值，则将该模块定义为空，该路PWM不输出。

6.一种并联开关电源模块均流的数字控制电路，包括模块1、模块2……模块N， AD采样模块，电流补偿器Gcc，数字补偿器、加法器和驱动器，其特征在于：

所述AD采样模块将输出电压的反馈电压V_FB和各模块的输出流采样信号Io1、Io2、……、IoN转化为反馈电压数字信号V_FB_AD和相应模块的电流数字信号Io1_AD、Io2_AD、……、IoN_AD；

所述的数字补偿器接收反馈电压数字信号V_FB_AD，计算出模块1的占空比D1，并通过所述的驱动器直接送至模块1；

所述的电流补偿器Gcc接收各模块电流数字信号Io1_AD、Io2_AD、……、IoN_AD并计算出模块1与模块2、……、模块N之间的电流误差的补偿值ΔD2、……、ΔDN；

所述的加法器接收上述电流误差的补偿值ΔD2、……、ΔDN，叠加在占空比D1上，得到模块2、……、模块N的占空比D2、……、DN，并通过所述的驱动器送至相应的模块；

其中N为≥2的正整数。

7.如权利要求6一种并联开关电源模块均流的数字控制电路，其特征在于所述数字补偿器的基准为内部基准或外部基准。

8.如权利要求6一种并联开关电源模块均流的数字控制电路，其特征在于所述的反馈电压V_FB是由输出电压Vout经过电阻R1和R2分压得到，或者采用差分电路、阻容分压电路、或隔离反馈电路中的任何一种电路得到。

9.如权利要求6一种并联开关电源模块均流的数字控制电路，其特征在于所述各模块的输出电流采样信号Io1、Io2、……、IoN是由各模块的输出电流Iout1、Iout2、……、Iout N通过采样电阻Ri1、Ri2、……、RiN和运放OPAMP1、OPAMP2、……、OPAMPN得到，或者通过电流互感器得到。

10.如权利要求6-9任何一项所述的一种并联开关电源模块均流的数字控制电路，其特征在于环路控制采用interleave方式实现。