CN105226947A - 数字化dc/dc电源模块 - Google Patents
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Abstract
一种数字化、且具有多模式多环路控制的数字化DC/DC电源模块，提供一种适应当今DC/DC电源模块应用的复杂性、高性能、高可靠性等需求的高集成度、高灵活性、具有多模式多环路控制的数字化DC/DC电源模块。包括结构组成、零部件、散热与封装、工作原理、自动升降压拓扑结构、反馈控制、增量式PID控制、输入电压自动跟踪、多环路协同控制、数据通信、功率转换电路、核心控制电路等实施内容。
Description
技术领域
本发明涉及DC/DC电源模块，尤其是一种数字化、且具有多模式多环路控制的数字化DC/DC电源模块。
背景技术
随着科学技术的发展，DC/DC电源模块广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。DC/DC电源模块已成为众多电子设备的重要组成部分，其质量直接影响电子设备的性能。除去常规电性能指标以外，还要求其小体积高效率、低电压大电流输出、高可靠性等，这一应用需求趋势对DC/DC电源模块的设计提出了严峻的挑战。
国内常见的DC/DC电源模块大都以模拟电路、单一的控制模式为主，导致了其器件众多、体积庞大、功率密度不高、转换效率较低、发热量较大等不足。为了较好解决这些问题，业界从大幅度提高开关工作频率入手，这一努力提高了DC/DC模块的功率密度，却降低了效率，导致发热量增加、难过高温关。一些电源生产厂家基于部分使用的需要，在提高开关工作频率的基础上，采用各种软开关技术来降开关损耗，提升模块工作效率，但很少从影响DC/DC电源效率的耗能元器件、功率变换电路的拓扑结构、开关工作频率的调制方式、合理选择电源电压、减小内阻、散热方式、正确选择DC/DC电源的功率变换的工作点等因素来系统解决。此外，常见的DC/DC电源模块还存在数字化程度低、电路的可移植性较差、生产工艺复杂、维护使用成本较高、自适应性差、可靠性低、抗干扰性差等弊端，在许多运用中已经显得力不从心。
由于线路故障的原因，当线路电压在短时间内出现大幅度降低的现象，而后续电器为了要保持相同的工作功率，就会导致电流值增加，导致烧毁电器，而现有的DC/DC电源模块，为了避免因电压波动导致电器烧毁的事故发生，大都会增加一个欠压保护模块，但是这些欠压保护模块，均是通过切断电器的电流，以到达避免电器被过大电流烧毁的目的，但是在一些特殊行业中，需要电源不间断供给，如果直接切断电流，会造成巨大的经济损失，甚至危及生命。
发明内容
本发明所要解决的就是现有的DC/DC电源模块当出现电压下降时，均采用切断电流避免电器烧坏，不能满足电源不间断供给要求的问题，提供一种在发生电压下降时，通过降低电流输出实现不间断供电的数字化DC/DC电源模块。
本发明的数字化DC/DC电源模块，包括壳体、面板以及控制模块，面板安装在壳体上，控制模块放置在壳体内，其特征在于该控制模块包括功率变换单元和核心控制单元，功率变换单元分别与直流输入端与直流输出端连接，核心控制单元安装在功率变换单元上，核心控制单元通过采集输入、输入参数，利用功率变换单元进行功率变化，其中：
功率变换单元为四开关管的buck-boost自动升降压拓扑结构电路；
核心控制单元包括数据采集模块和数字信号处理器，数据采集模块与数字信号处理器连接，数字信号处理器与功率变换单元连接。
所述的数据采集模块包括输入电压跟踪模块、输出电流采集模块和输出电压采集模块，并与温度跟踪模块连接，输入电压跟踪模块、输出电流采集模块以及输出电压采集模块分别与数字信号处理器连接，输入电压跟踪模块监测电源模块输入电压，输出电流采集模块监测电源模块输出电流大小，输出电压采集模块监测电源模块输出电压大小。
所述的电源模块还包括CAN通信接口，CAN通信接口与数字信号处理器连接，利用CAN通信接口实现对内部各工作参数的动态设定和工作状态信息的管理和传输，并通过CAN通信接口对工作参数进行配置设定，在多电源模块并联工作时，通过CAN通信总线动态调整各电源模块的输出特性，均衡控制多电源模块并联工作。
一种数字化DC/DC电源模块，其特征在于该电源模块以buck-boost自动升降压拓扑结构为功率变换核心，通过电压以及电流跟踪控制，利用增量式PID控制算法，以实现电压降低时，不间断供电的目的，具体实现步骤为：
（1）设定电源模块的输入电压、输出电流以及输出电压基准值，通过数据采集模块分别采集电源模块的输入电压值、输出电流值以及输出电压值，并将采集数据反馈至数字信号处理器，由数字信号处理器实施对比输入电压基准值—输入电压值、输出电流基准值—输出电流值以及输出电压基准值—输出电压值；
（2）数字信号处理器根据步骤1中的对比值，利用增量式PID控制算法，通过buck-boost自动升降压拓扑结构电路，调整输出电压值，实现恒流与恒压输出；
（3）当输入电压值低于输入电压基准值时，数字信号处理器自动降低输出电流基准值，此时将采集到的输出电流值与输出电流基准值进行比较，当输出电流值大于输出电流基准值时，数字信号处理器通过buck-boost自动升降压拓扑结构电路降低输出电压，从而降低输出功率；
（4）当输入电压值回升时，数字信号处理器逐渐提高输出电流基准值，并对比输出电流值与输出电流基准值，当输出电流值小于输出电流基准值，则数字信号处理器通过buck-boost自动升降压拓扑结构电路提高输出电压，从而提高输出功率；
（5）当输入电压值回升到输入电压基准值时，此时数字处理器按照预设的输出电压基准值和输出电流基准值进行输出控制，进入正常工作状态。
所述的buck-boost自动升降压拓扑结构电路，采用buck-boost自动升降压电源拓扑结构，分别由四路两两互补并且带有死区时间控制的增强型高分辨率PWM作为驱动信号，控制两对具有同步整流设计的N沟道MOS管，通过两个不同的占空，控制四个功率mos管协同工作，达到自动升降压无缝切换；其工作原理为：将buck-boost的两个占空映射到“200%”的区间内，100%以下为降压区间，100%以上为升压区间；同时由于死区时间的存在，以及为了保证线性电源的连续性，Buck部分的占空不会达到100%，boost部分的占空也不会达到0，所以100%的占空必须由Buck最大占空限制加上boost最小占空限制来完成；当输入电压大于输出电压时，buck-boost电路工作在降压模式下，Boost保持一个最小占空，输出电压由Buck占空调节，降低输出的电压值；当输入电压小于输出电压时，buck-boost电路工作在升压模式下，Buck保持一个最大占空，输出电压由Boost占空调节，提高输出的电压值。
所述的增量式PID控制算法，基本算法如下：
上式中U(t)为控制器的输出值；Kp为比例调节系数；Ti为控制器的积分时间；e(t)为控制器的输入（常常是设定值与被控量之差）；Td为控制器的微分时间；
为方便数字信号处理器实现增量式PID调节，设为第k次采样时刻控制器的输出增量，将公式（1）离散化得到公式（2）：
上式中Ki为控制器的积分系数；Kd为控制器的微分系数；ek为第k次采样时刻的系统输入；依次类推可知ek-1和ek-2分别为k-1时刻和k-2时刻的系统输入；
△Uk为当前时刻应该增加或减少的控制量，通过上一次的控制量Uk-1，通过公式（3）计算出当前控制量；
系统每次运算完成都会将当前控制量作为下一次计算的基础量，依次累加运算，且当输出接近输出值时增加量会越来越小，直到平稳的将输出误差控制在“零”附近。
所述的电源模块还加入温度跟踪控制模块，根据电源模块内部温度，动态调整输出功率，使得电源模块的温度和输出功率达到平衡，电源模块温度上升则降低输出功率，使得电源模块工作温度下降；当温度下降到一定值时，增加输出功率，如此保证电源模块在保证安全温度的情况下最大限度提供输出功率，在不间断输出的同时让电源模块的温度始终处于安全值以下，实施方法为：数字信号处理器上外接一个温度传感器，对模块实际工作温度进行实时采集，通过实时采集温度值与预设安全温度值的比较计算，来调整模块的工作电流；当实际温度值高于安全温度值时，降低输出电流基准值，从而限制了输出电流的最大值，降低输出功率，从而控制温度上升；当电源模块温度降低到安全值以下时，数字信号处理器根据采样到的实际温度值适当增加输出电流基准值，从而增加输出功率。
所述的电源模块温度与输出电流限值的运算公式为：
上式中Itr为由温度控制的电流限值；Imor为电源模块额定输出的最大电流限值；Tmr为预设的安全温度阈值；Tn为模块的当前温度采样值；k为反馈量的控制系数，根据实际系统调试而定。
所述的DC/DC电源模块从基本工作模式上具备了稳压模式和恒流模式；从功能上又可组成恒压限流模式、恒流限压模式、智能三段充电模式；从控制环路上可分为输出稳压控制、输出恒流控制、输入电压跟随控制、温度跟踪控制以及通信控制，其中输出稳压控制和输出恒流控制属于高速闭环控制，且具有较高的优先级，且同一时刻只有一个环路运行；输入电压跟踪控制属于高速控制环，优先级仅次于稳压控制环和恒流控制环，且可与它们并行运行；温度跟踪控制和通信控制属于低速控制环路，优先级最低，它们作为辅助控制环路，协助于电源运行在更复杂的供电环境。
所述的壳体采用铝基材料，内部发热器件通过铜质导热管压接到壳体内壁上，实现了无风扇散热，减少了体积，适合在密封空间使用和更恶劣的环境中使用。
本发明的数字化DC/DC电源模块，以buck-boost自动升降压拓扑结构为功率变换核心，以稳压输出或恒流输出为表现形式，包含了增量式PID恒流和稳压控制、输入电压跟踪控制、温度跟踪控制和通信闭环控的多环路控制手段，通过这些环路的协同工作使DC/DC电源模块能运行于更复杂更恶劣的供电环境，是一种数字化具有多模式多环路控制的DC/DC电源模块，与传统的模拟电源相比主要区别，在于采用了数字化控制、通信和电源管理等技术措施，提高了电源模块自身的可靠性、配置性、可移植性、自能化的同时，提升了其工作范围和效率，使其在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统电源管理的、复杂的高性能系统应用中更具有优势。
附图说明
图1为本发明控制模块结构示意图。
图2为本发明控制模块工作流程图。
图3为本发明buck-boost自动升降压拓扑结构电路图。
图4为本发明数字化DC/DC电源模块封装结构示意图。
具体实施方式
实施例1：一种数字化DC/DC电源模块，包括壳体、面板以及控制模块，面板安装在壳体上，控制模块放置在壳体内，该控制模块包括功率变换单元和核心控制单元，功率变换单元分别与直流输入端与直流输出端连接，核心控制单元安装在功率变换单元上，核心控制单元通过采集输入、输入参数，利用功率变换单元进行功率变化，其中：
功率变换单元为四开关管的buck-boost自动升降压拓扑结构电路；
核心控制单元包括数据采集模块和数字信号处理器，数据采集模块与数字信号处理器连接，数字信号处理器与功率变换单元连接。
数据采集模块包括输入电压跟踪模块、输出电流采集模块和输出电压采集模块，并与温度跟踪模块连接，输入电压跟踪模块、输出电流采集模块以及输出电压采集模块分别与数字信号处理器连接，输入电压跟踪模块监测电源模块输入电压，输出电流采集模块监测电源模块输出电流大小，输出电压采集模块监测电源模块输出电压大小。
电源模块还包括CAN通信接口，CAN通信接口与数字信号处理器连接，利用CAN通信接口实现对内部各工作参数的动态设定和工作状态信息的管理和传输，并通过CAN通信接口对工作参数进行配置设定，在多电源模块并联工作时，通过CAN通信总线动态调整各电源模块的输出特性，均衡控制多电源模块并联工作。
壳体采用铝基材料，内部发热器件通过铜质导热管压接到壳体内壁上，实现了无风扇散热，减少了体积，适合在密封空间使用和更恶劣的环境中使用。
上述的数字化DC/DC电源模块，以buck-boost自动升降压拓扑结构为功率变换核心，通过电压以及电流跟踪控制，利用增量式PID控制算法，以实现电压降低时，不间断供电的目的，具体实现步骤为：
（1）设定电源模块的输入电压、输出电流以及输出电压基准值，通过数据采集模块分别采集电源模块的输入电压值、输出电流值以及输出电压值，并将采集数据反馈至数字信号处理器，由数字信号处理器实施对比输入电压基准值—输入电压值、输出电流基准值—输出电流值以及输出电压基准值—输出电压值；
（2）数字信号处理器根据步骤1中的对比值，利用增量式PID控制算法，通过buck-boost自动升降压拓扑结构电路，调整输出电压值，实现恒流与恒压输出；
（3）当输入电压值低于输入电压基准值时，数字信号处理器自动降低输出电流基准值，此时将采集到的输出电流值与输出电流基准值进行比较，当输出电流值大于输出电流基准值时，数字信号处理器通过buck-boost自动升降压拓扑结构电路降低输出电压，从而降低输出功率；
（4）当输入电压值回升时，数字信号处理器逐渐提高输出电流基准值，并对比输出电流值与输出电流基准值，当输出电流值小于输出电流基准值，则数字信号处理器通过buck-boost自动升降压拓扑结构电路提高输出电压，从而提高输出功率；
（5）当输入电压值回升到输入电压基准值时，此时数字处理器按照预设的输出电压基准值和输出电流基准值进行输出控制，进入正常工作状态。
buck-boost自动升降压拓扑结构电路，采用buck-boost自动升降压电源拓扑结构，分别由四路两两互补并且带有死区时间控制的增强型高分辨率PWM作为驱动信号，控制两对具有同步整流设计的N沟道MOS管，通过两个不同的占空，控制四个功率mos管协同工作，达到自动升降压无缝切换；其工作原理为：将buck-boost的两个占空映射到“200%”的区间内，100%以下为降压区间，100%以上为升压区间；同时由于死区时间的存在，以及为了保证线性电源的连续性，Buck部分的占空不会达到100%，boost部分的占空也不会达到0，所以100%的占空必须由Buck最大占空限制加上boost最小占空限制来完成；当输入电压大于输出电压时，buck-boost电路工作在降压模式下，Boost保持一个最小占空，输出电压由Buck占空调节，降低输出的电压值；当输入电压小于输出电压时，buck-boost电路工作在升压模式下，Buck保持一个最大占空，输出电压由Boost占空调节，提高输出的电压值。
增量式PID控制算法，基本算法如下：
上式中U(t)为控制器的输出值；Kp为比例调节系数；Ti为控制器的积分时间；e(t)为控制器的输入（常常是设定值与被控量之差）；Td为控制器的微分时间；
为方便数字信号处理器实现增量式PID调节，设为第k次采样时刻控制器的输出增量，将公式（1）离散化得到公式（2）：
上式中Ki为控制器的积分系数；Kd为控制器的微分系数；ek为第k次采样时刻的系统输入；依次类推可知ek-1和ek-2分别为k-1时刻和k-2时刻的系统输入；
△Uk为当前时刻应该增加或减少的控制量，通过上一次的控制量Uk-1，通过公式（3）计算出当前控制量；
系统每次运算完成都会将当前控制量作为下一次计算的基础量，依次累加运算，且当输出接近输出值时增加量会越来越小，直到平稳的将输出误差控制在“零”附近。
电源模块还加入温度跟踪控制模块，根据电源模块内部温度，动态调整输出功率，使得电源模块的温度和输出功率达到平衡，电源模块温度上升则降低输出功率，使得电源模块工作温度下降；当温度下降到一定值时，增加输出功率，如此保证电源模块在保证安全温度的情况下最大限度提供输出功率，在不间断输出的同时让电源模块的温度始终处于安全值以下，实施方法为：数字信号处理器上外接一个温度传感器，对模块实际工作温度进行实时采集，通过实时采集温度值与预设安全温度值的比较计算，来调整模块的工作电流；当实际温度值高于安全温度值时，降低输出电流基准值，从而限制了输出电流的最大值，降低输出功率，从而控制温度上升；当电源模块温度降低到安全值以下时，数字信号处理器根据采样到的实际温度值适当增加输出电流基准值，从而增加输出功率。
电源模块温度与输出电流限值的运算公式为：
上式中Itr为由温度控制的电流限值；Imor为电源模块额定输出的最大电流限值；Tmr为预设的安全温度阈值；Tn为模块的当前温度采样值；k为反馈量的控制系数，根据实际系统调试而定。
DC/DC电源模块从基本工作模式上具备了稳压模式和恒流模式；从功能上又可组成恒压限流模式、恒流限压模式、智能三段充电模式；从控制环路上可分为输出稳压控制、输出恒流控制、输入电压跟随控制、温度跟踪控制以及通信控制，其中输出稳压控制和输出恒流控制属于高速闭环控制，且具有较高的优先级，且同一时刻只有一个环路运行；输入电压跟踪控制属于高速控制环，优先级仅次于稳压控制环和恒流控制环，且可与它们并行运行；温度跟踪控制和通信控制属于低速控制环路，优先级最低，它们作为辅助控制环路，协助于电源运行在更复杂的供电环境。
Claims (10)
1.一种数字化DC/DC电源模块，包括壳体、面板以及控制模块，面板安装在壳体上，控制模块放置在壳体内，其特征在于该控制模块包括功率变换单元和核心控制单元，功率变换单元分别与直流输入端与直流输出端连接，核心控制单元安装在功率变换单元上，核心控制单元通过采集输入、输入参数，利用功率变换单元进行功率变化，其中：
功率变换单元为四开关管的buck-boost自动升降压拓扑结构电路；
核心控制单元包括数据采集模块和数字信号处理器，数据采集模块与数字信号处理器连接，数字信号处理器与功率变换单元连接。
2.如权利要求1所述的数字化DC/DC电源模块，其特征在于所述的数据采集模块包括输入电压跟踪模块、输出电流采集模块和输出电压采集模块，并与温度跟踪模块连接，输入电压跟踪模块、输出电流采集模块以及输出电压采集模块分别与数字信号处理器连接，输入电压跟踪模块监测电源模块输入电压，输出电流采集模块监测电源模块输出电流大小，输出电压采集模块监测电源模块输出电压大小。
3.如权利要求1所述的数字化DC/DC电源模块，其特征在于所述的电源模块还包括CAN通信接口，CAN通信接口与数字信号处理器连接，利用CAN通信接口实现对内部各工作参数的动态设定和工作状态信息的管理和传输，并通过CAN通信接口对工作参数进行配置设定，在多电源模块并联工作时，通过CAN通信总线动态调整各电源模块的输出特性，均衡控制多电源模块并联工作。
4.一种数字化DC/DC电源模块，其特征在于该电源模块以buck-boost自动升降压拓扑结构为功率变换核心，通过电压以及电流跟踪控制，利用增量式PID控制算法，以实现电压降低时，不间断供电的目的，具体实现步骤为：
（1）设定电源模块的输入电压、输出电流以及输出电压基准值，通过数据采集模块分别采集电源模块的输入电压值、输出电流值以及输出电压值，并将采集数据反馈至数字信号处理器，由数字信号处理器实施对比输入电压基准值—输入电压值、输出电流基准值—输出电流值以及输出电压基准值—输出电压值；
（2）数字信号处理器根据步骤1中的对比值，利用增量式PID控制算法，通过buck-boost自动升降压拓扑结构电路，调整输出电压值，实现恒流与恒压输出；
（3）当输入电压值低于输入电压基准值时，数字信号处理器自动降低输出电流基准值，此时将采集到的输出电流值与输出电流基准值进行比较，当输出电流值大于输出电流基准值时，数字信号处理器通过buck-boost自动升降压拓扑结构电路降低输出电压，从而降低输出功率；
（4）当输入电压值回升时，数字信号处理器逐渐提高输出电流基准值，并对比输出电流值与输出电流基准值，当输出电流值小于输出电流基准值，则数字信号处理器通过buck-boost自动升降压拓扑结构电路提高输出电压，从而提高输出功率；
（5）当输入电压值回升到输入电压基准值时，此时数字处理器按照预设的输出电压基准值和输出电流基准值进行输出控制，进入正常工作状态。
5.如权利要求4所述的数字化DC/DC电源模块，其特征在于所述的buck-boost自动升降压拓扑结构电路，采用buck-boost自动升降压电源拓扑结构，分别由四路两两互补并且带有死区时间控制的增强型高分辨率PWM作为驱动信号，控制两对具有同步整流设计的N沟道MOS管，通过两个不同的占空，控制四个功率mos管协同工作，达到自动升降压无缝切换；其工作原理为：将buck-boost的两个占空映射到“200%”的区间内，100%以下为降压区间，100%以上为升压区间；同时由于死区时间的存在，以及为了保证线性电源的连续性，Buck部分的占空不会达到100%，boost部分的占空也不会达到0，所以100%的占空必须由Buck最大占空限制加上boost最小占空限制来完成；当输入电压大于输出电压时，buck-boost电路工作在降压模式下，Boost保持一个最小占空，输出电压由Buck占空调节，降低输出的电压值；当输入电压小于输出电压时，buck-boost电路工作在升压模式下，Buck保持一个最大占空，输出电压由Boost占空调节，提高输出的电压值。
6.如权利要求4所述的数字化DC/DC电源模块，其特征在于所述的增量式PID控制算法，基本算法如下：
上式中U(t)为控制器的输出值；Kp为比例调节系数；Ti为控制器的积分时间；e(t)为控制器的输入（常常是设定值与被控量之差）；Td为控制器的微分时间；
为方便数字信号处理器实现增量式PID调节，设为第k次采样时刻控制器的输出增量，将公式（1）离散化得到公式（2）：
上式中Ki为控制器的积分系数；Kd为控制器的微分系数；ek为第k次采样时刻的系统输入；依次类推可知ek-1和ek-2分别为k-1时刻和k-2时刻的系统输入；
△Uk为当前时刻应该增加或减少的控制量，通过上一次的控制量Uk-1，通过公式（3）计算出当前控制量；
系统每次运算完成都会将当前控制量作为下一次计算的基础量，依次累加运算，且当输出接近输出值时增加量会越来越小，直到平稳的将输出误差控制在“零”附近。
7.如权利要求4所述的数字化DC/DC电源模块，其特征在于所述的电源模块还加入温度跟踪控制模块，根据电源模块内部温度，动态调整输出功率，使得电源模块的温度和输出功率达到平衡，电源模块温度上升则降低输出功率，使得电源模块工作温度下降；当温度下降到一定值时，增加输出功率，如此保证电源模块在保证安全温度的情况下最大限度提供输出功率，在不间断输出的同时让电源模块的温度始终处于安全值以下，实施方法为：数字信号处理器上外接一个温度传感器，对模块实际工作温度进行实时采集，通过实时采集温度值与预设安全温度值的比较计算，来调整模块的工作电流；当实际温度值高于安全温度值时，降低输出电流基准值，从而限制了输出电流的最大值，降低输出功率，从而控制温度上升；当电源模块温度降低到安全值以下时，数字信号处理器根据采样到的实际温度值适当增加输出电流基准值，从而增加输出功率。
8.如权利要求4所述的数字化DC/DC电源模块，其特征在于所述的电源模块温度与输出电流限值的运算公式为：
上式中Itr为由温度控制的电流限值；Imor为电源模块额定输出的最大电流限值；Tmr为预设的安全温度阈值；Tn为模块的当前温度采样值；k为反馈量的控制系数，根据实际系统调试而定。
9.如权利要求4所述的数字化DC/DC电源模块，其特征在于所述的DC/DC电源模块从基本工作模式上具备了稳压模式和恒流模式；从功能上又可组成恒压限流模式、恒流限压模式、智能三段充电模式；从控制环路上可分为输出稳压控制、输出恒流控制、输入电压跟随控制、温度跟踪控制以及通信控制，其中输出稳压控制和输出恒流控制属于高速闭环控制，且具有较高的优先级，且同一时刻只有一个环路运行；输入电压跟踪控制属于高速控制环，优先级仅次于稳压控制环和恒流控制环，且可与它们并行运行；温度跟踪控制和通信控制属于低速控制环路，优先级最低，它们作为辅助控制环路，协助于电源运行在更复杂的供电环境。
10.如权利要求1所述的数字化DC/DC电源模块，其特征在于所述的壳体采用铝基材料，内部发热器件通过铜质导热管压接到壳体内壁上，实现了无风扇散热，减少了体积，适合在密封空间使用和更恶劣的环境中使用。
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