CN107104580A - 一种并联系统均衡控制偏差量获取电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种并联系统均衡控制偏差量获取电路，包括：PWM调制模块、二极管D、电阻R、异或门，本发明无需通信总线即可实现并联系统最大值均衡控制的偏差量获取，具有结构简单，实用性好；本发明将偏差量Δyi(t)＝ymax(t)‑yi(t)转换为两路导通时间分别为和的PWM信号的导通时间差值并通过捕获计算出偏差量Δyi(t)。该方案避免了模拟信号受高频开关信号的干扰及模块采样端口到采样点之间的阻抗不同导致基准值偏差问题；能在电源模块出现故障导致没有输出时，对系统其他模块偏差量的获取不产生影响；采用通信总线方式实现均功率控制方案在电源模块出现故障时，系统需通过复杂的通信算法确定故障模块，确保系统正常工作。

Description

一种并联系统均衡控制偏差量获取电路
技术领域
本发明涉及一种并联系统均衡控制偏差量获取电路，用于获取系统均衡控制的偏差量，适用于采用最大值为基准的并联系统均衡控制领域，例如开关电源并联供电时最大值均流控制，LED并联运行时最大值均流控制等场合。
背景技术
在许多工业场合，为满足负载大范围变化、冗余性能和可靠性能等指标要求，往往需要对模块进行并联连接，形成并联系统，从而提高系统带负载能力和可靠性及冗余性的性能指标。这是基于并联系统为多模块并联输出结构，具备兼容性强、可N+m冗余备份、可靠性强、性价比高、设计难度较低、易于管理等一系列优势，成为解决系统设计的首选方案之一。但是，这样的并联系统都会存在一个非常普遍的问题——即输出量均衡控制的问题。
由于各个并联模块特性不可能完全一致，因而导致并联系统各个模块的输出负荷不平衡。极端情况下，长期处于超负荷的模块其寿命会大大降低，并容易引起故障，从而使得并联系统可靠性和寿命急剧降低,因而必须对并联系统输出进行均衡控制。而要实现输出量均衡控制，其均衡控制偏差量的获取是前提条件。
技术上，并联系统输出均衡控制技术主要有以并联系统所有模块输出量的平均值为基准的均衡控制方法(平均值均衡控制方案)和以并联系统所有模块输出量中最大值为基准的均衡控制方法(最大值均衡控制方案)。不论采用哪种均衡控制方案，其均衡控制偏差量获取实现方式上主要有：依靠通信总线获取均衡控制偏差量和无通信总线获取均衡控制偏差量。平均值均衡控制偏差量主要有两种获取方式：⑴系统中每个模块依靠通信总线获取其他模块的输出量，计算系统输出量的平均值和自身输出值与平均值的差值，从而获取均衡控制偏差量；⑵系统中每个模块采样并联系统输出量平均值电路上的电压和自身输出量，获得均衡控制偏差量。最大值均衡控制偏差量主要有两种获取方式：⑴系统中每个模块依靠通信总线获取其他模块的输出量，计算系统输出量的最大值和自身输出值与最大值的差值，从而获取均衡控制偏差量；⑵系统中每个模块采样并联系统输出量最大值电路上的电压和自身输出量，获得均衡控制偏差量。
采用通信总线获取均衡控制偏差量主要有以下不足：⑴需要通信模块和相关接口电路，增加系统硬件电路复杂性和成本；⑵需要设计专用的通信协议处理数据，增加系统软件开发难度和降低了系统的响应速度。采用专用模拟电路获取均衡控制偏差量主要有以下不足：⑴由于系统分布原因，模块采样端口到采样点之间的阻抗不同，从而得到的基准值存在偏差；⑵由于基准值是通过模拟电路获得的，因而其容易受到大功率、高频信号的干扰。为解决干扰问题，往往需要增加高阶低通滤波电路，这又会导致系统响应速度过慢的问题。
因而，现有的并联系统均衡控制偏差量的获取方法，要么电路结构复杂，要么需要通信总线组网和复杂的算法，要么两者皆有，其在硬件电路规模、软件程序复杂性等方面的缺陷均比较突出。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供了一种结构简单、实用性好、抗干扰能力强的并联系统均衡控制偏差量获取电路，可实现并联系统最大值均衡控制的偏差量获取。
本发明提供一种并联系统均衡控制偏差量获取电路，其包括：
PWM调制模块，将控制模块输出信号yi(t)调制为周期为T，导通时间为的PWM信号
同步模块，与所述PWM调制模块的触发端连接，并输出同步信号Syn；
异或门，两个输入端，一个输入端直接与PWM调制模块连接，另一个输入端获取导通时间为的PWM信号PWMmax，且在两个输入端之间并联二极管D，所述异或门输出周期为T，导通时间为的PWM信号到控制模块。
所述同步模块的信号源是由外部同步时钟提供或通过控制模块内部集成的同步触发单元产生。
所述控制模块包括控制单元、从控制模块的输出端获取输出信号yi(t)的采样电路、接收采样电路采集的输出信号yi(t)并转换为PWM的PWM模块、用于捕获异或门输出的PWM信号的捕获模块以及输出驱动模块。
所述异或门获取导通时间为的PWM信号PWMmax的输入端下拉电阻R接地。
本发明具有以下优势：
本发明无需通信总线即可实现并联系统最大值均衡控制的偏差量获取，具有结构简单，实用性好；
本发明将偏差量Δyi(t)＝ymax(t)-yi(t)转换为两路导通时间分别为和的PWM信号的导通时间差值并通过捕获计算出偏差量Δyi(t)。该方案避免了模拟信号受高频开关信号的干扰及模块采样端口到采样点之间的阻抗不同导致基准值偏差问题；
本发明提出的偏差量获取电路能在电源模块出现故障导致没有输出时，对系统其他模块偏差量的获取不产生影响；采用通信总线方式实现均功率控制方案在电源模块出现故障时，系统需通过复杂的通信算法确定故障模块，确保系统正常工作；
本发明对模块控制芯片要求较低，可以使用单片机等低成本控制芯片作为主控芯片，降低了设计难度；
本发明提供的并联系统均衡控制偏差量获取电路具有结构简单、成本低、可靠性高，实用性强等特点，系统并联控制提供了一种新的方案。
附图说明
图1a为并联系统偏差量获取电路图(外部同步信号)。
图1b为并联系统偏差量获取电路图(内部同步信号)。
图2为输出信号的PWM调制原理图。
图3为最大导通时间PWM信号获取电路图。
图4为PWM导通时间差原理。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：
如图1a和图1b所示，本发明提供一种并联系统均衡控制偏差量获取电路，该并联系统均衡控制偏差量获取电路与控制模块连接，且其数量与所述控制模块的数量相一致，且并联设置，采用统一个同步信号以及同一个基准信号。
并联系统均衡控制偏差量获取电路包括：
PWM调制模块，将控制模块输出信号yi(t)调制为周期为T，导通时间为的PWM信号
同步模块，与所述PWM调制模块的触发端连接，并输出同步信号Syn，同步信号Syn触发PWM调制工作，即Syn的上升沿(或下降沿)触发一次PWM调制工作；
异或门，两个输入端，一个输入端直接与PWM调制模块连接，另一个输入端获取导通时间为的PWM信号PWMmax，且在两个输入端之间并联二极管D，所述异或门输出周期为T，导通时间为的PWM信号到控制模块，其中：
所述异或门获取导通时间为的PWM信号PWMmax的输入端接接线端子J1，并用于接收/输出最大PWMmax；接线端子J2则与同步模块连接，用于接收同步信号Syn；
所述同步模块的信号源是由外部同步时钟提供或通过控制模块内部集成的同步触发单元产生。采用外部同步时钟的优势在于系统结构简单，但缺点是可靠性差；而采用模块内部集成的同步触发单元的优势在于系统可靠性高，而缺点在于每个模块都必须集成一个同步触发单元单路，系统复杂。
所述控制模块包括控制单元、从控制模块的输出端获取输出信号yi(t)的采样电路、接收采样电路采集的输出信号yi(t)并转换为PWM的PWM模块、用于捕获异或门输出的PWM信号的捕获模块以及输出驱动模块。
所述异或门获取导通时间为的PWM信号PWMmax的输入端下拉电阻R接地。
图2为输出信号的PWM调制原理图，其将yi(t)信号调制为周期为T，导通时间为的PWM信号由PWM调制原理、几何相似三角形知识可得：
其中：yi(t)为输出信号；ynorm为模块输出的参考值，其值不小于控制模块输出的理论最大值；T为PWM信号的周期；为导通时间；
图3为最大导通时间PWM信号获取电路图，当具有相同的周期T并且同步，则上升沿出现在同一时刻。由《电工电子学》知识可知，图3所示电路用于获得导通时间最长的PWM信号，令其为PWMmax，其导通时间满足：
联立(1)，(2)可得：
其中：为并联系统模块输出值的最大值；
图4为PWM导通时间差原理图，由逻辑代数可知，两个数字信号异或运算法则是：两个信号相同输出为0，不同输出为1。从图中可以看出对同步的信号和PWMmax进行异或运算，即可获得导通时间为的PWM信号图4中异或门的输出信号逻辑关系上满足：
的导通时间满足：
联立方程(1)、(2)、(3)、(4)、(5)可得：
令输出量的偏差量为Δyi(t)＝ymax(t)-yi(t)，系数则：
由公式(7)可知，Δyi(t)与为线性关系，因而可以通过捕获的导通时间的值计算并联系统均衡控制的偏差量。
基于以上原理，本发明所述一种并联系统均衡控制偏差量获取电路的工作原理和过程为：
(1)以时间Ts为间隔对第i个模块的输出yi(t)进行调制，得到周期为T，导通时间为的PWM信号
(2)在同步信号Syn的上升沿(或下降沿)时刻，使能输出信号；
(3)在输出信号的同时，启动捕获单元，使能捕获中断；
(4)进入捕获中断，获取的导通时间
(5)依据公式计算出并联系统第i个模块均衡控制的偏差量。
实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种并联系统均衡控制偏差量获取电路，其特征在于：其包括：
PWM调制模块，将控制模块输出信号yi(t)调制为周期为T，导通时间为的PWM信号
同步模块，与所述PWM调制模块的触发端连接，并输出同步信号Syn；
异或门，两个输入端，一个输入端直接与PWM调制模块连接，另一个输入端获取导通时间为的PWM信号PWMmax，且在两个输入端之间并联二极管D，所述异或门输出周期为T，导通时间为的PWM信号到控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种并联系统均衡控制偏差量获取电路，其特征在于，所述同步模块的信号源是由外部同步时钟提供或通过控制模块内部集成的同步触发单元产生。
3.根据权利要求1或2所述的一种并联系统均衡控制偏差量获取电路，其特征在于，所述控制模块包括控制单元、从控制模块的输出端获取输出信号yi(t)的采样电路、接收采样电路采集的输出信号yi(t)并转换为PWM的PWM模块、用于捕获异或门输出的PWM信号的捕获模块以及输出驱动模块。
4.根据权利要求1所述的一种并联系统均衡控制偏差量获取电路，其特征在于，所述异或门获取导通时间为的PWM信号PWMmax的输入端下拉电阻R接地。
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