CN107257198B - 一种电源效率的调节方法及电路 - Google Patents

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Abstract

一种电源效率的调节方法及电路以模式控制模块控制电源内PWM发生器先进行扫频，获得使得电源输出电压最大的电源谐振频率，将该频率存储于最大值寄存器中，再在定频工作模式下，固定所述PWM发生器的工作频率为该频率。以此，本发明所提供的电路能够将电源内LLC谐振电路的功率级开关管Q的工作频率设定在LLC电路本身的谐振频率上，以此提高电源的工作效率。本发明仅利用电源内现有的模数转换器、相应寄存器以及控制模块，即可实现对电源内功率级开关管Q工作频率的优化。本发明硬件成本低廉，且无需人工操作，可有效针对电源自身LLC电路的谐振特性，单独确认每一个电源的谐振频率，从而提高电源的工作效率。

Description

一种电源效率的调节方法及电路
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种高效数字电源的最大效率点的标定方法。
背景技术
高效数字电源的核心结构为LLC(半桥或全桥谐振)电路。LLC谐振电路通过控制开关管Q的开关频率改变谐振腔的工作频率。谐振腔由谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器的励磁电感Lm组成。通常，工作在谐振点率fs：时，输出的电压增益始终为1，与负载大小无关，电路具有较高的电能转换效率。通过LLC电路，数字电源可以在从零到全负载范围内，初级实现ZVS，次级实现ZCS，可大大降低开关损耗。
然而，由于LLC电路中，通过谐振电容值与谐振电感值直接决定电路的谐振频率点，而电容、电感等元器件参数除了生产的差异外，其参数对温度也很敏感。为获得电路电能转换的最大效率点，需要通过控制PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)发生器的工作频率，将LLC谐振电路内的控制开关管Q的工作频率设定在LLC电路的谐振频率点上。因此，准确地测定LLC电路的谐振频率点，对提升电源工作效率显得至关重要。
由于PWM发生器的工作原理是，将误差放大器的输出端电压与三角波电压实时比较，从而确定输出脉冲的电平高低以获得矩形脉冲，即PWM脉冲。电源中，需要由所述PWM脉冲波控制LLC电路中开关管Q的通断。也就是说，LLC电路中开关管Q的工作频率由PWM发生器的工作频率决定，而PWM发生器的工作频率实际由其输入的三角波的频率决定。PWM发生器输出脉冲的占空比通过误差放大器的输出端电压决定。
针对这一特性，现有的技术在电源产品出厂前只能通过人工的方式，调节PWM发生器所连接的振荡器输入端的可调电阻Rv和可调电容Cv，通过可调电阻Rv和可调电容Cv的值获得与LLC电路谐振频率相同的三角波频率。通过调整三角波的频率，获得不同频率的PWM波，将LLC电路中开关管Q的工作频率调整至LLC电路的谐振频率上。以此提高电路的转化效率。以此使电源产品的效率性能达到最佳。
但，现有的调试方式下，技术人员在调节PWM发生器所连接的振荡器输入端的可调电阻Rv和可调电容Cv时，只能通过负载电流波形，来判断当前频率下电源效率是否达到最佳。现有的调试过程繁琐，且判断依据过于主观，调试结果一致性欠佳。因此，目前急需一种能够准确、方便地将PWM发生器的工作频率调整至LLC电路谐振频率的方法，以此提高数字电源的效率。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种调整电源中PWM发生器工作频率的方法及电路。
首先，为实现上述目的，提出一种调整电源中PWM发生器工作频率的方法，包括以下步骤：
第一步，固定电源中PWM发生器的占空比，扫频调整所述PWM发生器的工作频率，直至所述电源的输出端电压达到最大，获得电源谐振频率；所述电源谐振频率为所述输出端电压最大时所述PWM发生器对应的工作频率；
第二步，将所述PWM发生器的工作频率固定为所述电源谐振频率。
进一步，上述方法中，所述第一步中，扫频调整所述PWM发生器的工作频率，直至所述电源的输出端电压达到最大，获得电源谐振频率的具体步骤如下：
S1，固定电源中PWM发生器的占空比，根据电源特性确定扫频范围；
S2，选择所述扫频范围内的一个频率，设置所述PWM发生器的工作频率为该频率；
S3，对所述电源的输出端电压进行采样，记录该频率所对应的输出端电压；
S4，选择所述扫频范围内的另一个频率重复所述S2至S3，直至遍历所述扫频范围内的全部频率；比较各频率所对应的输出端电压，由所述输出端电压的最大值确定所述PWM发生器的工作频率。
具体而言，上述方法中，所述扫频范围由电源工作频率、电源中谐振电感Lr误差范围和谐振电容Cr的误差范围共同确定。
上述方法中，所述扫频范围内各频率之间间隔由扫频精度和扫频搜索时间共同决定。扫频精度即频率的准确度，扫频搜索时间即搜索第一步中整个扫频过程所需时间。扫频精度越高，各频率之间间隔越小，扫频搜索时间越长。
进一步，上述方法的步骤S4中，每隔周期T，选择所述扫频范围内的另一个频率重复所述S2至S3；所述周期T不短于电源上升到稳态的时间。
其次，为实现上述目的，还提出一种使用上述方法的提高电源工作效率的电路，包括：模数转换器、最大值寄存器和模式控制模块；
所述模数转换器的输入端连接所述电源的输出端，所述模数转换器的输出端连接所述最大值寄存器的输入端，所述最大值寄存器的输出入端连接所述模式控制模块，所述模式控制模块的控制信号输出端连接所述电源中PWM发生器的控制接口；
所述模数转换器用于通过输入端对所述电源的输出端电压进行采样，并将采样获得的所述输出端电压进行模数转换，输出电压值；
所述最大值寄存器用于比较其存储的电压值与所述模数转换器输出的电压值，更新存储内容为最大的电压值以及获得最大电压值时电源中PWM发生器所对应的工作频率；
所述模式控制模块用于在扫频模式下，控制所述PWM发生器输出信号的占空比为固定值，同时控制所述PWM发生器的工作频率，遍历所述扫频范围内的全部频率；所述模式控制模块还用于在定频工作模式下，控制所述PWM发生器的工作频率为所述最大值寄存器中存储的工作频率。
进一步，上述电路中，还包括定时模块，所述定时模块与所述模式控制模块连接，固定周期向所述模式控制模块输出定时中断信号；所述模式控制模块接收到所述定时中断信号后，控制所述PWM发生器的工作频率为所述扫频范围内的下一个频率。
更进一步，上述电路中，所述扫频范围为电源工作频率±电源中谐振元器件的误差范围，并以数组形式存储于所述模式控制模块内。
其中，所述数组中元素个数为20个，各元素所对应的频率在扫频范围内均匀分布。
有益效果
本发明，以模式控制模块控制电源内PWM发生器先进行扫频，获得使得电源输出电压最大的电源谐振频率，将该频率存储于最大值寄存器中，再在定频工作模式下，固定所述PWM发生器的工作频率为该频率。以此，本发明所提供的电路能够将电源内LLC谐振电路的功率级开关管Q的工作频率设定在LLC电路本身的谐振频率上，以此提高电源的工作效率。
进一步，本发明将上述控制方法集成于所述模式控制模块内部，仅利用电源内现有的模数转换器以及相应寄存器，即可实现对电源内功率级开关管Q工作频率的优化。本发明硬件成本低廉，且无需人工操作，可针对各电源自身LLC电路的谐振特性，单独确认每一个电源的谐振频率，从而提高电源的工作效率。
进一步，本发明中，扫频范围以及扫频范围内各频率之间的间隔均可根据电源特性进行调整，因而，本发明所获得的电源固有的谐振频率更加精确，且贴合实际电路，具有工程意义。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为根据本发明实施例的提高电源工作效率的方法流程图；
图2为根据本发明实施例的提高电源工作效率的电路的结构框图；
图3为本发明实施中电源输出端电压和工作频率之间的曲线图；
图4为目前电源效率检测技术的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为根据本发明的调整电源中PWM发生器工作频率的方法流程图。将其适用于图2所示的提高电源工作效率的电路中时，电路包括：模数转换器、最大值寄存器和模式控制模块；
所述模数转换器的输入端连接所述电源的输出端，所述模数转换器的输出端连接所述最大值寄存器的输入端，所述最大值寄存器的输出入端连接所述模式控制模块，所述模式控制模块的控制信号输出端连接所述电源中PWM发生器的控制接口；
所述模数转换器用于通过输入端对所述电源的输出端电压进行采样，并将采样获得的所述输出端电压进行模数转换，输出电压值；
所述最大值寄存器用于比较其存储的电压值与所述模数转换器输出的电压值，更新存储内容为最大的电压值以及获得最大电压值时电源中PWM发生器所对应的工作频率；
所述模式控制模块用于在扫频模式下，控制所述PWM发生器输出信号的占空比为固定值，同时控制所述PWM发生器的工作频率，遍历所述扫频范围内的全部频率；所述模式控制模块还用于在定频工作模式下，控制所述PWM发生器的工作频率为所述最大值寄存器中存储的工作频率。
具体而言，模式控制模块的工作步骤如下：
第一步，固定电源中PWM发生器的占空比，扫频调整所述PWM发生器的工作频率，直至所述电源的输出端电压达到最大，获得电源谐振频率；所述电源谐振频率为所述输出端电压最大时所述PWM发生器对应的工作频率；
第二步，将所述PWM发生器的工作频率固定为所述电源谐振频率。
进一步，上述方法中，所述第一步中，扫频调整所述PWM发生器的工作频率，直至所述电源的输出端电压达到最大，获得电源谐振频率的具体步骤如下：
S1，固定电源中PWM发生器的占空比，根据电源特性确定扫频范围；
S2，选择所述扫频范围内的一个频率，设置所述PWM发生器的工作频率为该频率；
S3，对所述电源的输出端电压进行采样，记录该频率所对应的输出端电压；
S4，选择所述扫频范围内的另一个频率重复所述S2至S3，直至遍历所述扫频范围内的全部频率；比较各频率所对应的输出端电压，由所述输出端电压的最大值确定所述PWM发生器的工作频率。
具体而言，上述方法中，所述扫频范围由电源工作频率、电源中谐振电感Lr误差范围和谐振电容Cr的误差范围共同确定，本实施例中选择为100k至150k。
上述方法中，所述扫频范围内各频率之间间隔由扫频精度和扫频搜索时间共同决定，本实施例中，频率间隔选择为1.66k，从150k递减扫频。
进一步，上述方法的步骤S4中，每隔周期T，选择所述扫频范围内的另一个频率重复所述S2至S3；所述周期T不短于电源上升到稳态的时间，本实施例中设定为1分钟。理论上只要在该频率上输出电压已经达到稳态，测量出其电压，即可以切换到下一个频率，但也可根据实际测试的情况来加长或缩短周期。
为配合上述方法，图2所示的电路中，还可包括定时模块，所述定时模块与所述模式控制模块连接，固定周期向所述模式控制模块输出定时中断信号；所述模式控制模块接收到所述定时中断信号后，控制所述PWM发生器的工作频率为所述扫频范围内的下一个频率。
本实施例中，扫频范围，根据实际情况来定。一般理论上可以计算出LLC的谐振频率，根据电容，电感的误差范围，估算初设在±Δf的范围内，根据实验测试的波形，得到类似于图三的图形，然后，再根据实测的最佳频率点在图形中的位置来确定是否扩大或缩小范围，若频率点在给定频率范围边界时，则需要扩大范围或调整范围。为方便调节，实际应用中也可以将Δf设置成可通过外部可调节设置的变量。
对于频率之间间隔：举例而言，若设定的频率范围为±20k，其间设定20个点，推算其每个点的频率，设置其步长；如果需要精确，可以其间设更多的点，这样步长更小，更精确，搜索时间也更长。具体还是根据实际情况来定。
因此，具体而言，上述电路中，所述扫频范围由100k至150k，并以数组形式存储于所述模式控制模块内。数组内元素包括频率f[i](一共有n个频率点，i<n)，每个频率f[i]会对应一个输出电压V[i]。但所有频率点运行一遍后，即可获得每次频率点对应的输出电压，比较电压值找出最大电压V[max]，其对应的频率点即是LLC电路的固有谐振频率点(本实施例中，从图3可知为130k)。
其中，所述数组中每个元素所对应的频率之间间隔为1.66k。
参照图3所示的扫频-电压采样结果。图中，横轴坐标为频率，纵轴坐标为电源输出端电压增益，负载电流固定为15A。但频率由100k至150k变化时，通过电压增益的变化曲线可知，该电源的谐振频率fs：谐振频率在130k。其中，Lr为图2所示电路中的谐振电感值，Cr为谐振电容值。
本发明技术方案的优点主要体现在：相对于图4所示的现有技术而言，本发明无需人工调节可调电阻Rv与可调电容Cv，本发明通过软件方法直接对PWM发生器的工作频率进行调节，根据扫频过程中单元输出端电压的变化即可比较出电源固有的谐振频率。本发明能够提高电源工作频率调节的精度，而且调节效率更高，调整后，电源工作效率能够显著提高。
附图中信号说明：
Rv:可调电阻；
Cv:可调电容；
Vin:功率级模块输入电压；
Vout:电源输出端电压；
Vs:电源输出端电压经采样得到的信号；
f[n]:变频中对应的频率点；
V[n]:频率变化，对应频率的输出端电压AD采样经折算后的电压值；
V[max]:输出端电压最大值；
f[max]:输出端电压最大值所对应的频率。
本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高电源工作效率的方法，其特征在于，步骤包括：
第一步，固定电源中PWM发生器的占空比，扫频调整所述PWM发生器的工作频率，更新最大值寄存器中存储的内容为所述电源的输出端电压达到最大时电源中PWM发生器所对应的工作频率，获得电源谐振频率；
第二步，将所述PWM发生器的工作频率固定为所述最大值寄存器中存储的工作频率。
2.如权利要求1所述的提高电源工作效率的方法，其特征在于，所述第一步中，扫频调整所述PWM发生器的工作频率，直至所述电源的输出端电压达到最大，获得电源谐振频率的具体步骤如下：
S1，固定电源中PWM发生器的占空比，根据电源特性确定扫频范围；
S2，选择所述扫频范围内的一个频率，设置所述PWM发生器的工作频率为该频率；
S3，对所述电源的输出端电压进行采样，记录该频率所对应的输出端电压；
S4，选择所述扫频范围内的另一个频率重复所述S2至S3，直至遍历所述扫频范围内的全部频率；比较各频率所对应的输出端电压，由所述输出端电压的最大值确定所述PWM发生器的工作频率。
3.如权利要求2所述的提高电源工作效率的方法，其特征在于，所述扫频范围由电源工作频率、电源中谐振电感Lr误差范围和谐振电容Cr的误差范围共同确定。
4.如权利要求2所述的提高电源工作效率的方法，其特征在于，所述扫频范围内各频率之间间隔由扫频精度和扫频搜索时间共同决定。
5.如权利要求2所述的提高电源工作效率的方法，其特征在于，所述S4中，每隔周期T，选择所述扫频范围内的另一个频率重复所述S2至S3；
所述周期T不短于电源上升到稳态的时间。
6.一种使用如权利要求1所述方法的提高电源工作效率的电路，其特征在于，包括模数转换器、最大值寄存器和模式控制模块；
所述模数转换器的输入端连接所述电源的输出端，所述模数转换器的输出端连接所述最大值寄存器的输入端，所述最大值寄存器的输出端连接所述模式控制模块，所述模式控制模块的控制信号输出端连接所述电源中PWM发生器的控制接口；
所述模数转换器用于通过输入端对所述电源的输出端电压进行采样，并将采样获得的所述输出端电压进行模数转换，输出电压值；
所述最大值寄存器用于比较其存储的电压值与所述模数转换器输出的电压值，更新存储内容为最大的电压值以及获得最大电压值时电源中PWM发生器所对应的工作频率；
所述模式控制模块用于在扫频模式下，控制所述PWM发生器输出信号的占空比为固定值，同时控制所述PWM发生器的工作频率，扫频调整所述PWM发生器的工作频率；所述模式控制模块还用于在定频工作模式下，控制所述PWM发生器的工作频率为所述最大值寄存器中存储的工作频率。
7.如权利要求6所述的提高电源工作效率的电路，其特征在于，还包括定时模块，所述定时模块与所述模式控制模块连接，固定周期向所述模式控制模块输出定时中断信号；
所述模式控制模块接收到所述定时中断信号后，控制所述PWM发生器的工作频率为所述扫频范围内的下一个频率。
8.如权利要求6所述的提高电源工作效率的电路，其特征在于，所述扫频范围为电源工作频率±电源中谐振元器件的误差范围，并以数组形式存储于所述模式控制模块内。
9.如权利要求8所述的提高电源工作效率的电路，其特征在于，所述数组中元素个数为20个，各元素所对应的频率在扫频范围内均匀分布。
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