CN107302300B - 一种基于pwm滤波的并联系统均衡控制偏差量获取电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于PWM滤波的并联系统均衡控制偏差量获取电路，其包括控制模块、与控制模块连接的偏差量生成电路，所述偏差量生成电路包括PWM调制、二极管D、电阻R、异或门、低通滤波器LF，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；将偏差量Δyi(t)＝ymax(t)‑yi(t)转换为导通时间为的PWM信号然后对低通滤波，得到vi(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；采用了LF低通滤波器对滤波，能有效抑制均衡控制偏差量的剧烈波动，有利于模块的均衡控制。

Description

一种基于PWM滤波的并联系统均衡控制偏差量获取电路
技术领域
本发明涉及一种基于PWM滤波的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、UPS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。
本发明提供一种基于PWM滤波的并联系统均衡控制偏差量获取电路，其包括控制模块、与控制模块连接的偏差量生成电路，所述控制模块设有用于接收同步信号Syn的同步触发单元、输出驱动单元、用于获取偏差量生成电路生成的电压值vi(t)的采样单元、以及获取输出驱动单元的输出信号yi(t)的采样电路，所述偏差量生成电路包括：
PWM调制，与所述控制模块连接，并将输出信号yi(t)调制为周期为T，导通时间为的PWM信号
异或门，两个输入端，一个输入端接收PWM调制输出的PWM信号另一输入端则接收导通时间为的PWM信号PWMmax，其输出端输出周期为T，导通时间为的PWM信号
二极管D，并联在异或门的两个输入端之间，电阻R与异或门的另一个输入端连接，并接地，获取导通时间为的PWM信号PWMmax，并将该PWM信号作为基准信号；
低通滤波器LF，接在所述异或门的输出端，对PWM信号低通滤波，输出滤波之后的电压值vi(t)，
控制模块获取该电压值vi(t)，并通过获取并联系统均衡控制的偏差量的平均值
所述同步触发单元可外接或内置。
所述同步触发单元端设置同步信号接线端子J2。
所述偏差量生成电路的基准信号获取端设有基准信号接线端子J1。
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)转换为导通时间为的PWM信号然后对低通滤波，得到vi(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；
本发明采用了LF低通滤波器对滤波，能有效抑制均衡控制偏差量的剧烈波动，有利于模块的均衡控制；
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，只要具有PWM和AD采样端口的低成本控制芯片即可，降低了设计难度和成本；
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1为并联系统偏差量获取电路图。
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：
图1为并联系统偏差量获取电路图，该图总体上说明了并联系统偏差量电路的组成部分、连接方式和工作原理。下面以序号为i(1≤i≤n)的模块的偏差量生成电路进行介绍。偏差量生成电路包括：PWM调制、二极管D、电阻R、异或门、低通滤波器LF、基准信号接线端子J1和同步信号接线端子J2。PWM调制将输出信号yi(t)调制为周期为T，导通时间为的PWM信号同步信号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；二极管D、电阻R和异或门主要实现以下两个功能：①获取最大导通时间为的PWM信号PWMmax；②获取导通时间差为的PWM信号该信号为与PWMmax的异或运算；低通滤波器LF实现对的低通滤波，输出滤波之后的电压值vi(t)；基准信号接线端子J1用于接收/输出PWMmax；同步信号接线端子J2用于接收/输出同步信号Syn。
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)，则：
由滤波器知识可知，当低通滤波器LF的截止频率则低通滤波器LF输出为的直流分量，即的平均值，其vi(t)满足：
令t＝MT，则
其中：λ为低通滤波器LF的直流增益；M为周期个数；又因为：
联立(7)、(10)可得：
其中：Δyi(jT)为t∈[jT,(j+1)T]的输出功率偏差量，满足：Δyi(jT)＝ymax(jT)-yi(jT)；为信号在t∈[jT,(j+1)T]的导通时间；VCC为PWM模块电源电压。联立(9)、(11)可得：
其中：为输出偏差量的平均值，并且满足：令则：
由公式(13)可知，vi(t)与输出偏差量平均值为线性关系，因而可以通过采样vi(t)的值计算并联系统均衡控制的偏差量的平均值
基于以上原理，本发明所述一种基于PWM滤波的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)以时间Tsamp为间隔，采样低通滤波器LF的输出电压vi(t)，并依据公式计算出并联系统第i个模块均衡控制的偏差量的平均值。
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)

1.一种基于PWM滤波的并联系统均衡控制偏差量获取电路，其特征在于：其包括控制模块、与控制模块连接的偏差量生成电路，所述控制模块设有用于接收同步信号Syn的同步触发单元、输出驱动单元、用于获取偏差量生成电路生成的电压值vi(t)的采样单元、以及获取输出驱动单元的输出信号yi(t)的采样电路，所述偏差量生成电路包括：
PWM调制，与所述控制模块连接，并将输出信号yi(t)调制为周期为T，导通时间为的PWM信号
异或门，两个输入端，一个输入端接收PWM调制输出的PWM信号另一输入端则接收最大导通时间为的PWM信号PWMmax，其输出端输出周期为T，导通时间为的PWM信号
二极管D，并联在异或门的两个输入端之间，电阻R与异或门的另一个输入端连接，并接地，获取导通时间为的PWM信号PWMmax，并将该PWM信号作为基准信号；
低通滤波器LF，接在所述异或门的输出端，对PWM信号低通滤波，输出滤波之后的电压值vi(t)，
控制模块获取该电压值vi(t)，并通过获取并联系统均衡控制的偏差量的平均值
2.根据权利要求1所述的一种基于PWM滤波的并联系统均衡控制偏差量获取电路，其特征在于，所述同步触发单元可外接或内置。
3.根据权利要求1所述的一种基于PWM滤波的并联系统均衡控制偏差量获取电路，其特征在于，所述同步触发单元端设置同步信号接线端子J2。
4.根据权利要求1所述的一种基于PWM滤波的并联系统均衡控制偏差量获取电路，其特征在于，所述偏差量生成电路的基准信号获取端设有基准信号接线端子J1。
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