CN107992147A - 一种可编程多路输出数字电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可编程多路输出数字电源。本发明通过I2C接口将对数字电源的设定程序写入装置，固化到内部寄存器中。装置通过内部数字到模拟转换器生成模拟基准电压，并与采样到的反馈电压进行比较，加之环路补偿电路与限流电路送回装置。装置内部通过模拟到数字转化器将模拟信号转化为数字量，由数字处理单元通过程序设定对数据进行处理。控制信号与振荡电路经由触发器生成控制信号到死区时间逻辑控制在过流保护电路设定下实现对输出电压控制。本发明为提升效率，可设置一种自动模式控制方式，即通过负载状况在脉冲频率调制与脉冲宽度调制之间自动切换的控制模式。
Description
技术领域
本发明涉及可编程多路输出数字电源，属于电源设备技术领域。
背景技术
电源是指将市电(尤其指交流电)转换为稳定直流电的装置，用于将其他形式的能转换成电能，用于各种电子设备。随着科技的进步，用电设备对电能的需求越来越高，尤其是精密仪器对稳定低电压电源的需求。近年来，各种IC功能越来越强大，它们对电源的需求随之变高，主要体现在对低电压、大电流、多路输出的需求上。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源具有体积小、重量轻、转换效率高、应用范围广等优点。
可编程电源是指电源的某些功能或参数可以通过上位机软件编程实现控制。数字控制方式具有可编程性，设计可延续性，元器件数量少、稳定度高。噪声小、单位时间内漂移小等一系列突出特性，因此近些年数字电源的应用越来越广泛。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以用数字编程实现对电源参数进行控制的多路输出电源。
本发明提供一种脉冲频率调制与脉冲宽度调制之间自动切换的控制方式，当电源空载、轻载时采用脉冲频率调制，负载超过设定值(该值可通过程序设定)将进入脉冲宽度调制，这种通过负载变化来设定电源工作模式，可使电源在宽输出电流范围内最大程度地提高效率。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种可编程多路输出数字电源，包括数字处理单元以及与其连接的输出单元；所述输出单元包括振荡电路、触发器、死区时间逻辑控制单元、过流保护电路、反馈电路、环路补偿电路、限流电路；
振荡电路，用于提供信号源；
触发器，用于控制信号在信号源的作用下，生成控制信号至死区时间逻辑控制单元；
死区时间逻辑控制单元，用于通过前级控制信号实现脉冲跳跃来选择导通模式，控制推挽输出；
过流保护电路，用于对推挽输出电流检测进行保护；
限流电路，用于对推挽输出的电源端进行限流，输出限流信号返回到数字处理单元和第一比较器的输入端A；
反馈电路，用于对电源输出电压采样进行处理并反馈到第二比较器输入端；
第二比较器，用于将反馈电路的输出与数字处理单元输出的设定值做差，差值输入至第一比较器的输入端B；
环路补偿电路，用于对该路输出单元进行补偿，输出模拟信号至第一比较器的输入端B；
第一比较器将模拟信号与第二比较器输出的差值叠加后，再与限流电路输出的限流信号做差，反馈至数字处理单元；
数字处理单元，用于将第一比较器的输出进行模数转换，并与阈值比较，其差生成控制信号至触发器；并将来自限流电路的限流信号与定值进行比较，若超出定值，则控制电源装置停止工作。
所述推挽输出包括P-FET管、N-FET管；两个管的栅极分别与死区时间逻辑控制单元的两个输出端连接，P-FET管的漏极与电源连接、源极与N-FET管的漏极连接并作为电源的电压输出端，N-FET管的源极接地。
所述数字处理单元接收限流电路的输出信号，与程序设定值进行比对，用于对电路进保护。
所述数字处理单元在电源装置内部；电源装置内还包括寄存器，用于连接存储器；存储器用于存储程序，电源工作时通过寄存器调用存储器中设定程序对电源进行控制。
所述输出单元为四个，相邻两路电压输出以90°异相运行，用于降低输入纹波电流。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明是具有高功率密度、小电压、大电流、最高可同时四路输出的数字可编程电源。
2.其应用范围广泛，包括电信、工业和通用电路，涉及使用DSP、微处理器、ASIC或FPGA等得低功耗电压系统。
附图说明
图1为本发明的数字电源结构。
图2为本发明的多路输出数字电源电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明公开了一种能够通过数字编程实现对输入、输出进行控制的可编程多路输出数字电源。本发明通过I2C接口将对数字电源的设定程序写入装置，固化到内部寄存器中。装置通过内部数字到模拟转换器生成模拟基准电压，并与采样到的反馈电压进行比较，加之环路补偿电路与限流电路送回装置。装置内部通过模拟到数字转化器将模拟信号转化为数字量，由数字处理单元通过程序设定对数据进行处理。控制信号与振荡电路经由触发器生成控制信号到死区时间逻辑控制在过流保护电路设定下实现对输出电压控制。装置可对四路输出进行控制，每路输出之间相互独立，可进行并联使用。通过程序编写，可实现对输出电压等一系列参数的精准控制。该数字电源为提升效率，可设置一种自动模式控制方式，即通过负载状况在脉冲频率调制与脉冲宽度调制之间自动切换的控制模式。
一种可编程多路输出数字电源，包括：
装置内部(为现有电源装置)、振荡电路、存储器、触发器、环路补偿电路、限流电路、死区时间逻辑控制、过流保护电路、反馈电路、两只开关管、电感与电容；各部分内部的结构均为现有技术。
对所述装置内部，通过程序设定来控制电源使能、欠压锁定，过温保护，过流保护，将反馈电路比较后的模拟信号通过模拟到数字转化器将模拟信号转化为数字量，由数字处理单元通过程序设定对数据进行处理，生成控制信号；
对所述振荡电路，可为电源提供稳定可靠的信号源；
对所述存储器，主要用来存储编写程序；
对所述触发器，将控制信号在信号源的作用下，生成PWM-PFM(自动模式)的控制信号，其中空载、轻载是采用PFM(脉冲频率调制)，负载超过设定值将进入PWM(脉冲宽度调制)；
对所述环路补偿电路，用于进行零极点补偿，提高电源环路稳定性；
对所述限流电路，通过硬件设定保护电源，输出信号返回到装置内部对电源进行控制；
对所述死区时间逻辑控制，可通过前级控制信号实现脉冲跳跃来选择导通模式：连续导通模式(CCM)、断续导通模式(DCM)；
对所述过流保护电路，对输出端电流检测进行保护，可快速对过载做出反应；
对所述反馈电路，对输出电压采样进行处理并反馈到比较器的电路；
对所述两只开关管，P-FET、N-FET组成推挽输出，用于提高电源输出特性；
对所述电感与电容，主要起到续流、储能以及对输出进行滤波的作用。
内部装置可通过I2C协议使用上位机将程序写入内部存储器，本发明在启动和电压变化过程中，会对转换率加以控制，从而最大限度地减少输出电压过冲和浪涌电流。
本发明可同时控制多达四路输出电压输出，各路内核以90°异相运行，从而降低输入纹波电流。
PWM-PFM(自动模式)，通过负载变化设定电源工作模式，可在宽输出电流范围内最大程度地提高效率。
I2C协议的程序，程序设定实现控制内容包括：输入欠压锁定电压下限、输出电压取值、输出电流限制上限、过热保护温度上限、系统时钟频率、自动模式转换设定值。
本发明也可设定强制脉宽调制操作。
如图2所示，所述反馈电路生成反馈信号与装置内部输出的基准电压进行比较，在环路补偿电路校正与限流电路控制下，生成最终的模拟反馈信号返回到装置内部，装置内部通过模拟到数字转换器生成数字控制信号送至后级。
基准电压是由程序设定，通过数字处理单元生成模拟信号。
如图2所示，所述多路输出指多达四路并行输出电压轨，各电压轨内核以90°异相运行，设定输出电压值相同的电压轨可并联使用，从而提高输出电流上限，满足FPGA类IC对IO口控制需要大电流的需求。
图2为本发明实施所述多路输出数字电源电路结构示意图。如图2所示，该电源有装置内部、振荡电路、存储器、触发器、环路补偿电路、限流电路、死区时间逻辑控制、过流保护电路、反馈电路、两只开关管、电感与电容构成。
装置内部包括使能和欠压、过温保护、I2C、寄存器、数字处理单元。数字处理单元可将接收的反馈模拟信号通过内部模拟到数字转换器生成数字信后，在程序设定下对输出进行控制。该装置可控制多达四路输出。
振荡电路，可为电源提供稳定可靠的信号源，支持标准(100kHz)、快速(400kHz)、快速+(1MHZ)和高速(3.4MHz)四种模式。
存储器，主要用来存储编写程序，可选一次性写入式(OTP EPROM)，也可选可擦除式(EPROM)。
触发器，将控制信号在信号源的作用下，生成PWM-PFM(自动模式)的控制信号，其中空载、轻载是采用PFM(脉冲频率调制)，负载超过设定值将进入PWM(脉冲宽度调制)，也可设定强制脉宽调制操作。模式的设定由编程实现。
环路补偿电路，用来提高电源环路稳定性。
限流电路，通过硬件设定保护电源，输出信号返回到装置内部对电源进行控制。
死区时间逻辑控制，可通过前级控制信号实现脉冲跳跃来选择连续导通模式(CCM)或断续导通模式(DCM)，提升电源整体效率。
过流保护电路，对输出端电流检测进行保护，因为使用硬件设计直接在开关管处采样，可快速对过载做出反应。
反馈电路，对输出电压采样进行处理并反馈到比较器的电路。
两只开关管，P-FET、N-FET组成推挽输出，用于提高电源输出特性。
电感与电容，主要起到续流、储能以及对输出进行滤波的作用。
如图1所示，ADC模拟数字转换器可以实时采样负载上的电压，在一定时间内将采样得到的电压量化成由逻辑1&0表达的数字信号，这些数字信号将被送入数字补偿器DPID中进行运算，得出下一周期功率管所需要开启的时间，即数字型脉宽控制信号。接下来脉宽调制信号被送入DPWM并用来控制功率管进行开启时间与关断时间交叉变化。本设计添加的通讯接口使得数字开关电源系统在通用性方面强于拥有严苛的分类及规格区别的模拟电源系统，本设计数字电源核心控制器使用I2C作为通讯方式，并使得每枚核心控制芯片都有唯一可控的地址位，以方便多电源串行使用。数字电源系统可以通过I2C通讯接口调整自身DPID的运算。除了这些特殊模块外，其他诸如软启动，电源保护模块，功率模块等基本模块都可以直接承接模拟电源解决方案。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使响应技术方案的本质脱离本发明个实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种可编程多路输出数字电源，其特征在于，包括数字处理单元以及与其连接的输出单元；所述输出单元包括振荡电路、触发器、死区时间逻辑控制单元、过流保护电路、反馈电路、环路补偿电路、限流电路；
振荡电路，用于提供信号源；
触发器，用于控制信号在信号源的作用下，生成控制信号至死区时间逻辑控制单元；
死区时间逻辑控制单元，用于通过前级控制信号实现脉冲跳跃来选择导通模式，控制推挽输出；
过流保护电路，用于对推挽输出电流检测进行保护；
限流电路，用于对推挽输出的电源端进行限流，输出限流信号返回到数字处理单元和第一比较器的输入端A；
反馈电路，用于对电源输出电压采样进行处理并反馈到第二比较器输入端；
第二比较器，用于将反馈电路的输出与数字处理单元输出的设定值做差，差值输入至第一比较器的输入端B；
环路补偿电路，用于对该路输出单元进行补偿，输出模拟信号至第一比较器的输入端B；
第一比较器将模拟信号与第二比较器输出的差值叠加后，再与限流电路输出的限流信号做差，反馈至数字处理单元；
数字处理单元，用于将第一比较器的输出进行模数转换，并与阈值比较，其差生成控制信号至触发器；并将来自限流电路的限流信号与定值进行比较，若超出定值，则控制电源装置停止工作。
2.根据权利要求1所述的一种可编程多路输出数字电源，其特征在于，所述推挽输出包括P-FET管、N-FET管；两个管的栅极分别与死区时间逻辑控制单元的两个输出端连接，P-FET管的漏极与电源连接、源极与N-FET管的漏极连接并作为电源的电压输出端，N-FET管的源极接地。
3.根据权利要求1所述的一种可编程多路输出数字电源，其特征在于，所述数字处理单元接收限流电路的输出信号，与程序设定值进行比对，用于对电路进保护。
4.根据权利要求1所述的一种可编程多路输出数字电源，其特征在于，所述数字处理单元在电源装置内部；电源装置内还包括寄存器，用于连接存储器；存储器用于存储程序，电源工作时通过寄存器调用存储器中设定程序对电源进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种可编程多路输出数字电源，其特征在于，所述输出单元为四个，相邻两路电压输出以90°异相运行，用于降低输入纹波电流。
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