CN108599572A - 一种光耦隔离加权反馈控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光耦隔离加权反馈控制方法。本发明多路隔离输出电路的每一路输出电压信号分别经1#光耦反馈控制电路，2#光耦反馈控制电路，直至N#光耦反馈控制电路，N路光耦的输出端采取并联，并联后的输出电流经采样电阻，输出控制电压和控制电流，采样电阻的非接地端连接PWM控制器的反馈端，PWM控制器形成脉冲控制信号，经驱动电路后产生的驱动信号用来控制多路隔离输出电路中开关管的通断。本发明克服了体积大、成本高、可靠性差和各支路输出电压不稳定的缺陷。本发明提高效率、降低成本、增加功率密度和可靠性，能加快开发周期，易于产品化。

Description

一种光耦隔离加权反馈控制方法
技术领域
本发明涉及一种光耦隔离加权反馈控制方法，属于电力电子与电工技术领域。
背景技术
进入新世纪以来，多路输出开关电源及相应电子系统已广泛应用于贸易、工业和军事设置中，赢得了广泛的关注。多路输出开关电源大多数采用正激和反激变压器的多路副边绕组产生多路输出电压，理论上反激电源比正激电源更适用于多路输出的应用，但反激电源的多路输出所存在的交叉调整率问题导致它比正激电源更难设计，这主要是因为正激电路的后面具有耦合电感，而反激电路不存在滤波电感，且漏感不是零。反激电路由于交叉调整率的影响，导致所传递到副边的电流大多数会传递到漏感最小的那一路输出。如果这一路没有被用作开关管的PWM反馈控制，那么它的峰值就会很高；相反，如果这一路被用于开关管PWM的反馈控制，那么其他路的输出就会受到影响。
故欲使得反激电路中非反馈绕组的输出电压能相对稳定(允许一定的误差范围内)，则需要不断通过实验来调整反激电路中变压器的匝数，这就需要大量的调试时间，从而增加了开发周期。因此，通过变压器工艺调整漏感的办法，虽可实现能量传递的调整，但不利于产品化；若通过增加后级开关稳压电路，虽可实现每一路的稳定输出，但增加了多路隔离输出电路的体积和成本，并降低了可靠性。
对于多路输出电路的开关电源都要求相对稳定的应用场合下，目前采用的有效方法是(1)电阻加权反馈技术：各路输出的电压信号以一定的权重系数比例进行求和运算后得到比较电压，通过电阻的加权来进行反馈调节，可以使得每一路都能较好的稳定在允许范围之内。但电阻加权方法存在多路输出共地的问题，因此不适用于多路输出要求隔离的电源设计。(2)耦合电感技术：耦合电感技术是将一路输出通过反馈控制实现稳压，其它路输出电压由耦合电感与反馈支路中的电感耦合。该技术使每一路输出电压的稳压精度得到提升，且可以实现多路输出的隔离。但是耦合电感的每一路之间的匝数比需要满足相应的条件与要求，须通过实验不断调试得到合适参数，否则会对输出电压产生影响，这就增加了电路的设计难度，并增加成本。
可见，当前所采用的方法很难满足多路隔离输出开关电源所要求的设计简单、体积小、成本低、可靠性高、各支路输出电压相对稳定的要求。
发明内容
本发明目的就在于克服上述缺陷，提供一种光耦隔离加权反馈控制方法。
本发明的技术方案是：
一种光耦隔离加权反馈控制方法，特征在于多路隔离输出电路的每一路输出电压信号分别经1#光耦反馈控制电路，2#光耦反馈控制电路，直至N#光耦反馈控制电路，N路光耦的输出端采取并联，并联后的输出电流经采样电阻，输出控制电压和控制电流，采样电阻的非接地端连接PWM控制器的反馈端，PWM控制器形成脉冲控制信号，经驱动电路后产生的驱动信号用来控制多路隔离输出电路中开关管的通断。
所述的1#光耦反馈控制电路，2#光耦反馈控制电路，直至N#光耦反馈控制电路，特征在于在每个光耦反馈控制电路中，多路隔离输出电路的相应路输出电压与光耦限流电阻的一端连接，光耦限流电阻的另一端与光耦输入端中二极管的阳极相连接，光耦输入端中二极管的阴极与电压调节器的输出端相连接，N个光耦的输出端并联后与采样电阻的非接地端连接，采样电阻的非接地端再与PWM控制器的反馈端连接。
所述的一种光耦隔离加权反馈控制方法和光耦限流电阻，特征在于光耦限流电阻值的大小决定了多路隔离输出电路中相应路输出电压的反喷权重系数，根据每路输出所带载的轻重情况来确定光耦输入端的光耦限流电阻值，从而实现加权反馈系数。因各自光耦反馈控制电路中光耦的输出端采取并联，故各自光耦反馈控制电路中光耦的输出电流信号相加，从而形成加权电流，加权电流再经采样电阻后形成控制电流送到PWM控制器，由PWM控制器形成占空比以控制开关管的通断，从而实现多路隔离输出电压的稳定控制。
所述的加权反馈系数，特征在于多路隔离输出电路中带负载较重的那路输出所对应的光耦反馈控制电路中的光耦限流电阻值调整方法是：调整光耦限流电阻值使得该光耦的输出电流较大于其它光耦反馈控制电路中的光耦输出电流；多路隔离输出电路中带负载较轻的那路输出所对应的光耦反馈控制电路中的光耦限流电阻值调整方法是：调整光耦限流电阻值使得该光耦的输出电流较小于其它光耦反馈控制电路中的光耦输出电流。光耦限流电阻值的确定就决定了相应路输出电压的加权反馈系数。
本发明的优点在于采用光耦隔离加权反馈控制方法，实现了多路隔离输出电路的每一路输出与PWM控制地之间的隔离，也实现了各路输出之间的电气隔离。通过调整各路光耦反馈控制电路中光耦输入端的光耦限流电阻值，就可实现每一路输出电压的加权反馈系数，从而调整相应路输出电压的稳定度。本发明的优点还在于无须调整开关电源中的变压器漏感参数，能加快开发周期，易于产品化；无须在开关电源的输出支路增加稳压电路，可提高效率、降低成本、增加功率密度和可靠性；无须采用耦合电感，这样的设计简单，成本低。总之，采用本发明的一种光耦隔离加权反馈控制方法，可有效的设计多路隔离输出电路的开关电源，确保每一路输出电压在允许的范围之内，确保了多路隔离输出电源的高可靠性、高效率、高功率密度和低成本。
本发明的其它优点和效果将在下面继续说明。
附图说明
图1——本发明的电路组成示意图。
图2——本发明应用电路组成示意图。
图3——本发明由反激电路构成多路隔离输出电路的应用实例图。
图4——本发明应用实例输出电压仿真图。
图1中的符号名称：
图2中的符号名称：
图2中的其它符号名称同图1。
图3中的符号名称：
图3中的符号名称如图1和图2所示
具体实施方式
本发明的技术思路是：
针对当前要求多路隔离输出电路应用的场合，所存在的输出电压稳定度差、可靠性低、体积大、成本高和功率密度低的缺点，发明了一种光耦隔离加权反馈控制方法。对于变压器副边各支路输出电压，采用光耦反馈控制电路，在光耦的输出端采用并联连接，从而将各自光耦的输出电流信号相加形成加权电流，再经采样电阻后生成控制电流送到PWM控制器，生成所需占空比用以控制开关管的通断，以实现多路隔离输出电压的稳定控制；并根据每路输出所带载轻重情况来确定光耦输入端的限流电阻值，以实现加权反馈系数，从而实现多路隔离输出电压的稳定控制。
下面具体说明本发明。
如图1和图2所示，本发明的部件构成：1#光耦反馈控制电路1，2#光耦反馈控制电路2，直至N#光耦反馈控制电路3，采样电阻4，PWM控制器5，驱动电路6，多路隔离输出电路7构成，其中1#光耦反馈控制电路1，2#光耦反馈控制电路2，直至N#光耦反馈控制电路3，采样电阻4构成光耦隔离加权反馈电路8，多路隔离输出电路7由开关管Q、高频变压器TR和整流电路构成。
发明的一种光耦隔离加权反馈控制方法，如图1和图2所示，其特征在于多路隔离输出电路7的每一路输出电压信号分别经1#光耦反馈控制电路1，2#光耦反馈控制电路2，直至N#光耦反馈控制电路3，N路光耦的输出端采取并联，并联后的输出电流is经采样电阻Rs，输出控制电压vs和控制电流ic，采样电阻Rs的非接地端连接PWM控制器5的反馈端FB，PWM控制器5形成脉冲控制信号vd，vd经驱动电路6后产生的驱动信号vdr用来控制多路隔离输出电路7中开关管Q的通断，从而实现多路隔离输出电路7的每路输出电压(Vo1，Vo2，…，Von)的相对稳定。
如图1和图2所示，所述的1#光耦反馈控制电路1，2#光耦反馈控制电路2，直至N#光耦反馈控制电路3，在每个光耦反馈控制电路中，多路隔离输出电路7的相应路输出电压(Vo1，Vo2，…，Von)与光耦限流电阻(Ro1，Ro2，…，Ron)的一端连接，光耦限流电阻(Ro1，Ro2，…，Ron)的另一端与相应光耦(OC1，OC2，…OCn)输入端中二极管的阳极连接，光耦(OC1，OC2，…，OCn)输入端中二极管的阴极与相应电压调节器(IC1，IC2，…，ICn)的输出端相连接，N个光耦(OC1，OC2，…，OCn)的输出端并联后与采样电阻Rs的非接地端连接，采样电阻Rs的非接地端再与PWM控制器6的反馈端FB连接。
根据KCL方程知加权电流is等于1#光耦反馈控制电路1中光耦OC1的输出电流is1，2#光耦反馈控制电路2中光耦OC2的输出电流is2，直至N#光耦反馈控制电路3中光耦OCn的输出电流isn之和，即is＝is1+is2+…+isn。加权电流is流经采样电阻Rs形成控制电压vs和控制电流ic送到PWM控制器6的反馈输入端FB，由PWM控制器6生成占空比得以调节的脉冲控制信号vd，脉冲控制信号vd经驱动电路6生成驱动信号vdr用以控制多路隔离输出电路7中开关管Q，开关Q的通断使得高频变压器TR将能量传递到多个副边的输出电路，产生多路输出电压(Vo1，Vo2，…，Von)。
欲使得多路隔离输出电路7中的多路输出电压(Vo1，Vo2，…，Von)相对稳定，本发明将多路输出电压(Vo1，Vo2，…，Von)反馈到光耦隔离加权反馈电路8，光耦隔离加权反馈电路8由1#光耦反馈控制电路1，2#光耦反馈控制电路2，直至N#光耦反馈控制电路3构成，1#光耦反馈控制电路1中的电阻Rs11和Rs12对输出电压Vo1进行分压得到反馈采样电压Vo1s，2#光耦反馈控制电路2中的电阻Rs21和Rs22对输出电压Vo2进行分压得到反馈采样电压Vo2s，直至M#光耦反馈控制电路3中的电阻Rsn1和Rsn2对输出电压Von进行分压得到反馈采样电压Vons，多路隔离输出电路的反馈采样电压Vo1s，Vo2s，…，Vons送到电压调节器IC1，IC2，…，ICn的反向输入端，图2中的T01，T02，…，Ton均采用TL431，由TL431构成PI电压调节器，1#光耦反馈控制电路1中PI电压调节器的比例电阻为Rc11，积分电容为C11，2#光耦反馈控制电路2中PI电压调节器的比例电阻为Rc21，积分电容为C21，3#光耦反馈控制电路3中PI电压调节器的比例电阻为Rcn1，积分电容为Cn1。如图2所示反馈采样电压Vo1s，Vo2s，…，Vons送到TL431的反馈端，TL431内部存在2.5V的基准电压，故须根据多路隔离输出电路7中的多路输出电压(Vo1，Vo2，…，Von)大小，来设置相应的分压电阻Rs11和Rs12、Rs21和Rs22、…，Rsn1和Rsn2的值，以实现输出反馈采样电压Vo1s，Vo2s，…，Vons为2.5V。PI调节器的输出电压，即T01，T02，…，Ton的输出电压Vreg1，Vreg2，…，Vregn，多路隔离输出电路7中的多路输出电压Vo1，Vo2，…，Von与调节器的输出电压调节器的输出电压Vreg1，Vreg2，…，Vregn分别加在光耦OC1，OC2，…，OCn的光耦限流电阻Ro1，Ro2，…，Ron的一端和相应光耦输入端二极管的阴圾，从而产生光耦OC1，OC2，…，OCn输入端电流ios1，ios2，…，iosn，这里的光耦采用线性光耦，因此光耦OC1，OC2，…，OCn输出端电流is1，is2，…，isn线性反应了相应光耦输入端电流ios1，ios2，…，iosn的大小，相应光耦输出电流is1，is2，…，isn也因此反应了多路隔离输出电路7中的多路输出电压Vo1，Vo2，…，Von的变化情况。因本发明中光耦OC1，OC2，…，OCn输出端采取并联，故由KCL方程知光耦输出端电流is1，is2，…，isn相加得到is，is在本发明中被定义成加权电流，故光耦输出端的电流is1，is2，…，isn分别与is相除便得到了相应每路输出电压的反馈权重系数(简称加权反馈系数)。加权电流is流经采样电阻Rs形成控制电压vs和控制电流ic送到PWM控制器6的反馈输入端FB，由PWM控制器6根据负反馈规律生成占空比得以调节的脉冲控制信号vd，脉冲控制信号vd经驱动电路6生成驱动信号vdr来控制多路隔离输出电路7中开关管Q，经开关Q的通断将合适的能量传递到高频变压器TR副边，生成相对稳定的多路输出电压(Vo1，Vo2，…，Von)。
因为光耦输出电流is1，is2，…，isn与相应光耦输入端的光耦限流电阻Ro1，Ro2，…，Ron值有关系，故所述的一种光耦隔离加权反馈控制方法和光耦限流电阻，特征在于光耦限流电阻值的大小决定了多路隔离输出电路7中相应路输出电压的反馈权重系数，可根据每路输出所带载的轻重情况来确定光耦输入端的光耦限流电阻Ro1，Ro2，…，Ron值，从而实现加权反馈系数。
所述的加权反馈系数，关键是加权反馈系数的调整方法如下：在多路隔离输出电路7中，带负载较重的那路输出所对应的光耦反馈控制电路中的光耦限流电阻值调整方法是：调整光耦限流电阻值，使得该光耦的输出电流较大于其它光耦反馈控制电路中的光耦输出电流；多路隔离输出电路中带负载较轻的那路输出所对应的光耦反馈控制电路中的光耦限流电阻值调整方法是：调整光耦限流电阻值，使得该光耦的输出电流较小于其它光耦反馈控制电路中的光耦输出电流。
由以上描述知本发明公开了一种光耦隔离加权反馈控制方法，是对多路隔离输出电压进行反馈，每一路的输出电压反馈都相互隔离并实施控制，通过各自光耦的输出端并联，从而将各自光耦的输出电流信号相加形成控制电流ic，再经采样电阻Rs后送到PWM控制器6，由PWM控制器形成所需占空比经驱动电路6以控制开关管Q的通断，从而实现多路隔离输出电路7输出电压的稳定控制。在这种控制过程中，当某一路的输出电压大于(小于)设定值时，图2中，在多路隔离输出电路7中，当某一路输出电压(Vo1，V02，…，V0n)大于(小于)设定值时，具体不妨假设Vo1的电压发生变化，其它输出电压瞬间不变。Vo1变高(变低)后送到对应的1#光耦反馈控制电路1中，并由Rs11和Rs12分压采样后的信号Vo1s变高(变低)，并送入TO1(TL431)的反馈输入端，这个采样信号Vo1s与TO1(TL431)内部的2.5V参考电压值比较，TO1(TL431)输出信号Vreg1变低(变高)，从而致使光耦OC1的输入电流ios1变大(变小)，相应的光耦OC1的输出电流is1变大(变小)，与其它路光耦的输出电流is2，…，isn相加后得到的加权电流is变大(变小)，经采样电阻Rs后得到的控制电压vs和控制电流ic也变大(变小)，vs(ic)送入到PWM控制器5中的反馈端FB引脚，由PWM控制器5中产生较小(较大)占空比的脉冲控制信号vd，经驱动电路6产生占空比变小(变大)的驱动信号vdr以控制多路隔离输出电路7中开关管Q的通断，使得多路隔离输出电路7中的高频变压器TR传输较少(较多)的能量到副边，从而使得输出电压Vo1降低(升高)。可见实现了Vo1的负反馈控制，从而使得输出电压Vo1相对稳定，其它路输出电压的调节情况也如同Vo1。
由以上分析过程来看，对某一路的输出电量进行调节，势必会影响到其它路的输出电量值，故如此的调整过程会反复进行，通过反复调整以实现每一路输出电压的相对稳定。这种反复调整的过程，易引起振荡，针对这种情况，可以根据多路隔离输出的稳定度要求及所带负载的轻重情况，来设置相应光耦反馈控制电路中光耦输入端的限流电阻(Ro1，Ro2，…，Ron)值，以实现最佳加权反馈系数，从而解决这一问题，并实现各路输出电量的相对稳定。加权反馈系数的设定原则是：对于输出负载较重的，或设计指标中对其稳定度要求较高的那路输出电量所对应的反馈权重系数应较大，具体可由仿真和实验验证来选取限流电阻(Ro1，Ro2，…，Ron)值。
以上描述过程中的1#光耦反馈控制电路1、2#光耦反馈控制电路2、乃至于N#光耦反馈控制电路3中采用的均是线性光耦；光耦反馈控制电路中电压调节器是由TL431构成的PI调节器，特别说明的是这里的电压调节器也可以由线性运算放大器构成，或采用数字控制芯片通过算法实现；另外由PWM控制器5中产生较小(较大)占空比的脉冲控制信号用以实现较少(较多)能量被传输到输出端，使得输出电压降低(升高)，这里所述的PWM控制器5可以根据控制电压信号vs或控制电流信号ic来改变占空比大小，所述的PWM控制器6可以是恒频控制芯片，也可以由变频控制芯片，它们均能实现占空比大小的改变。
实施例：
将本发明的一种光耦隔离加权反馈控制方法应用在反激电路中如图3：输入直流电压Vin＝310Vdc，有三路隔离输出直流电压分别是Vo1＝5.2V，Io1＝4A、Vo2＝5V，Io2＝2A、Vo3＝12V，Io3＝1A，另有一路为PWM控制器芯片供电的自馈电绕组，其输出电压为Vcc＝15V，为PWM控制器5、光耦及驱动电路6提供电源。主要器件的选型：高频变压器TR选用TDK PC44材料的PQ32/30，原边与副边的匝数比是23∶2∶2∶4∶5，分别对应三路隔离输出5.2V、5V、12V和自馈电15V的输出。原边开关Q选用IXYS公司的IXFH20N85X，额定电压和额定电流分别是850V、20A；副边整流二极管D4，D5，D6选用安森关的肖特基二极管MBR2060CT(20A/60V)，自馈电电路中的整流二极管D7选用PANJI的RS1DW(1A/140V)。光耦选用威盛公司的SFH615A，该光耦具有很好的线性低耦合和高隔离电压的特点。N1是PWM控制器，选用安森关(OnSemiconductor)公司的NCP1351B，该控制器是一款固定导通时间、改变关断时间的变频控制芯片，适用于小功率反激变换器的控制，采用固定峰值电流模式；若流进反馈引脚FB的反馈电流ic增大，则DR引脚所输出脉冲控制信号vd的频率减小，从而使得等效占空比变小，致使开关频率随负载变轻而降低，因而提供了极好的空载性能。PWM控制器NCP1351B的启动电压最高达28V，因此设定降压电阻R1的阻值为880kΩ，分压电阻R2和稳压电容C1分别为1MΩ和10uF。
驱动电路6由NPN型三极管和PNP型三极管构成图腾柱电路实现，NPN型三极管选用Philips Semiconductors的PMBT2222，PNP型三极管选用的是Philips Semiconductors公司的PMBT2907三极管。光耦反馈控制电路中的电压调节器采用TL431及其外围电路构成，TL431采用德州仪器公司(TI)生产的，它是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，应用到本案例中构成PI电压调节器。TL431内部基准电压是2.5V，故根据输出电压的大小，分压电阻Rs11、Rs21、Rs31的阻值分别取为5.1kΩ、5.1kΩ、10kΩ，Rs12、Rs22、Rs32阻值取为5kΩ、5.1kΩ、3.5kΩ。采样电阻Rs为2.5kΩ，开关管保护电阻为10kΩ。5.2V支路负载阻值RL1为1.3Ω，5V支路负载阻值RL2为2.5Ω，12V支路负载阻值RL3为12Ω。PI调节器的反馈支路比例电阻Rc11，Rc21，Rc31取50kΩ，积分电容C11，C21，C31取25nF。
根据加权反馈系数的调整方法：对于带负载较重输出所对应的光耦反馈控制电路，调整光耦限流电阻值使得该光耦的输出电流较大于其它光耦反馈控制电路中的光耦输出电流；对于带负载较轻的那路输出所对应的光耦反馈控制电路，调整光耦限流电阻值使得该光耦的输出电流较小于其它光耦反馈控制电路中的光耦输出电流。最终确定了光耦限流电阻Ro1、Ro2、Ro3分别为1.3kΩ，1.2kΩ，2.5kΩ。对以上设计采用Psim仿真软件进行仿真，仿真波形如图4，从上到下依次是输出V5V(V)，V52V(V)和V12V(V)的波形，分别对应的是Vo1，Vo2，Vo3。在0.02365s对5V输出突加负载，由仿真波形见，该路能迅速的稳定到5V，而相应的5.2V与12V两路输出未见明显波动。故仿真表明采用本发明的光耦隔离加权反馈控制方法能实现多路输出电压的相对稳定。
综上所述，采用本发明方法，可以应用到多路隔离输出开关电源的设计中，以实现多路隔离输出电压的相对稳定。本发明具有以下优点和特点：
(1)多路隔离输出的电压通过光耦实现加权反馈，使得每路输出电压都能稳定在所需范围内；
(2)本发明的方法应用广泛，不局限于应用到反激电路、还可应用在正激电路和推挽电路等具有高频变压器隔离的多路输出开关电源中。
(3)本发明的方法实现了多路输出电源的电气隔离，从而为需要多路隔离供电的场合提供稳定电源。
(4)本发明方法也适用于多路隔离输出的恒流源设计。
(5)采用本发明方法设计的多路隔离输出开关电源，具有高可靠性、高功率密度、高稳定度和低成本。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种光耦隔离加权反馈控制方法，其特征在于多路隔离输出电路的每一路输出电压信号分别经1#光耦反馈控制电路，2#光耦反馈控制电路，直至N#光耦反馈控制电路，N路光耦的输出端采取并联，并联后的输出电流经采样电阻，输出控制电压和控制电流，采样电阻的非接地端连接PWM控制器的反馈端，PWM控制器形成脉冲控制信号，经驱动电路后产生的驱动信号用来控制多路隔离输出电路中开关管的通断。
2.根据权利要求1所述的一种光耦隔离加权反馈控制方法，其特征在于1#光耦反馈控制电路，2#光耦反馈控制电路，直至N#光耦反馈控制电路，在每个光耦反馈控制电路中，多路隔离输出电路的相应路输出电压与光耦限流电阻的一端连接，光耦限流电阻的另一端与光耦输入端中二极管的阳极相连接，光耦输入端中二极管的阴极与电压调节器的输出端相连接，N个光耦的输出端并联后与采样电阻的非接地端连接，采样电阻的非接地端再与PWM控制器的反喷端连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种光耦隔离加权反馈控制方法，其特征在于光耦限流电阻值的大小决定了多路隔离输出电路中相应路输出电压的反馈权重系数，根据每路输出所带载的轻重情况来确定光耦输入端的光耦限流电阻值，从而实现加权反馈系数。
4.根据权利要求3中所述的一种光耦隔离加权反馈控制方法，其特征在于加权反馈系数，多路隔离输出电路中带负载较重的那路输出所对应的光耦反馈控制电路中的光耦限流电阻值调整方法是：调整光耦限流电阻值使得该光耦的输出电流较大于其它光耦反馈控制电路中的光耦输出电流；多路隔离输出电路中带负载较轻的那路输出所对应的光耦反馈控制电路中的光耦限流电阻值调整方法是：调整光耦限流电阻值使得该光耦的输出电流较小于其它光耦反馈控制电路中的光耦输出电流。
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