CN108616209B - 一种数字电源占空比最大值的动态调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字电源占空比最大值的动态调节方法，包括下述步骤：首先进行数据初始化，采集开关电源的输出电压V_o；然后通过输入电压V_in和所述的输出电压V_o计算动态调节占空比最大值D_max；再将该占空比最大值D_max和PI控制器的控制算法计算得到的占空比D进行比较；若D>D_max，则将当前的占空比D_set设置为D_max，否则D_set＝D，最后经驱动电路输出PWM驱动信号方波。本发明方法简单易用，且在数字处理芯片中所占据的内存空间和运算资源几乎可以忽略不计，同时集成了软启动、短路保护、抑制负载跳变所引起的电压过冲等多种保护功能，提升系统可靠性的同时不以牺牲开关电源的功率密度和效率为代价。

Description

一种数字电源占空比最大值的动态调节方法

技术领域

本发明涉及数字开关电源领域，特别涉及一种数字电源占空比最大值的动态调节方法。

背景技术

随着现代电源技术的发展，数字技术正在逐步成为电源系统设计的新趋势。目前整个市场中数字电源所占的比例正在逐步增长。相比起已经发展得很成熟且在工业上已大规模应用的模拟电源技术，数字开关电源具有更强的灵活性和适应性。数字开关电源的优势体现在，硬件系统的复杂程度并不随着功能的增加而增加，即在提高系统可靠性的情况下不以牺牲电路板面积为代价，保证了一定的功率密度。同时由于减少了无源器件的使用，整个开关电源系统的效率也会有所上升。其次相比起模拟开关电源，数字开关电源的抗干扰能力比较强，提高了工作的可靠性，且现阶段的数字处理器的运算能力较为强大，能快速处理目前较为先进且复杂的控制算法，同时其补偿网络的参数的调整较为方便，不需要去调节电路板上的无源器件，甚至可以根据工况的不同实时地调整补偿网络的参数，优化整个电源系统性能且保证了系统的稳定性。

以上种种灵活性使得数字开关电源在现阶段的电源发展中脱颖而出，但数字开关电源随着功能的增加，对数字处理芯片的运算能力也不断提高，这需要功能更为强大的数字处理芯片，增加了芯片面积的同时也增加了一定的功耗，对辅助电源功率的要求也随之提升，这在降低了系统的功率密度同时还降低了整个电源的效率，并且随着一些保护和监视功能的增加，也会占据芯片的运算资源，在某些特殊情况下可能造成系统控制时序的紊乱，给系统带来不稳定。因此需要一种集成多种保护功能的、占据较少运算资源的控制方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种数字电源占空比最大值动态调节方法，通过检测当前输出电压的大小来限制最大占空比，且本发明的方法适用于Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Flyback等多种电路拓扑。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种数字电源占空比最大值的动态调节方法，包括下述步骤：

S1、首先进行数据初始化，采集开关电源的输出电压V_o；

S2、通过输入电压V_in和所述的输出电压V_o计算动态调节占空比最大值D_max；

S3、将步骤S2求得的动态调节占空比最大值D_max和PI控制器的控制算法计算得到的占空比D进行比较；

S4、根据步骤S3的比较结果重新确定占空比，最后经驱动电路输出PWM驱动信号方波。

作为优选的技术方案，步骤S2中，计算动态调节占空比最大值D_max的过程如下：

计算输出电压V_o与输入电压V_in的比值为M(D)，M(D)与电源拓扑相关，即：

其中M(D)是关于占空比D的函数，则设定当前最大占空比D_max为：

其中ΔV为预先设定的经过一个开关周期后输出电压允许的增量，V_imin为输入电压最小值；由可解出当前设定的最大占空比D_max。

作为优选的技术方案，步骤S2中，所述输入电压最小值V_imin是一个固定的常数，通过预先计算出的值并储存在数字处理芯片内部。

作为优选的技术方案，步骤S3中，将最大占空比D_max与PI控制器的控制算法算出的占空比D相比较，若D﹥D_max，则将当前的占空比D_set设置为D_max，否则D_set＝D。

作为优选的技术方案，步骤S4中，输出PWM驱动信号方波，然后再采集数字开关电源的输出电压V_o，实时监测最大占空比，实现动态调节。

作为优选的技术方案，根据当前输出电压来限制最大占空比，在开关电源上电瞬间，此时输出电压V_o为零，根据可知此时的最大占空比D_max被限制在很低的水平，随着输出电压V_o逐步升高，对最大占空比D_max的限制也随之不断放宽，二者之间形成正反馈，快速地将输出电压V_o拉高到设定值，形成软启动过程。

作为优选的技术方案，在输出短路瞬间，输出电压V_o为零，根据计算出的最大占空比D_max被限制在很低的水平，最后由PI控制器的控制算法来完成开关管的完全关断，实现短路保护。

作为优选的技术方案，输出加载后，输出电压下降，由计算出的最大占空比D_max也随之下降，抑制了占空比的迅速抬升，确保输出电压平稳地恢复到设定值的水平。

本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：

(1)本发明数字电源占空比最大值动态调节方法对不同电路拓扑以及相同电路拓扑下不同的设计参数均有普遍的适用性，即相同的控制程序对多种应用场合具有普遍的适用性，其应用简单同时不占据处理器太多的储存空间及计算资源，甚至在Buck等电路拓扑下，仅需要一次加法及乘法即可计算出当前的最大占空比D_max，即增加了电源系统整体可靠性的同时几乎不占用任何资源，也不以牺牲系统的功率密度和效率为代价。

(2)本发明数字电源占空比最大值动态调节方法，通过检测当前输出电压的大小来限制最大占空比，以避免暂态过程中因为占空比过大造成电流过大而损坏功率器件。

(3)本发明数字电源占空比最大值动态调节方法，集成了软启动、短路保护、抑制负载跳变所引起的电压过冲等多种保护功能，提升系统可靠性的同时不以牺牲开关电源的功率密度和效率为代价。

附图说明

图1为本发明的数字电源占空比最大值动态调节方法；

图2(a)为本发明一个具体实施例的Buck电路原理示意图；

图2(b)为本发明实施例的数字控制器的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

如图1所示，一种数字电源占空比最大值的动态调节方法，包括下述步骤：

S1、首先进行数据初始化，采集开关电源的输出电压V_o；

S2、通过输入电压V_in和所述的输出电压V_o计算动态调节占空比最大值D_max；具体过程如下：

计算输出电压V_o与输入电压V_in的比值为M(D)，M(D)与电源拓扑相关，即：

其中不同的电路拓扑，M(D)函数不同，M(D)是关于占空比D的函数，则设定当前最大占空比D_max为：

其中ΔV为预先设定的经过一个开关周期后输出电压允许的增量，V_imin为输入电压最小值；由可解出当前设定的最大占空比D_max。。

S3、将步骤S2求得的动态调节占空比最大值D_max和PI(Proportional-Integral)的控制算法计算得到的占空比D进行比较；若D>D_max，则将当前的占空比D_set设置为D_max，否则D_set＝D。

S4、根据步骤S3的比较结果重新确定占空比，最后输出PWM驱动方波信号，一次调节完成；然后再采集数字开关电源的输出电压V_o，实时监测最大占空比，针对电路系统条件突然发生的变化，实现动态调节。

在本实施例中，根据当前输出电压来动态调节最大占空比的方法，可以方便地实现软启动功能，抑制电压电流的过冲。在开关电源上电瞬间，此时输出电压V_o为零，根据式(2)可知此时的最大占空比D_max被限制在很低的水平，随着输出电压V_o逐步升高，对最大占空比D_max的限制也随之不断放宽，二者之间形成正反馈，快速地将输出电压V_o拉高到设定值，形成软启动过程。相比起传统的数字软启动方法，即在启动阶段利用软件逐步放宽对最大占空比的限制，本实施例所述根据当前输出电压来动态调节最大占空比的方法计算简单，且不依赖于电路元件参数，具有普遍的适用性，同时其启动过程迅速并且能有效地抑制电压电流的过冲。

本实施例所述的根据当前输出电压来动态调节最大占空比的方法，可以实现短路保护功能。在输出短路瞬间，输出电压V_o为零，根据式(2)可知此时的最大占空比D_max被限制在很低的水平，故开关管的占空比D_set立刻被限制在很低的值，最后由PI控制器的控制算法来完成开关管的完全关断。该方法能在输出短路的第一时间做出迅速的反应，无需等待主控制算法对占空比做出相应调节，其保护延时极短，能有效地保护整个开关电源不受短路电流的冲击。

本实施例所述的根据当前输出电压来动态调节最大占空比的方法，可以抑制输出加载后可能会导致的输出电压过冲。输出加载后，此时输出电压V_o下降，据式(2)可知此时的最大占空比D_max也随之下降，抑制了占空比的迅速抬升，确保输出电压较为平稳地恢复到设定值的水平，不会有较大的电压过冲，从而保护了负载和相关的电路元件。

以Buck电路为例对本发明的具体实施方式做进一步阐述，Buck的电路原理图如图2(a)所示，相应的数字控制器的控制框图如图2(b)所示。其中Mos管的漏极与输入电源V_in的正极相连接，Mos管的源极与二极管D₁的阴极相连接，二极管D₁的阳极与输入电源V_in的负极相连接，同时二极管D₁两端并联一个LC低通滤波器，其中电容C上并联负载R，负载的两端电压为V_o。实际应用中，输入电压V_in通常会有一定的波动范围，设输入电压的最大值与最小值分别为V_imax和V_imin。

在本实施例Buck电路中，根据电力电子的相关知识易推导得出输出电压与输入电压的比值关系为：

其中D为Mos管驱动的占空比，且D＝M(D)。根据式(2)可得到，最大占空比D_max可设置为：

得到的最大占空比D_max与PI控制器得到的占空比D相比较之后确定最终设置的占空比D_set，经驱动电路输出最终的PWM驱动方波V_p。其中ΔV为预先设定的经过一个开关周期后输出电压允许的增量，为一个常数。V_o为开关电源实际运行过程中实时检测的输出电压的值，而V_imin也是一个固定的常数，可以预先计算出的值并储存在数字处理芯片内部，由式(4)可知仅需做一次加法和一次乘法即可得出最大占空比D_max的设定值，其占据的内存空间和运算资源几乎可以忽略不计，同时集成了软启动、短路保护、抑制负载跳变所引起的电压过冲等多种保护功能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (7)

1.一种数字电源占空比最大值的动态调节方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、首先进行数据初始化，采集开关电源的输出电压V_o；

S2、通过输入电压V_in和所述的输出电压V_o计算动态调节占空比最大值D_max；所述计算动态调节占空比最大值D_max的过程如下：

计算输出电压V_o与输入电压V_in的比值为M(D)，M(D)与电源拓扑相关，即：

其中M(D)是关于占空比D的函数，则设定当前最大占空比D_max为：

其中ΔV为预先设定的经过一个开关周期后输出电压允许的增量，V_imin为输入电压最小值；由可解出当前设定的最大占空比D_max；

S3、将步骤S2求得的动态调节占空比最大值D_max和PI控制器的控制算法计算得到的占空比D进行比较；

S4、根据步骤S3的比较结果重新确定占空比，最后经驱动电路输出PWM驱动信号方波。

2.根据权利要求1所述的数字电源占空比最大值的动态调节方法，其特征在于，步骤S2中，所述输入电压最小值V_imin是一个固定的常数，通过预先计算出的值并储存在数字处理芯片内部。

3.根据权利要求1所述的数字电源占空比最大值的动态调节方法，其特征在于，步骤S3中，将最大占空比D_max与PI控制器的控制算法算出的占空比D相比较，若D﹥D_max，则将当前的占空比D_set设置为D_max，否则D_set＝D。

4.根据权利要求1所述的数字电源占空比最大值的动态调节方法，其特征在于，步骤S4中，输出PWM驱动信号方波，然后再采集数字开关电源的输出电压V_o，实时监测最大占空比，实现动态调节。

5.根据权利要求1所述的数字电源占空比最大值的动态调节方法，其特征在于，根据当前输出电压来限制最大占空比，在开关电源上电瞬间，此时输出电压V_o为零，根据可知此时的最大占空比D_max被限制在很低的水平，随着输出电压V_o逐步升高，对最大占空比D_max的限制也随之不断放宽，二者之间形成正反馈，快速地将输出电压V_o拉高到设定值，形成软启动过程。

6.根据权利要求1所述的数字电源占空比最大值的动态调节方法，其特征在于，在输出短路瞬间，输出电压V_o为零，根据计算出的最大占空比D_max被限制在很低的水平，最后由PI控制器的控制算法来完成开关管的完全关断，实现短路保护。

7.根据权利要求1所述的数字电源占空比最大值的动态调节方法，其特征在于，输出加载后，输出电压下降，由计算出的最大占空比D_max也随之下降，抑制了占空比的迅速抬升，确保输出电压平稳地恢复到设定值的水平。