CN108736716A - 一种dc/dc变换器的数字式仿电流控制器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DC/DC变换器的数字式仿电流控制器及其控制方法，该控制器包括：驱动电路、采集模块、仿电流控制模块和PWM模块；DC/DC变换器的输出滤波电感电流检测端子、输出电压检测端子、输入电压检测端子分别与采集模块的三个输入端相连接；采集模块的第四输入端与PWM模块的第一输出端相连接；采集模块的三个输出端分别与仿电流控制模块的三个输入端相连接；仿电流控制模块的输出端与PWM模块的输入端相连接；PWM模块的第二输出端与驱动电路的输入端相连接。本发明每个开关周期只进行一次采样，避免了电流采样过程中的高频扰动，降低了对采样电路的要求；采用数字式控制方式，且控制算法简单，控制电路的运算量小，成本低，稳定可靠，适合批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及电流控制器技术领域，尤其涉及一种DC/DC变换器的数字式仿电流控制器及其控制方法。
背景技术
在电压模式控制的DC/DC变换器中，开关管导通时间的变化需等待输出变化反馈到误差放大器时才会发生，即系统响应有较大延迟；当变压器磁芯工作点偏离磁滞回线原点，会出现偏磁现象。
使用电流控制模式的DC/DC变换器，其输入电压的变化会立即引起开关管导通时间的调整，极大提升了系统的响应速度。对于推挽类型的DC/DC变换器，使用电流控制模式可以从源头上杜绝变压器偏磁的问题。
但电流控制模式对电流信号的采样要求较高，电流采样被扰动时系统容易发生震荡。电流控制模式的DC/DC变换器通常使用模拟电路搭建控制器，若使用数字式处理器进行控制则需要较大的运算量以及稳定精确的高频率采集，造成控制电路成本的上升。
为避免采集过程中的扰动，可使用模拟电路搭建的仿电流控制器，但需要通过一个RC电路去模拟DC/DC变换器电感电流上升的过程。该设计的控制精度难以得到保证，且不适应批量化生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种DC/DC变换器的数字式仿电流控制器及其控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种DC/DC变换器的数字式仿电流控制器，该控制器与DC/DC变换器相连，该控制器包括：驱动电路、采集模块、仿电流控制模块和PWM模块；其中：
DC/DC变换器的输出滤波电感电流检测端子、输出电压检测端子、输入电压检测端子分别与采集模块的第一输入端、第二输入端、第三输入端相连接；
采集模块的第四输入端与PWM模块的第一输出端相连接；采集模块的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别与仿电流控制模块的第一输入端、第二输入端、第三输入端相连接；
仿电流控制模块的输出端与PWM模块的输入端相连接；PWM模块的第二输出端与驱动电路的输入端相连接；驱动电路的输出端与DC/DC变换器的开关管相连。
进一步地，本发明的仿电流控制模块包括：第一减法器、第二减法器、第三减法器、第四减法器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器和第一除法器；仿电流控制模块通过其第一输入端、第二输入端、第三输入端分部接收到数字量：采集电流值iL、输出电压uo、输入电压ui；仿电流控制模块还包括比例积分运算模块；其中：
输出电压uo送入第一减法器的+端，目标电压uref送入第一减法器的-端；第一减法器的输出值ek送入比例积分运算模块进行PID调节，得到电压外环输出值ep；
电压外环输出值ep和采集电流值iL分别送入第二减法器的+端和-端，第二减法器的输出值与电感量L的值送入第一乘法器的两端；
斜率补偿系数Δr的值与电感量L的值送入第二乘法器的两端；
输出电压uo送入第三减法器的+端，输入电压ui送入第三减法器的-端；
第二乘法器的输出值送入第四减法器的+端，第三减法器的输出值送入第四减法器的-端；
第一乘法器的输出值与第四减法器的输出值分别送入第一除法器的分子端与分母端，得到输出值ton，即本周期开关管应开通的时间；
第一除法器的输出值ton与PWM模块计数器的频率fc送入第三乘法器的两端，得到与PWM模块对应的比较值cmp。
进一步地，本发明的采集模块包括采样电路和A/D转换电路；采样电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端分别与采集模块的第一输入端、第二输入端、第三输入端相连，将DC/DC变换器送入的输出滤波电感电流、输出电压、输入电压分别送入采样电路的第一输入端、第二输入端、第三输入端；采样电路的输出端与A/D转换电路的第一输入端相连，A/D转换电路的第二输入端与采集模块的第四输入端相连；A/D转换电路的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别与采集模块的第一输出端、第二输出端、第三输出端相连。
进一步地，本发明的PWM模块内设置有计数器和输出滤波电感，计数器的频率为fc，输出滤波电感的电感量为L。
进一步地，本发明的当开关管开通时，采集模块接收到PWM模块发出的采样启动触发脉冲SOC，其A/D转换电路触发一次A/D转换，将开关管开通时IL、Uo、Ui的瞬时值转换为数字量：采集电流值iL、输出电压uo、输入电压ui；通过采集模块的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别将数字量iL、uo、ui送入仿电流控制模块进行计算。
进一步地，本发明的仿电流控制模块将其输出值cmp输出至PWM模块进行脉冲宽度调制；PWM模块的计数器从最大值PHS处递减计数，当计数器的值CTR＝0时，计数器重置为CTR＝PHS并重新开始递减计数；当PWM模块(140)计数器的值CTR＝cmp时，产生持续的高电平，同时产生一次采样启动触发脉冲SOC；当CTR＝0时产生持续的低电平；以此方式得到的驱动电平信号S通过PWM模块的第二输出端送入驱动电路的输入端；驱动电路将驱动电平信号S转换为能正确驱动开关管开通和关断的驱动信号G，并通过驱动电路的输出端送入DC/DC变换器的开关管。
本发明提供一种DC/DC变换器的数字式仿电流控制器的控制方法，包括以下步骤：
S110:采集模块获取到采样启动触发脉冲SOC，将DC/DC变换器的输入电压Ui，输出电压Uo，电感电流谷值IL转换为数字量ui、uo、iL并送至仿电流控制模块进行运算处理；
S120:仿电流控制模块的比例积分运算模块对误差量ek进行运算处理得到电压外环的输出值ep；
S130:仿电流控制模块对输出值ep与输入电压ui、输出电压uo、电感电流iL、电感量L进行计算处理得到电流内环的输出值ton；
S140:将电流内环输出值ton拟合为与PWM模块相对应的值cmp；
S150:PWM模块获取cmp的值并进行脉冲宽度调制得到开关管的驱动电平S；
S151:驱动电平S置高的同时产生一次采样启动触发脉冲SOC；
S160:驱动电路获取驱动电平S并将其转换为能正确驱动开关管的驱动信号G。
本发明产生的有益效果是：本发明的DC/DC变换器的数字式仿电流控制器及其控制方法，该控制器利用DC/DC变换器电感量已知的特点，求出电感电流上升的斜率；利用开关管开通瞬间触发采样，获得电感电流的谷值；通过计算实现数字式仿电流控制。设计这种数字式仿电流控制器，使得DC/DC变换器输入电压的变化会立即引起开关管导通时间的调整，系统的动态性能好，鲁棒性强且PID参数易于整定；对于推挽类型的变换器，可从源头上杜绝变压器偏磁的问题。本发明的数字式仿电流控制器每个开关周期只进行一次采样，因此避免了电流采样过程中的高频扰动，降低了对采样电路的要求；采用数字式控制方式，且控制算法简单，控制电路的运算量小，成本低，稳定可靠，适合批量化生产。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为数字式仿电流控制器的原理框图
图2为本发明的数字式脉冲宽度调制方式示意图。
图3为本发明的控制流程图。
图4为本发明应用在推挽变换器上的结构示意图。
图5为本发明应用在推挽变换器上的控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的DC/DC变换器的数字式仿电流控制器应用于推挽变换器，包括驱动电路110、驱动电路111、采集模块120、仿电流控制模块130、PWM模块140、PWM模块141。其中采集模块120包含采样电路121、A/D转换电路122；仿电流控制模块包含比例积分运算模块131；本实施例中，推挽变换器输出滤波电感的电感量L＝150μH，变压器的四个绕组匝数相等。额定输入电压Ui＝54V，输出目标电压uref＝30～50V，开关频率为100kHz。PWM模块140与PWM模块141的计数器相位互差180°，计数频率为fc＝150mHz，计数器最大值PHS＝1500。
推挽变换器工作于电感电流连续模式(CCM)且变压比M>0.5，故其占空比D＝0.5M>0.25。为使环路稳定，需对电压外环输出值ep进行斜坡补偿，本例中补偿的斜率为Δr＝uo/L。
DC/DC变换器的输出滤波电感电流IL检测端子与采集模块120的输入端in_1相连接；DC/DC变换器的输出电压Uo检测端子与采集模块120的输入端in_2相连接；DC/DC变换器的输入电压Ui检测端子与采集模块120的输入端in_3相连接；采集模块120的输入端in_9与PWM模块140的输出端out_51相连接；采集模块120的输入端in_9与PWM模块141的输出端out_52相连接；采集模块120的输出端out_1、out_2、out_3分别与仿电流控制模块130的输入端in_4、in_5、in_6相连接；仿电流控制模块130的输出端out_41与PWM模块140的输入端in_71相连接；仿电流控制模块130的输出端out_42与PWM模块141的输入端in_72相连接；PWM模块140的输出端out_61与驱动电路110的输入端in_81相连接；PWM模块141的输出端out_62与驱动电路111的输入端in_82相连接；驱动电路110的输出端out_71与DC/DC变换器的开关管Vs1相连。驱动电路111的输出端out_72与DC/DC变换器的开关管Vs2相连。
开关周期的起始时刻，开关管Vs1导通，采集模块120接收到PWM模块140发出的采样启动触发脉冲SOC时，其A/D转换电路122触发一次A/D转换，将开关管开通时IL、Uo、Ui的瞬时值转换为数字量iL、uo、ui。通过采集模块120的输出端out_1、out_2、out_3分别将数字量iL、uo、ui送入仿电流控制模块130进行计算。
仿电流控制模块130通过其输入端in_4、in_5、in_6接收到数字量iL、uo、ui后，对其进行计算处理，其流程如下：
输出电压uo送入减法器1的+端，目标电压uref送入减法器1的-端。减法器1的输出值ek送入比例积分运算模块131进行PID调节，得到电压外环输出值ep。电压外环输出值ep和采集电流值iL分别送入减法器2的+端和-端。减法器2的输出值与电感量L的值送入乘法器1的两端。斜率补偿系数Δr的值与电感量L的值送入乘法器2的两端。输出电压uo送入减法器3的+端，输入电压ui送入减法器3的-端。乘法器2的输出值送入减法器4的+端，减法器3的输出值送入减法器4的-端。乘法器1的输出值与减法器4的输出值分别送入除法器1的分子端与分母端，得到输出值ton，即本周期开关管应开通的时间。除法器1的输出值ton与PWM模块140计数器的频率fc送入乘法器3的两端，得到与PWM模块140对应的比较值cmp1。
仿电流控制模块130将cmp1的值输出至PWM模块140进行脉冲宽度调制。如图3所示，PWM模块140的计数器从最大值PHS处递减计数，当计数器的值CTR＝0时，计数器重置为CTR＝PHS并重新开始递减计数。当PWM模块140计数器的值CTR＝cmp1时，产生持续的高电平，同时产生一次采样启动触发脉冲SOC；当CTR＝0时产生持续的低电平。以此方式得到的驱动电平信号S1通过PWM模块140的输出端out_61送入驱动电路110的输入端in_81。驱动电路110将上述电平信号S1转换为能正确驱动开关管开通和关断的驱动信号G1，并通过驱动电路110的输出端out_71送入DC/DC变换器的开关管Vs1。
当主电路的开关管Vs2导通时，重复上述采集与计算的流程，得到与PWM模块141对应的比较值cmp2。将cmp2的值输出至PWM模块141进行与上述相同方法的脉冲宽度调制。PWM模块141的计数器相位与PWM模块140相差180°，因此产生的驱动电平信号S2与驱动电平信号S1也相差180°。驱动电平信号S2通过PWM模块141的输出端out_62送入驱动电路111的输入端in_82。驱动电路111将上述电平信号S2转换为能正确驱动开关管开通和关断的驱动信号G2，并通过驱动电路111的输出端out_72送入DC/DC变换器的开关管Vs2。
本发明施例的控制方法包括以下步骤：
S110:开关管Vs1导通，采集模块120获取到采样启动触发脉冲SOC。将DC/DC变换器的输入电压Ui，输出电压Uo，电感电流谷值IL转换为数字量ui、uo、iL并送至仿电流控制模块130进行运算处理。
S120:仿电流控制模块130的比例积分运算模块131对误差量ek进行运算处理得到电压外环的输出值ep。
S130:仿电流控制模块130对输出值ep与输入电压ui、输出电压uo、电感电流iL、电感量L进行计算处理得到电流内环的输出值ton。
S140:将电流内环输出值ton拟合为与PWM模块140相对应的值cmp1。
S150:PWM模块140获取cmp1的值并进行脉冲宽度调制得到开关管的驱动电平S1。
S151:驱动电平S1置高的同时产生一次采样启动触发脉冲SOC。
S160:驱动电路110获取驱动电平S并将其转换为能正确驱动开关管的驱动信号G1。
S110:开关管Vs2导通，采集模块120获取到采样启动触发脉冲SOC。将DC/DC变换器的输入电压Ui，输出电压Uo，电感电流谷值IL转换为数字量ui、uo、iL并送至仿电流控制模块130进行运算处理。
S120:仿电流控制模块130的比例积分运算模块131对误差量ek进行运算处理得到电压外环的输出值ep。
S130:仿电流控制模块130对输出值ep与输入电压ui、输出电压uo、电感电流iL、电感量L进行计算处理得到电流内环的输出值ton。
S240:将电流内环输出值ton拟合为与PWM模块141相对应的值cmp2。
S250:PWM模块141获取cmp2的值并进行脉冲宽度调制得到开关管的驱动电平S2。
S251:驱动电平S2置高的同时产生一次采样启动触发脉冲SOC。
S260:驱动电路111获取驱动电平S2并将其转换为能正确驱动开关管的驱动信号G2。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种DC/DC变换器的数字式仿电流控制器，该控制器与DC/DC变换器相连，其特征在于，该控制器包括：驱动电路(110)、采集模块(120)、仿电流控制模块(130)和PWM模块(140)；其中：
DC/DC变换器的输出滤波电感电流检测端子、输出电压检测端子、输入电压检测端子分别与采集模块(120)的第一输入端、第二输入端、第三输入端相连接；
采集模块(120)的第四输入端与PWM模块(140)的第一输出端相连接；采集模块(120)的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别与仿电流控制模块(130)的第一输入端、第二输入端、第三输入端相连接；
仿电流控制模块(130)的输出端与PWM模块(140)的输入端相连接；PWM模块(140)的第二输出端与驱动电路(110)的输入端相连接；驱动电路(110)的输出端与DC/DC变换器的开关管相连。
2.根据权利要求1所述的DC/DC变换器的数字式仿电流控制器，其特征在于，仿电流控制模块(130)包括：第一减法器、第二减法器、第三减法器、第四减法器、第一乘法器、第二乘法器、第三乘法器和第一除法器；仿电流控制模块(130)通过其第一输入端、第二输入端、第三输入端分部接收到数字量：采集电流值iL、输出电压uo、输入电压ui；仿电流控制模块(130)还包括比例积分运算模块(131)；其中：
输出电压uo送入第一减法器的+端，目标电压uref送入第一减法器的-端；第一减法器的输出值ek送入比例积分运算模块(131)进行PID调节，得到电压外环输出值ep；
电压外环输出值ep和采集电流值iL分别送入第二减法器的+端和-端，第二减法器的输出值与电感量L的值送入第一乘法器的两端；
斜率补偿系数Δr的值与电感量L的值送入第二乘法器的两端；
输出电压uo送入第三减法器的+端，输入电压ui送入第三减法器的-端；
第二乘法器的输出值送入第四减法器的+端，第三减法器的输出值送入第四减法器的-端；
第一乘法器的输出值与第四减法器的输出值分别送入第一除法器的分子端与分母端，得到输出值ton，即本周期开关管应开通的时间；
第一除法器的输出值ton与PWM模块(140)计数器的频率fc送入第三乘法器的两端，得到与PWM模块(140)对应的比较值cmp。
3.根据权利要求1所述的DC/DC变换器的数字式仿电流控制器，其特征在于，采集模块(120)包括采样电路(121)和A/D转换电路(122)；采样电路(121)的第一输入端、第二输入端、第三输入端分别与采集模块(120)的第一输入端、第二输入端、第三输入端相连，将DC/DC变换器送入的输出滤波电感电流、输出电压、输入电压分别送入采样电路(121)的第一输入端、第二输入端、第三输入端；采样电路(121)的输出端与A/D转换电路(122)的第一输入端相连，A/D转换电路(122)的第二输入端与采集模块(120)的第四输入端相连；A/D转换电路(122)的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别与采集模块(120)的第一输出端、第二输出端、第三输出端相连。
4.根据权利要求1所述的DC/DC变换器的数字式仿电流控制器，其特征在于，PWM模块(140)内设置有计数器和输出滤波电感，计数器的频率为fc，输出滤波电感的电感量为L。
5.根据权利要求3所述的DC/DC变换器的数字式仿电流控制器，其特征在于，当开关管开通时，采集模块(120)接收到PWM模块(140)发出的采样启动触发脉冲SOC，其A/D转换电路(122)触发一次A/D转换，将开关管开通时IL、Uo、Ui的瞬时值转换为数字量：采集电流值iL、输出电压uo、输入电压ui；通过采集模块(120)的第一输出端、第二输出端、第三输出端分别将数字量iL、uo、ui送入仿电流控制模块(130)进行计算。
6.根据权利要求4所述的DC/DC变换器的数字式仿电流控制器，其特征在于，仿电流控制模块(130)将其输出值cmp输出至PWM模块(140)进行脉冲宽度调制；PWM模块(140)的计数器从最大值PHS处递减计数，当计数器的值CTR＝0时，计数器重置为CTR＝PHS并重新开始递减计数；当PWM模块(140)计数器的值CTR＝cmp时，产生持续的高电平，同时产生一次采样启动触发脉冲SOC；当CTR＝0时产生持续的低电平；以此方式得到的驱动电平信号S通过PWM模块(140)的第二输出端送入驱动电路(110)的输入端；驱动电路(110)将驱动电平信号S转换为能正确驱动开关管开通和关断的驱动信号G，并通过驱动电路(110)的输出端送入DC/DC变换器的开关管。
7.一种DC/DC变换器的数字式仿电流控制器的控制方法，其特征在于,包括以下步骤：
S110:采集模块(120)获取到采样启动触发脉冲SOC，将DC/DC变换器的输入电压Ui，输出电压Uo，电感电流谷值IL转换为数字量ui、uo、iL并送至仿电流控制模块(130)进行运算处理；
S120:仿电流控制模块(130)的比例积分运算模块(131)对误差量ek进行运算处理得到电压外环的输出值ep；
S130:仿电流控制模块(130)对输出值ep与输入电压ui、输出电压uo、电感电流iL、电感量L进行计算处理得到电流内环的输出值ton；
S140:将电流内环输出值ton拟合为与PWM模块(140)相对应的值cmp；
S150:PWM模块(140)获取cmp的值并进行脉冲宽度调制得到开关管的驱动电平S；
S151:驱动电平S置高的同时产生一次采样启动触发脉冲SOC；
S160:驱动电路(110)获取驱动电平S并将其转换为能正确驱动开关管的驱动信号G。
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