CN108768174B - 一种模拟数字混合式多相交错并联功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种模拟数字混合式多相交错并联功率变换器，由峰值电流控制芯片与传统boost变换器构成电压源模块，再利用多相交错并联的结构显著减少输入输出的电流纹波。各个模块统一由数字控制芯片DSP控制，模拟、数字部分通过差分电路进行连接并且消除共模噪声。本发明采用了模拟数字混合的控制，数字化使变换器具备了实现复杂控制算法的能力，另外能够实时通信，动态改变模块数量，实现多重保护；模拟峰值电流的检测精度高，响应快，抗干扰能力强。另外采用模块化电源设计，其结构已经高度集成化。相对而言，工作条件相同的情况下，其工作性能明显优于其它纯模拟系统或纯数字系统。

Description

一种模拟数字混合式多相交错并联功率变换器
技术领域
本发明属于功率变换器技术领域，特别涉及一种模拟数字混合式多相交错并联功率变换器。
背景技术
传统的高动态响应开关变换器主要采用电流环和电压环的双环控制方式的多路交错并联结构，以提高动态响应速度，保持电压控制精度并且减少电压电流纹波。
电压型控制是电压型输出功率变换器中最常用的控制方式，能够消除输出电压的静差保持高精度，但其对负载的扰动不能立即做出反应，动态响应速度不够理想。而电流型控制可分为平均电流控制、峰值电流控制和谷值电流控制，峰值电流型控制应用最为广泛。峰值电流控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法，该控制方法可提高变换器对输入电压变化的响应速度和对负载电流变化的响应速度，同时易于实现对变换器的过流保护。多路交错并联技术，能够通过错相的方式，抵消各路的电流中的谐波成分，减少输出电压纹波和输出电容的需求。
随着信息技术的快速发展，电源系统数字化也成为发展趋势，以完成通信，遥测遥控，复杂控制方式或多重保护逻辑。且随着变换器开关管的增多，开关模态和调制方式的复杂，和模块串并联式重构的需求，数字控制更易于实现且实现更为优异的控制效果。
传统的基于模拟IC控制器架构的多相交错并联功率变换器，电源器件多，稳定性差，设无法实现复杂的控制算法，无法实现复杂的相数的在线调整，无法实现复杂的保护电路。而纯数字结构的多相交错并联功率变换器，较难完成高精度快速响应的峰值电流闭环，若采用平均电流检测则电路成本较高，而且多路电流检测远程测试的抗干扰能力差。
模拟数字混合式多相交错并联功率变换器可以应用于有高动态响应需求的电子设备供电电源中，包括且不限于手持电子设备，LED照明、工控设备、通讯设备、通信基站设备、数码产品和仪器类等领域，电动汽车充放电系统，航天器电源等，并且在这些领域都有着不可忽视的作用。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种模拟数字混合式多相交错并联功率变换器。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种模拟数字混合式多相交错并联功率变换器，包括n个峰值电流控制的boost变换器模块，所述boost变换器模块由峰值电流控制芯片与传统boost变换器构成，各boost变换器模块多相交错并联，各boost变换器模块统一由数字控制芯片DSP控制。
作为本发明的进一步改进，所述boost变换器模块包括主功率电路和峰值电路控制芯片，所述主功率电路采用传统boost拓扑，峰值电流控制由控制芯片UC3843实现，UC3843由外部PWM提供时钟同步，电流峰值受DA信号控制。
作为本发明的进一步改进，所述主功率电路包括开关管、电感L1、二极管D1与输出电容COUT，RS为采样电阻，RS检测开关管导通时的电流；UC3843的输出作为开关管的驱动信号，RS采样到的电压值反馈给UC3843形成闭环控制。
作为本发明的进一步改进，DA信号、PWM信号均由DSP给出，其中PWM信号用于为UC3843提供时钟；所述变换器的输出电压经由A/D转换器送入DSP进行环路运算。
作为本发明的进一步改进，各boost变换器模块多相交错并联具体为：当有n个模块同时运行时，将各路PWM信号的相位错开360°/n即可实现多路交错并联；各boost变换器模块的DA信号相同，VCC、VIN均采用相同的电压。
作为本发明的进一步改进，所述功率变换器的模拟、数字部分通过差分电路进行连接并且消除共模噪声具体为：DSP输出的DA信号和PWM信号通过差分电路与UC3843连接，所述变换器的输出信号通过差分电路与DSP连接。
本发明的有益效果是：本发明采用了模拟数字混合的控制，数字化使变换器具备了实现复杂控制算法的能力，另外能够实时通信，动态改变模块数量，实现多重保护；模拟峰值电流的检测精度高，响应快，抗干扰能力强。另外采用模块化电源设计，其结构已经高度集成化。相对而言，工作条件相同的情况下，其工作性能明显优于其它纯模拟系统或纯数字系统。
附图说明
图1是本发明的峰值电流控制的boost变换器模块示意图；
图2是本发明的DSP控制单模块示意图；
图3是本发明的峰值电流boost变换器模块的输出特性VOUT-IOUT曲线；
图4是本发明的各个功率模块与DSP的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明提出了一种模拟数字混合型控制的、可用于超多相的峰值电流型DC-DC电源控制器。电路由峰值电流控制芯片与传统boost变换器构成电压源模块，再利用多相交错并联的结构显著减少输入输出的电流纹波。各个模块统一由数字控制芯片DSP控制，模拟、数字部分通过差分电路进行连接并且消除共模噪声。
图1为峰值电流控制的boost变换器模块，包括部分控制电路和主功率电路。图1中VIN为输入电压，VOUT与IOUT分别为输出电压与电流，用来表征系统的外特性，VCC为辅助源供电。主功率电路包括一个电感L1、二极管D1与输出电容COUT，RS为采样电阻，检测开关管导通时的电流。峰值电流闭环控制主要由控制芯片UC3843实现，采用特定的接法可实现由外部PWM提供时钟同步(外部时钟同步电路可参见UC3843的数据手册)，电流峰值由DA信号控制(DSP负责提供UC3843对应的电流峰值期望)。
图2为DSP控制单模块示意图。DA信号、PWM信号均由DSP给出，其中PWM信号用于为UC3843提供时钟，当有n个模块同时运行时，可将各路PWM信号的相位错开360°/n即可实现多路交错并联。输出电压经由A/D转换器送入DSP进行环路运算。DSP模块与功率模块均采用差分电路消除共模噪声。
图3为峰值电流boost变换器模块的输出特性VOUT-IOUT曲线，当输出电流增加时输出电压会随之降低，此特性保证了多路峰值电流boost变换器模块可以直接并联，可以完成自动均流；为了获得稳定的电压输出，需要电压外环，此外环将由如图2所示的DSP控制模块完成。
图4为各个功率模块与DSP的连接示意图。采用多相结构，每一相为一个完整的峰值电流boost变换器模块。可将若干个功率模块同时插在母版上，时钟信号由DSP统一给出，达到移相的目的。由于移相的作用，n-1次谐波都被抵消，因而输入和输出的电流纹波都将大幅减少，使用数字芯片可实现稳定的超多相交错并联。而各相的输出电压控制外环控制，也由DSP控制单模块提供。DSP内部可以实现复杂的控制算法，例如滑膜变结构控制，鲁棒控制，非线性自适性控制等等提升系统动态特性，还可以实现主功率拓扑的相数在线调整等功能提升系统效率。
本发明采用了模拟数字混合的控制，数字化使变换器具备了实现复杂控制算法的能力，另外能够实时通信，动态改变模块数量，实现多重保护；模拟峰值电流的检测精度高，响应快，抗干扰能力强。另外采用模块化电源设计，其结构已经高度集成化。相对而言，工作条件相同的情况下，其工作性能明显优于其它纯模拟系统或纯数字系统。所设计的电路拥有以下一些显著的优点：
(1)采用数字控制算法，设计灵活，调试方便，可实现先进的控制算法，例如滑膜变结构控制，鲁棒控制，非线性自适性控制等等提升系统动态特性。
(2)数字控制器具备直接监视、实时通信、处理并适应系统条件的能力，实现多重保护。
(3)数字控制器还可以实现主功率拓扑的相数在线调整，改变模块数量，以提升系统轻载效率。
(4)采用DSP数字控制芯片，集成度高，系统的复杂性并不随功能的增加而增加过多，外围器件少，提高系统可靠性，减少了体积。
(5)峰值电流BOOST采用断续导通模式DCM(又称非连续导通模式)，避免了占空比D>0.5时CCM模式下的次谐波振荡影响，同时省略了斜坡补偿电路。由于采用峰值电流模式，各模块并联时自动实现负载均流，减少EMI，并简化了滤波电路设计。
(6)动态响应快。模拟峰值电流模式控制PWM是双闭环控制系统，电流内环负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制LC储能电路，因而该控制模式下的电路具有超高的动态响应速度。
(7)模块化设计。将各种功率级器件及必要的控制元件封装为一个模块，通过模块间的并联可变换出所需的大集成系统。另外，基于数字控制的多模块交错并联，可检测正在工作的模块数。当有模块因故障需要退出工作时，CPU可重新计算并分配各模块的移相角。
(8)输入输出电流纹波低。由于采用多相并联技术，n相并联能够消除n-1次谐波，而本身系统频率也较高，所以输入和输出电流的纹波都很低。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种模拟数字混合式多相交错并联功率变换器，其特征在于：所述功率变换器包括n个峰值电流控制的boost变换器模块，各boost变换器模块多相交错并联，各boost变换器模块统一由数字控制芯片DSP控制，所述boost变换器模块包括主功率电路和峰值电流控制芯片，所述主功率电路采用传统boost拓扑，峰值电流控制芯片由控制芯片UC3843实现，UC3843由外部PWM信号提供时钟同步，峰值电流受DA信号控制，所述主功率电路包括开关管、电感L1、二极管D1与输出电容COUT，RS为采样电阻，RS检测开关管导通时的电流；UC3843的输出作为开关管的驱动信号，RS采样到的电流值反馈给UC3843形成闭环控制，DA信号、PWM信号均由DSP给出；所述功率变换器的输出电压经由A/D转换器送入DSP进行环路运算。
2.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于：各boost变换器模块多相交错并联具体为：当有n个boost变换器模块同时运行时，将各路PWM信号的相位错开360°/n即可实现多路交错并联；各boost变换器模块的DA信号相同，各boost变换器模块的辅助源供电电压VCC、输入电压VIN均采用相同的电压。
3.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于：所述功率变换器的模拟、数字部分通过差分电路进行连接并且消除共模噪声具体为：DSP输出的DA信号和PWM信号通过差分电路与UC3843连接，所述功率变换器的输出信号通过差分电路与DSP连接。
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