CN109995254B - 一种提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法 - Google Patents

一种提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法,针对已有的小功率DCM下的动态控制算法存在的不足,尤其是重载切轻载情况下,动态恢复时间过长的缺陷,通过控制变换器原边开关管的关断和副边同步整流管以固定占空比开关,抽取输出端负载电容的能量至原边,使输出电压迅速下降,同时一直以固定的频率对输出电压进行采样,当输出电压降低至额定值时,根据负载大小判断出此时系统对应的跳出高动态模式后的稳态模式,然后系统进入稳态模式。本发明能够将输出电压缩短在2.5ms内,并且系统在离开动态模式进入稳态模式时输出电压纹波很小,显著提高了大功率下反激变换器的动态性能。

Description

一种提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法
技术领域
本发明涉及隔离式开关电源变换器,尤其涉及一种提高同步整流原边反馈反激式电源重载切轻载动态性能的方法,适用于大功率工作时的同步整流反激电源。
背景技术
开关电源通常作为各类用电设备的电源,起到将未调整的交流或直流输入电压变换为调整后的交流或直流输出电压。由于开关电源需要适应于不同的工作条件,对电源的动态响应的性能要求越来越高。好的动态效果要求有小的电压变化以及电压恢复时间。
原边反馈(PSR)反激变换器因为其结构简单、成本低、控制灵活等优点被广泛应用在开关电源领域。PSR反激变换器动态响应性能和实际需求之间存在严重的不平衡,尤其是在大负载切换的情况下,输出电压会出现大幅度波动。为了提高动态响应性能,PSR反激变换器的研究者们提出了很多创新的方法。
有人提出了数字多模式控制算法,不同负载范围采用不同的工作模式,PWM与PFM相结合。当负载在小范围内切换时,能够实现较快、平滑切换。但是该算法各个控制模式之间只能按顺序切换,负载大范围切换时响应时间长、响应速度慢、过冲电压大。
为了能够提高全负载范围内的动态响应性能,Chong Wang等人提出了一种混合的控制方式。该控制方式通过在系统加入一个动态过程检测模块,除了稳态的多模式,另外设置了两个动态工作模式:LTH模式与HTL模式。在LTH模式与HTL模式内,均采用固定周期、固定占空比的方式进行控制。当输出电压接近理想值Vo_ref时,利用Vo的斜率进行负载点的判断,使系统进入正确的稳态工作模式。该方案有效地降低了DCM下的过冲电压和响应时间,提高了变换器的动态性能,但是也存在不足之处。满载切极轻载时,恢复时间过长,需要53ms。
另外,有的控制方法为了加快动态响应的速度,会提高PI参数来加快补偿,以此来提高动态效果,但在多模式控制对提高动态性能效果改善不大。
发明内容
为克服现有技术的局限和不足,本发明提出了一种提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法,当负载由重载向轻载切换时,可以限制输出电压的过冲在一定的范围内,并明显缩短动态恢复时间,显著提高动态性能,在多模式控制中不会引起系统的不稳定,对减小电压过冲,减小动态回复时间有很好的效果,使得系统的动态性能更优秀。
为实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案:一种提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法,其特征在于:在原边反馈主拓扑结构下,副边采用同步整流的结构,基于数字多模式控制,设置采样模块、多模式判断模块、数字PID模块、高动态控制模块、负载点判断模块和PWM驱动模块构成的控制系统与被控的开关电源构成闭环;
1)采样模块对原边辅助绕组上的电阻分压Vsense进行采样,得到当前的输出电压值Vo_sample和输出电压与其额定值VO_REF的误差信号err=VO_REF-Vo_sample;
2)多模式判断模块接收由采样模块采集到的输出电压值Vo_sample,输出模式判断信号mode_dynamic给高动态控制模块和负载点判断模块,判断系统进入动态工作模式或稳态工作模式中的哪一种;若输出电压值Vo_sample≥设定的输出电压上限值Vomax,多模式判断模块输出的模式判断信号mode_dynamic=1,说明系统发生了较大范围的负载切换,系统处于由重载切到轻载的状态,系统进入动态工作模式,即HTL模式,动态工作模式下,数字PID模块不工作;否则,多模式判断模块输出的模式判断信号mode_dynamic=0,系统进入稳态工作模式,稳态工作模式下,高动态控制模块和负载点判断模块均不工作;
3)在动态工作模式下,高动态控制模块输出占空比信号Duty_SR_dynamic给PWM驱动模块,通过PWM驱动模块关断原边主开关管,并采用固定周期Ts_HTL、固定占空比DHTL的方式控制副边同步整流管的开关,在同步整流管开启的时间内,抽取输出端负载电容的能量至原边,使负载电容存储的能量迅速下降,从而使输出电压以固定的斜率迅速下降,采样模块一直对输出电压进行采样,当输出电压采样值Vo_sample下降至其额定值VO_REF时,系统从动态工作模式跳转至稳态工作模式;
4)负载点判断模块在动态工作模式下接收采样模块输出的输出电压值Vo_sample,通过对开关周期的计数得到输出电压的下降时间Δt,而输出电压变化量ΔVo_sample固定,则得到输出电压的斜率Kdown,输出电压的下降的斜率Kdown保持不变,而不同负载点下斜率Kdown不同,根据该斜率Kdown对应出此时的负载大小,判断出当下的负载点,进而根据当下的负载大小判断出动态过程结束时系统应处于的DPFM稳态工作模式及工作周期Ts_judge、原边峰值电流Ipeak(DPFM模式下原边峰值电流是固定的),给出跳出状态判断信号state_judge和此时的开关周期Ts_judge,并将开关周期Ts_judge输入到PWM驱动模块,将状态判断信号state_judge输入到多模式判断模块,此后系统便进入稳态工作模式,采用传统的数字PID控制;
5)稳态工作模式下,数字PID补偿模块根据采样模块输出的误差信号err和多模式判断模块输出的状态信号state,采用PID补偿算法,计算出控制电压补偿量VPI,多模式判断模块根据控制电压补偿量VPI的大小进行稳态多模式的切换,输出包括CCM、PWM、PFM、DPWM、DPFM中的一种稳态的state值,PWM驱动模块在稳态时,采用峰值电流控制,在不同的状态信号state下,根据控制电压补偿量VPI计算原边主开关管的周期,根据当前的输出电压采样值Vo_sample计算副边同步整流管的占空比,副边同步整流管的周期与主开关管一致;
6)PWM模块输出的占空比信号通过驱动模块得到调控开关电源主开关管以及副边同步整流管的PWM波形,实现恒压输出。
上述4)中所述输出电压的下降斜率Kdown,是通过开关周期的计数得到输出电压下降的变化ΔVo_sample所消耗的时间Δt,计算输出电压的下降斜率Kdown=ΔVo_sample/Δt。
所述采样模块包含两个比较器COMP1和COMP2以及波形实时分析模块和减法器,比较器COMP1和COMP2的正端均连接辅助绕组上的电阻分压Vsense,比较器COMP2的负端连接0电平,比较器COMP1和COMP2的输出连接波形实时分析模块,波形实时分析模块输出的采样信号Vsample连接比较器COMP1的负端,波形实时分析模块输出的电压采样值Vo_sample连接减法器的负端,减法器的正端连接输出电压额定值VO_REF,减法器输出误差信号err=VO_REF-Vo_sample。
所述多模式判断模块包含两个比较器COMP3和COMP4以及动态模式判断模块、稳态模式判断模块和多模式状态判断模块;比较器COMP3的正端连接设定的Vo_sample的上限值Vomax,比较器COMP3的负端和COMP4的正端均连接采样模块中波形实时分析模块输出的电压采样值Vo_sample,比较器COMP4的负端连接设定的额定电压VO_REF,比较器COMP3和COMP4的输出连接动态模式判断模块,动态模式判断模块输出动态模式判断信号Mode_dynamic连接多模式状态判断模块的一个输入端;稳态模式判断模块的输入信号分别是原边峰值电流的数字补偿量VPI和多模式状态判断模块输出的状态信号state,稳态模式判断模块输出稳态状态信号State_steady连接多模式状态判断模块的另一个输入端,多模式状态判断模块的第三个输入端连接负载点判断模块输出的跳出状态判断信号state_judge,多模式状态判断模块的输出状态信号state连接至稳态模式判断模块的输入端;
所述高动态控制模块接收模式判断模块中动态模式判断模块输出的动态模式判断信号Mode_dynamic,输出占空比信号Duty_SR_dynamic给PWM驱动模块,通过PWM驱动模块关断原边主开关管,并由代码控制产生一个固定周期Ts_HTL、固定占空比DHTL的信号来控制副边同步整流管的开关。
所述负载点判断模块包括比较器COMP、参数计算模块、斜率计算模块和跳出模式判断模块;比较器COMP的正端连接输出电压采样值Vo_sample,比较器COMP的负端连接设定的额定电压VO_REF,参数计算模块的输入为动态模式判断信号Mode_dynamic和输出电压采样值Vo_sample,比较器输出的参考电压比较信号Comp_VREF以及参数计算模块输出的输出电压变化量ΔVo_sample及其对应的时间Δt均连接斜率计算模块,接斜率计算模块输出电压下降斜率Kdown连接至跳出模式判断模块,跳出模式判断模块输出跳出状态判断信号state_judge和此时的开关周期Ts_judge分别给多模式判断模块和PWM驱动模块。
所述数字PID模块包括PI参数选择模块和数字PI补偿算法模块;PI参数选择模块的输入为状态信号state,PI参数选择模块的输出为PI参数Kp和Ki,数字PI补偿算法模块的输入为PI参数选择模块输出的PI参数Kp、Ki和采样模块输出的误差信号err,数字PI补偿算法模块输出控制电压补偿量VPI
所述PWM驱动模块包括选通模块、主开关管周期Ts计算模块、主开关管占空比控制模块和同步整流管占空比控制模块;状态信号State输入到选通模块,选通模块输出稳态状态信号State_HTL和动态状态信号State_steady两者之一;当选通模块输出为State_HTL时,主开关管占空比控制模块的输入为选通模块输出的State_HTL和0,主开关管占空比控制模块的输出为主开关管动态占空比信号duty=Duty_dynamic;同步整流管占空比控制模块的输入为选通模块输出的State_HTL和高动态控制模块输出的Duty_SR_dynamic,同步整流管占空比控制模块的输出为同步整流管占空比信号Duty_SR=Duty_SR_dynamic;当选通模块输出为State_steady时,主开关管周期Ts计算模块的输入为VPI、State_steady和Ts_judge,输出为主开关管周期信号Ts;主开关管占空比控制模块的输入为主开关管周期Ts和原边峰值电流Ipeak,输出为主开关管稳态占空比信号duty=Duty_steady;此时同步整流管占空比控制模块的输入为State_steady和Vo_sample,输出同步整流管占空比信号Duty_SR=Duty_SR_steady。
本发明的优点及显著效果:
1、本发明提出的动态控制方法,能够在输出电压超出上限电压时,关断原边的主开关管,采用固定周期、固定占空比的方式控制副边同步整流管的开关,在同步整流管开启的时间内,抽取输出端负载电容的能量至原边,使输出电压迅速下降,使过冲电压大幅度减小,动态恢复时间大幅度减小,缩短至2.5ms内。
2、本发明提出的动态控制方法在重载切轻载模式中计算输出电压达到上限后下降至额定值的斜率,并根据斜率与负载的一一对应单调性质的关系得到负载的大小,当跳出HTL模式后,跳到对应负载点的稳态工作状态,跳变后能量与负载稳态消耗相差不大,消除了后续的电压振荡,减小动态恢复时间。另外通过斜率来确定跳出后的负载大小,能够避免跳变后能量与负载稳态消耗相差较大引起的大的电压谐振,使得重载切轻载模式与正常模式产生的振荡,电路更稳定。
3、本发明基于数字多模式控制方式,增加重载切轻载模式——HTL模式及负载点判断的方法,对一般的多模式控制环路的稳定性不会产生影响。
4、本发明能适用于同步整流结构的开关电源电路结构,具备通用性,可复用性和可移植性。
附图说明
图1是本发明控制方法的系统结构框图;
图2是采样模块内部结构图;
图3是多模式判断模块内部结构图;
图4是高动态控制模块内部结构图;
图5是负载点判断模块内部结构图;
图6是数字PID模块内部结构图;
图7是PWM驱动模块内部结构图;
图8是重载切轻载HTL模式的应用示意图;
图9为重载切到轻载模式时输出电压、原边电流和副边电流的关键波形图;
图10为本发明高动态控制算法的整体流程图;
图11为负载从4Ω切换到800Ω时,未采用本发明的高动态算法前的动态结果;
图12为负载从4Ω切换到800Ω时,采用了本发明的高动态算法后的动态结果。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1为本发明提出的提高反激变换器重载切轻载动态性能的数字多模式控制算法的整体实现系统图。在原边反馈主拓扑结构下,采用了同步整流的结构,基于数字多模式控制,设置采样模块、多模式判断模块、数字PID补偿模块、高动态控制模块、负载点判断模块、PWM驱动模块与被控的开关电源构成闭环系统。
采样模块对原边辅助绕组上的电阻分压Vsense进行信息采集,得到当前的输出电压采样值Vo_sample和输出电压与其额定值VO_REF的误差信号err(err=VO_REF-Vo_sample);多模式判断模块接收由采样模块采集到的输出电压值Vo_sample,若Vo_sample≥Vomax,输出当前动态模式判断信号mode_dynamic=1,表明系统处于由重载切到轻载的状态(HTL模式),并将动态模式判断信号mode_dynamic输入到高动态控制模块和负载点判断模块,进行高动态控制;高动态控制模块接收模式判断模块输出的动态模式判断信号mode_dynamic,当mode_dynamic=1,系统进入HTL状态时,关断原边的主开关管,通过控制副边同步整流管以固定占空比开关,使输出电压迅速下降,输出副边同步整流管的占空比信号Duty_SR_dynamic给PWM驱动模块;负载点判断模块在HTL工作模式下接收采样模块输出的输出电压值Vo_sample,由斜率计算模块计算输出电压下降斜率Kdown,根据该斜率对应出此时的负载大小,进而根据当下的负载大小判断出动态过程结束时系统应处于的DPFM稳态工作模式及工作周期Ts_judge、原边峰值电流Ipeak(DPFM模式下原边峰值电流是固定的),给出跳出状态判断信号state_judge和此时的开关周期Ts_judge,并将开关周期Ts_judge输入到PWM驱动模块,将状态判断信号state_judge输入到多模式判断模块,此后便进入稳态,采用传统的数字PID控制;PWM驱动模块在动态模式HTL状态下,关断原边主开关管,接收信号Duty_SR_dynamic,采用固定周期、固定占空比的方式控制副边同步整流管的开关,得到调控主开关管和副边同步整流管的PWM波形;PWM驱动模块在稳态时,采用峰值电流控制。
图2为采样模块内部结构图。采样模块对原边辅助绕组上的电阻分压Vsense进行信息采集,包含两个比较器COMP1、COMP2、一个波形实时分析模块和一个减法器,比较器COMP1的正端连接辅助绕组上的电阻分压Vsense,负端连接波形实时分析模块输出的采样信号Vsample;比较器COMP2的正端连接Vsense,负端连接0电平,波形实时分析模块根据两个比较器的结果,输出采样信号Vsample和输出电压采样值Vo_sample,Vo_sample连接减法器的负端,输出电压额定值VO_REF连接减法器的正端得到误差信号err
(err=VO_REF-Vo_sample)。原边辅助绕组上电阻分压后的电压波形Vsense为采样模块的输入,通过两个比较器COMP1、COMP2,将Vsense与Vsample、0电压分别进行比较,分别得到comp_sample与comp_zero两个信号,波形实时分析模块通过对两个比较器的输出信号进行分析,得到当前的输出电压采样值Vo_sample,并调节采样信号Vsample的值,为下一次采样做好准备;将Vo_sample与输出电压的参考值VO_REF(固定值)做减法,得到输出电压的误差值err。
图3为多模式控制模块的内部结构图。多模式判断模块接收由采样模块采集到的输出电压值Vo_sample,包含两个比较器COMP3、COMP4、一个动态模式判断模块、稳态模式判断模块和多模式状态判断模块,比较器COMP3的正端连接设定的Vo_sample上限值Vomax,负端连接Vo_sample;比较器COMP4的正端连接Vo_sample,负端连接设定的额定电压VO_REF,动态模式判断模块根据两个比较器的结果,输出动态模式判断信号Mode_dynamic。控制电压补偿量VPI和状态信号state输入稳态模式判断模块,稳态模式判断模块输出稳态状态信号State_steady。将采样模块采集到的输出电压值Vo_sample与设定的上限值Vomax(固定值)、参考值VO_REF通过比较器分别进行比较,比较结果输入动态模式判断模块进行分析,若Vo_sample>Vomax,则mode_dynamic=1,进入动态模式,state=HTL。在动态模式下,当Vo_sample下降至Vref时,mode_dynamic=0,跳出动态模式,具体跳转到哪个稳态模式,由state_judge信号决定,state=state_judge。在稳态模式时,mode_dynamic=0,稳态模式判断模块根据当下的状态state和数字补偿量VPI的大小进行模式判断,判断出接下来的工作模式state_steady,并赋值给state。
图4为高动态控制模块的结构图。高动态控制模块接收模式判断模块输出的动态模式判断信号Mode_dynamic,若Mode_dynamic=1,进入动态模式,因为动态模式内,原边主开关管一直关断,没有能量输入,所以只需要控制副边同步整流管。而动态模式内,由代码控制产生一个固定周期Ts_HTL、固定占空比DHTL的信号控制同步整流管,因而只输出副边同步整流管的栅极PWM信号Duty_SR_dynamic。
图5为负载点判断模块的内部结构图。包括一个比较器、参数计算模块、斜率计算模块和跳出模式判断模块。比较器COMP的正端连接Vo_sample,负端连接设定的额定电压VO_REF,比较器输出参考电压比较信号Comp_VREF,参数计算模块的输入为动态模式判断信号Mode_dynamic和输出电压采样值Vo_sample,输出为输出电压变化量ΔVo_sample和对应的时间Δt,斜率计算模块的输入为ΔVo_sample、Δt和Comp_VREF,输出为电压下降斜率Kdown,跳出模式判断模块的输入为Kdown,输出为跳出状态判断信号state_judge和此时的开关周期Ts_judge。动态模式内,state=HTL,参数计算模块通过计数器进行计数,从而得到Δt,根据输入的Vo_sample值,得到输出电压在Δt时间内的变化量ΔVo_sample。斜率计算模块通过分析比较器的输出Comp_VREF,捕捉到Vo_sample下降至VO_REF的时刻,然后计算出输出电压的斜率Kdown,后续的跳出模式判断模块根据Kdown的值,判断出跳出动态后系统的工作模式state_judge以及第一个周期的开关周期值Ts_judge,跳出状态判断信号state_judge和跳出后开关周期信号Ts_judge只在跳出动态模式时有效。
图6为数字PID补偿模块的内部结构图。包括PI参数选择模块和数字PI补偿算法模块。PI参数选择模块的输入为状态信号state,输出为PI参数Kp和Ki,数字PI补偿算法模块的输入为Kp、Ki和误差信号err,输出为控制电压补偿量VPI。本发明采用PID补偿算法,但只采用了P调节与I调节,未用D调节。在稳态模式下,根据不同的工作模式state,选择不同的参数Kp、Ki,与当前的输出电压误差值err一起输入到后面的数字PI补偿算法模块,计算得到下一周期的控制电压补偿量VPI。动态模式下,数字PID补偿模块不工作。
图7为PWM驱动模块的内部结构图。包括一个选通模块、主开关管周期Ts计算模块、主开关管占空比控制模块和同步整流SR管占空比控制模块。状态信号State输入到选通模块,得到两个信号:稳态状态信号State_HTL和动态状态信号State_steady。选通模块判断当下的工作模式state处于静态工作模式state_steady还是动态工作模式state_HTL。当选通模块输出为State_HTL时,主开关管占空比控制模块的输入为State_HTL和0,输出为主开关管动态占空比信号duty=Duty_dynamic。同步整流SR管占空比控制模块的输入为State_HTL和由高动态控制模块输出的Duty_SR_dynamic,输出同步整流SR管占空比信号Duty_SR=Duty_SR_dynamic;当输出为State_steady时,主开关管周期Ts计算模块的输入为VPI、State_steady和Ts_judge,输出为主开关管周期信号Ts。主开关管占空比控制模块的输入为Ts和原边峰值电流Ipeak,输出为主开关管稳态占空比信号duty=Duty_steady。同步整流SR管占空比控制模块的输入为State_steady和Vo_sample,输出SR管占空比信号Duty_SR=Duty_SR_steady。
动态模式HTL下,主开关管一直关断,主管的栅极输入的PWM信号duty=0;副边同步整流管栅极输入的PWM信号duty_SR=Duty_SR_dynamic,该信号由高动态控制模块给出。
在工作状态由动态跳转至稳态后,主开关管的第一个开关周期的周期值Ts=Ts_judge,Ts_judge由负载点判断模块给出。而后续的开关周期值Ts的计算,和稳态模式一样。
稳态模式下采用峰值电流控制,PFM、DPFM模式下的主开关管的周期Ts根据数字补偿量VPI计算得到,其余稳态工作模式周期固定。当周期计数器的值为0时,主开关管打开,duty=1;当原边电流达到峰值电流后,主开关管关闭,duty=0,直到周期计数器的值为0时再次变为1,如此反复。
稳态下副边同步整流管(SR管)的周期与原边主开关管周期相等,当主开关管关断后,SR管打开,duty_SR=1;SR管占空比控制模块根据当前的输出电压值Vo_sample计算出SR管打开的持续时间Ton_sr,当duty_SR=1的时间达到该时间后,SR管关断,duty_SR=0,如此反复。
稳态下副边同步整流管(SR管)的周期与原边主开关管周期相等,当主开关管关断后,SR管打开,duty_SR=1;SR管占空比控制模块根据当前的输出电压值Vo计算出SR管打开的持续时间Ton_sr,当duty_SR=1的时间达到该时间后,SR管关断,duty_SR=0,如此反复。
反激变换器实例的输入电压范围为90~265V,输出电压为恒压20V,电流最大为5A,变压器电感大小为417μH,变压器匝比为45:8:4,时钟频率为20MHz。负载点判断时,输出负载与电压下降斜率Kdown及对应工作状态的关系如表1所示。
表1 HTL模式下不同斜率Kdown对应跳转模式
K<sub>down</sub>(mV/μs) 负载(Ω) Mode Ts_judge/μs Ipeak/A
~2.65 700~ DPFM 543 1.530
2.65~3.18 500~700 DPFM 409 1.530
3.18~4.25 300~500 DPFM 335 1.530
4.25~5.32 150~300 DPFM 196 1.530
5.32~ ~150 DPFM 121 1.530
以上是该20V/5A的原边反馈反激变换器的设计实例的具体参数。
参看图8,在重载切轻载时,从该示意图可以看到当输出电压大于Vomax时,采用HTL模式。若采用PID调节则如粗虚线所示,在输出电压上升到Vomax后电压仍然会有所上升,动态恢复时间也很长;采用HTL模式,当输出电压大于Vomax时,立刻采用HTL模式,关断原边的主开关管,采用固定周期、固定占空比的方式控制副边同步整流管的开关,在同步整流管开启的时间内,抽取输出端负载电容的能量至原边,使输出电压迅速下降,当输出电压下降至额定值时,可以通过斜率大小得到输出负载大小,使得跳出HTL模式的工作模式能量与负载功耗相近,去掉后续能量不吻合引入的谐振,如实线所示;可以看到若跳出HTL模式后,若工作状态不合适导致其输入能量偏低,引入电压谐振,则如细虚线所示。
图9为重载切到轻载模式时输出电压、原边电流、副边电流和辅助绕组波形Vsense组成的关键波形图。当输出电压大于Vomax时,进入HTL模式。原边开关管关断,只有副边同步整流管以固定周期Ts_HTL、固定占空比DHTL的方式进行开关。
当同步整流管开启时,副边电流Is反向线性增加,形成负电流,并在同步整流管关断时达到副边负电流的最大值。在此过程中抽取输出端负载电容的能量存储在励磁电感中,使输出电压迅速下降。并在同步整流管开启的时间内进行采样,辅助绕组Vsense波形也如图所示。
当同步整流管关断时,励磁电感中存储的能量耦合到原边,在原边形成负电流,通过原边主开关管的体二极管将能量返回给输入电压网络,使原边的负电流逐渐减小至零,则从副边负载电容上抽取的能量已经释放完毕。
通过控制副边同步整流管的开关,重复上述过程。以固定周期Ts_HTL、固定占空比DHTL的方式对同步整流管进行开关控制,使输出端负载电容上存储的能量迅速减少,从而使输出电压迅速下降至额定值,进而跳转至相应的稳态工作模式。
图10为本发明高动态控制算法的整体流程图,如图所示,首先采集辅助绕组上的电压波形,接下来进行模式判断,判断系统是否进入动态模式。如果系统进入动态模式,则使原边开关管关断,以固定周期Ts_HTL、固定占空比DHTL的方式对同步整流管进行开关控制,使输出电压以固定斜率下降(负载不变,电压下降斜率不变)。同时在同步整流管开启的时间段内通过辅助绕组波形Vsense对输出电压进行采样,当输出电压下降至额定电压时,进入负载点判断模块。根据输出电压下降的时间Δt计算出其下降的斜率Kdown,从而判断出对应的负载点,然后根据负载大小跳转至相应的稳态工作模式。这时系统的高动态控制模式结束,进入稳态工作模式,输出电压稳定在额定值,后续采用数字PID补偿算法进行传统的数字多模式控制。
图11为负载从4Ω切换到800Ω时,未采用本发明的高动态算法前的动态结果,从图中可以看出,采用传统的数字多模式控制算法时,输出电压的过冲电压为3.150V,动态恢复时间为64.32ms,过冲电压大且恢复时间长。而且当输出电压下降至额定值后还会有电压波动,动态效果较差。
图12为负载从4Ω切换到800Ω时,采用了本发明的高动态算法后的动态结果,此为本发明实施例。从图中可以看出,采用高动态控制算法时,输出电压的过冲电压为1.343V,动态恢复时间为1.888ms,有效地减小了过冲电压,且极大地缩短了动态恢复时间。而且当输出电压下降至额定值后没有电压波动,负载点判断准确,极大地提高了重载切轻载的动态效果。

Claims (5)

1.一种提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法,其特征在于:在原边反馈主拓扑结构下,副边采用同步整流的结构,基于数字多模式控制,设置采样模块、多模式判断模块、数字PID模块、高动态控制模块、负载点判断模块和PWM驱动模块构成的控制系统与被控的开关电源构成闭环;
1)采样模块对原边辅助绕组上的电阻分压Vsense进行采样,得到当前的输出电压值Vo_sample和输出电压值Vo_sample与其额定值VO_REF的误差信号err=VO_REF-Vo_sample;
2)多模式判断模块接收由采样模块采集到的输出电压值Vo_sample,输出模式判断信号mode_dynamic给高动态控制模块和负载点判断模块,判断系统进入动态工作模式或稳态工作模式中的哪一种;若输出电压值Vo_sample≥设定的输出电压值Vo_sample的上限值Vomax,多模式判断模块输出的模式判断信号mode_dynamic=1,说明系统发生了较大范围的负载切换,系统处于由重载切到轻载的状态,系统进入动态工作模式,即HTL模式,动态工作模式下,数字PID模块不工作;否则,多模式判断模块输出的模式判断信号mode_dynamic=0,系统进入稳态工作模式,稳态工作模式下,高动态控制模块和负载点判断模块均不工作;
3)在动态工作模式下,高动态控制模块输出占空比信号Duty_SR_dynamic给PWM驱动模块,通过PWM驱动模块关断原边主开关管,并采用固定周期Ts_HTL、固定占空比DHTL的方式控制副边同步整流管的开关,在同步整流管开启的时间内,抽取输出端负载电容的能量至原边,使负载电容存储的能量迅速下降,从而使输出电压值Vo_sample以固定的斜率迅速下降,采样模块一直对输出电压值Vo_sample进行采样,当输出电压值Vo_sample的采样值Vo_sample下降至其额定值VO_REF时,系统从动态工作模式跳转至稳态工作模式;
4)负载点判断模块在动态工作模式下接收采样模块输出的输出电压值Vo_sample,通过对开关周期的计数得到输出电压值Vo_sample的下降时间Δt,而输出电压值Vo_sample变化量ΔVo_sample固定,则得到输出电压值Vo_sample的下降斜率Kdown,输出电压值Vo_sample的下降斜率Kdown保持不变,而不同负载点下降斜率Kdown不同,根据该下降斜率Kdown对应出此时的负载大小,判断出当下的负载点,进而根据当下的负载大小判断出动态过程结束时系统应处于的DPFM稳态工作模式及工作周期Ts_judge、原边峰值电流Ipeak,给出跳出状态判断信号state_judge和此时的开关周期Ts_judge,并将开关周期Ts_judge输入到PWM驱动模块,将状态判断信号state_judge输入到多模式判断模块,此后系统便进入稳态工作模式,采用数字PID控制;
5)稳态工作模式下,数字PID模块根据采样模块输出的误差信号err和多模式判断模块输出的状态信号state,采用PID补偿算法,计算出控制电压补偿量VPI,多模式判断模块根据控制电压补偿量VPI的大小进行稳态多模式的切换,输出包括CCM、PWM、PFM、DPWM、DPFM中的一种稳态的state值,PWM驱动模块在稳态时,采用峰值电流控制,在不同的状态信号state下,根据控制电压补偿量VPI计算原边主开关管的周期,根据当前的输出电压采样值Vo_sample计算副边同步整流管的占空比,副边同步整流管的周期与主开关管一致;
6)PWM驱动模块输出的占空比信号通过驱动模块得到调控开关电源主开关管以及副边同步整流管的PWM波形,实现恒压输出;
上述4)中所述输出电压的下降斜率Kdown,是通过开关周期的计数得到输出电压值Vo_sample下降的变化ΔVo_sample所消耗的时间Δt,计算输出电压值Vo_sample的下降斜率Kdown=ΔVo_sample/Δt;
所述采样模块包含两个比较器COMP1和COMP2以及波形实时分析模块和减法器,比较器COMP1和COMP2的正端均连接辅助绕组上的电阻分压Vsense,比较器COMP2的负端连接0电平,比较器COMP1和COMP2的输出连接波形实时分析模块,波形实时分析模块输出的采样信号Vsample连接比较器COMP1的负端,波形实时分析模块输出的电压采样值Vo_sample连接减法器的负端,减法器的正端连接输出电压额定值VO_REF,减法器输出误差信号err=VO_REF-Vo_sample;
所述多模式判断模块包含两个比较器COMP3和COMP4以及动态模式判断模块、稳态模式判断模块和多模式状态判断模块;比较器COMP3的正端连接设定的Vo_sample的上限值Vomax,比较器COMP3的负端和COMP4的正端均连接采样模块中波形实时分析模块输出的电压采样值Vo_sample,比较器COMP4的负端连接设定的额定电压VO_REF,比较器COMP3和COMP4的输出连接动态模式判断模块,动态模式判断模块输出动态模式判断信号Mode_dynamic连接多模式状态判断模块的一个输入端;稳态模式判断模块的输入信号分别是原边峰值电流的数字补偿量VPI和多模式状态判断模块输出的状态信号state,稳态模式判断模块输出稳态状态信号State_steady连接多模式状态判断模块的另一个输入端,多模式状态判断模块的第三个输入端连接负载点判断模块输出的跳出状态判断信号state_judge,多模式状态判断模块的输出状态信号state连接至稳态模式判断模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法,其特征在于:所述高动态控制模块接收模式判断模块中动态模式判断模块输出的动态模式判断信号Mode_dynamic,输出占空比信号Duty_SR_dynamic给PWM驱动模块,通过PWM驱动模块关断原边主开关管,并由代码控制产生一个固定周期Ts_HTL、固定占空比DHTL的信号来控制副边同步整流管的开关。
3.根据权利要求1所述的提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法,其特征在于:所述负载点判断模块包括比较器COMP、参数计算模块、斜率计算模块和跳出模式判断模块;比较器COMP正端连接输出电压采样值Vo_sample,比较器COMP负端连接设定的额定电压VO_REF,参数计算模块的输入为动态模式判断信号Mode_dynamic和输出电压采样值Vo_sample,比较器输出的参考电压比较信号Comp_VREF以及参数计算模块输出的输出电压变化量ΔVo_sample及其对应的时间Δt均连接斜率计算模块,斜率计算模块输出电压下降斜率Kdown连接至跳出模式判断模块,跳出模式判断模块输出跳出状态判断信号state_judge和此时的开关周期Ts_judge分别给多模式判断模块和PWM驱动模块。
4.根据权利要求1所述的提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法,其特征在于:所述数字PID模块包括PI参数选择模块和数字PI补偿算法模块;PI参数选择模块的输入为状态信号state,PI参数选择模块的输出为PI参数Kp和Ki,数字PI补偿算法模块的输入为PI参数选择模块输出的PI参数Kp、Ki和采样模块输出的误差信号err,数字PI补偿算法模块输出控制电压补偿量VPI
5.根据权利要求1所述的提高同步整流原边反馈反激式电源动态性能的方法,其特征在于:所述PWM驱动模块包括选通模块、主开关管周期Ts计算模块、主开关管占空比控制模块和同步整流管占空比控制模块;状态信号State输入到选通模块,选通模块输出稳态状态信号State_HTL和动态状态信号State_steady两者之一;当选通模块输出为State_HTL时,主开关管占空比控制模块的输入为选通模块输出的State_HTL和0,主开关管占空比控制模块的输出为主开关管动态占空比信号duty=Duty_dynamic;同步整流管占空比控制模块的输入为选通模块输出的State_HTL和高动态控制模块输出的Duty_SR_dynamic,同步整流管占空比控制模块的输出为同步整流管占空比信号Duty_SR=Duty_SR_dynamic;当选通模块输出为State_steady时,主开关管周期Ts计算模块的输入为VPI、State_steady和Ts_judge,输出为主开关管周期信号Ts;主开关管占空比控制模块的输入为主开关管周期Ts和原边峰值电流Ipeak,输出为主开关管稳态占空比信号duty=Duty_steady;此时同步整流管占空比控制模块的输入为State_steady和Vo_sample,输出同步整流管占空比信号Duty_SR=Duty_SR_steady。
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