CN110474521B - 一种基于能量控制的直流降压电源 - Google Patents

一种基于能量控制的直流降压电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于能量控制的直流降压电源，包括主电路和控制电路，主电路为BUCK电路；控制电路包括：信号处理电路、动态过程逻辑判断电路、稳态过程控制电路、突增动态过程控制电路、突减动态过程控制电路、第一非门电路、第一与门电路、第二与门电路、第一或门电路、第二非门电路、第二或门电路、第三或门电路、第三与门电路、隔离驱动电路、输入电压传感器、电感电流传感器、输出电压传感器和输出电流传感器；本发明控制器中无需进行P、I参数设计，解决了传统PI控制器参数选取对性能影响较大的问题。以能量作为控制依据，负载变化时主电路各个环节的能量会自动跟随改变，因此控制器适应能力强。

Description

一种基于能量控制的直流降压电源
技术领域
本发明涉及一种直流降压电源，特别是一种通过能量计算来实现电路控制的直流降压电源，属于直流电源技术领域。
背景技术
对于直流电源的控制问题，传统的控制方法比如双闭环PI控制策略，由于PI参数的设计基于系统的频率特性，对于一定的频率范围或者电路负载情况可以取得较好的控制效果，但是当系统频率发生变化、稳态工作点剧烈变化或大范围波动时，系统的起动过程和动态过程往往存在超调或较长的调节过程，需要重新整定控制参数。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种无需进行P、I参数设计，动态性能优异的基于能量控制的直流降压电源。
为解决上述技术问题，本发明的一种基于能量控制的直流降压电源，包括主电路和控制电路，主电路为BUCK电路；
控制电路包括：信号处理电路1、动态过程逻辑判断电路2、稳态过程控制电路3、突增动态过程控制电路4、突减动态过程控制电路5、第一非门电路6、第一与门电路7、第二与门电路8、第一或门电路9、第二非门电路10、第二或门电路11、第三或门电路12、第三与门电路13、隔离驱动电路14、输入电压传感器C1、电感电流传感器C2、输出电压传感器C3和输出电流传感器C4；
输入电压传感器C1并联在主电路的输入端，对主电路的输入电压进行检测，输入电压传感器C1的输出端接至信号处理电路1的对应输入端；电感电流传感器C2与主电路中的滤波电感L串联，对滤波电感L的电流进行检测，电感电流传感器C2的输出端接至信号处理电路1的对应输入端；输出电压传感器C3并联在主电路中的滤波电容C的两端，对主电路的输出电压进行检测，输出电压传感器C3的输出端接至信号处理电路1的对应输入端；输出电流传感器C4串联在主电路的正极性输出端，对主电路的输出电流进行检测，输出电流传感器C4的输出端接至信号处理电路1的对应输入端；外部提供的输出电压给定信号与信号处理电路1的对应输入端连接，信号处理电路1的输出端通过数据总线分别与动态过程逻辑判断电路2、稳态过程控制电路3、突增动态过程控制电路4、突减动态过程控制电路5的对应输入端连接；动态过程逻辑判断电路2的第一信号输出端分别和第二非门电路10、第二或门电路11、突增动态过程控制电路4、突减动态过程控制电路5的对应输入端连接，动态过程逻辑判断电路2的第二信号输出端分别和第一非门电路6、第一与门电路7的对应输入端连接；稳态过程控制电路3的输出端和第二或门电路11的对应输入端连接；突增动态过程控制电路4的输出端和第一与门电路7的对应输入端连接；突减动态过程控制电路5的输出端和第二与门电路8的对应输入端连接；第一非门电路6的输出端和第二与门电路8的对应输入端连接；第一与门电路7的输出端和第一或门电路9的对应输入端连接；第二与门电路8的输出端和第一或门电路9的对应输入端连接；第一或门电路9的输出端和第三或门电路12的对应输入端连接；第二非门电路10的输出端和第三或门电路12的对应输入端连接；第二或门电路11的输出端和第三与门电路13的对应输入端连接；第三或门电路12的输出端和第三与门电路13的对应输入端连接；第三与门电路13的输出端和隔离驱动电路14的对应输入端连接；隔离驱动电路14的输出端和主电路的电力电子开关器件VT的控制端连接。
本发明还包括：
1.动态过程逻辑判断电路2包括：第一比较电路15、第二比较电路16、第三比较电路17、第四比较电路18和逻辑判断与锁存电路19；
第一比较电路15的正极性输入端P与输出电压给定信号Uref端连接，第一比较电路15负极性输入端N与输出电压信号uout端连接，第一比较电路15的输出端连接至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端；第二比较电路16的正极性输入端P与输出电压信号uout端连接，第二比较电路16的负极性输入端N与输出电压给定信号Uref端连接，第二比较电路16的输出端连接至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端；第三比较电路17的正极性输入端P与电感电流信号iL端连接，第三比较电路17的负极性输入端N与输出电流信号iout端连接，第三比较电路17的输出端连接至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端；第四比较电路18的正极性输入端P与输出电流信号iout端连接，第四比较电路18的负极性输入端N与电感电流信号iL端连接，第四比较电路18的输出端连接至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端；逻辑判断与锁存电路19的第一信号输出端和第二信号输出端即为动态过程逻辑判断电路2的第一信号输出端和第二信号输出端。
2.稳态过程控制电路3为电压、电流双闭环PI控制电路，输出PWM控制信号。
3.突增动态过程控制电路4包括：预期电感释放能量计算电路20、预期电容吸收能量计算电路21、预期负载消耗能量计算电路22、第一减法电路23、第五比较电路24、第一锁存电路25、第三非门电路26；预期电感释放能量计算电路20、预期电容吸收能量计算电路21、预期负载消耗能量计算电路22的输入端分别通过数据总线与信号处理电路1的输出端连接，预期电感释放能量计算电路20、预期电容吸收能量计算电路21、预期负载消耗能量计算电路22的输出端均连接至第一减法电路23的对应输入端；第一减法电路23的输出端连接至第五比较电路24的对应输入端；第五比较电路24的另一个输入端与零电位信号连接，第五比较电路24的输出端连接至第一锁存电路25的对应输入端；第三非门电路26的输入端连接至动态过程逻辑判断电路2的A1信号的输出端，第三非门电路26的输出端连接至第一锁存电路25的复位信号端RS1；第一锁存电路25的输出端即为突增动态过程控制电路4的输出端。
4.突减动态过程控制电路5包括预期输入能量计算电路27、预期电感吸收能量计算电路28、预期电容吸收能量计算电路29、预期负载消耗能量计算电路30、第二减法电路31、第六比较电路32、第二锁存电路33、第四非门电路34；预期输入能量计算电路27、预期电感吸收能量计算电路28、预期电容吸收能量计算电路29和预期负载消耗能量计算电路30的输入端分别通过数据总线与信号处理电路1的输出端连接，预期输入能量计算电路27、预期电感吸收能量计算电路28、预期电容吸收能量计算电路29和预期负载消耗能量计算电路30的输出端分别连接至第二减法电路31的对应输入端；第二减法电路31的输出端连接至第六比较电路32的对应输入端；第六比较电路32的另一个输入端与零电位信号连接，第六比较电路32的输出端连接至第二锁存电路33的对应输入端；第四非门电路34的输入端连接至动态过程逻辑判断电路2的A1信号的输出端，第四非门电路34输出端连接至第二锁存电路33的复位信号端RS2；第二锁存电路33的输出端即为突减动态过程控制电路5的输出端。
本发明的有益效果：针对双闭环PI控制等传统控制方法所控制的直流电源无法达到理想动态性能这一问题，本发明通过分析直流电源动态过程中的能量关系，设计了动态过程控制方法及具体控制电路，同时通过相应的逻辑电路实现动态与稳态过程的控制方法切换。
1.根据主电路运行工况的不同，分别采取三种不同的控制方式，确保其具有优异的运行性能。
2.稳态运行时通过采用现有的、成熟的控制策略，可以保证其优良的稳态运行性能。
3.根据能量平衡关系，将主电路的各种动态调节过程统一归纳为突增动态过程和突减动态过程，针对这两种动态过程分别设计出了基于能量计算和分析的控制电路。
4.在主电路的控制方式二和控制方式三的控制过程中，电力电子开关器件VT的通断状态只需改变一次，就可以由动态调节过程进入到稳态运行，因此本发明提出的直流电源具有优异的动态性能。
5.控制器中无需进行P、I参数设计，解决了传统PI控制器参数选取对性能影响较大的问题。
6.以能量作为控制依据，负载变化时主电路各个环节的能量会自动跟随改变，因此控制器适应能力强。
附图说明
图1为一种基于能量控制的直流降压电源总体结构图；
图2为动态过程逻辑判断电路；
图3为突增动态过程控制电路；
图4为突减动态过程控制电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
本发明以典型的BUCK型直流变换器为例，进行具体说明和分析。
本发明提出的一种动态性能优异的直流电源，由主电路和控制电路构成。
主电路由电力电子开关器件VT、续流二极管VD、滤波电感L、滤波电容C、负载R构成，这些器件间的连接方式与典型的BUCK电路的器件连接方式一致。
控制电路主要由信号处理电路1、动态过程逻辑判断电路2、稳态过程控制电路3、突增动态过程控制电路4、突减动态过程控制电路5、非门电路6、与门电路7、与门电路8、或门电路9、非门电路10、或门电路11、或门电路12、与门电路13、隔离驱动电路14、输入电压传感器C1、电感电流传感器C2、输出电压传感器C3、输出电流传感器C4等电路和器件构成。
控制电路的主要连接关系为：输入电压传感器C1并联在主电路的输入端，对主电路的输入电压进行检测，其输出端接至信号处理电路1的对应输入端；电感电流传感器C2与主电路中的滤波电感L串联，对滤波电感L的电流进行检测，其输出端接至信号处理电路1的对应输入端；输出电压传感器C3并联在主电路中的滤波电容C的两端，用于对主电路的输出电压进行检测，其输出端接至信号处理电路1的对应输入端；输出电流传感器C4串联在主电路的正极性输出端，用于对主电路的输出电流进行检测，其输出端接至信号处理电路1的对应输入端；外部提供的输出电压给定信号与信号处理电路1的对应输入端连接，信号处理电路1的输出端通过数据总线分别与动态过程逻辑判断电路2、稳态过程控制电路3、突增动态过程控制电路4、突减动态过程控制电路5的对应输入端连接；动态过程逻辑判断电路2的A1信号输出端分别和非门电路10、或门电路11、突增动态过程控制电路4、突减动态过程控制电路5的对应输入端连接，其A0信号输出端分别和非门电路6、与门电路7的对应输入端连接；稳态过程控制电路3的输出端和或门电路11的对应输入端连接；突增动态过程控制电路4的输出端和与门电路7的对应输入端连接；突减动态过程控制电路5的输出端和与门电路8的对应输入端连接；非门电路6的输出端和与门电路8的对应输入端连接；与门电路7的输出端和或门电路9的对应输入端连接；与门电路8的输出端和或门电路9的对应输入端连接；或门电路9的输出端和或门电路12的对应输入端连接；非门电路10的输出端和或门电路12的对应输入端连接；或门电路11的输出端和与门电路13的对应输入端连接；或门电路12的输出端和与门电路13的对应输入端连接；与门电路13的输出端和隔离驱动电路14的对应输入端连接；隔离驱动电路14的输出端和主电路的电力电子开关器件VT的控制端连接；
动态过程逻辑判断电路2由比较电路15、比较电路16、比较电路17、比较电路18、逻辑判断与锁存电路19构成。
构成动态过程逻辑判断电路2的各个电路间的连接关系为：比较电路15的正极性输入端P与输出电压给定信号Uref端连接，负极性输入端N与输出电压信号uout端连接，其输出端连接至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端；比较电路16的正极性输入端P与输出电压信号uout端连接，负极性输入端N与输出电压给定信号Uref端连接，其输出端连接至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端；比较电路17的正极性输入端P与电感电流信号iL端连接，负极性输入端N与输出电流信号iout端连接，其输出端连接至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端；比较电路18的正极性输入端P与输出电流信号iout端连接，负极性输入端N与电感电流信号iL端连接，其输出端连接至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端；逻辑判断与锁存电路19的A1和A0信号输出端即为动态过程逻辑判断电路2的A1和A0信号输出端。
突增动态过程控制电路4由预期电感释放能量计算电路20、预期电容吸收能量计算电路21、预期负载消耗能量计算电路22、减法电路23、比较电路24、锁存电路25、非门电路26构成；
构成突增动态过程控制电路4的各个电路间的连接关系为：预期电感释放能量计算电路20、预期电容吸收能量计算电路21、预期负载消耗能量计算电路22的输入端分别通过数据总线与信号处理电路1的输出端连接，这三个电路的输出端分别连接至减法电路23的对应输入端；减法电路23的输出端连接至比较电路24的对应输入端；比较电路24的另一个输入端与零电位信号连接，其输出端连接至锁存电路25的对应输入端；非门电路26的输入端连接至动态过程逻辑判断电路2的A1信号的输出端，其输出端连接至锁存电路25的复位信号端RS1；锁存电路25的输出端即为突增动态过程控制电路4的输出端。
突减动态过程控制电路5由预期输入能量计算电路27、预期电感吸收能量计算电路28、预期电容吸收能量计算电路29、预期负载消耗能量计算电路30、减法电路31、比较电路32、锁存电路33、非门电路34构成。
构成突减动态过程控制电路5的各个电路间的连接关系为：预期输入能量计算电路27、预期电感吸收能量计算电路28、预期电容吸收能量计算电路29、预期负载消耗能量计算电路30的输入端分别通过数据总线与信号处理电路1的输出端连接，这四个电路的输出端分别连接至减法电路31的对应输入端；减法电路31的输出端连接至比较电路32的对应输入端；比较电路32的另一个输入端与零电位信号连接，其输出端连接至锁存电路33的对应输入端；非门电路34的输入端连接至动态过程逻辑判断电路2的A1信号的输出端，其输出端连接至锁存电路33的复位信号端RS2；锁存电路33的输出端即为突减动态过程控制电路5的输出端。
控制电路中包含的各个电路的具体功能如下所述：
输入电压传感器C1对主电路输入电压进行实时检测并将检测结果s1传送至信号处理电路1。
电感电流传感器C2对主电路的电感电流进行实时检测并将检测结果s2传送至信号处理电路1。
输出电压传感器C3对主电路的输出电压进行实时检测并将检测结果s3传送至信号处理电路1。
输出电流传感器C4对主电路的输出电流进行实时检测并将检测结果s4传送至信号处理电路1。
信号处理电路1接收主电路的输出电压给定信号Uref、输入电压、电感电流、输出电压、输出电流等信息并进行相应的数据处理，例如常规的滤波处理以及比例运算处理并将输出电压给定信号Uref，输入电压信号uin、电感电流信号iL、输出电压信号uout、输出电流信号iout通过数据总线传送至动态过程逻辑判断电路2、稳态过程控制电路3、突增动态过程控制电路4、突减动态过程控制电路5。
动态过程逻辑判断电路2对输入信号进行比较分析，判断出主电路工作于何种运行状态，并输出相应的控制信号，具体判断规则为：当输出电压信号uout的平均值(平均值是指根据实时获得的数据计算出的一个开关周期时间长度范围内的平均值，后续说明中的平均值均采用此定义)等于输出电压给定信号Uref(即两者之间的差值在所允许的电压误差范围内，电压误差范围由具体设计要求决定)，且电感电流信号iL的平均值与输出电流信号iout的平均值的差值在所允许的电流波动范围(电流波动范围由具体设计要求决定)内变化时，判断此时主电路处于稳态运行工况，A1输出端为0,即低电平，A0输出端为0；当输出电压给定信号Uref大于输出电压信号uout的平均值且其差值超出电压误差范围时，或者当输出电流信号iout的平均值大于电感电流信号iL的平均值且其差值超出电流波动范围时，判断此时主电路处于突增动态过程，A1输出端为1高电平，A0输出端为1；当输出电压给定信号Uref小于输出电压信号uout的平均值且其差值超出电压误差范围时，或者当输出电流信号iout的平均值小于电感电流信号iL的平均值且其差值超出电流波动范围时，判断此时主电路处于突减动态过程，A1输出端为1高电平，A0输出端为0低电平；其他情况下，A1输出端为0，A0输出端为0。
稳态过程控制电路3根据获得的输出电压给定信号Uref、电感电流信号iL、输出电压信号uout等信息，采用现有的成熟的控制策略例如电压、电流双闭环的PI控制对主电路进行闭环控制，输出PWM控制信号。
突增动态过程控制电路4依据输入信号，预测并计算出从当前时刻主电路中的电力电子开关器件VT关断直到输出电压等于输出电压给定值的过程中，滤波电感L释放的能量即VT关断时刻电感储存的能量值减去主电路输出电压等于输出电压给定值时刻的电感储存的能量值，和滤波电容吸收的能量即主电路输出电压等于输出电压给定值时刻的电容储存的能量值减去VT关断时刻电容储存的能量值，以及这个过程中主电路负载消耗的能量；滤波电感L释放的能量依次减去滤波电容吸收的能量和负载消耗的能量，计算出差值ΔW1；当ΔW1≥0时，突增动态过程控制电路4输出低电平，且输出的低电平会一直保持不变，直到A1信号变为低电平，输出才重新变为高电平；当ΔW1<0时，突增动态过程控制电路4输出高电平。
突减动态过程控制电路5依据输入信号，预测并计算出若令主电路中的电力电子开关器件VT在当前时刻导通直到输出电压等于输出电压给定值的过程中，主电路的输入能量、滤波电感L吸收的能量(主电路输出电压等于输出电压给定值时刻的电感储存的能量值减去VT导通时刻电感储存的能量值)和滤波电容C吸收的能量(主电路输出电压等于输出电压给定值时刻的电容储存的能量值减去VT导通时刻电容储存的能量值)，以及这个过程中主电路负载消耗的能量；主电路的输入能量依次减去滤波电感L吸收的能量、滤波电容吸收的能量和负载消耗的能量，计算出差值ΔW2；当ΔW2>0时，突增动态过程控制电路4输出低电平；当ΔW2≤0时，突增动态过程控制电路4输出高电平，且输出的高电平会一直保持不变，直到A1信号变为低电平，输出才重新变为低电平。
非门电路6对动态过程逻辑判断电路2输出信号A0进行逻辑取反运算，将运算结果传送至与门电路8。
与门电路7对输入的两路信号进行逻辑与运算，并将运算结果传送至或门电路9。
与门电路8对输入的两路信号进行逻辑与运算，并将运算结果传送至或门电路9
或门电路9对输入的两路信号进行逻辑或运算，并将运算结果传送至或门电路12。
非门电路10对输入信号进行逻辑取反运算，并将运算结果传送至或门电路12。
或门电路11对输入的两路信号进行逻辑或运算，并将运算结果传送至与门电路13。
或门电路12对输入的两路信号进行逻辑或运算，并将运算结果传送至与门电路13。
与门电路13对输入的两路信号进行逻辑与运算，并将运算结果传送至隔离驱动电路14。
隔离驱动电路14将与门电路13提供的控制信号进行光电隔离和功率放大后，输出至电力电子开关器件VT的控制端，从而控制其导通或关断。
比较电路15的功能是针对输入的输出电压信号uout计算出从当前时刻向前的一个开关周期时间长度区间内的平均值，并将计算出的输出电压信号uout的平均值与输出电压给定信号Uref进行比较，当输出电压给定信号Uref大于输出电压信号uout的平均值，且两者之间的差值超过了允许的电压误差范围时，比较电路15输出为1，否则为0，并将输出信号传送至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端。
比较电路16针对输入的输出电压信号uout计算出从当前时刻向前的一个开关周期时间长度区间内的平均值，并将计算出的输出电压信号uout的平均值与输出电压给定信号Uref进行比较，当输出电压信号uout的平均值大于输出电压给定信号Uref，且两者之间的差值超过了允许的电压误差范围时，比较电路16输出为1，否则为0，并将输出信号传送至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端。
比较电路17针对输出电流信号iout和电感电流信号iL，分别计算出其从当前时刻向前的一个开关周期时间长度区间内的平均值，并将计算出的平均值进行比较，当电感电流信号iL的平均值大于输出电流信号iout的平均值，且两者之间的差值超过了允许的电流波动范围时，比较电路17输出为1，否则为0，并将输出信号传送至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端。
比较电路18针对输出电流信号iout和电感电流信号iL，分别计算出其从当前时刻向前的一个开关周期时间长度区间内的平均值，并将计算出的平均值进行比较，当输出电流信号iout的平均值大于电感电流信号iL的平均值，且两者之间的差值超过了允许的电流波动范围时，比较电路18输出为1，否则为0，并将输出信号传送至逻辑判断与锁存电路19的对应输入端。
逻辑判断与锁存电路19的功能是对输入的四路信号进行逻辑判断，其输出端即为动态过程逻辑判断电路2的A1和A0信号输出端。
预期电感释放能量计算电路20的功能为预测并计算出从当前时刻主电路中的电力电子开关器件VT关断直到输出电压等于输出电压给定值的过程中，滤波电感L释放的能量，并将计算结果传递给减法电路23。
预期电容吸收能量计算电路21的功能为预测并计算出从当前时刻主电路中的电力电子开关器件VT关断直到输出电压等于输出电压给定值的过程中，滤波电容C吸收的能量并将计算结果传递给减法电路23。
预期负载消耗能量计算电路22的功能为预测并计算出从当前时刻主电路中的电力电子开关器件VT关断直到输出电压等于输出电压给定值的过程中，主电路负载消耗的能量，并将计算结果传递给减法电路23。
减法电路23的功能是将接收到的滤波电感L释放的能量作为被减数，将滤波电容C吸收的能量和负载消耗的能量作为减数，进行减法运算，将计算出的差值ΔW1传送至比较电路24。
比较电路24将接收到的差值ΔW1与0电位信号进行比较，当ΔW1≥0时，电路输出低电平；当ΔW1<0时，电路输出高电平。
锁存电路25的功能是，当比较电路24输出高电平时锁存电路25也输出高电平，一旦比较电路24的输出为低电平，锁存电路25的输出会将低电平锁存并一直维持低电平不变，直到电路复位信号端接收到高电平，电路输出被复位成高电平。
非门电路26对输入信号进行逻辑取反运算，并将运算结果传送至锁存电路25的复位信号端。
预期输入能量计算电路27的功能是，根据获得的信息，预测并计算出若令主电路中的电力电子开关器件VT在当前时刻导通直到输出电压等于输出电压给定值的过程中，主电路的输入能量，并将计算结果传递给减法电路31。
预期电感吸收能量计算电路28的功能是，根据获得的信息，预测并计算出若令主电路中的电力电子开关器件VT在当前时刻导通直到输出电压等于输出电压给定值的过程中，滤波电感L吸收的能量，并将计算结果传递给减法电路31。
预期电容吸收能量计算电路29的功能是，根据获得的信息，预测并计算出若令主电路中的电力电子开关器件VT在当前时刻导通直到输出电压等于输出电压给定值的过程中，滤波电容C吸收的能量，并将计算结果传递给减法电路31。
预期负载消耗能量计算电路30的功能是，根据获得的信息，预测并计算出若令主电路中的电力电子开关器件VT在当前时刻导通直到输出电压等于输出电压给定值的过程中，主电路负载消耗的能量，并将计算结果传递给减法电路31。
减法电路31的功能是将接收到的主电路的输入能量作为被减数，将滤波电感L吸收的能量、滤波电容C吸收的能量和主电路负载消耗的能量作为减数，进行减法运算，将计算出的差值ΔW2传送至比较电路32。
比较电路32将接收到的差值ΔW2与0电位信号进行比较，当ΔW2>0时，电路输出低电平；当ΔW2≤0时，电路输出高电平。
锁存电路33的功能是，当比较电路32输出低电平时锁存器33也输出低电平，一旦比较电路32的输出为高电平，锁存电路33的输出会将高电平锁存并一直维持高电平不变，直到电路复位信号端接收到高电平，电路输出被复位成低电平。
非门电路34对输入信号进行逻辑取反运算，并将运算结果传送至锁存电路33的复位信号端。
根据不同的主电路运行状态，阐述本发明的工作原理和过程如下：
运行过程中，输入电压传感器C1、电感电流传感器C2、输出电压传感器C3、输出电流传感器C4实时检测主电路的输入电压、电感电流、输出电压、输出电流信号并将检测结果传送给信号处理电路1；
信号处理电路1对接收到的信号进行必要的数据处理，例如常规的滤波处理和比例运算处理，将处理后的信号分别传送给动态过程逻辑判断电路2、稳态过程控制电路3、突增动态过程控制电路4和突减动态过程控制电路5；
动态过程逻辑判断电路2接收到信号后，比较电路15和比较电路16分别计算出输出电压信号uout平均值，并将计算出的平均值与输出电压给定信号Uref进行比较；比较电路17和比较电路18分别计算出输出电流信号iout和电感电流信号iL的平均值并将两个平均值进行比较；根据比较电路15、比较电路16、比较电路17、比较电路18输出电平的不同，逻辑判断与锁存电路19的输出可能有以下几种可能：
情况一：当输出电压信号uout的平均值等于输出电压给定信号Uref即两者之间的差值在所允许的电压误差范围内，电压误差范围由具体设计要求决定，且电感电流信号iL的平均值与输出电流信号iout的平均值的差值在所允许的电流波动范围电流波动范围由具体设计要求决定内变化时，比较电路15、比较电路16、比较电路17、比较电路18输出均为低电平，逻辑判断与锁存电路19的输出信号也都是低电平，即A1＝0，A0＝0。
情况二：当输出电压给定信号Uref大于输出电压信号uout的平均值且其差值超出电压误差范围时，比较电路15输出为高电平，比较电路16输出为低电平，此时，无论比较电路17、比较电路18的输出信号是高电平还是低电平，逻辑判断与锁存电路19的输出信号都是高电平，即A1＝1，A0＝1。
情况三：当输出电流信号iout的平均值大于电感电流信号iL的平均值且其差值超出电流波动范围时，比较电路18输出为高电平，逻辑判断与锁存电路19将比较电路18输出的高电平信号锁存直到输出电压信号uout等于输出电压给定信号Uref进行复位。同时，比较电路17输出为低电平，此时无论比较电路15和比较电路16的输出信号是高电平还是低电平，逻辑判断与锁存电路19的输出信号都是高电平，即A1＝1，A0＝1。
情况四：当输出电压给定信号Uref小于输出电压信号uout的平均值且其差值超出电压误差范围，比较电路16输出为高电平，比较电路15输出低电平，此时无论比较电路17和比较电路18输出信号为高电平还是低电平，逻辑判断与锁存电路19的A1信号输出端为高电平，A0信号输出端为低电平，即A1＝1，A0＝0。
情况五：当输出电流信号iout的平均值小于电感电流信号iL的平均值且其差值超出电流波动范围，比较电路17输出为高电平，逻辑判断与锁存电路19将比较电路17输出的高电平信号锁存直到输出电压信号uout等于输出电压给定信号Uref进行复位。同时，比较电路18输出低电平，此时无论比较电路15和比较电路16输出信号是高电平还是低电平，逻辑判断与锁存电路19的A1信号输出端为高电平，A0信号输出端为低电平，即A1＝1，A0＝0。
若出现上述五种情况之外的其他情况，则A1＝0，A0＝0。
综上所述，动态过程逻辑判断电路2的输出信号只能出现三种情况，即A1A0＝00、A1A0＝11、A1A0＝10。
根据动态过程逻辑判断电路2的输出信号组合关系的不同，主电路的控制方式分为以下三种：
控制方式一：当A1A0＝00时，表明此时主电路输出电压和输出电流都在稳定运行范围内，电路处于稳态运行。由于A1和A0都为0，因此锁存电路25和锁存电路33均被复位，图1中的突增动态过程控制电路4输出为1，突减动态过程控制电路5输出为0。根据图1中非门电路6、与门电路7、与门电路8、或门电路9、非门电路10、或门电路11、或门电路12、与门电路13之间的连接关系和逻辑运算准则可知，与门电路13的输出信号等于稳态过程控制电路3的输出信号。此时稳态过程控制电路3根据获得的电压、电流等信号，采取现有的各种成熟的控制策略生成控制信号，该控制信号通过或门电路11、与门电路13和隔离驱动电路14后生成PWM信号，实现对主电路的稳态运行控制。
控制方式二：当A1A0＝11时，此时电路有可能处于上电起动、输出电压给定值突增或者负载突增等工况，从能量平衡的角度来看，在这几种工况下主电路的输入能量、滤波电感L和滤波电容C中存储的能量之和不足以满足在输出电压给定值情况下的负载稳态运行的需求，因此将其统称为突增动态过程。此时由于A1＝1，因此或门电路11输出信号始终为1，即屏蔽了稳态过程控制电路3的输出信号。而A0＝1，经过非门电路6的逻辑取反，与门电路8的输出恒为0，即屏蔽了突减动态过程控制电路5的输出信号。根据图1所示的电路和逻辑关系可知，此时只有突增动态过程控制电路4的输出信号才能传送至隔离驱动电路14的输入端。在突增动态过程控制电路4内部，预期电感释放能量计算电路20预测并计算出从当前时刻主电路中的电力电子开关器件VT关断直到输出电压等于输出电压给定值的过程中滤波电感L释放的能量，预期电容吸收能量计算电路21预测并计算出从当前时刻主电路中的电力电子开关器件VT关断直到输出电压等于输出电压给定值的过程中滤波电容C吸收的能量，预期负载消耗能量计算电路22预测并计算出从当前时刻主电路中的电力电子开关器件VT关断直到输出电压等于输出电压给定值的过程中主电路负载消耗的能量，减法电路23将滤波电感L释放的能量作为被减数，将滤波电容C吸收的能量和负载消耗的能量作为减数，进行减法运算计算出的差值ΔW1，比较电路24对差值ΔW1的大小进行判断，若ΔW1<0，表明此时关断主电路中电力电子开关器件VT，只依靠滤波电感L释放的能量，不足以满足滤波电容C充电至端电压为输出电压给定值，以及负载在主电路输出电压等于输出电压给定值时的运行需求，因此比较电路24需要输出高电平信号，该高电平信号经过隔离驱动电路14后，控制电力电子开关器件VT导通，主电路继续从外部电源获得能量，电感电流不断增加；若ΔW1≥0，表明此时关断主电路中电力电子开关器件VT，滤波电感L释放的能量，能够满足滤波电容C充电至端电压为输出电压给定值，以及负载在主电路输出电压为输出电压给定值时的运行需求，因此比较电路24需要输出低电平信号，该低电平信号被锁存电路25锁存作为其输出信号。在锁存电路25输出信号保持为低电平的过程中，电力电子开关器件VT处于关断状态，滤波电感L释放的能量，满足滤波电容C充电和负载运行的需求。当输出电压信号uout的平均值等于输出电压给定信号Uref，且电感电流信号iL的平均值与输出电流信号iout的平均值的差值在所允许的电流波动范围内变化时，动态过程逻辑判断电路2输出的信号变为A1＝0、A0＝0，主电路的控制自动变换为控制方式一。
控制方式三：当A1A0＝10时，此时电路有可能处于输出电压给定值突减或者负载突减等工况，从能量平衡的角度来看，在这几种工况下主电路中滤波电感L和滤波电容C中存储的能量之和超出了在输出电压给定值情况下的负载稳态运行的需求，致使主电路输出电压过高，因此将其统称为突减动态过程。此时由于A1＝1，因此或门电路11输出信号始终为1，即屏蔽了稳态过程控制电路3的输出信号。而A0＝0，与门电路7的输出恒为0，即屏蔽了突增动态过程控制电路4的输出信号。根据图1所示的电路和逻辑关系可知，此时只有突减动态过程控制电路5的输出信号才能传送至隔离驱动电路14的输入端。在突减动态过程控制电路5内部，预期输入能量计算电路27预测并计算出若令主电路中的电力电子开关器件VT在当前时刻导通直到输出电压等于输出电压给定值的过程中主电路的输入能量，预期电感吸收能量计算电路28预测并计算出若令主电路中的电力电子开关器件VT在当前时刻导通直到输出电压等于输出电压给定值的过程中滤波电感L吸收的能量，预期电容吸收能量计算电路29预测并计算出若令主电路中的电力电子开关器件VT在当前时刻导通直到输出电压等于输出电压给定值的过程中滤波电容C吸收的能量，预期负载消耗能量计算电路30预测并计算出若令主电路中的电力电子开关器件VT在当前时刻导通直到输出电压等于输出电压给定值的过程中主电路负载消耗的能量，减法电路31将主电路的输入能量作为被减数，将滤波电感L吸收的能量、滤波电容C吸收的能量和主电路负载消耗的能量作为减数，进行减法运算计算出的差值ΔW2，比较电路32对差值ΔW2的大小进行判断，若ΔW2>0，表明此时导通主电路中电力电子开关器件VT，主电路的输入能量会导致能量过剩，致使主电路输出电压高于输出电压给定值，从而在后续的调节过程中会出现电力电子开关器件VT导通、关断过程不断切换的情况，无法获得最优的动态调节过程。因此比较电路32需要输出低电平信号，该低电平信号经过隔离驱动电路14后，控制电力电子开关器件VT关断，主电路中的滤波电感L和滤波电容C继续释放能量；若ΔW2≤0，表明如果此时还不导通主电路中电力电子开关器件VT，则当主电路输出电压等于输出电压给定值时，滤波电感L的储能将无法满足负载运行的需求，后续主电路输出电压会低于输出电压给定值，因此比较电路32需要输出高电平信号，该高电平信号被锁存电路33锁存作为其输出信号。在锁存电路33输出信号保持为高电平的过程中，电力电子开关器件VT处于导通状态，主电路从外部电源获得输入能量，使得当主电路输出电压等于输出电压给定值时，主电路的储能可以满足主电路稳定运行的需求。当输出电压信号uout的平均值等于输出电压给定信号Uref，且电感电流信号iL的平均值与输出电流信号iout的平均值的差值在所允许的电流波动范围内变化时，动态过程逻辑判断电路2输出的信号变为A1＝0、A0＝0，主电路的控制自动变换为控制方式一。
在主电路的控制方式二和控制方式三的控制过程中，电力电子开关器件VT的通断状态只需改变一次，就可以由动态调节过程进入到稳态运行，因此本发明提出的直流电源具有优异的动态性能。
主电路采用BUCK电路，其中的电力电子开关器件VT、续流二极管VD、电感L、电容C、负载R等器件的设计、选取方法与现有的标准BUCK电路的器件设计、选取方法完全一致。
输入电压传感器C1、输出电压传感器C3可以利用现有的各种具有电压检测和信号传送功能的电路予以实现，比如可以采用霍尔型电压传感器辅以相应的信号处理电路。
电感电流传感器C2、输出电流传感器C4可以利用现有的各种具有电流检测和信号传送功能的电路予以实现，比如可以采用霍尔型电流传感器辅以相应的信号处理电路。
信号处理电路1可以利用现有的各种具有信号滤波和运算功能的电路予以实现，比如可以采用一阶低通滤波电路和相应的运算放大器构成的运算电路对传感器的输出信号进行相应的滤波和运算。
信号处理电路1与动态过程逻辑判断电路2、稳态过程控制电路3、突增动态过程控制电路4、突减动态过程控制电路5之间的数据总线可采用现有的各种数据总线予以实现，例如并行数据总线、串行数据总线或者CAN总线等。
动态过程逻辑判断电路2中的比较电路15、比较电路16、比较电路17、比较电路18可以采用运算放大器搭建平均值计算电路，同时采用现有的具有比较功能的芯片辅以相应的外围电路实现信号大小的比较。
动态过程逻辑判断电路2中的逻辑判断与锁存电路19可以采用现有的具有信号锁存功能的芯片和相应的逻辑运算芯片予以实现。
稳态过程控制电路3可以利用模拟器件搭建PI双闭环控制电路予以实现，需要根据具体的稳态控制算法选择。
突增动态过程控制电路4中的预期电感释放能量计算电路20可以采用运算放大器结合现有的具有乘除法运算功能的芯片，搭建相应的运算电路予以实现。
突增动态过程控制电路4中的预期电容吸收能量计算电路21可以采用运算放大器结合现有的具有乘除法运算功能的芯片，搭建相应的运算电路予以实现。
突增动态过程控制电路4中的预期负载消耗能量计算电路22可以采用运算放大器结合现有的具有乘除法运算功能的芯片，搭建相应的运算电路予以实现。
突增动态过程控制电路4中的减法电路23可以采用运算放大器搭建减法电路予以实现。
突增动态过程控制电路4中的比较电路24可以采用现有的具有信号比较功能的芯片辅以相应的电路予以实现。
突增动态过程控制电路4中的锁存电路25可以采用逻辑门电路搭建或采用现有的具有数据锁存功能的芯片予以实现。
突增动态过程控制电路4中的非门电路26可以采用具有取反运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
突减动态过程控制电路5中的预期输入能量计算电路27采用运算放大器结合现有的具有乘除法运算功能的芯片，搭建相应的运算电路予以实现。
突减动态过程控制电路5中的预期电感吸收能量计算电路28可以采用运算放大器结合现有的具有乘除法运算功能的芯片，搭建相应的运算电路予以实现。
突减动态过程控制电路5中的预期电容吸收能量计算电路29可以采用运算放大器结合现有的具有乘除法运算功能的芯片，搭建相应的运算电路予以实现。
突减动态过程控制电路5中的预期负载消耗能量计算电路30可以采用运算放大器结合现有的具有乘除法运算功能的芯片，搭建相应的运算电路予以实现。
突减动态过程控制电路5中的减法电路31可以采用运算放大器搭建减法电路予以实现。
突减动态过程控制电路5中的比较电路32可以采用现有的具有信号比较功能的芯片辅以相应的电路予以实现。
突减动态过程控制电路5中的锁存电路33可以采用逻辑门电路搭建或采用现有的具有数据锁存功能的芯片予以实现。
突减动态过程控制电路5中的非门电路34可以采用具有取反运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
非门电路6可以采用现有的具有取反运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
与门电路7可以采用现有的具有与运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
与门电路8可以采用现有的具有与运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
或门电路9可以采用现有的具有或运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
非门电路10可以采用现有的具有取反运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
或门电路11可以采用现有的具有或运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
或门电路12可以采用现有的具有或运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
与门电路13可以采用现有的具有与运算功能的逻辑运算芯片予以实现。
隔离驱动电路14可以采用现有的具有光电隔离和信号驱动功能的芯片辅以相应的电路予以实现。

Claims (5)

1.一种基于能量控制的直流降压电源，包括主电路和控制电路，其特征在于：主电路为BUCK电路；
控制电路包括：信号处理电路(1)、动态过程逻辑判断电路(2)、稳态过程控制电路(3)、突增动态过程控制电路(4)、突减动态过程控制电路(5)、第一非门电路(6)、第一与门电路(7)、第二与门电路(8)、第一或门电路(9)、第二非门电路(10)、第二或门电路(11)、第三或门电路(12)、第三与门电路(13)、隔离驱动电路(14)、输入电压传感器(C1)、电感电流传感器(C2)、输出电压传感器(C3)和输出电流传感器(C4)；
输入电压传感器(C1)并联在主电路的输入端，对主电路的输入电压进行检测，输入电压传感器(C1)的输出端接至信号处理电路(1)的对应输入端；电感电流传感器(C2)与主电路中的滤波电感L串联，对滤波电感L的电流进行检测，电感电流传感器(C2)的输出端接至信号处理电路(1)的对应输入端；输出电压传感器(C3)并联在主电路中的滤波电容C的两端，对主电路的输出电压进行检测，输出电压传感器(C3)的输出端接至信号处理电路(1)的对应输入端；输出电流传感器(C4)串联在主电路的正极性输出端，对主电路的输出电流进行检测，输出电流传感器(C4)的输出端接至信号处理电路(1)的对应输入端；外部提供的输出电压给定信号与信号处理电路(1)的对应输入端连接，信号处理电路(1)的输出端通过数据总线分别与动态过程逻辑判断电路(2)、稳态过程控制电路(3)、突增动态过程控制电路(4)、突减动态过程控制电路(5)的对应输入端连接；动态过程逻辑判断电路(2)的第一信号输出端分别和第二非门电路(10)、第二或门电路(11)、突增动态过程控制电路(4)、突减动态过程控制电路(5)的对应输入端连接，动态过程逻辑判断电路(2)的第二信号输出端分别和第一非门电路(6)、第一与门电路(7)的对应输入端连接；稳态过程控制电路(3)的输出端和第二或门电路(11)的对应输入端连接；突增动态过程控制电路(4)的输出端和第一与门电路(7)的对应输入端连接；突减动态过程控制电路(5)的输出端和第二与门电路(8)的对应输入端连接；第一非门电路(6)的输出端和第二与门电路(8)的对应输入端连接；第一与门电路(7)的输出端和第一或门电路(9)的对应输入端连接；第二与门电路(8)的输出端和第一或门电路(9)的对应输入端连接；第一或门电路(9)的输出端和第三或门电路(12)的对应输入端连接；第二非门电路(10)的输出端和第三或门电路(12)的对应输入端连接；第二或门电路(11)的输出端和第三与门电路(13)的对应输入端连接；第三或门电路(12)的输出端和第三与门电路(13)的对应输入端连接；第三与门电路(13)的输出端和隔离驱动电路(14)的对应输入端连接；隔离驱动电路(14)的输出端和主电路的电力电子开关器件VT的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量控制的直流降压电源，其特征在于：所述动态过程逻辑判断电路(2)包括：第一比较电路(15)、第二比较电路(16)、第三比较电路(17)、第四比较电路(18)和逻辑判断与锁存电路(19)；
第一比较电路(15)的正极性输入端P与输出电压给定信号Uref端连接，第一比较电路(15)负极性输入端N与输出电压信号uout端连接，第一比较电路(15)的输出端连接至逻辑判断与锁存电路(19)的对应输入端；第二比较电路(16)的正极性输入端P与输出电压信号uout端连接，第二比较电路(16)的负极性输入端N与输出电压给定信号Uref端连接，第二比较电路(16)的输出端连接至逻辑判断与锁存电路(19)的对应输入端；第三比较电路(17)的正极性输入端P与电感电流信号iL端连接，第三比较电路(17)的负极性输入端N与输出电流信号iout端连接，第三比较电路(17)的输出端连接至逻辑判断与锁存电路(19)的对应输入端；第四比较电路(18)的正极性输入端P与输出电流信号iout端连接，第四比较电路(18)的负极性输入端N与电感电流信号iL端连接，第四比较电路(18)的输出端连接至逻辑判断与锁存电路(19)的对应输入端；逻辑判断与锁存电路(19)的第一信号输出端和第二信号输出端即为动态过程逻辑判断电路(2)的第一信号输出端和第二信号输出端。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量控制的直流降压电源，其特征在于：所述稳态过程控制电路(3)为电压、电流双闭环PI控制电路，输出PWM控制信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量控制的直流降压电源，其特征在于：所述突增动态过程控制电路(4)包括：预期电感释放能量计算电路(20)、预期电容吸收能量计算电路(21)、预期负载消耗能量计算电路(22)、第一减法电路(23)、第五比较电路(24)、第一锁存电路(25)、第三非门电路(26)；预期电感释放能量计算电路(20)、预期电容吸收能量计算电路(21)、预期负载消耗能量计算电路(22)的输入端分别通过数据总线与信号处理电路(1)的输出端连接，预期电感释放能量计算电路(20)、预期电容吸收能量计算电路(21)、预期负载消耗能量计算电路(22)的输出端均连接至第一减法电路(23)的对应输入端；第一减法电路(23)的输出端连接至第五比较电路(24)的对应输入端；第五比较电路(24)的另一个输入端与零电位信号连接，第五比较电路(24)的输出端连接至第一锁存电路(25)的对应输入端；第三非门电路(26)的输入端连接至动态过程逻辑判断电路(2)的第一信号输出端，第三非门电路(26)的输出端连接至第一锁存电路(25)的复位信号端(RS1)；第一锁存电路(25)的输出端即为突增动态过程控制电路(4)的输出端。
5.根据权利要求1所述的一种基于能量控制的直流降压电源，其特征在于：所述突减动态过程控制电路(5)包括预期输入能量计算电路(27)、预期电感吸收能量计算电路(28)、预期电容吸收能量计算电路(29)、预期负载消耗能量计算电路(30)、第二减法电路(31)、第六比较电路(32)、第二锁存电路(33)、第四非门电路(34)；预期输入能量计算电路(27)、预期电感吸收能量计算电路(28)、预期电容吸收能量计算电路(29)和预期负载消耗能量计算电路(30)的输入端分别通过数据总线与信号处理电路(1)的输出端连接，预期输入能量计算电路(27)、预期电感吸收能量计算电路(28)、预期电容吸收能量计算电路(29)和预期负载消耗能量计算电路(30)的输出端分别连接至第二减法电路(31)的对应输入端；第二减法电路(31)的输出端连接至第六比较电路(32)的对应输入端；第六比较电路(32)的另一个输入端与零电位信号连接，第六比较电路(32)的输出端连接至第二锁存电路(33)的对应输入端；第四非门电路(34)的输入端连接至动态过程逻辑判断电路(2)的第一信号输出端，第四非门电路(34)输出端连接至第二锁存电路(33)的复位信号端(RS2)；第二锁存电路(33)的输出端即为突减动态过程控制电路(5)的输出端。
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