CN110855250B - 供电电压可变的线性功放驱动方法 - Google Patents

供电电压可变的线性功放驱动方法 Download PDF

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Abstract

一种供电电压可变的线性功放驱动方法，属于功放驱动控制技术领域。本发明针对现有线性功放的功率器件在空载或者轻负载时，在功率器件内部依然会由于高的电压降而产生巨大的损耗，影响功率器件运行可靠性的问题。它采集线性功放的输出端电流信号、负载工况需求信号及供电电源的供电电压信号，并采用控制单元计算获得线性功放的输入端电流指令信号；同时获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号；可变供电电压单元用于根据所述正负电源PWM指令信号对供电电源进行变换，获得当前预期供电电压信号，并作为线性功放的实际供电信号，使实际供电信号随着负载工况需求进行调整。本发明使母线电压的变化随着线性功放的实际需求动态的调整。

Description

供电电压可变的线性功放驱动方法
技术领域
本发明涉及供电电压可变的线性功放驱动方法，属于功放驱动控制技术领域。
背景技术
线性功放是一种利用功率器件的线性工作区域将微小信号放大成为大电流、高电压信号的功率放大器，具有精度高、线性度好、高频响不易振荡等优点。线性功放在高精度、高线性度、低失真度等领域以及在光学和测量系统、光刻机系统、精密机床、医疗电源、光学装配以及航空航天方面也有广泛的应用。
在具备上述优点的同时，线性功放的功率器件发热量大以及效率低的问题一直是难以解决的技术难题。尤其是在高电压的模式下，当空载或者轻负载时，即使有很低的电流输出，由于功率器件内部的高压降也会产生巨大的损耗，使得功率器件的发热剧增。由此降低了功率器件的可靠性，并影响到系统运行的效率。
因此，针对以上不足，亟需找到一种在空载以及低负载情况下能够提升功率器件工作效率，降低线性功放损耗的驱动控制方法。
发明内容
针对现有线性功放的功率器件在空载或者轻负载时，由于供电电压不变，在功率器件内部依然会由于高的电压降而产生巨大的损耗，使发热剧增，进而影响功率器件运行可靠性的问题，本发明提供一种供电电压可变的线性功放驱动方法。
本发明的一种供电电压可变的线性功放驱动方法，包括：
采集线性功放的输出端电流信号A、负载工况需求信号B及供电电源的供电电压信号C，并采用控制单元计算获得线性功放的输入端电流指令信号I；同时获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U+及U-；
可变供电电压单元用于根据所述正负电源PWM指令信号U+及U-对供电电源进行变换，获得当前预期供电电压信号Udc+及Udc-，并将当前预期供电电压信号Udc+及Udc-作为线性功放的实际供电信号，使实际供电信号随着负载工况需求进行调整。
根据本发明的供电电压可变的线性功放驱动方法，
所述线性功放的输出端电流信号A的获得方法包括：
在所述线性功放的输出端与负载之间设置采样电阻R1，检测采样电阻R1两端的电压信号A1及A2，通过采样电阻两端的电压信号A1及A2计算获得线性功放的输出端电流信号A。
根据本发明的供电电压可变的线性功放驱动方法，
所述负载工况需求包括：
暂态工作时对功放动态阶跃响应能力的需求；
暂态工作时对功放电流加速能力的需求；
稳态工作时对功放稳态电流精度的需求；
以及在不同工况下，对功放带宽的需求。
根据本发明的供电电压可变的线性功放驱动方法，
所述采用控制单元获得线性功放的输入端电流指令信号I的方法包括：
采用二号AD转换器对线性功放的输出端电流信号A进行变换，获得输出端电流信号的数字形式，输入至微处理器；
采用一号AD转换器对供电电源的供电电压信号C进行变换，获得供电电压信号的数字形式，输入至微处理器；
采用负载状态调整单元对负载工况需求信号的数字形式、输出端电流信号的数字形式及供电电压信号的数字形式进行处理，获得线性功放的输入端电流给定信号Iref，并输入至微处理器；所述负载工况需求信号的数字形式由负载工况需求信号B经交互通讯的方式获得；
所述微处理器对输入信号进行处理，获得线性功放的输入端电流指令信号数字形式，再通过DA转换器进行变换，获得线性功放的输入端电流指令信号I；
所述线性功放的输入端电流指令信号I由前一采样时刻的输入端电流指令信号I与线性功放的输入端电流给定信号Iref进行比较，并经电流PI调节器调节后获得。
根据本发明的供电电压可变的线性功放驱动方法，所述控制单元获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U+及U-的方法包括：
所述微处理器结合线性功放的输入端电流给定信号Iref对供电电压信号的数字形式进行处理，获得PWM调制信号，所述PWM调制信号再经BUCK电路降压处理，获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U+及U-；
所述可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U的计算方法为：
Figure BDA0002296453340000021
式中K为功放对电压的跟踪速度系数，R为负载的等效电阻，f为期望带宽，L为负载的等效电感；式中U＝U+或U-。
根据本发明的供电电压可变的线性功放驱动方法，
所述可变供电电压单元用于根据所述正负电源PWM指令信号U+及U-对供电电源进行变换，获得当前预期供电电压信号Udc+及Udc-的方法包括：
对于正电源PWM指令信号U+：
将正电源PWM指令信号U+与前一采样周期的预期供电电压信号Udc+进行比较，并将比较结果经电压PI调节器进行调节，获得当前预期供电正电压信号Udc+；
当前预期供电负电压信号Udc-通过对当前预期供电正电压信号Udc+取反获得。
本发明的有益效果：本发明方法有效解决了线性功放工作时功率器件由于供电电压和输出电压之间压差过大导致的器件发热损坏问题，提升了线性功放的可靠性和效率，同时根据负载工况需求利用公式构建的闭环反馈系统可以更好的调整供电电压，保证了线性功放的优良特性。对线性功放的实际供电信号根据外部指令需求，利用PWM开关的方法实时获得所需要的供电母线电压，使母线电压的变化随着线性功放的实际需求动态的调整；由于供电电压通过PWM开关方式根据指令需求实时动态调整，因此通过减小在空载和中小负载情况下的功率器件的供电电压和输出电压的电压差，降低了功率器件的损耗，从而保证了线性功放的可靠性和性能。
本发明方法的使用涉及光刻机中的精密微动系统、卫星姿态控制、精密机床、医疗电源以及高端物理实验装置等高精度高可靠性的场合。
附图说明
图1是本发明所述供电电压可变的线性功放驱动方法的原理框图；
图2是控制单元的原理框图；
图3是线性功放的输入端电流指令信号I的获得过程示意图；
图4是当前预期供电电压信号Udc+及Udc-的获得过程示意图；
图5是本发明方法具体实施的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种供电电压可变的线性功放驱动方法，包括：
采集线性功放的输出端电流信号A、负载工况需求信号B及供电电源的供电电压信号C，并采用控制单元计算获得线性功放的输入端电流指令信号I；同时获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U+及U-；
可变供电电压单元用于根据所述正负电源PWM指令信号U+及U-对供电电源进行变换，获得当前预期供电电压信号Udc+及Udc-，并将当前预期供电电压信号Udc+及Udc-作为线性功放的实际供电信号，使实际供电信号随着负载工况需求进行调整。
本实施方式可以有效解决线性功放在空载、低负载等情况下的功率器件发热及损耗问题，提升线性功放的效率；从而可实现线性功放在高精密、高机动、高线性度等领域下的可靠应用。
本实施方式的总体思路是在传统的恒定供电电压的线性功放基础上将恒定供电电压变为根据不同负载情况实时调整的变化电压，从而达到在空载以及小负载条件下降低供电电压和输出电压之间的电压差，降低线性功放的发热的目的，进而提升线性功放在小载荷情况下的效率。
进一步，结合图2所示，所述线性功放的输出端电流信号A的获得方法包括：
在所述线性功放的输出端与负载之间设置采样电阻R1，检测采样电阻R1两端的电压信号A1及A2，通过采样电阻两端的电压信号A1及A2计算获得线性功放的输出端电流信号A。
作为示例，所述负载工况需求包括：
暂态工作时对功放动态阶跃响应能力的需求；
暂态工作时对功放电流加速能力的需求；
稳态工作时对功放稳态电流精度的需求；
以及在不同工况下，对功放带宽的需求。
再进一步，结合图2和图3所示，
所述采用控制单元获得线性功放的输入端电流指令信号I的方法包括：
采用二号AD转换器对线性功放的输出端电流信号A进行变换，获得输出端电流信号的数字形式，输入至微处理器；
采用一号AD转换器对供电电源的供电电压信号C进行变换，获得供电电压信号的数字形式，输入至微处理器；
采用负载状态调整单元对负载工况需求信号的数字形式、输出端电流信号的数字形式及供电电压信号的数字形式进行处理，获得线性功放的输入端电流给定信号Iref，并输入至微处理器；所述负载工况需求信号的数字形式由负载工况需求信号B经交互通讯的方式获得；
所述微处理器对输入信号进行处理，获得线性功放的输入端电流指令信号数字形式，再通过DA转换器进行变换，获得线性功放的输入端电流指令信号I；
所述线性功放的输入端电流指令信号I由前一采样时刻的输入端电流指令信号I与线性功放的输入端电流给定信号Iref进行比较，并经电流PI调节器调节后获得。
本实施方式在线性功放的控制回路构建电流闭环反馈模式，保证了功放的控制精度。
利用电流PI调节器构建模拟线性功放的电流环，电流环输出指令通过高精度DA转换芯片转换成模拟功率器件需要的输入指令，然后通过模拟功率器件将该小信号放大，获得高压、大电流的功率信号。
再进一步，结合图2及图4所示，所述控制单元获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U+及U-的方法包括：
所述微处理器结合线性功放的输入端电流给定信号Iref对供电电压信号的数字形式进行处理，获得PWM调制信号，所述PWM调制信号再经BUCK电路降压处理，获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U+及U-；
所述可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U的计算方法为：
Figure BDA0002296453340000051
式中K为功放对电压的跟踪速度系数，R为负载的等效电阻，f为期望带宽，L为负载的等效电感；式中U＝U+或U-。
此计算公式中，第一项根据闭环反馈得到，反映了线性功放的动态响应能力；K值根据相应功放对电压跟踪速度的需求来确定，也可以是由上位机指令给定的自适应指令；第二项为根据负载的实际情况和负载的带宽以及加速度来确定参数，反映了线性功放的实际带载能力。
本实施方式中线性功放的功率放大部分仍然由功率器件工作在线性区域获得。性功率器件的供电电压为可变，其变化根据采样的电流、电压以及上位机通讯指令综合获得判据后，然后通过buck降压电路，利用斩波电路的方式，获得所需要的功率器件供电电源电压，由于可以通过不同的负载条件实时调节实际供电电压，可以有效地降低输入输出之间的电压差，从而降低损耗提升效率。
本实施方式中构建了电压闭环的DCDC变换电路。其中，电压指令通过公式获得供电电压的给定指令，电压反馈是通过实时监测功率器件获得的供电电压，通过构建电压闭环调节器，获得稳定的BUCK电路的斩波控制信号。同时，考虑到功率器件是正负电源供电，设定正负两组buck变换硬件电路，由于供电电源通常正负对称，因此取得电压指令值以后直接取反获得反向电压。在微处理器内部设置两个一样的电压调节器，电压调节器的一个指令信号如上面公式所示，另外一个指令信号在正信号的基础上取反后输入给指令。
再进一步，结合图4所示，所述可变供电电压单元用于根据所述正负电源PWM指令信号U+及U-对供电电源进行变换，获得当前预期供电电压信号Udc+及Udc-的方法包括：
对于正电源PWM指令信号U+：
将正电源PWM指令信号U+与前一采样周期的预期供电电压信号Udc+进行比较，并将比较结果经电压PI调节器进行调节，获得当前预期供电正电压信号Udc+；
当前预期供电负电压信号Udc-通过对当前预期供电正电压信号Udc+取反获得。
本发明方法在具体实施中，可利用线性模拟功率器件作为线性功放的核心放大元件，该模拟线性功放的供电采用开关控制方法，将直流供电电源利用buck降压电路获得所需要的直流电压，以满足在不同工况下的线性功放工作环境；
对于线性功放的信号回路，利用功率器件自身能力线性输出特性，将小信号转化为所需要的功率信号；在功率器件的供电回路，根据线性功放的工作状态以及电流指令的实际需求实时调整实际供电电压；
在供电电压可变回路中，构建降压的buck电路，将高电压的直流供电电压变为低电压的直流母线电压。由于线性功放需要正负电源同时工作，因此同时构建正负两个buck变换电路。
buck电路的电压调节依靠斩波来进行控制。图4所示，由线性功放的输入端电流给定信号Iref，输入端电流指令信号I作为反馈指令以及模拟器件供电电压三部分共同构建，实现电压闭环的斩波电路。给定的电压闭环指令U+及U-根据相应的公式计算获得。
实现上述各控制算法的微处理器可以采用32位dsp或者arm或者fpga实现。本发明中可采用32位arm处理器STM32F767来实现，如图2所示。其中线性功放的电流检测和电压检测都是通过AD采样获得，并将该信号送入到微处理器内部，在微处理器内部完成电流调节器环节，将输出的小信号通过DA转换的方式送出到线性运放的输入端，将信号得以放大；同时微处理器根据线性功放的整体需求，获得线性功放下一步的工作模式，带宽需求，然后根据上述指标和采样及反馈电流共同构建需要的电压值，并将该电压值和软件计数器做比较，获得需要的PWM信号。
下面，对微处理器内部实现的控制进行详细的说明：
本发明方法中，微处理器可以使用DSP、FPGA、ARM等任意型号的微处理器或者多种微处理器的组合结构。本发明中为了说明方法的正确性，采用了ST公司的arm芯片作为驱动控制的核心实现单元。
本发明方法的实验硬件可由实验室人员自行搭建。功放负载方面，选择电感线圈或者电机等感性元件作为负载；在功放的驱动控制方面，采用的主控制芯片为ST公司的STM32F767，采用C语言编程模式，内部集成A/D转换器、PWM发生器、CAN通讯接口、USART接口，驱动板上的核心功率器件采用APEX公司的PA04作为驱动元件，其供电范围为±48v，该功率器件的输入信号通过ARM外置的DA芯片TLV5630来获得。调节供电电压的功率器件采用了2个英飞凌公司的单管MOSFET单元IPD600N25N3来实现，其驱动芯片也为英飞凌公司的驱动芯片IR2110，该芯片具有过流、过压保护功能。为减少整体体积，功率器件的开关频率设定为20kHz。
整体的控制硬件平台包括PC机、ARM控制板、开关功率驱动buck电路以及线性模拟模拟电电路器、开关电源以及D/A转换器构成。
采集的供电电源的供电电压信号C通过电阻分压获得，该电压也通过模数转换器AD转换成为需要的数字量。图4中的指令需求信号可以通过上位机下达的CAN通讯指令或者根据实际对带宽和加速度的需求由软件自行给定。可以包括功放对电压的跟踪速度系数K及期望带宽f。利用ARM芯片丰富的外设资源和运算速度，在ARM内部完成线性功放电流环PI调节算法、电压环路PI调节算法、电流和电压的低通滤波器算法、PWM斩波控制算法、故障下的电流以及电压保护算法。
本发明的系统控制流程如图5所示，依据图5中的控制流程，所有软件算法功能方面相关的程序全部在主中断中执行，该主中断利用PWM的下溢时间中断做为主中断，软件中断频率为20kHz。具体在软件中执行的算法可以分为以下两个步骤：
一方面，对线性功放电流回路实现电流调节功能。其中包括：电流AD采样及转换技术、故障保护封锁技术、电流环PI调节器、DA输出环节。
另一方面，对功率器件供电电压的动态调整功能。其中包括：电压和电流的AD采样及转换技术、故障保护封锁技术、电压环PI调节器、电压斩波控制、电压指令计算环节。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种供电电压可变的线性功放驱动方法，其特征在于包括：
采集线性功放的输出端电流信号A、负载工况需求信号B及供电电源的供电电压信号C，并采用控制单元计算获得线性功放的输入端电流指令信号I；同时获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U+及U-；
可变供电电压单元用于根据所述正负电源PWM指令信号U+及U-对供电电源进行变换，获得当前预期供电电压信号Udc+及Udc-，并将当前预期供电电压信号Udc+及Udc-作为线性功放的实际供电信号，使实际供电信号随着负载工况需求进行调整；
所述线性功放的输出端电流信号A的获得方法包括：
在所述线性功放的输出端与负载之间设置采样电阻R1，检测采样电阻R1两端的电压信号A1及A2，通过采样电阻两端的电压信号A1及A2计算获得线性功放的输出端电流信号A；
所述负载工况需求包括：
暂态工作时对功放动态阶跃响应能力的需求；
暂态工作时对功放电流加速能力的需求；
稳态工作时对功放稳态电流精度的需求；
以及在不同工况下，对功放带宽的需求；
采用控制单元计算获得线性功放的输入端电流指令信号I的方法包括：
采用二号AD转换器对线性功放的输出端电流信号A进行变换，获得输出端电流信号的数字形式，输入至微处理器；
采用一号AD转换器对供电电源的供电电压信号C进行变换，获得供电电压信号的数字形式，输入至微处理器；
采用负载状态调整单元对负载工况需求信号的数字形式、输出端电流信号的数字形式及供电电压信号的数字形式进行处理，获得线性功放的输入端电流给定信号Iref，并输入至微处理器；所述负载工况需求信号的数字形式由负载工况需求信号B经交互通讯的方式获得；
所述微处理器对输入信号进行处理，获得线性功放的输入端电流指令信号数字形式，再通过DA转换器进行变换，获得线性功放的输入端电流指令信号I；所述输入信号包括所述输出端电流信号的数字形式、所述供电电压信号的数字形式和所述线性功放的输入端电流给定信号Iref；
所述线性功放的输入端电流指令信号I由前一采样时刻的输入端电流指令信号I与线性功放的输入端电流给定信号Iref进行比较，并经电流PI调节器调节后获得。
2.根据权利要求1所述的供电电压可变的线性功放驱动方法，其特征在于，所述控制单元获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U+及U-的方法包括：
所述微处理器结合线性功放的输入端电流给定信号Iref对供电电压信号的数字形式进行处理，获得PWM调制信号，所述PWM调制信号再经BUCK电路降压处理，获得可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U+及U-；
所述可变供电电压单元的正负电源PWM指令信号U的计算方法为：
Figure FDA0004110329930000021
式中K为功放对电压的跟踪速度系数，R为负载的等效电阻，f为期望带宽，L为负载的等效电感；式中U＝U+或U-。
3.根据权利要求2所述的供电电压可变的线性功放驱动方法，其特征在于，
所述可变供电电压单元用于根据所述正负电源PWM指令信号U+及U-对供电电源进行变换，获得当前预期供电电压信号Udc+及Udc-的方法包括：
对于正电源PWM指令信号U+：
将正电源PWM指令信号U+与前一采样周期的预期供电电压信号Udc+进行比较，并将比较结果经电压PI调节器进行调节，获得当前预期供电正电压信号Udc+；
当前预期供电负电压信号Udc-通过对当前预期供电正电压信号Udc+取反获得。
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