CN111010034A - 一种电源控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电源控制方法，所述电源包括电源用于控制占空比的控制电路；该方法包括以下步骤：1)当电源系统处于轻载稳态工作时，预测负载动态后电源电路的占空比D；2)根据步骤1)中的预测结果，结合变压器的匝比、谐振电感值对占空比进行调节，获得占空比限幅值Dmax；3)根据获取电源电路的实时占空比D1；所述实时占空比通过实时采样的输入电压值、输出电压值，和已知电源变压器的匝比，计算电源电路的实时占空比；4)当电源系统处于负载工作时，每采样周期采集输出电压值，计算输出电压下降幅度；然后根据实时占空比D1控制PWM模块发波。本发明方法通过控制预测的最大占空比和设计占空比步进值，来抑制系统中电压和电流的超调。

Description

一种电源控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源控制技术，尤其涉及一种电源控制方法。
背景技术
在开关电源如BUCK、BOOST、正激、反激、移相全桥等电路中，大部分都采用PWM/PFM(脉冲宽度调宽/脉冲频率调制)进行控制。当输入、输出电压或者负载等发生变化时，电源可以通过PWM/PFM进行自动调节。但是，在有较大的动态时，如从轻载突加到重载，电路的工作模式，有可能会从DCM(断续模式)向CCM(连续模式)转换，使占空比D会有较大的变化。由于在突加重载时，输入不能快速跟随输出所需的能量，会出现输入欠能量的过程，为了弥补其能量的欠缺，占空比D就会有一个较大的超调，因此会造成功率器件上的电压和电流有较大过冲。
突加重载的过程如图1所示，其中，A状态为轻载DCM模式，其稳态占空比较小为Da，在突加重载时，我们理想的动态过程是如图的线路1所示，输入电流Iin缓慢平稳的达到B状态，其工作模式也由DCM模式下，缓慢的向CCM模式下过渡，最终达到稳态的占空比Db。但是实际从A到B的变化中，会沿如图1中的2、3路线过渡，就会存在占空比D有较大超调的过程，如状态C，该状态下占空比Dc可能是远大于Db，因此，将会引起功率器件的电压和电流有较大的过冲。
当电流和电压有过冲时，开关管、二极管、变压器等器件就会有较大的电压和电流应力，不利于器件的选型，而且还会增加其损耗，影响电源的效率。因此，有效的抑制该过冲电压和电流，对开关电源有极为重要的意义。
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，提供一种电源控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电源控制方法，所述电源包括电源用于控制占空比的控制电路；
该方法包括以下步骤：
1)当电源系统处于轻载稳态工作时，预测负载动态后电源电路的占空比D；
2)根据步骤1)中的预测结果，结合变压器的匝比、谐振电感值对占空比进行调节，获得占空比限幅值Dmax；
3)根据获取电源电路的实时占空比D1；所述实时占空比通过实时采样的输入电压值、输出电压值，和已知电源变压器的匝比，计算电源电路的实时占空比；
4)当电源系统处于负载工作时，每采样周期采集输出电压值，计算输出电压下降幅度；
若输出电压下降幅度小于预设值，根据实时占空比D1控制PWM模块发波；
若输出电压下降幅度大于预设值且实时占空比D1<＝Dmax，则启动超级快环策略，具体如下：
4.1)根据已知的变压器的匝比、谐振电感值电路参数，以及其工况，包括：输入输出电压和负载的大小，确定占空比达到限幅值的步进ΔD和步进周期数；
4.2)在每个步进周期，则将D1+ΔD的值赋给实时占空比D1，并在该步进周期时间内，根据更新实时占空比D1控制PWM模块发波；
4.3)若输出电压下降幅度小于预设值，则退出当前超级快环策略；
若输出电压下降幅度大于预设值且实时占空比D1>Dmax，则将Dmax的值赋给实时占空比D1，再根据D1控制PWM模块发波。
按上述方案，所述电源控制电路包括MCU控制器、与MCU控制器相连的驱动电路以及与驱动电路相连的开关管；所述MCU控制器包括用于采集电源输入、输出电压值的AD转换器、根据输入、输出电压值计算实时占空比的运算器，以及ePWM模块。
按上述方案，所述步骤1)中预测占空比根据输入输出电压获得。
按上述方案，所述步骤2)中调节后的占空比限幅值Dmax为固定值。
按上述方案，所述步骤2)中调节后的占空比限幅值Dmax为计算结果上下5％浮动的区间值。
按上述方案，所述步骤4)中占空比达到限幅值的步进ΔD设置为从大到小的渐进式步进值。
本发明产生的有益效果是：本发明方法通过控制预测的最大占空比和设计占空比步进值，来抑制系统中电压和电流的超调，从而降低系统内有源型开关器件的动态下电压和电流应力，在很大程度上减小上述电压和电流的过冲，并且占空比通过设计的步进和时间迅速的放大到限幅值，让输入和输出的能量迅速达到平衡，系统中的电压和电流快速达到稳态，从而大幅减小调节时间，提高了系统的动态性能。
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是背景技术中轻载突加重载过程示意图；
图2是本发明实施例的快环策略方法流程图。
图3是本发明实施例的控制电路框图；
图4是本发明实施例的三电平全桥拓扑示意图。
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。
如图2所示，一种电源控制方法，所述电源包括电源用于控制占空比的控制电路；
控制电路如图3所示，包括MCU控制器、与MCU控制器相连的驱动电路以及与驱动电路相连的开关管；所述MCU控制器包括用于采集电源输入、输出电压值以及输出电流值的AD转换器、根据输入、输出电压值计算实时占空比的运算器，以及ePWM模块。
该方法包括以下步骤：
1)当电源系统处于轻载稳态工作时，预测负载动态后电源电路的占空比D；
预测占空比根据输入输出电压获得；
2)根据步骤1)中的预测结果，结合变压器的匝比、谐振电感值对占空比进行调节，获得占空比限幅值Dmax；
3)获取电源电路的实时占空比D1；所述实时占空比通过实时采样的输入电压值、输出电压值，和已知电源变压器的匝比，计算电源电路的实时占空比；
4)当电源系统处于负载工作时，每采样周期采集输出电压值，计算输出电压下降幅度；
若输出电压下降幅度小于预设值，根据实时占空比D1控制PWM模块发波；
若输出电压下降幅度大于预设值且实时占空比D1<＝Dmax，则启动超级快环策略，具体如下：
4.1)根据已知的变压器的匝比、谐振电感值电路参数，以及其工况，包括：输入输出电压和负载的大小，确定占空比达到限幅值的步进ΔD和步进周期数；
4.2)在每个步进周期，则将D1+ΔD的值赋给实时占空比D1，并在该步进周期时间内，根据更新实时占空比D1控制PWM模块发波；
4.3)若输出电压下降幅度小于预设值，则退出当前超级快环策略；
若输出电压下降幅度大于预设值且实时占空比D1>Dmax，则将Dmax的值赋给实时占空比D1，再根据D1控制PWM模块发波。
本发明配合盖帽策略(当系统处于状态A稳定工作时，可以预测负载的阶跃信号对最终占空比的影响，通过控制预测的最大占空比，来抑制系统中电压和电流的超调，从而降低系统内有源型开关器件的动态下电压和电流应力)，可以大幅缩短系统的负载阶跃的调节时间，大幅提升系统动态性能。当系统有较大动态引起占空比增加时，占空比可以按照设计的步进和时间迅速的放大到限幅值，让输入和输出的能量迅速达到平衡，系统中的电压和电流快速达到稳态，从而大幅减小调节时间，提高了系统的动态性能，我们把这种控制方法称之为超级快环策略。本发明对所有可以预测负载动态后的占空比的电路，如BUCK、BOOST、正激、反激、半桥和全桥等都可适用。
实施例
下面以三电平全桥作为实例进行分析，其拓扑如图4所示。在盖帽策略下，突加重载时，输入谐振电感电流iLr的过冲会得到有效的抑制，但是由于占空比限制，调节时间加长，系统的动态性能变差。
本发明主要是在软件的补偿器中增加一种快环策略，当系统进入快环时，该策略就起作用，退出快环时，策略也同时退出，具体策略如下介绍。
在环路控制中，我们常使用的补偿器有PI控制器，单零单极或双零双极等，以下我们以双零双极为例。双零双极补偿器S域的表达式为：
H(s)＝Kv*(s+A)*(s+B)/(s*(s+C))
通过双曲线变换然后再转换成时域表达式为：
y(k)＝K1*y(k-1)-K2*y(k-2)+K3*e(k)-K4*e(k-1)+K5*e(k-2)
其中，y(k)为控制器当前输出结果，y(k-1)为前一拍输出结果，e(k)为当前误差，e(k-1)为前一拍误差，其他变量依次类推,K1至K5为相关系数。
因为在开关电源中，计算频率都在几十KHz以上，所以在相邻的周期内，e(k)变化比较小，而且K3+K5-K4的值很小，最终导致控制器的输出结果，即占空比y(k)变化也比较慢。
针对以上问题，本发明提出了一种新的超级快环策略，当电路有较大动态引起占空比增加时，根据实际的电路参数和工况，如变压器的匝比、谐振电感值、输入输出电压以及负载的大小等，来设计占空比达到限幅值的步进和时间。可以让输入和输出的能量迅速达到平衡，系统中的电压和电流快速达到稳态，从而大幅减小调节时间，提高了系统的动态性能，
加入本发明所提出的超级快环策略后，在所设计的调节周期内，谐振电感电流iLr可以快速的达到稳态值，而且由于盖帽策略的存在，不会有过冲问题，调节时间减小，提高了系统的动态性能。
图3是基于以上移相全桥电路的快环控制电路的框图。包括输入和输出信号的采样，对占空比的运算以及PWM的发波。超级快环控制策略主要包括以下三个过程：1.进入快环、2.快环运算、3.退出快环。
1.进入快环
本方案所提出的超级快环策略，主要是针对突加载等大动态下的一种控制方式，因此，需要有一个进入快环的条件。当突加载时，输出电压会有一个下跌，负载越大电压下跌越多，因此，可以根据输出电压的下跌情况来作为进入快环的条件。
2.快环运算
当满足进入快环的入口条件时，就开始快环运算。由已知的变压器的匝比、谐振电感值等电路参数，以及其工况，如输入输出电压和负载的大小等，来设计占空比达到限幅值的步进以及周期数。
3.快环退出
当占空比放大到限幅值，输入和输出的能量迅速达到平衡，此时输出电压也会快速恢复，便可以退出快环。因此，可以将输出电压恢复到接近给定值时，作为退出超级快环的条件。
超级快环控制策略的流程图如下图2所示，此处以输出电压值的变化作为进入和退出快环的条件，其中Vset是输出的设定值，D0是上一时刻的占空比，ΔD是设计的占空比步进，可实时进行调节，D1是当前占空比，且当D1达到由盖帽策略所计算的占空比限幅值Dmax时，不再增加，以Dmax占空比进行发波。
本发明配合盖帽策略(当系统处于状态A稳定工作时，可以预测负载的阶跃信号对最终占空比的影响，通过控制预测的最大占空比，来抑制系统中电压和电流的超调，从而降低系统内有源型开关器件的动态下电压和电流应力)，可以大幅缩短系统的负载阶跃的调节时间，大幅提升系统动态性能。当系统有较大动态引起占空比增加时，占空比可以按照设计的步进和时间迅速的放大到限幅值，让输入和输出的能量迅速达到平衡，系统中的电压和电流快速达到稳态，从而大幅减小调节时间，提高了系统的动态性能。
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 (6)

1.一种电源控制方法，所述电源包括电源用于控制占空比的控制电路；其特征在于，
该方法包括以下步骤：
1)当电源系统处于轻载稳态工作时，预测负载动态后电源电路的占空比D；
2)根据步骤1)中的预测结果，结合变压器的匝比、谐振电感值对占空比进行调节，获得占空比限幅值Dmax；
3)根据获取电源电路的实时占空比D1；所述实时占空比通过实时采样的输入电压值、输出电压值，和已知电源变压器的匝比，计算电源电路的实时占空比；
4)当电源系统处于负载工作时，每采样周期采集输出电压值，计算输出电压下降幅度；
若输出电压下降幅度小于预设值，根据实时占空比D1控制PWM模块发波；
若输出电压下降幅度大于预设值且实时占空比D1<＝Dmax，则启动超级快环策略，具体如下：
4.1)根据已知的变压器的匝比、谐振电感值电路参数，以及其工况，包括：输入输出电压和负载的大小，确定占空比达到限幅值的步进ΔD和步进周期数；
4.2)在每个步进周期，则将D1+ΔD的值赋给实时占空比D1，并在该步进周期时间内，根据更新实时占空比D1控制PWM模块发波；
4.3)若输出电压下降幅度小于预设值，则退出当前超级快环策略；
若输出电压下降幅度大于预设值且实时占空比D1>Dmax，则将Dmax的值赋给实时占空比D1，再根据D1控制PWM模块发波。
2.根据权利要求1所述的电源控制方法，其特征在于，所述电源控制电路包括MCU控制器、与MCU控制器相连的驱动电路以及与驱动电路相连的开关管；所述MCU控制器包括用于采集电源输入、输出电压值的AD转换器、根据输入、输出电压值计算实时占空比的运算器，以及ePWM模块。
3.根据权利要求1所述的电源控制方法，其特征在于，所述步骤1)中预测占空比根据输入输出电压获得。
4.根据权利要求1所述的电源控制方法，其特征在于，所述步骤2)中调节后的占空比限幅值Dmax为固定值。
5.根据权利要求1所述的电源控制方法，其特征在于，所述步骤2)中调节后的占空比限幅值Dmax为计算结果上下5％浮动的区间值。
6.根据权利要求1所述的电源控制方法，其特征在于，所述步骤4)中占空比达到限幅值的步进ΔD设置为从大到小的渐进式步进值。
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