CN111193402A - 一种dc-dc电源的数字控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DC‑DC电源的数字控制系统及方法，该控制系统包括采样模块，对输出电压和输出电流采样，得到输出电压采样信号和输出电流采样信号；PID控制模块，通过输出电压采样信号和输出电流采样信号得到环路控制量，将环路控制量输入环路选择器中，得到PID环路控制量；动态检测模块，通过输出电流采样信号得到当前的负载状态，再通过不同的负载状态之间切换的时间，得到当前的负载动态频率；动态控制模块，对PWM占空比信号进行调整；PWM模块，将调整后的PWM占空比信号转化为PWM波。本发明动态调整时间短，对系统环路性能影响小，在提高了低频负载动态时响应速度的同时，在高频负载动态时还能保持系统有较高的稳定性。

Description

一种DC-DC电源的数字控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体的说，是涉及一种DC-DC电源的数字控制系统及方法。

背景技术

随着技术的不断发展，给各类电子设备供电的电源也越来越重要，电源的性能甚至会直接影响到整套电子设备的性能指标和工作的稳定性。其中，数字控制的开关电源以其自身的灵活性强，稳定性好，易量化控制且精度高的优点，成为了主流电子设备电源应用的重要部分。

例如在激光设备电源的应用中，激光设备的工作时，相当于激光电源的负载在高频的切换，负载动态频率从1~20KHz乃至更高，此时电源的输出电压会因为负载的快速变化，产生过冲或者下降的情况。若电压过冲或者下降的幅度过大，会直接导致设备的性能降低，甚至设备的工作异常。因此，电源的动态响应性能就显得尤为重要。

在一些方法中，会采用多模式控制的方式来提高PID参数来加快PID控制器的响应速度。或者，用进一步放大误差信号来增大PID控制器响应，达到提高响应速度的目的。但是在多模式的控制中，模式切换与过渡的延时效应本身就会减慢动态响应速度，而增大PID参数和放大误差信号很容易使得系统稳定性降低。

此外，还有一些使用电容电流、电感电流来预测负载变化，进行最优控制的算法，也可以提高电源的动态响应。但这种算法对于电路元器件参数值的稳定性和精确性要求较高，在电路元器件的参数不稳定的时候，不易于使用。

以上不足，有待改善。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供本发明提供了一种能满足高频快速的负载动态响应和保持系统稳定的DC-DC数字电源的数字控制系统及方法。

本发明技术方案如下所述：

一种DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，包括：

采样模块，对电源输出端的输出电压和输出电流进行采样，再通过模数转换得到输出电压采样信号和输出电流采样信号；

PID控制模块，将所述输出电压采样信号输入到第一比较器中，与稳压参考电压值进行比较得到电压误差信号，再将所述电压误差信号输入到电压PID控制器中进行运算，得到电压环路控制量，将所述输出电流采样信号输入到第三比较器中，与限流参考电流值进行比较得到电流误差信号，再将所述电流误差信号输入到电流PID控制器中进行运算，得到电流环路控制量，将所述电压环路控制量和所述电流环路控制量输入到环路选择器中，得到PID环路控制量；

动态检测模块，将所述输出电流采样信号输入到第二比较器中，与负载参考电流值进行比较得到当前的负载状态，再通过检测不同的所述负载状态之间切换的时间，得到当前的负载动态频率；

动态控制模块，同步接收所述PID环路控制量、所述负载状态及所述负载动态频率，并根据所述PID环路控制量、所述负载状态及所述负载动态频率对PWM占空比信号进行调整；

PWM模块，将调整后的所述PWM占空比信号转化为PWM波，再通过驱动电路和所述PWM波实现对驱动的控制。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述动态检测模块包括：

负载状态检测器，接收所述输出电流采样信号，并将所述输出电流采样信号输入到所述第二比较器中与负载参考电流值进行比较，得到当前的所述负载状态，所述负载状态包括加载状态和卸载状态；

动态频率检测器，通过检测所述加载状态和所述卸载状态之间切换的时间，得到当前的所述负载动态频率。

进一步的，当所述负载动态频率为低频率时，所述动态控制模块进入低频动态调节模式；当所述负载动态频率为高频率时，所述动态控制模块进入高频动态调节模式。

更进一步的，在所述低频动态调节模式中，所述动态控制模块根据当前的所述负载状态，在所述负载状态变动时，在所述PID环路控制量上叠加一个动态响应值，实现对所述PWM占空比信号的调整。

更进一步的，在所述高频动态调节模式中，所述动态控制模块仅在刚进入所述高频动态调节模式的单位时间内，在所述PID环路控制量上叠加一个所述动态响应值，实现对所述PWM占空比信号的调整。

更进一步的，在所述低频动态调节模式中，当所述负载状态为所述加载状态时，所述动态响应值为第一动态响应值，第一动态响应值为正值；当所述负载状态为所述卸载状态时，所述动态响应值为第二动态响应值，第二动态响应值为负值。

更进一步的，其特征在于，所述第一动态响应值和所述第二动态响应值随着当前的所述PID环路控制量调整。

更进一步的，其特征在于，在同一个负载动态周期中，所述第二动态响应值随着所述第一动态响应值调整。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述PWM模块包括：

PWM发生器，将调整后的所述PWM占空比信号转化为PWM波；

驱动控制器，通过驱动电路和所述PWM波实现对驱动的控制。

另一方面，一种DC-DC电源的数字控制方法，其特征在于，包括：

通过采样模块对电源输出端的输出电压和输出电流进行采样，再通过模数转换得到输出电压采样信号和输出电流采样信号；

通过PID控制模块将所述输出电压采样信号输入到第一比较器中，与稳压参考电压值进行比较得到电压误差信号，再将所述电压误差信号输入到电压PID控制器中进行运算，得到电压环路控制量，将所述输出电流采样信号输入到第三比较器中，与限流参考电流值进行比较得到电流误差信号，再将所述电流误差信号输入到电流PID控制器中进行运算，得到电流环路控制量，将所述电压环路控制量和所述电流环路控制量输入到环路选择器中，得到PID环路控制量；

通过动态检测模块将所述输出电流采样信号输入到第二比较器中，与负载参考电流值进行比较得到当前的负载状态，再通过检测不同的所述负载状态之间切换的时间，得到当前的负载动态频率；

通过动态控制模块同步接收所述PID环路控制量、所述负载状态及所述负载动态频率，并根据所述PID环路控制量、所述负载状态及所述负载动态频率对PWM占空比信号进行调整；

通过PWM模块将调整后的所述PWM占空比信号转化为PWM波，再通过驱动电路和所述PWM波实现对驱动的控制。

本发明的有益效果：

本发明动态调整时间短，对系统环路性能影响小，在提高了低频负载动态时响应速度的同时，在高频负载动态时还能保持系统有较高的稳定性，解决了在DC-DC电源中，提高负载动态响应速度和保持系统稳定之间的不能兼顾的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构框图；

图2为本发明一实施例第二比较器的电路图；

图3为本发明一实施例的驱动电路的电路图；

图4为本发明一实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1所示，本发明一实施例提供一种DC-DC电源的数字控制系统，包括：

采样模块1，对电源输出端的输出电压和输出电流进行采样，再通过模数转换得到输出电压采样信号Vout和输出电流采样信号Iout。

PID控制模块2，将输出电压采样信号Vout作为电压反馈信号输入到第一比较器21中，与稳压参考电压值Vref进行比较得到电压误差信号，再将电压误差信号输入到电压PID控制器22中进行运算，得到电压环路控制量Vpid，将输出电流采样信号Iout作为电流反馈信号输入到第三比较器23中，与限流参考电流值Iref进行比较得到电流误差信号，再将电流误差信号输入到电流PID控制器24中进行运算，得到电流环路控制量Ipid，再将电压环路控制量Vpid和电流环路控制量Ipid输入到环路选择器25中，得到PID环路控制量OUTpid，并将PID环路控制量OUTpid输出。PID补偿模块2使输出电压稳定到稳压点Vref的值上，实现输出电压的恒定，使输出电流不超过限流点Iref的值，实现对输出电流的限流；

动态检测模块3，将输出电流采样信号Iout输入到第二比较器COMP中，与负载参考电流值Load-Ref进行比较得到当前的负载状态Statu，再通过检测不同的负载状态Statu之间切换的时间Tf，得到当前的负载动态频率f，并将负载状态信号Statu和负载动态频率f输出。

动态控制模块4，同步接收PID环路控制量OUTpid、负载状态Statu及负载动态频率f，并根据PID环路控制量OUTpid、负载状态Statu及负载动态频率f对PWM占空比信号Vpwm进行调整，并将调整后的PWM占空比信号Vpwm输出；

PWM模块5，接收调整后的PWM占空比信号Vpwm，将调整后的PWM占空比信号Vpwm转化为PWM波，再通过驱动电路和PWM波实现对驱动的控制。

在本实施例中，动态检测模块3包括：

负载状态检测器31，接收输出电流采样信号Iout，并将输出电流采样信号Iout输入到第二比较器COMP中，如图2，通过与负载参考电流值进行比较得到当前的负载状态Statu，负载状态Statu包括加载状态load和卸载状态Unload。优选的，第二比较器COMP为运算放大器。

负载动态频率检测器32，通过检测加载状态load和卸载状态Unload之间切换的时间Tf，得到当前的负载动态频率f，并将负载状态信号Statu和负载动态频率f输出。

在本实施例中，当负载动态频率f为低频率时，动态控制模块4进入低频动态调节模式LFL；当负载动态频率f为高频率时，动态控制模块4进入高频动态调节模式HFL。

在低频动态调节模式LFL中，动态控制模块4在负载状态Statu变动时，根据当前的负载状态Statu，在PID环路控制量OUTpid上叠加一个动态响应值，实现对PWM占空比信号Vpwm的调整。当负载状态Statu为加载状态load时，动态响应值为第一动态响应值ΔL，第一动态响应值ΔL为正值；当负载状态Statu为卸载状态Unload时，动态响应值为第二动态响应值ΔU，第二动态响应值ΔU为负值。第一动态响应值ΔL和第二动态响应值ΔU随着当前的PID环路控制量OUTpid调整，使快速变化的PWM占空比信号Vpwm在一定幅度内，防止系统震荡。且在同一个负载动态周期中，第一动态响应值ΔL随着第二动态响应值ΔU调整，使一个负载动态周期内补偿电压信号Vpi叠加第一动态响应值ΔL和第二动态响应值ΔU的影响相互抵消，从而使得系统的PID控制器性能不会受到影响，保持系统的稳定。

在高频动态调节模式HFL中，由于有输出电容的存在，只需要使PWM占空比信号Vpwm在一个稳定的小范围内变化，输出电容提供负载变动时瞬间需要的能量，使输出电压的变化幅度不大。因此刚进入高频动态调节模式HFL时，动态控制模块4迅速在PID环路控制量OUTpid上叠加一个动态响应值，使最终输出的控制信号PWM占空比信号Vpwm迅速到接近稳定点，之后只由PID控制器来调节PWM占空比信号Vpwm，避免了系统的震荡，实现电压的稳定。

在本实施例中，PWM模块5包括：PWM发生器51，将调整后的PWM占空比信号Vpwm转化为PWM波；驱动控制器52，通过驱动电路和PWM波实现对驱动的控制。

如图3所示，进一步的，驱动电路包括原边全桥电路、隔离变压器和副边半桥电路。在驱动电路中，MOS管S1的漏极分别与MOS管S3的漏极和电源的正极连接，MOS管S1的源极分别与MOS管S2的漏极和变压器T1的引脚2连接，MOS管S2的源极与分别MOS管S4的源极和电源的负极连接，MOS管S3的源极分别与MOS管S4的漏极和电容C1连接，电容C1的另一端与变压器T1的引脚1连接，变压器T1的引脚3与MOS管S5的漏极连接，变压器T1的引脚4与电感L1连接，变压器T1的引脚5与MOS管S6的漏极连接，MOS管S5的源极分别与MOS管S6的源极连接、电容C2及负载连接，电感L1的另一端分别与电容C2的另一端和负载的另一端连接。

如图4所示，本发明一实施例提供一种DC-DC电源的数字控制方法，包括一下步骤：

步骤S1：通过采样模块1对电源输出端的输出电压和输出电流进行采样，再通过模数转换得到输出电压采样信号Vout和输出电流采样信号Iout；

步骤S2：通过PID控制模块2将输出电压采样信号Vout输入到第一比较器21中，与稳压参考电压值Vref进行比较得到电压误差信号，再将电压误差信号输入到电压PID控制器中进行运算，得到电压环路控制量Vpid，通过PID控制模块2将输出电流采样信号Iout输入到第三比较器23中，与限流参考电流值Iref进行比较得到电流误差信号，再将电流误差信号输入到电流PID控制器中进行运算，得到电流环路控制量Ipid，再将电压环路控制量Vpid和电流环路控制量Ipid输入环路选择器25中，得到PID环路控制量OUTpid；

步骤S3：通过动态检测模块3将输出电流采样信号Iout输入到第二比较器COMP中，与负载参考电流值Load-Ref进行比较得到当前的负载状态Statu，再通过检测不同的负载状态Statu之间切换的时间，得到当前的负载动态频率f；

步骤S4：通过动态控制模块4同步接收PID环路控制量OUTpid、负载状态Statu及负载动态频率f，并根据PID环路控制量OUTpid、负载状态Statu及负载动态频率f对PWM占空比信号Vpwm进行调整；

步骤S5：通过PWM模块5将调整后的PWM占空比信号Vpwm转化为PWM波，再通过驱动电路和PWM波实现对驱动的控制。

本发明的有益效果：

本发明动态调整时间短，对系统环路性能影响小，在提高了低频负载动态时响应速度的同时，在高频负载动态时还能保持系统有较高的稳定性，解决了在DC-DC电源中，提高负载动态响应速度和保持系统稳定之间的不能兼顾的问题。

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。

上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，包括：

采样模块，对电源输出端的输出电压和输出电流进行采样，再通过模数转换得到输出电压采样信号和输出电流采样信号；

PID控制模块，将所述输出电压采样信号输入到第一比较器中，与稳压参考电压值进行比较得到电压误差信号，再将所述电压误差信号输入到电压PID控制器中进行运算，得到电压环路控制量，将所述输出电流采样信号输入到第三比较器中，与限流参考电流值进行比较得到电流误差信号，再将所述电流误差信号输入到电流PID控制器中进行运算，得到电流环路控制量，将所述电压环路控制量和所述电流环路控制量输入到环路选择器中，得到PID环路控制量；

动态检测模块，将所述输出电流采样信号输入到第二比较器中，与负载参考电流值进行比较得到当前的负载状态，再通过检测不同的所述负载状态之间切换的时间，得到当前的负载动态频率；

动态控制模块，同步接收所述PID环路控制量、所述负载状态及所述负载动态频率，并根据所述PID环路控制量、所述负载状态及所述负载动态频率对PWM占空比信号进行调整；

PWM模块，将调整后的所述PWM占空比信号转化为PWM波，再通过驱动电路和所述PWM波实现对驱动的控制。

2.根据权利要求1所述的DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，所述动态检测模块包括：

负载状态检测器，接收所述输出电流采样信号，并将所述输出电流采样信号输入到所述第二比较器中与负载参考电流值进行比较，得到当前的所述负载状态，所述负载状态包括加载状态和卸载状态；

负载动态频率检测器，通过检测所述加载状态和所述卸载状态之间切换的时间，得到当前的所述负载动态频率。

3.根据权利要求2所述的DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，当所述负载动态频率为低频率时，所述动态控制模块进入低频动态调节模式；当所述负载动态频率为高频率时，所述动态控制模块进入高频动态调节模式。

4.根据权利要求3所述的DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，在所述低频动态调节模式中，所述动态控制模块根据当前的所述负载状态，在所述负载状态变动时，在所述PID环路控制量上叠加一个动态响应值，实现对所述PWM占空比信号的调整。

5.根据权利要求4所述的DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，在所述高频动态调节模式中，所述动态控制模块仅在刚进入所述高频动态调节模式的单位时间内，在所述PID环路控制量上叠加一个所述动态响应值，实现对所述PWM占空比信号的调整。

6.根据权利要求4所述的DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，在所述低频动态调节模式中，当所述负载状态为所述加载状态时，所述动态响应值为第一动态响应值，第一动态响应值为正值；当所述负载状态为所述卸载状态时，所述动态响应值为第二动态响应值，第二动态响应值为负值。

7.根据权利要求6所述的DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，所述第一动态响应值和所述第二动态响应值随着当前的所述PID环路控制量调整。

8.根据权利要求7所述的DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，在同一个负载动态周期中，所述第二动态响应值随着所述第一动态响应值调整。

9.根据权利要求1所述的DC-DC电源的数字控制系统，其特征在于，所述PWM模块包括：

PWM发生器，将调整后的所述PWM占空比信号转化为PWM波；

驱动控制器，通过驱动电路和所述PWM波实现对驱动的控制。

10.一种DC-DC电源的数字控制方法，其特征在于，包括：

通过采样模块对电源输出端的输出电压和输出电流进行采样，再通过模数转换得到输出电压采样信号和输出电流采样信号；

通过PID控制模块将所述输出电压采样信号输入到第一比较器中，与稳压参考电压值进行比较得到电压误差信号，再将所述电压误差信号输入到电压PID控制器中进行运算，得到电压环路控制量，将所述输出电流采样信号输入到第三比较器中，与限流参考电流值进行比较得到电流误差信号，再将所述电流误差信号输入到电流PID控制器中进行运算，得到电流环路控制量，将所述电压环路控制量和所述电流环路控制量输入到环路选择器中，得到PID环路控制量；

通过动态检测模块将所述输出电流采样信号输入到第二比较器中，与负载参考电流值进行比较得到当前的负载状态，再通过检测不同的所述负载状态之间切换的时间，得到当前的负载动态频率；

通过动态控制模块同步接收所述补PID环路控制量、所述负载状态及所述负载动态频率，并根据所述PID环路控制量、所述负载状态及所述负载动态频率对PWM占空比信号进行调整；

通过PWM模块将调整后的所述PWM占空比信号转化为PWM波，再通过驱动电路和所述PWM波实现对驱动的控制。

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