CN112462914B - 一种集成供电结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成供电结构，包含模拟主电路、数字控制电路，模拟数字转换电路、数字脉冲发生器电路、接口电路、数据存储器电路，并将这些电路集成到一个芯片。该结构的数字控制电路是将数字控制算法如比例、积分、微分算法、非线性控制算法、多环路控制等高级控制算法用数字硬件集成电路实现。用户可通过接口电路实现不同应用的参数调谐和配置，方便快捷的使用集成供电系统。该结构可减少多种芯片联合使用出现的信号延时，噪声干扰等问题，减少外围器件，降低成本，提高性能。本发明具有集成度高、实时性强、使用方便、可扩展性强。为各种专用系统供电提供集成化数字控制电源的实现方法。

Description

一种集成供电结构

技术领域

本发明涉及一种基于集成数字控制的供电结构。

背景技术

数字电源将是电源管理供电系统的发展方向，尤其是未来人工智能、物联网系统中对电源供电系统的故障修复时间、电源运行状态的感知与控制的要求越来越高，需要除了能够进行实时监控电流、电压、温度，还希望能够实现可编程、智能高效转换、灵活设定每个输出电压参数，诊断电源供应情况等要求，这些需求已是模拟电源供电系统解决方案难以满足的。因此，作为电源管理发展的新思路数字电源应运而生，其目标就是将电源转换与电源管理架构用数字方法集成到单芯片中，实现智能、高效的转换与控制及通信。

数字电源不存在模拟电源中常见的误差、老化(包括模拟器件的精度)、温度影响、漂移、补偿等问题，无须调谐、可靠性好，可以获得一致、稳定的控制参数。同时可进行自动诊断、调节的能力，数字电源的强大的运算特性使它更易于更新固件，即可实现新的拓扑结构和控制算法，更改电源参数也无须变更板卡上的元器件，实现在线编程调试，使后期的调试和维护工作变得轻松；还可以降低外围器件数量、大大降低成本。

目前实现的数字控制电源供电系统主要方法是采用模拟电路与实现数字信号处理算法的微处理器芯片或微处理器芯片共同组合实现电源供电控制。虽然可以实现数字电源的相关功能，但由于模拟电路与数字控制芯片结合中还需要加入额外的模拟数字转换芯片、数字模拟转换芯片、脉冲发生器芯片、驱动芯片等外围电路，同时采用高精度的取样频率需要更长的模拟/数字转换时间，造成回路的实时反应能力变差。而且，高速的采样和运算将产生巨大的运算量，能达到实时要求的核心处理器还是很少的，这些都会大大提高供电系统的成本。

发明内容

本发明目的是提供一种集成数字控制、模拟主电路、接口电路等为一体的，体积小、成本低的集成供电结构。

该结构是采用硬件数字电路实现数字控制算法，并与模拟主电路、接口电路等集成为一个系统芯片。

具体内容是：一方面将供电系统中数字控制算法如比例、积分、微分算法、非线性控制、多环路控制等高级控制算法采用硬件数字集成电路实现，根据不同的供电需求进行算法硬件化，并与模拟主电路集成在一起，取代以前由数字信号处理算法的微处理器芯片等多种芯片组合来实现控制的方法。将数字控制系统与模拟主电路、接口电路等集成在一起可以减少多种芯片联合使用出现的信号延时，噪声干扰等问题，减少外围器件，降低成本，提高性能。

另一方面可以通过接口电路，对数字控制算法中可以调谐参数实现复用、在线调谐、控制等功能，使原有的硬件平台重复使用，通过设计不同算法固件即可满足各种最终系统的独特要求，从而加快产品上市，减少外围器件，减少开发成本。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是集成供电结构组成图

图2是集成供电结构实施方式图

如图1所示，本发明包括：模拟主电路1、模拟数字转换电路2、接口电路3、数据存储器电路4、数字控制电路5、数字脉冲发生器电路6。

模拟主电路同时与模拟数字转换电路、数据存储器电路相连，数字控制电路同时与数据存储器电路、数字脉冲发生器电路相连接，数据存储器电路同时与接口电路、模拟数字转换电路、数字控制电路相连接，数字脉冲发生器电路同时与数字控制电路和模拟主电路相连接。

模拟主电路，用于实现电源供电的功率级以及相关模拟信号的处理；

模拟数字转换电路，用于完成对模拟信号的采样量化；

接口电路，用于实现电源供电系统与外部系统的参数、信号传递，使电源供电系统可进行参数配置、在线调谐；

数据存储器电路，用于数字控制算法所需相关外部参数，以及控制调谐参数的存储；并用于存储模拟数字转换结果；

数字控制电路，用于将数字控制算法用硬件数字集成电路实现，从而将数字控制算法转换为硬件电路；

数字脉冲发生器电路，用于将数字控制电路的输出结果传送到模拟主电路，控制其开关器件的通断。

本发明是集成供电结构实施方式通过上述集成系统进行供电，其实施流程参见附图2。

下面通过两个实施例对本发明检测方法做进一步说明

实施例1数字控制直流转直流集成供电结构

将比例、积分、微分控制算法采用数字硬件集成电路实现，并同时将模拟主电路、模拟数字转换电路、数字脉冲发生器电路、数据存储器电路、接口电路都集成在一个芯片上，实现数模混合信号处理系统芯片。

此集成供电结构的工作过程是：

(1)根据用户需求确定模拟主电路直流转直流的电压变化范围，确定模拟主电路结构，确定数字控制算法，并将算法用硬件电路实现，完成数字控制电路。对数字控制算法的所需的参数、系数，通过接口电路进行配置，并通过数据存储电路进行存储。

(2)当供电系统开始工作后数字控制电路可以和模拟电路形成闭环控制，实时监测输出信号，与模拟电路提供的输入目标信号比较，其比较结果通过模拟数字转换电路将模拟信号转换为数字信号。并通过数据存储电路进行存储。

(3)根据模拟数字转换电路的比较结果，通过数字控制电路的算法实现相关的控制运算，对数字脉冲信号发生器电路的占空比进行调谐控制，将控制结果传送到模拟主电路的开关器件，使开关通断，实现稳定的输出电源信号，为系统提供集成供电。

(4)根据不同的用户需求通过接口电路进行在线调谐，而无需修改模拟主电路，最终实现目标供电需求。

实施例2数字控制双向直流转直流集成供电结构

将自抗扰控制算法采用数字硬件集成电路实现，并同时将模拟主电路、模拟数字转换电路、数字脉冲发生器、数据存储器电路、接口电路都集成在一个芯片上，实现数模混合信号处理系统芯片。

此集成供电结构的工作过程是：

(1)根据用户需求确定模拟主电路直流转直流的电压变化范围，确定是升压模式还是降压模式。通过模拟主电路确定最终的电路结构，确定数字控制算法，并将算法用硬件电路实现，完成数字控制电路。对数字控制算法的所需的参数、系数，通过接口电路进行配置，并通过数据存储电路进行存储。

(2)当供电系统开始工作后数字控制电路可以和模拟电路形成闭环控制，实时监测输出信号，与模拟电路提供的目标参考信号进行比较，其比较结果通过模拟数字转换电路将模拟信号转换为数字信号，并通过数据存储电路进行存储。

(3)根据模拟数字转换电路的比较结果，通过数字控制算法电路实现相关的控制运算，对数字脉冲信号发生器电路的占空比进行调谐控制，将控制结果传送到模拟主电路的开关器件，使开关通断，实现稳定的输出电源信号，为系统提供集成供电。

(4)根据不同的用户需求可通过接口电路进行在线调谐，远距离通信传输控制，而无需修改模拟主电路，最终实现目标供电需求。

以上介绍了集成供电结构的实施例，说明了本发明的发明精神实质后，具体实施方案可根据实际情况采用不同的实施方法，形成等效方案，不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种集成供电结构，其特征在于该供电结构是基于集成数字控制的电源供电系统，该系统包括模拟主电路、模拟数字转换电路、接口电路、数据存储器电路、数字控制电路、数字脉冲发生器电路，各电路集成在一个系统芯片上；其中：

模拟主电路，用于实现电源供电的功率级以及相关模拟信号的处理；

模拟数字转换电路，用于完成对模拟信号的采样量化；

接口电路，用于实现电源供电系统与外部系统的参数、信号传递，使电源供电系统可进行参数配置、在线调谐；

数据存储器电路，用于数字控制算法所需相关外部参数，以及控制调谐参数的存储；并用于存储模拟数字转换结果；

数字控制电路，用于将数字控制算法用硬件数字集成电路实现，从而将数字控制算法转换为硬件电路；

数字脉冲发生器电路，用于将数字控制电路的输出结果传送到模拟主电路，控制其开关器件的通断。

2.根据权利要求1所述一种集成供电结构，其特征在于：所述数字控制算法为比例、积分、微分算法、非线性控制算法、多环路控制算法中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种集成供电结构，其特征在于：

所述的模拟主电路同时与模拟数字转换电路、数据存储器电路相连，数字控制电路同时与数据存储器电路、数字脉冲发生器电路相连接，数据存储器电路同时与接口电路、模拟数字转换电路、数字控制电路相连接，数字脉冲发生器电路同时与数字控制电路和模拟主电路相连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种集成供电结构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据用户需求确定模拟主电路和能实现数字控制算法的数字控制电路；并将算法用硬件电路实现，完成数字控制电路；

(2)对所述数字控制算法所需参数通过接口电路进行参数配置，并通过数据存储电路进行存储；

(3)当供电系统开始工作后数字控制电路和模拟主电路形成闭环控制，实时监测输出信号，与模拟主电路提供的目标参考信号进行比较，其比较结果通过模拟数字转换电路将模拟信号转换为数字信号，并存入数据存储器电路；

(4)调用数据存储电路中配置的算法参数和比较结果数据，通过数字控制电路实现相关的控制运算，然后通过数字脉冲发生器电路进行数字脉冲信号占空比的调谐控制，将控制结果传送到模拟主电路的开关器件，使开关通断，实现稳定的输出电源信号，为外部系统提供集成供电；

(5)根据不同的用户需求可在线通过接口电路和数据存储电路，对数字控制电路所涉及的算法参数进行在线调谐，而无需修改模拟主电路，最终实现目标供电需求。