CN113315352A - 开关电源调节方法、装置及终端 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于开关电源技术领域，提供了开关电源调节方法、装置及终端，其中，开关电源调节方法，用于防止开关电源中储能电感磁饱和；开关电源包括储能电感和开关管；电源调节方法包括：获取储能电感的当前周期电参数和开关管的当前周期占空比；根据当前周期电参数和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比；根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比，并根据下一周期占空比控制开关电源。本发明可以提高开关电源工作的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于开关电源技术领域，尤其涉及开关电源调节方法、装置及终端。
背景技术
电感作为能够把电能转化为磁能而存储起来的磁性器件，在开关电源中应用广泛。磁性器件存在磁饱和问题，即磁性器件峰值磁密超过最大峰值磁密，对于电感而言，若开关电源设备中的电感磁饱和，则电感会失去阻流作用，电路中的电流会急剧增大，极有可能会损坏开关管，造成开关电源设备损坏。
由于磁密无法通过传感器测量，现有大多是根据开关电源设备稳定工作时计算得到的最大峰值磁密选取合适的电感。然而，开关电源在某些特定工况时，如环路振荡、输出短路和突加大负载等，会导致电感的峰值磁密激增，可能导致电感磁饱和，造成开关电源设备损坏。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了开关电源调节方法、装置及终端，以解决现有技术中开关电源在某些特定工况时，可能导致电感磁饱和，造成开关电源设备损坏的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种开关电源调节方法，用于防止开关电源中储能电感磁饱和；开关电源包括储能电感和开关管；电源调节方法包括：
获取储能电感的当前周期电参数和开关管的当前周期占空比；
根据当前周期电参数和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比；
根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比，并根据下一周期占空比控制开关电源。
本发明实施例的第二方面提供了一种电源调节装置，用于防止开关电源中储能电感磁饱和；开关电源包括储能电感和开关管；电源调节装置包括参数获取模块、计算模块和控制模块；
参数获取模块，用于获取储能电感的当前周期电参数和开关管的当前周期占空比；
计算模块，用于根据当前周期电参数和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比；
控制模块，用于根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比，并根据下一周期占空比控制开关电源。
本发明实施例的第三方面提供了一种终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上第一方面开关电源调节方法的步骤。
本发明实施例的第四方面提供了一种开关电源，包括储能电感、开关管和如上第三方面的终端；开关管受控于终端。
本发明实施例的第五方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面开关电源调节方法的步骤。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明实施例通过获取储能电感的当前周期电参数和开关管的当前周期占空比；根据当前周期电参数和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比；根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比，并根据下一周期占空比控制开关电源。通过控制占空比可以避免开关电源中的储能电感进入磁饱和状态，提高储能电感的使用寿命，进而降低开关电源更换器件的次数，降低成本，提高开关电源的使用寿命和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的开关电源调节方法的实现流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种电感电流的波形示意图；
图3是本发明实施例提供的图2中电感电流的低频分量波形示意图；
图4是本发明实施例提供的电源调节装置的示意图；
图5是本发明实施例提供的终端的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
在开关电源中，一般通过调节开关管的占空比的大小，实现开关电源的电压变换，如交流/直流(Alternating Current/Direct Current，AC/DC)、AC/AC、DC/AC和DC/DC等变换。储能电感作为用于开关电源电流变换的重要元器件，同时也是一种磁性器件。而磁性器件对峰值磁密有要求，磁密超过最大峰值磁密时，储能电感就会磁饱和，开关电源中流经开关管的电流急剧增加，造成开关管的损坏，影响开关电源设备的正常使用。现有技术未对磁性器件的峰值磁密进行控制，当出现峰值磁密超过磁芯的饱和磁密时，会导致电源设备损坏。
如图1所示，其示出了本发明实施例提供的开关电源调节方法的实现流程示意图。
参见图1，一种开关电源调节方法，用于防止开关电源中储能电感磁饱和；开关电源包括储能电感和开关管；电源调节方法可以包括：
S101，获取储能电感的当前周期电参数和开关管的当前周期占空比。
可选的，可以通过采样获取储能电感当前周期的电参数，当前周期电参数可以包括当前周期电流或者当前周期电压。
S102，根据当前周期电参数和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比。
可选的，基于安培环路定律和法拉低电磁感应定律，根据储能电感当前周期电参数确定储能电感的磁通密度，进而根据最大峰值磁密确定开关管的目标占空比。
S103，根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比，并根据下一周期占空比控制开关电源。
本发明实施例通过获取储能电感的当前周期电参数和开关管的当前周期占空比；根据当前周期电参数和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比；根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比，并根据下一周期占空比控制开关电源。通过计算储能电感当前周期的峰值磁密，与饱和磁密进行对比，从而得到目标占空比，进而限制下一开关周期的最大占空比，可防止开关电源磁密过大导致损坏。控制占空比可以减少开关电源中的储能电感磁饱和的次数，提高储能电感的使用寿命，进而降低开关电源更换器件的次数，降低成本，提高开关电源的使用寿命和可靠性，同时兼顾储能电感的动态感量，提升开关电源的工作效率。
在本发明的一些实施例中，上述S103中“根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比”，可以包括：
若当前周期占空比大于目标占空比，则确定开关管的下一周期占空比为目标占空比；
若当前周期占空比不大于目标占空比，则确定开关管的下一周期占空比为当前周期占空比。
可选的，在当前周期占空比大于目标占空比时，还可以将开关管的下一周期占空比调整为小于目标占空比的任意占空比，以保证储能电感在下一周期可靠不磁饱和。
可选的，还可以通过当前周期占空比和目标占空比的差值的绝对值确定二者的接近程度。若当前周期占空比和目标占空比的差值的绝对值小于预设差值，则表明当前周期占空比与目标占空比较为接近，为保证储能电感下一周期不磁饱和，可以将开关管的下一周期占空比调整为目标占空比的一半或者更低。
可选的，计算得到的目标占空比为开关管下一周期占空比的门限值，目标占空比代表储能电感在最大峰值磁密下的开关管的最大占空比，由于目标占空比是每个周期的都计算，因此，本发明实施例可以实现动态计算每一周期开关管的最大占空比，可以提高开关电源的工作效率。
在本发明的一些实施例中，上述S103中“根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比”，还可以包括：
若当前周期占空比和目标占空比的比值大于预设比值，则确定开关管的下一周期占空比为目标占空比；
若当前周期占空比和目标占空比的比值不大于预设比值，则确定开关管的下一周期占空比为当前周期占空比。
可选的，在当前周期占空比和目标占空比的比值大于预设比值时，还可以将开关管的下一周期占空比调整为小于目标占空比的任意占空比，以保证储能电感在下一周期可靠不磁饱和。
在本发明的一些实施例中，上述S102，可以包括：
当前周期电参数包括当前周期电流和当前周期电压；
根据当前周期电流确定当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量；
根据当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量、当前周期电压和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比。
可选的，如图2所示，其示出了本发明实施例提供的一种电感电流的波形示意图；如图3所示，其示出了本发明实施例提供的图2中电感电流的低频分量波形示意图。
参见图2及图3，一般而言，电感电流的低频分量相对于高频开关周期来说，近似不变，因此磁芯的磁导率也近似不变，磁通密度与电流成正比关系。因此，可以通过采样储能电感的电流低频分量即为储能电感的电流。对于连续模式的开关电源，电感电流由低频分量和高频分量(频率开关频率)两步分组成。对于DC/DC拓扑低频分量为直流，对于AC/DC和DC/AC拓扑低频分量为50HZ正弦波。低频分量对模数转换(analog to digital，AD)采样的速度、采样点数等要求较低，较易实现。
在本发明的一些实施例中，根据当前周期电流确定当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量的公式可以为：
其中，Bdc为当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量，N为储能电感的线圈匝数，u为储能电感的磁导率，Le为储能电感的磁路长度，Idc为当前周期电流。
可选的，可以基于安培环路定律计算当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量。
在本发明的一些实施例中，根据当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量、当前周期电压和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比的公式为：
其中，Bdc为当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量，Bmax为储能电感的预设最大峰值磁密，VL为当前周期电压，Duty为开关管的目标占空比，N为储能电感的线圈匝数，fs为开关电源的开关频率，Ae为储能电感的截面积。
本发明实施例通过案通过预测法，对磁器件的峰值磁密进行控制，提升设备可靠性。通过预测下一开关周期的峰值磁密，与饱和磁密进行对比，从而限制下一开关周期的限制最大占空比，可防止开关电源磁密过大导致损坏。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上述开关电源调节方法，本发明实施例还提供了一种电源调节装置，和开关电源调节方法具有同样的有益效果。
参见图4，示出了本发明实施例提供的一种电源调节装置的示意图。如图4所示，一种电源调节装置20，用于防止开关电源中储能电感磁饱和；开关电源包括储能电感和开关管；电源调节装置20可以包括参数获取模块201、计算模块202和控制模块203；
参数获取模块201，用于获取储能电感的当前周期电参数和开关管的当前周期占空比；
计算模块202，用于根据当前周期电参数和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比；
控制模块203，用于根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比，并根据下一周期占空比控制开关电源。
在本发明的一些实施例中，控制模块203可以包括第一赋值单元和第二赋值单元；
第一赋值单元，用于若当前周期占空比大于目标占空比，则开关管的下一周期占空比为目标占空比；
第二赋值单元，用于若当前周期占空比不大于目标占空比，则开关管的下一周期占空比为当前周期占空比。
在本发明的一些实施例中，控制模块203还可以包括第三赋值单元和第四赋值单元；
第三赋值单元，用于若当前周期占空比和目标占空比的比值大于预设比值，则确定开关管的下一周期占空比为目标占空比；
第四赋值单元，用于若当前周期占空比和目标占空比的比值不大于预设比值，则确定开关管的下一周期占空比为当前周期占空比。
在本发明的一些实施例中，当前周期电参数包括当前周期电流和当前周期电压，计算模块202可以包括第一计算单元和第二计算单元；
第一计算单元，用于根据当前周期电流确定当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量；
第二计算单元，用于根据当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量、当前周期电压和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比。
在本发明的一些实施例中，根据当前周期电流确定当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量的公式为：
其中，Bdc为当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量，N为储能电感的线圈匝数，u为储能电感的磁导率，Le为储能电感的磁路长度，Idc为当前周期电流。
在本发明的一些实施例中，根据当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量、当前周期电压和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比的公式为：
其中，Bdc为当前周期储能电感的峰值磁密的直流分量，Bmax为储能电感的预设最大峰值磁密，VL为当前周期电压，Duty为开关管的目标占空比，N为储能电感的线圈匝数，fs为开关电源的开关频率，Ae为储能电感的截面积。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将终端的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
图5是本发明一实施例提供的终端的示意框图。如图5所示，该实施例的终端30包括：一个或多个处理器300、存储器301以及存储在存储器301中并可在处理器300上运行的计算机程序302。处理器300执行计算机程序302时实现上述各个开关电源调节方法实施例中的步骤，例如图1所示的S101至S103。或者，处理器300执行计算机程序302时实现上述电源调节装置实施例中各模块/单元的功能，例如图4所示模块201至203的功能。
示例性地，计算机程序302可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器301中，并由处理器300执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序302在终端30中的执行过程。例如，计算机程序302可以被分割成参数获取模块201、计算模块202和控制模块203；
参数获取模块201，用于获取储能电感的当前周期电参数和开关管的当前周期占空比；
计算模块202，用于根据当前周期电参数和储能电感的预设最大峰值磁密确定开关管的目标占空比；
控制模块203，用于根据目标占空比和当前周期占空比确定开关管的下一周期占空比，并根据下一周期占空比控制开关电源。
其它模块或者单元可参照图4所示的实施例中的描述，在此不再赘述。
终端30包括但不仅限于处理器300、存储器301。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是终端的一个示例，并不构成对终端30的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端30还可以包括输入设备、输出设备、网络接入设备、总线等。
处理器300可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器301可以是终端的内部存储单元，例如终端的硬盘或内存。存储器301也可以是终端的外部存储设备，例如终端上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart MediaCard,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器301还可以既包括终端的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器301用于存储计算机程序302以及终端所需的其他程序和数据。存储器301还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
本发明实施例还提供一种开关电源，包括储能电感、开关管和如上的终端30；开关管受控于终端30。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的终端实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种开关电源调节方法，其特征在于，用于防止开关电源中储能电感磁饱和；所述开关电源包括储能电感和开关管；所述电源调节方法包括：
获取所述储能电感的当前周期电参数和所述开关管的当前周期占空比；
根据所述当前周期电参数和所述储能电感的预设最大峰值磁密确定所述开关管的目标占空比；
根据所述目标占空比和所述当前周期占空比确定所述开关管的下一周期占空比，并根据所述下一周期占空比控制所述开关电源。
2.如权利要求1所述的开关电源调节方法，其特征在于，所述根据所述目标占空比和所述当前周期占空比确定所述开关管的下一周期占空比，包括：
若所述当前周期占空比大于所述目标占空比，则确定所述开关管的下一周期占空比为所述目标占空比；
若所述当前周期占空比不大于所述目标占空比，则确定所述开关管的下一周期占空比为所述当前周期占空比。
3.如权利要求1或2所述的开关电源调节方法，其特征在于，所述根据所述当前周期电参数和所述储能电感的预设最大峰值磁密确定所述开关管的目标占空比，包括：
所述当前周期电参数包括当前周期电流和当前周期电压；
根据所述当前周期电流确定当前周期所述储能电感的峰值磁密的直流分量；
根据当前周期所述储能电感的峰值磁密的直流分量、当前周期电压和所述储能电感的预设最大峰值磁密确定所述开关管的目标占空比。
4.如权利要求3所述的开关电源调节方法，其特征在于，所述根据所述当前周期电流确定当前周期所述储能电感的峰值磁密的直流分量的公式为：
其中，Bdc为当前周期所述储能电感的峰值磁密的直流分量，N为所述储能电感的线圈匝数，u为所述储能电感的磁导率，Le为所述储能电感的磁路长度，Idc为当前周期电流。
5.如权利要求3所述的开关电源调节方法，其特征在于，所述根据当前周期所述储能电感的峰值磁密的直流分量、当前周期电压和所述储能电感的预设最大峰值磁密确定所述开关管的目标占空比的公式为：
其中，Bdc为当前周期所述储能电感的峰值磁密的直流分量，Bmax为所述储能电感的预设最大峰值磁密，VL为当前周期电压，Duty为所述开关管的目标占空比，N为所述储能电感的线圈匝数，fs为所述开关电源的开关频率，Ae为所述储能电感的截面积。
6.一种电源调节装置，其特征在于，用于防止开关电源中储能电感磁饱和；所述开关电源包括储能电感和开关管；所述电源调节装置包括参数获取模块、计算模块和控制模块；
所述参数获取模块，用于获取所述储能电感的当前周期电参数和所述开关管的当前周期占空比；
所述计算模块，用于根据所述当前周期电参数和所述储能电感的预设最大峰值磁密确定所述开关管的目标占空比；
所述控制模块，用于根据所述目标占空比和所述当前周期占空比确定所述开关管的下一周期占空比，并根据所述下一周期占空比控制所述开关电源。
7.如权利要求6所述的电源调节装置，其特征在于，所述控制模块包括第一赋值单元和第二赋值单元；
所述第一赋值单元，用于若所述当前周期占空比大于所述目标占空比，则所述开关管的下一周期占空比为所述目标占空比；
所述第二赋值单元，用于若所述当前周期占空比不大于所述目标占空比，则所述开关管的下一周期占空比为所述当前周期占空比。
8.一种终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述开关电源调节方法的步骤。
9.一种开关电源，其特征在于，包括储能电感、开关管和如权利要求8所述的终端；所述开关管受控于所述终端。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述开关电源调节方法的步骤。
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