CN113904548B - 一种高精度大电流dc/dc电源及其调节方法、存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度大电流DC/DC电源，包括基于Buck‑Boost的双向半桥DC/DC变换器、通过PWM驱动双向半桥DC/DC变换器工作的控制器，所述双向半桥DC/DC变换器中的输出滤波部分采用LC滤波电路，所述控制器内置有高速低精度的第一ADC模块；还包括：电流采样模块，用于采集A节点处的电流传输给所述第一ADC模块，所述A节点为LC滤波电路中电感L1靠近输入侧的一端；霍尔传感器，用于采集B节点处的电流，所述B节点为所述电感L1靠近输出侧的一端；低速高精度的第二ADC模块，用于采样霍尔传感器的输出波形，并传输采样结果至所述控制器。本发明在实现DC/DC电源的高速高精度采集的前提下，可降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及直流变换领域，尤其是一种高精度大电流DC/DC电源及其调节方法、存储介质。
背景技术
对于高精度大电流DC/DC电源，目前市面上只能用高频的开关频率实现，同时需配套频率采集进行反馈控制，一般有以下两种做法：
(1)采用单片机的内部ADC作为采集控制，可以实现高频的开关控制，其优点在于成本低，可实现高频控制，缺点在于控制精度低，原因是单片机内部ADC只有12位，采集精度低，最终的控制精度也会低；
(2)采用外部采用高速高精度ADC作为采集控制，该方案优点是可以实现高频高精度的控制与输出，缺点是：a.高速高精度ADC的价格较为昂贵(几百美元一颗)，导致量产成本较高；b.采用高速高精度ADC对电路板走线要求过高，容易导致抗干扰能力弱；c.高速高精度ADC的位数普遍是14位和16位。
发明内容
本发明的目的是在实现DC/DC电源的高速高精度采集的前提下，降低成本。
为实现所述目的，依据本发明的一个方面，提供一种高精度大电流DC/DC电源，包括基于Buck-Boost的双向半桥DC/DC变换器、通过PWM驱动双向半桥DC/DC变换器工作的控制器，所述双向半桥DC/DC变换器中的输出滤波部分采用LC滤波电路，所述控制器内置有高速低精度的第一ADC模块；还包括：电流采样模块，用于采集A节点处的电流传输给所述第一ADC模块，所述A节点为LC滤波电路中电感L1靠近输入侧的一端；霍尔传感器，用于采集B节点处的电流，所述B节点为所述电感L1靠近输出侧的一端；低速高精度的第二ADC模块，用于采样霍尔传感器的输出波形，并传输采样结果至所述控制器。
依据本发明的另一个方面，提供上述高精度大电流DC/DC电源的调节方法，其具体是采用双闭环PID控制，以所述第一ADC模块的采集值作为内环调节，以所述第二ADC模块的采集值作为外环调节。
依据本发明的一个方面，还提供一种存储介质，其中，所述存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被处理器执行时，实现上述的方法。
本发明的回路中使用两个采集，具体是：
(1)在电感之前半桥之后进行电流采集，所采集的电流未经电感滤波延时，直接送入控制器内置的高速低精度ADC，实现输出电流的快速采样，采样值作为内环控制进行粗调，可实现DC输出电流的高速调整；
(2)在电感之后利用霍尔传感器进行高精度的电流采集，霍尔传感器输出的高精度波形送入第二ADC模块进行低速高精度采样，采样值作为外环控制去引导PWM进行微调，使最终的结果达到高精度的调节，实现高频化。
由于内置有ADC的控制器、低速高精度的ADC模块(低速24位ADC价格只有20元左右)的成本较低，故可实现系统整体成本的降低，有利于量产成本节约。
所述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的台件。
在附图中：
图1示出了本发明高精度大电流DC/DC电源的一种电路图；
图2示出了本发明高精度大电流DC/DC电源的另一种电路图；
图3为本发明的电子设备的结构示意图；
图4为本发明的计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
如图1所示，本发明DC/DC电源的基础拓扑结构采用为基于Buck-Boost的双向半桥DC/DC变换器，其中，为实现DC/DC电源可工作于高功率大电流环境，双向半桥DC/DC变换器中的开关管采用为4500V/3000A的IGBT管，并控制上下两控制臂的IGBT管数量各为3各，连接至，上控制臂中的3个IGBT管的G极共接、D极共接、S极共接，下控制臂中的3个IGBT管的G极共接、D极共接、S极共接，通过3个并联方式拔高电路开关器件的额定功率上限，确保电源在大电流环境下工作的可靠性能。同时，使用上控制臂中开关管的G极经电阻R5连接至输出正母线，下控制臂中开关管的G极经电阻R6连接至输出负母线，以减少大电流下的G级电位漂移，提高控制精度。并且在上下两控制臂中开关管的D极、S极之间分别跨接由电阻串联电容形成的参数对称的RC支路，实现输入平衡，为大电流下的高精度采样控制打下基础。
本实施例中，双向半桥DC/DC变换器的输出滤波部分采用LC滤波电路，形成半桥LC变换电路，同时为应对大电流输出，LC滤波中的电容采样两种(电解电容、陶瓷电容)多个并联。
本发明DC/DC电源设有MCU控制器，控制器通过PWM控制上控制臂中的IGBT管同步导通或下控制臂中的IGBT管同步导通，从而驱动双向半桥DC/DC变换器工作。其中控制器内置有高速低精度的第一ADC模块(12位)。
本实施例中，设有第一霍尔传感器HE1作为电流采样模块，其用于采集A节点处的电流传输给第一ADC模块，所述A节点为LC滤波电路中电感L1靠近输入侧的一端；设有第二霍尔传感器HE2，用于采集B节点处的电流，所述B节点为所述电感L1靠近输出侧的一端，还设有低速高精度的第二ADC模块(24位，低速24位ADC价格只有20元左右)，用于采样第二霍尔传感器HE2的输出波形，并传输采样结果至控制器。
基于上述电路结构，控制上采用双闭环PID控制，内部的电流采样模块采用高速采集转换，作为内环调节，作为粗调，外部的第二霍尔传感器高精度采集电流值第二ADC模块进行高精度采样，用于外环，作为微调，从而保证系统可靠性且输出精度高，开关频率高，从而实现高频高精度小体积，低成本的方法。
具体而言，控制时，比如恒流控制，在电感之前半桥之后进行电流采集，所采集的电流未经电感滤波延时，直接送入控制器内置的高速低精度ADC，在第二霍尔传感器检测到输出电流小于或等于阈值的情况下，高速低精度ADC的采样值作为内环控制进行主导性粗调，可以快速调节到设定阈值；当第二霍尔传感器检测到输出电流超过阈值后，切换以外环为主导，内环辅助，去引导PWM进行微调，比如内环的调节频率为200kHZ的开关频率，外环为1kHZ的调节频率，使最终的结果达到高精度的调节，系统采用高频实现的体积的缩小，以及高频化。
由于内置有ADC的控制器、低速高精度的ADC模块(低速24位ADC价格只有20元左右)的成本较低，故可实现系统整体成本的降低，有利于量产成本节约。
本实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，其中，计算机可读存储介质存储一个或多个程序，一个或多个程序当被处理器执行时，实现上述的调节方法。
实施例2
如图2所示，实施例2是在实施例1的基础上，去除第一霍尔传感器HE1，并在电感L1上绕制线圈，利用电生磁磁生电原理，使线圈感应出的电压，并设置一个差分放大器，然后将线圈的两端分别连接至差分放大器的两个输入端，差分放大器的输出端连接至所述第一ADC模块，则可向第一ADC模块输出线圈两端的电压降，知晓电压降，利用系统已知的开关频率，即可推算出电流大小，此方案中，以差分放大器、线圈组成所述电流采样模块，可以实现在电感电流采集的同时省去了一个霍尔传感器，进一步节约成本。
进一步的，在线圈的两端跨接电阻R7，以防止开路。
需要说明的是：
本实施例所用的方法，可转化为可存储于计算机存储介质中的程序步骤及装置，通过被控制器调用执行的方式进行实施，其中所述装置应当被理解为计算机程序实现的功能模块。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
例如，图3示出了根据本发明一个实施例的电子设备的结构示意图。该电子设备传统上包括处理器31和被安排成存储计算机可执行指令(程序代码)的存储器32。存储器32可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。存储器32具有存储用于执行实施例中的任何方法步骤的程序代码34的存储空间33。例如，用于程序代码的存储空间33可以包括分别用于实现上面的方法中的各种步骤的各个程序代码34。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。这些计算机程序产品包括诸如硬盘，紧致盘(CD)、存储卡或者软盘之类的程序代码载体。这样的计算机程序产品通常为例如图4所述的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质可以具有与图3的电子设备中的存储器32类似布置的存储段、存储空间等。程序代码可以例如以适当形式进行压缩。通常，存储单元存储有用于执行根据本发明的方法步骤的程序代码41，即可以由诸如31之类的处理器读取的程序代码，当这些程序代码由电子设备运行时，导致该电子设备执行上面所描述的方法中的各个步骤。
应该注意的是所述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
Claims (9)
1.一种高精度大电流DC/DC电源，
包括基于Buck-Boost的双向半桥DC/DC变换器、通过PWM驱动双向半桥DC/DC变换器工作的控制器，所述双向半桥DC/DC变换器中的输出滤波部分采用LC滤波电路，所述控制器内置有高速低精度的第一ADC模块；
其特征在于，还包括：
电流采样模块，用于采集A节点处的电流传输给所述第一ADC模块，所述A节点为LC滤波电路中电感L1靠近输入侧的一端；
霍尔传感器，用于采集B节点处的电流，所述B节点为所述电感L1靠近输出侧的一端；
低速高精度的第二ADC模块，用于采样霍尔传感器的输出波形，并传输采样结果至所述控制器；
采用双闭环PID控制，以所述第一ADC模块的采集值作为内环调节，以所述第二ADC模块的采集值作为外环调节。
2.如权利要求1所述的高精度大电流DC/DC电源，其特征在于，所述电流采样模块为霍尔传感器。
3.如权利要求1所述的高精度大电流DC/DC电源，其特征在于，还包括差分放大器，所述电感L1上饶有线圈，线圈的两端分别连接至差分放大器的两个输入端，所述差分放大器的输出端连接至所述第一ADC模块，以所述差分放大器、所述线圈组成所述电流采样模块。
4.如权利要求3所述的高精度大电流DC/DC电源，其特征在于，所述线圈的两端跨接有电阻R7。
5.如权利要求1所述的高精度大电流DC/DC电源，其特征在于，所述双向半桥DC/DC变换器中上下两控制臂的开关管均具有多个，且上下两控制臂中的开关管数量相同，每一控制臂中的各个开关管的G极共接、D极共接、S极共接。
6.如权利要求5所述的高精度大电流DC/DC电源，其特征在于，上控制臂中开关管的G极经电阻R5连接至输出正母线，下控制臂中开关管的G极经电阻R6连接至输出负母线。
7.如权利要求6所述的高精度大电流DC/DC电源，其特征在于，上下两控制臂中开关管的D极、S极之间均跨接有由电阻串联电容形成的RC支路，上下两控制臂的RC支路参数对称。
8.权利要求1-7任一项所述高精度大电流DC/DC电源的调节方法，特征在于，当双向半桥DC/DC变换器的输出电流小于或等于阈值时，控制以内环为主导进行粗调；当双向半桥DC/DC变换器的输出电流大于阈值时，控制以外环为主导进行微调。
9.一种存储介质，其中，所述存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被处理器执行时，实现权利要求8所述的调节方法。
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