CN115021582B - 一种llc开关电源的闭环控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LLC开关电源的闭环控制方法，对开关电源功率变换器LLC谐振电路谐振电容的电压波形进行采样，将采样得到的谐振电容上的电压波形进行处理，得到LLC谐振电路的工作频率信号；将工作频率信号进行电压整形，得到对应的电压值，将所述的电压值与设定的第一基准电压值进行比较，得到频率反馈信号；向开关电源的PFC控制器输入频率反馈信号，调整开关电源PFC电路的输出电压，以调节LLC谐振电路的工作频率。本发明的闭环控制方法可以使开关电源的开关频率波动小、功率器件损耗较小，电源的能效比较高。

Description

一种LLC开关电源的闭环控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源，尤其涉及一种LLC开关电源的闭环控制方法。
背景技术
现有的云算力设备中使用固定电压的开关电源供电，云算力设备使用开关电源如图1所示，采用的架构多为电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、PFC BOOST升压电路、功率变换电路、输出整流滤波电路和控制电路，以达到其所需的输出电压。LLC谐振半桥电路在目前的云算力设备开关电源应用很广泛，因为LLC谐振半桥电路可以实现零电压开关，特别在变换器的实际工作频率等于变换器设定的谐振频率时效率最高，器件的开关损耗最低，因为开关频率等于谐振频率时，LLC半桥谐振变换器工作在完全谐振状态，原边开关管可以实现零电压开关，消除了因MOSFET管开关所产生的损耗。副边整流二极管工作在临界电流模式，实现了整流二极管零电流开关，消除了因二极管反向恢复所产生的损耗。
为保证电源的动态冗余度，LLC谐振半桥电路的工作的频率往往高于谐振频率。但在常规的算力设备电源供电电路中，算力设备在夜间的使用率和运行状态降低，电源输出负载较低，功率变换电路开关频率变高，功率器件损耗较大，使算力电源的能效比降低，器件的温升加大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种开关频率波动小、功率器件损耗较小，电源的能效比较高的开关电源的闭环控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种LLC开关电源的闭环控制方法，对开关电源功率变换器LLC谐振电路谐振电容的电压波形进行采样，将采样得到的谐振电容上的电压波形进行处理，得到LLC谐振电路的工作频率信号；将工作频率信号进行电压整形，得到对应的电压值，将所述的电压值与设定的第一基准电压值进行比较，得到频率反馈信号；向开关电源的PFC控制器输入频率反馈信号，调整开关电源PFC电路的输出电压，以调节LLC谐振电路的工作频率。
以上所述的闭环控制方法，LC开关电源的控制电路包括频率闭环控制电路，频率闭环控制电路包括频率比较电路和电压整形电路；频率比较电路的输入端接谐振电容的一端，对谐振电容的电压波形进行采样，并将采样得到的电压波形转换为与LLC谐振电路工作频率同步的PWM波形信号；电压整形电路的输入端接收频率比较电路输出的PWM波形信号，将PWM波形信号滤波得到直流电压与第一基准电压比较，将比较结果作为频率反馈信号输入到PFC控制器的反馈信号输入端，调整开关电源PFC电路的输出电压。
以上所述的闭环控制方法，频率比较电路包括隔直电容、第一比较器、第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路，第一分压电路的一端通过隔直电容接谐振电容与开关电路隔离变压器原边绕组的连接点，第一分压电路的另一端接地；第二分压电路的一端接第一分压电路的电压信号输出端，第二分压电路的另一端接地；第一比较器的反相输入端接第二分压电路的电压信号输出端，第三分压电路的一端接第二基准电压，第三分压电路的另一端接地；第一比较器的同相输入端接第三分压电路的电压信号输出端。
以上所述的闭环控制方法，频率比较电路包括第一滤波电容和回差电阻，第一滤波电容接在第一分压电路电压信号输出端与地之间，回差电阻接在第一比较器的同相输入端与输出端之间。
以上所述的闭环控制方法，谐振电容上形成的交流电压信号经隔直电容滤除直流分量，经第一分压电路和第二分压电路分压后的采样电压送入第一比较器的反相输入端进行比较，第一比较器的同相输入端输入第三分压电路分压后的阈值电压，当采样电压高于阈值电压时，第一比较器的输出端输出低电平，当采样电压低于阈值电压时，第一比较器的输出端输出高电平；第一比较器的输出端输出与LLC谐振电路工作频率同步的PWM波形信号。
以上所述的闭环控制方法，频率闭环控制电路包括频率设定基准电路，频率设定基准电路包括可控精密稳压源和第四分压电路，可控精密稳压源的阳极接地，阴极通过限流电阻接辅助电源，第四分压电路的一端接地，另一端接可控精密稳压源的阴极；第二滤波电容接在可控精密稳压源的阳极与阴极之间，可控精密稳压源的阴极为频率设定基准电路第一基准电压的输出端。
以上所述的闭环控制方法，电压整形电路包括第二比较器、滤波电路和第五分压电路，频率比较电路的输出端通过滤波电路接第二比较器的反相输入端；第二比较器的同相输入端接第一基准电压；第二比较器的输出端接第五分压电路的第一端，第五分压电路的第二端接地，第五分压电路的电压信号输出端作为电压整形电路的电压信号输出端接PFC控制器的反馈信号引脚。
以上所述的闭环控制方法，电压整形电路包括上拉电阻、第七十四电阻和和第三滤波电容，第二比较器的输出端通过第七十四电阻接第五分压电路的第一端，第五分压电路的第一端通过上拉电阻接开关电源正直流母线；第三滤波电容接在电压整形电路的电压信号输出端与地之间。
以上所述的闭环控制方法，电压整形电路输入的 PWM波形信号经的滤波电路滤波，形成相应的直流电压值输入第二比较器的反相输入端，第二比较器的同相输入端接第一基准电压，当检测到PWM波形信号的频率变高时，第二比较器的反相输入端输入的电压下降，当第二比较器的反相输入端输入的电压值低于第一基准电压时，第二比较器的输出端输出高电平，第二比较器的输出的高电平信号经分压和滤波后传输到PFC控制器的反馈信号引脚，开关电源PFC 电路的输出电压降低， LLC谐振电路的工作频率随之降低；LLC谐振电路的工作频率降低后，频率比较电路输出的PWM波形信号的频率也会降低，PWM波形信号经滤波电路滤波后形成的直流电压升高，当直流电压高于第一基准电压时，第二比较器的输出端输出低电平，第二比较器的输出的低电平信号经分压和滤波后传输到PFC控制器的反馈信号引脚，开关电源PFC电路的输出电压升高， LLC谐振电路的工作频率随之升高，达到频率闭环控制的效果。
以上所述的闭环控制方法，所述的LLC谐振电路包括隔离变压器原边绕组、谐振电感和所述的谐振电容，采用频率比较电路的输入端接谐振电容与隔离变压器原边绕组的连接点。
本发明的闭环控制方法可以使开关电源的开关频率波动小、功率器件损耗较小，电源的能效比较高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术云算力设备开关电源的原理图。
图2是本发明实施例云算力设备开关电源的原理图。
图3是本发明实施例LLC半桥电路在谐振电容上形成交流波形的原理图之一。
图4是本发明实施例LLC半桥电路在谐振电容上形成交流波形的原理图之二。
图5是本发明实施例频率比较电路的原理图。
图6是本发明实施例电压整形电路的电路图。
具体实施方式
本发明实施例云算力设备开关电源的原理如图2所示，电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、PFC BOOST升压电路、功率变换电路、输出整流滤波电路和控制电路。功率变换电路采用LLC谐振半桥电路，LLC谐振电路包括隔离变压器原边绕组T2-A、谐振电感L8和谐振电容C19。
控制电路包括频率闭环控制电路，频率闭环控制电路包括频率比较电路、频率设定基准电路和电压整形电路。
频率比较电路包括隔直电容、比较器U2-A、由电阻R2和电阻R271串联组成的第一分压电路、由电阻R273和电阻R139串联组成的第二分压电路和由电阻R261和电阻R260串联组成的第三分压电路。隔直电容由电容C2和电容C3串联组成。第一分压电路R2的一端通过隔直电容接谐振电容C19与开关电路隔离变压器原边绕组T2-A的连接点。第一分压电路R271的一端接地。第二分压电路R273的一端接第一分压电路的电压信号输出端，第二分压电路R139的一端接地。比较器U2-A的反相输入端接第二分压电路的电压信号输出端。第三分压电路R261的一端接基准电压REF5V，第三分压电路R260的一端接地。比较器U2-A的同相输入端接第三分压电路的电压信号输出端。滤波电容C167接在第一分压电路电压信号输出端与地之间，电阻R262接在比较器U2-A的同相输入端与输出端之间。
频率设定基准电路包括可控精密稳压源（TL431）U6和第四分压电路，可控精密稳压源U6的阳极接地，阴极通过限流电阻R170接辅助电源VCCB，第四分压电路的一端接地，另一端接可控精密稳压源U6的阴极。滤波电容C15接在可控精密稳压源U6的阳极与阴极之间。可控精密稳压源U6的阴极为频率设定基准电路基准电压REF的输出端。
电压整形电路包括比较器U17-B、滤波电路、第五分压电路、上拉电阻和滤波电容C65，滤波电路由电阻R258、电阻R232、电阻R233、电容C61和电容C69组成。上拉电阻由电阻R121、电阻R107和电阻R93串接组成。第五分压电路包括串接的电阻R74、电阻R4和并接的电阻R67、电阻R72。比较器U17-B的反相输入端通过滤波电路接频率比较电路的输出端，即比较器U2-A的输出端。比较器U17-B的同相输入端接频率设定基准电路输出的基准电压REF。比较器U17-B的输出端通过第五分压电路接地，第五分压电路的电压信号输出端（电阻R4与R67、电阻R72的连接点）作为电压整形电路的电压信号输出端接PFC控制器（UCC28070）的反馈信号引脚FB。滤波电容C65与R67、电阻R72并接。电阻R74与电阻R4的连接点通过上拉电阻接开关电源直流母线电压DC+。上拉电阻由电阻R121、电阻R107和电阻R93组成PFC输出电压采样网络， PFC控制芯片UCC28070的第4脚为FB(VSENSE)反馈引脚，决定PFC输出电压幅值。
如图3所示，当开关电源功率变换电路的MOS管Q11开通、MOS管Q12关闭时，直流母线电压DC+通过MOS管Q11、谐振电感L8和隔离变压器原边绕组T2-A，对谐振电容C19充电。这时在谐振电容C19正极的电压升高。
如图4所示，当MOS管Q12开通、MOS管Q11关闭时，C19通过隔离变压器原边绕组T2-A、谐振电感L8和MOS管Q12放电，谐振电容C19的正极的电压下降，从而在电容C19上形成交流电压。
如图5所示，在谐振电容C19上形成的交流电压信号经电容C2和电容C3滤除直流分量，经第一分压电路和第二分压电路分压后，采样电压送入比较器U2-A的反相输入端进行比较，比较器U2-A的同相输入端设定电阻R260与电阻R261分压形成的0.5V的阈值电压，当采样电压高于0.5V时，比较器U2-A的输出端输出低电平。当采样电压低于0.5V时，比较器U2-A的输出端输出高电平。比较器U2-A的输出端输出与LLC谐振电路工作频率同步的PWM波形信号，电阻R262设定回差值以提高抗干扰能力。
如图6所示，电压整形电路输入的 PWM波形信号经由电阻R258、电阻R232、电阻R233、电容C61和电容C69组成的滤波电路滤波，形成相应的直流电压值输入比较器U17-B的反相输入端，比较器U17-B的同相输入端接频率设定基准电路基准电压REF，当检测到PWM波形信号的频率变高时，在比较器U17-B的反相输入端输入的电压会降低，比较器U17-B的反相输入端输入的电压值低于U17-B的同相输入端的基准电压REF时，比较器U17-B的输出端输出高电平，比较器U17-B的输出端输出的高电平信号经分压和滤波后传输到PFC控制器的反馈信号引脚FB，降低PFC-FB的补偿电压， PFC 电路的输出电压降低， LLC谐振半桥的工作频率随之降低。LLC谐振半桥的工作频率降低后，比较器U2-A输出的PWM波形信号的频率也会降低，当PWM波形信号输入经过经由电阻R258、电阻R232、电阻R233、电容C61和电容C69组成的滤波电路滤后形成的直流电压会升高，相应的直流电压输入比较器U17-B的反相输入端，高于同相输入端输入的频率设定基准电路基准电压REF，比较器U17-B的输出端输出低电平，比较器U17-B的输出端输出的低电平信号经分压和滤波后传输到PFC控制器的反馈信号引脚FB，增加PFC-FB的补偿电压，PFC电路的输出电压升高， LLC谐振半桥的频率随之升高，达到频率闭环控制的效果。
本发明以上实施例通过频率闭环控制电路，实现了全时高效率电源控制，使得开关电源全天24小时都可以工作在最优状态。
本发明以上实施例的闭环控制方法可以使开关电源的开关频率保持在一个较小的波动范围。根据云算力设备在不同时段的工作状态，对算力电源调控供电，使得云计算设备全天候以节能、低损耗模式工作，并能安全、高效、稳定地持续运行，保证电源的动态冗余度，其工作的频率接近谐振频率，提升能效比，节约能源。

Claims (8)

1.一种LLC开关电源的闭环控制方法，其特征在于，对开关电源功率变换器LLC谐振电路谐振电容的电压波形进行采样，将采样得到的谐振电容上的电压波形进行处理，得到LLC谐振电路的工作频率信号；将工作频率信号进行电压整形，得到对应的电压值，将所述的电压值与设定的第一基准电压值进行比较，得到频率反馈信号；向开关电源的PFC控制器输入频率反馈信号，调整开关电源PFC电路的输出电压，以调节LLC谐振电路的工作频率；LLC开关电源的控制电路包括频率闭环控制电路，频率闭环控制电路包括频率比较电路和电压整形电路；频率比较电路的输入端接谐振电容的一端，对谐振电容的电压波形进行采样，并将采样得到的电压波形转换为与LLC谐振电路工作频率同步的PWM波形信号；电压整形电路的输入端接收频率比较电路输出的PWM波形信号，将PWM波形信号滤波得到直流电压与第一基准电压比较，将比较结果作为频率反馈信号输入到PFC控制器的反馈信号输入端，调整开关电源PFC电路的输出电压；频率比较电路包括隔直电容、第一比较器、第一分压电路、第二分压电路和第三分压电路，第一分压电路的一端通过隔直电容接谐振电容与开关电路隔离变压器原边绕组的连接点，第一分压电路的另一端接地；第二分压电路的一端接第一分压电路的电压信号输出端，第二分压电路的另一端接地；第一比较器的反相输入端接第二分压电路的电压信号输出端，第三分压电路的一端接第二基准电压，第三分压电路的另一端接地；第一比较器的同相输入端接第三分压电路的电压信号输出端。
2.根据权利要求1所述的闭环控制方法，其特征在于，频率比较电路包括第一滤波电容和回差电阻，第一滤波电容接在第一分压电路电压信号输出端与地之间，回差电阻接在第一比较器的同相输入端与输出端之间。
3.根据权利要求1所述的闭环控制方法，其特征在于，谐振电容上形成的交流电压信号经隔直电容滤除直流分量，经第一分压电路和第二分压电路分压后的采样电压送入第一比较器的反相输入端进行比较，第一比较器的同相输入端输入第三分压电路分压后的阈值电压，当采样电压高于阈值电压时，第一比较器的输出端输出低电平；当采样电压低于阈值电压时，第一比较器的输出端输出高电平；第一比较器的输出端输出与LLC谐振电路工作频率同步的PWM波形信号。
4.根据权利要求1所述的闭环控制方法，其特征在于，频率闭环控制电路包括频率设定基准电路，频率设定基准电路包括可控精密稳压源和第四分压电路，可控精密稳压源的阳极接地，阴极通过限流电阻接辅助电源，第四分压电路的一端接地，另一端接可控精密稳压源的阴极；第二滤波电容接在可控精密稳压源的阳极与阴极之间；可控精密稳压源的阴极为频率设定基准电路第一基准电压的输出端。
5.根据权利要求1所述的闭环控制方法，其特征在于，电压整形电路包括第二比较器、滤波电路和第五分压电路，频率比较电路的输出端通过滤波电路接第二比较器的反相输入端；第二比较器的同相输入端接第一基准电压；第二比较器的输出端接第五分压电路的第一端，第五分压电路的第二端接地，第五分压电路的电压信号输出端作为电压整形电路的电压信号输出端接PFC控制器的反馈信号引脚。
6.根据权利要求5所述的闭环控制方法，其特征在于，电压整形电路包括上拉电阻、第七十四电阻和第三滤波电容，第二比较器的输出端通过第七十四电阻接第五分压电路的第一端，第五分压电路的第一端通过上拉电阻接开关电源正直流母线；第三滤波电容接在电压整形电路的电压信号输出端与地之间。
7.根据权利要求1所述的闭环控制方法，其特征在于，电压整形电路输入的PWM波形信号经滤波电路滤波，形成相应的直流电压值输入第二比较器的反相输入端，第二比较器的同相输入端接第一基准电压，当检测到PWM波形信号的频率变高时，第二比较器的反相输入端输入的电压下降，当第二比较器的反相输入端输入的电压值低于第一基准电压时，第二比较器的输出端输出高电平，第二比较器的输出的高电平信号经分压和滤波后传输到PFC控制器的反馈信号引脚，开关电源PFC电路的输出电压降低，LLC谐振电路的工作频率随之降低；LLC谐振电路的工作频率降低后，频率比较电路输出的PWM波形信号的频率也会降低，PWM波形信号经滤波电路滤波后形成的直流电压升高，当直流电压高于第一基准电压时，第二比较器的输出端输出低电平，第二比较器的输出的低电平信号经分压和滤波后传输到PFC控制器的反馈信号引脚，开关电源PFC电路的输出电压升高，LLC谐振电路的工作频率随之升高，达到频率闭环控制的效果。
8.根据权利要求1所述的闭环控制方法，其特征在于，所述的LLC谐振电路包括隔离变压器原边绕组、谐振电感和所述的谐振电容，采用频率比较电路的输入端接谐振电容与隔离变压器原边绕组的连接点。
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