CN1555128A - 一种串联谐振变换器的控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联谐振变换器的控制方法及装置，其中方法为：从负载电路采样反馈信号并提供给处理器；由处理器处理该反馈信号并根据处理后的结果判断采用调频控制方式还是采用移相控制方式；如果采用移相控制方式处理器反馈信号，则根据处理后的结果产生移相脉宽调制信号作为驱动脉冲；如果采用调频控制方式，则根据处理后的结果产生调频脉宽调制信号作为驱动脉冲；驱动电路根据接收的驱动脉冲产生相应的控制信号并输出给所述串联谐振电路。
Description
技术领域
本发明涉及直流电源变换技术，尤其涉及一种串联谐振变换器的控制方法及其装置。
背景技术
LLC串联谐振电路是近来重新引起业界重视与研究的电路，它在理论上已比较成熟，而且在工业应用上与移相全桥相比具有一些较明显的优势：付边二极管自然关断，消除了付边的电压尖峰和关断损耗；在可变频的范围内都能实现MOS管的ZVS开通与关断；电路工作频率高可减小模块的体积与成本；原边电流为正弦波，传导和辐射小等。但LLC串联谐振电路在应用中存在一个突出问题：工作在轻载(2A以下负载)时，频率升得过高会影响电路工作的稳定性，电路工作状态不能较好地满足LLC串联谐振原理，所以简单的调频控制无法达到轻载和空载时输出稳压的要求。虽然通过在输出端加死负载的方式能在一定程度解决轻载问题，但会大大增加损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种串联谐振变换器的控制方法及其装置，以解决现有技术中仅采用调频控制方式存在不能很好地满足输出稳压的要求。
实现本发明的技术方案：
一种串联谐振变换器的控制方法，所述变换器包括驱动电路和串联谐振电路，驱动电路根据接收的驱动脉冲产生控制信号，该控制信号控制串联谐振电路向负载提供电源并使串联谐振电路的输出电压保持稳定；所述方法包括步骤：
A、从负载电路采样反馈信号并提供给处理器；
B、处理器处理所述反馈信号，并将处理结果与一参考值比较以确定采用调频控制方式还是采用移相控制方式控制所述串联谐振电路；
C、如果采用移相控制方式，控制频率为固定频率，同时根据所述处理结果计算出确定移相占空比的比较值，继续步骤D；如果采用调频控制方式，则根据所述处理结果计算出确定串联谐振电路开关频率的周期值和确定移相占空比的比较值，继续步骤E；
D、处理器根据所述比较值和周期值产生移相的脉宽调制信号作为驱动脉冲，并继续步骤F；
E、处理器根据计算出的周期值和比较值产生调频的脉宽调制信号作为驱动脉冲；
F、驱动电路根据接收的驱动脉冲产生相应的控制信号并输出给所述串联谐振电路。
其中：
所述反馈信号为反馈电压，步骤B中处理器处理该反馈电压包括步骤：将反馈电压的数字值与给定值进行减法运算；对减法运算的结果进行比例-积分运算，得到处理结果。
所述反馈信号为反馈电压和反馈电流，步骤B中处理器处理该反馈电压和反馈电流包括步骤：分别将反馈电压和反馈电流的数字值与相应的给定值进行减法运算；分别对减法运算的结果进行比例-积分运算；判断电压比例-积分运算结果和电流比例-积分运算结果的大小，如果前者小于后者，则对串联谐振电路进行稳压控制，并将前者作为处理结果，否则对串联谐振电路进行限流控制，并将后者作为处理结果。
采用移相控制方式时，所述固定频率的取值能够使串联谐振电路的开关频率固定在最大频率。
采用调频控制方式时，所述比较值的取值为周期值的一半。
步骤B和步骤C在处理器响应中断频率固定的第一中断请求时被执行；步骤D和步骤E在处理器响应中断频率与所述串联揩振电路工作频率变化范围一致的第二中断请求时被选择性的执行，所述第二中断请求的优先级高于第一中断请求。
步骤C还包括步骤：将比较值和周期值分别存入处理的比较寄存器和周期寄存器对应的第一级缓存单元，并禁止中断；分别将第一级缓存单元的值赋到相应的第二级缓存单元，并开放中断。
步骤D和步骤E包括步骤：
A、判断第二中断的中断源，如果是周期中断则进行步骤B，否则进行步骤D；
B、将处理器的比较寄存器和周期寄存器对应的第二级缓存单元的值分别赋到相应的第三级缓存单元；
C、将所述第三级缓存单元的值分别赋到处理器的周期寄存器和比较寄存器，转步骤E；
D、将周期寄存器的第三级缓存单元的值减去比较寄存器第三级缓存单元的值赋到比较寄存器中；
E、处理器根据比较寄存器和周期寄存器的值输出用于移相控制或调频控制的脉宽调制信号。
一种串联谐振变换器，包括驱动电路和串联谐振电路，该驱动电路根据接收的驱动脉冲向串联谐振电路输出控制信号，串联谐振电路在所述控制信号的控制下将变换后的电源提供给负载电路；所述变换器还包括：
采样电路，从负载电路获取反馈信号；
处理器，接收所述采样电路的反馈信号，根据该信号产生对串联谐振电路进行调频控制和移相控制的脉宽调制信号，并输出至所述驱动脉冲电路。
所述采样电路为电压采样电路，或者为电压采样电路和电流采样电路。
本发明具能够实现调频与移相两种控制方式，在电源工作频率较低时采用变频控制，电源工作频率过高时采用移相控制方式，因此在轻载和空载时串联谐振电路的工作频率不会过高就能满足稳压的要求，解决了现有技术中在这种情况下存在电路损耗过大的问题；
附图说明
图1为实施例一的电路原理框图；
图2A为实施例中采用调频+移相控制的LLC串联谐振电路的控制原理框图；
图2B是调频+移相控制方法的控制策略示意图；
图3是第一中断服务程序的流程图；
图4是第二中断服务程序的流程图；
图5是调频PWM信号的示意图；
图6是移相PWM信号的示意图；
图7为实施例二的电路原理图；
图8为实施例中采用调频+移相控制的LLC串联谐振电路的控制原理框图；
图9为实施例二中第一中断服务程序的流程图。
具体实施方式
实施例一
本实施例以反馈信号为电压为例进行说明。
本发明采用调频和移相相结合的数字控制方法来解决LLC串联谐振的轻载问题，其原理为：电路在正常工作时采用变频控制，当频率大于一定频率时则采用移相控制方式。
参阅图1所示，本发明的串联谐振变换器包括驱动电路、串联谐振电路、采样电路和处理器。驱动电路根据接收的驱动脉冲向串联谐振电路输出控制信号，串联谐振电路在该控制信号的控制下将变换后的电源提供给负载电路；采样电路从负载电路获取反馈电压并提供给处理器，处理器根据反馈电压产生调频脉宽调制信号或移相脉宽调制信号并输出给所述驱动脉冲电路。
处理器采用数字信号处理器(DSP)，DSP通过实时刷新周期寄存器和比较寄存器的值，能方便的产生频率或相位变化的脉宽调制(PWM)信号。即DSP定时器根据初始化设置自动计数，当计数寄存器的值与比较寄存器的值相等时产生比较匹配，输出脉冲产生高、低电平的变化，从而产生相应的调频脉宽调制信号或移相脉宽调制信号；当计数寄存器的计数至0时产生下溢中断，此时DSP自动对周期寄存器和比较寄存器重新装载。
参阅图2A所示，串联谐振电路输出电压经采样器采样后提供给DSP，如果提供给DSP的是模拟电压则DSP需要对其进行模/数转换；如果在提供给DSP之前已进行了模/数转换则DSP不再进行该步骤。DSP将反馈电压与一预定值相减，并将相减的结果进行比例积分(PI)运算，根据PI运算后的输出值来判断是进行移相控制还是调频控制。如果进行移相调节，控制信号流进入图示虚线路线，否则，进行调频控制。移相PWM信号发生器根据全桥移相控制原理产生PWM信号，调频PWM信号发生器根据调频控制原理产生PWM信号。PWM信号经驱动电路放大驱动串联谐振电路。
参阅图2B所示，在本实施例中，变频+移相控制方法的工作原理是：
1、重载(大于2A左右)时采用调频控制方式，轻载(小于2A左右)时采用移相控制方式。调频和移相的分界点根据线性比例-积分(PI)控制器输出的结果来判断。大于某个确定的值时，采用调频控制方式，小于该值时采用移相控制方式。
2、调频控制方式下，开关频率在一定范围内变化，随着负载的减少开关频率增加。开关频率的变化随线性比例-积分(PI)控制器的输出而变化，线性比例-积分(PI)控制器的输出与频率之间按简单的线性关系来进行控制。调频过程中移相占空比始终为最大输出。
3、在移相控制方式时，开关频率固定在最大频率，移相角在最大输出和最小输出之间全范围变化，输出电压越低，负载越轻，移相占空比D越小，直至到0，从而实现轻载和空载稳压。
图2B中，线性比例-积分(PI)控制器的输出限幅在0～5V，由PI输出大小作为控制上采用移相或调频的判断依据，该例中以当PI输出为2V时作为移相和调频的分界点。当PI输出在0～2V时采用移相控制方式，这时频率固定在300K；当PI输出在2～5V时采用调频控制方式，频率与PI输出的关系根据图示的线性关系来决定。PI输出的限幅、移相和调频的分界点、频率的变化范围等可根据具体实施情况决定。
在本实施例中，调频控制信号和移相控制信号采用下述方式实现：
(1)采用两级嵌套中断，第一中断是辅助PWM定时中断，中断频率是固定的。第二中断是主PWM中断(PWM周期中断)，中断频率与LLC串联谐振电路工作频率变化范围一致，第二中断优先级比第一中断高。第一中断服务程序的任务是完成采样、相减、线性比例积分(PI)、控制方式的判断、计算移相和调频PWM信号发生器所需的周期寄存器和比较寄存器的值的功能。第二中断程序的任务是将第一中断服务程序中计算得到的周期寄存器和比较寄存器的值分别赋到周期寄存器和比较寄存器。
(2)在软件中要预先定义与周期寄存器和比较寄存器相对应的三级数据缓存单元，以保证周期寄存器与比较寄存器的同步刷新。
(3)第一中断服务程序中对周期寄存器和比较寄存器对应的一级缓存单元进行实时刷新。执行完刷新一级缓存单元的操作后禁止中断，将一级缓存单元的值分别转存到二级缓存单元，然后开放中断。
(4)第二中断服务程序先将二级缓存单元的值分别转存到三级缓存单元，然后再将三级缓存单元的值赋到周期寄存器和比较寄存器。
(5)在PWM下溢中断到来引发的中断程序中将周期寄存器的第三级缓存单元的值减去比较寄存器第三级缓存单元的值赋到比较寄存器中，以保证产生50％的占空比的脉冲输出。
参阅图3所示，第一中断服务程序的处理流程如下：
步骤10：采样反馈电压；
步骤20：将反馈电压与一给定值进行比较，计算出电压误差。该给定值即输出电压需要稳定的值的A/D采样值。
步骤30：对步骤20中的误差电压进行比例积分运算，得到PI值；
步骤40：判断PI值是否大于2V，如果是则进行步骤60，否则进行步骤50；
步骤50：采用移相控制方式，根据PI值计算出确定移相占空比的比较值，并将比较值和确定开关频率的一固定周期值分别赋给一级缓存单元，继续步骤70；
步骤60：采用调频控制方式，根据PI值计算出确定串联谐振电路开关频率的周期值和确定移相占空比的比较值计算周期和比较寄存器的值，并将结果分别赋给一级缓存单元；
步骤70：禁止中断；
步骤80：将一级缓存单元的值转存到二级缓存单元；
步骤90：开放中断并返回。
步骤50包括以下步骤：
A、给固定桥臂对应的比较寄存器的一级缓存单元赋值，该值是固定不变的。在设计中把该桥臂固定到最左边，使DSP下溢匹配和周期匹配的值都接近下溢点和周期点。
在移相控制方式下周期寄存器是一固定值，该固定值为频率变化的最大频率点对应的周期值。为使输出电压达到最大可调范围，将移相全桥的超前桥臂(见参《脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术》，科学出版社，阮新波、严仰光著，1999)作为固定桥臂，即固定控制该桥臂的控制信号PWM3、PWM4使处理器在上升沿时的比较值与下降沿时的比较值都是固定的，且上升沿的信号始终在最左边。那么上升沿的比较值应为1，(如果不设置为1也可以，但输出电压的范围会变小)为产生50％占空比的全桥移相驱动信号，下降沿的比较值应为周期寄存器的值减1。将数值1作为比较寄存器1的比较值。将移相全桥的滞后桥臂作为移动桥臂，即控制该桥臂的控制信号PWM1、PWM2根据输出移相角的变化而变化。
B、将比例-积分运算的结果乘以系数得到脉宽调制的输出移相角，该系数由最大输出移相角除以比例-积分运算的最大限幅值得到。
C、根据图5和图6所示关系，计算出移动臂PWM信号对应的比较寄存器的比较值，并赋给相应的一级缓存单元。
图5中所示为调频方式下的斜对角两只开关管的控制信号。调频方式下斜对角两只开关管同时开通和关断。为使调频控制和移相控制在临界状态信号一致，即使调频控制方式下的控制信号与移相控制方式下的最大输出时的控制信号一致，那么需将比较寄存器1，比较寄存器2在上升沿时的比较值都设为1。该值即为比较寄存器的比较值。
图6中所示移相方式下斜对角两只开关管的控制信号，其中，PWM4为固定桥臂上管的控制信号，其上升沿的信号始终在最左边，PWM1为移动桥臂下管的控制信号，随着输出移相角的减小，PWM1由右向左移动，输出电压逐渐增大。
D、给周期寄存器的一级缓存单元赋固定的周期值，该值固定为最高频率对应的计数值。
步骤60包括以下步骤：
A、根据图2B所示线性比例-积分(PI)控制器的输出与中断频率的线性关系将线性比例-积分(PI)控制器的输出折算成周期寄存器的周期值，并存入一级缓存单元。
B、将周期寄存器的值除以2即为比较寄存器的值，存入一级缓存单元。
调频方式下功率输出的对管驱动信号保持最大输出，因此，两个比较寄存器赋相同的值。为保证与移相PWM信号与调频PWM信号之间过渡过程的平滑，比较寄存器的值在下溢匹配和周期匹配时需接近下溢点和周期点。
参阅图4所示，第二中断服务程序的处理流程如下：
步骤100：判断是周期中断还是下溢中断，如果是周期中断则进行步骤110，否则进行步骤120；
步骤110：将二级缓存单元的值转存到三级缓存单元；
步骤120：将三级缓存单元的值赋到周期寄存器和比较寄存器，并返回。
由于数字控制没有模拟电路中的温度漂移及时间造成的电路老化等问题，因而在实现调频控制中与模拟电路相比具有明显的优越性。
实施例二
本实施例以反馈信号为电压信号和电流信号为例进行说明。
参阅图7所示，本实施例的变换器比实施例一中的变换器增加了反馈电流环。反馈电压环与反馈电流环是并行工作，电压环起稳压作用，电流环起限流作用。电压环与电流环的关系也可以是串行的内外环关系。
参阅图8所示，串联谐振电路输出电压和电流经采样器采样后提供给DSP，如果提供给DSP的是模拟值则DSP需要对其进行模/数转换；如果在提供给DSP之前已进行了模/数转换则DSP不再进行该步骤。DSP分别将反馈电压和电流与预定值相减，并分别将相减的结果进行比例积分(PI)运算。比较PI运算结果的大小，如果电压值大于电流值，则对串联谐振电路进行稳压控制，并根据PI运算后的电压值判断对串联谐电路进行调频控制还是移相控制，其实现方法与实施例一完全相同；否则对串联谐振电路进行限流控制，并根据PI运算后的电流是否大于预定的电源值来判断对串联谐电路进行调频控制还是移相控制，其处理过程与实施例一完全相同。
电压环起调节作用时，电流环处于饱和状态，此时输出电压值稳定；电流环起作用，电压环输出饱和，输出电流被限制在一定值，因此电流环的作用主要作用是限流。
在本实施例中，调频控制信号和移相控制信号采用与实施例一中相同的方法，即采用两级嵌套中断。
参阅图8所示，第一中断服务程序的处理过程如下：
步骤200：获取反馈电压；
步骤210：将反馈电压与一给定值进行比较，计算出电压误差；
步骤220：对步骤210中的误差电压进行比例积分运算，得到电压的PI值；
步骤230：获取反馈电流；
步骤240：将反馈电流与一给定值进行比较，计算出电压误差；
步骤250：对步骤240中的误差电流进行比例积分运算，得到电流的PI值；
步骤260：比较电压的PI值和电流的PI值，如果电压的PI值大于电流的PI值，则选择电压的PI值作为调频和移相控制的依据，否则选择电流的PI值作为调频和移相控制的依据；
步骤270：判断PI值是否大于预定值，如果是则进行步骤290，否则进行步骤280；
步骤280：采用移相控制方式，根据PI值计算出确定移相占空比的比较值，并将比较值和确定开关频率的一固定周期值分别赋给一级缓存单元，并将结果分别赋给一级缓存单元，继续步骤300；
步骤290：采用调频控制方式，根据PI值计算出确定串联谐振电路开关频率的周期值和确定移相占空比的比较值计算周期和比较寄存器的值，并将结果分别赋给一级缓存单元；
步骤300：禁止中断；
步骤310：将一级缓存单元的值转存到二级缓存单元；
步骤320：开放中断并返回。
其中，步骤280和步骤290的具体计算过程参阅实施例相应部分。
第二中断服务程序的处理过程与实施例一相同。
以上实施例用以说明本发明的最佳实现方式，但本发明并不仅限于此。本领域的普通技术人员根据上述方案作出的改变，都不会脱本发明采用变频+移相的数字控制方式来对串联谐振电路进行控制的精神。
Claims (10)
1、一种串联谐振变换器的控制方法，所述变换器包括驱动电路和串联谐振电路，驱动电路根据接收的驱动脉冲产生控制信号，该控制信号控制串联谐振电路向负载提供电源并使串联谐振电路的输出电压保持稳定；其特征在于所述方法包括步骤：
A、从负载电路采样反馈信号并提供给处理器；
B、处理器处理所述反馈信号，并将处理结果与一参考值比较以确定采用调频控制方式还是采用移相控制方式控制所述串联谐振电路；
C、如果采用移相控制方式，控制频率为固定频率，同时根据所述处理结果计算出确定移相占空比的比较值，继续步骤D；如果采用调频控制方式，则根据所述处理结果计算出确定串联谐振电路开关频率的周期值和确定移相占空比的比较值，继续步骤E；
D、处理器根据所述比较值和周期值产生移相的脉宽调制信号作为驱动脉冲，并继续步骤F；
E、处理器根据计算出的周期值和比较值产生调频的脉宽调制信号作为驱动脉冲；
F、驱动电路根据接收的驱动脉冲产生相应的控制信号并输出给所述串联谐振电路。
2、如权利要求1所述的方法，其特征于，所述反馈信号为反馈电压，步骤B中处理器处理该反馈电压包括步骤：
将反馈电压的数字值与给定值进行减法运算；
对减法运算的结果进行比例-积分运算，得到处理结果。
3、如权利要求1所述的方法，其特征于，所述反馈信号为反馈电压和反馈电流，步骤B中处理器处理该反馈电压和反馈电流包括步骤：
分别将反馈电压和反馈电流的数字值与相应的给定值进行减法运算；
分别对减法运算的结果进行比例-积分运算；
判断电压比例-积分运算结果和电流比例-积分运算结果的大小，如果前者小于后者，则对串联谐振电路进行稳压控制，并将前者作为处理结果，否则对串联谐振电路进行限流控制，并将后者作为处理结果。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用移相控制方式时，所述固定频率值的取值能够使串联谐振电路的开关频率固定在最大频率。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用调频控制方式时，所述比较值的取值为周期值的一半。
6、如权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于，步骤B和步骤C在处理器响应中断频率固定的第一中断请求时被执行；步骤D和步骤E在处理器响应中断频率与所述串联揩振电路工作频率变化范围一致的第二中断请求时被选择性的执行，所述第二中断请求的优先级高于第一中断请求。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤C中计算出相应值后还包括步骤：
将比较值和周期值分别存入处理的比较寄存器和周期寄存器对应的第一级缓存单元，并禁止中断；
分别将第一级缓存单元的值赋到相应的第二级缓存单元，并开放中断。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤D和步骤E包括步骤：
A、判断第二中断的中断源，如果是周期中断则进行步骤B，如果是下溢中断进行步骤D；
B、将处理器的比较寄存器和周期寄存器对应的第二级缓存单元的值分别赋到相应的第三级缓存单元；
C、将所述第三级缓存单元的值分别赋到处理器的周期寄存器和比较寄存器，转步骤E；
D、将周期寄存器的第三级缓存单元的值减去比较寄存器第三级缓存单元的值赋到比较寄存器中；
E、处理器根据比较寄存器和周期寄存器的值输出用于移相控制或调频控制的脉宽调制信号。
9、一种串联谐振变换器，包括驱动电路和串联谐振电路，该驱动电路根据接收的驱动脉冲向串联谐振电路输出控制信号，串联谐振电路在所述控制信号的控制下将变换后的电源提供给负载电路；其特征在于所述变换器还包括：
采样电路，从负载电路获取反馈信号；
处理器，接收所述采样电路的反馈信号，根据该信号产生对串联谐振电路进行调频控制和移相控制的脉宽调制信号，并输出至所述驱动脉冲电路。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述采样电路为电压采样电路，或者为电压采样电路和电流采样电路。
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