CN205656444U - 一种数字模块电源的高效闭环控制结构 - Google Patents

Abstract

数字模块电源的高效闭环控制结构，包括离散化单元和逻辑电路，离散化单元串接滤波网络的输出端，离散化单元的离散信号输出端与逻辑电路的输入端连接，逻辑电路的输出端连接开关网络的反馈信号接入端。仅需要对离散化的反馈信号进行简单的逻辑判断和加减运算，大大缩短其采样、滤波、计算与逻辑判断的时间，实现高效性，并能够提高闭环控制的稳定性。同时，对于主控IC的性能要求低，选型容易、成本低。

Description

一种数字模块电源的高效闭环控制结构

技术领域

本实用新型涉及一种控制装置，特别是涉及一种输出反馈的控制装置。

背景技术

传统的数字电源，均是采用数字PID电路进行闭环控制，其与电路结构对应的算法包括位置式和增量式两种。

基本PID电路结构的位置型离散表达式获得方法如下：

时域形式：

式(1)中：

位置型离散表达式为：

$u\left(n\right)=K_p\[e\left(n\right)+\frac{T}{T_i}\underset{i=0}{\overset{k}{\Σ}}e\left(j\right)+T_d\frac{e\left(n\right)-e(n-1)}{T}\]---\left(2\right)$

$u(n-1)=k_P\{e(n-1)+\frac{T}{T_i}\underset{j=0}{\overset{n-1}{\Σ}}e\left(j\right)+\frac{T_d}{T}\[e(n-1)-e(n-2)\]\}---\left(3\right)$

由式(2)-(3)转换为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}u\left(n\right)=K_p\{e\left(n\right)-e(n-1)+\frac{T}{T_i}e\left(n\right)+\frac{T_d}{T}\[e\left(n\right)-2e\left(n\right)+e(n-2)\]\}\\ =K_p\[e\left(n\right)-e(n-1)\]+K_{i}e\left(n\right)+K_d\[e\left(n\right)-2e(n-1)+e(n-2)\]\end{array}---\left(4\right)$

基本PID电路结构的增量型离散表达式为：

u(n)＝u(n-1)+Δu(n) (5)

但是采用传统数字式PID闭环控制，需要主控数字芯片消耗大量的时间完成目标采样，对采样值数字滤波，再进行乘除运算，逻辑判断等等，更需要不断调试配置PID参数，才能完成稳定的闭环控制。

在隔离式开关电源工程应用中，数字芯片必须放置在副边，先完成对输出电压的采样，进而才能运算，最后完成闭环控制。若数字芯片放置在原边，必须采用线性光耦或者直流磁隔离，才能完成对输出电压的采样。

因此，在工程应用中若要实现传统PID控制，需要采用运算速度快，精度高的芯片，并且在一些特殊情况下，必须加入成本昂贵的线性光耦或者直流磁隔离，这些缺点大大限制了其应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种数字模块电源的高效闭环控制结构，解决现有闭环控制精度需要复杂处理器完成的技术问题。

本实用新型的数字模块电源的高效闭环控制结构，包括离散化单元和逻辑电路，离散化单元串接滤波网络的输出端，离散化单元的离散信号输出端与逻辑电路的输入端连接，逻辑电路的输出端连接开关网络的反馈信号接入端。

通过隔离网络形成原边和副边的数字模块电源中包括两个开关网络，在副边串联的开关网络和滤波网络的输出端串联离散化单元，离散化单元的离散信号输出端与逻辑电路的输入端连接，逻辑电路的一个输出端连接副边的开关网络的反馈信号接入端，逻辑电路的另一个输出端通过隔离驱动网络连接原边的开关网络的反馈信号接入端。

通过隔离网络形成原边和副边的数字模块电源中包括两个开关网络，在副边串联的开关网络和滤波网络的输出端串联离散化单元，离散化单元的离散信号输出端通过光耦连接逻辑电路的输入端，逻辑电路的一个输出端连接原边的开关网络的反馈信号接入端，逻辑电路的另一个输出端通过隔离驱动网络连接副边的开关网络的反馈信号接入端。

所述隔离网络为主次绕组或隔离变压器。

所述离散化单元为模数转换电路或A/D芯片。

本实用新型的数字模块电源的高效闭环控制结构，采用硬件电路对误差信号放大离散化后，输入主控数字制芯片，仅经过简单逻辑判断与加减运算，如利用成熟的运算放大器比较电路，即可实现高效闭环控制。仅需要对离散化的反馈信号进行简单的逻辑判断和加减运算，大大缩短其采样、滤波、计算与逻辑判断的时间，实现高效性，并能够提高闭环控制的稳定性。同时，对于主控IC的性能要求低，选型容易、成本低。

附图说明

图1为本实用新型的数字模块电源的高效闭环控制结构应用于非隔离数字电源的控制电路结构示意图；

图2为本实用新型的数字模块电源的高效闭环控制结构应用于控制芯片放 置副边结构的隔离数字电源的控制电路结构示意图；

图3为本实用新型的数字模块电源的高效闭环控制结构应用于控制芯片放置原边结构的隔离数字电源的控制电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，在包括开关网络和滤波网络的开关电源中，滤波网络的输出端串联离散化单元，离散化单元的离散信号输出端与逻辑电路(图中标识为数字芯片)的输入端连接，逻辑电路的输出端连接开关网络的反馈信号接入端。

离散化单元用于将采集的模拟信号转换为电平信号，可以采用成熟的模数转换电路或A/D芯片。

逻辑电路用于形成对电平信号的逻辑判断并输出判断信号，可以采用成熟的PID电路、与非门形成的逻辑电路或成熟的数字逻辑芯片。

如图2所示，在上述实施例基础上，在通过隔离网络(如主次绕组)形成原边和副边的开关电源(即数字模块电源)中包括两个开关网络，在副边串联的开关网络和滤波网络的输出端串联离散化单元，离散化单元的离散信号输出端与逻辑电路(图中标识为数字芯片)的输入端连接，逻辑电路的一个输出端连接副边的开关网络的反馈信号接入端，逻辑电路的另一个输出端通过隔离驱动网络(如隔离变压器)连接原边的开关网络的反馈信号接入端。

如图3所示，在上述实施例基础上，在通过隔离网络(如主次绕组)形成原边和副边的(即数字模块电源)开关电源中，在副边串联的开关网络和滤波网络的输出端串联离散化单元，离散化单元的离散信号输出端通过(图中标识为普通光耦)光耦连接逻辑电路(图中标识为数字芯片)的输入端，逻辑电路的一个输出端连接原边的开关网络的反馈信号接入端，逻辑电路的另一个输出端通过隔离驱动网络(如隔离变压器)连接副边的开关网络的反馈信号接入端。

以上实施例的高效闭环控制结构是在传统的结构上增加了一个模拟量的离散化单元，该离散单元将模拟量变为表示数字量的高低电平，后输入主控芯片，经过简单加减和逻辑运算，输出PWM信号，完成闭环控制。对于隔离数字电源，控制芯片放置原边的结构，通过普通光耦便可将信号传输到原边的主控芯片，从而实现其闭环控制。

工作过程描述如下：

1)，获得输出电压与基准的误差信号，如式(6)：

ΔV＝Vo-Vref (6)

2)，对误差信号进行放大k倍，得到k*ΔV；

3)，采用硬件电路，对k*ΔV进行离散化处理。

4)，离散化的数字量输入主控IC，经过逻辑判断后，进行简单加减运算，输出PWM控制信号，完成闭环控制。

针对对k*ΔV离散化的方式，及主控数字芯片逻辑判断与加减运算的过程如下：

首先，对k*ΔV进行离散化处理：

第一种方式，可以将k*ΔV离散成两位二进制数据结果，两位二进制数可以描述四种不同的状态，该方式逻辑判断最为简单，易于执行。设置两个参考量，Vref_high对应输出整定电压的上限Vosetmax，Vref_low对应输出整定电压的下限Vosetmin。当k*ΔV大于Vref_high时说明输出电压大于对应输出整定电压的上限Vosetmax，此时离散结果为10；当k*ΔV小于Vref_low时说明输出电压小于对应输出整定电压的下限Vosetmin，此时离散结果为0 1；当k*ΔV介于Vref_low与Vref_high之间时，说明输出电压在要求的范围内，此时离散结果为11；理论上存在第四种状态，即离散结果为00，离散化是由硬件电路完成，通过设计硬件电路，在其正常工作时，其离散结果不会出现该状态，若出现该状态，主控数字芯片不予进行判断。具体参见表格1。

表1

第二种方式，可以将k*ΔV离散成更多位二进制结果，如四位、六位、八位等，但均为偶数位。随着离散结果二进制位数的增加，能够实现对输出电压状态描述的细化，能够更好的控制输出电压；但同时硬件电路会增加，对主控数字芯片要求提高。

对于k*ΔV离散为多位二进制结果，其逻辑判断与两位二进制方法一致，以四位二进制为例。可以将对应输出整定电压的上下限进行细化，设置4个参考量，Vref_low1、Vref_low2、Vref_high1、Vref_high2，其大小关系为Vref_low1<Vref_low2<Vref_high1<Vref_high2，当k*ΔV落入不同区间时，主控数字芯片即可判断出输出电压的状态，从而更加灵活的进行加减运算，输出更加合适的PWM控制信号，快速调整输出电压达到设定值。

其次，主控数字芯片逻辑判断与加减运算，实现闭环控制。

以将k*ΔV离散成两位二进制数据结果为例。

主控芯片以外部离散化电路的高低电平为触发源，响应中断，经过逻辑判断后，以固定短时间的定时中断，按照固定步长ΔD增加或减少占空比占空比，快速调节输出电压。通过数字芯片的中断响应，确保该方法的高效性。

当主控数字芯片接收到‘10’时，即可判断出输出电压大于最大设定电压，即Vo>Vosetmax，每一次定时中断中在当前的占空比基础上减小固定步长ΔD，达到减小输出电压的目的，至输出电压调整值设定的电压范围内。

当主控数字芯片接收到‘01’时，即可判断出输出电压小于最小设定电压，即Vo<Vosetmin，每一次定时中断中在当前的占空比基础上增加固定步长ΔD，达到增加输出电压的目的，至输出电压调整值设定的电压范围内。

当主控数字芯片接收到‘11’时，即可判断出输出电压在设定的范围内，即Vosetmin<Vo<Vosetmax，保持当前占空比不变。

以上逻辑判断及运算，请参见表2.

表2.

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种数字模块电源的高效闭环控制结构，其特征在于：包括离散化单元和逻辑电路，离散化单元串接滤波网络的输出端，离散化单元的离散信号输出端与逻辑电路的输入端连接，逻辑电路的输出端连接开关网络的反馈信号接入端。

2.如权利要求1所述的数字模块电源的高效闭环控制结构，其特征在于：通过隔离网络形成原边和副边的数字模块电源中包括两个开关网络，在副边串联的开关网络和滤波网络的输出端串联离散化单元，离散化单元的离散信号输出端与逻辑电路的输入端连接，逻辑电路的一个输出端连接副边的开关网络的反馈信号接入端，逻辑电路的另一个输出端通过隔离驱动网络连接原边的开关网络的反馈信号接入端。

3.如权利要求1所述的数字模块电源的高效闭环控制结构，其特征在于：通过隔离网络形成原边和副边的数字模块电源中包括两个开关网络，在副边串联的开关网络和滤波网络的输出端串联离散化单元，离散化单元的离散信号输出端通过光耦连接逻辑电路的输入端，逻辑电路的一个输出端连接原边的开关网络的反馈信号接入端，逻辑电路的另一个输出端通过隔离驱动网络连接副边的开关网络的反馈信号接入端。

4.如权利要求2-3中任一项所述的数字模块电源的高效闭环控制结构，其特征在于：所述隔离网络为主次绕组或隔离变压器。

5.如权利要求1所述的数字模块电源的高效闭环控制结构，其特征在于：所述离散化单元为模数转换电路或A/D芯片。