CN212183411U

CN212183411U - 一种数字电源输入电压前馈控制电路

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Publication number: CN212183411U
Application number: CN202020926699.5U
Authority: CN
Inventors: 邹扬; 梁寰宇; 张石磊; 赵隆冬
Original assignee: CETC 43 Research Institute
Current assignee: CETC 43 Research Institute
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2030-05-26

Abstract

本实用新型公开了数字电源领域的一种数字电源输入电压前馈控制电路，第一采样电路与第二采样电路分别用于对输入电压与输出电压分压采样，主功率初级开关管驱动电路与主功率次级开关管电路分别用于驱动变压器初级侧、次级侧的功率管；第一采样电路输出端通过误差模数转换模块连接前馈功能模块，第二采样电路输出端通过误差模数转换模块连接数字环路补偿模块，一组数字脉宽调制信号发生模块连接主功率初级开关管驱动电路，另一数字脉宽调制信号发生模块连接主功率次级开关管驱动电路。本实用新型在输入电压发生较大瞬变时，可以快速响应并调整功率管信号的占空比，以尽快稳定输出电压，使之不产生较大的过冲或下冲，保护负载设备正常运行。

Description

一种数字电源输入电压前馈控制电路

技术领域

本实用新型涉及数字电源领域，具体是一种数字电源输入电压前馈控制电路。

背景技术

随着电力电子技术的发展，数字电源得到了广泛的应用，同时对数字电源的性能提出了更高的要求，尤其对数字电源的输入电压瞬态响应特性要求越来越高。当今数字电源的设计目标一般是在最大输入电压瞬变条件下实现低于10％的输出电压扰动。输出电压较大的过冲可能损坏负载设备，输出电压较大的下冲可能导致负载设备停机或复位。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种数字电源输入电压前馈控制电路，基于外部的采样电路和控制器内部的前馈功能模块构成的输入电压前馈控制，可实现电源输出电压在输入电压发生较大瞬变时，尽快稳定输出电压，使之不产生较大的过冲或下冲，保护负载设备正常运行。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种数字电源输入电压前馈控制电路，包括第一采样电路与第二采样电路，分别用于对变压器初级侧的输入电压与次级侧的输出电压分压采样；主功率初级开关管驱动电路与主功率次级开关管电路，分别用于驱动变压器初级侧、次级侧的功率管；控制器，包括若干误差模数转换模块、数字环路补偿模块、前馈功能模块、数字脉宽调制信号发生模块，所述第一采样电路输出端通过一个误差模数转换模块连接前馈功能模块，所述第二采样电路输出端通过另一个误差模数转换模块连接数字环路补偿模块，其中一组数字脉宽调制信号发生模块连接主功率初级开关管驱动电路，另外一组数字脉宽调制信号发生模块连接主功率次级开关管驱动电路。

作为本实用新型的改进方案，所述第一采样电路包括分压电阻R1、R2，所述分压电阻R1、R2相串联，其一端连接输入电压Vin而另一端接地，分压电阻R1、R2的连接公共端输出第一采样电压到控制器中的一个误差模数转换模块。

作为本实用新型的改进方案，所述分压电阻R1与R2的连接公共端连接有滤波电阻R3，所述滤波电阻R3对地连接有滤波电容C1。

作为本实用新型的改进方案，所述第二采样电路包括分压电阻R4、R5，所述分压电阻R4、R5相串联，其一端连接输出电压Vo而另一端接地，分压电阻R4、R5的连接公共端输出第二采样电压到控制器中的另一个误差模数转换模块。

作为本实用新型的改进方案，所述主功率初级开关管驱动电路包括数字隔离器和至少一个初级驱动器，数字隔离器一端连接数字脉宽调制信号发生模块，另一端连接初级驱动器，所述初级驱动器连接变压器初级侧的功率管的驱动端；所述主功率次级开关管驱动电路包括至少一个次级驱动器，所述次级驱动器一端连接数字脉宽调制信号发生模块，另一端连接变压器次级侧的功率管的驱动端。

作为本实用新型的改进方案，所述控制器型号为UCD3138。

有益效果：本实用新型基于外部输入电压的第一采样电路和控制器内部的前馈功能模块构成的输入电压前馈控制，当输入电压发生较大瞬变时，可以快速响应并调整驱动变压器初级侧、次级侧的主功率开关管信号的占空比，以尽快稳定输出电压，使之不产生较大的过冲或下冲，保护负载设备正常运行。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的具体实施原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，参见图1-2，一种数字电源输入电压前馈控制电路，包括第一采样电路与第二采样电路，分别用于对变压器初级侧的输入电压Vin与次级侧的输出电压Vo分压采样。

可选地，第一采样电路包括分压电阻R1、R2，分压电阻R1、R2相串联，其一端连接输入电压Vin而另一端接地。分压电阻R1与R2的连接公共端连接到控制器，并输出第一采样电压Vin_sen。其中，第一采样电压Vin_sen与输入电压Vin的关系为：Vin_sen＝Vin*R2/(R1+R2)。

优选地，分压电阻R1与R2的连接公共端还连接有滤波电阻R3，滤波电阻R3对地连接有滤波电容C1，均用于滤除高频干扰信号，其期截止频率fc为：fc＝1/(2*π*R3*C1)。

可选地，与第一采样电路类似，第二采样电路包括分压电阻R4、R5，分压电阻R4、R5相串联，其一端连接输出电压Vo而另一端接地，分压电阻R4、R5的连接公共端输出第二采样电压到控制器中。

本实施方式中，数字电源主功率为全桥同步整流式拓扑，主功率初级开关管驱动电路用于驱动变压器T1初级侧的功率管，如图2所示，变压器T1初级侧设有4个功率管，分别为Q1、Q2、Q3、Q4，其中，功率管Q1、Q2的漏极连接输入电压Vin，功率管Q1的源极连接功率管Q4的漏极以及变压器T1初级绕组的同名端，功率管Q2的源极连接功率管Q3的漏极以及变压器T1初级绕组的异名端，功率管Q3、Q4的源极接地。

主功率次级开关管电路用于驱动变压器T1次级侧的功率管。变压器T1设有2个次级绕组与2个功率管，次级绕组包括第一次级绕组与第二次级绕组，功率管包括Q5与Q6。其中，功率管Q5的漏极连接第一次级绕组的同名端，功率管Q6的漏极连接第二次级绕组的异名端，功率管Q5的漏极与Q6的漏极相连，且同时连接地。第二绕组的同名端通过电感L1输出电压Vo到第二采样电路。

本实施方式中，控制器括若干误差模数转换模块EADC、数字环路补偿模块CLA、前馈功能模块FF、数字脉宽调制信号发生模块DPWM，优选地，控制器型号为UCD3138。数字脉宽调制信号发生模块DPWM具有250ps脉宽分辨率。

第一采样电路输出端通过误差模数转换模块EADC2连接前馈功能模块FF，第二采样电路输出端通过误差模数转换模块EADC0连接数字环路补偿模块CLA0，前馈功能模块FF的输出值Vin_ff与数字环路补偿模块CLA0的输出电压反馈控制信号Vo_fb相乘后决定数字脉宽调制信号发生模块的占空比，实现对于数字电源输入电压的前馈控制。

数字脉宽调制信号发生模块DPWM0A与DPWM1A连接主功率初级开关管驱动电路，数字脉宽调制信号发生模块DPWM0B与DPWM1B连接主功率次级开关管驱动电路。

主功率初级开关管驱动电路包括数字隔离器和至少一个初级驱动器，优选地，初级驱动器为两个，型号可选为UCC27211；数字隔离器型号可选为ISO7240。数字隔离器一端连接数字脉宽调制信号发生模块DPWM0A与DPWM1A，另一端连接初级驱动器，初级驱动器连接变压器初级侧的功率管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极。主功率次级开关管驱动电路包括至少一个次级驱动器，优选地，次级驱动器数量为一个，型号可选为UCC27324。次级驱动器一端连接数字脉宽调制信号发生模块DPWM0B与DPWM1B，另一端连接变压器次级侧的功率管Q5、Q6的栅极。

具体的控制方法包括：

第一采样电路对输入电压采样并输出第一采样电压Vin_sen，误差模数转换模块EADC2转换通道进行误差比较和模数转换，随后将数字化的第一误差信号输出到前馈功能模块FF，前馈功能模块FF输出输入电压的增益放大值。

第二采样电路对输出电压采样并输出第二采样电压，误差模数转换模块EADC0转换通道进行误差比较和模数转换，随后将数字化的误差信号输入至数字环路补偿器模块CLA0得到控制信号，控制信号与增益放大值相乘后进入脉宽调制信号发生模块DPWM0A、DPWM1A、DPWM0B、DPWM1B后产生PWM驱动信号，完成数字量到模拟量的转换，PWM驱动信号经由数字隔离器ISO7240和驱动器UCC27211构成的主功率初级开关管驱动电路和由驱动器UCC27324构成的主功率次级开关管驱动电路放大后控制功率管工作，完成对数字电源的输出电压Vo的控制。

本实施方式中，通过适当选取分压电阻R1、R2的值，可以将输入电压Vin的采样值缩放到0～3.3V之间，以方便控制器读取电压。根据控制器引腿对输入电流值的需求和功耗的折衷考虑，分压电阻R2可设定为1k，滤波电阻R3可设定为1k，分压电阻R1根据合适的缩放比例确定，为了滤除10MHz以上高频信号干扰，滤波电容C1可设定为10pF左右。

本实施方式中，控制器通过程序的方式对第一采样电压Vin_sen进行控制，实现前馈功能。误差模数转换模块EADC2以固定的频率连续对比当前采集的输入电压与前一次采集的输入电压的误差值，当误差值△Vin大于预设的基准值Vref时，误差模数转换模块重置当前基准值Vref，使误差值△Vin始终不大于预设的基准值Vref，然后前馈功能模块启动并对误差值△Vin非线性增益放大。

基准值Vref(DAC)的配置通过下述函数中的v_input_error的大小来实现对Vref(DAC)值的更新，v_input_error为当前采集的输入电压与前一次采集到的输入电压的差值，该函数包含在一个状态机中，100us执行一次，将连续执行300次，以保证在使能前馈功能模块FF启动之前Vref(DAC)近似等于当前输入电压。

if(v_input_error>10)

{

if(FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE>N1)//N1对应输入电压Vin最小值

{FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE＝FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE-1；}

}

else if(v_input_error<-10)

{

if(FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE<N2)//N2对应输入电压Vin最大值

{FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE＝FeCtrl2Regs.EADCDAC.bit.DAC_VALUE+1；}

}

当误差值△Vin不大于预设的基准值Vref时，即输入电压已经稳定，则前馈功能模块FF启动并对误差值△Vin非线性增益放大，随后进入正常运行的状态机。

if(abs(v_input_error)<10)//输入电压Vin偏差值很小

{

supply_state＝STATE_REGULATED；

Filter0Regs.FILTERCTRL.bit.OUTPUT_MULT_SEL＝2；//使能前馈功能

}

非线性增益放大公式为：Gain＝Kc+Kp*△Vin，其中，Kp为输入电压误差值△Vin的放大倍数，该值为非线性值，即误差越大增益值越大，误差较小时，该值为0；Kc为常数，在前馈功能模块中被配置为通过循环函数逐渐减小到与当前输出电压相适应的值，用于对占空比进行大小两个方向的调节。

在输入电压稳定的情况下，如果Kc直接配置到0.5到0.7的某个值，则此时启用前馈功能会影响正常环路的输出，造成输出电压出现跌落。跌落的原因是因为此时环路的正常输出被突然乘以Kc＝0.5～0.7，所以占空比会立即被限制，输出电压出现跌落。直到数字环路补偿模块CLA经过多个周期后再将占空比展开到正常大小，输出电压才恢复到正常值。因此，在实际应用中需要将Kc由1慢慢减小到需求的值。

本实施方式为硬开关全桥主功率拓扑，选择Kc为0.7。在实际设计中使用Filter2实现非线性增益和Kc的设置，因此软件配置如下：

Uint32filter2_kc；

int filter2_kc_step＝0x200；

inline void handle_regulated_state(void)

{

filter2_kc＝Filter2Regs.FILTERPRESET.bit.PRESET_VALUE；//Kc值

if(Filter2Regs.FILTERPRESET.bit.PRESET_VALUE>0x5A0000)

{

Filter2Regs.FILTERPRESET.bit.PRESET_VALUE＝filter2_kc-filter2_kc_step；

Filter2Regs.FILTERPRESET.bit.PRESET_EN＝1；

}

其中，handle_regulated_state为软件状态机中的一个状态，每100us执行一次。通过这样一个循环函数就可以保证Kc是以步进的形式由1配置到0.7(0x5A0000/0x7FFFFF＝0.7)，防止了输出电压出现跌落。

经过上述完善的预先配置后，可以启用前馈功能模块FF，启用后Kc从1慢慢开始减小。启动的设置通过如下代码实现：

Filter0Regs.FILTERCTRL.bit.OUTPUT_MULT_SEL＝2；

“OUTPUT_MULT_SEL”位用来选择与环路输出相乘的值，以决定最后的占空比。当设置为2时，将选择前馈的输出与环路输出相乘，即启动了前馈。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims

1.一种数字电源输入电压前馈控制电路，包括第一采样电路与第二采样电路，分别用于对变压器初级侧的输入电压与次级侧的输出电压分压采样；

主功率初级开关管驱动电路与主功率次级开关管电路，分别用于驱动变压器初级侧、次级侧的功率管；其特征在于，

控制器，包括若干误差模数转换模块、数字环路补偿模块、前馈功能模块、数字脉宽调制信号发生模块，所述第一采样电路输出端通过一个误差模数转换模块连接前馈功能模块，所述第二采样电路输出端通过另一个误差模数转换模块连接数字环路补偿模块，其中一组数字脉宽调制信号发生模块连接主功率初级开关管驱动电路，另外一组数字脉宽调制信号发生模块连接主功率次级开关管驱动电路。

2.根据权利要求1所述的一种数字电源输入电压前馈控制电路，其特征在于，所述第一采样电路包括分压电阻R1、R2，所述分压电阻R1、R2相串联，其一端连接输入电压Vin而另一端接地，分压电阻R1、R2的连接公共端输出第一采样电压到控制器中的一个误差模数转换模块。

3.根据权利要求2所述的一种数字电源输入电压前馈控制电路，其特征在于，所述分压电阻R1与R2的连接公共端连接有滤波电阻R3，所述滤波电阻R3对地连接有滤波电容C1。

4.根据权利要求3所述的一种数字电源输入电压前馈控制电路，其特征在于，所述第二采样电路包括分压电阻R4、R5，所述分压电阻R4、R5相串联，其一端连接输出电压Vo而另一端接地，分压电阻R4、R5的连接公共端输出第二采样电压到控制器中的另一个误差模数转换模块。

5.根据权利要求1所述的一种数字电源输入电压前馈控制电路，其特征在于，所述主功率初级开关管驱动电路包括数字隔离器和至少一个初级驱动器，数字隔离器一端连接数字脉宽调制信号发生模块，另一端连接初级驱动器，所述初级驱动器连接变压器初级侧的功率管的驱动端；所述主功率次级开关管驱动电路包括至少一个次级驱动器，所述次级驱动器一端连接数字脉宽调制信号发生模块，另一端连接变压器次级侧的功率管的驱动端。

6.根据权利要求1或5所述的一种数字电源输入电压前馈控制电路，其特征在于，所述控制器型号为UCD3138。