CN103178718B - 数字控制的恒功率dc/dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本的数字控制的恒功率DC/DC变换器，包括一反激变换电路，一单片机控制器，一PWM控制器。单片机控制器的第一输入端连接变换器输出电压采样电路的采样端，其第二输入端连接变换器输出电流采样电路的采样端，其输出端口连接PWM控制器的控制端口；PWM控制器的输出信号用于控制反激变换电路开关管的导通和关断。单片机控制器的输出端串联一控制电压转换电路，用于将电流控制信号转换为电流误差信号，控制电压转换电路的输出作为PWM控制器的控制信号。本发明的优点是：电路的设计成本低，数字反馈回路的延迟时间短，实现了输出恒功率的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及恒功率DC/DC变换器的改进，特别涉及一种低成本的数字控制恒功率DC/DC变换器。
背景技术
直流分布式电源***由于具有高可靠性、维护方便等优点，在航空航天、汽车、轮船、通信等领域得到了广泛的应用。中间母线变换器作为分布式电源***的关键部件，通常工作于恒功率反馈模式。不同于常规的电压和电流反馈控制模式，恒功率反馈模式对于控制***有着更高的要求。
常规的恒功率DC/DC变换器一般采用模拟控制或全数字控制的方式实现。模拟控制的变换器检测到输出电压和电流信号后，通过模拟乘法器实现电压和电流的相乘，得到和输出功率成正比的信号值，反馈到前端和基准功率信号比较而产生误差控制信号，控制开关管的占空比变化。模拟乘法器的缺点是其固有的失调漂移降低了功率计算的精度，而且模拟控制的灵活性差，输出恒功率值的调整必须改***件电路的参数。
目前全数字控制技术在DC/DC开关电源中逐渐得到应用，反馈控制环路采用ADC、DSP、DAC等芯片实现了数字化。全数字控制方式通过软件代码的命令实现了信号转换、信号处理和PWM信号的产生，可以轻易地完成负载的电压电流检测和功率计算，实现闭环回路的恒功率或变功率调整。全数字控制方式计算精度高，控制灵活，通过软件代码的改变可以任意调整输出的恒功率值。全数字控制方式的最大缺点是电路设计成本高，因为控制芯片必须采用总线频率很高的数字芯片，如DSP等，而且ADC、DPWM等模块引入的延迟效应也降低了变换器闭环***的动态特性。
发明内容
本发明的目的是设计一种低成本的数字控制恒功率DC/DC变换器，该电路采用单片机和PWM电源管理芯片的联合控制架构，输出信号的采样和计算通过低成本的单片机芯片实现，PWM驱动信号通过模拟芯片实现。电路的设计成本低，而且由模拟芯片输出PWM驱动信号，反馈通道无需采用DPWM模块，减少了闭环控制回路的延迟时间，改善了***的动态特性。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：
本发明提供的一种数字控制的恒功率DC/DC变换器，包括一反激变换电路、一单片机控制器和一PWM控制器；所述单片机控制器的第一输入端连接反激变换电路的输出电压采样端，所述单片机控制器的第二输入端连接反激变换电路的输出电流采样端，所述单片机控制器的输出端口连接PWM控制器的控制端口；所述PWM控制器的输出信号用于控制反激变换电路中开关管的导通和关断。
进一步，所述单片机控制器包括ADC模块、乘法器模块、补偿器和基准模块；所述ADC模块用于将电压采样信号和电流采样信号进行模数转换；所述乘法器模块用于计算输出电压和电流经过模数转换的信号的瞬态功率值；所述基准模块用于存储基准功率值；所述补偿器用于对瞬态功率值和基准功率值的功率差值信号进行数字补偿并输出电流控制信号。
进一步，所述变换器输出电压采样电路采用电阻分压方式，输出电流采样电路采用电流检测电阻方式。
进一步，还包括一控制电压转换电路，所述控制电压转换电路的输入端接单片机控制器输出的电流控制信号，其输出端与所述PWM控制器的控制端相连，所述控制电压转换电路用于将单片机输出的电流控制信号转换为电流误差信号。
进一步，所述控制电压转换电路包括一运算放大器和一RC滤波器；所述运算放大器同相输入端连接输出电流采样信号；所述运算放大器反相输入端连接RC滤波器输出信号；所述运算放大器反相输入端和输出端之间连接一反馈电阻。
进一步，所述RC滤波器包括（相互串联的）一电阻和一电容；所述RC滤波器设置于单片机控制器和运算放大器之间用于处理单片机控制器输出的电流控制信号。
进一步，所述单片机控制器采用低成本8位单片机芯片。
进一步，所述PWM控制器采用固定频率电压模式控制器。
进一步，所述单片机控制器采用MC68HC908JK3实现。
进一步，所述PWM控制器采用MC33060A实现。
本发明的优点在于：本发明和现有的模拟控制电路相比，本发明具有以下优点：1）输出功率的计算、比较和补偿实现了数字化，恒功率控制精度更高；2）输出恒功率值的调整通过改***件代码实现，无需改***件电路的结构和参数，降低了设计成本。本发明和现有的全数字控制电路相比，本发明具有以下优点：1）控制电路采用低成本的8位单片机芯片，降低了硬件电路和软件程序的设计成本；2）PWM驱动信号由模拟PWM控制器产生，反馈控制回路无需采用DPWM模块，减少了闭环控制回路的延迟时间，改善了闭环***的动态特性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明实施例提供的开关电源电路原理图；
图2为本发明实施例提供的恒功率闭环控制框图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1
图1为本发明实施例提供的开关电源电路原理图,图2为本发明实施例提供的恒功率闭环控制框图，如图所示：本发明提供的一种数字控制的恒功率DC/DC变换器，包括一反激变换电路、一单片机控制器、一PWM控制器和一控制电压转换电路；所述单片机控制器的第一输入端连接反激变换电路的输出电压采样端，所述单片机控制器的第二输入端连接反激变换电路的输出电流采样端，所述单片机控制器的输出端口连接PWM控制器的控制端口；所述PWM控制器的输出信号用于控制反激变换电路中开关管的导通和关断。
所述单片机控制器包括ADC模块、乘法器模块、补偿器和基准模块；所述ADC模块用于将电压采样信号和电流采样信号进行模数转换；所述乘法器模块用于计算输出电压和电流经过模数转换的信号的瞬态功率值；所述基准模块用于存储基准功率值；所述补偿器用于对瞬态功率值和基准功率值的功率差值信号进行数字补偿并输出电流控制信号。
所述反激变换电路的输出电压采样端的电路采用电阻分压方式，输出电流采样端的电路采用电流检测电阻方式。
所述控制电压转换电路的输入端接单片机控制器输出的电流控制信号，其输出端与所述PWM控制器的控制端相连，所述控制电压转换电路用于将单片机输出的电流控制信号转换为电流误差信号。
所述控制电压转换电路包括一运算放大器和一RC滤波器；所述运算放大器同相输入端连接输出电流采样信号；所述运算放大器反相输入端连接RC滤波器输出信号；所述运算放大器反相输入端和输出端之间连接一反馈电阻；所述RC滤波器包括（相互串联的）一电阻和一电容；所述RC滤波器设置于单片机控制器和运算放大器之间用于处理单片机控制器输出的电流控制信号。
所述单片机控制器采用低成本8位单片机芯片。所述单片机控制器采用MC68HC908JK3实现。
所述PWM控制器采用固定频率电压模式控制器。所述PWM控制器采用MC33060A实现。
实施例2
本实施例中的单片机控制器作为反馈回路的控制中枢U2，采用8位单片机芯片MC68HC908JK3。负载阻抗R的电压采样信号Vout经电阻R3和电阻R4分压后，输入给单片机内置的8位ADC转换器端口PTB3；负载电流信号Iout由电流检测电阻R5采集后输入给ADC端口PTB2。单片机基于恒功率控制算法，对输出电压和电流信号的数字转换值进行计算分析，由定时器端口PTD4输出电流控制信号Vcon。控制信号为方波信号，经R6和C5构成的RC滤波器处理后得到直流控制信号，即RC滤波器相当于一个DAC转换器。
电流控制信号Vcon和输出电流采样信号Iout通过运算放大器U3进行比较，产生的误差信号输入给PWM控制器U1的反馈控制端口。U1采用恒频PWM管理芯片MC33060A，误差信号与芯片U1内部的振荡锯齿波比较产生PWM驱动信号，误差信号的幅值决定了PWM信号的占空比，信号频率由电阻R1和电容C4产生。当输出功率需要调整时，U2芯片实时改变电流控制信号Vcon的参数，引起误差信号幅值的变化，从而调节PWM驱动信号的占空比，控制负载电流跟随基准电流Iref。因此，单片机检测到输出电压后，基于电流反馈模式调整输出电流值，即可调整输出功率为设定值。
DC/DC变换器工作在恒功率模式下的控制框图如图2所示。负载工作电压Vout和电流Iout经采样电路处理后输入给单片机控制芯片，由内置的ADC模块完成模数转换。单片机程序计算出瞬态功率Pout，与基准功率值Pref作比较，所得差值Perr经数字补偿器 调节，输出电流控制信号Vcon，控制信号由滤波器实现数模转换，输出的模拟信号作为PWM电源管理芯片的反馈控制信号，改变功率电路的导通占空比，调节变换器的输出功率和基准功率保持一致，从而实现恒功率闭环反馈控制。
单片机程序计算出瞬态功率Pout，与基准功率值Pref作比较，所得差值Perr经数字补偿器调节，输出电流控制信号Vcon，控制信号由滤波器实现数模转换，输出的模拟信号作为PWM电源管理芯片的反馈控制信号，改变功率电路的导通占空比，调节变换器的输出功率和基准功率保持一致，从而实现恒功率闭环反馈控制，恒功率负载在工作过程中表现出负阻特性，因此DC/DC变换器等效于一个电流源，输出功率的控制可以基于电流反馈模式来实现。首先根据基准功率和当前负载电压值计算电流基准信号：
（1）
其中，表示当前负载基准电流值、表示当前负载电压值、表示基准功率。
基准功率和实时输出功率比较所得的误差信号为：
（2）
即： (3)
其中为电流误差信号。
数字补偿器采用PI控制算法，得输出控制信号：
(4)
其中，为控制参数中的比例常数，为控制参数中的积分常数
将式（3）代入（4），得：
(5)
式（5）确定了基于电流误差信号的参数自整定PI控制算法，控制参数需根据当前负载电压值进行实时在线调整:
(6)
其中，表示k时刻下的比例常数，表示k时刻下的积分常数，表示k-1时刻下的比例常数，表示k-1时刻下的积分常数。
这样，本文基于参数实时自整定PI控制算法，采用电流反馈控制模式实现了DC/DC变换器的恒功率控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.数字控制的恒功率DC/DC变换器，其特征在于：包括一反激变换电路、一单片机控制器和一PWM控制器；所述单片机控制器的第一输入端连接反激变换电路的输出电压采样端，所述单片机控制器的第二输入端连接反激变换电路的输出电流采样端，所述单片机控制器的输出端口连接PWM控制器的控制端口；所述PWM控制器的输出信号用于控制反激变换电路中开关管的导通和关断；
还包括一控制电压转换电路，所述控制电压转换电路的输入端接单片机控制器输出的电流控制信号，其输出端与所述PWM控制器的控制端相连，所述控制电压转换电路用于将单片机输出的电流控制信号转换为电流误差信号。
2.根据权利要求1所述的数字控制的恒功率DC/DC变换器，其特征在于：所述单片机控制器包括ADC模块、乘法器模块、补偿器和基准模块；所述ADC模块用于将电压采样信号和电流采样信号进行模数转换；所述乘法器模块用于计算输出电压和电流经过模数转换的信号的瞬态功率值；所述基准模块用于存储基准功率值；所述补偿器用于对瞬态功率值和基准功率值的功率差值信号进行数字补偿并输出电流控制信号。
3.根据权利要求1所述的数字控制的恒功率DC/DC变换器，其特征在于：所述变换器输出电压采样电路采用电阻分压方式，输出电流采样电路采用电流检测电阻方式。
4.根据权利要求1所述的数字控制的恒功率DC/DC变换器，其特征在于：所述控制电压转换电路包括一运算放大器和一RC滤波器；所述运算放大器同相输入端连接输出电流采样信号；所述运算放大器反相输入端连接RC滤波器输出信号；所述运算放大器反相输入端和输出端之间连接一反馈电阻。
5.根据权利要求4所述的数字控制的恒功率DC/DC变换器，其特征在于：所述RC滤波器包括一电阻和一电容，所述电阻和电容相互串联；所述RC滤波器设置于单片机控制器和运算放大器之间用于处理单片机控制器输出的电流控制信号。
6.根据权利要求1所述的数字控制的恒功率DC/DC变换器，其特征在于：所述单片机控制器采用低成本8位单片机芯片。
7.根据权利要求1所述的数字控制的恒功率DC/DC变换器，其特征在于：所述PWM控制器采用固定频率电压模式控制器。
8.根据权利要求1所述的数字控制的恒功率DC/DC变换器，其特征在于：所述单片机控制器采用MC68HC908JK3实现。
9.根据权利要求1所述的数字控制的恒功率DC/DC变换器，其特征在于：所述PWM控制器采用MC33060A实现。
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