開關(guān)電源的雙環(huán)匹配自適應(yīng)變頻控制技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及開關(guān)電源的新型數(shù)字化自適應(yīng)變頻控制技術(shù)，具體設(shè)及一種能使開關(guān) 電源精度，能效和響應(yīng)速度等性能指標最優(yōu)化的自適應(yīng)變頻控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的開關(guān)電源控制技術(shù)分為電流型，電壓型，或者二者相結(jié)合的控制技術(shù)，如前 饋電壓+電流型W及后饋電壓+電流型，該些技術(shù)本質(zhì)上源于線性控制理論，無法同時兼顧 開關(guān)電源零極點處的性能。安美森半導體公司最新推出的電流型控制頻率反走技術(shù)，可極 大優(yōu)化輕載狀態(tài)的能效指標，但無助于提高輸出精度和響應(yīng)速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在為了解決開關(guān)電源同時存在零極點的問題，在傳統(tǒng)電流型控制的基礎(chǔ)上引入了 非線性的自適應(yīng)變頻控制方法，同時采用匹配濾波技術(shù)，不僅有效解決零極點問題，并能在 高精度的同時具有較快的響應(yīng)速度，而自適應(yīng)變頻控制方法也能有效降低輕載時的開關(guān)損 耗，提高系統(tǒng)能效，達到頻率反走技術(shù)相同的功能。具體方案如實施案例中附圖1所示。
[0004] 從附圖1可W看出，除次級反饋電路外，各電路模塊的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)實施方案非常 接近。當然僅限于電路結(jié)構(gòu)類似，本方案屬于雙環(huán)數(shù)字控制方式，與傳統(tǒng)方案有本質(zhì)區(qū)別， 所有反饋回路均反饋高低電平"1" "0"的數(shù)字信號，PWM信號控制器模塊根據(jù)反饋的數(shù)字 信號及其持續(xù)時間，通過自適應(yīng)控制算法，輸出頻率和占空比均可變的PWM信號，從而有效 控制輸出級的電壓或電流控制精度。通過高頻變壓器線圈電感量L和輸出級濾波電容C，W 及額定控制頻率f的匹配設(shè)計，能達成精度和響應(yīng)速度的最優(yōu)化。在輸入電壓及負載發(fā)生 變化時，控制信號頻率和占空比也會隨之變化，在輕負載或空載狀態(tài)時，將大幅降低開關(guān)損 耗，提高能源利用效率。
[000引本發(fā)明的技術(shù)方案可W通過ASIC巧片、FPGA、DSP、CPLD等技術(shù)平臺實施，可廣泛 應(yīng)用于開關(guān)電源的各種拓撲結(jié)構(gòu)之中，實現(xiàn)開關(guān)電源的數(shù)字化精確控制，穩(wěn)壓或穩(wěn)流精度 比傳統(tǒng)方法高出1-2個數(shù)量級的同時響應(yīng)速度也更快3-10倍（隨電路參數(shù)的不同有所變 化）。
[0006] 下面結(jié)合附圖與本技術(shù)方案在反激式開關(guān)電源實驗電路中的實施方式，對本發(fā)明 進一步說明。
【附圖說明】
[0007]
[0008] 圖1為反激式開關(guān)電源實驗電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009] 圖2為反激式開關(guān)電源實驗電路主體結(jié)構(gòu)電路圖；
[0010] 圖3為反激式開關(guān)電源實驗電路PWM信號控制器腫GA)電路圖；
[0011] 圖4為反激式開關(guān)電源實驗電路的PCB圖。
【具體實施方式】
[0012]
[0013] 實施例1，參見圖1~圖4,本實施例在反激式開關(guān)電源中實現(xiàn)了雙環(huán)匹配自適應(yīng) 變頻控制技術(shù)。如圖1所示，該實例中可分為=大子系統(tǒng)；1)功率通路；2)原邊控制電路 子系統(tǒng)；3)副邊反饋電路子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)對應(yīng)的電路模塊如圖2及圖3所示。反饋環(huán)路 為數(shù)字信號，控制器為數(shù)字控制器。
[0014] 實施步驟；
[0015] 在講述實施步驟之前，請先了解本發(fā)明中所采用的最新技術(shù)方案： 1.建立開關(guān)電源的精確數(shù)學仿真模型
[0016] 開關(guān)電源的狀態(tài)頻繁切換，系統(tǒng)在開和關(guān)的狀態(tài)分別對應(yīng)不同的電路結(jié)構(gòu)，有著 不同的系統(tǒng)函數(shù)。對開關(guān)電源建模時，應(yīng)將開關(guān)電源按變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處理，即在建模中引入開 關(guān)函數(shù)，從而將變結(jié)構(gòu)的電源系統(tǒng)構(gòu)建出統(tǒng)一的系統(tǒng)函數(shù)表達式。
[0017] 根據(jù)電路拉普拉斯方程的定義，開關(guān)電源中最基本的電路方程為：
[0018]①IL(S) = UL (巧/(S禮）+ IL(0)/S
[0019]②UC (巧=1C (巧/(S*C) + UC(0)/S
[0020] 二階電路分解公式：
[0021] S - 2 + S/R/C+l/L/C=(S_入1)*(S_入2);
[0022]設(shè)曰=-1 / 2 / R / C，《= (1 / L / C - 1 / 4 * R ~2 *C ~ 2 ) ~ 1/2貝IJ
[0023] A1二a-Q，A2二a+co ;
[0024] 降壓型）電路：
[0025] 數(shù)學模型分析；開關(guān)管導通期間輸入電源對LC儲能回路充電并對負載供電，該是 該拓撲結(jié)構(gòu)可構(gòu)成大功率開關(guān)電源的根本原因。
[0026] 除基本電路方程外，開關(guān)管導通期間的電路方程為：
[0027]⑤Uin(S)/S = UL(巧+ UC(巧
[0028]⑤IL(S) = UC(S)/R + IC(S)
[0029] 可W求出系統(tǒng)中能量元件的能量函數(shù)表達式：
[0030] IL(S) = (Uin(S)/L + Uin(S)/(S*R*L*C)+S*IL(0)+IL(0)/R/C-UC(0)/R) / ((S+a) ' 2 +?'。；
[0031] UC做二化in(S) / (S* L*C) + S* UC(0) + IL(0) / C)/((S+a)'2 + 〇 2);
[0032] 開關(guān)管斷開期間的電路方程為：
[0033]⑤UL(巧+ UC(巧+ Vd/S = 0
[0034]④IL(S) = UC(S)/R + IC(S)
[00巧]能量函數(shù)表達式：
[0036] IL(S) = (S* IL(0) + IL(0) / R / C - UC(0) / L - Vd / L - Vd / (S*R*L*C)) / (S-2+S/R/C+l/L/C);
[0037] UC (巧=(S* UC(0) + IL(0) / C - Vd / (S* L*C) )/(S'2 + S/ R/ C + 1 / L /C)；
[00測升壓型）電路：
[0039] 數(shù)學模型分析；開關(guān)管導通期間輸入電源對L充電并由C對負載供電。開關(guān)管導 通期間的電路方程為：
[0040]⑤化n(S)/S = UL做
[0041]④UC(巧+ 1C(巧* R =0
[0042] 可W求出系統(tǒng)中能量元件的能量函數(shù)表達式：
[0043] IL(S)=化n(巧/(S-2*L) + IL(0) / S
[0044] UC (巧=UC(0) / ( S + 1 / (R*C))
[0045] 開關(guān)管斷開期間的電路方程為：
[0046]⑤Uin(S)/S=UL(巧 +UC(巧
[0047]④IL(S)=UC做/R+1C做
[0048] 能量函數(shù)表達式：
[004引說明；⑤式中UC做和化n做方向相反，WUC做方向為正。聯(lián)立四式解得
[0050] IL(S) = (Uin(S)/L + Uin(S)/(S*R*L*C)+S*IL(0)+IL(0)/R/C-UC(0) / R) / (S'2 + S/ R/ C+ l/ L/C);
[0051] UC(巧=化in(S) / (S* L*C) + S* UC(0) + IL(0) / C)/(S'2 + S/ R / C + 1 / L /C)；
[00閲化簡可得：
[0053] IL(S) = (Uin(S)/L + Uin(S)/(S*R*L*C)+S*IL(0)+IL(0)/R/C-UC(0) / R ) / (( S + a ) ' 2+?'。；
[0054] UC做二化in(S) / (S* L*C) + S* UC(0) + IL(0) / C ) / (( S + a ) ' 2 +o2);
[0055] 升-降壓型）電路：
[0056] 數(shù)學模型分析；開關(guān)管導通期間輸入電源對L充電并由C對負載供電。根據(jù)拉普 拉斯方程，開關(guān)管導通期間的電路方程為：
[0057]⑤化n(S)/S = UL做
[0058]④UC做+ 1C做* R =0
[0059] 聯(lián)立四式解得
[0060] IL(S)=化n(巧/(S-2*L) + IL(0) / S
[0061] UC (巧=UC(0) / ( S + 1 / (R*C))
[0062] 開關(guān)管斷開期間的電路方程為：
[0063]③UL(巧+ UC(巧+ Vd/S = 0
[0064]④IL(S) = UC(S)/R + IC(S)
[006引說明迎式中UC做和Vd方向相同，WUC做方向為正。聯(lián)立四式解得[0066] IL(S) = (S* IL(0) + IL(0) / R / C - UC(0) / R - Vd / L - Vd / (S*R*L*C)) / (S-2+S/R/C+l/L/C);
[0067] UC (巧=(S* UC(0) + IL(0) / C - Vd / (S* L*C) )/(S'2 + S/ R/ C + 1 / L /C)；
[0068] 上述過程我們分析了 =種典型拓撲結(jié)構(gòu)的拉普拉斯方程，推導出了能量原件的能 量函數(shù)表達式，再經(jīng)過拉普拉斯反變換，即可得出能量函數(shù)的時域表達式。為論證方便，下 述將推理所需公式列舉，不再詳述推導過程。
[0069] 因式分解為： a. S/(S -入1) /(S-入2) =l/2/w*(入2/(S-入2)-入1/(S -入1 ))； b. 1/( S -入1) /(S -入2) =l/2/w*(l/(S -入2) _1/(S-入1));C.l/S/( S-入1 ) /( S-入2 ) =1/S/入1/入2 + 1/2/?*(1/入2/( S -入2 ) -1/入1/( S-入1 )) = L*C/S + l/2/?*(l/入2/(S -入2) - 1/入1/(S-入1));
[0070] 拉氏反變換為： d. S/(S-入1)/(S-入2) =1/2/"*(入2*exp(人2*t)-入1* exp(Al*1:)); e. 1/(S-入1)/(S-入2) =1/2/ ? * ( exp(入2*1:) - exp(入1*1:)); f. l/S/( S-入1)/(S-入2)=L*C+ 1/2/?*(1/入2*exp(入2村）-1/ 入l*exp ( Al*t));
[0071] 綜合上述各式，即可得出各拓撲結(jié)構(gòu)的時域能量函數(shù)表達式：
[007引 降壓型）電路：
[0073] 開關(guān)管導通期間的時域能量