一种降低数字开关电源纹波的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种降低数字开关电源纹波的装置及方法，包括：主回路模块及控制电路模块；所述主回路模块包括：将输入的交流电转换为脉动的直流电输入整流单元、控制流入到母线储能电容的电流并使电流的相位接近电压相位提高功率因数的PFC模块、将脉动的直流电转换为比较平稳的直流电的整流母线储能电容单元、将母线的直流电转换为高频交流电的功率管逆变单元、升压变压器单元、将变压器输出的高频高压交流电转换为高压直流电的高压整流单元及滤波单元。本发明专利技术的抑制了低频纹波并且会将当前工况下的补偿系数记忆在数字电源内部的非易失性存储器上，下次遇到相同工况自动调出合适的补偿系数。

A device and method to reduce the ripple of digital switching power supply

【技术实现步骤摘要】
一种降低数字开关电源纹波的装置及方法
本专利技术涉及开关电源纹波的
，具体而言，尤其涉及一种降低数字开关电源纹波的装置及方法。
技术介绍
开关电源的实际输出波形存在纹波，纹波分为高频纹波和低频纹波。高频纹波即功率器件开关导致的纹波，是由于逆变、变压的过程中能量传输不连续产生的。由于高频纹波频率较高(一般为开关频率的2倍)，很容易通过次级滤波电路，例如增大滤波电容、增加一级或多级LC或RC滤波等方式改善。对应交流供电的开关电源，低频纹波是由于供电的能量不连续产生的。目前常见的市电输入的直流开关电源都包含如下部分：市电输入经过整流滤波得到直流母线电压，再经过功率器件得到高频交流电，经过变压器升降压后再经过整流器件得到期望电压的直流电。由于市电输入的交流电能量是不连续的，而输出的DC直流电能量是连续的，这就导致直流母线上的滤波电容上会产生2fac的低频纹波。这种纹波会通过开关器件、变压器等传递到最终的直流输出端。虽然开关电源的电压闭环会对低频纹波有一定的抑制作用，但是再要求高的场合还是需要对低频纹波做进一步处理。尤其是在没有PFC电路的开关电源中，市电输入能量的不连续程度会进一步增加，直流母线上的电压波动会呈现不对称的涨落，这就导致单纯靠电压闭环很难消除低频纹波。为了达到输出电压的纹波要求，人们提出了很多种方法，一种是从稳定直流母线电压角度出发，在输入直流母线侧增加一个旁路储能电容，在市电能量输入低谷时，通过功率器件和电感的配合将自身存储的能量释放到直流母线，在市电能量输入的高峰时，将一部分能量存储到旁路电容中备用。这样能降低直流母线上的电压波动从而降低输出低频纹波，但是需要额外增加一套储能电容、电感、开关器件及相应的控制，电路的成本、复杂程度、体积等都有所增加。另一种是从控制电路上出发，通过采集直流母线上的电压，在母线电压较低的情况下适当增加PWM调制电路的占空比，从而提升输出能力，抑制输出的电压跌落，在母线电压较高的情况下适当降低PWM调制电路的占空比使低频纹波得到改善。但是在实际应用中，如何使这种调整恰到好处非常难，首先由于主回路电流是一个变化的曲线，所以占空比和输出能力之间的关系是非线性的。对于宽范围输出的AC/DC变换器输出范围往往是0V至额定电压可调，无法通过一个简单的比例关系适应所有的负载情况。所以这种技术往往只能应用于输出电压固定、负载也相对固定的场合，比如蓄电池充电电源等系统中。随着数字集成电路的发展，越来越多的行业引入数字控制电路，开关电源行业也不例外。通过控制占空比补偿的方案应对宽范围输出成为了可能，由于PWM调制电路的占空比和输出能量之间的关系是非线性的，所以如何获得不同输出情况下的补偿数组成为了关键。一种方法是通过采集直流母线电压，根据整个开关电源系统的传递函数计算出补偿方案，但是这种情况需要大量的前期计算，建立复杂的数学模型，对于电源设计者的数学能力要求极高。另一种是分段补偿方案，预先将开关电源的输出情况分为有限种类型，在设计阶段，分别测试出每段的补偿量，这也需要在前期设计阶段进行大量的工作，补偿量设置的是否合理对输出效果的影响很大。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种降低数字开关电源纹波的装置及方法。本专利技术主要利用一种降低数字开关电源纹波的装置，其特征在于，包括：主回路模块及控制电路模块；所述主回路模块包括：将输入的交流电转换为脉动的直流电输入整流单元、控制流入到母线储能电容的电流并使电流的相位接近电压相位提高功率因数的PFC模块、将脉动的直流电转换为比较平稳的直流电的整流母线储能电容单元、将母线的直流电转换为高频交流电的功率管逆变单元、升压变压器单元、将变压器输出的高频高压交流电转换为高压直流电的高压整流单元及滤波单元；所述控制电路模块包括：用于交流电相位检测的锁相环单元、功率管驱动单元、模拟量采集变送单元、数字电源的控制中心的嵌入式处理器MCU单元、非易失性存储单元、人机交互单元即前面板及上位机接口；通过所述人机交互单元即前面板和/或上位机接口设定电源的输出状态，电压、电流及电源的状态；当所述嵌入式处理器MCU单元正常运行时，所述嵌入式处理器MCU单元通过PWM外设的驱动模块控制功率器件输出功率，通过ADC外设采集当前电压电流，当前值、设定值经过MCU内部的PID运算单元计算出驱动的占空比动态调整使输出始终在设定值附近达到平稳输出。进一步地，所述锁相环单元：检测工频交流电的输入相位，所述功率模块驱动单元将MCU产生的驱动信号进行功率放大、电位隔离加载到功率管上实现控制功率管的开通和关断；所述数字电源通过将所有的控制信号与被控信号都汇聚至MCU，MUC再经过预先设定好的工作逻辑判断何时输出，以及PWM输出的占空比的大小，使电源的实际输出与设定值相。进一步地，本专利技术还包含一种降低数字开关电源纹波的方法，其特征在于包括以下步骤：S1：将电压电流分段，采集到电压、电流之后根据分段数据判断当前电压、电流，确定电压、电流坐标就得到了当前分段，并在补偿数据发生变时写入非易失性存储单元；工频周期的起始点为锁相环输出的触发信号保证无积累误差；S2：当进入所说PWM中断之后，首先进行PID运算，之后系统根据当前输出情况与预期输出情况的比较，判定上一个开关周期的补偿信号是否合适；将当前输出电压与预期输出电压进行比较，如果输出电压>预期输出电压+纹波阈值，说明上一个开关周期的补偿系数偏大了，就将补偿系数减一；如果输出电压<预期输出电压-纹波阈值，说明上一周期的补偿系数偏小了，就将补偿系数加一；如果不是以上两种情况，说明纹波没有超过设定的阈值，补偿系数合适，无需处理，按照当前补偿系数输出即可；S3：对波形进行修正；S4：当第一次开启纹波补偿功能时，非易失性存储器中的值都为0，在进入相应的工况分段后会自动“学习”当前输出状态，低频纹波迅速降低之后处于稳定，这个过程持续时间通常小于1秒钟，之后再次进入该工况后自动加载补偿数据。更进一步地，所述步骤S2中所述PID运算：ΔUn＝Kp(εn-εn-1)+Kiεn+Kd(εn-2εn-1+εn-2)；其中，Kp、Ki、Kd分别表示PID的比例、积分、微分参数；εn、εn-1、εn-2ε分别表示误差即设定值与实际值的偏差，由于PID运算时逐个开关周期计算的，设定值比较稳定，反馈值时始终在变动的εn代表当前周期的偏差、εn-1代表上个开关周期的偏差、以此类推εn-2代表上上个周期的偏差；ΔUn表示PID计算之后的增量，最终要加上上一次的计算Un-1为本次PID运算的最终结果；Un＝Un-1+ΔUn。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术的目的是提供一种数字开关电源装置及控制方法，抑制了低频纹波。该控制方法可以在电源运行过程中，根据当前的工况自动的生成纹波补偿系数叠加PID运算结果上控制PWM输出从而达到抑制低频纹波的目的，并且会将当前工况下的补偿系数记忆在数字电源内部的非易失性存储器上，下次遇到相同工况自动调出合适的补本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种降低数字开关电源纹波的装置，其特征在于，包括：/n主回路模块及控制电路模块；所述主回路模块包括：将输入的交流电转换为脉动的直流电输入整流单元、控制流入到母线储能电容的电流并使电流的相位接近电压相位提高功率因数的PFC模块、将脉动的直流电转换为比较平稳的直流电的整流母线储能电容单元、将母线的直流电转换为高频交流电的功率管逆变单元、升压变压器单元、将变压器输出的高频高压交流电转换为高压直流电的高压整流单元及滤波单元；/n所述控制电路模块包括：用于交流电相位检测的锁相环单元、功率管驱动单元、模拟量采集变送单元、数字电源的控制中心的嵌入式处理器MCU单元、非易失性存储单元、人机交互单元即前面板及上位机接口；/n通过所述人机交互单元即前面板和/或上位机接口设定电源的输出状态，电压、电流及电源的状态；当所述嵌入式处理器MCU单元正常运行时，所述嵌入式处理器MCU单元通过PWM外设的驱动模块控制功率器件输出功率，通过ADC外设采集当前电压电流，当前值、设定值经过MCU内部的PID运算单元计算出驱动的占空比动态调整使输出始终在设定值附近达到平稳输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种降低数字开关电源纹波的装置，其特征在于，包括：
主回路模块及控制电路模块；所述主回路模块包括：将输入的交流电转换为脉动的直流电输入整流单元、控制流入到母线储能电容的电流并使电流的相位接近电压相位提高功率因数的PFC模块、将脉动的直流电转换为比较平稳的直流电的整流母线储能电容单元、将母线的直流电转换为高频交流电的功率管逆变单元、升压变压器单元、将变压器输出的高频高压交流电转换为高压直流电的高压整流单元及滤波单元；
所述控制电路模块包括：用于交流电相位检测的锁相环单元、功率管驱动单元、模拟量采集变送单元、数字电源的控制中心的嵌入式处理器MCU单元、非易失性存储单元、人机交互单元即前面板及上位机接口；
通过所述人机交互单元即前面板和/或上位机接口设定电源的输出状态，电压、电流及电源的状态；当所述嵌入式处理器MCU单元正常运行时，所述嵌入式处理器MCU单元通过PWM外设的驱动模块控制功率器件输出功率，通过ADC外设采集当前电压电流，当前值、设定值经过MCU内部的PID运算单元计算出驱动的占空比动态调整使输出始终在设定值附近达到平稳输出。


2.根据权利要求1所述的一种降低数字开关电源纹波的装置，其特征还在于，包括：
所述锁相环单元：检测工频交流电的输入相位，所述功率模块驱动单元将MCU产生的驱动信号进行功率放大、电位隔离加载到功率管上实现控制功率管的开通和关断；所述数字电源通过将所有的控制信号与被控信号都汇聚至MCU，MUC再经过预先设定好的工作逻辑判断何时输出，以及PWM输出的占空比的大小，使电源的实际输出与设定值相。


3.应用权利要求1-2所述装置的一种降低数字开关电源纹波的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将电压电流分段，采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，高露，张凯，
申请(专利权)人：大连海伏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21