專利名稱：高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)涞闹谱鞣椒?br>
專利說明高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)?/invention-title> 技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明涉及一種高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要用于電源領(lǐng)域。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使電源在負(fù)載電流變化范圍很大的情況下保持高效率效率。
背景技術(shù) 在能源日益緊張，需要更好的技術(shù)以節(jié)約能源的時代，在電能轉(zhuǎn)換的過程中提高轉(zhuǎn)換效率就是重要的方法。自二次電源問世以來，電源必須努力提高其工作效率。線性穩(wěn)壓器在任何輸出電流時有穩(wěn)定不變的效率；各種開關(guān)電源在高輸出電流下保持高效率。但這兩者任何一個或兩個的組合尚不能滿足對電源效率的更高的要求?，F(xiàn)行的方案包含多相開關(guān)電源并聯(lián)交錯工作方式，是依據(jù)開關(guān)電源固有的開關(guān)周期，使多個開關(guān)電源交替處于電流輸出工作狀態(tài)，在Linear公司多相控制器家族LTC3730/1/2/3構(gòu)成的電源系統(tǒng)中存在這種控制狀態(tài)當(dāng)輸出電流很小時可以只留下一個開關(guān)模塊在工作(Stage Shedding方式)，而其它的則關(guān)閉。在高輸出電流狀態(tài)，每個模塊的輸出電流是完全一樣的。另一種方法是為開關(guān)電源并聯(lián)一個線性穩(wěn)壓器，使電源在小電流下使用線性穩(wěn)壓器而關(guān)閉開關(guān)電源。這兩種方法都不能滿足對電源效率更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)高效率，一個開關(guān)電源的儲能元件和開關(guān)元件的參數(shù)必須依賴工作電壓和常用的負(fù)載電流而作相應(yīng)調(diào)整。以一個確定的工作電壓和電流為前提可以對儲能元件和開關(guān)元件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使在這種工作狀態(tài)時效率最高，這為我們提供了一種改善效率的新途徑。
發(fā)明內(nèi)容
本方案旨在利用不同電源模塊之間的輸出電流的比例設(shè)計和開關(guān)邏輯設(shè)計，最大程度利用開關(guān)電源的特性，使每一個電源模塊都能夠以接近最高效率的狀態(tài)進(jìn)行工作，在設(shè)計的輸出電流范圍內(nèi)使電源的效率獲得提高。
圖1所示每一個模塊都必須滿足這樣一個基本結(jié)構(gòu)，開關(guān)1和開關(guān)2可以使使輸入或輸出開路。開關(guān)1和開關(guān)2可只選其一。通常，在各種變換器拓?fù)渲械亩O管的反向截止作用和開關(guān)管的關(guān)斷作用使它們可用作開關(guān)2或者開關(guān)1，因此可以省略開關(guān)。變換器是電源變換的單元。電源設(shè)計是基于模塊開通、關(guān)閉和調(diào)節(jié)的控制方式。所謂開通即正常的執(zhí)行電源變換的功能，具有正常的輸出電流。所謂關(guān)閉，是指在輸入和輸出端沒有與電源輸出電流可比擬的任何方向的電流。所謂調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)電源的輸出電流。
圖4是電源拓?fù)淇驁D。電源輸入并聯(lián)到1-n號模塊，模塊并聯(lián)輸出形成電源輸出。僅靠近負(fù)載的電流檢測的輸出連接到控制器的放大器，放大器的輸出連接到m位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換的m位數(shù)字輸出連接到模數(shù)輸出-開關(guān)矢量映射器。映射器的n位輸出構(gòu)成con(1)-con(n)的E位控制總線的其中一位。電源輸出電壓連接到電壓檢測，電壓檢測連到n輸出反饋調(diào)節(jié)單元。此n位調(diào)節(jié)信號構(gòu)成E位控制總線的其余E-1位控制線。E位的con(1)-con(n)控制線分別連接到1-n號模塊。電源額定輸出電流n是模塊的數(shù)量。ak為開關(guān)控制，ak是1，代表k號模塊開通；ak是0，代表k號模塊關(guān)閉。ak相互之間獨(dú)立，這樣就存在一個電源模塊k號的開關(guān)矢量<a1，a2，Λ，an-1，an>Ik＝I1Pk，I1為1號模塊的額定輸出電流，Ik為k號模塊的額定輸出電流，Pk為k號模塊的輸出電流系數(shù)。希望輸出電流為I′k＝I′1P′k。Pk在實(shí)際的開關(guān)電路中或?qū)?yīng)于電源模塊的開關(guān)頻率fk，或占空比
或他可影響模塊輸出電流的參數(shù)或者參數(shù)的組合，視不同變換器拓?fù)涠?，Pk相互之間獨(dú)立，且P1≤P2≤Λ≤Pn-1≤Pn，這樣就構(gòu)成一個電流控制矢量<P1，P2，Λ，Pn-1，Pn>，并產(chǎn)生一個比值數(shù)列
這個比例數(shù)列決定了每個模塊的輸出電流的相互關(guān)系，又由于元件的參數(shù)的固定性，因而優(yōu)化設(shè)計的模塊的這個比例數(shù)列是固定的。
電源工作程序當(dāng)負(fù)載的電流I′out時，電源由控制器采集輸出電流測量電路獲得的信號，m位模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號。根據(jù)對單模塊測試的額定輸出電流、效率曲線和效率最高原則，可以制定一個模數(shù)輸出-開關(guān)矢量映射表(m≥n) 由于當(dāng)模數(shù)輸出是<0，0，0，Λ，0，0>時開關(guān)矢量必須是<1，0，0，Λ，0，0>，即輸出電流小于I1模塊1必須開通，因此模數(shù)輸出的可能數(shù)值的個數(shù)要等于或大于開關(guān)矢量的可能數(shù)值的個數(shù)加1。這樣一種對應(yīng)關(guān)系可存放在模數(shù)輸出-開關(guān)矢量映射器中，映射器的輸出成為模塊選通信號，得到接近I′out的開關(guān)矢量<a1，a1，Λ，an-1，an>?？刂破鞯碾妷簷z測測量單元輸出電壓。由
和<a1，a2，Λ，an-1，an>，得到n輸出反饋調(diào)節(jié)單元計算此公式取得I′1由Ik＝I1Pk得到可計算得知每個模塊的調(diào)整率p′k，得到完整的控制矢量<P′1，P′2，Λ，P′n-1，Pn)。不失一般性，開關(guān)矢量和控制矢量構(gòu)成E線(E的數(shù)量取決于模塊的調(diào)節(jié)方法)總線con(1)、con(2)、…，con(n-1)、con(n)分別連接到1號模塊到n號模塊，調(diào)節(jié)模塊輸出。此過程反復(fù)進(jìn)行，直到輸出電壓穩(wěn)定，且所有開通的模塊的輸出電流應(yīng)等于I′out。兩個電流開關(guān)矢量<a1，a2，Λ，an-1，an>之差的模最小等于1，即當(dāng)a1＝1，ak＝0/1(k≠1)時，最小額定輸出電流I′1P′1。由于并聯(lián)電流疊加的原理，電源系統(tǒng)可以運(yùn)用小電流曲線補(bǔ)充大電流效率曲線之間的低谷。單電源模塊的輸出電流由Pk決定，并且由于矢量<a1，a2，Λ，an-1，an>的開關(guān)調(diào)整作用，關(guān)閉了效率較低的模塊，因而使得選通模塊的Pk的變化范圍不大，整個系統(tǒng)的輸出電流能夠精確滿足負(fù)載的需要。
圖3顯示k號模塊的額定電流為Ik，在它的工作過程中，輸出電流變化范圍在Ik′到Ik″之間。每一個工作電流都對應(yīng)一個Pk值，即從Pk′到Pk″。輸出電流-效率曲線的包絡(luò)范圍顯示了模塊的工作情況，模塊效率在最高效率之下一個很小的范圍內(nèi)變化。
當(dāng)時，1＜k≤n，則效率曲線峰值個數(shù)將為最多，數(shù)量等于2n-1，這樣，曲線在廣泛的輸出電流范圍內(nèi)接近單電源最高效率。電源總效率
圖1單元要素圖。
圖2簡單升壓變換器拓?fù)洹?br>
圖3單個模塊輸出電流和效率的包絡(luò)范圍(陰影區(qū)域)。
圖4高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖5同步調(diào)節(jié)電路圖。
圖6工作效率的示意性圖。
具體實(shí)施方式
這種提高效率的方法適用于各種符合要求的電源系統(tǒng)而非單一電路拓?fù)?。簡述升壓變換器一例。
圖2顯示升壓變換器拓?fù)渲卸O管可以在開關(guān)管關(guān)斷時反向截止。因此開關(guān)管和二極管起到了開關(guān)2的作用。
圖5顯示簡化電路的拓?fù)?。三組不同的電感L1、L2、L3，輸出電容C1、C2、C3，輸出電容C4、C5、C6，二極管D1、D2、D3，電阻R4、R7、R8和開關(guān)管Q1、Q2、Q3按照升壓變換器拓?fù)溥B接。開關(guān)管的柵極分別連接到與門U1A、U2A、U3A的輸出端3號腳，R4R7R8的兩端分別接到PWM控制芯片的過流檢測端。與門U1A、U2A、U3A的輸入端1號腳并聯(lián)接到PWM控制芯片的PWM信號輸出端；輸入端2號腳分別接到映射存儲器的數(shù)據(jù)輸出端D2、D1、D0，映射存儲器的數(shù)據(jù)輸入端A2、A1、A0分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字輸出端D2、D1和D0相連。流入負(fù)載電阻R1的電流全部流經(jīng)電流檢測電阻R3。R3兩端的信號經(jīng)放大器放大后連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端。R1兩端的電壓即輸出電壓。輸出電壓經(jīng)過R5、R6的分壓后，與PWM控制芯片的輸出電壓檢測端相連。簡化模塊的控制部分，以一個共同的控制器為基礎(chǔ)，將PWM信號進(jìn)行擴(kuò)充，用選擇信號進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)簡單的多模塊電路。這里I1＝1A，即三個部分的電流輸出為1、2、4安。由負(fù)載電流測量電阻R3給出電壓信號，經(jīng)差模放大后由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制電壓信號<D0，D1，D2>。調(diào)節(jié)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓，使<1，1，1>輸出的所對應(yīng)的輸出電流為7A。采用如下模數(shù)輸出-開關(guān)矢量映射表 映射存儲器是<a0，a1，a2，Λ，an-1，an>矢量發(fā)生器，這里使用4bit8個存儲單元的存儲器。開關(guān)矢量通過與門調(diào)制PWM信號向開關(guān)管傳遞。控制器測量電壓反饋信號，通過控制PWM信號的占空比調(diào)節(jié)輸出電壓。這樣，PWM控制器就可以控制<P′0，P′1，P′2，Λ，P′n-1，P′n>向量，而對<P′0，P′1，P′2，Λ，P′n-1，P′n>的計算被電壓反饋-PWM調(diào)整代替了。即新的輸出電流所需要的<P′0，P′1，P′2，Λ，P′n-1，P′n>是由前一個時刻的<P′0，P′1，P′2，Λ，P′n-1，P′n>經(jīng)過電壓反饋-PWM調(diào)整后獲得的。
圖6是輸出電流、效率、選擇信號之間的關(guān)系。1、2、3分別表示1、2、3號模塊的單機(jī)效率曲線，1+2表示1號2號模塊同時工作。粗黑線顯示以為比例的電源的效率曲線。每一個效率跳變是由于AD轉(zhuǎn)換器的是較低的3位，因而對處于兩個效率峰值間的電流無法處理，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器只能分辨效率峰值對應(yīng)的電流值。若提高二進(jìn)制數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)后，以更精確的分辨效率曲線所對應(yīng)的電流值，并制定更詳細(xì)的電流-開關(guān)矢量映射表，可以更好的優(yōu)化<a1，a2，a3>，使得電源效率最優(yōu)。無論是1號模塊還是2號、3號模塊，都無法與三個模塊開關(guān)組合的方式的效率相比擬。這種電源就相當(dāng)于把線性穩(wěn)壓器的恒效率和開關(guān)電源的高效率組合在一起。這種拓?fù)涞碾娫纯梢栽谳^大的輸出電流范圍內(nèi)保持較高的總體效率。
權(quán)利要求
1.一種高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由控制器和多個并聯(lián)的電源模塊構(gòu)成。每個模塊可以被控制器單獨(dú)開通和關(guān)閉?？刂破鞲鶕?jù)電源輸出電流的大小對開通和關(guān)閉的模塊進(jìn)行選擇，并對選中開通的模塊進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以滿足對電源輸出電壓和電流的要求。具備這種拓?fù)涞碾娫丛谠O(shè)計輸出電流范圍內(nèi)具有的效率曲線比較平穩(wěn)，且總效率較高。
2.按照權(quán)利要求1所述的高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于每一個電源模塊都是根據(jù)不同額定輸出電流優(yōu)化設(shè)計的。
3.按照權(quán)利要求1所述的高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于不同電源模塊可以被控制器獨(dú)立的開通和關(guān)閉。模塊之間的聯(lián)系僅限于模塊輸入輸出的并聯(lián)關(guān)系和從屬于同一個控制器。
4.按照權(quán)利要求1所述的高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于輸出電流的信號通過控制器中的模數(shù)輸出-開關(guān)矢量映射器-選通輸出這一環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成選擇信號，控制每一個模塊的開通和關(guān)閉。選擇映射存儲器的輸入的地址數(shù)要大于或等于二進(jìn)制輸出的數(shù)值個數(shù)加1。
5.按照權(quán)利要求1所述的高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于是由控制器調(diào)節(jié)電源模塊的輸出電流，電源模塊不能夠獨(dú)立調(diào)節(jié)電流輸出。
6.按照權(quán)利要求5所述控制器調(diào)節(jié)模塊電流的方式之一是一種同步調(diào)節(jié)方式，即所有模塊使用同一個控制脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)，這個控制脈沖受到模塊選通信號的調(diào)制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效并聯(lián)開關(guān)比例電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，屬于一種二次電源。為了提高二次電源的效率，本發(fā)明采用多模塊電源并聯(lián)的方式。每個電源模塊的元件參數(shù)根據(jù)不同輸出電流而優(yōu)化設(shè)計。電流測量元件采集輸出電流大小的信號，由控制器中的模數(shù)輸出－開關(guān)矢量映射器－選通輸出這－環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成選擇信號控制多個模塊的開通或關(guān)閉狀態(tài)；控制器的電壓反饋的控制端調(diào)節(jié)模塊的輸出電流。這樣的拓?fù)浜涂刂品绞竭_(dá)到了提高電源效率的目的。以升壓變換器拓?fù)?、同頻率、同變換控制器的簡化型應(yīng)用電路說明了具體的應(yīng)用方法。這種電源拓?fù)湎鄬?fù)雜，但卻提供一種可以提高電源效率的解決方案，尤其對于要求電源的輸出電流變化范圍很大場合，具備較高的應(yīng)用價值。
文檔編號G05F1/10GK101064471SQ200610025978
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者朱譞晟 申請人:朱譞晟