高效并联开关比例电源拓扑的制作方法

专利名称：高效并联开关比例电源拓扑的制作方法
专利说明高效并联开关比例电源拓扑 技术领域 本发明涉及一种高效并联开关比例电源拓扑结构。这种拓扑结构主要用于电源领域。这种拓扑结构使电源在负载电流变化范围很大的情况下保持高效率效率。
背景技术 在能源日益紧张，需要更好的技术以节约能源的时代，在电能转换的过程中提高转换效率就是重要的方法。自二次电源问世以来，电源必须努力提高其工作效率。线性稳压器在任何输出电流时有稳定不变的效率；各种开关电源在高输出电流下保持高效率。但这两者任何一个或两个的组合尚不能满足对电源效率的更高的要求。现行的方案包含多相开关电源并联交错工作方式，是依据开关电源固有的开关周期，使多个开关电源交替处于电流输出工作状态，在Linear公司多相控制器家族LTC3730/1/2/3构成的电源系统中存在这种控制状态当输出电流很小时可以只留下一个开关模块在工作(Stage Shedding方式)，而其它的则关闭。在高输出电流状态，每个模块的输出电流是完全一样的。另一种方法是为开关电源并联一个线性稳压器，使电源在小电流下使用线性稳压器而关闭开关电源。这两种方法都不能满足对电源效率更高的要求。为了实现高效率，一个开关电源的储能元件和开关元件的参数必须依赖工作电压和常用的负载电流而作相应调整。以一个确定的工作电压和电流为前提可以对储能元件和开关元件的参数进行优化设计，使在这种工作状态时效率最高，这为我们提供了一种改善效率的新途径。

发明内容
本方案旨在利用不同电源模块之间的输出电流的比例设计和开关逻辑设计，最大程度利用开关电源的特性，使每一个电源模块都能够以接近最高效率的状态进行工作，在设计的输出电流范围内使电源的效率获得提高。
图1所示每一个模块都必须满足这样一个基本结构，开关1和开关2可以使使输入或输出开路。开关1和开关2可只选其一。通常，在各种变换器拓扑中的二极管的反向截止作用和开关管的关断作用使它们可用作开关2或者开关1，因此可以省略开关。变换器是电源变换的单元。电源设计是基于模块开通、关闭和调节的控制方式。所谓开通即正常的执行电源变换的功能，具有正常的输出电流。所谓关闭，是指在输入和输出端没有与电源输出电流可比拟的任何方向的电流。所谓调节，即调节电源的输出电流。
图4是电源拓扑框图。电源输入并联到1-n号模块，模块并联输出形成电源输出。仅靠近负载的电流检测的输出连接到控制器的放大器，放大器的输出连接到m位模数转换器。模数转换的m位数字输出连接到模数输出-开关矢量映射器。映射器的n位输出构成con(1)-con(n)的E位控制总线的其中一位。电源输出电压连接到电压检测，电压检测连到n输出反馈调节单元。此n位调节信号构成E位控制总线的其余E-1位控制线。E位的con(1)-con(n)控制线分别连接到1-n号模块。电源额定输出电流n是模块的数量。ak为开关控制，ak是1，代表k号模块开通；ak是0，代表k号模块关闭。ak相互之间独立，这样就存在一个电源模块k号的开关矢量<a1，a2，Λ，an-1，an>Ik＝I1Pk，I1为1号模块的额定输出电流，Ik为k号模块的额定输出电流，Pk为k号模块的输出电流系数。希望输出电流为I′k＝I′1P′k。Pk在实际的开关电路中或对应于电源模块的开关频率fk，或占空比

或他可影响模块输出电流的参数或者参数的组合，视不同变换器拓扑而定，Pk相互之间独立，且P1≤P2≤Λ≤Pn-1≤Pn，这样就构成一个电流控制矢量<P1，P2，Λ，Pn-1，Pn>，并产生一个比值数列

这个比例数列决定了每个模块的输出电流的相互关系，又由于元件的参数的固定性，因而优化设计的模块的这个比例数列是固定的。
电源工作程序当负载的电流I′out时，电源由控制器采集输出电流测量电路获得的信号，m位模数转换器将模拟信号转换成二进制数字信号。根据对单模块测试的额定输出电流、效率曲线和效率最高原则，可以制定一个模数输出-开关矢量映射表(m≥n) 由于当模数输出是<0，0，0，Λ，0，0>时开关矢量必须是<1，0，0，Λ，0，0>，即输出电流小于I1模块1必须开通，因此模数输出的可能数值的个数要等于或大于开关矢量的可能数值的个数加1。这样一种对应关系可存放在模数输出-开关矢量映射器中，映射器的输出成为模块选通信号，得到接近I′out的开关矢量<a1，a1，Λ，an-1，an>。控制器的电压检测测量单元输出电压。由

和<a1，a2，Λ，an-1，an>，得到n输出反馈调节单元计算此公式取得I′1由Ik＝I1Pk得到可计算得知每个模块的调整率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，开关矢量和控制矢量构成E线(E的数量取决于模块的调节方法)总线con(1)、con(2)、…，con(n-1)、con(n)分别连接到1号模块到n号模块，调节模块输出。此过程反复进行，直到输出电压稳定，且所有开通的模块的输出电流应等于I′out。两个电流开关矢量<a1，a2，Λ，an-1，an>之差的模最小等于1，即当a1＝1，ak＝0/1(k≠1)时，最小额定输出电流I′1P′1。由于并联电流叠加的原理，电源系统可以运用小电流曲线补充大电流效率曲线之间的低谷。单电源模块的输出电流由Pk决定，并且由于矢量<a1，a2，Λ，an-1，an>的开关调整作用，关闭了效率较低的模块，因而使得选通模块的Pk的变化范围不大，整个系统的输出电流能够精确满足负载的需要。
图3显示k号模块的额定电流为Ik，在它的工作过程中，输出电流变化范围在Ik′到Ik″之间。每一个工作电流都对应一个Pk值，即从Pk′到Pk″。输出电流-效率曲线的包络范围显示了模块的工作情况，模块效率在最高效率之下一个很小的范围内变化。
当时，1＜k≤n，则效率曲线峰值个数将为最多，数量等于2n-1，这样，曲线在广泛的输出电流范围内接近单电源最高效率。电源总效率


图1单元要素图。
图2简单升压变换器拓扑。
图3单个模块输出电流和效率的包络范围(阴影区域)。
图4高效并联开关比例电源拓扑结构图。
图5同步调节电路图。
图6工作效率的示意性图。
具体实施方式
这种提高效率的方法适用于各种符合要求的电源系统而非单一电路拓扑。简述升压变换器一例。
图2显示升压变换器拓扑中二极管可以在开关管关断时反向截止。因此开关管和二极管起到了开关2的作用。
图5显示简化电路的拓扑。三组不同的电感L1、L2、L3，输出电容C1、C2、C3，输出电容C4、C5、C6，二极管D1、D2、D3，电阻R4、R7、R8和开关管Q1、Q2、Q3按照升压变换器拓扑连接。开关管的栅极分别连接到与门U1A、U2A、U3A的输出端3号脚，R4R7R8的两端分别接到PWM控制芯片的过流检测端。与门U1A、U2A、U3A的输入端1号脚并联接到PWM控制芯片的PWM信号输出端；输入端2号脚分别接到映射存储器的数据输出端D2、D1、D0，映射存储器的数据输入端A2、A1、A0分别与模数转换器数字输出端D2、D1和D0相连。流入负载电阻R1的电流全部流经电流检测电阻R3。R3两端的信号经放大器放大后连接到模数转换器的输入端。R1两端的电压即输出电压。输出电压经过R5、R6的分压后，与PWM控制芯片的输出电压检测端相连。简化模块的控制部分，以一个共同的控制器为基础，将PWM信号进行扩充，用选择信号进行调制，实现简单的多模块电路。这里I1＝1A，即三个部分的电流输出为1、2、4安。由负载电流测量电阻R3给出电压信号，经差模放大后由模拟-数字转换器转换成二进制电压信号<D0，D1，D2>。调节模数转换器的参考电压，使<1，1，1>输出的所对应的输出电流为7A。采用如下模数输出-开关矢量映射表 映射存储器是<a0，a1，a2，Λ，an-1，an>矢量发生器，这里使用4bit8个存储单元的存储器。开关矢量通过与门调制PWM信号向开关管传递。控制器测量电压反馈信号，通过控制PWM信号的占空比调节输出电压。这样，PWM控制器就可以控制<P′0，P′1，P′2，Λ，P′n-1，P′n>向量，而对<P′0，P′1，P′2，Λ，P′n-1，P′n>的计算被电压反馈-PWM调整代替了。即新的输出电流所需要的<P′0，P′1，P′2，Λ，P′n-1，P′n>是由前一个时刻的<P′0，P′1，P′2，Λ，P′n-1，P′n>经过电压反馈-PWM调整后获得的。
图6是输出电流、效率、选择信号之间的关系。1、2、3分别表示1、2、3号模块的单机效率曲线，1+2表示1号2号模块同时工作。粗黑线显示以为比例的电源的效率曲线。每一个效率跳变是由于AD转换器的是较低的3位，因而对处于两个效率峰值间的电流无法处理，因此模数转换器只能分辨效率峰值对应的电流值。若提高二进制数模转换位数后，以更精确的分辨效率曲线所对应的电流值，并制定更详细的电流-开关矢量映射表，可以更好的优化<a1，a2，a3>，使得电源效率最优。无论是1号模块还是2号、3号模块，都无法与三个模块开关组合的方式的效率相比拟。这种电源就相当于把线性稳压器的恒效率和开关电源的高效率组合在一起。这种拓扑的电源可以在较大的输出电流范围内保持较高的总体效率。
权利要求
1.一种高效并联开关比例电源拓扑结构，由控制器和多个并联的电源模块构成。每个模块可以被控制器单独开通和关闭。控制器根据电源输出电流的大小对开通和关闭的模块进行选择，并对选中开通的模块进行适当调节，以满足对电源输出电压和电流的要求。具备这种拓扑的电源在设计输出电流范围内具有的效率曲线比较平稳，且总效率较高。
2.按照权利要求1所述的高效并联开关比例电源拓扑结构，其特征在于每一个电源模块都是根据不同额定输出电流优化设计的。
3.按照权利要求1所述的高效并联开关比例电源拓扑结构，其特征在于不同电源模块可以被控制器独立的开通和关闭。模块之间的联系仅限于模块输入输出的并联关系和从属于同一个控制器。
4.按照权利要求1所述的高效并联开关比例电源拓扑结构，其特征在于输出电流的信号通过控制器中的模数输出-开关矢量映射器-选通输出这一环节转换成选择信号，控制每一个模块的开通和关闭。选择映射存储器的输入的地址数要大于或等于二进制输出的数值个数加1。
5.按照权利要求1所述的高效并联开关比例电源拓扑结构，其特征在于是由控制器调节电源模块的输出电流，电源模块不能够独立调节电流输出。
6.按照权利要求5所述控制器调节模块电流的方式之一是一种同步调节方式，即所有模块使用同一个控制脉冲进行调节，这个控制脉冲受到模块选通信号的调制。
全文摘要
本发明公开了一种高效并联开关比例电源拓扑结构，属于一种二次电源。为了提高二次电源的效率，本发明采用多模块电源并联的方式。每个电源模块的元件参数根据不同输出电流而优化设计。电流测量元件采集输出电流大小的信号，由控制器中的模数输出－开关矢量映射器－选通输出这－环节转换成选择信号控制多个模块的开通或关闭状态；控制器的电压反馈的控制端调节模块的输出电流。这样的拓扑和控制方式达到了提高电源效率的目的。以升压变换器拓扑、同频率、同变换控制器的简化型应用电路说明了具体的应用方法。这种电源拓扑相对复杂，但却提供一种可以提高电源效率的解决方案，尤其对于要求电源的输出电流变化范围很大场合，具备较高的应用价值。
文档编号G05F1/10GK101064471SQ200610025978
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月24日 优先权日2006年4月24日
发明者朱譞晟 申请人:朱譞晟