多路开关电源相位交错并联的分布式控制装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种多路开关电源相位交错并联的分布式控制装置及方法，可有效应用在大功率电源柜中，通过控制装置及方法的配置简单灵活对电源柜中各个电源模块进行交错并联控制，交错并联的模块（即一个由PWM生成单元及电路拓扑组成的支路）数量不再局限于四个。交错并联的模块个数可以是2个以上，理论上没有上限，不过在实际应用中，交错并联2～16个不等。也可以根据功率需求来确定模块并联数，如果输出功率大，则可以并联更多的模块。
【专利说明】多路开关电源相位交错并联的分布式控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种开关电源控制领域，尤其是指一种多路开关电源相位交错并联的分布式控制装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着电源负载对功率要求越来越大，电源模块的并联成为一种增大输出功率的有效方法。然而随之而来的，如何能有效的管理并联的电源模块，并有效减小电源系统的输出纹波电压、纹波电流，减小电感量、减小电容量，降低电源成本也成为多电源并联应用的电源产品质量追求的一个方向。
[0003]目前，在低压小功率板载电源模块中，已有一种能集中控制的最多四路交错并联输出的电源管理芯片。这种小功率电源管理芯片交错控制的模块必须全部集中在一块PCB电路板上。并且最多只能管理4个交错并联模块。对于物理距离远、模块之间是独立的PCB电路的情况，这种已有的小功率交错电源管理芯片也无法实现物理距离远的工况。而在大功率电源柜中，各个电源模块都是独立的PCB电路板，并且并联数量在很多情况下会超过4个。所以目前已有的这种集中控制的多路交错并联输出的电源管理芯片无法应用在大功率的电源柜中。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种多路开关电源相位交错并联的分布式控制装置及方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:本发明提供了一种多路开关电源相位交错并联的分布式控制装置，它包括相位控制处理器和所述每路开关电源模块均包括有PWM生成单元及电源拓扑；所述相位控制处理器与多路的开关电源模块对应设有多个相位控制信号输出，每个相位控制信号输出连接一路开关电源模块的PWM生成单元；所述每路开关电源模块的PWM生成单元输出PWM驱动连接电源拓扑；多路开关电源模块的电源拓扑输出并接负载；所述每路开关电源模块的PWM生成单元输出有反馈信号至相位控制处理器，电源拓扑输出有状态反馈信号至相位处理器；所述状态反馈信号包括电压、电流信号；用于对每路开关电源模块依次根据相位差输出驱动信号；所述相位差为360除以正常工作的PWM生成单元数量;
[0006]较佳的，所述相位控制处理器通过通信总线与多路的开关电源模块相连；
[0007]较佳的，所述相位控制处理器包括主相位控制处理器及副相位控制处理器，主相位控制处理器与副相位控制处理器均挂设于通信总线上；所述副相位控制处理器，用于检测主相位控制处理器是否正常工作，当主相位控制处理器工作异常时承担主相位控制处理器的。
[0008]本发明还涉及一种多路开关电源相位交错并联的分布式控制方法，它包括相位交错控制流程；[0009]所述交错控制流程包括步骤:
[0010]Al)、初始化，整个系统上电，对系统的故障情况进行检测，若系统正常则继续步骤；
[0011]BI)、检测接入的PWM生成单元数量η ;
[0012]Cl)、设定相位差为360/η度；
[0013]D1)、将PWM生成单元反馈的对应相位控制信号的相位差与设定相位差比较，若超预设误差则执行步骤F1，否则继续步骤；
[0014]Ε1)、对各路PWM生成单元依次根据相位差输出驱动信号；
[0015]Fl )、矫正相位差设定，而后执行步骤El ；
[0016]较佳的，它还包括系统故障判别流程，系统故障判别流程包括判别当出现过流或过压时停止控制输出，关闭所有的PWM生成单元的步骤；
[0017]较佳的，它还包括单元故障判别流程，单元故障判别流程包括步骤:
[0018]Α2)、接收各PWM生成单元反馈的工作状况，当有PWM生成单元故障时执行步骤Β2 ；
[0019]Β2)、关闭故障PWM生成单元；
[0020]C2)、判断是否所有PWM生成单元故障，是则执行步骤Ε2，否则继续步骤；
[0021]D2)、根据交错控制流程中BI检测接入的PWM生成单元数量η减去故障PWM生成单元数量a，设定相位差为360/ (n-a)度，转至交错控制流程的步骤Dl ；
[0022]较佳的，它还包括控制故障检测流程，控制故障检测流程包括设置主、副交错控制流程，平时执行主交错控制流程，副交错控制流程对主交错控制流程检测，当主交错控制流程故障则停止主交错控制流程，切换启动副交错控制流程。
[0023]本发明的有益效果在于可有效应用在大功率电源柜中，通过控制装置及方法的配置简单灵活对电源柜中各个电源模块进行交错并联控制，交错并联的模块(即一个由PWM生成单元及电路拓扑组成的支路)数量不再局限于四个。交错并联的模块个数可以是2个以上，理论上没有上限，不过在实际应用中，交错并联2?16个不等。也可以根据功率需求来确定模块并联数，如果输出功率大，则可以并联更多的模块。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]下面结合附图详述本发明的具体结构
[0025]图1为本发明的装置结构示意图；
[0026]图2为本发明的方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0027]为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
[0028]请参阅图1，本实施方式涉及一种多路开关电源相位交错并联的分布式控制装置，它包括相位控制处理器和多路的开关电源模块，所述每路开关电源模块均包括有PWM生成单元及电源拓扑。
[0029]作为一种实施例，电源拓扑可由MOS管、IGBT管、可控硅等开关管和二极管以及磁性元件等组成，其拓扑结构包括DC-DC，AC-DC等各种电源转换电路。
[0030]所述相位控制处理器与多路的开关电源模块对应设有l-η多个相位控制信号输出，每个相位控制信号输出连接一路开关电源模块的PWM生成单元。
[0031]所述每路开关电源模块的PffM生成单元输出PWM驱动连接电源拓扑；多路开关电源模块的电源拓扑输出并接负载。
[0032]如相位控制信号I输出连接PWM生成单元I，PWM生成单元I输出PWM驱动连接电源拓扑1，同理如相位控制信号η输出连接PWM生成单元n，PWM生成单元η输出PWM驱动连接电源拓扑η。
[0033]进一步，驱动时，相位控制处理器对各支路依次根据相位差输出驱动信号，而此处的相位差为360除以正常工作的PWM生成单元数量，例如，系统开始时所有l-η个PWM生成单元均能正常工作，此时相位差为360/η，而过程中，若有I个PWM生成单元发生故障，则对应关闭该PWM生成单元，相位差则改为360/ (η-1)。
[0034]除了上述控制外，相位控制处理器同时对系统工作进行这监控，具体连接关系为:每个支路的PWM生成单元输出有反馈信号至相位控制处理器，电源拓扑输出有状态反馈信号至相位处理器；所述状态反馈信号包括电压、电流信号。
[0035]最佳的，上述中相位控制处理器通过通信总线与多路的开关电源模块相连。
[0036]较佳的，为了提高系统可靠性，上述控制系统采用冗余设计。具体的，相位控制处理器包括主相位控制处理器及副相位控制处理器，主相位控制处理器与副相位控制处理器均挂设于通信总线上；
[0037]所述副相位控制处理器，用于检测主相位控制处理器是否正常工作，当主相位控制处理器工作异常时承担主相位控制处理器的。
[0038]本专利技术能有效应用在大功率电源柜中，具体地说通过上述配置能简单灵活对电源柜中各个电源模块进行交错并联控制，交错并联的模块(即一个由PWM生成单元及电路拓扑组成的支路)数量不再局限于四个。交错并联的模块个数可以是2个以上，理论上没有上限，不过在实际应用中，交错并联2?16个不等。也可以根据功率需求来确定模块并联数，如果输出功率大，则可以并联更多的模块。
[0039]本发明还提供了一种多路开关电源相位交错并联的分布式控制方法，它至少包括相位交错控制流程，根据需要还可配置系统故障判别流程、单元故障判别流程及控制故障检测流程。具体到参见图2为全流程的一个示意图，其中:
[0040]夺错控制流稈包括步骤:
[0041]Al)、初始化，整个系统上电，对系统的故障情况进行检测，若系统正常则继续步骤；
[0042]BI)、检测接入的PWM生成单元数量η ；
[0043]Cl)、设定相位差为360/η度；
[0044]D1)、将PWM生成单元反馈的对应相位控制信号的相位差与设定相位差比较，若超预设误差则执行步骤F1，否则继续步骤；
[0045]Ε1)、对各路PWM生成单元依次根据相位差输出驱动信号；
[0046]F1)、矫正相位差设定，而后执行步骤El ；
[0047]系统故障判别流稈包括步骤:[0048]判别当出现过流或过压时停止控制输出，关闭所有的PWM生成单元。
[0049]单元故障判别流稈包括步骤:
[0050]A2)、接收各PWM生成单元反馈的工作状况，当有PWM生成单元故障时执行步骤B2 ；
[0051]B2)、关闭故障PWM生成单元；
[0052]C2)、判断是否所有PWM生成单元故障，是则执行步骤E2，否则继续步骤；
[0053]D2)、根据交错控制流程中BI检测接入的PWM生成单元数量η减去故障PWM生成单元数量a，设定相位差为360/ (n-a)度，转至交错控制流程的步骤Dl。
[0054]控制故障检测流稈包括:
[0055]设置主、副交错控制流程，平时执行主交错控制流程，副交错控制流程对主交错控制流程检测，当主交错控制流程故障则停止主交错控制流程，切换启动副交错控制流程。
[0056]具体实施例:
[0057]如图1所示，为η (η=1、2、3…η)相并联输出电源系统，每路电源拓扑为开关管(开关管包括IGBT、MOS管、可控硅等开关器件)和续流二极管以及磁性元件组成的开关电源。开关管的驱动信号由PWM生成单元发出的PWM输出信号，η相并联则一共有η路PWM输出信号，η路PWM输出信号为各自相位差360/η度的PWM信号。假如一个电源系统为4相交错并联输出，则各自相位差为90度。如果为8相交错并联输出，则各自相位差为45度。
[0058]根据图1对分布式控制方法执行过程详细说明: [0059]假设条件:PWM开关周期为lmS，PWM生成单元数量为8.[0060]1、初始化
[0061]整个系统上电，由I号相位控制处理器检测整个系统的故障情况。如果检测系统正常，则初始化阶段完成。
[0062]2、确定系统状况
[0063]通过通信总线检查PWM生成单元数量。比如检测到整个系统有8个PWM生成单元。则按8个PWM生成单元交错控制。
[0064]3、控制过程
[0065]在完成第1、2步的情况下，进入交错控制过程。
[0066]例如:假设PWM开关周期为lmS，PWM生成单元数量为8:
[0067]则每个模块依次交错360/8度，8卩45度。也就是依次延时周期/PWM即l/8ms=0.125ms。具体过程是:延迟Oms,给I号PWM生成单元发送启动命令；延迟0.125ms,给2号PWM生成单元发送启动命令；延迟0.125X2ms，给3号PWM生成单元发送启动命令；...延迟0.125 X 7ms，给8号PWM生成单元发送启动命令。这样在一个周期内，完成了交错命令的发送。之后，各个PWM生成单元根据初始的延迟循环工作。
[0068]以上步骤是整个分布式控制方法的主要过程。在整个运行过程中，相位控制处理器随时监测PWM生成单元相位差是否正确以及系统各个故障。具体流程包括:
[0069]校正:
[0070]此时，各个PWM单元已经在按照相位控制器给的相位交错命令正常工作。各个PWM单元依次交错45度。但是，由于系统存在通信等延迟，时间误差。这个时间误差随着时间积累将越来越大。这个相位误差是相位控制处理器通过检测驱动反馈信号得来，为了保证交错延迟的时间准确性。当相位控制处理器检测到各个模块相位交错时间误差较大时，相位控制器重新校准交错角度，保证系统的可靠运行。
[0071]故障应对:
[0072]当相位控制处理器通过通信总线检测到I个PWM生成单元出现故障不能工作时，这时，相位控制处理器会自动调整交错角度45 (360/8)度改为51.43 (360/7)度。当发现整个系统出现严重故障时，则关闭所有的PWM生成单元，确保系统安全。
[0073]如上述可见，本专利的另一个优点是，相位控制处理器能通过软件自动改变相位角度差，比如在一个8相交错并联的电源系统中，正常工作时，各路时钟信号相位相差360/8=45度，如果检测到8路电源模块中有I路电源出现故障，则单片机自动识别故障，并及时更改相位角度差为360/7=51.428度。以保证系统正常、稳定运行。
[0074]综上本发明的特点和有益技术效果为:
[0075](I)、本发明是基于实际产品中提炼得来，已经成功应用于超级电容充电电源柜和电动汽车电池充电桩。同时根据其并联原理，本发明不仅仅局限于超级电容、电池的充电装置。可以应用到各种电源模块并联的系统中。
[0076](2)、本发明通过单片机控制各个PWM生成单元的输出PWM驱动相位，可以随实际需要而增加并联模块的数目，以更改相位角度差；
[0077](3)、本发明中通过软件方式更改PWM生成单元的输出PWM驱动相位差，当并联模块中有I个模块出现故障时，单片机能够自动检测故障，通过改变输出的时钟相位角度改变PWM生成单元的PWM相位角度，提高系统的智能化程度和稳定性；
[0078]( 4)、本专利的交错并联方式能有效减小电源系统的输出纹波电压，纹波电流，减小电感量、减小电容量，降低电源成本。
[0079](5)、本专利的分布式控制方法物理有效距离远，距离的远近取决于通信总线的有效距离。从而能实现各种复杂的系统设计。
[0080]最后，还需要指出的是，以上分析的仅仅列举了一个例子，显然，本发明不限于以上例子，还可以有许多变形，比如开关电源的拓扑结构不仅仅局限于某一种拓扑结构，对于Buck型隔离与非隔离的拓扑；Boost型隔离与非隔离的拓扑，Buck-Boost型隔离与非隔离的拓扑电路都是实用的。因此凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种多路开关电源相位交错并联的分布式控制装置，其特征在于:它包括相位控制处理器和所述每路开关电源模块均包括有PWM生成单元及电源拓扑； 所述相位控制处理器与多路的开关电源模块对应设有多个相位控制信号输出，每个相位控制信号输出连接一路开关电源模块的PWM生成单元； 所述每路开关电源模块的PWM生成单元输出PWM驱动连接电源拓扑；多路开关电源模块的电源拓扑输出并接负载； 所述每路开关电源模块的PWM生成单元输出有反馈信号至相位控制处理器，电源拓扑输出有状态反馈信号至相位处理器；所述状态反馈信号包括电压、电流信号； 用于对每路开关电源模块依次根据相位差输出驱动信号； 所述相位差为360除以正常工作的PWM生成单元数量。
2.如权利要求1所述的多路开 关电源相位交错并联的分布式控制装置，其特征在于:所述相位控制处理器通过通信总线与多路的开关电源模块相连。
3.如权利要求2所述的多路开关电源相位交错并联的分布式控制装置，其特征在于:所述相位控制处理器包括主相位控制处理器及副相位控制处理器，主相位控制处理器与副相位控制处理器均挂设于通信总线上； 所述副相位控制处理器，用于检测主相位控制处理器是否正常工作，当主相位控制处理器工作异常时承担主相位控制处理器的。
4.一种多路开关电源相位交错并联的分布式控制方法，其特征在于:它包括相位交错控制流程； 所述交错控制流程包括步骤: Al )、初始化，整个系统上电，对系统的故障情况进行检测，若系统正常则继续步骤； BI)、检测接入的PWM生成单元数量η ； Cl)、设定相位差为360/η度； Dl) JfPWM生成单元反馈的对应相位控制信号的相位差与设定相位差比较，若超预设误差则执行步骤Fl，否则继续步骤； Ε1)、对各路PWM生成单元依次根据相位差输出驱动信号； Fl )、矫正相位差设定，而后执行步骤El。
5.如权利要求4所述的多路开关电源相位交错并联的分布式控制方法，其特征在于:它还包括系统故障判别流程，系统故障判别流程包括判别当出现过流或过压时停止控制输出，关闭所有的PWM生成单元的步骤。
6.如权利要求4所述的多路开关电源相位交错并联的分布式控制方法，其特征在于:它还包括单元故障判别流程，单元 故障判别流程包括步骤: Α2)、接收各PWM生成单元反馈的工作状况，当有PWM生成单元故障时执行步骤Β2 ； Β2)、关闭故障PWM生成单元； C2)、判断是否所有PWM生成单元故障，是则执行步骤Ε2，否则继续步骤； D2)、根据交错控制流程中BI检测接入的PWM生成单元数量η减去故障PWM生成单元数量a，设定相位差为360/ (n-a)度，转至交错控制流程的步骤Dl。
7.如权利要求4所述的多路开关电源相位交错并联的分布式控制方法，其特征在于:它还包括控制故障检测流程，控制故障检测流程包括设置主、副交错控制流程，平时执行主交错控制流程，副交错控制流程对主交错控制流程检测，当主交错控制流程故障则停止主交错控制流程，切换启·动副交错控制流程。
【文档编号】H02M1/088GK103427606SQ201310399787
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】李施为, 谭诗干, 唐建明 申请人:深圳市通业科技发展有限公司