一种开关电源装置及其输出控制方法与流程

本发明涉及开关电源技术领域,特别涉及一种开关电源装置及其输出控制方法。

背景技术

目前常用的开关电源设备，基本都包括ac/ac变换器和dc/dc变换器两部分，从而可以适应交换的输入电压、输出电压变换范围，以及可以实现较高的直流输出电压质量。因为输入是单相交流市电，pfc母线电压上一般会有约几十伏的2倍于工频的低频纹波，pfc母线电解电容容量越大则该低频纹波的幅值就会越小。而pfc母线电压上的低频纹波会通过dc/dc变换器传输到直流输出端，虽然dc/dc变换器电压闭环中的pi调节器可以对输入的低频纹波起到一定的调制作用，但还是无法将其减小到一定的范围内，而为了满足严格的输出电压纹波的指标要求，只能通过加大输出电解电容的容量或pfc母线电解电容的容量来实现，导致电源装置体积较大，成本较高。

为了解决以上问题，人们提出了多种方法，其中一种简单的方法是通过软件对市电电压锁相，然后生成一个固定的2倍于工频的低频纹波补偿值，叠加在直流输出电压的给定上，该方法的缺点是在输出电压范围宽、输出功率范围宽的场合，其无法保证全范围内部有很好的补偿效果；还有一种典型方法是通过输出电压环做主控制，低频纹波电压环做补充控制，来实现对输出电压的低频纹波进行移植，该方法的缺点主要有两方面：一是其提取低频电压纹波的方法是较为复杂，计算量较大；二是其将提取的纹波电压值直接叠加在电压环的给定值上，在输出电压范围宽、输出功率范围宽的场合其无法保证全范围内都有很好的补偿效果。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种开关电源装置及其输出控制方法，抑制了低频纹波的输出，并且提高了输出电压的质量。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种开关电源装置包括：ac/dc变换器，通过pfc母线与ac/dc变换器连接的dc/dc变换器，与dc/dc变换器连接的控制模块，所述控制模块包括与dc/dc变换器连接的低频纹波电压控制环路，与低频纹波电压控制环路连接的输出电压控制环路，所述输出电压控制环路输出信号至dc/dc变换器；

所述低频纹波电压控制环路，接收来自dc/dc变换器的输出电压采样信号，并将包含2倍于工频的纹波电压信号提取出来，确定纹波电压有效值所属的阈值区间，并根据预设的阈值区间与纹波电压补偿系数的对应关系，确定纹波电压的补偿系数，输出纹波电压补偿信号，并将所述纹波电压补偿信号叠加在输出电压控制环路的给定电压信号上。

优选的，所述低频纹波电压控制环路包括：

信号滤波处理模块，与dc/dc变换器连接，用于对来自dc/dc变换器的输出电压采样信号进行滤波处理；

带通滤波器，与信号滤波处理模块连接，用于将输出电压采样信号中的2倍于工频的纹波电压信号单独提取出来；

比例放大器，与带通滤波器连接，用于放大被提取的纹波电压信号的幅值；

纹波电压判定及补偿系数选择模块，与比例放大器连接，用于将纹波电压的有效值与预设的多个阈值进行比较，确定纹波电压所属的阈值区间,并根据阈值区间与补偿系数的对应关系，确定纹波电压的补偿系数，输出相应的纹波电压补偿信号。

优选的，所述纹波电压的有效值的计算周期为1个或多个市电工频周期，所述纹波电压判定及补偿系数选择环节的执行周期为一个或多个市电工频周期。

优选的，所述输出电压控制环路包括：

加法器，用于将输出电压给定信号与纹波电压补偿信号进行叠加的值作为输出电压的给定参考值；

减法器，用于将输出电压的给定信号参考值与输出电压反馈值做差，获取误差值；

pi调节器，用于对获取的误差值进行调节，获取驱动发生器的输入值；

驱动信号发生器，用于根据输入值产生相应的驱动信号，并将驱动信号输出至dc/dc变换器。

相应的，本发明还提供一种开关电源输出电压控制方法，该方法包括：

s1，预设评估纹波电压的有效值的阈值区间和与不同的阈值区间对应的纹波电压补偿系数；

s2，低频纹波电压控制环路接收来自dc/dc变换器的输出电压采样信号后，将包含2倍于工频的纹波电压信号提取出来，确定纹波电压有效值所属的阈值区间，并根据预设的阈值区间与纹波电压补偿系数的对应关系，确定纹波电压的补偿系，输出纹波电压补偿信号，并将所述纹波电压补偿信号叠加到输出电压控制环路的给定电压信号上；

s3，输出电压控制环路根据纹波电压补偿信号和输入电压给定信号，生成驱动信号，并将驱动信号输出至dc/dc变换器。

优选的，所述低频纹波电压控制环路包括信号滤波处理模块、带通滤波器、比例放大器和纹波电压判定及补偿系数选择模块，所述步骤s2具体包括：

信号滤波处理模块对来自dc/dc变换器的输出电压采样信号进行滤波处理；

带通滤波器将输出电压采用信号中的2倍于工频的纹波电压信号单独提取出来；

比例放大器对提取的纹波电压信号进行幅值放大；

纹波电压判定及补偿系数选择模块将纹波电压的有效值与预设的阈值进行比较，并根据预设的各个阈值区间与补偿系数的对应关系，确定纹波电压的补偿系数后，输出相应的纹波电压补偿信号。

优选的，所述输出电压控制环路包括驱动信号发生器，所述步骤s3包括：

将输出电压给定信号与纹波电压补偿信号进行叠加的值作为输出电压的给定参考值；

将输出电压的给定信号参考值与输出电压反馈值做差，获取误差值；

对获取的误差值进行调节，获取驱动信号输入值；

根据驱动信号输入值产生相应的驱动信号，并将驱动信号输出至dc/dc变换器。

本发明提出的一种输出低频纹波抑制方法，采用带通滤波器可以实现对2倍于工频的纹波电压信号进行精确提取，采用纹波电压判定及补偿系数选择环节可以实现对直流输出电压上的低频纹波电压进行精确的补偿，从而在输出电压范围宽、输出功率范围宽的场合都能很好的实现全范围内的低频纹波电压补偿效果。

附图说明

图1是本发明一种开关电源装置的一种实施例的示意图；

图2是本发明一种开关电源输出控制方法的一种实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参考图1所示，该图是本发明一种开关电源装置的一种实施例的示意图，该装置包括ac/dc变换器1、dc/dc变换器2和控制模块3。其中,ac/dc变换器1通过pfc母线与dc/dc变换器连接，dc/dc变换器与控制模块3连接，控制模块3为一个环形的回路。在具体实现时，控制模块3通过对低频纹波电压进行分段补偿，从而满足了开关电源装置的输出电压范围，使输出功率范围宽的场合也能起到很好的补偿效果。

控制模块3包括低频纹波电压控制环路和输出电压控制环路，其中低频纹波电压控制环路与输出电压控制环路连接。低频纹波电压控制环路包括信号滤波处理模块311、带通滤波器312、比例放大器313和纹波电压判定及补偿系数选择模块314；其中，信号滤波处理模块与dc/dc变换器连接，用于对来自dc/dc变换器的输出电压采样信号进行滤波处理；带通滤波器与信号滤波处理模块连接，用于将输出电压采用信号中的2倍于工频的纹波电压信号单独提取出来；比例放大器与带通滤波器连接，用于放大提取的纹波电压信号的幅值；

纹波电压判定及补偿系数选择模块314，用于将纹波电压的有效值与预设的阈值进行比较，并根据预设的各个阈值区间与补偿系数的对应关系，确定纹波电压的补偿系数后，输出相应的纹波电压补偿信号，形成输出电压控制闭环。

其中，纹波电压判定及补偿系数选择模块314中存储有预设的多个阈值。例如，设置四个阈值，分别是第一阈值vg1，第二阈值vg2，第三阈值vg3，第四阈值vg4，并且vg1大于等于vg2，vg2大于等于vg3，vg3大于等于vg4；相应的，补偿系数也为四个，分别为k1、k2、k3和k4。其中，k1大于等于k2，k2大于等于k3，k3大于等于k4，k4大于等于k5。具体实现时，如果纹波电压vripple2的有效值大于等于第一阈值vg1，则纹波补偿系数采用k1；如果vripple2的有效值小于第一阈值vg1且大于等于第二阈值vg2时，则纹波补偿系数采用k2；如果vripple2的有效值小于第二阈值vg2且大于等于第三阈值vg3时，则纹波补偿系数采用k3；如果vripple2的有效值小于第三阈值vg3且大于等于第四阈值vg4时，则纹波补偿系数采用k4；如果vripple2的有效值小于第四阈值vg4时，则纹波补偿系数采用k5。

由此可见，采用分段的方式，即通过预设的评估波纹电压的阈值的方式，可以比较精确的确定纹波电压的补偿系数，提高了输出电压的适应性，能够满足较宽的输出电压和输出功率的要求。

输出电压控制环路32，包括加法器321、加法器322、pi调节器323和驱动信号发生器324。具体实现时，首先由加法器将输出电压给定信号叠加在纹波电压补偿信号上作为输出电压的给定参考值，然后由减法器将输出电压的给定信号参考值与输出电压反馈值做差，获取误差值；然后，再由pi调节器对获取的误差值进行调节，获取驱动发生器的输入值；最后，由驱动信号发生器根据输入值产生相应的驱动信号，并将驱动信号输出至dc/dc变换器。

本技术方案的低频纹波电压控制环路，预设有评估纹波电压有效的阈值，因此可以按照这些阈值将纹波电压分成不同的区间，在对纹波电压进行补偿的时候就可以根据纹波电压所述的阈值区间进行补偿，因此开关电压装置的输出就能够满足较宽的输出功率和输出电压。另外，输出电压控制环路和低频纹波电压控制环路形成半闭环控制，提高了补偿的精度。

下面说明本发明的另一方面。

参考图2，该图是本发明一种开关电源输出控制方法的一种实施例的示意图，该方法包括如下步骤：

步骤s1，预设评估纹波电压的有效值的阈值和与不同的阈值区间对应的纹波电压补偿系数；

步骤s2，低频纹波电压控制环路接收来自dc/dc变换器的输出电压采样信号后，将包含2倍于工频的纹波电压信号提取出来，确定纹波电压有效值所属的阈值区间，并根据预设的阈值区间与纹波电压补偿系数的对应关系，确定纹波电压的补偿系，输出纹波电压补偿信号，并将所述纹波电压补偿信号叠加到输出电压控制环路的给定电压信号上；具体实现时，可以通过信号滤波处理模块对来自dc/dc变换器的输出电压采样信号进行滤波处理；通过带通滤波器将输出电压采用信号中的2倍于工频的纹波电压信号单独提取出来；通过比例放大器对提取的纹波电压信号进行幅值放大；通过纹波电压判定及补偿系数选择模块将纹波电压的有效值与预设的阈值进行比较，并根据预设的各个阈值与补偿系数的对应关系，确定纹波电压的补偿系数后，输出相应的纹波电压补偿信号。

步骤s3，输出电压控制环路根据纹波电压补偿信号和输入电压给定信号，生成驱动信号，并将驱动信号输出至dc/dc变换器。具体实现时，首先，将输出电压给定信号叠加上纹波电压补偿信号，作为输出电压的给定参考值；将输出电压的给定信号参考值与输出电压反馈值做差，获取误差值；然后，对获取的误差值进行调节，获取驱动信号输入值；最后，根据驱动信号输入值产生相应的驱动信号，并将驱动信号输出至dc/dc变换器。

需要说明的，上述步骤s1为预设的步骤，不是每次启动都需要的步骤，只要在第一次预设好就可以了。

本技术方案首先预设有评估纹波电压平均值的阈值，因此在对纹波电压进行补偿的时候就可以根据纹波电压所属的阈值区间进行补偿，从而提高了纹波电压的补偿精度，因此开关电压装置的输出就能够满足较宽的输出功率和输出电压。

本发明技术方案提出了一种输出低频纹波一致方法及其电源装置，可以在输出电压范围宽、输出功率范围宽的场合都能很好的实现全范围内的低频纹波电压补偿效果，适应范围广，可以有效降低电源装置的体积和成本。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。