一种多路电源供电集成总成及其控制方法与流程

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种多路电源供电集成总成及其控制方法。

背景技术：

现有技术中，交流与直流电源输入装置的输入端口是固定的，不能相互交换，对于只能提供交流电源的场合，直流电源输入装置往往不能使用，而对于只能提供直流电源的场合，交流电源输入装置往往不能使用，给使用者带来不便。

便携式终端产品的种类和用途的不断增多，对便携式充电器电源的要求也越来越高。现有便携式充电电源主要采用将有线充电和无线充电用两个电源来实现，一个充电电源无法同时满足有线充电和无线充电的要求。

通常的交流电源输入装置主要包括ac/dc和dc/dc变换器、逆变器和系统控制电路等，而通常的直流电源输入装置主要包括dc/dc和dc/ac变换器和系统控制电路等。如果单独设计电源装置的所有部分，会导致电源装置的成本和体积增大。现有装置主要是将ac/dc和dc/dc变换器集成在一起，难以满足对电源装置的成本和体积的要求。

现有的多路电源供电装置中，输出端电压和电能质量往往随输入电压和终端负载而变化，输出端口的电压存在波动、谐波、失谐等缺点，并且在使用过程中供电装置的输入端口与输出端口不能互换。

技术实现要素：

针对背景技术中提出的缺点和不足，本发明提出了一种多路电源供电集成总成及其控制方法，可同时用于交流、直流、有线、无线电源，输出端口稳压、稳频及无谐波，具有成本低、体积小、便于携带的优点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种多路电源供电集成总成，至少包括控制单元电路及与控制单元电路电连接的双向交流调压电路、双向高频谐振电路、双向整流逆变调压电路、整流降压电路、交流稳压控制电路、频率跟踪控制电路、第一直流稳压控制电路和第二直流稳压控制电路；所述的双向交流调压电路、双向高频谐振电路、双向整流逆变调压电路及整流降压电路均电连接有同一交流母线；所述的交流稳压控制电路与双向交流调压电路构成双向电连接，并控制双向交流调压电路实现交流电压大小和频率可调的双向变换；所述的频率跟踪控制电路与双向高频谐振电路构成双向电连接，并控制双向高频谐振电路形成高频的无线充电电压或接收高频的无线放电电压；所述的第一直流稳压控制电路与双向整流逆变调压电路构成双向电连接，并控制双向整流逆变调压电路实现大小和频率可调的交流/直流整流逆变功能；所述的第二直流稳压控制电路与整流降压电路构成单向电连接，用于提供稳定的5v直流电压。

进一步设置为：所述的双向交流调压电路包括依次连接的输入滤波电路、桥式整流电路、直流斩波电路、桥式逆变电路和输出滤波电路，所述的桥式整流电路和桥式逆变电路均具有四个可控开关器件，且每一个所述的可控开关器件均并联有一反向二极管；所述的直流斩波电路由可控开关器件与储能电感构成；所述的输入滤波电路和输出滤波电路均由滤波电感和滤波电容构成；所述的双向高频谐振电路包括依次连接的桥式整流电路、高频逆变电路、谐振网络及线圈构成，所述的谐振网络为由两个滤波电容及一个滤波电感构成lcc谐振结构，所述的线圈通电产生高频耦合磁场；所述的双向整流逆变调压电路包括依次连接的输入整流滤波电路、桥式双向ac/dc转换电路及输出整流滤波电路，所述的输入整流滤波电路和输出整流滤波电路均由储能电感和滤波电容构成，所述的桥式双向ac/dc转换电路由四个全控开关器件及与每一个全控开关器件并联的反向二极管构成。

进一步设置为：所述的交流稳压控制电路至少包括pid调节器及pwm生成器；所述的频率跟踪控制电路至少包括采样电阻、放大电路及反相器；所述的第一直流稳压控制电路至少包括电流pi控制器及电压pi控制器。

本发明还提供了一种多路电源供电集成总成的控制方法，包括以下步骤：

s1、根据接入至多路电源供电集成总成的电压的区别具有四种工作模式:

当接入电压为市电时，则切换为工作模式一并跳至步骤s2；

当接入电压为不同于市电的交流电时，则切换为工作模式二并跳至步骤s3；

当接入电压为直流电时，则切换至工作模式三并跳至步骤s4；

当接入电压为高频的交流电时，则切换至工作模式四并跳至步骤s5；

s2、工作模式一：接入市电连接交流母线，通过双向交流调压电路和交流稳压控制电路，得到大小可调的交流电压输出；通过双向整流逆变调压电路和第一直流稳压控制电路，得到大小可调的直流电压输出；通过整流降压电路和第二直流稳压控制电路，得到5v的直流电压输出；通过双向高频谐振电路和频率跟踪控制电路，得到大小和频率可调的高频交流输出；接着跳至步骤s6；

s3、工作模式二：接入电压连接交流稳压控制电路，设定值取市电值，并通过双向交流调压电路和交流稳压控制电路于交流母线上得到市电；接着通过双向整流逆变调压电路和第一直流稳压控制电路，得到大小可调的直流电压输出；通过整流降压电路和第二直流稳压控制电路，得到5v的直流电压输出；通过双向高频谐振电路和频率跟踪控制电路，得到大小和频率可调的高频交流输出；接着跳至步骤s6；

s4、工作模式三：接入电压连接第一直流稳压控制电路，设定值取市电值，并通过双向整流逆变调压电路和第一直流稳压控制电路于交流母线上得到市电；接着通过双向交流调压电路和交流稳压控制电路，得到大小可调的交流电压输出；通过整流降压电路和第二直流稳压控制电路，得到5v的直流电压输出；通过双向高频谐振电路和频率跟踪控制电路，得到大小和频率可调的高频交流输出；接着跳至步骤s6；

s5、工作模式四：接入电压连接频率跟踪控制电路，设定值取市电值，并通过双向高频谐振电路和频率跟踪控制电路于交流母线上得到市电；接着通过双向交流调压电路和交流稳压控制电路，得到大小可调的交流电压输出；通过双向整流逆变调压电路和第一直流稳压控制电路，得到大小可调的直流电压输出；通过整流降压电路和第二直流稳压控制电路，得到5v的直流电压输出；

s6、多路电源供电集成总成保持工作，直至输入电压发生变化后重新回至步骤s1。

进一步设置为：所述的交流稳压控制电路的控制方法具体包括：采用模糊rbf神经网络pid稳压控制策略，将采集到的桥式逆变电路输出电压与指定电压的电压偏差e和偏差的变化速率ec作为模糊rbf神经网络，输出pid调节器的三个参数kp、ki和kd，结合e和ec经过pid调节器，由pwm生成器产生pwm脉冲信号，驱动控制桥式整流电路、直流斩波电路、桥式逆变电路中可控开关器件的通断，得到需要的输出交流电压。

进一步设置为：所述的频率跟踪控制电路的控制方法具体包括：采用基于锁相环的频率跟踪与自动调频控制策略，通过采样电阻采集双向高频谐振电路发射端的电流信号，经过放大电路，得到与双向高频谐振电路电流频率和相位相同的电压信号，双向高频谐振电路的电压信号经过相位补偿和反相器，得到与双向高频谐振电路电压同频率同相位的电压信号，两电压信号通过锁相环得到由两者相位差确定的驱动信号，来调节高频逆变电路中开关管的通断频率，直到双向高频谐振电路的电压与电流的相位差为零，发射端电路处于完全串联谐振状态，实现了频率的自动跟踪。

进一步设置为：所述的第一直流稳压控制电路的控制方法具体包括：采用基于pi控制器的直接电流控制的电压电流双闭环控制，即外环控制稳定直流输出电压、内环控制稳定交流电流，电压外环通过采集的实际直流电压与设定跟踪的指令电压相比较，通过电压pi控制器可为电流内环提供幅值基准，再将此幅值基准通过乘法器乘以与交流侧交流正弦电压相位相同的正弦信号即得到电流内环的指令参考电流，电流内环通过采集的交流侧实际电流与之前得到的参考电流相比较，通过电流pi控制器来实现对全控开关管的控制，从而使得交流侧被控电流按照指令参考电流变化，实现电流跟踪电压的目的。

本发明的有益效果是：

实现电压大小可调的交流和直流输出、频率可调的高频交流输出。具有直流输入端口与交流输入端口可以互换、输入端口与输出端口可以互换、随负载自动调压、无谐波、单位功率因数、频率跟踪、稳压和稳频特点，方便用于不同交流和直流电源、不同电池组有线无线充放电装置。

本发明的有益效果不限于此描述，为了更好的便于理解，在具体实施方式部分进行了更佳详细的描述。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明中双向交流调压电路的电路图；

图3为本发明中双向整流逆变调压电路的电路图；

图4为本发明中双向高频谐振电路的电路图；

图5为本发明中交流稳压控制电路的原理图；

图6为本发明中模糊rbf神经网络结构的原理图；

图7为本发明中频率跟踪控制电路的原理图；

图8为本发明中第一直流稳压控制电路的原理图；

图9为本发明中多路电源供电集成面板的结构图。

图中：a0、交流母线；a1、双向交流调压电路；a2、双向高频谐振电路；a3、双向整流逆变调压电路；a4、整流降压电路；a5、交流稳压控制电路；a6、频率跟踪控制电路；a7、第一直流稳压控制电路；a8、第二直流稳压控制电路；a9、控制单元电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，如图1至图9所示。

实施例1

如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种多路电源供电集成总成，至少包括控制单元电路a9及与控制单元电路a9电连接的双向交流调压电路a1、双向高频谐振电路a2、双向整流逆变调压电路a3、整流降压电路a4、交流稳压控制电路a5、频率跟踪控制电路a6、第一直流稳压控制电路a7和第二直流稳压控制电路a8；

双向交流调压电路a1、双向高频谐振电路a2、双向整流逆变调压电路a3及整流降压电路a4均电连接有同一交流母线a0；

交流稳压控制电路a5与双向交流调压电路a1构成双向电连接，并控制双向交流调压电路a1实现交流电压大小和频率可调的双向变换；

频率跟踪控制电路a6与双向高频谐振电路a2构成双向电连接，并控制双向高频谐振电路a2形成高频的无线充电电压或接收高频的无线放电电压；

第一直流稳压控制电路a7与双向整流逆变调压电路a3构成双向电连接，并控制双向整流逆变调压电路a3实现大小和频率可调的交流/直流整流逆变功能；

第二直流稳压控制电路a8与整流降压电路a4构成单向电连接，用于提供稳定的5v直流电压。本实施例中的整流降压电路a4和第二直流稳压控制电路a8为常规的结构，只需将电压单向降压至5v直流电即可，为电子领域的常规技术手段，同时在大学教科学模拟电路有详细的说明，不再加以阐述。

具体的，如图2所示，双向交流调压电路a1包括依次连接的输入滤波电路、桥式整流电路、直流斩波电路、桥式逆变电路和输出滤波电路，桥式整流电路和桥式逆变电路均具有四个可控开关器件，且每一个可控开关器件均并联有一反向二极管，控制单元电路a9发送到可控开关器件的spwm驱动信号，来控制可控开关器件的通断，通过改变驱动信号spwm的通断比来控制整流输出电压的大小。直流斩波电路由可控开关器件与储能电感构成，可以通过控制可控开关器件的通断来调整输出直流电压的大小，再通过桥式逆变电路、输入滤波电路和输出滤波电路得到正弦交流电压，通过改变驱动信号spwm的通断比来控制逆变后输出需要的交流电压的大小和频率。输入滤波电路和输出滤波电路均由滤波电感和滤波电容构成，构成常规的lc滤波结构。

利用控制电路发出的spwm控制信号分别控制桥式整流电路和桥式逆变电路的四个可控开关器件的通断，交流电压经输入滤波获得无谐波的正弦交流电压，经过桥式整流电路形成大小可调的直流电压，经过桥式逆变电路得到的一系列等幅调宽的电压信号，再通过输出滤波后可获得无谐波交流电压信号输出，通过控制策略和全控开关器件，可以实现电能的反向流动，实现交流电压大小和频率可调的双向变换。

具体的，如图3所示，双向整流逆变调压电路a3包括依次连接的输入整流滤波电路、桥式双向ac/dc转换电路及输出整流滤波电路，输入整流滤波电路和输出整流滤波电路均由储能电感和滤波电容构成，桥式双向ac/dc转换电路由四个全控开关器件及与每一个全控开关器件并联的反向二极管构成。通过控制全控开关器件的通断，当处于正向整流状态时储能电感先储能后放能，将输入交流转换成输出端口直流；当处于反向逆变状态时，储能电感先储能后放能，利用储能电感稳流、滤波电容稳压、二极管续流及储能电感和滤波电容的滤波作用，将输入直流转换成交流输出端口。这种双向整流逆变调压电路a3，能实现大小和频率可调的双向整流逆变功能，具有输入、输出电压范围宽的特点。桥式双向ac/dc转换电路为两臂开关，同一臂开关的控制信号彼此为互补信号，且都有死区时间，以避免上下两臂同时导通造成短路。功率开关切换的控制方式使用spwm，并采用高频的切换方式以减小开关损耗和后级滤、滤波电路的体积。

具体的，如图4所示，双向高频谐振电路a2包括依次连接的桥式整流电路、高频逆变电路、谐振网络及线圈构成，谐振网络为由两个滤波电容及一个滤波电感构成lcc谐振结构，线圈通电产生高频耦合磁场；控制单元电路a9采用逆变电压电流检测与频率跟踪组成的pwm控制集成电路，产生高频pwm波信号，驱动双向高频谐振电路a2中可控开关器件的通断，结合谐振网络，为线圈产生高频电流，线圈产生高频耦合磁场，形成高频无线充电电源供无线充电装置使用。双向高频谐振电路a2可形成高频的无线充电电压或接收高频的无线放电电压用于无线充电和放电无线接收。

具体的，如图5和图6所示，交流稳压控制电路a5至少包括pid调节器及pwm生成器。交流稳压控制电路a5的控制方法为：以需要某一输出电压值为设定值，通过实时采集实际输出值与该设定值偏差的比例积分微分通过线性组合构成控制量的pid调节器，采用模糊神经网络法计算连接权值更新量，来配置对pid调节器参数进行设计，得到控制单元电路a9的spwm驱动信号，控制开关器件的通断，实现交流电压大小的控制。通过采集输出值与该设定值偏差，采用模糊神经网络与pid调节器相结合的控制策略，自动调整spwm，控制输出电压的大小，实现稳定的交流输出，可以得到输出电压与输入电压同相位，功率因数近似为1。具体为，将采集到的桥式逆变电路输出电压与指定电压的电压偏差e和偏差的变化速率ec作为模糊rbf神经网络，输出pid调节器的三个参数kp、ki和kd，结合e和ec经过pid调节器，由控制单元电路a9中的pwm生成器产生pwm脉冲信号，驱动控制桥式整流电路、直流斩波电路、桥式逆变电路中可控开关器件的通断，得到需要的输出交流电压。

其中，模糊rbf神经网络结构为：由传统pid调节器和模糊神经网络组成。采用传统pid调节器对控制对象进行闭环控制，pid调节器的3个参数由模糊神经网络在线调节。模糊神经网络以控制系统电压偏差e和偏差的变化速率ec组成的输入神经元，由pid控制器3个参数kp、ki、kd组成的输出神经元。模糊rbf神经网络由输入层、模糊化层、模糊推理层及输出层组成，通过调节权值与模糊隶属函数的中心及基宽来实现控制。

利用rbf神经网络自学习和无限逼近能力对pid调节器的kp、ki、kd参数进行在线实时整定，将实时采样输出端口电压信息反馈并完成闭环控制，通过神经网络的自我学习、自我调整，输出使系统达到某种系统最优化的三个pid调节器的控制参数，从而实现交流电压的自动稳定控制。

具体的，如图7所示，频率跟踪控制电路a6至少包括采样电阻、放大电路及反相器。频率跟踪控制电路a6的控制方法为：采用基于锁相环的频率跟踪与自动调频控制策略，通过采样电阻采集双向高频谐振电路a2发射端的电流信号，经过放大电路，得到与双向高频谐振电路a2电流频率和相位相同的电压信号，双向高频谐振电路a2的电压信号经过相位补偿和反相器，得到与双向高频谐振电路a2电压同频率同相位的电压信号，两电压信号通过锁相环得到由两者相位差确定的驱动信号，来调节高频逆变电路中开关管的通断频率，直到双向高频谐振电路a2的电压与电流的相位差为零，发射端电路处于完全串联谐振状态，实现了频率的自动跟踪。如果因参数发生变化导致谐振电路的固有频率与发射不一致，依据接收端谐振电路的固有频率来调节发射端的可调电容，自动调整发射端的驱动频率，实现发射端和接收端谐振电路的电压与电流相位差均为零，发射和接收电路处于同频率的谐振状态，从而实现了适合不同负载的频率自动跟踪和调频的控制。

具体的，如图8所示，第一直流稳压控制电路a7至少包括电流pi控制器及电压pi控制器，第一直流稳压控制电路a7的控制方法包括：采用基于pi控制器的直接电流控制的电压电流双闭环控制，即外环控制稳定直流输出电压、内环控制稳定交流电流，电压外环通过采集的实际直流电压与设定跟踪的指令电压相比较，通过电压pi控制器可为电流内环提供幅值基准，再将此幅值基准通过乘法器乘以与交流侧交流正弦电压相位相同的正弦信号即得到电流内环的指令参考电流，电流内环通过采集的交流侧实际电流与之前得到的参考电流相比较，通过电流pi控制器来实现对全控开关管的控制，从而使得交流侧被控电流按照指令参考电流变化，实现电流跟踪电压的目的。基于电流pi控制器和电压pi控制器的直接电流控制的电压电流双闭环控制的pwm双向整流逆变电路a3具有整流和逆变都实现单位功率因数运行、减小开关损耗、延长使用寿命、整流运行模态时能快速得到稳定的输出电压、逆变时得到很好的正弦交流电压、减少直流侧谐波、提高直流侧滤波器性能等优点。

实施例2

如图9所示，本实施例还提供了一种多路电源供电集成面板，将实施例1中的多路电源供电集成总成焊接于电路板上并配置于多路电源供电集成面板内。该多路电源供电集成面板具有11个端口，其端口1为220v交流电压端口，端口2为其他不同交流电压端口，端口3为不同直流电压端口，端口4为高频交流电压端口，端口5为usb端口，端口6为接口电压频率显示窗口，端口7为接口显示切换开关，端口8为交流大小调节旋钮(电位器)，端口9为直流大小调节旋钮(电位器)，端口10为高频交流电压调节旋钮(电位器)，端口11为高频交流频率调节旋钮(可调电容)。

实施例3

本实施例3基于实施例2的一种多路电源供电集成面板，根据连接在多路电源供电集成面板的不同端口的电压，具有四种不同的工作模式；具体包括以下步骤：

s1、根据接入至多路电源供电集成总成的电压，连接在多路电源供电集成面板的相应端口，具有四种工作模式：

端口1为市电的接入端口，当接入电压为市电时，则切换为工作模式一并跳至步骤s2；

端口2为不同于市电的交流接入端口，当接入电压为不同于市电的交流电时，则切换为工作模式二并跳至步骤s3；

端口3为直流接入端口，当接入电压为直流电时，则切换至工作模式三并跳至步骤s4；

端口4高频交流接入端口(用于无线充电的接受端口)，当接入电压为高频的交流电时，则切换至工作模式四并跳至步骤s5。

s2、工作模式一：输入的市电电压为交流母线a0电压，利用面板上的各个调节旋钮设置输出端口指定值，控制单元电路a9根据指定值与输出端口实际值产生pwm控制脉冲信号，通过驱动电路中各个开关管的通断，根据相应的控制策略，调整pwm驱动信号，直到端口输出值等于设置的指定值。具体是，通过双向交流调压电路a1和交流稳压控制电路a5，端口2得到大小可调的交流电压输出；通过双向整流逆变调压电路a3和第一直流稳压控制电路a7，端口3得到大小可调的直流电压输出；通过整流降压电路a4和第二直流稳压控制电路a8，端口5得到5v的直流电压输出；在端口10设置输出交流大小指定值、可调端口11设置输出交流频率指定值，通过双向高频谐振电路a2和频率跟踪控制电路a6，端口4得到大小和频率可调的高频交流输出，用于无线充电的发射端口；接着跳至步骤s6；

s3、工作模式二：通过双向交流调压电路a1和交流稳压控制电路a5于交流母线a0上得到市电，指定值取市电值，端口1得到220v交流输出电压，由于采用交流母线a0结构，类似工作模式一，利用面板上的各个调节旋钮设置输出端口指定值，控制单元电路a9根据指定值与输出端口实际值产生pwm控制脉冲信号，通过驱动电路中各开关管的通断，根据相应的控制策略，调整pwm驱动信号，直到端口输出值等于设置的指定值。具体是通过双向整流逆变调压电路a3和第一直流稳压控制电路a7，得到大小可调的直流电压输出；通过整流降压电路a4和第二直流稳压控制电路a8，得到5v的直流电压输出；通过双向高频谐振电路a2和频率跟踪控制电路a6，得到大小和频率可调的高频交流输出；端口1为市电的输出端口，端口3为大小可调的直流输出端口，端口4为大小和频率可调的高频交流输出端口(用于无线充电的发射端口)，端口5为usb输出端口；接着跳至步骤s6；

s4、工作模式三：通过双向整流逆变调压电路a3和第一直流稳压控制电路a7于交流母线a0上得到市电；由于采用交流母线a0结构，类似工作模式一，利用面板上的各个调节旋钮设置输出端口指定值，控制单元电路a9根据指定值与输出端口实际值产生pwm控制脉冲信号，通过驱动电路中各开关管的通断，根据相应的控制策略，调整pwm驱动信号，直到端口输出值等于设置的指定值。具体是通过双向交流调压电路a1和交流稳压控制电路a5，得到大小可调的交流电压输出；通过整流降压电路a4和第二直流稳压控制电路a8，得到5v的直流电压输出；通过双向高频谐振电路a2和频率跟踪控制电路a6，得到大小和频率可调的高频交流输出；端口1为市电的输出端口，端口2为大小可调的交流输出端口，端口4为大小和频率可调的高频交流输出端口(用于无线充电的发射端口)，端口5为usb输出端口。接着跳至步骤s6；

s5、工作模式四：通过双向高频谐振电路a2和频率跟踪控制电路a6，端口4中的双向高频谐振电路a2获得最大传输功率和最高传输效率的外界无线发射功率，向端口1提供市电交流电压值，作为交流母线a0电压。通过双向交流调压电路a1和交流稳压控制电路a5，得到大小可调的交流电压输出；通过双向整流逆变调压电路a3和第一直流稳压控制电路a7，得到大小可调的直流电压输出；通过整流降压电路a4和第二直流稳压控制电路a8，得到5v的直流电压输出；具体是端口1为市电的输出端口，端口2为大小可调的交流输出端口，端口3为大小可调的直流输出端口，端口5为usb输出端口。

s6、多路电源供电集成总成保持工作，直至输入电压发生变化后重新回至步骤s1。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。