开关电源的双环匹配自适应变频控制技术的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及开关电源的新型数字化自适应变频控制技术，具体设及一种能使开关 电源精度，能效和响应速度等性能指标最优化的自适应变频控制技术。
【背景技术】
[0002] 传统的开关电源控制技术分为电流型，电压型，或者二者相结合的控制技术，如前 馈电压+电流型W及后馈电压+电流型，该些技术本质上源于线性控制理论，无法同时兼顾 开关电源零极点处的性能。安美森半导体公司最新推出的电流型控制频率反走技术，可极 大优化轻载状态的能效指标，但无助于提高输出精度和响应速度。
【发明内容】
[0003] 在为了解决开关电源同时存在零极点的问题，在传统电流型控制的基础上引入了 非线性的自适应变频控制方法，同时采用匹配滤波技术，不仅有效解决零极点问题，并能在 高精度的同时具有较快的响应速度，而自适应变频控制方法也能有效降低轻载时的开关损 耗，提高系统能效，达到频率反走技术相同的功能。具体方案如实施案例中附图1所示。
[0004] 从附图1可W看出，除次级反馈电路外，各电路模块的结构与传统实施方案非常 接近。当然仅限于电路结构类似，本方案属于双环数字控制方式，与传统方案有本质区别， 所有反馈回路均反馈高低电平"1" "0"的数字信号，PWM信号控制器模块根据反馈的数字 信号及其持续时间，通过自适应控制算法，输出频率和占空比均可变的PWM信号，从而有效 控制输出级的电压或电流控制精度。通过高频变压器线圈电感量L和输出级滤波电容C，W 及额定控制频率f的匹配设计，能达成精度和响应速度的最优化。在输入电压及负载发生 变化时，控制信号频率和占空比也会随之变化，在轻负载或空载状态时，将大幅降低开关损 耗，提高能源利用效率。
[000引本发明的技术方案可W通过ASIC巧片、FPGA、DSP、CPLD等技术平台实施，可广泛 应用于开关电源的各种拓扑结构之中，实现开关电源的数字化精确控制，稳压或稳流精度 比传统方法高出1-2个数量级的同时响应速度也更快3-10倍（随电路参数的不同有所变 化）。
[0006] 下面结合附图与本技术方案在反激式开关电源实验电路中的实施方式，对本发明 进一步说明。
【附图说明】
[0007]
[0008] 图1为反激式开关电源实验电路的系统结构示意图；
[0009] 图2为反激式开关电源实验电路主体结构电路图；
[0010] 图3为反激式开关电源实验电路PWM信号控制器肿GA)电路图；
[0011] 图4为反激式开关电源实验电路的PCB图。
【具体实施方式】
[0012]
[0013] 实施例1，参见图1~图4,本实施例在反激式开关电源中实现了双环匹配自适应 变频控制技术。如图1所示，该实例中可分为=大子系统；1)功率通路；2)原边控制电路 子系统；3)副边反馈电路子系统。各子系统对应的电路模块如图2及图3所示。反馈环路 为数字信号，控制器为数字控制器。
[0014] 实施步骤；
[0015] 在讲述实施步骤之前，请先了解本发明中所采用的最新技术方案： 1.建立开关电源的精确数学仿真模型
[0016] 开关电源的状态频繁切换，系统在开和关的状态分别对应不同的电路结构，有着 不同的系统函数。对开关电源建模时，应将开关电源按变结构系统处理，即在建模中引入开 关函数，从而将变结构的电源系统构建出统一的系统函数表达式。
[0017] 根据电路拉普拉斯方程的定义，开关电源中最基本的电路方程为：
[0018]①IL(S) = UL (巧/(S礼）+ IL(0)/S
[0019]②UC (巧=1C (巧/(S*C) + UC(0)/S
[0020] 二阶电路分解公式：
[0021] S - 2 + S/R/C+l/L/C=(S_入1)*(S_入2);
[0022]设曰=-1 / 2 / R / C，《= (1 / L / C - 1 / 4 * R ~2 *C ~ 2 ) ~ 1/2贝IJ
[0023] A1二a-Q，A2二a+co ;
[0024] 降压型）电路：
[0025] 数学模型分析；开关管导通期间输入电源对LC储能回路充电并对负载供电，该是 该拓扑结构可构成大功率开关电源的根本原因。
[0026] 除基本电路方程外，开关管导通期间的电路方程为：
[0027]⑤Uin(S)/S = UL(巧+ UC(巧
[0028]⑤IL(S) = UC(S)/R + IC(S)
[0029] 可W求出系统中能量元件的能量函数表达式：
[0030] IL(S) = (Uin(S)/L + Uin(S)/(S*R*L*C)+S*IL(0)+IL(0)/R/C-UC(0)/R) / ((S+a) ' 2 +?'。；
[0031] UC做二化in(S) / (S* L*C) + S* UC(0) + IL(0) / C)/((S+a)'2 + 〇 2);
[0032] 开关管断开期间的电路方程为：
[0033]⑤UL(巧+ UC(巧+ Vd/S = 0
[0034]④IL(S) = UC(S)/R + IC(S)
[00巧]能量函数表达式：
[0036] IL(S) = (S* IL(0) + IL(0) / R / C - UC(0) / L - Vd / L - Vd / (S*R*L*C)) / (S-2+S/R/C+l/L/C);
[0037] UC (巧=(S* UC(0) + IL(0) / C - Vd / (S* L*C) )/(S'2 + S/ R/ C + 1 / L /C)；
[00測升压型）电路：
[0039] 数学模型分析；开关管导通期间输入电源对L充电并由C对负载供电。开关管导 通期间的电路方程为：
[0040]⑤化n(S)/S = UL做
[0041]④UC(巧+ 1C(巧* R =0
[0042] 可W求出系统中能量元件的能量函数表达式：
[0043] IL(S)=化n(巧/(S-2*L) + IL(0) / S
[0044] UC (巧=UC(0) / ( S + 1 / (R*C))
[0045] 开关管断开期间的电路方程为：
[0046]⑤Uin(S)/S=UL(巧 +UC(巧
[0047]④IL(S)=UC做/R+1C做
[0048] 能量函数表达式：
[004引说明；⑤式中UC做和化n做方向相反，WUC做方向为正。联立四式解得
[0050] IL(S) = (Uin(S)/L + Uin(S)/(S*R*L*C)+S*IL(0)+IL(0)/R/C-UC(0) / R) / (S'2 + S/ R/ C+ l/ L/C);
[0051] UC(巧=化in(S) / (S* L*C) + S* UC(0) + IL(0) / C)/(S'2 + S/ R / C + 1 / L /C)；
[00閲化简可得：
[0053] IL(S) = (Uin(S)/L + Uin(S)/(S*R*L*C)+S*IL(0)+IL(0)/R/C-UC(0) / R ) / (( S + a ) ' 2+?'。；
[0054] UC做二化in(S) / (S* L*C) + S* UC(0) + IL(0) / C ) / (( S + a ) ' 2 +o2);
[0055] 升-降压型）电路：
[0056] 数学模型分析；开关管导通期间输入电源对L充电并由C对负载供电。根据拉普 拉斯方程，开关管导通期间的电路方程为：
[0057]⑤化n(S)/S = UL做
[0058]④UC做+ 1C做* R =0
[0059] 联立四式解得
[0060] IL(S)=化n(巧/(S-2*L) + IL(0) / S
[0061] UC (巧=UC(0) / ( S + 1 / (R*C))
[0062] 开关管断开期间的电路方程为：
[0063]③UL(巧+ UC(巧+ Vd/S = 0
[0064]④IL(S) = UC(S)/R + IC(S)
[006引说明迎式中UC做和Vd方向相同，WUC做方向为正。联立四式解得[0066] IL(S) = (S* IL(0) + IL(0) / R / C - UC(0) / R - Vd / L - Vd / (S*R*L*C)) / (S-2+S/R/C+l/L/C);
[0067] UC (巧=(S* UC(0) + IL(0) / C - Vd / (S* L*C) )/(S'2 + S/ R/ C + 1 / L /C)；
[0068] 上述过程我们分析了 =种典型拓扑结构的拉普拉斯方程，推导出了能量原件的能 量函数表达式，再经过拉普拉斯反变换，即可得出能量函数的时域表达式。为论证方便，下 述将推理所需公式列举，不再详述推导过程。
[0069] 因式分解为： a. S/(S -入1) /(S-入2) =l/2/w*(入2/(S-入2)-入1/(S -入1 ))； b. 1/( S -入1) /(S -入2) =l/2/w*(l/(S -入2) _1/(S-入1));C.l/S/( S-入1 ) /( S-入2 ) =1/S/入1/入2 + 1/2/?*(1/入2/( S -入2 ) -1/入1/( S-入1 )) = L*C/S + l/2/?*(l/入2/(S -入2) - 1/入1/(S-入1));
[0070] 拉氏反变换为： d. S/(S-入1)/(S-入2) =1/2/"*(入2*exp(人2*t)-入1* exp(Al*1:)); e. 1/(S-入1)/(S-入2) =1/2/ ? * ( exp(入2*1:) - exp(入1*1:)); f. l/S/( S-入1)/(S-入2)=L*C+ 1/2/?*(1/入2*exp(入2村）-1/ 入l*exp ( Al*t));
[0071] 综合上述各式，即可得出各拓扑结构的时域能量函数表达式：
[007引 降压型）电路：
[0073] 开关管导通期间的时域能量