[发明专利]一种消除开关电源次谐波振荡的方法

摘要

一种消除开关电源次谐波振荡的方法，基于包括采样模块、误差计算模块、PID模块、脉冲调制模块构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环。采样模块对开关电源输出电压进行采样并计算后得到Vo，误差计算模块将参考电压Vref减去Vo，得到当前采样的误差e1，PID模块根据误差e1和PI参数值进行PID运算，得到的补偿结果V_PI输出给脉冲调制模块，脉冲调制模块输出duty对开关电源进行控制；本发明增设时间长度计算模块和次谐波消除模块，通过时间长度计算模块计算出开关不同的时间长度进而通过次谐波消除模块确定补偿函数和计算控制电流的补偿量，利用给控制电流加补偿的方法来消除次谐波振荡。

主权项

1.一种消除开关电源次谐波振荡的方法，基于包括采样模块、误差计算模块、PID模块、以及脉冲调制模块构成的控制系统，所述脉冲调制模块采用脉冲宽度调制PWM模块或脉冲频率调制PFM模块其中之一，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；采样模块对开关电源输出电压的分压进行采样并计算后得到输出电压大小的信号Vo，误差计算模块将参考电压Vref减去输出电压Vo，得到当前采样的误差e1，PID模块根据误差e1和PI参数值进行PID运算，得到的补偿结果VPI输出给脉冲调制模块，脉冲调制模块输出开关信号duty对开关电源进行控制；其特征在于：在闭环控制系统中增设时间长度计算模块和次谐波消除模块，通过时间长度计算模块计算出开关信号不同的时间长度，进而通过次谐波消除模块确定补偿函数和计算控制电流的补偿量，利用给控制电流加补偿的方法来消除次谐波振荡，所述控制电流采用以峰值电流为控制电流或以平均电流为控制电流其中之一；包括以下步骤：(1)时间长度计算模块包括开关导通时间ton的计算、关断时间tr的计算和周期时间ts的计算，时间长度计算模块的输入是脉冲调制模块的开关信号duty输出，在开关信号duty的上升沿将导通时间ton、周期时间ts、关断时间tr的计数器都归零并开始导通时间ton和周期时间ts的计数，在开关信号duty的下降沿停止导通时间ton的计数，得到这个周期的导通时间ton的值，同时开始关断时间tr的计数，在开关信号duty的下一个上升沿，停止周期时间ts和关断时间tr的计数，得到这个周期的周期时间ts和关断时间tr的值，将这个周期的周期时间ts、关断时间tr、导通时间ton的值输出给次谐波消除模块，同时将导通时间ton、周期时间ts、关断时间tr的计数器都归零并开始下一个周期的导通时间ton和周期时间ts的计数，如此循环，使每个周期都能得到本周期的周期时间ts、关断时间tr、导通时间ton的值，并且将本周期的周期时间ts、关断时间tr、导通时间ton的值，分别记为ts(n)、tr(n)和ton(n)；(2)次谐波消除模块的输入是时间长度计算模块中得到的开关导通时间ton、关断时间tr以及周期时间ts，次谐波消除模块包括次谐波消除函数确定模块、控制电流补偿量计算模块和控制电流补偿值输出模块；1)次谐波消除函数确定模块需根据采用不同的控制电流方式及不同的脉冲调制控制模式确定出相应的次谐波消除函数，确定前的次谐波消除函数定义为f(n)，经过次谐波消除函数确定模块确定后的次谐波消除函数定义为其中，t_on(n‑x)，t_r(n‑x)，t_s(n‑x)分别代表在本周期前x个周期的开关导通时间，开关关断时间，开关周期时间；(A)在以峰值电流为控制电流，PWM模式为控制模式的情况下，定义峰值电流为Ipeak，这时，控制电流Iqt就是峰值电流Ipeak；①定义当前开关周期的峰值电流为Ipeak(n)，系统稳定无扰动时峰值电流为Ipeak_s，而当前开关周期峰值电流的补偿量为ΔIpeak(n)＝Ipeak(n)‑Ipeak_s；在次谐波消除函数确定模块中用到的ΔIpeak(n)是与确定前的次谐波消除函数f(n)有关的一个未确定的量，定义当前开关周期的开关导通时间为ton(n)，关断时间为tr(n)，周期时间为ts(n)，定义系统稳定无扰动时的开关导通时间为ton_s，关断时间为tr_s，周期时间为ts_s，定义当前开关周期的开关导通时间、关断时间和周期时间的误差分别为Δton(n)＝ton(n)‑ton_s、Δtr(n)＝tr(n)‑tr_s、Δts(n)＝ts(n)‑ts_s；定义PWM的最终输出到开关管的控制量为开关信号duty；定义整个开关周期中变压器等效到原边的电流为Im，并且基本稳定的情况下开关导通时Im上升的斜率为m1，开关关断时Im下降的斜率为m2；同时还要增加一个额外的监测量用于监测电流来得到次谐波的影响，这个监测量代表的是当前开关周期的等效到原边的电流Im的最小值Ipm(n)，系统稳定时，Ipm(n)＝Ipm_s，而它的变化量则定义为ΔIpm(n)＝Ipm(n)‑Ipm_s；而次谐波消除函数是ton(n)，tr(n)，ts(n)，ton(n‑1)，tr(n‑1)，ts(n‑1)……ton(n‑x)，tr(n‑x)，ts(n‑x)的函数；②对“第n个开关周期的开关导通时间的误差Δton(n)与第n个开关周期的峰值电流补偿量ΔIpeak(n)和第n个周期的监测量的变化量ΔIpm(n)”以及“第n个开关周期的监测量的变化量ΔIpm(n)与第n‑1个开关周期的监测量的变化量ΔIpm(n‑1)和第n‑1个开关周期的峰值电流补偿量ΔIpeak(n‑1)”进行状态分析，得到下面几个关系式：Δton(n)＝dΔIpeak(n)+eΔIpm(n)    (1)ΔIpm(n)＝aΔIpm(n‑1)+bΔIpeak(n‑1)    (2)其中，a，b，d，e都是常系数；③对时间变量开关导通时间ton进行小信号扰动分析，将f(n)小信号分离，使用开关导通时间ton做时间变量的峰值电流控制有f(n)＝a1ton(n)+a2ton(n‑1)+…+axton(n‑x)，因为通常情况下，Δton(n)<方阵M称为次谐波消除矩阵；⑤求出M的所有特征值，令这些特征值的绝对值均小于1即可得到对a₁，a₂…a_x‑1，a_x的要求即收敛区间，然后根据收敛区间来对a₁，a₂…a_x‑1，a_x进行取值就能够确定出符合条件的次谐波消除函数(B)在以峰值电流为控制电流，PFM模式为控制模式的情况下，定义峰值电流为Ipeak，这时，控制电流Iqt就是峰值电流Ipeak；步骤①的内容与(A)中①的内容相同；②对“第n个开关周期的开关周期时间的误差Δts(n)与第n个开关周期的峰值电流补偿量ΔIpeak(n)和第n个周期的监测量的变化量ΔIpm(n)”以及“第n个开关周期的监测量的变化量ΔIpm(n)与第n‑1个开关周期的监测量的变化量ΔIpm(n‑1)和第n‑1个开关周期的峰值电流补偿量ΔIpeak(n‑1)”进行状态分析，得到下面几个关系式：Δts(n)＝dΔIpeak(n)+eΔIpm(n)    (8)ΔIpm(n)＝aΔIpm(n‑1)+bΔIpeak(n‑1)    (9)其中，a，b，d，e都是常系数；③对时间变量开关周期时间ts进行小信号扰动分析，将f(n)小信号分离，使用开关周期时间ts做时间变量的峰值电流控制，有f(n)＝a1ts(n)+a2ts(n‑1)+…+axts(n‑x)，因为通常情况下，Δts(n)<方阵M称为次谐波消除矩阵；⑤求出M的所有特征值，令这些特征值的绝对值均小于1即得到对a₁，a₂…a_x‑1，a_x的要求即收敛区间，然后根据收敛区间来对a₁，a₂…a_x‑1，a_x进行取值就能够确定出符合条件的次谐波消除函数(C)在以平均电流为控制电流，PWM模式为控制模式的情况下，定义平均电流为Iav，这时，控制电流Iqt就是平均电流Iav；①定义当前开关周期的平均电流为Iav(n)，系统稳定无扰动时平均电流为Iav_s，当前开关周期平均电流的补偿量为ΔIav(n)＝Iav(n)‑Iav_s；在次谐波消除函数确定模块中用到的ΔIav(n)是与确定前的次谐波消除函数f(n)有关的一个未确定的量，定义当前开关周期的开关导通时间为ton(n)，关断时间为tr(n)，周期时间为ts(n)，定义系统稳定无扰动时的开关导通时间为ton_s，关断时间为tr_s，周期时间为ts_s，定义当前开关周期的开关导通时间、关断时间和周期时间的误差分别为Δton(n)＝ton(n)‑ton_s，Δtr(n)＝tr(n)‑tr_s，Δts(n)＝ts(n)‑ts_s；定义PWM的最终输出到开关管的控制量为duty；定义整个开关周期中变压器等效到原边的电流为Im，并且基本稳定的情况下开关导通时Im上升的斜率为m1，开关关断时Im下降的斜率为m2；同时还要增加一个额外的监测量用于监测电流来得到次谐波的影响，这个监测量代表的是当前开关周期的等效到原边的电流Im的最小值Ipm(n)，系统稳定时，Ipm(n)＝Ipm_s，而它的变化量则定义为ΔIpm(n)＝Ipm(n)‑Ipm_s；而次谐波消除函数是ton(n)，tr(n)，ts(n)，ton(n‑1)，tr(n‑1)，ts(n‑1)……ton(n‑x)，tr(n‑x)，ts(n‑x)的函数；②对“第n个开关周期的开关导通时间的误差Δton(n)与第n个开关周期的平均电流补偿量ΔIav(n)和第n个周期的监测量的变化量ΔIpm(n)”以及“第n个开关周期的监测量的变化量ΔIpm(n)与第n‑1个开关周期的监测量的变化量ΔIpm(n‑1)和第n‑1个开关周期的平均电流补偿量ΔIav(n‑1)”进行状态分析，得到下面几个关系式：Δton(n)＝dΔIav(n)+eΔIpm(n)    (15)ΔIpm(n)＝aΔIpm(n‑1)+bΔIav(n‑1)    (16)其中，a，b，d，e都是常系数；③对时间变量开关导通时间ton进行小信号扰动分析，将f(n)小信号分离，使用开关导通时间ton做时间变量的平均电流控制，有f(n)＝a1ton(n)+a2ton(n‑1)+…+axton(n‑x)，因为通常情况下，Δton(n)<方阵M称为次谐波消除矩阵；⑤求出M的所有特征值，令这些特征值的绝对值均小于1即可得到对a₁，a₂…a_x‑1，a_x的要求即收敛区间，然后根据收敛区间来对a₁，a₂…a_x‑1，a_x进行取值就能够确定出符合条件的次谐波消除函数(D)在以平均电流为控制电流，PFM模式为控制模式的情况下，定义平均电流为Iav，这时，控制电流Iqt就是平均电流Iav；步骤①的内容与(C)中①的内容相同；②对“第n个开关周期的开关周期时间的误差Δts(n)与第n个开关周期的平均电流补偿量ΔIav(n)和第n个周期的监测量的变化量ΔIpm(n)”以及“第n个开关周期的监测量的变化量ΔIpm(n)与第n‑1个开关周期的监测量的变化量ΔIpm(n‑1)和第n‑1个开关周期的平均电流补偿量ΔIav(n‑1)”进行状态分析，得到下面几个关系式：Δts(n)＝dΔIav(n)+eΔIpm(n)    (22)ΔIpm(n)＝aΔIpm(n‑1)+bΔIav(n‑1)    (23)其中，a，b，d，e都是常系数；③对时间变量开关周期时间ts进行小信号扰动分析，将f(n)小信号分离，开关周期时间ts做时间变量的平均电流控制，有f(n)＝a1ts(n)+a2ts(n‑1)+…+axts(n‑x)，因为通常情况下，Δts(n)<方阵M称为次谐波消除矩阵；⑤求出M的所有特征值，令这些特征值的绝对值均小于1即可得到对a₁，a₂…a_x‑1，a_x的要求即收敛区间，然后根据收敛区间来对a₁，a₂…a_x‑1，a_x进行取值就能够确定出出符合条件的次谐波消除函数2)在次谐波消除函数确定模块将次谐波消除函数确定之后，控制电流补偿量计算模块将这个周期输入的t_on(n)、t_s(n)、t_r(n)和根据维度存储的之前x周期的所有开关导通时间t_on、开关关断时间t_r、开关周期时间t_s的值代入到对应的控制电流方式及脉冲调制控制模式确定后的的次谐波消除函数中去，得到相应的第n+1个周期的控制电流的补偿量因为在这个周期结束的时候，时间长度计算模块才将这个周期得到的t_on(n)、t_s(n)和t_r(n)输出给次谐波消除模块，并且因为下周期一开始很短的时间内就能完成补偿，所以这个周期计算得到的控制电流的补偿量只能在下个周期，即第n+1个周期成功使用；控制电流补偿值输出模块用于输出次谐波消除模块的最终输出，即控制电流的补偿量ΔI_qt(n+1)；3)在脉冲调制模块中，首先用PID模块得到的VPI计算出不考虑次谐波影响的控制电流值Iqt_s，然后将次谐波消除模块的最终输出控制电流补偿量ΔIqt(n+1)与不考虑次谐波影响的控制电流值Iqt_s相加，得到加上了补偿的最终控制电流Iqt(n+1)，从而得到开关信号duty，实现对开关电源功率管的控制，完成通过给控制电流加补偿的方式消除次谐波振荡的环路控制。