本發(fā)明屬于電子設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

單路輸出變換器具有輸出電壓穩(wěn)定、紋波小、負載調(diào)整率高、動態(tài)響應(yīng)速度快的特點。然而，實際應(yīng)用中很多設(shè)備需要多路輔助電源，若每路輔助電源采用單獨的變換器和高壓隔離變壓器，勢必造成供電系統(tǒng)體積龐大，使得輔助電源設(shè)計復(fù)雜化，從而降低設(shè)備的可靠性。

采用多路輸出變換器拓撲代替多個單路輸出變換器拓撲，可解決因多個獨立DC/DC變換器組合產(chǎn)生的干擾，簡化電路設(shè)計、縮小供電設(shè)備體積、降低成本，提高電源可靠性指標。然而，多路輸出正激變換器在主路輸出負載或輔路輸出負載變化時，會引起輔路電壓產(chǎn)生較大范圍的波動，存在交叉調(diào)整問題。因此，設(shè)計一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)及控制方法具有實際應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)及其控制方法，主電路采用正激式DC-DC變換器，通過ARM處理器智能判斷主路和輔路，兩路均采用閉環(huán)控制方法，同時控制功率開關(guān)管的占空比，提高雙路輸出正激電源在輸出負載變化應(yīng)用環(huán)境中的輸出電壓精度和動態(tài)性能，改善交叉調(diào)整率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)，包括主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器、采樣電路、控制器、第一路驅(qū)動電路和第二路驅(qū)動電路，主電路正激式DC-DC變換器雙路輸出端同時連接采樣電路輸入端，采樣電路輸出端連接控制器輸入端，控制器輸出端一端連接DC-DC變換器第一路驅(qū)動電路，另一端連接DC-DC變換器第二路驅(qū)動電路，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)；控制器、第一路驅(qū)動電路、第二路驅(qū)動電路分別于主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器相連接；

所述的主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器采用正激式拓撲結(jié)構(gòu)，將正激變換器中二次側(cè)串接的整流二極管均替換為功率開關(guān)管S₁和S₂，實現(xiàn)兩路輸出的同步控制功能；

所述的采樣電路采樣輸出電流、電感電流和輸出電壓，并將采樣信息發(fā)送到控制器；

所述的控制器采用STM32F4處理器，實現(xiàn)對兩路輸出功率的計算、比較，判斷出主路和輔路，并發(fā)送信息到第一路驅(qū)動電路和第二路驅(qū)動電路；

所述的第一路驅(qū)動電路采用相應(yīng)的控制策略；

所述的第二路驅(qū)動電路采用相應(yīng)的控制策略。

一種雙路輸出DC-DC變換器的控制方法，包括以下步驟：

1)采樣電路采樣雙路輸出的輸出電流i_o(t)、電感電流i_L(t)和輸出電壓U_o(t)；

2)將采樣信息送入控制器，根據(jù)公式R_L＝U_o(t)/i_o(t)計算出實時負載阻抗值R_L1和R_L2，再根據(jù)公式計算兩路對應(yīng)的輸出功率P_o1和P_o2；

3)控制器將P_o1和P_o2作比較來確定主路和輔路；

4)根據(jù)判斷結(jié)果采用相應(yīng)的控制策略，主路采用主路控制策略，同步控制變壓器原邊主開關(guān)管Q和主路整流二極管S₁的導(dǎo)通與關(guān)斷時間，輔路采用輔路控制策略，同步控制整流二極管S₂的導(dǎo)通與關(guān)斷時間。

5)根據(jù)不同步控制策略，同步控制雙路輸出變換器開關(guān)管的占空比，使輸出電壓均穩(wěn)定。

所述的步驟1)中電流檢測電路采用霍爾傳感器CSM001A，其匝數(shù)比為25:1000，可根據(jù)電路電流大小i和處理器處理最大電壓V_max，計算出采樣電阻R，即滿足R<V_max/(40i)。

所述的步驟3)中判斷主路和輔路的具體步驟為：

①如果P_o1≥A*P_o2，則第一路輸出為主路，第二路輸出為輔路；

②如果P_o1＜A*P_o2，則第二路輸出為主路，第一路輸出為輔路；

其中，系數(shù)A對控制策略起著關(guān)鍵作用，采用仿真與實驗相結(jié)合的方法，根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)基于插值方法擬合曲線獲得A值，并綜合考慮精度和實現(xiàn)復(fù)雜度，對擬合算法、插值階數(shù)進行優(yōu)化以實現(xiàn)最優(yōu)控制。

所述的步驟4)中控制策略包含主路控制策略和輔路控制策略兩部分，具體為：

①主路采用PID控制算法，PID控制器由比例調(diào)節(jié)器P、積分調(diào)節(jié)器I、微分調(diào)節(jié)器D組成，系統(tǒng)主要由PID控制器環(huán)節(jié)和被控對象兩部分組成，根據(jù)系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制，PID控制器是基本的控制裝置，它具有原理簡單、應(yīng)用方便、適應(yīng)性強的優(yōu)點；

②輔路采用改進的滯環(huán)電流控制策略，對傳統(tǒng)滯環(huán)電流進行改進，利用電容電荷平衡原理，計算出負載電流變換時暫態(tài)滯環(huán)電流寬度，得出暫態(tài)滯環(huán)電流閾值，將實時電感電流值與閾值作比較，控制開關(guān)動作，從而穩(wěn)定輸出電壓，滯環(huán)電流模式控制的轉(zhuǎn)換器是一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，它在傳統(tǒng)的電壓控制模式的基礎(chǔ)上，增加電流反饋環(huán)，滯環(huán)電流模式控制相對于滯環(huán)電壓模式控制，具有動態(tài)響應(yīng)快和內(nèi)在的電流限制能力等優(yōu)勢。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所提供雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)及控制方法，通過計算并比較正激式變換器雙路輸出功率值來智能確定主路與輔路，主路采用閉環(huán)PID電壓控制法實時調(diào)整主開關(guān)和主路整流管的導(dǎo)通比。同時，輔路采用改進后的滯環(huán)電流控制策略，精確調(diào)整輔路開關(guān)管的占空比，控制開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷，從而提高多路輸出正激變換器在主路或輔路負載變換時主輔路的輸出電壓精度，使多路輸出正激變換器具有較好的動態(tài)性能，改善交叉調(diào)整問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明輸出負載不變時的仿真波形圖。

圖3為本發(fā)明輸出負載變化時的仿真波形圖。

其中，1為主電路正激式DC-DC變換器；2為采樣電路；3為控制器；4為變換器第一路驅(qū)動電路；5為變換器第二路驅(qū)動電路。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步敘述。

如圖1所示，一種雙路輸出DC-DC變換器系統(tǒng)，包括主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器1、采樣電路2、控制器3、第一路驅(qū)動電路4和第二路驅(qū)動電路5，主電路正激式DC-DC變換器1雙路輸出端同時連接采樣電路2輸入端，采樣電路2輸出端連接控制器3輸入端，控制器3輸出端一端連接DC-DC變換器第一路驅(qū)動電路4，另一端連接DC-DC變換器第二路驅(qū)動電路5，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)；控制器3、第一路驅(qū)動電路4、第二路驅(qū)動電路5分別于主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器1相連接；

所述的主電路雙路輸出正激式DC-DC變換器1采用正激式拓撲結(jié)構(gòu)，將正激變換器中二次側(cè)串接的整流二極管均替換為功率開關(guān)管S₁和S₂，實現(xiàn)兩路輸出的同步控制功能；

所述的采樣電路2采樣輸出電流、電感電流和輸出電壓，并將采樣信息發(fā)送到控制器；

所述的控制器3采用STM32F4處理器，實現(xiàn)對兩路輸出功率的計算、比較，判斷出主路和輔路，并發(fā)送信息到第一路驅(qū)動電路和第二路驅(qū)動電路；

所述的第一路驅(qū)動電路4采用相應(yīng)的控制策略；

所述的第二路驅(qū)動電路5采用相應(yīng)的控制策略。

一種雙路輸出DC-DC變換器的控制方法，包括以下步驟：

1)采樣電路采樣雙路輸出的輸出電流i_o(t)、電感電流i_L(t)和輸出電壓U_o(t)；

2)將采樣信息送入控制器，根據(jù)公式R_L＝U_o(t)/i_o(t)計算出實時負載阻抗值R_L1和R_L2，再根據(jù)公式計算兩路對應(yīng)的輸出功率P_o1和P_o2；

3)控制器將P_o1和P_o2作比較來確定主路和輔路；

4)根據(jù)判斷結(jié)果采用相應(yīng)的控制策略，主路采用主路控制策略，同步控制變壓器原邊主開關(guān)管Q和主路整流二極管S₁的導(dǎo)通與關(guān)斷時間，輔路采用輔路控制策略，同步控制整流二極管S₂的導(dǎo)通與關(guān)斷時間。

5)根據(jù)不同步控制策略，同步控制雙路輸出變換器開關(guān)管的占空比，使輸出電壓均穩(wěn)定。

所述的步驟1)中電流檢測電路采用霍爾傳感器CSM001A，其匝數(shù)比為25:1000，可根據(jù)電路電流大小i和處理器處理最大電壓V_max，計算出采樣電阻R，即滿足R<V_max/(40i)。

所述的步驟3)中判斷主路和輔路的具體步驟為：

①如果P_o1≥A*P_o2，則第一路輸出為主路，第二路輸出為輔路；

②如果P_o1＜A*P_o2，則第二路輸出為主路，第一路輸出為輔路；

其中，系數(shù)A對控制策略起著關(guān)鍵作用，采用仿真與實驗相結(jié)合的方法，根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)基于插值方法擬合曲線獲得A值，并綜合考慮精度和實現(xiàn)復(fù)雜度，對擬合算法、插值階數(shù)進行優(yōu)化以實現(xiàn)最優(yōu)控制。

所述的步驟4)中控制策略包含主路控制策略和輔路控制策略兩部分，具體為：

①主路采用PID控制算法。PID控制器由比例調(diào)節(jié)器P、積分調(diào)節(jié)器I、微分調(diào)節(jié)器D組成，系統(tǒng)主要由PID控制器環(huán)節(jié)和被控對象兩部分組成，根據(jù)系統(tǒng)誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。PID控制器是基本的控制裝置，它具有原理簡單、應(yīng)用方便、適應(yīng)性強的優(yōu)點。

②輔路采用改進的滯環(huán)電流控制策略。對傳統(tǒng)滯環(huán)電流進行改進，利用電容電荷平衡原理，計算出負載電流變換時暫態(tài)滯環(huán)電流寬度，得出暫態(tài)滯環(huán)電流閾值，將實時電感電流值與閾值作比較，控制開關(guān)動作，從而穩(wěn)定輸出電壓。滯環(huán)電流模式控制的轉(zhuǎn)換器是一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，它在傳統(tǒng)的電壓控制模式的基礎(chǔ)上，增加電流反饋環(huán)，滯環(huán)電流模式控制相對于滯環(huán)電壓模式控制，具有動態(tài)響應(yīng)快和內(nèi)在的電流限制能力等優(yōu)勢。

上述內(nèi)容均是對雙路輸出正激式DC-DC變換器系統(tǒng)的理論分析，出于論證的嚴密性，在MATLAB/simulik軟件中對負載電流保持不變和負載電流變化過程進行了仿真驗證。仿真參數(shù)為：輸入電壓為24V，額定輸出功率為30W，兩路額定輸出分別為5V/3A和15V/1A，開關(guān)頻率f＝40kHz，ΔI＝100mA。

從圖2仿真結(jié)果可以看出，當額定輸出5V/3A為主路，額定輸出15V/1A輔路時，U_o1＝4.976，U_o2＝15.00，此時，負載電流i_o2＝1A保持不變，i_o1由3A變?yōu)?.35A，滿足P_o1<0.82*P_o2，主輔路互換，U_o1＝5.012，U_o2＝14.960，兩路輸出電壓精度約為0.2％。

從圖3仿真結(jié)果可以看出，當額定輸出15V/1A為主路，額定輸出5V/3A輔路時，U_o1＝15.01，U_o2＝5.006，此時，負載電流i_o2＝3A保持不變，負載電流i_o1由1A變?yōu)?.1A時，滿足P_o1<0.82*P_o2，主輔路互換，U_o1＝15.00，U_o2＝5.004。兩路輸出電壓精度約為0.4％。

從仿真實驗可以看出，負載電流變換時主輔路均具有較高的輸出電壓精度，證明了主輔路同步控制策略具有智能判定主輔路和同步控制開關(guān)的功能，驗證了理論設(shè)計的正確性。