數(shù)字化dc/dc電源模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及DC/DC電源模塊，尤其是一種數(shù)字化、且具有多模式多環(huán)路控制的數(shù) 字化DC/DC電源模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，DC/DC電源模塊廣泛應(yīng)用于遠程及數(shù)據(jù)通訊、計算機、辦公 自動化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)。DC/DC電源模 塊已成為眾多電子設(shè)備的重要組成部分，其質(zhì)量直接影響電子設(shè)備的性能。除去常規(guī)電性 能指標以外，還要求其小體積高效率、低電壓大電流輸出、高可靠性等，這一應(yīng)用需求趨勢 對DC/DC電源模塊的設(shè)計提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。
[0003] 國內(nèi)常見的DC/DC電源模塊大都以模擬電路、單一的控制模式為主，導(dǎo)致了其器 件眾多、體積龐大、功率密度不高、轉(zhuǎn)換效率較低、發(fā)熱量較大等不足。為了較好解決這些問 題，業(yè)界從大幅度提高開關(guān)工作頻率入手，這一努力提高了 DC/DC模塊的功率密度，卻降低 了效率，導(dǎo)致發(fā)熱量增加、難過高溫關(guān)。一些電源生產(chǎn)廠家基于部分使用的需要，在提高開 關(guān)工作頻率的基礎(chǔ)上，采用各種軟開關(guān)技術(shù)來降開關(guān)損耗，提升模塊工作效率，但很少從影 響DC/DC電源效率的耗能元器件、功率變換電路的拓撲結(jié)構(gòu)、開關(guān)工作頻率的調(diào)制方式、合 理選擇電源電壓、減小內(nèi)阻、散熱方式、正確選擇DC/DC電源的功率變換的工作點等因素來 系統(tǒng)解決。此外，常見的DC/DC電源模塊還存在數(shù)字化程度低、電路的可移植性較差、生產(chǎn) 工藝復(fù)雜、維護使用成本較高、自適應(yīng)性差、可靠性低、抗干擾性差等弊端，在許多運用中已 經(jīng)顯得力不從心。
[0004] 由于線路故障的原因，當線路電壓在短時間內(nèi)出現(xiàn)大幅度降低的現(xiàn)象，而后續(xù)電 器為了要保持相同的工作功率，就會導(dǎo)致電流值增加，導(dǎo)致燒毀電器，而現(xiàn)有的DC/DC電源 模塊，為了避免因電壓波動導(dǎo)致電器燒毀的事故發(fā)生，大都會增加一個欠壓保護模塊，但是 這些欠壓保護模塊，均是通過切斷電器的電流，以到達避免電器被過大電流燒毀的目的，但 是在一些特殊行業(yè)中，需要電源不間斷供給，如果直接切斷電流，會造成巨大的經(jīng)濟損失， 甚至危及生命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的就是現(xiàn)有的DC/DC電源模塊當出現(xiàn)電壓下降時，均采用切斷電 流避免電器燒壞，不能滿足電源不間斷供給要求的問題，提供一種在發(fā)生電壓下降時，通過 降低電流輸出實現(xiàn)不間斷供電的數(shù)字化DC/DC電源模塊。
[0006] 本發(fā)明的數(shù)字化DC/DC電源模塊，包括殼體、面板以及控制模塊，面板安裝在殼體 上，控制模塊放置在殼體內(nèi)，其特征在于該控制模塊包括功率變換單元和核心控制單元，功 率變換單元分別與直流輸入端與直流輸出端連接，核心控制單元安裝在功率變換單元上， 核心控制單元通過采集輸入、輸入?yún)?shù)，利用功率變換單元進行功率變化，其中： 功率變換單元為四開關(guān)管的buck-boost自動升降壓拓撲結(jié)構(gòu)電路； 核心控制單元包括數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)字信號處理器，數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)字信號處理器 連接，數(shù)字信號處理器與功率變換單元連接。
[0007] 所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括輸入電壓跟蹤模塊、輸出電流采集模塊和輸出電壓采集 模塊，并與溫度跟蹤模塊連接，輸入電壓跟蹤模塊、輸出電流采集模塊以及輸出電壓采集模 塊分別與數(shù)字信號處理器連接，輸入電壓跟蹤模塊監(jiān)測電源模塊輸入電壓，輸出電流采集 模塊監(jiān)測電源模塊輸出電流大小，輸出電壓采集模塊監(jiān)測電源模塊輸出電壓大小。
[0008] 所述的電源模塊還包括CAN通信接口，CAN通信接口與數(shù)字信號處理器連接，利 用CAN通信接口實現(xiàn)對內(nèi)部各工作參數(shù)的動態(tài)設(shè)定和工作狀態(tài)信息的管理和傳輸，并通過 CAN通信接口對工作參數(shù)進行配置設(shè)定，在多電源模塊并聯(lián)工作時，通過CAN通信總線動態(tài) 調(diào)整各電源模塊的輸出特性，均衡控制多電源模塊并聯(lián)工作。
[0009] -種數(shù)字化DC/DC電源模塊，其特征在于該電源模塊以buck-boost自動升降壓拓 撲結(jié)構(gòu)為功率變換核心，通過電壓以及電流跟蹤控制，利用增量式PID控制算法，以實現(xiàn)電 壓降低時，不間斷供電的目的，具體實現(xiàn)步驟為： (1) 設(shè)定電源模塊的輸入電壓、輸出電流以及輸出電壓基準值，通過數(shù)據(jù)采集模塊分別 采集電源模塊的輸入電壓值、輸出電流值以及輸出電壓值，并將采集數(shù)據(jù)反饋至數(shù)字信號 處理器，由數(shù)字信號處理器實施對比輸入電壓基準值一輸入電壓值、輸出電流基準值一輸 出電流值以及輸出電壓基準值一輸出電壓值； (2) 數(shù)字信號處理器根據(jù)步驟1中的對比值，利用增量式PID控制算法，通過 buck-boost自動升降壓拓撲結(jié)構(gòu)電路，調(diào)整輸出電壓值，實現(xiàn)恒流與恒壓輸出； (3) 當輸入電壓值低于輸入電壓基準值時，數(shù)字信號處理器自動降低輸出電流基準值， 此時將采集到的輸出電流值與輸出電流基準值進行比較，當輸出電流值大于輸出電流基準 值時，數(shù)字信號處理器通過buck-boost自動升降壓拓撲結(jié)構(gòu)電路降低輸出電壓，從而降低 輸出功率； (4) 當輸入電壓值回升時，數(shù)字信號處理器逐漸提高輸出電流基準值，并對比輸出 電流值與輸出電流基準值，當輸出電流值小于輸出電流基準值，則數(shù)字信號處理器通過 buck-boost自動升降壓拓撲結(jié)構(gòu)電路提高輸出電壓，從而提高輸出功率； (5) 當輸入電壓值回升到輸入電壓基準值時，此時數(shù)字處理器按照預(yù)設(shè)的輸出電壓基 準值和輸出電流基準值進行輸出控制，進入正常工作狀態(tài)。
[0010] 所述的buck-boost自動升降壓拓撲結(jié)構(gòu)電路，采用buck-boost自動升降壓電源 拓撲結(jié)構(gòu)，分別由四路兩兩互補并且?guī)в兴绤^(qū)時間控制的增強型高分辨率PWM作為驅(qū)動信 號，控制兩對具有同步整流設(shè)計的N溝道MOS管，通過兩個不同的占空，控制四個功率mos 管協(xié)同工作，達到自動升降壓無縫切換；其工作原理為：將buck-boost的兩個占空映射到 "200%"的區(qū)間內(nèi)，100%以下為降壓區(qū)間，100%以上為升壓區(qū)間；同時由于死區(qū)時間的存在， 以及為了保證線性電源的連續(xù)性，Buck部分的占空不會達到100%，boost部分的占空也不 會達到0,所以100%的占空必須由Buck最大占空限制加上boost最小占空限制來完成；當 輸入電壓大于輸出電壓時，buck-boost電路工作在降壓模式下，Boost保持一個最小占空， 輸出電壓由Buck占空調(diào)節(jié)，降低輸出的電壓值；當輸入電壓小于輸出電壓時，buck-boost 電路工作在升壓模式下，Buck保持一個最大占空，輸出電壓由Boost占空調(diào)節(jié)，提高輸出的 電壓值。
[0011] 所述的增量式PID控制算法，基本算法如下：
上式中u(t)為控制器的輸出值；Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；Ti為控制器的積分時間；e(t) 為控制器的輸入(常常是設(shè)定值與被控量之差）；Td為控制器的微分時間； 為方便數(shù)字信號處理器實現(xiàn)增量式PID調(diào)節(jié)，設(shè)雜！為第k次采樣時刻控制器的輸出增 量，將公式（1)離散化得到公式（2):
上式中Ki為控制器的積分系數(shù)；Kd為控制器的微分系數(shù)；ek為第k次采樣時刻的系統(tǒng) 輸入；依次類推可知ek i和e k 2分別為k-Ι時刻和k_2時刻的系統(tǒng)輸入； Λ隊為當前時刻應(yīng)該增加或減少的控制量，通過上一次的控制量U k i，通過公式（3)計 算出當前控制量；
系統(tǒng)每次運算完成都會將當前控制量作為下一次計算的基礎(chǔ)量，依次累加運算，且當 輸出接近輸出值時增加量會越來越小，直到平穩(wěn)的將輸出誤差控制在"零"附近。
[0012] 所述的電源模塊還加入溫度跟蹤控制模塊，根據(jù)電源模塊內(nèi)部溫度，動態(tài)調(diào)整輸 出功率，使得電源模塊的溫度和輸出功率達到平衡，電源模塊溫度上升則降低輸出功率，使 得電源模塊工作溫度下降；當溫度下降到一定值時，增加輸出功率，如此保證電源模塊在保 證安全溫度的情況下最大限度提供輸出功率，在不間斷輸出的同時讓電源模塊的溫度始終 處于安全值以下，實施方法為：數(shù)字信號處理器上外接一個溫度傳感器，對模塊實際工作溫 度進行實時采集，通過實時采集溫度值與預(yù)設(shè)安全溫度值的比較計算，來調(diào)整模塊的工作 電流；當實際溫度值高于安全溫度值時，降低輸出電流基準值，從而限制了輸出電流的最大 值，降低輸出功率，從而控制溫度上升；當電源模塊溫度降低到安全值以下時，數(shù)字信號處 理器根據(jù)采樣到的實際溫度值適當增加輸出電流基準值，從而增加輸出功率。
[0013] 所述的電源模塊溫度與輸出電流限值的運算公式為：
上式中為由溫度控制的電流限值；I _為電源模塊額定輸出的最大電流限值；Tnff為 預(yù)設(shè)的安全溫度閾值；Tn為模塊的當前溫度采樣值；k為反饋量的控制系數(shù)，根據(jù)