一種電源效率的調節方法及電路與流程
2023-06-10 07:11:06
本發明涉及電源技術領域，尤其涉及一種高效數字電源的最大效率點的標定方法。
背景技術：
高效數字電源的核心結構為llc(半橋或全橋諧振)電路。llc諧振電路通過控制開關管q的開關頻率改變諧振腔的工作頻率。諧振腔由諧振電感lr、諧振電容cr、變壓器的勵磁電感lm組成。通常，工作在諧振點率fs：時，輸出的電壓增益始終為1，與負載大小無關，電路具有較高的電能轉換效率。通過llc電路，數字電源可以在從零到全負載範圍內，初級實現zvs，次級實現zcs，可大大降低開關損耗。
然而，由於llc電路中，通過諧振電容值與諧振電感值直接決定電路的諧振頻率點，而電容、電感等元器件參數除了生產的差異外，其參數對溫度也很敏感。為獲得電路電能轉換的最大效率點，需要通過控制pwm(pulsewidthmodulation，脈衝寬度調製)發生器的工作頻率，將llc諧振電路內的控制開關管q的工作頻率設定在llc電路的諧振頻率點上。因此，準確地測定llc電路的諧振頻率點，對提升電源工作效率顯得至關重要。
由於pwm發生器的工作原理是，將誤差放大器的輸出端電壓與三角波電壓實時比較，從而確定輸出脈衝的電平高低以獲得矩形脈衝，即pwm脈衝。電源中，需要由所述pwm脈衝波控制llc電路中開關管q的通斷。也就是說，llc電路中開關管q的工作頻率由pwm發生器的工作頻率決定，而pwm發生器的工作頻率實際由其輸入的三角波的頻率決定。pwm發生器輸出脈衝的佔空比通過誤差放大器的輸出端電壓決定。
針對這一特性，現有的技術在電源產品出廠前只能通過人工的方式，調節pwm發生器所連接的振蕩器輸入端的可調電阻rv和可調電容cv，通過可調電阻rv和可調電容cv的值獲得與llc電路諧振頻率相同的三角波頻率。通過調整三角波的頻率，獲得不同頻率的pwm波，將llc電路中開關管q的工作頻率調整至llc電路的諧振頻率上。以此提高電路的轉化效率。以此使電源產品的效率性能達到最佳。
但，現有的調試方式下，技術人員在調節pwm發生器所連接的振蕩器輸入端的可調電阻rv和可調電容cv時，只能通過負載電流波形，來判斷當前頻率下電源效率是否達到最佳。現有的調試過程繁瑣，且判斷依據過於主觀，調試結果一致性欠佳。因此，目前急需一種能夠準確、方便地將pwm發生器的工作頻率調整至llc電路諧振頻率的方法，以此提高數字電源的效率。
技術實現要素：
為了解決現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種調整電源中pwm發生器工作頻率的方法及電路。
首先，為實現上述目的，提出一種調整電源中pwm發生器工作頻率的方法，包括以下步驟：
第一步，固定電源中pwm發生器的佔空比，掃頻調整所述pwm發生器的工作頻率，直至所述電源的輸出端電壓達到最大，獲得電源諧振頻率；所述電源諧振頻率為所述輸出端電壓最大時所述pwm發生器對應的工作頻率；
第二步，將所述pwm發生器的工作頻率固定為所述電源諧振頻率。
進一步，上述方法中，所述第一步中，掃頻調整所述pwm發生器的工作頻率，直至所述電源的輸出端電壓達到最大，獲得電源諧振頻率的具體步驟如下：
s1，固定電源中pwm發生器的佔空比，根據電源特性確定掃頻範圍；
s2，選擇所述掃頻範圍內的一個頻率，設置所述pwm發生器的工作頻率為該頻率；
s3，對所述電源的輸出端電壓進行採樣，記錄該頻率所對應的輸出端電壓；
s4，選擇所述掃頻範圍內的另一個頻率重複所述s2至s3，直至遍歷所述掃頻範圍內的全部頻率；比較各頻率所對應的輸出端電壓，由所述輸出端電壓的最大值確定所述pwm發生器的工作頻率。
具體而言，上述方法中，所述掃頻範圍由電源工作頻率、電源中諧振電感lr誤差範圍和諧振電容cr的誤差範圍共同確定。
上述方法中，所述掃頻範圍內各頻率之間間隔由掃頻精度和掃頻搜索時間共同決定。掃頻精度即頻率的準確度，掃頻搜索時間即搜索第一步中整個掃頻過程所需時間。掃頻精度越高，各頻率之間間隔越小，掃頻搜索時間越長。
進一步，上述方法的步驟s4中，每隔周期t，選擇所述掃頻範圍內的另一個頻率重複所述s2至s3；所述周期t不短於電源上升到穩態的時間。
其次，為實現上述目的，還提出一種使用上述方法的提高電源工作效率的電路，包括：模數轉換器、最大值寄存器和模式控制模塊；
所述模數轉換器的輸入端連接所述電源的輸出端，所述模數轉換器的輸出端連接所述最大值寄存器的輸入端，所述最大值寄存器的輸出入端連接所述模式控制模塊，所述模式控制模塊的控制信號輸出端連接所述電源中pwm發生器的控制接口；
所述模數轉換器用於通過輸入端對所述電源的輸出端電壓進行採樣，並將採樣獲得的所述輸出端電壓進行模數轉換，輸出電壓值；
所述最大值寄存器用於比較其存儲的電壓值與所述模數轉換器輸出的電壓值，更新存儲內容為最大的電壓值以及獲得最大電壓值時電源中pwm發生器所對應的工作頻率；
所述模式控制模塊用於在掃頻模式下，控制所述pwm發生器輸出信號的佔空比為固定值，同時控制所述pwm發生器的工作頻率，遍歷所述掃頻範圍內的全部頻率；所述模式控制模塊還用於在定頻工作模式下，控制所述pwm發生器的工作頻率為所述最大值寄存器中存儲的工作頻率。
進一步，上述電路中，還包括定時模塊，所述定時模塊與所述模式控制模塊連接，固定周期向所述模式控制模塊輸出定時中斷信號；所述模式控制模塊接收到所述定時中斷信號後，控制所述pwm發生器的工作頻率為所述掃頻範圍內的下一個頻率。
更進一步，上述電路中，所述掃頻範圍為電源工作頻率±電源中諧振元器件的誤差範圍，並以數組形式存儲於所述模式控制模塊內。
其中，所述數組中元素個數為20個，各元素所對應的頻率在掃頻範圍內均勻分布。
有益效果
本發明，以模式控制模塊控制電源內pwm發生器先進行掃頻，獲得使得電源輸出電壓最大的電源諧振頻率，將該頻率存儲於最大值寄存器中，再在定頻工作模式下，固定所述pwm發生器的工作頻率為該頻率。以此，本發明所提供的電路能夠將電源內llc諧振電路的功率級開關管q的工作頻率設定在llc電路本身的諧振頻率上，以此提高電源的工作效率。
進一步，本發明將上述控制方法集成於所述模式控制模塊內部，僅利用電源內現有的模數轉換器以及相應寄存器，即可實現對電源內功率級開關管q工作頻率的優化。本發明硬體成本低廉，且無需人工操作，可針對各電源自身llc電路的諧振特性，單獨確認每一個電源的諧振頻率，從而提高電源的工作效率。
進一步，本發明中，掃頻範圍以及掃頻範圍內各頻率之間的間隔均可根據電源特性進行調整，因而，本發明所獲得的電源固有的諧振頻率更加精確，且貼合實際電路，具有工程意義。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。
附圖說明
附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，並與本發明的實施例一起，用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中：
圖1為根據本發明實施例的提高電源工作效率的方法流程圖；
圖2為根據本發明實施例的提高電源工作效率的電路的結構框圖；
圖3為本發明實施中電源輸出端電壓和工作頻率之間的曲線圖；
圖4為目前電源效率檢測技術的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
圖1為根據本發明的調整電源中pwm發生器工作頻率的方法流程圖。將其適用於圖2所示的提高電源工作效率的電路中時，電路包括：模數轉換器、最大值寄存器和模式控制模塊；
所述模數轉換器的輸入端連接所述電源的輸出端，所述模數轉換器的輸出端連接所述最大值寄存器的輸入端，所述最大值寄存器的輸出入端連接所述模式控制模塊，所述模式控制模塊的控制信號輸出端連接所述電源中pwm發生器的控制接口；
所述模數轉換器用於通過輸入端對所述電源的輸出端電壓進行採樣，並將採樣獲得的所述輸出端電壓進行模數轉換，輸出電壓值；
所述最大值寄存器用於比較其存儲的電壓值與所述模數轉換器輸出的電壓值，更新存儲內容為最大的電壓值以及獲得最大電壓值時電源中pwm發生器所對應的工作頻率；
所述模式控制模塊用於在掃頻模式下，控制所述pwm發生器輸出信號的佔空比為固定值，同時控制所述pwm發生器的工作頻率，遍歷所述掃頻範圍內的全部頻率；所述模式控制模塊還用於在定頻工作模式下，控制所述pwm發生器的工作頻率為所述最大值寄存器中存儲的工作頻率。
具體而言，模式控制模塊的工作步驟如下：
第一步，固定電源中pwm發生器的佔空比，掃頻調整所述pwm發生器的工作頻率，直至所述電源的輸出端電壓達到最大，獲得電源諧振頻率；所述電源諧振頻率為所述輸出端電壓最大時所述pwm發生器對應的工作頻率；
第二步，將所述pwm發生器的工作頻率固定為所述電源諧振頻率。
進一步，上述方法中，所述第一步中，掃頻調整所述pwm發生器的工作頻率，直至所述電源的輸出端電壓達到最大，獲得電源諧振頻率的具體步驟如下：
s1，固定電源中pwm發生器的佔空比，根據電源特性確定掃頻範圍；
s2，選擇所述掃頻範圍內的一個頻率，設置所述pwm發生器的工作頻率為該頻率；
s3，對所述電源的輸出端電壓進行採樣，記錄該頻率所對應的輸出端電壓；
s4，選擇所述掃頻範圍內的另一個頻率重複所述s2至s3，直至遍歷所述掃頻範圍內的全部頻率；比較各頻率所對應的輸出端電壓，由所述輸出端電壓的最大值確定所述pwm發生器的工作頻率。
具體而言，上述方法中，所述掃頻範圍由電源工作頻率、電源中諧振電感lr誤差範圍和諧振電容cr的誤差範圍共同確定，本實施例中選擇為100k至150k。
上述方法中，所述掃頻範圍內各頻率之間間隔由掃頻精度和掃頻搜索時間共同決定，本實施例中，頻率間隔選擇為1.66k，從150k遞減掃頻。
進一步，上述方法的步驟s4中，每隔周期t，選擇所述掃頻範圍內的另一個頻率重複所述s2至s3；所述周期t不短於電源上升到穩態的時間，本實施例中設定為1分鐘。理論上只要在該頻率上輸出電壓已經達到穩態，測量出其電壓，即可以切換到下一個頻率，但也可根據實際測試的情況來加長或縮短周期。
為配合上述方法，圖2所示的電路中，還可包括定時模塊，所述定時模塊與所述模式控制模塊連接，固定周期向所述模式控制模塊輸出定時中斷信號；所述模式控制模塊接收到所述定時中斷信號後，控制所述pwm發生器的工作頻率為所述掃頻範圍內的下一個頻率。
本實施例中，掃頻範圍，根據實際情況來定。一般理論上可以計算出llc的諧振頻率，根據電容，電感的誤差範圍，估算初設在±δf的範圍內，根據實驗測試的波形，得到類似於圖三的圖形，然後，再根據實測的最佳頻率點在圖形中的位置來確定是否擴大或縮小範圍，若頻率點在給定頻率範圍邊界時，則需要擴大範圍或調整範圍。為方便調節，實際應用中也可以將δf設置成可通過外部可調節設置的變量。
對於頻率之間間隔：舉例而言，若設定的頻率範圍為±20k，其間設定20個點，推算其每個點的頻率，設置其步長；如果需要精確，可以其間設更多的點，這樣步長更小，更精確，搜索時間也更長。具體還是根據實際情況來定。
因此，具體而言，上述電路中，所述掃頻範圍由100k至150k，並以數組形式存儲於所述模式控制模塊內。數組內元素包括頻率f[i](一共有n個頻率點，i<n)，每個頻率f[i]會對應一個輸出電壓v[i]。但所有頻率點運行一遍後，即可獲得每次頻率點對應的輸出電壓，比較電壓值找出最大電壓v[max]，其對應的頻率點即是llc電路的固有諧振頻率點(本實施例中，從圖3可知為130k)。
其中，所述數組中每個元素所對應的頻率之間間隔為1.66k。
參照圖3所示的掃頻-電壓採樣結果。圖中，橫軸坐標為頻率，縱軸坐標為電源輸出端電壓增益，負載電流固定為15a。但頻率由100k至150k變化時，通過電壓增益的變化曲線可知，該電源的諧振頻率fs：諧振頻率在130k。其中，lr為圖2所示電路中的諧振電感值，cr為諧振電容值。
本發明技術方案的優點主要體現在：相對於圖4所示的現有技術而言，本發明無需人工調節可調電阻rv與可調電容cv，本發明通過軟體方法直接對pwm發生器的工作頻率進行調節，根據掃頻過程中單元輸出端電壓的變化即可比較出電源固有的諧振頻率。本發明能夠提高電源工作頻率調節的精度，而且調節效率更高，調整後，電源工作效率能夠顯著提高。
附圖中信號說明：
rv:可調電阻；
cv:可調電容；
vin:功率級模塊輸入電壓；
vout:電源輸出端電壓；
vs:電源輸出端電壓經採樣得到的信號；
f[n]:變頻中對應的頻率點；
v[n]:頻率變化，對應頻率的輸出端電壓ad採樣經折算後的電壓值；
v[max]:輸出端電壓最大值；
f[max]:輸出端電壓最大值所對應的頻率。
本領域普通技術人員可以理解：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。